基于沙特海洋環(huán)境的船舶適應(yīng)性改造設(shè)計(jì)研究

黃海濱， 李文博， 柳宇， 李少飛

（海洋石油工程股份有限公司，天津300461）

0 引 言

隨著國(guó)家“一帶一路”經(jīng)濟(jì)策略的深入推進(jìn)及陸地石油資源的逐漸匱乏，越發(fā)凸顯海洋能源的重要性。越來(lái)越多的企業(yè)“走出去”并前往中東海域開(kāi)發(fā)海洋石油項(xiàng)目，海洋環(huán)境中高溫條件是最為活躍和最重要的影響因素?，F(xiàn)以國(guó)內(nèi)某大型海洋工程吊裝船舶為研究樣本模型，由于其船舶設(shè)備不能滿足沙特當(dāng)?shù)氐母邷丨h(huán)境，需要進(jìn)行適應(yīng)性改造。主要改造的設(shè)備是柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、駕駛室空調(diào)系統(tǒng)、中央空調(diào)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)等內(nèi)容。我公司作為國(guó)內(nèi)主要的海洋石油工程公司，是集工程設(shè)計(jì)、陸地建造、海上運(yùn)輸安裝調(diào)試、維修為一體的工程總承包企業(yè)。工程船舶是公司的重要資源，直接影響公司的經(jīng)營(yíng)和業(yè)務(wù)水平?；陧?xiàng)目實(shí)施地點(diǎn)沙特海域的高溫環(huán)境條件，需要對(duì)船舶裝備進(jìn)行適應(yīng)性改造。

1 沙特海域海洋環(huán)境與氣象參數(shù)

沙特海域每年11月至來(lái)年3月是夏馬風(fēng)盛行季節(jié)，2月最頻繁，最大風(fēng)速40～50 km/h，陣風(fēng)100 km/h，百年一遇的最大風(fēng)速為26.35 ～21.60 m/s，見(jiàn)圖1。

圖1 沙特海域風(fēng)向圖

波斯灣開(kāi)放水域夏天海水最高溫度達(dá)到35.5℃，由于阿拉伯灣的鹽度高，海水溫度隨海水深度變化較小，水深10 m 時(shí)夏季水溫高達(dá)32 ℃，見(jiàn)圖2。

圖2 沙特海水溫度圖

2 船舶裝備適應(yīng)沙特高溫環(huán)境條件下的改造設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

根據(jù)船舶設(shè)備技術(shù)規(guī)格書及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研，目前藍(lán)疆船上主要輪機(jī)設(shè)備：主發(fā)電機(jī)、錨機(jī)、推進(jìn)器、制冷裝置、空壓機(jī)等均為淡水冷卻，能接受的最高淡水溫度為32 ℃。由于作業(yè)海域最高氣溫高達(dá)48.2 ℃，年平均最高氣溫達(dá)到46 ℃，海水溫度達(dá)35.5 ℃，均超過(guò)了船舶的設(shè)計(jì)極限值。這些數(shù)值為裝備改造奠定數(shù)據(jù)計(jì)算基礎(chǔ)，見(jiàn)表1。

表1 沙特海域環(huán)境設(shè)計(jì)數(shù)值

3 船舶裝備適應(yīng)性改造技術(shù)設(shè)計(jì)方案分析

為滿足沙特海域作業(yè)需要，保證船上主機(jī)、泵、錨機(jī)、配電柜等機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，船員住艙環(huán)境舒適，必須對(duì)船舶海水、淡水冷卻系統(tǒng)，生活區(qū)和各配電間空調(diào)系統(tǒng)，主機(jī)艙、泵房通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造。

