自升式平台海水系统的设计与应用

徐锋 周燕

摘    要：自升式平台的海水系统作为平台的重要系统，为平台上的冷却水、消防水、海水杂用等管系统提供必要的支持服务。本文阐述了几种常用的自升式平台海水系统的设计方法，并针对其各自特点进行分析比较，提出了自升式平台潜水泵和海水总管的选用和计算方法，以及海水系统安全性设计的技术应用。本文的分析与研究，能够为新建造自升式平台的海水系统设计提供参考。

关键词：自升式平台;海水系统;潜水泵;海水总管

中图分类号：U664.8                               文献标识码：A

Abstract： The sea water system of self-elevating unit is an important part for the unit， which provides the necessary services for the cooling water， fire water， sea water miscellaneous and other pipeline systems on the unit. Several common design methods of sea water system on self-elevating unit are expound， their respective characteristics are analyzed and compared， the selection and calculation methods of submersible pump and sea water main for self-elevating unit are put forward， and the technical application of seawater system safety design is described.

Key words： Self-elevating unit;  Sea water system;  Submersible pump;  Sea water main

1    引言

自升式平台主要应用于钻井/修井、人员居住、起重/安装、布缆/铺管、钻井支持等海上作业服务[1]。自升式平台通常应具备漂浮辅助推进、动力定位、升降平台和升起立桩作业等功能特点。

平台在上述各工况下作业时，其对于海水的需求量会存在一定的差异，而一旦海水系统出现了问题，将会对整个平台的安全和正常运营产生重大影响，因此自升式平台的海水系统设计应充分考虑其作业特点和功能要求，并确保其海水系统能够满足长期安全并稳定可靠的工作。

自升式平台海水系统主要有以下三种工况：

（1）平台处于漂浮工况：平台具备一定的结构吃水深度，海水系统的水源可直接取自海水箱.该工况下的海水系统原理和其他的钢质海船基本类似，海水箱内提供的海水量取决于平台上的海水消耗量;

（2）平台在脱离水面后的升起站立工况：在该工况下需要依靠海水提升装置将海水输送到平台的海水系统内，输送海水量大小取决于海水提升装置内的潜水泵排量。此工况的海水系统设计既要考虑海水量的合理分配，又要兼顾到海水压降、管道空气、设备负荷变化等因素的影响;

（3）平台从漂浮状态到稳桩站立状态之间的升降工况：平台处于该工况时，海水系统的水源通常来自其缓冲舱的预存海水，并通过海水泵经管路输送至各设备或系统中，缓冲舱的预存水量应满足整个升降工况过程中的海水消耗量。

本文介绍用于自升式平台的几种常用海水系统形式，并提出了对于不同类型平台如何选取合适的海水系统形式的方法，以及平台潜水泵容量和海水总管规格的计算方法。

2    自升式平台海水系统的组成

自升式平台在升起站立状态下，其海水系统主要由海水提升装置、海水缓冲舱、海水泵和海水总管四个部分构成：

（1）海水提升装置

主要由潜水泵和提升机构组成。

（2）海水缓冲舱

主要用于平台在升降过程中和升起后的海水缓冲和储存功能。

自升式平台在升起站立状态下进行作业，其船体底部距离海面的高度称为“气隙”。不同功能的平台所要求的设计气隙是不一样的（一般为5～20 m），而气隙值的大小将影响海水提升装置所选用潜水泵的扬程大小和提升装置的下放高度。

海水提升装置，通常采用升降提升塔和软管绞车两种形式。考虑到单台海水提升装置在发生随机的机械损坏或失电等故障情况下可能导致无法正常使用，因此自升式平台应至少设置两套海水提升装置。外部海水经海水提升装置输送到平台的海水系统内，并由海水泵和海水总管将海水输送至冷却系统、消防系统和海水杂用等海水消耗用户。

