“勘探四號”鉆井平臺柴油發電機組換新動力管系設計與校核計算

楊 威

(招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 510725)

“勘探四號”是一座半潛式鉆井平臺，總長87.8 m，最大吃水深度19.8 m，鉆井狀態時最大排水量28 000 t，最大載重噸4 081 t，工作水深45.7～601.6 m，最大鉆探深度7 620 m。該平臺已使用20余年，柴油發電機組、電站及電氣傳動系統設備性能下降、老化嚴重，發電機組能耗高，維護成本較高，且正常作業能力受限。為盡快恢復其正常作業能力，計劃對其進行改造。在鉆井平臺的大型改造工程中，柴油發電機組換新升級也是比較常規的工程。柴油機提供原動力驅動發電機運行，兩者安裝集成為柴油發電機組。本文通過查閱原船相關圖紙資料，結合規范、法規對原船動力管系進行了校核計算，校核原平臺系統是否繼續使用或者做局部升級改造。

原船柴油發電機組參數為：柴油發電機組共4臺，2臺大功率柴油發電機組(型號，MD16- 645E8；轉速，900 r/min；額定功率，1 500 kW)和2臺小功率柴油發電機組(型號，MD12- 645E8；轉速，900 r/min；額定功率，1 150 kW)。機艙新換5臺柴油發電機組(3用2備),主發電機組型號為Cat 3516CHD，柴油機為四沖程V型16缸，額定功率為1 603 kW。發電機為無刷，永磁激勵型，額定輸出功率為1 530 kW，轉速為1 200 r/min，單臺燃油消耗率(100%負荷)為412.2 L/h。

1 燃油日用系統

1.1 燃油日用油柜的容積

根據原船機艙燃油日用油柜(以下簡稱油柜)的結構圖紙，原平臺配置2個油柜(兩者等效)，經計算后，原平臺單個油柜的容積約為15.86 m3。

根據最新的《ABS海上移動鉆井平臺建造和入級規范》(以下簡稱《規范》)第4部分第2章第5節第1.1.4小節的要求: 燃油日用油柜的設置，應滿足當一個油柜在清潔或修理時，另一個油柜可持續供應燃油。每一油柜的容量至少能供推進裝置于最大持續功率運行和柴油發電機組正常工作負荷情況下工作8 h。

Vr=N×λfc×8，

(1)

式中,Vr為燃料消耗總量， m3；N為柴油發電機組數量，臺，N=3；λfc為單臺柴油發電機組燃油消耗量，λfc=0.412 2 m3/h。

經計算，在3臺柴油發電機組全負荷8 h運行時間下所消耗的燃油為9.89 m3，小于原油柜總容量15.86 m3。結論：原平臺機艙油柜容積滿足規范設計要求。

1.2 油柜的布置

根據柴油機廠家資料要求：油柜的位置應使油位不高于柴油機噴油器上方5 m。并且需要注意如果油位低于噴油器，機帶燃油輸送泵自吸能力是4 m。經過計算，油柜最低處低于機組自帶燃油輸送泵高度500 mm。結論：目前原油柜的高度位置滿足廠家資料要求。

根據《規范》第4部分第2章第5節的1.1小節中關于燃料油艙的布置要求：燃油艙柜盡可能成為平臺結構的一部分，并盡可能位于A類機器處所之外。除雙層底艙柜外，其他燃油艙柜如必須與A類機器處所相鄰或位于A類機器處所之內時，至少他們的垂直側面之一應連續于該機器處所限界面，其底部不應與可能發生的火災直接接觸。燃油艙柜與機器處所共同的限界面的面積應保持最小。當上述艙柜位于A類機器處所之內時，不應用它們盛裝閃點(閉杯試驗)低于60 ℃的燃油。 一般情況下，應避免使用獨立架設的燃油艙柜，如準許使用時，則該油柜下應設置足夠大小的溢油盤，此盤應有能導至適當尺寸的溢油柜的排放管。

根據原船油柜布置圖，原船油柜為獨立油柜并且沒有設置足夠尺寸的油盤和泄放管以及溢油柜，這樣并不滿足最新的《規范》要求，需要改造升級。于是在油柜兩側做成結構空艙并與機艙艙壁相連，油柜上下頂部也做成結構空艙與甲板相連，這樣就滿足《規范》設計要求。油柜改造前示意圖見圖1, 油柜改造后示意圖見圖2。

圖1 油柜改造前示意圖

圖2 油柜改造后示意圖

1.3 燃油分油機

當運行3臺新柴油發電機組時，所需燃油分油機總排量為：

Q=3×λfc×C×24/t，

(2)

式中,Q為燃油分油機總排量，m3/h；t為每天分離時間，t=23 h；C為安全系數，C=1.18。

經計算，所需燃油分油機總排量Q=1.523m3/h。根據原平臺設備資料知，有3臺離心式燃油分油機，其中2臺排量為0.9 m3/h，1臺排量為3 m3/h。結論：開啟原2臺小燃油分油機或者開啟1臺大燃油分油機時，排量均滿足新柴油發電機組運行要求。

