海上平臺主機調試海水冷卻系統的設計研究

李明濤

（海洋石油工程股份有限公司）

海上平臺主機調試海水冷卻系統的設計研究

李明濤*

（海洋石油工程股份有限公司）

南海某海上平臺項目平臺主發電機組及鉆井系統空調機組為海水冷卻機組。為實現平臺設備陸地調試最大化，需要臨時援引碼頭海水接入平臺正式工藝管線，作為發電機組負載試驗的冷卻媒介以及提供臨時海水至鉆井系統空調單元。結合系統特殊要求及試驗場地條件，設計了一套滿足工藝要求的臨時海水冷卻系統，其各項指標均達到技術要求，保證了項目主發電機組負載試驗的順利完成。

發電機組 負載試驗 海水冷卻 潛水泵 管道 壓力 流量

0 前言

南海陸豐7-2項目海上平臺主發電機機組為2臺4 320 kW原油發電機組和2臺3 890 kW雙燃料發電機組。按照中國船級社2012年頒發的 《鋼質海船入級規范》要求，對于新建或經過大修的電站，必須進行檢測、試驗和調整[1]。在設備陸地調試期間，平臺正式海水冷卻系統尚未具備啟動條件，因此為保證原油發電機組負載試驗及鉆井系統空調機組聯合調試的順利實施，迫切需要設計一套適應試驗要求的臨時海水冷卻系統，以確保高質量完成主電機組負載試驗及鉆井系統聯調，這對于項目正常運轉具有舉足輕重的意義。

本文結合系統特殊要求及試驗場地條件，設計了一套滿足工藝要求的臨時海水冷卻系統，其各項指標均達到技術要求，保證了項目主發電機組負載試驗的順利完成。

1 設計條件

與以往常規項目相比，陸豐7-2項目組塊海水冷卻系統設計難度大，主要問題為以下幾方面：

（1）由于試驗場地碼頭區域限制，海水取水口位置距離該項目組塊較遠（約130 m），且系統要求供應大流量海水，工藝系統設計難度大。

（2）潛水泵安裝位置經常停靠船舶，為避免發生碰撞，要求泵固定結構為可靈活拆卸式，且泵支撐結構距離碼頭邊緣不大于500 mm，安裝空間小。

（3）潛水泵安裝區域為碼頭，常停靠船舶，船舶螺旋槳攪動容易帶動海床淤泥及垃圾，容易堵塞臨時海水泵，污染海水管線，甚至堵塞海水濾器。

主機冷卻原理為海水系統冷卻淡水系統，淡水系統是閉路循環系統，淡水系統冷卻主機滑油系統，因此主機的冷卻系統主要為海水冷卻系統。主機冷卻系統主要技術指標如下：

（1） 最大流量： 600 m3/h；

（2）主機冷卻系統海水壓力：0.35 MPa；

（3）主機冷卻系統冷卻淡水溫度要求：進口60℃，出口38℃；

（4）中央空調冷卻海水壓力：0.35 MPa；

（5）中央空調電氣間溫度冷卻要求：進口27℃，出口22℃。

2 方案設計

臨時海水冷卻系統由兩臺潛水泵、海水泵粗濾罩、臨時海水濾器、化學藥劑注入系統及配套管線、閥門等組成。臨時海水系統充分考慮了管線水壓，設計了回流管線以便調節海水壓力；考慮到南方海水溫度較高，設計了防海生物裝置，防止海水管線內海水生物聚集繁殖。

工藝流程：由臨時海水泵供水，海水經臨時海水濾器過濾后至發電機組中冷器，經中冷器換熱后返回碼頭排入海中；期間，防海生物裝置通過計量泵定量注入次氯酸鈉，滅殺海生物。臨時海水濾器一用一備，根據差壓表顯示可及時切換設備并更換清潔濾芯。詳細的工藝系統流程可見圖1。主機系統的設計參數如表1所示。

2.1 海水流量計算

開式冷卻循環系統熱負荷計算如下。單臺中冷器熱負荷Ptotal1=5 600 kW，海水溫升ΔT=49.3-22=27.3℃。假設臨時海水泵流量Q：

式中ε——比熱容，J/（kg·K）。單臺機組運行時臨時海水流量需求為：

圖1 工藝系統流程

表1 主機系統設計參數

經計算得單臺主機所需最大海水用量為176 m3/h。4臺主機并機熱負荷總計為Ptotal2=5 600×2.2=12320 kW。要去除這些熱負荷Ptotal2，4臺主機運行時臨時海水流量需求為：

鉆井系統中央空調去除房間熱負荷冷卻海水流量需求為：

海水冷卻系統總流量需求：

2.2 管徑選擇

根據系統流量需求及最佳海水流速，選取海水管線管徑為d=254 mm，則海水流速為：介質為水時，管道流速常用值推薦為1.5~3.0 m/s，計算的海水流速v滿足最優流速條件。

2.3 海水冷卻系統壓力損失計算

沿程阻力損失和局部阻力損失為：

高度損失：

系統總壓力損失包括高度損失、沿程阻力損失和局部阻力損失，總計約為217 kPa。

2.4 海水泵選擇及安裝方案

根據上述計算，冷卻水系統流量要求大于487 m3/h，冷卻水系統壓力要求大于350+217=567 kPa。故選用兩臺流量為350 m3/h、額定壓力大于567 kPa的潛水泵作為冷卻水泵。

