徐本川，王 銳，劉富祥

（煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司， 煙臺(tái) 264000）

海上深水移動(dòng)平臺(tái)壓載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐本川，王 銳，劉富祥

（煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司， 煙臺(tái) 264000）

從海上深水移動(dòng)平臺(tái)管路原理的角度對(duì)壓載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對(duì)幾個(gè)主要船級(jí)社和特殊規(guī)范對(duì)該系統(tǒng)的要求進(jìn)行了比較。在面對(duì)各種規(guī)范要求時(shí)，總結(jié)了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟，并舉例說明了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)；壓載泵；遙控閥門；壓載水處理

0 引言

20世紀(jì)70年代，國外油氣勘探開始涉足深水領(lǐng)域。隨著世界各國能源需求的增加以及陸地和海上淺水區(qū)油氣發(fā)現(xiàn)難度的增大，深水油氣勘探不斷升溫，這就對(duì)海上深水移動(dòng)平臺(tái)(以下簡稱“平臺(tái)”)的技術(shù)發(fā)展和科學(xué)設(shè)計(jì)提出了更高的要求[1-3]。為了滿足平臺(tái)各種吃水工況以及能夠從容應(yīng)對(duì)惡劣海況，也對(duì)最為主要的壓載系統(tǒng)同樣提出了更高要求。

壓載系統(tǒng)(Ballast System)是與平臺(tái)乃至所有船舶安全密切相關(guān)的系統(tǒng)，設(shè)置壓載系統(tǒng)的目的主要是[4-6]：適應(yīng)各種作業(yè)或裝載工況，保持適當(dāng)?shù)呐潘?、縱傾和橫傾；保持恰當(dāng)?shù)姆€(wěn)性高度，獲得適當(dāng)?shù)膹?fù)原力；減小過大的彎矩和剪切力；配合平臺(tái)完成特殊功能，如居住、吊裝、鉆井等等。

壓載系統(tǒng)可根據(jù)平臺(tái)或船舶的具體情況，將舷外水注入任何一個(gè)壓載艙或排出任何一個(gè)壓載艙內(nèi)的海水，甚至也可將各壓載艙內(nèi)的水進(jìn)行前后、左右的調(diào)駁來達(dá)到上述目的。

1 壓載泵的選型

1.1 壓載泵的型式和數(shù)量

無論是在船舶或者平臺(tái)上，壓載泵通常都會(huì)使用電動(dòng)離心泵，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)空間布置來選擇立式和臥式兩種型式。離心泵主要有以下優(yōu)點(diǎn)：1）流量連續(xù)均勻且便于調(diào)節(jié)，適用流量范圍很大；2）轉(zhuǎn)速高，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，尺寸和重量比其他同流量泵要小，成本低；3）對(duì)雜質(zhì)不敏感，易損件少，管理和維修較方便。

對(duì)于壓載泵的配置和數(shù)量，在各個(gè)規(guī)范里面都有明確的要求，在這里簡單列出中國船級(jí)社(CCS)，美國船級(jí)社(ABS)，挪威船級(jí)社(DNV)的描述。在CCS規(guī)范中，要求壓載系統(tǒng)應(yīng)至少設(shè)有兩臺(tái)獨(dú)立的壓載泵，以保證當(dāng)任一臺(tái)壓載泵發(fā)生故障時(shí)，壓載系統(tǒng)能保持正常工作；在 ABS規(guī)范中，認(rèn)為通常情況下，至少有兩臺(tái)獨(dú)立的壓載泵能對(duì)每一個(gè)壓載艙進(jìn)行有效抽水，如果平臺(tái)設(shè)計(jì)有兩個(gè)浮筒(Pontoon)，則每個(gè)都要提供至少兩臺(tái)獨(dú)立的壓載泵；DNV規(guī)范也要求每個(gè)壓載艙應(yīng)能被兩臺(tái)獨(dú)立的壓載泵注排水。依上所述，各個(gè)規(guī)范對(duì)壓載泵數(shù)量要求基本一致，即在每個(gè)浮筒中，應(yīng)配置至少兩臺(tái)獨(dú)立的壓載泵能對(duì)該船體內(nèi)的每一個(gè)壓載艙進(jìn)行有效地注排水。另外，由于壓載系統(tǒng)的重要性，在ABS規(guī)范中對(duì)壓載泵的性能提出了額外的要求：在由于泵艙破損淹水失掉一臺(tái)壓載泵的工況下，仍然需要至少兩臺(tái)泵能對(duì)每一個(gè)壓載艙進(jìn)行有效地注排水，并且明確要求提交相關(guān)的壓載泵計(jì)算和系統(tǒng)分析。

