基于沙特海洋环境的船舶适应性改造设计研究

2020-08-01黄海滨李文博柳宇李少飞

机械工程师 2020年7期

黄海滨，李文博，柳宇，李少飞

（海洋石油工程股份有限公司，天津300461）

0 引言

随着国家“一带一路”经济策略的深入推进及陆地石油资源的逐渐匮乏，越发凸显海洋能源的重要性。越来越多的企业“走出去”并前往中东海域开发海洋石油项目，海洋环境中高温条件是最为活跃和最重要的影响因素。现以国内某大型海洋工程吊装船舶为研究样本模型，由于其船舶设备不能满足沙特当地的高温环境，需要进行适应性改造。主要改造的设备是柴油机冷却系统、液压系统、驾驶室空调系统、中央空调机通风系统等内容。我公司作为国内主要的海洋石油工程公司，是集工程设计、陆地建造、海上运输安装调试、维修为一体的工程总承包企业。工程船舶是公司的重要资源，直接影响公司的经营和业务水平。基于项目实施地点沙特海域的高温环境条件，需要对船舶装备进行适应性改造。

1 沙特海域海洋环境与气象参数

沙特海域每年11月至来年3月是夏马风盛行季节，2月最频繁，最大风速40～50 km/h，阵风100 km/h，百年一遇的最大风速为26.35 ～21.60 m/s，见图1。

图1 沙特海域风向图

波斯湾开放水域夏天海水最高温度达到35.5℃，由于阿拉伯湾的盐度高，海水温度随海水深度变化较小，水深10 m 时夏季水温高达32 ℃，见图2。

图2 沙特海水温度图

2 船舶装备适应沙特高温环境条件下的改造设计基础

根据船舶设备技术规格书及现场实际调研，目前蓝疆船上主要轮机设备：主发电机、锚机、推进器、制冷装置、空压机等均为淡水冷却，能接受的最高淡水温度为32 ℃。由于作业海域最高气温高达48.2 ℃，年平均最高气温达到46 ℃，海水温度达35.5 ℃，均超过了船舶的设计极限值。这些数值为装备改造奠定数据计算基础，见表1。

表1 沙特海域环境设计数值

3 船舶装备适应性改造技术设计方案分析

为满足沙特海域作业需要，保证船上主机、泵、锚机、配电柜等机电设备正常运转，船员住舱环境舒适，必须对船舶海水、淡水冷却系统，生活区和各配电间空调系统，主机舱、泵房通风系统进行改造。

3.1 海水、淡水冷却系统改造设计

船舶现有主机、生活、辅助冷却系统冷却量不足，冷却效果差。原生活、辅助淡水冷却系统设计为2台，一用一备。根据现场调研，目前均需2台泵同时运行方可满足设备的正常运转。据现场工作人员反映，目前需启动两台泵的原因有：板式换热器清洗频率高，致使换热片变形，换热效率逐渐降低，影响了淡水冷却的温度。因泵房室温度过高，致使电动机温度高，负载过大，降低了泵的效率，即淡水冷却量减少。解决上述两问题的方法是更换换热片。为检修方便，在板式换热器压紧板上开检修口，方便清理海生物。加大泵房的送风口，并在送风管的适当位置安装冷却盘管；此外还增加一台抽风机。建议给辅助、生活淡水系统配置一台新的泵作备用。因主机冷却系统、辅助冷却系统、生活冷却系统的淡水出口温度比较高（43～57℃），该温度的淡水与32 ℃的海水经板式热交换器热交换后才能得到各系统需要的32 ℃淡水。现作业区域海水温度为35.5 ℃，即比设计海水温度32 ℃高出3.5 ℃，则淡水与海水热交换后相应也升高3.5 ℃，即板式热交换器的淡水出口温度为35.5 ℃，不能满足各设备能接受的最高淡水温度32 ℃要求。因主机系统需要的冷却水量为437 m3/h，辅助系统需要的冷却水量为741 m3/h；生活系统需要的冷却水量为320 m3/h，各系统需要的冷却水量比较大，温升3.5 ℃比较高（对换热器而言），加换热片不能解决因海水温度升高而影响各系统的进水温度（32 ℃）要求，且现场没有足够空间增加换热片。

设计方案为：增加2套能满足35.5 ℃海水冷却的冷水机组，与原系统的板式热交换器串联，在沙特区域或炎热地区施工时启动冷水机组，此时，冷水机组内经海水冷却的制冷剂将淡水温度降至32 ℃左右，以满足进入设备的冷却水温度要求。在国内或满足原设计条件区域内作业时关停冷水机组即可。经现场调研，蓝疆船主机淡水系统和生活淡水系统需经常使用，辅助系统在推进器或锚机使用时需要的淡水量最大，则增加的冷水机组需满足以下2种工况：1）主机淡水系统（437 m3/h）+辅助淡水系统（741 m3/h）；2）主机淡水系统（437 m3/h）+生活淡水系统（320 m3/h）。即最大冷却水量为1178 m3/h，则增加的2套冷水机组需要将1178 m3/h的淡水从35.5 ℃冷却到32 ℃，经计算，冷却1178 m3/h的淡水需要的制冷量约5200 kW，即每台冷水机组制冷量为2600 kW，设备尺寸为4500 mm×4000 mm×3000 mm。方案将新增的2套冷水机组安装在铺管作业线操作室顶部，见图3。

