半潛平臺快速壓排載過程分析及設備選型應用

戴鵬程，陳伶翔

(招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226100)

0 引言

海上作業平臺一般配備吊機。為保證平臺在吊運過程的穩性，需配備壓載水調配系統。同樣地，半潛式起重拆解平臺作為以海上拆解廢舊結構物為目的所設計的平臺，根據船級社規范設計要求，壓載水系統設計配備8臺壓載水泵，其中：4臺排量為355 m/h的壓載水泵安裝于主浮筒，4臺排量為245 m/h的壓載水泵安裝于輔浮筒。同時平臺配備了2臺21 560 kN的重型吊機。若僅采用壓載泵配合吊運作業，那么單個吊運過程會持續很長時間。因此，為滿足吊機的重吊作業要求，提高平臺吊裝性能，該半潛式拆解平臺采用快速壓排載系統作為吊機重吊作業過程的平衡系統。

快速壓排載系統的壓載過程是利用重力灌入的方式，即不利用任何動力設備，直接打開壓載艙的通海閥，利用自然水壓將海水灌入壓載艙；排載過程則是利用大排量空壓機將空氣壓縮以后輸入壓載艙，通過壓縮空氣的壓力將艙內壓載水排出舷外，實現快速排壓載。系統的關鍵設備是空壓機，因此空壓機的選型設計在整個系統設計中起到重要作用。

本文對快速壓排載過程中各個階段進行分析，基于流體力學原理對各個階段分別建模，利用迭代方法結合Excel宏進行編程計算，實現了快速壓排載系統中關鍵部件空壓機的選型。系統在試航中運行穩定，并獲得了船東與船級社的認可，驗證了該方法的可行性。

1 快速壓排載系統設計原理

1.1 半潛式拆解平臺概況

半潛式拆解平臺總長137.75 m，船寬81.00 m，型深43.55 m，入級ABS船級社。整船的主要結構是由2個浮筒、4個立柱及上層建筑組成，可同時容納750人居住生活；配備2臺21 560 kN重型吊機并以快速壓排載系統配合吊運作業，可在任何水深海域進行海上廢舊平臺拆解作業。

1.2 快速壓排載系統基本工作原理

半潛式拆解平臺快速壓排載系統由4臺大排量無油低壓空壓機、循環管路及管附件組成，系統原理見圖1。

圖1 快速壓排載系統原理圖

快速壓排載系統工作原理為：在運行過程中空壓機兩用兩備，實際是2臺空壓機同時開啟，空壓機產生大量壓縮空氣，并使其在循環管路內循環，通過空氣管路與快速壓載艙相連，4個立柱結構分別設置有4個立柱壓載艙，每個壓載艙接入有2根通氣管。如此，利用壓縮空氣將艙內壓載水通過通海閥及壓排載管路排出舷外，達到快速壓排載的目的。

2 快速壓排載過程計算分析

2.1 流體力學基本原理

根據兩斷面間的實際流體總壓的伯努利方程，即：

式中：、為兩流體截面的高度；、為兩流體截面的靜壓強；為流體密度；為重力加速度；、為動能修正系數，其值大小取決于斷面上流速分布的不均勻程度，假定水流在管內流速分布均勻，則、=1；、為兩截面流體的流速；為流體兩截面間單位重量流體的平均機械能損失或水頭損失，包括沿程水頭損失和局部總水頭損失，即：

=∑+∑

可將總水頭損失表示為速度水頭的若干倍，即：

式中：ζ為能量損失系數或阻力系數；v為流體平均流速。

2.2 快速壓排載計算過程影響因素

海上重型吊機在吊運過程中對船體會產生一定的傾覆力矩，使平臺發生傾斜，同時吊運作業須在規定時間內完成，排載過快過慢均會導致平臺不穩，因此，吊運時間是系統空壓機選型的一項重要指標。該平臺規定單臺吊機完全起吊21 560 kN重物須在15 min左右完成，可利用這一技術指標來迭代推算出合適排量的空壓機。

該吊機起吊重量大，吊運過程中壓載水連續駁運對平臺穩性影響較大。因此，選擇將配載過程分成若干個階段，根據壓載平穩性的要求，計算出每一階段的艙內水位。根據艙內水位百分比可知，在0～21 560 kN吊運過程中各壓載艙進行的壓載或排載量，見表1。