1.2 壓載泵的參數(shù)

在壓載泵選型時(shí)，首先要確定泵的幾個(gè)主要參數(shù)：排量、排出壓力和必需吸入壓頭(NPSHr)。

由于平臺(tái)的壓載系統(tǒng)主要功能是適應(yīng)各種作業(yè)工況并保持適當(dāng)?shù)呐潘?，所以在?jì)算泵排量的時(shí)候，應(yīng)考慮壓載注排水總量以及所需的時(shí)間。DNV規(guī)范的要求非常明確，就是在3h內(nèi)，壓載系統(tǒng)應(yīng)能使平臺(tái)在完整無損的條件下，從最大正常操作水線提升至強(qiáng)風(fēng)暴水線；而CCS和ABS規(guī)范的要求是一致的，即壓載系統(tǒng)亦應(yīng)能在3h內(nèi)，使平臺(tái)在完整無損的條件下，從最大正常操作水線提升至強(qiáng)風(fēng)暴水線或一個(gè)更大距離，ABS對(duì)此“最大距離”定義為4.6m。另外一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是挪威海事管理局關(guān)于海上移動(dòng)平臺(tái)的規(guī)定簡稱NMA，該標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)壓載系統(tǒng)提出了更高要求,如“在3h內(nèi)，壓載系統(tǒng)應(yīng)能使平臺(tái)在完整無損的條件下，從給定的操作水線或者航行水線提升至強(qiáng)風(fēng)暴水線”。根據(jù)此要求，壓載注排水總量提高，壓載泵的排量也因此而增加。以在煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司正在建造的平臺(tái)“PROSPECTOR”號(hào)為例，由于其需要遵守上述NMA要求，特此設(shè)計(jì)壓載泵排量為765M3/hr。

根據(jù)以上各個(gè)規(guī)范的要求，可以從穩(wěn)性分析專業(yè)獲得平臺(tái)改變吃水深度所需要壓載注排水的總量，所以有下面公式：

式中：Q為泵總排量；ΔV為總壓載注排水量；t為所需排水時(shí)間，規(guī)范要求3h。

備注：總壓載注排水量不包括重力自流注排水的壓載水量。

每臺(tái)壓載泵的排量為總排量除以泵的臺(tái)數(shù)。然后，選擇泵的排出壓力，這與平臺(tái)的大小有一定關(guān)系，一般在0.35MPa～0.5MPa。

最后，要對(duì)必需吸入壓頭進(jìn)行確定。所謂NPSHr(Net Positive Suction Head Required)就是泵把水吸進(jìn)葉輪所需加在泵吸口處的靜水壓力，轉(zhuǎn)化成水柱以后，一般在2m～5m。此數(shù)值越小代表泵的吸入能力越強(qiáng)，在選擇泵時(shí)應(yīng)給與關(guān)注。

2 壓載管路的分析

一般而言，平臺(tái)的壓載艙數(shù)量要多于普通船舶，為保障整個(gè)系統(tǒng)功能的良好實(shí)現(xiàn)，在配置系統(tǒng)管網(wǎng)時(shí)，應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)的每一處管路進(jìn)行計(jì)算和分析，包括海底門到泵吸入口、泵排出口到總管、總管到每個(gè)艙室等，且要經(jīng)過嚴(yán)格的校核計(jì)算，才能得出最后的確定值。

2.1 海底門到泵吸入口管路

通常，壓載泵會(huì)經(jīng)過海底門上的接管從舷外吸入海水，如果要求泵在額定排量下工作的話，務(wù)必使泵吸入口側(cè)管路根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布置提供的有效吸入壓頭（NPSHa）大于泵的必需吸入壓頭。由于海底門和壓載泵多布置在泵艙，此段管路較短，結(jié)合從防止管路腐蝕過快和避免泥渣淤積的角度，按照管內(nèi)流速為1.0m/s～1.5m/s分析，可選取比泵吸入口直徑大一級(jí)或等同大小的管徑。

2.2 泵排出口到總管路

考慮到上述各個(gè)規(guī)范對(duì)壓載泵數(shù)量的要求和平臺(tái)壓載泵的實(shí)際配置，通常情況下，在布管上多采用總管分支管以節(jié)省管材的方式。此時(shí)根據(jù)規(guī)范要求和壓載系統(tǒng)的實(shí)際操作，每個(gè)總管應(yīng)滿足兩臺(tái)壓載泵同時(shí)工作的工況要求，按照管內(nèi)流速2.0m/s～3.0m/s可確定管徑大小。

