唐傳安 楊述闖 王 旭 李 斌 姜 會

（大連船舶重工集團設(shè)計研究院有限公司 大連116021）

引 言

某半潛式鉆井平臺，采用DP-3 動力定位設(shè)計，配置最大輸出功率為6 600 kW 的柴油發(fā)電機組6臺，布置在3 個機艙內(nèi)，每個機艙2 臺。平臺配置廢熱式制淡裝置1 臺，利用柴油機的高溫冷卻水（缸套水）熱量進(jìn)行淡水制造，其制淡量要求為，在平臺DP-3 動力定位工況下（每臺發(fā)電機運行在40%負(fù)荷左右），制淡量為64 t/d。該平臺在中國南海區(qū)作業(yè)時，制淡量可以達(dá)到設(shè)計指標(biāo)， 而該平臺在冬季前往北方的工況下進(jìn)行實際制淡時，發(fā)現(xiàn)制淡量僅為40 t/d，不滿足該平臺的作業(yè)用淡水量要求。

1 設(shè)計原理分析

本平臺的制淡系統(tǒng)管路原理圖如下頁圖1 所示。該系統(tǒng)利用柴油機廢熱進(jìn)行制淡。由于DP-3［1］規(guī)范的要求，為防止在造水機故障（如泄漏）時造成2 個機艙的柴油發(fā)電機組同時失效，僅將1 號機艙的2 臺柴油機高溫冷卻水接入制淡裝置。制淡裝置利用高溫冷卻水中的熱量，將低壓下的海水加熱沸騰后冷凝并形成淡水。

高溫冷卻水中的可利用熱量對制淡量有著重要影響［2］。如果制淡裝置吸取熱量過多，會使柴油機缸套水進(jìn)口溫度低，容易造成柴油機缸套發(fā)生低溫腐蝕；而如果高溫水中提供的熱量不足，則會造成制淡量不滿足設(shè)計要求。柴油機高溫冷卻水中的熱量主要來自于兩部分：一部分為由于缸套與周邊部件摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量，一部分為增壓器壓縮燃燒空氣時產(chǎn)生的熱量。

結(jié)合柴油機廠家資料和制淡裝置設(shè)備需求，總結(jié)出本平臺的制淡系統(tǒng)熱量轉(zhuǎn)換關(guān)系如表1 所示。

從表1 可知，該平臺的制淡系統(tǒng)可利用熱量為1 354 kW，而制淡裝置在額定造水量下的實際需求熱量為1 159 kW?？衫脽崃看笥趯嶋H需求量，故從能量轉(zhuǎn)換的角度分析，該系統(tǒng)設(shè)計沒有問題。

圖1 制淡系統(tǒng)管路原理圖

表1 制淡系統(tǒng)熱量轉(zhuǎn)換路徑（理論值）

2 現(xiàn)場試驗分析

經(jīng)過現(xiàn)場觀測各個設(shè)備的運行參數(shù)，發(fā)現(xiàn)柴油機缸套冷卻水進(jìn)出口溫度差，制淡裝置進(jìn)出口溫度差均正常，但柴油機空冷器的高溫冷卻水進(jìn)出口溫度異常，其溫度參數(shù)如表2 所示。

表2 柴油機空冷器缸套水?dāng)?shù)據(jù)

根據(jù)柴油機廠家數(shù)據(jù)（表1），正常情況下，每臺柴油機的空冷器應(yīng)向高溫水中散發(fā)99 kW 熱量；而根據(jù)表2 的數(shù)據(jù)，其高溫水出口溫度卻低于進(jìn)口溫度，即空冷器反而在吸收高溫水中的熱量。

根據(jù)如下公式［3］計算空冷器吸收的熱量，可知每臺柴油機空冷器吸收的熱量約為116 kW。

式中：K為熱交換量，kW；Q為冷卻水流量，根據(jù)柴油機廠家數(shù)據(jù)為100 m3/h；f為冷卻水密度，淡水一般取1 000 kg/m3；C為比熱，淡水一般取4.18 kJ/kg·℃；t1為換熱器冷卻水進(jìn)口溫度，℃：t2為換熱器冷卻水出口溫度，℃。

結(jié)合現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)和分析計算可知，由于空冷器在柴油機運行階段吸收了高溫水的熱量，而不是按設(shè)計意圖向高溫水中散熱，導(dǎo)致制淡裝置可利用熱量減少。根據(jù)實測參數(shù)，更新制淡系統(tǒng)的熱量轉(zhuǎn)換關(guān)系如表3 所示。

表3 制淡系統(tǒng)熱量轉(zhuǎn)換路徑（實際值）

此時制淡裝置可利用熱量僅為965 kW，低于制淡裝置的實際熱量需求量1 159 kW，從而使制淡量明顯減少。按照制淡裝置廠家的計算，當(dāng)可利用熱量為965 kW 時，制淡量約為43 t/d，與實際制淡量結(jié)果較吻合，證明了上述分析的正確性。

3 原因分析

由上文分析可知，找到空冷器從高溫冷卻水吸熱的原因是分析制淡量不足的關(guān)鍵，故有必要詳細(xì)分析空冷器工作原理。圖2 為該柴油機吸氣原理圖。

圖2 柴油機吸氣原理圖

區(qū)別于常規(guī)船舶柴油機的燃燒空氣從機艙吸氣，本平臺的燃燒空氣從露天環(huán)境下直接吸氣，經(jīng)增壓器做功后，再經(jīng)空冷器冷卻進(jìn)入燃燒室用于燃油燃燒的氧氣供給?？绽淦鞯淖饔檬抢鋮s經(jīng)增壓器做功后的高溫壓縮空氣［4］。

本鉆井平臺設(shè)計條件為在中國南海區(qū)域作業(yè)，正常情況下露天環(huán)境空氣溫度較高，經(jīng)增壓器壓縮后，進(jìn)入空冷器的燃燒空氣設(shè)計溫度為最低103℃，大于高溫冷卻水的設(shè)計溫度95℃，故正常情況下空冷器向高溫冷卻水系統(tǒng)散熱，散發(fā)的熱量可用于淡水制造。然而，本平臺由于租約變化，在冬季前往俄羅斯作業(yè)，其露天環(huán)境空氣溫度均在-5℃以下，導(dǎo)致進(jìn)入空冷器的燃燒空氣溫度較低。經(jīng)實測，空冷器壓縮空氣進(jìn)口處溫度僅為65℃左右，低于實際高溫冷卻水溫度（見表2），故此時空冷器從高溫水中吸熱，從而使柴油機高溫水中的熱量減少，最終使制淡量下降。

可見，本平臺制淡量不足的根本原因在于柴油機從露天環(huán)境直接吸氣，而其可利用于制淡的熱量對外界環(huán)境溫度較為敏感。當(dāng)作業(yè)區(qū)域變化導(dