某半潜式钻井平台制淡量不足原因分析

2019-12-26唐传安杨述闯

船舶 2019年6期

唐传安杨述闯王旭李斌姜会

（大连船舶重工集团设计研究院有限公司大连116021）

引言

某半潜式钻井平台，采用DP-3 动力定位设计，配置最大输出功率为6 600 kW 的柴油发电机组6台，布置在3 个机舱内，每个机舱2 台。平台配置废热式制淡装置1 台，利用柴油机的高温冷却水（缸套水）热量进行淡水制造，其制淡量要求为，在平台DP-3 动力定位工况下（每台发电机运行在40%负荷左右），制淡量为64 t/d。该平台在中国南海区作业时，制淡量可以达到设计指标，而该平台在冬季前往北方的工况下进行实际制淡时，发现制淡量仅为40 t/d，不满足该平台的作业用淡水量要求。

1 设计原理分析

本平台的制淡系统管路原理图如下页图1 所示。该系统利用柴油机废热进行制淡。由于DP-3［1］规范的要求，为防止在造水机故障（如泄漏）时造成2 个机舱的柴油发电机组同时失效，仅将1 号机舱的2 台柴油机高温冷却水接入制淡装置。制淡装置利用高温冷却水中的热量，将低压下的海水加热沸腾后冷凝并形成淡水。

高温冷却水中的可利用热量对制淡量有着重要影响［2］。如果制淡装置吸取热量过多，会使柴油机缸套水进口温度低，容易造成柴油机缸套发生低温腐蚀；而如果高温水中提供的热量不足，则会造成制淡量不满足设计要求。柴油机高温冷却水中的热量主要来自于两部分：一部分为由于缸套与周边部件摩擦时产生的热量，一部分为增压器压缩燃烧空气时产生的热量。

结合柴油机厂家资料和制淡装置设备需求，总结出本平台的制淡系统热量转换关系如表1 所示。

从表1 可知，该平台的制淡系统可利用热量为1 354 kW，而制淡装置在额定造水量下的实际需求热量为1 159 kW。可利用热量大于实际需求量，故从能量转换的角度分析，该系统设计没有问题。

图1 制淡系统管路原理图

表1 制淡系统热量转换路径（理论值）

2 现场试验分析

经过现场观测各个设备的运行参数，发现柴油机缸套冷却水进出口温度差，制淡装置进出口温度差均正常，但柴油机空冷器的高温冷却水进出口温度异常，其温度参数如表2 所示。

表2 柴油机空冷器缸套水数据

根据柴油机厂家数据（表1），正常情况下，每台柴油机的空冷器应向高温水中散发99 kW 热量；而根据表2 的数据，其高温水出口温度却低于进口温度，即空冷器反而在吸收高温水中的热量。

根据如下公式［3］计算空冷器吸收的热量，可知每台柴油机空冷器吸收的热量约为116 kW。

式中：K为热交换量，kW；Q为冷却水流量，根据柴油机厂家数据为100 m3/h；f为冷却水密度，淡水一般取1 000 kg/m3；C为比热，淡水一般取4.18 kJ/kg·℃；t1为换热器冷却水进口温度，℃：t2为换热器冷却水出口温度，℃。

结合现场观测数据和分析计算可知，由于空冷器在柴油机运行阶段吸收了高温水的热量，而不是按设计意图向高温水中散热，导致制淡装置可利用热量减少。根据实测参数，更新制淡系统的热量转换关系如表3 所示。

表3 制淡系统热量转换路径（实际值）

此时制淡装置可利用热量仅为965 kW，低于制淡装置的实际热量需求量1 159 kW，从而使制淡量明显减少。按照制淡装置厂家的计算，当可利用热量为965 kW 时，制淡量约为43 t/d，与实际制淡量结果较吻合，证明了上述分析的正确性。

3 原因分析

由上文分析可知，找到空冷器从高温冷却水吸热的原因是分析制淡量不足的关键，故有必要详细分析空冷器工作原理。图2 为该柴油机吸气原理图。

图2 柴油机吸气原理图

区别于常规船舶柴油机的燃烧空气从机舱吸气，本平台的燃烧空气从露天环境下直接吸气，经增压器做功后，再经空冷器冷却进入燃烧室用于燃油燃烧的氧气供给。空冷器的作用是冷却经增压器做功后的高温压缩空气［4］。

本钻井平台设计条件为在中国南海区域作业，正常情况下露天环境空气温度较高，经增压器压缩后，进入空冷器的燃烧空气设计温度为最低103℃，大于高温冷却水的设计温度95℃，故正常情况下空冷器向高温冷却水系统散热，散发的热量可用于淡水制造。然而，本平台由于租约变化，在冬季前往俄罗斯作业，其露天环境空气温度均在-5℃以下，导致进入空冷器的燃烧空气温度较低。经实测，空冷器压缩空气进口处温度仅为65℃左右，低于实际高温冷却水温度（见表2），故此时空冷器从高温水中吸热，从而使柴油机高温水中的热量减少，最终使制淡量下降。

可见，本平台制淡量不足的根本原因在于柴油机从露天环境直接吸气，而其可利用于制淡的热量对外界环境温度较为敏感。当作业区域变化导致外界环境温度降低时，因空冷器由向高温水系统中散热变为从高温水系统中吸热，从而导致高温水系统中的可用制淡热量减少，淡水制造量也相应减少。