2.3 總管到艙室支管路

前面提到，平臺(tái)的壓載艙數(shù)量要多于普通船舶，而且在調(diào)整吃水線時(shí)，通常會(huì)啟動(dòng)多臺(tái)壓載泵同時(shí)對(duì)多個(gè)壓載艙進(jìn)行注排水操作，可選擇壓載系統(tǒng)操作程序?yàn)橐罁?jù)進(jìn)行分析。由此，根據(jù)泵的排量和支管流速1.0m/s～1.5m/s來確定支管管徑。當(dāng)壓載管系的所有管徑初步確定后，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管系壓力損失分析，分析報(bào)告的結(jié)果應(yīng)該保證系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)并滿足規(guī)范要求，并且要適當(dāng)調(diào)整管徑大小和管路布置，再進(jìn)行校核計(jì)算，直到最終精確選取管徑。

3 管材和附件的確定

3.1 管系材料

在對(duì)壓載系統(tǒng)的管材進(jìn)行選型時(shí)，大多考慮經(jīng)濟(jì)適用性高的碳鋼管，并對(duì)表面進(jìn)行熱鍍鋅防腐蝕處理。但是隨著材料工業(yè)的發(fā)展，近年來GRE、CuNi和PE等管路由于其耐腐蝕性強(qiáng)，質(zhì)量輕，水流阻力小等優(yōu)點(diǎn)也得到越來越廣泛的應(yīng)用，取得了很好的使用效果。

3.2 遙控閥門類型

近年來，平臺(tái)上越來越高的自動(dòng)化程度同樣也體現(xiàn)在壓載系統(tǒng)，使之采用了遠(yuǎn)程閥門遙控系統(tǒng)。閥門遙控按照驅(qū)動(dòng)方式不同可分為液壓驅(qū)動(dòng)、電液驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)等。其中液壓驅(qū)動(dòng)方式，雖然系統(tǒng)中需提供集中液壓動(dòng)力泵站和多個(gè)電磁閥箱，但由于其系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性并且可適用于各種工作環(huán)境，故被廣泛用于平臺(tái)和船舶閥門遙控領(lǐng)域。

就閥門本身而言，閥體材料多選用球墨鑄鐵或者鑄鋼。對(duì)于直接通海的舷外閥，各個(gè)規(guī)范都有更多的描述，均要求為閥門端部連接形式不能采用對(duì)夾式(Wafer-Type),允許使用吊耳式(Lug-type)和法蘭式(Flange-type)；材料伸長率不少于12%。自從2006年以來，ABS規(guī)范關(guān)于舷外閥增加了新的要求：舷外閥為防火式。

3.3 吸口

在壓載支管對(duì)艙室進(jìn)行注排水時(shí)，末端必須安裝鐘形吸口(Bell Mouth，俗稱“喇叭口”)增加吸干能力。

如果使用異徑作為吸口時(shí)，多會(huì)使兩端相差兩級(jí)，比如支管直徑為DN250時(shí)，異徑為DN350×250，當(dāng)然這也不是固定的要求，可根據(jù)下面公式進(jìn)行簡單的計(jì)算：

式中：h為吸口末端和艙底間隙的高度；d為支管直徑；D為異徑大口端直徑。

通過上式得出高度值后，為防止氣穴現(xiàn)象發(fā)生，實(shí)際高度需增加余量，通常為理論值的1.2～1.5倍。

4 壓載水的控制和管理

隨著各國對(duì)其海域生態(tài)環(huán)境的重視，平臺(tái)也面臨著和船舶同樣的問題，就是壓載水凈化處理。

平臺(tái)在跨海域作業(yè)時(shí)，壓載水操作是必然的。在加裝壓載水的同時(shí)，海生物也隨之被引入到壓載艙中，直至航程結(jié)束后排放到目的地海域，從而引起了有害水生物和病原體的傳播。為此，國際海事組織(International Maritime Organization，簡稱“IMO”)于2004年頒布了《國際船舶壓載水和沉積物控制和管理公約》。隨之各國紛紛展開對(duì)壓載水處理技術(shù)的研究。目前常用的主要有以下幾種：

