海上平台主机调试海水冷却系统的设计研究

李明涛

（海洋石油工程股份有限公司）

海上平台主机调试海水冷却系统的设计研究

李明涛*

（海洋石油工程股份有限公司）

南海某海上平台项目平台主发电机组及钻井系统空调机组为海水冷却机组。为实现平台设备陆地调试最大化，需要临时援引码头海水接入平台正式工艺管线，作为发电机组负载试验的冷却媒介以及提供临时海水至钻井系统空调单元。结合系统特殊要求及试验场地条件，设计了一套满足工艺要求的临时海水冷却系统，其各项指标均达到技术要求，保证了项目主发电机组负载试验的顺利完成。

发电机组 负载试验 海水冷却 潜水泵 管道 压力 流量

0 前言

南海陆丰7-2项目海上平台主发电机机组为2台4 320 kW原油发电机组和2台3 890 kW双燃料发电机组。按照中国船级社2012年颁发的 《钢质海船入级规范》要求，对于新建或经过大修的电站，必须进行检测、试验和调整[1]。在设备陆地调试期间，平台正式海水冷却系统尚未具备启动条件，因此为保证原油发电机组负载试验及钻井系统空调机组联合调试的顺利实施，迫切需要设计一套适应试验要求的临时海水冷却系统，以确保高质量完成主电机组负载试验及钻井系统联调，这对于项目正常运转具有举足轻重的意义。

本文结合系统特殊要求及试验场地条件，设计了一套满足工艺要求的临时海水冷却系统，其各项指标均达到技术要求，保证了项目主发电机组负载试验的顺利完成。

1 设计条件

与以往常规项目相比，陆丰7-2项目组块海水冷却系统设计难度大，主要问题为以下几方面：

（1）由于试验场地码头区域限制，海水取水口位置距离该项目组块较远（约130 m），且系统要求供应大流量海水，工艺系统设计难度大。

（2）潜水泵安装位置经常停靠船舶，为避免发生碰撞，要求泵固定结构为可灵活拆卸式，且泵支撑结构距离码头边缘不大于500 mm，安装空间小。

（3）潜水泵安装区域为码头，常停靠船舶，船舶螺旋桨搅动容易带动海床淤泥及垃圾，容易堵塞临时海水泵，污染海水管线，甚至堵塞海水滤器。

主机冷却原理为海水系统冷却淡水系统，淡水系统是闭路循环系统，淡水系统冷却主机滑油系统，因此主机的冷却系统主要为海水冷却系统。主机冷却系统主要技术指标如下：

（1） 最大流量： 600 m3/h；

（2）主机冷却系统海水压力：0.35 MPa；

（3）主机冷却系统冷却淡水温度要求：进口60℃，出口38℃；

（4）中央空调冷却海水压力：0.35 MPa；

（5）中央空调电气间温度冷却要求：进口27℃，出口22℃。

2 方案设计

临时海水冷却系统由两台潜水泵、海水泵粗滤罩、临时海水滤器、化学药剂注入系统及配套管线、阀门等组成。临时海水系统充分考虑了管线水压，设计了回流管线以便调节海水压力；考虑到南方海水温度较高，设计了防海生物装置，防止海水管线内海水生物聚集繁殖。

工艺流程：由临时海水泵供水，海水经临时海水滤器过滤后至发电机组中冷器，经中冷器换热后返回码头排入海中；期间，防海生物装置通过计量泵定量注入次氯酸钠，灭杀海生物。临时海水滤器一用一备，根据差压表显示可及时切换设备并更换清洁滤芯。详细的工艺系统流程可见图1。主机系统的设计参数如表1所示。

2.1 海水流量计算

开式冷却循环系统热负荷计算如下。单台中冷器热负荷Ptotal1=5 600 kW，海水温升ΔT=49.3-22=27.3℃。假设临时海水泵流量Q：

式中ε——比热容，J/（kg·K）。单台机组运行时临时海水流量需求为：

图1 工艺系统流程

表1 主机系统设计参数

经计算得单台主机所需最大海水用量为176 m3/h。4台主机并机热负荷总计为Ptotal2=5 600×2.2=12320 kW。要去除这些热负荷Ptotal2，4台主机运行时临时海水流量需求为：

钻井系统中央空调去除房间热负荷冷却海水流量需求为：

海水冷却系统总流量需求：

2.2 管径选择

根据系统流量需求及最佳海水流速，选取海水管线管径为d=254 mm，则海水流速为：介质为水时，管道流速常用值推荐为1.5~3.0 m/s，计算的海水流速v满足最优流速条件。

2.3 海水冷却系统压力损失计算

沿程阻力损失和局部阻力损失为：

高度损失：

系统总压力损失包括高度损失、沿程阻力损失和局部阻力损失，总计约为217 kPa。

2.4 海水泵选择及安装方案

根据上述计算，冷却水系统流量要求大于487 m3/h，冷却水系统压力要求大于350+217=567 kPa。故选用两台流量为350 m3/h、额定压力大于567 kPa的潜水泵作为冷却水泵。