3.1 海水、淡水冷卻系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

船舶現(xiàn)有主機(jī)、生活、輔助冷卻系統(tǒng)冷卻量不足，冷卻效果差。原生活、輔助淡水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)為2臺(tái)，一用一備。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，目前均需2臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行方可滿足設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員反映，目前需啟動(dòng)兩臺(tái)泵的原因有：板式換熱器清洗頻率高，致使換熱片變形，換熱效率逐漸降低，影響了淡水冷卻的溫度。因泵房室溫度過(guò)高，致使電動(dòng)機(jī)溫度高，負(fù)載過(guò)大，降低了泵的效率，即淡水冷卻量減少。解決上述兩問(wèn)題的方法是更換換熱片。為檢修方便，在板式換熱器壓緊板上開(kāi)檢修口，方便清理海生物。加大泵房的送風(fēng)口，并在送風(fēng)管的適當(dāng)位置安裝冷卻盤管；此外還增加一臺(tái)抽風(fēng)機(jī)。建議給輔助、生活淡水系統(tǒng)配置一臺(tái)新的泵作備用。因主機(jī)冷卻系統(tǒng)、輔助冷卻系統(tǒng)、生活冷卻系統(tǒng)的淡水出口溫度比較高（43～57℃），該溫度的淡水與32 ℃的海水經(jīng)板式熱交換器熱交換后才能得到各系統(tǒng)需要的32 ℃淡水?，F(xiàn)作業(yè)區(qū)域海水溫度為35.5 ℃，即比設(shè)計(jì)海水溫度32 ℃高出3.5 ℃，則淡水與海水熱交換后相應(yīng)也升高3.5 ℃，即板式熱交換器的淡水出口溫度為35.5 ℃，不能滿足各設(shè)備能接受的最高淡水溫度32 ℃要求。因主機(jī)系統(tǒng)需要的冷卻水量為437 m3/h，輔助系統(tǒng)需要的冷卻水量為741 m3/h；生活系統(tǒng)需要的冷卻水量為320 m3/h，各系統(tǒng)需要的冷卻水量比較大，溫升3.5 ℃比較高（對(duì)換熱器而言），加換熱片不能解決因海水溫度升高而影響各系統(tǒng)的進(jìn)水溫度（32 ℃）要求，且現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有足夠空間增加換熱片。

設(shè)計(jì)方案為：增加2套能滿足35.5 ℃海水冷卻的冷水機(jī)組，與原系統(tǒng)的板式熱交換器串聯(lián)，在沙特區(qū)域或炎熱地區(qū)施工時(shí)啟動(dòng)冷水機(jī)組，此時(shí)，冷水機(jī)組內(nèi)經(jīng)海水冷卻的制冷劑將淡水溫度降至32 ℃左右，以滿足進(jìn)入設(shè)備的冷卻水溫度要求。在國(guó)內(nèi)或滿足原設(shè)計(jì)條件區(qū)域內(nèi)作業(yè)時(shí)關(guān)停冷水機(jī)組即可。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，藍(lán)疆船主機(jī)淡水系統(tǒng)和生活淡水系統(tǒng)需經(jīng)常使用，輔助系統(tǒng)在推進(jìn)器或錨機(jī)使用時(shí)需要的淡水量最大，則增加的冷水機(jī)組需滿足以下2種工況：1）主機(jī)淡水系統(tǒng)（437 m3/h）+輔助淡水系統(tǒng)（741 m3/h）；2）主機(jī)淡水系統(tǒng)（437 m3/h）+生活淡水系統(tǒng)（320 m3/h）。即最大冷卻水量為1178 m3/h，則增加的2套冷水機(jī)組需要將1178 m3/h的淡水從35.5 ℃冷卻到32 ℃，經(jīng)計(jì)算，冷卻1178 m3/h的淡水需要的制冷量約5200 kW，即每臺(tái)冷水機(jī)組制冷量為2600 kW，設(shè)備尺寸為4500 mm×4000 mm×3000 mm。方案將新增的2套冷水機(jī)組安裝在鋪管作業(yè)線操作室頂部，見(jiàn)圖3。

