曹士峰

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司， 天津 300452)

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鉆井平臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹士峰

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司， 天津 300452)

主發(fā)電機(jī)組是海洋鉆井平臺(tái)最核心的設(shè)備，其輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含燃油系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)以及通風(fēng)系統(tǒng)。該文主要介紹各輔助系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)思路，并提出合理化建議，確保主發(fā)電機(jī)組投入使用后在使用性能方面達(dá)到最佳，并且有利于日常設(shè)備的維護(hù)管理。

鉆井平臺(tái)；發(fā)電機(jī)組；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

發(fā)電機(jī)組是海洋石油鉆井平臺(tái)最核心的設(shè)備，被喻為鉆井平臺(tái)的心臟。發(fā)電機(jī)組肩負(fù)著為平臺(tái)所有動(dòng)力設(shè)備提供電源的重?fù)?dān)，其工作性能的好壞直接影響到鉆井平臺(tái)的正常作業(yè)。

發(fā)電機(jī)組正常工作離不開(kāi)輔助系統(tǒng)的支持。其主要輔助系統(tǒng)包括：燃油系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)以及通風(fēng)系統(tǒng)。各系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足技術(shù)手冊(cè)和相關(guān)規(guī)范要求決定了設(shè)備能否正常使用，各系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理確定了設(shè)備在使用中是否便于維護(hù)。

1 發(fā)電機(jī)組燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 日用油柜設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)電機(jī)組耗油量大小，合理設(shè)計(jì)油柜容積。發(fā)電機(jī)組日耗油計(jì)算如下：

式中：Q為發(fā)電機(jī)組日消耗總量，kg；n為發(fā)電柴油機(jī)工作臺(tái)數(shù)；be為發(fā)電柴油機(jī)燃油消耗率，g/(kW·h)；Ne為發(fā)電柴油機(jī)持續(xù)功率，kW；T為發(fā)電柴油機(jī)每天工作時(shí)間；一般柴油密度取850kg/m3。

參照上述數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)自己需要選擇油柜大小，考慮到鉆井平臺(tái)作業(yè)量大，勞動(dòng)強(qiáng)度大，此狀況下頻繁撥油存在很大風(fēng)險(xiǎn)，為降低風(fēng)險(xiǎn)用戶可考慮選擇容積較大油柜。

油柜在設(shè)計(jì)時(shí)，建議選擇左右舷雙油柜布局。雙油柜設(shè)計(jì)可避免其中一油柜出現(xiàn)問(wèn)題或需要清艙作業(yè)時(shí)發(fā)電機(jī)組無(wú)法正常使用。油柜需設(shè)計(jì)油柜進(jìn)油口、外輸供油口、油柜回油口、油柜溢流口、燃油日用油口和油柜放殘口。油柜進(jìn)油管從油柜底部進(jìn)入油柜，油柜回油管應(yīng)從頂部沿墻壁伸至底部，避免由于落差使燃油產(chǎn)生摩擦火花，引起爆炸。

1.2 燃油供應(yīng)系統(tǒng)和回油系統(tǒng)輔助件設(shè)計(jì)

為保證主發(fā)電機(jī)組燃油不間斷供應(yīng)，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)為雙聯(lián)濾器，在濾芯進(jìn)行檢查保養(yǎng)時(shí)，可保證燃油持續(xù)供應(yīng)。

根據(jù)規(guī)范要求，發(fā)電機(jī)組燃油供應(yīng)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)有應(yīng)急切斷燃油速閉閥。目前，國(guó)產(chǎn)燃油速閉閥質(zhì)量還需進(jìn)一步提高，特別是閥門密封圈在燃油速閉閥功能測(cè)試時(shí)較易損壞，容易造成溢油風(fēng)險(xiǎn)。建議在燃油速閉閥與油柜或油艙之間設(shè)計(jì)截止閥，便于燃油速閉閥的應(yīng)急修理。

燃油中的水會(huì)對(duì)燃油系統(tǒng)內(nèi)零部件造成傷害，因此系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)油水分離器除去水分。

2 發(fā)電機(jī)組潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)組潤(rùn)滑油供應(yīng)系統(tǒng)通常包含：潤(rùn)滑油柜、油泵、雙聯(lián)濾器、管系、閥門附近及污油柜。

關(guān)于潤(rùn)滑油供應(yīng)系統(tǒng)主要有兩點(diǎn)建議：(1)用戶要充分考慮潤(rùn)滑油柜及污油柜容積，油柜容積大小需根據(jù)設(shè)備使用頻率、潤(rùn)滑油更換周期、污油回收頻次等因素選取。(2)為保證潤(rùn)滑油品質(zhì)，防止進(jìn)入設(shè)備時(shí)潤(rùn)滑油受到污染，建議采用多級(jí)過(guò)濾，在設(shè)備注油口前端加裝精濾油設(shè)施。