表1 快速壓載艙配載表

根據管路的設計型式及管附件的種類與數量，參考相關資料與莫笛圖計算出系統的總水頭損失，見表2與表3。根據計算，總水頭損失取值為3.67 m。

表2 壓載管路參數信息

表3 快速壓載艙管路總損失表

主立柱艙通海閥直徑為1.0 m，輔立柱艙通海閥直徑為0.8 m，閥門直徑較大，開啟時間較慢。根據廠家提供的資料，閥門的開啟時間、開度與流量有一定的關系，見表4。在計算過程中假定閥門勻速開啟，為了計算簡便，將每10°開度范圍內的流量視為恒定。

表4 閥門開度與流量

壓縮空氣是由空壓機進入循環管路，再由循環管路通過氣體控制閥通向壓載艙內，每個艙配有2個閥門。若艙內水位或壓力低于外界水位時，閥門不能開啟，否則會發生海水倒灌現象。因此，閥門開啟的時間與艙內壓力有一定的邏輯關系，計算過程中需要時刻計算艙內壓強，并與外界水位勢能作邏輯判斷。

根據配載可知，同時進行排載作業的有2個壓載艙，且在每個節點的排水量不同，因此，須在過程中進行閥門開啟與關閉的控制。當某一壓載艙內的閥門關閉，則另一壓載艙的閥門通氣量將會增加。假定當某一壓載艙閥門關閉時，另一壓載艙的進氣量為之前的2倍，須在計算過程中增加邏輯判斷。

空壓機在開啟時不能立刻提供大量的壓縮空氣，且氣體到達并充滿循環管路需要一定時間。與廠家溝通并討論后，假定空壓機排出氣體且充滿循環管路所需要的時間為12 s。

3 快速壓排載空壓機選型實現

3.1 快速壓排載空壓機技術調研

空壓機排量作為已知參數參與計算，工況計算完成后與船東提出的技術指標進行對比，然后修正空壓機排量，再次循環計算，循環迭代直至最優解。為減少工作繁瑣程度，從正面出發，通過空壓機技術調研從而縮小選型范圍。

快速壓排載空壓機為螺桿式、大排量、低壓、無油，目前空壓機排量只有6 500、8 390 m/h這2個標準檔符合此要求。

3.2 快速壓排載空壓機選型方法

綜合實際流體總壓的伯努利方程、壓排載過程計算影響因素和邏輯判斷，選型基本流程見圖2。

圖2 計算流程圖

3.3 選型程序實現

通過Excel內置的Visual Basic編輯器，利用VB語言實現宏計算文件的編寫。

本文以0～3 920 kN工況為例，其循環計算部分關鍵代碼實現如下：

Do While

Worksheets(loadCase).Cells(x, "J") <= percentage

temp2=10000

temp1=-1

... / 定義Excel單元格數據

For I = 1 To 136

If Abs(tanklevelArray(I,1)*1.025- Worksheets

(loadCase).Cells(x + 1, "E")) < temp2

Then

temp2=Abs(tanklevelArray(I,1)*1.025- Worksheets

(loadCase).Cells(x + 1, "E"))

temp1 = I

End If

Next I

... / 設定閥門開啟時間計算邏輯

a = kv / g

b = pi * pipeDia * pipeDia / (4 * kv)

c = outLevelDiff - tankLevel - 1.5 - Worksheets(loadCase)

.Cells(x, "I").Value

v = (Sqr(b * b - 4 * a * c) - b) / (2 * a)

... / 定義Excel單元格數據

maxTime = x

Worksheets(loadCase).Cells(28,"F").Value=maxTime - prix

Worksheets(loadCase).Cells(29,"F").Value= Worksheets

(loadCase).Cells(x, "I").Value * 0.1

x = x + 1

Loop

整個過程按照配載表分別計算，最終將各時間段疊加求出該工況下的總時間。根據規格書與船東的技術要求，吊機單臂起吊作業至0 ～18 130 kN工況時應在15 min左右完成，因此，根據空壓機廠商所提供的空壓機排量檔位分別進行計算和對比，最終該半潛式拆解平臺快速壓排載系統空壓機選用為8 390 m/h(流量)@0.26 MPa(壓力)。過程計算時間見表5。

表5 6 500、8 390 m3/h空壓機作業時間計算結果對比

4 結語

本文通過基于流體力學原理對快速壓排載過程進行數學建模，并采用Excel宏編程的方法進行迭代運算，以實現在規定的時間內達到所要求的平臺壓排載艙內的水位，確保平臺在運行中的平衡。基于該方法的選型結果得到船東的認可。通過該方法選型的快速壓排載空壓機現已完成安裝與調試，試航中快速壓排載系統運行穩定，能夠在規定的時間內使壓排載艙內達到指定水位，確保了平臺運行平衡，該項目的快速壓排載系統已通過船級社的認證。此外，與同類型船對比，空壓機的選型結果相近，故可作為工程估算使用，滿足工程設計要求。