JU2000E鉆井平臺主機冷卻系統分析與改進

袁振，靳從升，孟慶樹

（中國石油海洋工程有限公司鉆井事業部，天津 300280）

0 引言

JU2000E鉆井平臺是由美國F&G公司設計的一種桁架式自升鉆井平臺，作業水深400 ft。是現在世界上主流的自升式鉆井平臺[1]。它采用6臺卡特彼勒3516CHD柴油發電機組為整個平臺提供動力生活用電。華小濤等[2]對JU2000E的主機冷卻系統進行了分析，更多的是從安裝調試者的角度。本文從使用者的角度進行了闡述。

1 JU2000E平臺主機冷卻系統基本設計以及存在問題

1.1 主機冷卻系統設計

發電機組冷卻系統采用風冷與海水冷卻結合的方式。采用5臺CAT散熱風扇對柴油機缸套水進行冷卻。5臺散熱風扇4用1備，散熱能力1020 kW, 驅動電動機42.6 kW，頂吹式，布置在艉部左舷主甲板散熱器平臺上。在滿負荷運轉時每臺發電機組柴油機缸套水的散熱量為612 kW，正常工況下發電機組5用1備，即使6臺發電機組全部運行柴油機所散發的熱量為612×6=3672 kW，小于4臺散熱器的散熱量1020×4=4080 kW。能保證缸套水在出水溫度92 ℃的情況下經冷卻的回水溫度85 ℃。在正常工況下，4臺散熱風扇的散熱能力完全能滿足發電機組全部運行的散熱需要。

采用2臺SONDEX鈦合金板式冷卻器作為中央冷卻器對發電機組的后冷水進行冷卻。2臺鈦合金板式冷卻器1用1備，用海水作為冷卻用水，海水來自海水環管。板式冷卻器由210塊鈦合金板組成，由中間隔板分為2部分，其中152塊作為發電機組后冷水冷卻器，散熱能力2450 kW。另外58塊為空壓機冷卻器、主發電機組燃油冷卻器及變頻器提供冷卻液。在滿負荷運轉時每臺柴油機后冷水的散熱量為442 kW，正常工況下發電機組5用1備，散熱量5×442=2210 kW小于板式散熱器2450 kW的散熱量，能保證后冷水的溫度在40 ℃以下。

采用2臺板式冷卻器對柴油機回油進行冷卻，正常工況下2臺板式冷卻器一用一備。

由此可見，在JU2000E平臺的設計中，主發電機組的冷卻分3個部分：缸套水采用布置在平臺主甲板左艉的五臺散熱風扇冷卻，4用1備。后冷水采用2臺海水冷卻的板式散熱器進行冷卻，1用1備。燃油冷卻依靠另外2臺板式散熱器進行冷卻。

1.2 實際使用過程中存在的問題

從上述介紹中我們可以了解，主發電機組的冷卻較為復雜，且布置較為分散。在實際使用過程中存在如下問題：

1）缸套水的散熱風扇位于平臺主甲板左艉，露天放置，很容易受到從懸臂梁、井架掉落物體的打擊而受損。且個別散熱風扇所處位置，處于平臺3臺甲板吊機的盲區，一旦受損吊裝維修更換都比較困難。只能移動懸臂梁到合適位置，利用懸臂梁甲板上安裝的折臂吊進行吊裝。在正常作業狀態，懸臂梁是禁止移動的。

2）缸套水散熱風扇散熱效率低、噪聲大，當多臺散熱風扇運轉時，嚴重影響在平臺主甲板及懸臂梁甲板工作的員工，帶來安全隱患。

3）冷卻系統主管線較長，且管徑粗。整個冷卻系統管線大概需要15 m3冷卻液（缸套水11 m3，后冷水4 m3）。加注及更換成本較高，費時費力。

4）冷卻系統主管線閥門及其他附件較多，當閥門或者管路附件出現問題需要更換時。需要將冷卻液放掉，并且在更換過程中，整個發電機組禁止啟動。

在這個設計中，主機冷卻系統的主要問題是將所有發電機組的冷卻水管線并聯為一路，管線粗且長，冷卻液加注量大，難以全部更換，更換冷卻液費時費力成本較高。更為重要的是，當某臺發電機組或者散熱風扇的冷卻液隔斷閥出現問題，在任一發電機組運轉的情況下就無法將這臺柴油機或者散熱風扇隔離，就不能對這臺柴油機或者散熱風扇進行檢修。由于隔斷閥及管系的介質為冷卻液，溫度高，需要承受頻繁的熱脹冷縮，管線法蘭盤密封墊片及閥門很容易出現問題。這也是在日常工作中遇到的很棘手的問題。而要更換出現問題的隔斷閥，唯一的辦法就是將整個系統的冷卻液放出，更換完畢后，再重新加裝冷卻液。在此過程中，整個發電機組都無法使用。

2 改進設想

2.1 冷卻器選型

上述問題出現的原因主要是，風冷效率低，且噪聲大，發電機組共用1套冷卻系統。我們給每臺發電機組都配備單獨的海水冷卻器就可以解決這一問題。在3516C的零件手冊中選擇如圖1所示的板式冷卻器[3]。

從圖1可以看出，這是一個板式冷卻器，體積小、安裝方便，安裝于膨脹水箱下部。這一個板式冷卻器就可以滿足整臺發電機組缸套水、后冷水及燃油回油的冷卻。跟原來的冷卻系統相比具有以下優點：

