可變氣隙下鉆井平臺海水系統設計

趙立玉,孫瑞,劉建成,鐘良省,張敏川

(1.友聯船廠(蛇口)有限公司，廣東 深圳 518054；2.招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 518054；3.招商局海洋裝備研究院，廣東 深圳 518067；4.廣東省海洋資源勘探開發裝備工程技術研究中心，廣東 深圳 518054；5.深圳自升式平臺設計研發工程實驗室，廣東 深圳 518054)

自升式鉆井平臺上，一般采用開式冷卻，由海水冷卻設備內部換熱器后排海。在CJ46型平臺上，需要冷卻的設備主要分布在主船體、生活樓頂和懸臂梁鉆臺3個區域。鉆臺上的設備海拔最高，生活樓頂海拔次高，主船體海拔最低。3個區域都需要海水供應，但僅有潛水泵可直接從海里抽水。針對不同海拔支路，常見解決方法是由增壓泵提供海水給各支路，需要較多額外增壓泵，因平臺上安裝空間有限且樁腿承受能力限定，要盡量減少泵的數量，增加可變載荷和空間，以有利于鉆井作業。當僅有潛水泵時，如海水系統設計為在多個出口排放，其流量分配和壓力分布復雜，一般調試需人工操作調節各設備的流量和壓力到合適工況，耗時費力困難大。為此，設計一種新型的海水系統，借助FLOWMASTER軟件展開CFD仿真分析[1]，并討論對應的調試方法，讓普通操作人員也能便利、快速地進行調節，以解決海水冷卻系統的有效分配問題。

1 原理優化設計和建立簡化模型

根據潛水泵多高度供水系統原理[2]，減少鉆臺處的排海口[3]，鉆臺設備冷卻水設計為返回與主船體設備冷卻水匯合，一起在船體基線高度(船底)排海。這部分管內流體的壓力損失主要為管內沿程阻力、局部損失及設備壓力損失，其相對船體基線高度的位能(重力勢能)沒有變化。

生活樓頂放置的設備為VFD剎車電阻，設備尺寸大，壓力要求低≤0.05 MPa，因占用空間大，適合放在空曠的生活樓頂，溢流口可根據需要方便直接排海，保留單獨排海口，相對船體基線位置較高。這部分管內流體的壓力損失為管內沿程阻力、局部損失以及設備壓力損失，其相對基線高度的位能具有變化[4]。

文獻[5]對平臺上主機艙的5臺主發電機組的冷卻水分配進行分析，提出通過各支管調節，以達到流量平衡。該分析僅限于5臺主機位于同一海拔的狀況，且冷卻水經匯總后排海，各支路能量損失差別僅在于管路布置不同帶來的管內沿程阻力、局部損失以及設備壓力損失的較小差別，通過調節各支管閥門開度可以較快達到流量平衡。但如果涉及到整個鉆井平臺，針對數十臺設備和多個排放出口的情況，分析如下。

為方便分析，建立一種簡化系統[6]見圖1。考慮到同一高度的設備壓力損失差別較小，在主船體設置2臺同等設備，在鉆臺設置兩臺同等設備，在生活樓頂設置一臺設備。平臺設計的標準作業氣隙高度為h1。設置一臺潛水泵B1，插入海平面以下，潛水泵出口分3路管線101,102,103，管線101到主船體設備J5、J6，海水冷卻設備后，連接到主船體排海口，并在設備J5、J6出口匯集管上裝有調節閥V4。管線102到生活樓頂，給設備J1供給冷卻水，設備J1為VFD剎車電阻，體型大，采用開敞式水箱直接冷卻，需求水量大，但需求壓力小，要求壓力≤p2(取0.05 MPa)，海水冷卻設備后直接排海，開敞式水箱有冷卻水透氣口和溢流口，該設備放在生活樓頂，設備J1前裝有調壓閥V2進行減壓，以避免超壓。管線103供給懸臂梁鉆臺設備，設備壓力要求為≥p3(取0.08 MPa)，海水冷卻設備J2、J3后兩路匯合，返回主船體，并在管上設置調節閥V3。管路103的海水與管路101的海水冷卻設備J2、J3、J4、J5后匯集排海，排海口設置總調節閥V1。