2 潤滑油系統

新的柴油發電機組也是采用濕式油底殼滑油系統，故外部滑油系統可以直接利用原船的滑油系統，原船13.638 m3容積的滑油儲存柜通過重力釋放和手搖泵兩路供給管，引往柴油機油底殼加注滑油，本船不設分油機，滑油按要求使用一段時間之后經過滑油泄放系統，污油泄放至污油泄放艙，然后直接給柴油機注入新的清潔滑油。柴油機內部滑油通過機帶滑油泵在油底殼抽取滑油，經過內部滑油冷卻器和雙聯濾器后，再經過潤滑冷卻摩擦部件，最后回到油底殼。

3 啟動空氣系統

3.1 核算啟動空氣瓶容積

原平臺配置2個啟動空氣瓶，單個容積為1.5 m3；工作壓力1.207 MPa。根據《規范》第4部分第2章第6節第9.3小節及9.3.3小節要求：對于非自航平臺，至少設2個啟動用空氣瓶，2個啟動空氣瓶的總容量，在不補充空氣的情況下，至少能供每臺柴油機連續啟動3次，但總的啟動次數不必超過8次。

廠家資料中明確：最小啟動空氣耗量在氣體壓力0.62 MPa時為0.52 m3/s；每次啟動時間約為4 s。本文按照最小空氣耗量啟動情況進行計算，總啟動次數為8次的條件下，空氣總耗量Vs為16.64 m3。所以所需啟動空氣瓶總容積為：

VBS=Vs/[(P2-P0)×10]，

(3)

式中，VBS為所需啟動空氣瓶總容積， m3；P2為空氣瓶充氣終壓,P2=1.207 MPa；P0為最低啟動壓力,P0=0.62 MPa。

經計算得知，所需啟動空氣瓶總容積VBS為2.83 m3。結論：原平臺啟動空氣瓶實際總容積為3.0 m3，大于計算所需啟動空氣瓶總容積2.83 m3,因此原啟動空氣瓶配置數量及容積均滿足改造后的要求。

3.2 核算空壓機的總排量

啟動空壓機應能在1 h內使主空氣瓶從大氣壓升至柴油機啟動的最大壓力。

Q=10×Vac×(P2-P1)/t1，

(4)

式中,Q為空壓機總排量， m3/h；Vac為空氣瓶實際總容積，Vac=3.0 m3；P1為空的空氣瓶壓力，0.100 MPa；t1為充滿空氣瓶需要的時間，t1=1 h。

經計算得知，按照新發電機組使用要求，所需的空壓機排量為33.21 m3/h，而原平臺空壓機排量為69.6 m3/h ，大于33.21 m3/h。結論：原平臺的啟動空壓機排量滿足新發電機組使用要求。

4 冷卻系統

4.1 海水冷卻系統

新柴油發電機組中的柴油機的冷卻方式為外部海水開式循環直接進機去冷卻機體內部閉式循環的淡水，淡水分高溫水和低溫水，分別通過機帶高低溫冷卻水泵去冷卻柴油機汽缸套和增壓器等。原平臺左右舷泵艙內各設有1臺海水泵(1用1備)，排量為460 m3/h，壓頭為0.700 MPa，通過布置在泵艙內及平臺上的海水管系為該平臺各海水用戶提供所需的海水。改造后，拆除原平臺2臺舊海水泵，按照設計院要求新增4臺新海水服務泵(2用2備)，排量為350 m3/h，壓頭為 0.610 MPa，布置在左右舷浮體泵艙內原海水泵位置。

根據海水系統原理圖可知，改造之后的海水用戶主要包括主發電機組冷卻系統、空調及冷藏裝置系統、主空壓機組、絞車冷卻器、造水機、消防泵、泡沫泵、噴淋泵及其他雜用海水。各海水用戶水量估算如下。

1)柴油發電機組冷卻系統。根據柴油發電機組廠家資料，每臺柴油發電機組冷卻海水用量78 m3/h，則3臺機組的海水總用量Q發為234 m3/h。根據廠家資料中海水冷卻系統原理圖可知，要求海水進口管通徑不小于125 mm，支管通徑不小于100 mm。本次改造中柴油發電機組進機前總管直徑設計選型為100 mm，每臺進機支管管路為50 mm。改造后的管路原理設計滿足柴油機廠家要求。

2)空調及冷藏裝置系統。空調系統：原平臺2臺冷水機組(1用1備)為空冷式，改造換新后的2臺新冷水機組為海水冷卻，系統配置2臺冷媒水泵(1用1備)，按廠家資料要求空調系統所需冷卻海水流量Q調約為220 m3/h。冷藏機組方面，原平臺2臺冷藏機組(1用1備)為空冷式，改造換新后的2臺冷藏機組為海水冷卻，廠家資料顯示，冷卻海水流量Q藏為8 m3/h。