4.1 紫外線方法

生物細(xì)胞內(nèi)DNA或RNA中的堿基對(duì)在受到紫外線照射后會(huì)產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，在堿基對(duì)間形成化學(xué)二聚體。這些化學(xué)二聚體會(huì)在細(xì)胞分裂中阻止DNA或RNA鏈的復(fù)制，從而可以達(dá)到消滅微生物的目的。

4.2 電解海水方法

電解海水可以產(chǎn)生次氯酸、次氯酸鈉等，可將微生物體內(nèi)的生物酶(如帶有巰基的酶)氧化分解致使其失效，達(dá)到規(guī)定的殺菌效果。

4.3 海水置換方法

在深海或公海海域更換壓載水，不需要增加新的設(shè)備，但是這需要一個(gè)正確而全面的壓載水置換程序，并能指導(dǎo)船員在指定的海域進(jìn)行正確操作(通用方法)。另外，巴西和美國海域依然要求船舶配備海水置換程序。

5 總結(jié)

壓載水系統(tǒng)是海上深水移動(dòng)平臺(tái)一個(gè)非常重要的系統(tǒng)，相對(duì)其他系統(tǒng)而言，各國規(guī)范對(duì)壓載系統(tǒng)的要求比較少，但這留給設(shè)計(jì)者更多的思路，以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者可根據(jù)平臺(tái)艙室布置，所有方的特殊要求等因素來選擇適合的設(shè)備配置，管路布置和系統(tǒng)邏輯控制方案。

在設(shè)計(jì)階段，有3個(gè)方面需優(yōu)先考慮：

1）壓載泵的參數(shù)和配置

該系統(tǒng)由于功能相對(duì)專一，主要設(shè)備就是壓載泵和壓載水處理裝置、而壓載水處理裝置可根據(jù)泵參數(shù)來選定，所以需要優(yōu)先確定壓載泵的數(shù)量和主功能參數(shù)。

2）壓載泵和遙控閥的控制

該系統(tǒng)是自動(dòng)化程度最高的一個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)壓載艙都配置了專門的遙控閥，需要設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定、可靠并準(zhǔn)確的邏輯控制系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)功能操作。

3）管系壓力延程損失

由于各海域不同，海水的流體力學(xué)也不盡相同，再加上管路布置的復(fù)雜性，領(lǐng)域內(nèi)雖然有不少計(jì)算程序，但壓力延程損失的精確計(jì)算仍是一個(gè)難題，希望找到更為理想的計(jì)算方案。

[1] 中國船舶工業(yè)總公司編. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè): 輪機(jī)分冊(cè)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1999.

[2] 輪機(jī)工程手冊(cè)編委會(huì). 輪機(jī)工程手冊(cè): 下冊(cè)[M]. 北京: 人民交通出版社, 1994.

[3] 中國船級(jí)社. 海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)和建造規(guī)范[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005.

[4] ABS. Rules for Building and Classing for the Offshore Mobile Drilling Units[S].

[5] DNV, OS-D101: Marine and Machinery Systems and Equipment [S].

[6] NMA, Norwegian Maritime Authority, Regulations for Mobile Offshore Units [S].

施耐德電氣為寧夏申銀特鋼項(xiàng)目提供高性能PLC控制系統(tǒng)

近日，全球能效管理專家施耐德電氣宣布，為寧夏申銀特鋼300萬噸特鋼項(xiàng)目的實(shí)施提供具備高端自動(dòng)化處理能力的PLC控制系統(tǒng)。其主要應(yīng)用于高爐的噴煤系統(tǒng)、熱風(fēng)爐系統(tǒng)、高爐本體系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、燒結(jié)機(jī)、球團(tuán)以及原料場(chǎng)的整體控制。

施耐德電氣中國區(qū)副總裁、工業(yè)事業(yè)部負(fù)責(zé)人徐駿表示：“寧夏申銀特鋼300萬噸特鋼項(xiàng)目作為中國西部冶金行業(yè)一個(gè)規(guī)模較大的項(xiàng)目，選用了施耐德電氣的PLC控制系統(tǒng)，充分顯示了客戶對(duì)我們的產(chǎn)品、服務(wù)、經(jīng)驗(yàn)等綜合優(yōu)勢(shì)的高度認(rèn)同。通過提供整體解決方案以及集合了工業(yè)自動(dòng)化、能效管理等在內(nèi)的EMS能源管理系統(tǒng)。同時(shí)，中國西部發(fā)展相對(duì)滯后，但也意味著巨大的商機(jī)，施耐德電氣緊跟西部大開發(fā)的步伐，與當(dāng)?shù)卣推髽I(yè)一起探索業(yè)務(wù)合作，實(shí)現(xiàn)多贏，而申銀特鋼項(xiàng)目就是一個(gè)很好的示范?！?/p>