關(guān)于潤(rùn)滑油柜注油系統(tǒng)，建議充分利用一泵多用原則。潤(rùn)滑油泵既可以給發(fā)電機(jī)組供油，又可以給油柜注油。另外，油泵建議設(shè)計(jì)旁通管路，避免給發(fā)電機(jī)組供油時(shí)，發(fā)生齒輪油泵憋壓現(xiàn)象。

3 發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)組有一套獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，一般只需用戶把平臺(tái)自身冷卻水與設(shè)備連接即可。冷卻系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)重要組成部分，冷卻系統(tǒng)是否正常工作直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作和使用壽命，因此，用戶如何設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)組輔助冷卻系統(tǒng)至關(guān)重要。

4 發(fā)電機(jī)組排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 排氣背壓計(jì)算

為避免背壓過(guò)高引起的排煙溫度過(guò)高、功率損失以及燃燒不完全產(chǎn)生煙垢等問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)推薦一種排氣背壓計(jì)算的估算方法，通常取計(jì)算值的一半較為合理。

式中：P為排氣背壓，kPa；L為管路的總長(zhǎng)度，m；S為氣體密度，kg/m3；Q為排氣流量，m3/min；D為管路內(nèi)徑，mm；Ps為其它部件的壓力降。

氣體密度計(jì)算公式：

S=352.5/(排氣管溫度+273)

消聲器壓力降(Ps)、排氣流量(Q)、彎頭當(dāng)量(L)等參數(shù)取值可在設(shè)備技術(shù)手冊(cè)中查詢。

艙室外排煙口設(shè)計(jì)應(yīng)為上排、下排兩種形式。在鉆井平臺(tái)正常作業(yè)期間采用下排煙形式，避免煙塵污染平臺(tái)；在鉆井平臺(tái)拖航期間使用上排煙形式，確保發(fā)電機(jī)組正常使用。排煙系統(tǒng)排放口不建議設(shè)計(jì)在船艏區(qū)域，其弊端主要有兩點(diǎn)：(1)拖航期間較大的涌浪容易卷入上排煙口，阻礙發(fā)電機(jī)組正常排煙，有致使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的風(fēng)險(xiǎn)。(2)海洋鉆井平臺(tái)拖航頻次高，排煙管長(zhǎng)期受涌浪的拍打，致使排煙管隔熱保溫受傷，加快排煙管腐蝕。

5 發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)組輔助啟動(dòng)方式主要有電馬達(dá)啟動(dòng)和氣馬達(dá)啟動(dòng)。電馬達(dá)啟動(dòng)設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，在此主要介紹氣馬達(dá)啟動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

合理設(shè)計(jì)啟動(dòng)氣瓶容積及壓縮空氣管系，確保有足夠的氣量進(jìn)入馬達(dá)，推動(dòng)馬達(dá)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組。推薦空氣壓力范圍在620kPa～1 034kPa，啟動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要滿足相關(guān)船級(jí)社要求。

5.1 啟動(dòng)氣瓶容積選取計(jì)算方法

式中：Vs為啟動(dòng)馬達(dá)空氣消耗量，m3/s，數(shù)據(jù)可以在設(shè)備技術(shù)手冊(cè)中查詢；Vt為啟動(dòng)氣瓶容積，m3；Pt為啟動(dòng)氣瓶壓力，kPa；T為啟動(dòng)時(shí)間，s；Pm為根據(jù)設(shè)備技術(shù)手冊(cè)選取連續(xù)起動(dòng)或一次起動(dòng)數(shù)值。

5.2 壓縮空氣系統(tǒng)管線內(nèi)徑取值計(jì)算

式中：d為空氣管線內(nèi)徑，mm；Vs為啟動(dòng)馬達(dá)空氣消耗量，m3/s，數(shù)據(jù)可以在設(shè)備技術(shù)手冊(cè)中查詢；u為管內(nèi)氣體平均流速，m/s。

表1為管內(nèi)平均流速推薦值。

表1 管內(nèi)平均流速推薦值

6 發(fā)電機(jī)組進(jìn)排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.1 艙室機(jī)械通風(fēng)形式選擇

海洋石油鉆井平臺(tái)主要采用強(qiáng)制機(jī)械通風(fēng)來(lái)保證機(jī)械艙室的環(huán)境溫度。采用機(jī)械通風(fēng)形式主要有以下三種：下進(jìn)上排式、側(cè)進(jìn)側(cè)排式、上進(jìn)上排式。