增加2套冷水機(jī)組后，因海水量比較大，需增加2 臺(tái)約800 m3/h的海水泵。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，并從現(xiàn)有海底門及海水管線考慮，建議將新增加的2臺(tái)海水泵安裝在壓載泵艙，海水接至原有壓載海水總管線即可。

3.2 主機(jī)艙、泵艙通風(fēng)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

機(jī)艙、泵艙均沒(méi)有抽風(fēng)機(jī)，導(dǎo)致機(jī)艙、泵艙等艙室溫度過(guò)高，各運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)溫升異常升高，設(shè)計(jì)主機(jī)艙增加一臺(tái)100 000 m3/h風(fēng)量，直徑φ1400 mm的抽風(fēng)機(jī)；泵艙增加一臺(tái)40 000 m3/h風(fēng)量，直徑φ1000 mm的抽風(fēng)機(jī)。在主甲板上增加一個(gè)尺寸為3.1 m×3.1 m×3.8 m的風(fēng)機(jī)房，風(fēng)機(jī)房三面有開(kāi)口，安裝百葉窗。在主機(jī)房增加結(jié)構(gòu)風(fēng)道，結(jié)構(gòu)風(fēng)道采用鋼板。另外，泵艙、輔機(jī)艙風(fēng)口尺寸均偏小，設(shè)計(jì)加大泵艙、輔機(jī)艙送風(fēng)口。將主機(jī)艙的蒸汽加熱器更換成加熱和制冷兩用的盤管，同樣在泵艙及液壓動(dòng)力站送風(fēng)管路的適當(dāng)位置安裝主機(jī)艙加熱和制冷兩用的盤管。目前低壓配電間空調(diào)使用效果能滿足要求，而高壓配電間局部比較熱，影響設(shè)備正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)在高壓配電間增加一臺(tái)制冷量約25 kW。淡水冷卻的柜式空調(diào)。同時(shí)因柜式空調(diào)為淡水冷卻，所以需解決船在沙特作業(yè)時(shí)的淡水溫度問(wèn)題，在吊機(jī)工作時(shí)，吊機(jī)電氣間比較熱。將圖3標(biāo)示位置的移動(dòng)設(shè)備移開(kāi)，在此處增加一臺(tái)制冷量約25 kW的風(fēng)冷分體空調(diào)（駕駛臺(tái)頂部隔熱效果差、內(nèi)部溫度較高，影響設(shè)備正常運(yùn)行）。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員反映，五樓頂部的外露甲板處隔熱效果差，導(dǎo)致在外露甲板下的住艙也比較熱。設(shè)計(jì)更換或加厚駕駛臺(tái)頂部和五樓頂部的外露甲板下的保溫棉。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，輔吊機(jī)機(jī)房溫度過(guò)高，內(nèi)部設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。目前輔吊機(jī)機(jī)房?jī)?nèi)已有一臺(tái)5 kW的空調(diào)，但機(jī)房上部（配電設(shè)備）溫度仍比較高，設(shè)計(jì)在輔吊機(jī)機(jī)房?jī)?nèi)再增加一臺(tái)制冷量約8 kW的風(fēng)冷分體空調(diào)。在工作錨機(jī)和推進(jìn)器使用時(shí)，其配電間溫度較高，影響設(shè)備正常運(yùn)行。建議在各配電間增加一臺(tái)制冷量約25 kW、淡水冷卻的柜式空調(diào)，共6臺(tái)。

