某半潜式钻井平台制淡量不足原因分析

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。

4 解决方案

由于作业区域环境温度变化，导致的制淡热量减少，可通过增加加热器来补充热量。结合表3 的数据，在本平台的循环水系统中（制淡装置前）增加一个200 kW 的蒸汽加热器后，可利用热量达到制淡装置需求量，制淡量得以明显上升，满足了平台的作业用水需求。

5 结 语

半潜平台多采用柴油机增压器室外直接吸气的模式，对利用柴油机缸套水废热进行淡水制造的新建半潜平台，则建议其空冷器不利用缸套水进行冷却（柴油机厂家也确认可以按此进行设计，仅利用低温冷却水系统进行冷却），这样可有效避免因外界环境温度变化而导致制淡装置可利用热量变化，最终使制淡量不稳定的风险。