圖1 板式冷卻器安裝效果

1）采用海水冷卻的板式冷卻器，冷卻效率高、結構簡單，1個冷卻器就可以滿足整臺發電機組的冷卻。且板式冷卻器內部為鈦板，耐海水腐蝕。

2）冷卻器體積小，安裝拆卸方便，固定只需要4個螺栓。且海水冷卻安靜無噪聲。

3）整個冷卻系統結構簡潔，冷卻液容量少，加滿整個系統大概只需要400 L冷卻液，更換冷卻液方便簡單。

4）整個冷卻系統無額外閥門壓力表等附件，不用擔心由于這些附件損壞引起的系統失效。且由于每臺機組都是單獨的冷卻系統，即使出現問題，完全可以將出現問題的機組停用進行維修，而不影響其他機組的正常使用。

5）3516CHD發電機組滿足IMO相關排放標準。

2.2 冷卻器所需的海水流量計算

板式冷卻器所需的海水可以由發電機間尾部的海水環管處引出至每臺發電機組，左舷側發電機組冷卻海水泄放可以引至左艉造水機間海水泄放口處泄放，右舷側發電機組冷卻海水可以引至右艉機械間處海水泄放口泄放。所有其他的缸套水管線，后冷水管線都可以取消。根據技術手冊要求每臺板式冷卻器額定海水流量為80 m3/h，最大負載工況下柴油發電機組5用1備，即需要400 m3/h的海水流量[3]。

原發電機組冷卻系統海水流量見表1，從表1可得中央冷卻器的海水流量加上用于蒸發式造水機的海水流量能夠滿足新增加的發電機組獨立冷卻器的海水流量，而不需要系統額外增加海水供給。

表1 原發電機組冷卻系統海水流量m3/h

經過每臺發電機組新增海水冷卻的板式冷卻器，海水管線相應的改造，通過計算證明系統不需要額外增加海水供給量即可使整個主機冷卻系統由原來的風冷加水冷的冷卻方式，改為純水冷。這樣改造，不僅可以消除上文中提到的原有系統運行過程中存在的各種問題。在設備數量方面，通過新增6臺體積小巧的板式冷卻器即可減少5臺大型的散熱風扇、2臺回油冷卻器，還可以使原來冷卻后冷水及空壓機和VFD的中央冷卻器體積質量大幅減小，只用來冷卻空壓機和VFD。減輕了船體質量，節省了大量的空間，船尾安裝散熱風扇的位置可以空出來專門用于物品存放。在管線數量方面，減少原來柴油機連接造水機和散熱風扇，以及柴油機連接中央冷卻器的大量冷卻液管線，只需要增加少量海水冷卻管線，節省了大量管線及閥門，減輕船體質量，減輕了以后管線的維護成本。

2.3 蒸發式造水機的改造

原有的設計中發電機組的缸套水系統與2臺蒸發式造水機相通，可以利用缸套水的熱量為蒸發式造水機提供熱量來源，經過上述改造，每臺發電機組的缸套水管線相互獨立，且都不與造水機相通，所以將蒸發式造水機更換為現在更為普遍使用的反滲透膜造水機。反滲透膜造水機比蒸發式造水機更為先進，具有以下優點：

1）體積小巧、結構緊湊，相同造水量的反滲透膜造水機體積大概只有蒸發式造水機的一半（如圖2）。

圖2 蒸發式造水機與反滲透造水機對比

2）獨立性好、安裝簡單，只需平臺提供海水進口管線和淡水出口管線即可安裝運轉，所需海水量小于10 m3/h，而蒸發式造水機需要與平臺缸套水管線相連，需要多路海水管線用于其噴射、蒸發、冷卻的需要，管線連接復雜，需要海水量大于100 m3/h。

3）操作簡單，通過觸摸屏一間啟動停止，維護保養比較容易。通過觸摸屏一鍵清洗反滲透膜，更換反滲透膜也比較方便。蒸發式造水機啟動停止步驟比較繁瑣，且需要一定經驗。其核心部件，冷凝器與蒸發器容易結垢堵塞，清理困難。

4）運轉比較平穩安靜，最大的噪聲來自高壓柱塞泵的運轉。蒸發式造水機運轉時噪聲較大，且由于其在真空下蒸發，管線設備振動較大。

5）耗能較小，最大的能耗來源于高壓柱塞泵，不過十幾千瓦。而蒸發式造水機能耗巨大，受柴油機負荷影響較大，只有當柴油機負荷夠大時造水機才能達到額定產水量。當柴油機負荷不夠時需要啟動電加熱加熱缸套水，電加熱器功率在幾百千瓦，耗能巨大。

6）反滲透造水機所需耗材為PP棉濾芯，正常情況十幾天更換一次。反滲透膜1～2 a更換一次。蒸發式造水機理論上不需要耗材，但是為了防止蒸發器與冷凝器結垢，在正常運轉時需要添加防垢劑，進口防垢劑價格昂貴。

3 結論

本文從使用者的角度對JU2000E型發電機組冷卻系統進行了分析，闡述了JU2000E型平臺主機冷卻系統在使用過程中的種種不合理之處，提出了改進措施，計算了在不增加海水流量的情況下改為獨立板式冷卻器的可行性，將使用缸套水加熱的蒸發式造水機改為反滲透造水機，減少了設備數量，使得原來復雜繁瑣的冷卻管線簡單易維護，提高了效率，更減輕了船體質量，節約了大量空間。冷卻系統的改造從圖樣審批到實際改造施工都是一個復雜過程。本文從使用者的角度提出一些拙見，希望對以后的平臺設計有所幫助。