圖1 優化的供水系統

據此建立僅3個區域共5臺設備的簡易模型，方便展開水力分析、調節方法研究和仿真計算[7]。

2 系統仿真計算

2.1 系統水力分析

1)各管線和閥門尺寸按以下公式[8]計算。

(1)

式中：QJi為各管線流量要求；即設備流量要求；Vi為管內流速，因全為泵排出管，設計取值范圍為[9]2 m/s≤Vi≤3 m/s。

2)泵B1額定排量QB1為鉆井工況下各設備海水冷卻需求量QJi之和,取20%裕量, 按以下公式計算。

QJ4+QJ5)(1+20%)

(2)

3)額定壓力pB1設計為從鉆臺到海面的位能再加上p1(≥p3,取0.1 MPa)，按下式計算。

pB1=ρg(h1+h3)+p1

(3)

4)可變氣隙下，當平臺在高于標準氣隙h1作業，整個平臺離開海面距離加大，即各設備位能損失加大，入口壓力將減少，要維持原入口壓力，則需調節V1開度減小，以調節泵出口壓力變大，總流量將變小。

以上調節是基于圖2潛水泵特性曲線。

圖2 泵特性曲線

閥門V1開度減小，即流量減小，則對應曲線上壓力增大，如閥門V1開度增大，即流量增大，則對應曲線上壓力減小，通過開度調節壓力抵消平臺升降時位能的變化。但根據泵特性曲線，只能在一定范圍內調節，調節后的流量必須滿足鉆井工況下各設備海水冷卻需求量QJi之和QJ0,即在附圖2陰影范圍內調節。平臺的標準設計氣隙高度為h1,如平臺需要在高出設計氣隙使用，則取泵特性曲線中最小流量為QJ0查到對應壓力為pmax,轉換成揚程高度hmax,反推出氣隙高度。

(4)

式中：p1為鉆臺需求壓力;h3為鉆臺高度；hz1-z2為管路能量耗損，見圖2框陰影示意，即該平臺必須被限定在最大氣隙h下進行泵流量調節，此時泵工作點揚程為hmax。

上述分析基于文獻[10]和流體力學中帶分支管路網絡中存在物質平衡和能量守恒定理。

1)物質平衡。每個截面節點的各管路的海水流量相加為零

(5)

按圖1中3路支管101、102、103交匯于泵B1出口管上，其3個支管的質量流量Q101，Q102，Q103與泵B1的流量加應為零，即

(6)

2)能量守恒。管路中任意2個截面節點能量關系應符合

(7)

在多分支管路匯集的理想流體中，以上公式也適用，即2處任意管路節點的總能頭皆為恒定數C，伯努利方程如下。

(8)

式中：p為節點壓力；v為流速；ρ為空氣密度；g為重力加速度；h為位能高度；hz1-z2為2節點間能量耗損。將已知參數代入方程即可計算出其他未知數。

2.2 調節步驟

基于上述水力分析、物質平衡、能量守恒定理和伯努利方程(8)，通過調節閥來調整hz1-z2，增加流體局部阻力[10]，使得局部壓力下降，能量形成損耗，從而影響其他參數，據此初步擬定基于圖1優化原理的一種6步驟調節方法如下。

步驟1。閥門開度調節參考圖3開度與壓降關系曲線，流量不同曲線不同，流量越大，在開度變小時壓降越大，開度變大趨于全開時，流量對壓降的影響趨于差別很小[11]，開啟泵B1，將閥門V1開度從全開Ratio=1逐漸調小,V2開度調到Ratio=(0.1～0.3)區間，直到泵B1出口壓力(壓力表204)至少大于鉆臺面海拔的位能對應轉換成的壓力，壓力為

圖3 閥門開度與壓降關系曲線

p≥ρg(h1+h3)

式中：ρ為海水密度；g為重力加速度；h1為氣隙高度；h3為鉆臺到船底的高度。

步驟2。管路102上V2進一步進行上下開度調節，查看壓力表202，確認減壓后壓力不大于設備J1允許最大壓力p2。

步驟3。管路101、103上V3，V4閥門開度交互調小, 查看壓力表203確認鉆臺面壓力上升到正壓，同時查看壓力表201確認主船體管線101上設備J4,J5入口壓力不超過設備允許最大壓力。