圖3 冷卻水改造增加冷凝機(jī)組位置

3.3 央空調(diào)系統(tǒng)改造

近兩年中央空調(diào)器內(nèi)蒸發(fā)器已臟堵，致使其冷量和風(fēng)量均達(dá)不到要求。且在現(xiàn)場(chǎng)還發(fā)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的其他幾個(gè)問(wèn)題：中央空調(diào)器蒸發(fā)器處的檢修門因空調(diào)內(nèi)負(fù)壓過(guò)大，已發(fā)生變形；2號(hào)壓縮機(jī)組的壓縮機(jī)制冷劑吸入口發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象；中央空調(diào)膨脹閥運(yùn)行不穩(wěn)定；3號(hào)壓縮機(jī)組壓縮機(jī)有泄漏，另兩臺(tái)需經(jīng)常加制冷劑；中央空調(diào)器內(nèi)無(wú)備用風(fēng)機(jī)。為保證藍(lán)疆號(hào)在沙特施工時(shí)能達(dá)到比較好的制冷效果，設(shè)計(jì)方案為：1）更換蒸發(fā)器；2）更換檢修門；3）對(duì)中央空調(diào)的制冷系統(tǒng)進(jìn)行全面檢修、試壓，防止發(fā)生泄漏、結(jié)冰現(xiàn)象；4）備用一臺(tái)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)。為適應(yīng)沙特區(qū)域環(huán)境條件所需改造，原中央空調(diào)的風(fēng)量是足夠的，為滿足沙特區(qū)域施工要求，需增加制冷量。從節(jié)能、設(shè)備利用率、現(xiàn)場(chǎng)空間及施工量考慮，在新風(fēng)入口處增加一臺(tái)海水冷卻的新風(fēng)處理空調(diào)，降低進(jìn)入原中央空調(diào)的新風(fēng)溫度和濕度。即在沙特區(qū)域或炎熱地區(qū)施工時(shí)啟動(dòng)新風(fēng)處理空調(diào)，在國(guó)內(nèi)或滿足原設(shè)計(jì)條件區(qū)域內(nèi)作業(yè)時(shí)則只需啟動(dòng)原中央空調(diào)即可，見(jiàn)圖4。但若按大氣環(huán)境最惡劣條件（48 ℃，95%濕度）計(jì)算，新風(fēng)處理空調(diào)制冷量需1200 kW。經(jīng)與空調(diào)廠家聯(lián)系，制冷量為1200 kW的新風(fēng)處理空調(diào)，其電功率約為400 kW。考慮實(shí)際制作1200 kW制冷量的可行性及具體位置和尺寸，需將新風(fēng)處理空調(diào)分成兩臺(tái)，每臺(tái)制冷量為600 kW，設(shè)備尺寸約5000 mm×2300 mm×2000 mm，電功率約200 kW。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，在該新風(fēng)道頂部沒(méi)有多余的空間放置兩臺(tái)5000 mm×2300 mm×2000 mm新風(fēng)處理空調(diào)，生活區(qū)中央空調(diào)室外設(shè)計(jì)條件按45 ℃，90%計(jì)算，此時(shí)，新風(fēng)處理機(jī)組的制冷量為630 kW，空調(diào)器大小為5000 mm×2300 mm×2000 mm。

圖4 中央空調(diào)改造布置

因該新風(fēng)空調(diào)為海水冷卻，相應(yīng)海水管線及其閥門附件需接入該新風(fēng)空調(diào)。同時(shí)原中央空調(diào)為淡水冷卻，所以需解決船舶在沙特作業(yè)時(shí)的淡水溫度問(wèn)題。冰機(jī)系統(tǒng)設(shè)備本身能力是足夠的，但因以下零件問(wèn)題影響冰機(jī)使用效果：1）高溫庫(kù)冰機(jī)一臺(tái)壓縮機(jī)排氣閥溫度過(guò)高，另一臺(tái)壓縮機(jī)溫度探頭有問(wèn)題；2）奶庫(kù)的制冷劑管線太薄，膨脹閥結(jié)冰，致使奶庫(kù)不能使用。另外，因冰機(jī)設(shè)備為淡水冷卻，能接受的淡水溫度為32 ℃，需要使用外加冷卻系統(tǒng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和對(duì)船舶設(shè)備現(xiàn)狀進(jìn)行功能性檢查，有針對(duì)性地對(duì)船舶裝備進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，極大地提升了工程船舶抵達(dá)沙特海域之后的操作能力，也為后續(xù)工程船舶海外作業(yè)施工提供了參考依據(jù)。