3)主空壓機組。原平臺3臺主空壓機組(2用1備)，單臺冷卻水量為20 m3/h，故正常情況下，運行2臺空壓機需要的冷卻海水流量Q空為40 m3/h。

4)絞車冷卻器。原平臺絞車冷卻器正常情況下運行，需要的冷卻海水流量Q絞為69 m3/h。

5)造水機。本平臺配置2臺反滲透式造水機，2臺機1用1備，單臺造水機制淡水所需海水用量Q造約為8 m3/h。

6)主消防泵。本平臺配置2臺主消防泵(1臺布置在機艙，1臺布置在泥漿泵房)，單臺泵所需海水用量Q消為90 m3/h，非正常工況下才會使用。由于該系統也是由主海水泵供水，串聯主消防泵起到消防系統增壓泵的功能。

7)泡沫泵。本平臺在主甲板機艙配置1臺泡沫泵，所需海水用量Q泡為204 m3/h。非正常工況下才會使用。

8)噴淋泵。本平臺在主甲板機艙配置1臺噴淋泵，所需海水用量Q淋為204 m3/h。非正常工況下才會使用。

9)其他雜用海水。如小設備冷卻用水以及沖洗用水，此處估算Q雜為50 m3/h。

本平臺在新換主海水泵改造后，正常工況下主海水服務泵用戶所需的海水量Q總為：

Q總=Q發+Q調+Q藏+Q空+Q絞+Q造+Q雜=234+220+8+40+69+8+50=629 m3/h。

(5)

即正常工況下，僅需要開啟2臺海水服務泵(2用2備),海水量700 m3/h，即可滿足常規用水需求。但當平臺處于非正常工作工況時，可按需增開1臺或者2臺額外的海水服務泵來滿足海水量需求。綜上，改造后海水泵排量也滿足要求。

4.2 機艙設備通風量計算

機艙通風雖然嚴格地說不屬于動力管系范疇，但機艙通風的任務是降低機艙溫度，帶走設備外殼散熱的熱量，同時排除機艙內的油氣和水蒸氣，向機艙內供應充足的新鮮空氣，從而保證動力裝置的正常工作以及改善機艙管理人員的工作條件和衛生條件。所以對原船機艙通風的計算和校核是必要的工作。

原船機艙風機3臺送風機總風量為241 650 m3/h。3臺抽風機總風量為151 128 m3/h。改造后機艙設備消耗空氣量分為設備燃燒所需空氣總量和設備散熱所需空氣總量兩部分，分別計算如下。

1)其中3臺柴油機燃燒所需空氣總量Qdp為：

Qdp=Pdp×mad× 3/ρ,

(6)

式中,Qdp為3臺柴油機燃燒所需空氣總量， m3/s；Pdp為柴油機最大持續功率運轉時的軸功率，Pdp=1 603 kW；mad為柴油機單位功率燃燒所需要的空氣量，取mad=0.002 kg/( kW·s)；ρ為空氣密度，ρ=1.13 kg/ m3。

計算得出燃燒所需的空氣總量為8.5 m3/s。原船原本是有2臺鍋爐，但是在后期改造中船東拆除了鍋爐，故鍋爐燃燒的空氣消耗不計算在內。

2)計算機艙內設備散熱所需要的總風量，其中單臺柴油機散熱量為：

Q1=Pdp×Ld，

(7)

式中，Q1為單臺柴油機散熱量，kW；Ld為柴油機熱損失， %,當Ld沒有規定的時候,則按CB/T 3772-1996《柴油機船舶機艙通風設計條件和計算基準》中曲線取值4.2。

計算得到單臺柴油機散熱量Q1為67.32 kW。廠家反饋風冷發電機散熱量Q2=70 kW。計算排煙管散熱量，查相關曲線取每米排煙管散熱量為0.4 kW，每臺發電機組排煙管在機艙內長度預估為20 m，則總散熱量Q3為24 kW。機艙內其他發熱設備散熱量Q4預估為30 kW。則機艙內設備散熱所需要的總風量依據公式(8)計算：

Q0=[3×(Q1+Q2)+Q3+Q4]/(c×Δt×ρ)-0.4×Qdp，

(8)

式中，Q0為機艙內設備散熱所需總風量，m3/s；c為空氣的比熱，取c=1.01 J/(kg·℃)；Δt為工作場所與艙外空氣溫差，取Δt=12.5 ℃。

計算得知機艙內設備散熱所需總風量Q0為29.3 m3/s。結論：改造后機艙內設備燃燒空氣總量和散熱所需總風量之和為37.7 m3/s，小于原船總送風量。原船機艙送風總量遠遠大于改造后的機艙所需風量，則原機艙送風量滿足改造后的要求。

5 結束語

在船舶系統的設計中,動力系統是主要構成部分,同時關系到船舶的穩定、安全運行。同時船舶動力管系、設備的布置和設計必須滿足規范、公約等要求。動力系統合理的設計和布局可以實現最大效率地利用系統，也能延長船舶發電機組設備運行壽命，提高發電機組運行的可靠性和經濟性。因此,要想確保船舶系統的高效運行,必須要科學設計船舶動力系統。本文以“勘探四號”鉆井平臺發電機組動力系統設計的實踐經驗為基礎，希望為同行提供借鑒。