按照常規安裝方法，需要制作鋼結構支撐對泵進行固定，一方面承受泵的重量，另一方面防止泵在啟動運行中出現振動等狀況。但如果碼頭經常停靠船舶，如果使用常規的鋼結構支撐，一方面容易造成船體與支撐結構碰撞，另一方面需要采用浮球等防碰裝置，大大增加成本。因此碼頭特殊的狀況對泵的安裝提出了更高的要求（泵結構支撐尺寸不允許大于300 mm），必須改變原有結構形式，設計更為巧妙可靠的支撐結構。經過現場實地勘察及強度計算，選用以下泵安裝方式：

（1）在與海水泵相連接的管線處焊接一支L形固定卡，將泵固定在碼頭水泥橫梁上，由橫梁承受泵啟動時的轉動力矩以及自身重量。

（2）地面距離碼頭邊緣20 cm處用法蘭連接管路，并在下部制作一法蘭底座（要求底座與地面連接牢固），將法蘭放置在底座上，上部用水泥進行封裝固定，以承受泵及附屬管線的重量。

（3）每臺泵需要用一根鋼絲繩系固到碼頭的樁上或其他固定在地面的物體上，以應對突發情況。

該結構一方面承受了泵及附屬管線的重量，另一方面大大縮小了泵支撐結構的尺寸，避免了船舶與泵支撐結構的碰撞，且節省了浮球等防碰撞裝置的租賃費用。

2.5 系統電氣方案

四臺主發電機組并車負載試驗期間，需要兩臺臨時潛水泵供冷卻之用。單臺臨時潛水泵的功率約為180 kW，每臺臨時潛水泵使用兩根3×150 mm2銅芯鎧裝電纜供電，單根電纜總長度約為200 m。

為了使設備平滑啟動，兩臺臨時潛水泵分別接入海水提升泵4001B的接入點和4001D的接入點（均位于應急低壓盤DPP-ELV-001的LE段）。

對于單芯150 mm2銅芯的導體，其電阻為：

單臺臨時潛水泵的功率約為180 kW，由P=1.732 UIcosφ 可得：

由于敷設兩根電纜，則每根電纜單相相電流為：

單相電纜導體電阻承受的電壓為：

則電壓降

由CCS《鋼制海船入級規范》[2]可知，正常工作條件下最大電壓降不得超過6%。由于上述計算電壓降ΔU＝1.64%<6%，故用 2根 3×150 mm2銅芯鎧裝電纜給每臺臨時潛水泵供電時，可以滿足正常用電要求。

2.6 系統整體三維建模設計

根據陸豐7-2項目平臺所在位置，利用三維建模軟件對海水冷卻系統進行三維建模，并對系統設計進行可行性分析，對系統與平臺結構進行干涉分析，由此統計出詳細的臨時海水系統相關管線及電氣材料。詳細的建模圖形如圖2所示。

圖2 臨時海水冷卻系統三維模型

3 系統HAZOP分析

系統的HAZOP（hazard and operability）分析，即危險與可操作性分析。HAZOP分析法是按照科學的程序和方法，從系統的角度出發對工程項目或生產裝置中潛在的危險進行預先的識別、分析和評價，識別出生產裝置設計、操作和維修程序，并提出改進意見和建議，以提高裝置工藝過程的安全性和可操作性，為制定基本防災措施和應急預案進行決策提供依據。

為保證所設計系統的可行性以及操作的安全性，本項目以系統工程為基礎進行定性分析和定量危險性評價。通過分析海水冷卻運行過程中工藝狀態參數的變動，操作控制中可能出現的偏差，以及這些變動與偏差對系統的影響及可能導致的后果，找出參數變動和操作控制出現偏差的原因，明確裝置或系統內及生產過程中存在的主要危險、危害因素，并針對變動與偏差的后果提出相應的整改措施。

4 結論

該主機調試海水冷卻系統的成功應用，圓滿完成了海上平臺主發電機機組負載試驗及鉆井系統空調單元運轉測試，實現了平臺陸地調試最大化。

（1）臨時海水冷卻系統的成功應用，極大地縮短了平臺海上調試時間，且該設計比單純租賃閉式循環冷卻單元節省費用200萬元，經濟效益明顯；

（2）通過對泵和管道的設計選型以及對主機和鉆井系統中央空調海水冷卻系統的設計，為今后其他海上平臺項目的陸地調試積累了寶貴經驗；

（3）海水冷卻系統的管道設計，需要因地制宜，根據平臺碼頭位置，按照實際路徑最短和揚程損失、沿程阻力損失最小的原則考慮管道路徑。

[1]張涌群.船舶電站調試的關鍵環節與對策 [J].港口科技動態，2006（4）：30-32.

[2]中國船級社.鋼質海船入級規范2012[S].北京：人民交通出版社，2012.

Design and Research of Seawater Cooling System for Offshore Platform Debugging

Li Mingtao

The platform main generator set and drilling system air conditioning unit of a marine project are sea water cooling unit.In order to maximize the land debugging of the platform,it is necessary to quote the formal process pipeline of wharf seawater access platform temporarily as the cooling medium for generator load test and provide temporary air conditioning to the air conditioning unit of the drilling system.In combination with the special requirements of the system and the site conditions,a set of temporary sea water cooling system is designed to meet the requirements of the process after detailed calculation and practical investigation.All the indexes can meet the technical requirements and ensure the successful completion of the load test of the main generator set.

Generator set;Load test;Seawater cooling;Submersible pump;Pipe;Pressure;Flow

TQ 051.5

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.007

*李明濤，男，1981年生，碩士，工程師。天津市，300451。

2017-07-21）