3    自升式平台海水系统的主要形式

3.1   吸入总管式

吸入总管式海水系统的基本原理是：通过海水提升装置将外界的海水输送至平台的缓冲舱，再设置一路吸入海水总管并分别连接至各缓冲舱，平台上配置所有的海水泵可直接从吸入海水总管上取出海水，并分别輸送至平台上的冷却系统、消防系统和海水杂用系统等。吸入总管式海水系统的基本原理，如图1所示。

吸入总管式海水系统，通常具备如下功能特点：

（1）平台在升起站立状态时，吸水海水总管经过粗水滤器后直接连接至海水缓冲舱，并根据平台上各个用水设备的配置情况，分组设置对应的海水泵，各海水泵均可独立从吸入海水总管上取水，并经各海水泵输送至各用水设备或系统;

（2）平台处在漂浮海面的状态时，关闭吸入海水总管端部连接至缓冲舱的控制阀V01、V02，并打开连接至平台海水箱的控制阀V03、V04，此时吸入总管内的海水直接来至平台海水箱;

（3）平台处在抬升或下降作业状态时，海水系统的操作方式与平台在升起站立状态时一样。但在该作业状态前，需由海水提升装置或平台的压载系统提前向海水缓冲舱内注水，以确保升降作业所需的海水量;

（4）海水缓冲舱顶部在特定的舱容高度处设置溢流管，用于平衡海水提升装置驳运进舱的海水和平台海水系统消耗之间产生的多余海水量;

（5）海水缓冲舱底部应高于海水总管，能够使海水流入到海水总管内，有利于减少海水管内的空气量。

吸入总管式海水系统，具备如下优点：

（1）海水总管内可保持微正压状态，管内的海水较为平缓，不容易产生大量气泡，各海水泵从总管内取水较为有利;

（2）根据平台上的各用水设备或系统设置相对独立的专用海水泵，并由各自海水泵从海水总管上取水，有利于各设备或系统得到所必需的海水量和所要求的水压;

（3）各海水泵及其海水管线相对独立，便于各设备或系统的操作、管理和维护。

吸入总管式海水系统对于海水需求量较小的自升式平台较为合适，但对于海水需求量大的自升式平台，不建议采用这种形式的海水系统，主要原因如下：

（1）平台上的海水系统在正常运行时开启的海水泵较多，需要消耗较大的电功率，从而影响到平台电网容量，造成平台运营成本较高;

（2）各海水泵根据不同类设备或系统分组供水，一般情况下都要考虑设置配套的海水备用泵，以确保海水泵与其所对应的关键设备或系统能够正常运行。因此，这种海水系统所配置的设备较多、成本较大;

（3）自升式平台大部分作业时间都处在升起站立状态，潜水泵按额定工况向缓冲舱内补水，而当平台自身处于较低海水消耗量时，潜水泵补给的多余海水只能通过溢流管排至平台外部，从而造成潜水泵的利用率不高;

（4）海水系统管路较为复杂，管线多、重量大，造成平台自身重量增加，降低了平台的可变载荷指标，进而影响到平台的作业效率。

3.2   压力总管式

压力总管式海水系统的基本原理是：在保留吸入海水总管的前提下，采用两台或更多数量的主海水泵代替各不同类设备或系统独立配置的专用海水泵，并将各主海水泵出口连接至一根海水总管上，称之为海水压力总管，再由主海水泵或潜水泵来维持该海水压力总管内的水压。

压力总管式海水系统的基本原理，如图2所示。

压力总管式海水系统，通常具备如下功能特点：

（1）平台在升起站立状态时，需开启控制阀V07、V08，同时关闭控制阀V05、V06，外部海水经海水提升装置后直接输送至海水压力总管，各用水设备或系统直接从该压力总管上取水;

（2）平台处在漂浮海面的状态时，关闭连接至缓冲舱的控制阀V01、V02和来自海水提升装置的控制阀V07、V08，并打开连接至平台海水箱的控制阀V03、V04，再通过主海水泵经吸入海水总管从平台的海水箱内吸水，并输送至压力总管内;