按照常规安装方法，需要制作钢结构支撑对泵进行固定，一方面承受泵的重量，另一方面防止泵在启动运行中出现振动等状况。但如果码头经常停靠船舶，如果使用常规的钢结构支撑，一方面容易造成船体与支撑结构碰撞，另一方面需要采用浮球等防碰装置，大大增加成本。因此码头特殊的状况对泵的安装提出了更高的要求（泵结构支撑尺寸不允许大于300 mm），必须改变原有结构形式，设计更为巧妙可靠的支撑结构。经过现场实地勘察及强度计算，选用以下泵安装方式：

（1）在与海水泵相连接的管线处焊接一支L形固定卡，将泵固定在码头水泥横梁上，由横梁承受泵启动时的转动力矩以及自身重量。

（2）地面距离码头边缘20 cm处用法兰连接管路，并在下部制作一法兰底座（要求底座与地面连接牢固），将法兰放置在底座上，上部用水泥进行封装固定，以承受泵及附属管线的重量。

（3）每台泵需要用一根钢丝绳系固到码头的桩上或其他固定在地面的物体上，以应对突发情况。

该结构一方面承受了泵及附属管线的重量，另一方面大大缩小了泵支撑结构的尺寸，避免了船舶与泵支撑结构的碰撞，且节省了浮球等防碰撞装置的租赁费用。

2.5 系统电气方案

四台主发电机组并车负载试验期间，需要两台临时潜水泵供冷却之用。单台临时潜水泵的功率约为180 kW，每台临时潜水泵使用两根3×150 mm2铜芯铠装电缆供电，单根电缆总长度约为200 m。

为了使设备平滑启动，两台临时潜水泵分别接入海水提升泵4001B的接入点和4001D的接入点（均位于应急低压盘DPP-ELV-001的LE段）。

对于单芯150 mm2铜芯的导体，其电阻为：

单台临时潜水泵的功率约为180 kW，由P=1.732 UIcosφ 可得：

由于敷设两根电缆，则每根电缆单相相电流为：

单相电缆导体电阻承受的电压为：

则电压降

由CCS《钢制海船入级规范》[2]可知，正常工作条件下最大电压降不得超过6%。由于上述计算电压降ΔU＝1.64%<6%，故用 2根 3×150 mm2铜芯铠装电缆给每台临时潜水泵供电时，可以满足正常用电要求。

2.6 系统整体三维建模设计

根据陆丰7-2项目平台所在位置，利用三维建模软件对海水冷却系统进行三维建模，并对系统设计进行可行性分析，对系统与平台结构进行干涉分析，由此统计出详细的临时海水系统相关管线及电气材料。详细的建模图形如图2所示。

图2 临时海水冷却系统三维模型

3 系统HAZOP分析

系统的HAZOP（hazard and operability）分析，即危险与可操作性分析。HAZOP分析法是按照科学的程序和方法，从系统的角度出发对工程项目或生产装置中潜在的危险进行预先的识别、分析和评价，识别出生产装置设计、操作和维修程序，并提出改进意见和建议，以提高装置工艺过程的安全性和可操作性，为制定基本防灾措施和应急预案进行决策提供依据。

为保证所设计系统的可行性以及操作的安全性，本项目以系统工程为基础进行定性分析和定量危险性评价。通过分析海水冷却运行过程中工艺状态参数的变动，操作控制中可能出现的偏差，以及这些变动与偏差对系统的影响及可能导致的后果，找出参数变动和操作控制出现偏差的原因，明确装置或系统内及生产过程中存在的主要危险、危害因素，并针对变动与偏差的后果提出相应的整改措施。

4 结论

该主机调试海水冷却系统的成功应用，圆满完成了海上平台主发电机机组负载试验及钻井系统空调单元运转测试，实现了平台陆地调试最大化。

（1）临时海水冷却系统的成功应用，极大地缩短了平台海上调试时间，且该设计比单纯租赁闭式循环冷却单元节省费用200万元，经济效益明显；

（2）通过对泵和管道的设计选型以及对主机和钻井系统中央空调海水冷却系统的设计，为今后其他海上平台项目的陆地调试积累了宝贵经验；

（3）海水冷却系统的管道设计，需要因地制宜，根据平台码头位置，按照实际路径最短和扬程损失、沿程阻力损失最小的原则考虑管道路径。

[1]张涌群.船舶电站调试的关键环节与对策 [J].港口科技动态，2006（4）：30-32.

[2]中国船级社.钢质海船入级规范2012[S].北京：人民交通出版社，2012.

Design and Research of Seawater Cooling System for Offshore Platform Debugging

Li Mingtao

The platform main generator set and drilling system air conditioning unit of a marine project are sea water cooling unit.In order to maximize the land debugging of the platform,it is necessary to quote the formal process pipeline of wharf seawater access platform temporarily as the cooling medium for generator load test and provide temporary air conditioning to the air conditioning unit of the drilling system.In combination with the special requirements of the system and the site conditions,a set of temporary sea water cooling system is designed to meet the requirements of the process after detailed calculation and practical investigation.All the indexes can meet the technical requirements and ensure the successful completion of the load test of the main generator set.

Generator set;Load test;Seawater cooling;Submersible pump;Pipe;Pressure;Flow

TQ 051.5

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.007

*李明涛，男，1981年生，硕士，工程师。天津市，300451。

2017-07-21）