(1) 下進(jìn)上排式

進(jìn)風(fēng)管道布置在發(fā)電機(jī)組之間的地面上，空氣由下向上吹響發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，排氣風(fēng)機(jī)和排氣管道應(yīng)安裝在艙室熱源集中的最高處。這種通風(fēng)系統(tǒng)具有最好的通風(fēng)效果，且所需的空氣量最少。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)周圍的上升氣流起到屏蔽的作用，使散發(fā)到艙室的熱量最少。

(2) 側(cè)進(jìn)上排式

進(jìn)風(fēng)機(jī)風(fēng)道出風(fēng)口應(yīng)盡可能低布置，新鮮涼風(fēng)盡可能多地掠過(guò)發(fā)電機(jī)組散熱部位，排氣風(fēng)機(jī)和排氣管道應(yīng)安裝在艙室熱源集中的最高處。這種通風(fēng)形式可帶走發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的一部分熱量，但仍有一定的熱量輻射到艙室內(nèi)，此形式需要空氣流通的路徑要正確，不能出現(xiàn)進(jìn)排風(fēng)通道形成小循環(huán)現(xiàn)象，即新鮮涼風(fēng)在沒(méi)有到達(dá)發(fā)電機(jī)組時(shí)就被排風(fēng)機(jī)給抽出艙室。

(3) 上進(jìn)上排式

進(jìn)風(fēng)風(fēng)道直接布置在發(fā)電機(jī)組正上方，將新鮮涼風(fēng)吹響發(fā)電機(jī)組，排氣風(fēng)機(jī)和排氣管道應(yīng)安裝在艙室熱源集中的最高處。這種系統(tǒng)由于將吸入的新鮮涼風(fēng)和艙室內(nèi)高溫空氣混合，因此使整個(gè)艙室空氣溫度升高，另外，這種通風(fēng)形式會(huì)影響熱空氣到排風(fēng)口的自然流動(dòng)，采用此通風(fēng)形式需要特別大容量的通風(fēng)機(jī)。

6.2 鉆井平臺(tái)機(jī)械艙室通風(fēng)計(jì)算

(1) 設(shè)備散熱量所需空氣量

柴油機(jī)散熱量：q1；

發(fā)電機(jī)散熱量：q2；

其他設(shè)備散熱量：q3；

艙室內(nèi)設(shè)備總散熱量：q=q1+q2+q3；

帶走艙室熱量所需的通風(fēng)量：

式中：ρa(bǔ)為空氣密度，取1.2kg/m3；Ca為空氣質(zhì)量熱容，取1.005kJ/(kg·k)；ΔT為送風(fēng)溫度與艙室溫度之差，取13.5k。

(2) 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒所需空氣量

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒空氣量

式中：n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；i為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)；t為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程系數(shù)，四沖程柴油機(jī)的t值取0.5；k1為計(jì)及柴油機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的空氣流量系數(shù)。四沖程非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)k1=ηi；四沖程增壓發(fā)動(dòng)機(jī)k1=φηi。其中：ηi為氣缸吸氣效率，四沖程非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，ηi=0.75～0.90(一般取0.85)，四沖程增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，ηi≈1.0；φ為發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣系數(shù)，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)φ=1.1～1.2；vn為發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)氣缸的工作容積，m3。

粗算發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒空氣量時(shí)，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率，按6.7m3/(kW·h)，即[5m3/(hp·h)]計(jì)算。

根據(jù)艙室通風(fēng)所需的總風(fēng)量，選擇合適的進(jìn)排風(fēng)機(jī)。

7 結(jié)語(yǔ)

發(fā)電機(jī)組輔助系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)組重要組成部分，完善、合理的輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)既能夠方便用戶的維護(hù)，又能夠保障設(shè)備安全、可靠的運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。發(fā)電機(jī)組6大輔助系統(tǒng)合理設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性。

[1] 高光宇，薛亮..箱式柴油發(fā)電機(jī)組輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2012，11(10)：86-87.

[2] 馮倩.淺談柴油發(fā)電機(jī)房的通風(fēng)與冷卻[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2010，20(24)：185-187.

[3] 武震華，張慧芳.海上平臺(tái)原油發(fā)動(dòng)機(jī)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].第十五屆中國(guó)海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集(下)，2011.

Design of Auxiliary System of Drilling Platform Diesel Generator Set

CAO Shi-feng

(Energy Development Co., Ltd， CNOOC, Tianjin 300452, China)

The main generator is the core of offshore drilling equipment, the auxiliary system design mainly includes the fuel system, lubrication system, cooling system, exhaust system, starting system, ventilation system. This paper mainly introduces the basic design requirements of the auxiliary system and design ideas, and put forward reasonable suggestions, to ensure that the main generator on the performance of the best, and is advantageous to the daily equipment maintenance.

drilling platform； generator set； system design

2014-07-25

曹士峰(1982-)，男，工程師。

1001-4500(2015)03-0023-04

TM

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