由于國家的財(cái)政緊縮政策和對(duì)產(chǎn)能過剩行業(yè)的宏觀調(diào)控，鋼鐵全行業(yè)整體發(fā)展呈下滑趨勢(shì)，需求萎縮，價(jià)格下降。與此同時(shí)，2013年初，國家提出了鋼鐵等九大行業(yè)和領(lǐng)域兼并重組的主要目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)，為這些傳統(tǒng)行業(yè)的優(yōu)化升級(jí)、整合、能源和生產(chǎn)效率的改進(jìn)帶來了新的業(yè)務(wù)機(jī)會(huì)，并呈現(xiàn)冶金行業(yè)投資向中西部地區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。

此次應(yīng)用于寧夏申銀特鋼300萬噸特鋼項(xiàng)目的PLC控制系統(tǒng)是昆騰（Quantum）系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有對(duì)離散量、模擬量及過程回路控制方面的強(qiáng)大處理能力，并且融入了最新的IT技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，存儲(chǔ)管理靈活，使用簡便，集成度高，兼容性強(qiáng)，開放性廣泛，能適應(yīng)極其惡劣的工業(yè)環(huán)境，有助于鋼鐵企業(yè)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)低成本、低能耗、高效率、高質(zhì)量。Quantum的具體性能優(yōu)勢(shì)如下：

高性能模板——采用統(tǒng)一的背板總線技術(shù)，通訊速率可達(dá)80Mbits；所有模板支持熱插拔；高性能CPU在雙機(jī)熱備具有領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；可選涂敷涂層保護(hù)模塊，能有效防止化學(xué)霧氣、 有機(jī)溶劑、 粉塵、 潮濕、 霉變等對(duì)模板的侵蝕；預(yù)接線系統(tǒng)安裝簡單、接線方便；同時(shí)有獨(dú)立電源、可累加電源、冗余電源三種電源可供選擇。此外， Quantum具有很強(qiáng)的開放性，廣泛支持Ethernet、Modbus等多種通訊協(xié)議。

I/O連接方式——客戶可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合距離遠(yuǎn)近、點(diǎn)數(shù)數(shù)量和集中度、干擾性強(qiáng)弱等指標(biāo)的不同選擇本地IO(LIO)、遠(yuǎn)程IO(RIO) 或者分布式IO(DIO)，以及更為先進(jìn)和靈活的工業(yè)以太網(wǎng)IO。

數(shù)據(jù)同步的熱備系統(tǒng)——雙處理器結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)同步與程序處理同時(shí)進(jìn)行，大大縮短數(shù)據(jù)交換傳輸時(shí)間；即插即備，可以在運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)CPU進(jìn)行維修和更換。

透明的通訊——高性能的CPU上集成了Modbus串口、Modbus Plus端口和Modbus TCP/IP通訊，三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制設(shè)備與管理系統(tǒng)的無縫集成。

全新Unity Pro編程軟件——出色的用戶友好性，全中文界面；支持多任務(wù)操作系統(tǒng)，極大提高了應(yīng)用程序的靈活性；易于調(diào)試，支持?jǐn)帱c(diǎn)，內(nèi)置系統(tǒng)診斷功能。

除了穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品性能，優(yōu)質(zhì)高效的服務(wù)支持也是施耐德電氣最終贏得申銀特鋼項(xiàng)目的重要因素。從項(xiàng)目前期的方案溝通和配置選擇，到系統(tǒng)調(diào)試中的技術(shù)交流，以及提供售后培訓(xùn)和運(yùn)行中的技術(shù)問題解答，一系列完整的服務(wù)體系贏得了客戶的高度認(rèn)可。

Design of Ballast System for Offshore Deepwater Mobile Platform

XU Ben-chuan, WANG Rui, LIU Fu-xiang
(Yantai CIMC Raffles Engineering Center, Yantai 264000, China)

The paper analyses the ballast system design from the point of mobile offshore unit piping system diagram and introduces the requirement and comparison of various classification societies and special rules. According to all rules required, the paper summarizes the design procedure of the whole system and illustrates the optimized system design.

system design; ballast pump; remote control valve; ballast water management

U663

A

徐本川（1983-）， ，助理工程師。主要從事海洋工程管路系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)。