增加2套冷水机组后，因海水量比较大，需增加2 台约800 m3/h的海水泵。经现场调研，并从现有海底门及海水管线考虑，建议将新增加的2台海水泵安装在压载泵舱，海水接至原有压载海水总管线即可。

3.2 主机舱、泵舱通风系统改造设计

机舱、泵舱均没有抽风机，导致机舱、泵舱等舱室温度过高，各运转电动机温升异常升高，设计主机舱增加一台100 000 m3/h风量，直径φ1400 mm的抽风机；泵舱增加一台40 000 m3/h风量，直径φ1000 mm的抽风机。在主甲板上增加一个尺寸为3.1 m×3.1 m×3.8 m的风机房，风机房三面有开口，安装百叶窗。在主机房增加结构风道，结构风道采用钢板。另外，泵舱、辅机舱风口尺寸均偏小，设计加大泵舱、辅机舱送风口。将主机舱的蒸汽加热器更换成加热和制冷两用的盘管，同样在泵舱及液压动力站送风管路的适当位置安装主机舱加热和制冷两用的盘管。目前低压配电间空调使用效果能满足要求，而高压配电间局部比较热，影响设备正常运行。设计在高压配电间增加一台制冷量约25 kW。淡水冷却的柜式空调。同时因柜式空调为淡水冷却，所以需解决船在沙特作业时的淡水温度问题，在吊机工作时，吊机电气间比较热。将图3标示位置的移动设备移开，在此处增加一台制冷量约25 kW的风冷分体空调（驾驶台顶部隔热效果差、内部温度较高，影响设备正常运行）。据现场工作人员反映，五楼顶部的外露甲板处隔热效果差，导致在外露甲板下的住舱也比较热。设计更换或加厚驾驶台顶部和五楼顶部的外露甲板下的保温棉。根据现场调研，辅吊机机房温度过高，内部设备无法正常运行。目前辅吊机机房内已有一台5 kW的空调，但机房上部（配电设备）温度仍比较高，设计在辅吊机机房内再增加一台制冷量约8 kW的风冷分体空调。在工作锚机和推进器使用时，其配电间温度较高，影响设备正常运行。建议在各配电间增加一台制冷量约25 kW、淡水冷却的柜式空调，共6台。

图3 冷却水改造增加冷凝机组位置

3.3 央空调系统改造

近两年中央空调器内蒸发器已脏堵，致使其冷量和风量均达不到要求。且在现场还发现中央空调系统的其他几个问题：中央空调器蒸发器处的检修门因空调内负压过大，已发生变形；2号压缩机组的压缩机制冷剂吸入口发生结冰现象；中央空调膨胀阀运行不稳定；3号压缩机组压缩机有泄漏，另两台需经常加制冷剂；中央空调器内无备用风机。为保证蓝疆号在沙特施工时能达到比较好的制冷效果，设计方案为：1）更换蒸发器；2）更换检修门；3）对中央空调的制冷系统进行全面检修、试压，防止发生泄漏、结冰现象；4）备用一台风机电动机。为适应沙特区域环境条件所需改造，原中央空调的风量是足够的，为满足沙特区域施工要求，需增加制冷量。从节能、设备利用率、现场空间及施工量考虑，在新风入口处增加一台海水冷却的新风处理空调，降低进入原中央空调的新风温度和湿度。即在沙特区域或炎热地区施工时启动新风处理空调，在国内或满足原设计条件区域内作业时则只需启动原中央空调即可，见图4。但若按大气环境最恶劣条件（48 ℃，95%湿度）计算，新风处理空调制冷量需1200 kW。经与空调厂家联系，制冷量为1200 kW的新风处理空调，其电功率约为400 kW。考虑实际制作1200 kW制冷量的可行性及具体位置和尺寸，需将新风处理空调分成两台，每台制冷量为600 kW，设备尺寸约5000 mm×2300 mm×2000 mm，电功率约200 kW。经现场调研，在该新风道顶部没有多余的空间放置两台5000 mm×2300 mm×2000 mm新风处理空调，生活区中央空调室外设计条件按45 ℃，90%计算，此时，新风处理机组的制冷量为630 kW，空调器大小为5000 mm×2300 mm×2000 mm。

图4 中央空调改造布置

因该新风空调为海水冷却，相应海水管线及其阀门附件需接入该新风空调。同时原中央空调为淡水冷却，所以需解决船舶在沙特作业时的淡水温度问题。冰机系统设备本身能力是足够的，但因以下零件问题影响冰机使用效果：1）高温库冰机一台压缩机排气阀温度过高，另一台压缩机温度探头有问题；2）奶库的制冷剂管线太薄，膨胀阀结冰，致使奶库不能使用。另外，因冰机设备为淡水冷却，能接受的淡水温度为32 ℃，需要使用外加冷却系统。