（3）平台处在抬升或下降作业状态时，可通过海水提升装置或平台的压载系统提前向海水缓冲舱内注水，确保升降作业所需的海水量。平台在该状态时，应打开控制阀V01、V02，同时关闭V03、V04、V07和V08;

（4）该海水系统的缓冲舱内无需设置用于平衡水量的海水溢流管;

（5）海水缓冲舱底部应高于海水总管，使海水能够重力流入海水总管内，有利于减少海水管内的空气量;

（6）压力总管水压应设计为平台设备所需的合理范围之内，并满足大部分设备或系统的压力需求。对于个别无法满足设备或系统压力要求时，可通过增压泵或减压阀进行水压调节。

压力总管式海水系统与吸入总管式相比，具备以下主要优势：

（1）平台上各用水设备或系统直接从压力总管内取水，并对全平台设备或系统直接供水，可省去与设备配套设置的海水泵及备用泵，有助于节省平台电站的容量，降低了平台运营成本;

（2）压力总管式海水系统，在管路布置、系统操作及控制等方面相比吸入总管式更为简单实用，对于船员操作和海水系统的维护及管理更有优势;

（3）平台配置的潜水泵直接连接至压力总管内，并可根据平台海水的实际消耗量设置自动调节和控制潜水泵的实际排量，有助于提高潜水泵的实际利用率;

（4）在满足功能要求的前提下，采用压力总管式海水系统，可降低系统重量，有助于提高自升式平台的作业效率。

由上可知，采用压力总管式海水系统优势明显，但对系统设计要求也相对较高，尤其是压力总管的管径计算、压力和流速计算等需要结合平台各设备对海水要求的实际情况做出合理选取，否则可能会产生压力总管内的水量和水压受到平台海水消耗量的变化而产生波动，尤其是在峰值用水量的情况下，可能会导致某些设备海水供给量不足或水压较低等情况。

另外，采用压力总管式海水系统的自升式平台，其所配备的潜水泵需直接经管路连接至压力总管，并需维持总管内的水压，这将要求潜水泵具备较高的扬程，增大了潜水泵的电功率，而且潜水泵电源需要接至平台的应急电源，导致平台应急电站的容量也相应提高。

3.3   环形压力总管式

环形压力总管式海水系统是在压力总管式海水系统的基础上改进而来，主要变化是将压力总管设计成环形。这种形式的海水系统，主要用于海水需求量較大的自升式平台，如自升式钻井平台和为海上油气田或钻井平台服务的自升式辅助平台。

環形压力总管式海水系统的基本原理，如图3所示。

环形压力总管式海水系统是将压力总管设计成环形，而压力总管的补水和稳压形式和压力总管式海水系统原理基本一致。其主要功能特点如下：

（1）环形总管一般穿越于平台上海水消耗量较大的主要机械区域（如机舱、泵舱、辅机舱等），环形总管内的水量由潜水泵或平台上设置的主海水泵供给，并维持一定的管路压力;

（2）压力总管设计成环形，使总管内的水量分配更加均匀，水压相对较为稳定;

（3）环形总管上更加方便设置隔离阀，当某一段总管上发生随机机械破损、堵塞或维护时，可采用关闭隔离阀的方式在环管上物理隔开失效管路，确保平台上的重要设备供水不受影响;

（4）环形总管式海水系统，可以满足大量海水输送的要求，对于自升式平台的预压载系统可直接就近从环形总管上取水，能够实现快速输送大量压载水的功能需求。

环形压力总管式海水系统在总管的设计及布置上要求相对较高，若考量不当容易产生如下问题：

（1）若设计的环形压力总管管路过长，将影响总管内的海水压力，容易造成局部支管上的供水量不足;