步驟4。V1,V2,V4閥門開度同時微量調小，直到鉆臺面壓力(壓力表203)上升到設備需求的最小壓力p3(取0.08 MPa)。同時檢查管路102上壓力表202，如超過設備J1允許最大壓力p2(0.05 MPa)則將閥門V2開度進一步減小，須小于0.05 MPa。

步驟5。管線101、102、103的壓力調節到對應工況后，可對各位置分支路閥門V5,V6或V7,V8進行調節，流量需求大的支路開度調大，流量需求小的支路開度調小，以達到各分支設備取得水量到對應工況。

步驟6。當平臺須在高于標準氣隙h1作業，則調節V1開度進一步減小，以調節泵出口壓力變大，總流量將變小；在平臺低于標準氣隙h1作業時，氣隙變小，則調節V1開度進一步加大，以調節泵出口壓力變小，總流量將變大。

2.3 仿真計算

通過在軟件里定義泵流量壓力曲線、管路閥門尺寸、管路長度、海拔高度、閥門開度、流體介質和溫度、管路隔熱絕緣參數等邊界條件，仿真計算出各節點流量和壓力[12]，分析合適的調節閥開度，在軟件里建立工藝流程模型，見圖4。

圖4 仿真模型

2.4 仿真結果

1)設定平臺工作在標準氣隙下15 m，鉆臺設備J2、J3海拔50 m，設備J1海拔39 m，設備J4、J5海拔17 m,潛水泵額定工況為400 m3/h@60 m，設置調壓閥的開度[13]，仿真得到：潛水泵非常接近工作在額定工況0.011 m3/s@0.604 7 MPa(即400 m3/h@60 m)下，符合圖2泵流量曲線，鉆臺設備J2、J3入口壓力達到0.104 4 MPa滿足使用要求，各管路流量和壓力達到合適工況，滿足使用要求。

2)設定為鉆井平臺工作在高于標準氣隙5 m，即20 m氣隙下，鉆臺設備J2、J3海拔55 m，設備J1海拔44 m，設備J4、J5海拔22 m,設置調壓閥的開度，仿真結果：潛水泵工況為0.094 1 m3/s@0.65 MPa(即339 m3/h@65.4 m)，符合圖2泵流量曲線，并處于陰影內屬于可調范圍。鉆臺設備J2、J3入口壓力達到0.103 6 MPa滿足使用要求，各設備流量相對減少，但流量和壓力在合適工況范圍內，仍滿足使用要求。

3)通過仿真提取多組數據，得出氣隙高度、排海總閥開度、潛水泵流量關系見圖5。

圖5 氣隙高度、排海總閥開度、潛水泵流量關系

由圖5可見：隨著氣隙增大，需要調節排海口總閥開度進一步減小，而隨著總閥開度減小，潛水泵流量也進一步減小。

3 實船調試驗證

按照6步方法和仿真結果，在CJ46平臺上進行實操，升高平臺在高于標準氣隙5 m即20 m氣隙下運行潛水泵，調節各閥門開度，利用超聲波流量計測得泵出口流量為345 m3/h，鉆臺面設備壓力為0.1 MPa，與仿真結果高度吻合；其余各支路流量和壓力結果也符合對應工況。

4 結論

1)調節各支管閥門開度可調節各支管的流量分配，排海總閥和各支管閥門組合調節，可實現對海水系統的流量有效分配和壓力調節。

2)面對不同類型的升降式海工平臺設備布置的復雜性和多樣性，提出的海水供給系統方案，設計時盡量減少排海口數量，各支管匯總后排海，并按照6個步驟進行操作，可減少操作難度，有利于讓普通操作人員快速實現精準調控，在可變氣隙范圍內滿足平臺上各設備海水需求工況。

3)平臺作業地點的高低潮水位對潛水泵凈正吸入壓頭具有一定的影響，這需要在海水系統工作時進行微調以消除影響。另外，平臺的消防水也來自于潛水泵的海水供給，但消防水需求工作壓力較高，調節潛水泵不能直接滿足，要先供水給緩沖艙，再由高壓力消防泵供給消防環網，需要對環網進行單獨的水力計算。

4)調壓設施僅選取調節閥進行分析，根據實際需要可換成單節流孔板，多級節流孔板，或其他調壓設施來進行壓力調節，但其調壓能力與泵特性和氣隙高度的關系，都需要進一步設計分析和討論并評估對比效果。