（2）海水系统正常工作时容易在环形压力总管内部产生大量空气，特别是在管路低洼处容易形成气囊，因此在环形压力总管的适当位置应设置放气装置，避免总管内空气聚集而造成环管内部水压和水量的不稳定。

3.4   海水总管形式的选用

自升式平台海水系统的设计，应根据不同类型的平台及其作业工况特点选择适合的海水系统形式，如表1所示。

从表2可以看出：对于为海上油气田服务的大型自升式平台，其海水系统复杂、海水总消耗量较大、升起站立状态的作业周期较长，因此其海水总管设计宜采用压力总管或环形压力总管的形式;而对于靠近港口或处于近海作业的自升式平台，其海水系统相对简单、海水总消耗量相对较小、升起站立状态的作业周期较短，所以其海水总管的设计宜采用吸入压力总管形式。

4    潜水泵容量及海水总管计算

在自升式平台海水系统的形式选定后，应对其潜水泵排量和海水总管规格进行计算，以确保海水系统的供水量能够满足平台所有设备和重要系统的正常运行。

5    海水系统的安全性设计与应用

自升式平台海水系统在设计时，应充分考虑系统的安全性和可靠性，尤其是当平台处于升起站立工况时，由于平台本体将完全脱离水面，其海水系统的正常运行对于整个平台的安全性至关重要。

海水系统的安全性和可靠性设计，主要从以下几点考虑：

（1）海水滤器的选取

海水系统的海水滤器应根据安装处所位置来选择合适的滤网规格[3]。如果网孔过大，海水中的大颗粒杂质很容易进入海水系统内;如果网孔过小，海水滤器清洗和维护次数太过频繁，也不利于维持海水系统的长时间稳定工作。在设备厂家没有特别要求的情况下，海水系统滤器通常可按照表2的参数来设置。

另外，在海水系统总管和海水提升装置出水口处的海水滤器，建议安装海水压差报警装置并接入平台的监测报警系统，可自动检测海水滤器的运行状态并发出故障报警信号，这有助于及时发现并消除系统中的主要海水滤器发生严重堵塞或故障失效等情况。

（2）海水泵故障报警及自动连锁控制

自升式平台海水系统中的关键海水泵，如潜水泵和主海水泵等通常都设置有备用泵，一旦出现供水不足或停止运行时，系统应能自动监测到海水总管内的压降变化情况，并自动开启备用海水泵以确保海水系统正常运行。

（3）海水总管的安全除气装置

采用压力总管式或环形压力总管式的海水系统，在其总管上通常需设置安全除气装置，用于手动或自动释放海水总管内聚集的空气。

（4）海水系统的防火设计

自升式平台消防水系统的水源主要来自海水总管，消防水系统所要求的管路附件及连接件应采用防火型设计或取得相关的防火证书[4]。因此，与消防水系统相连接的部分海水系统管段，需要按防火设计的要求执行，主要涉及如下系统管段：海水提升装置至海水总管;整个海水总管;海水总管的支管至其第一道控制阀。

6    结语

自升式平台的作业工况通常为：漂浮移船;动力定位;升降过程和升起作业等工况，其海水系统在不同作业工况下的海水需求量通常存在较大的差异。对于常规的钢质海船而言，其作业工况即为航行工况，海水系统的构成和工作原理相对简单。本文通过对适用于自升式平台的各种海水系统形式的工作原理和功能特点进行分析研究，给出了海水系统设计选型的方法，能够为自升式平台的海水系统设计提供参考。

参考文献

[1] 中国船级社. 海上移动平台入级规范[S]，2014综合文本.

[2] 王苹，冯相忠，付宗国，颜盛汉，黄聪汉. 海上自升式工程辅助平台      海水系统综合设计[J].中国水运，2015（12）.

[3] 船舶设计实用手册（轮机分册）[M].3版. 国防工业版社，2013.

[4] American Bureau of Shipping （ABS）. Rules for building and classing mobile      offshore drilling units[S]. 2016.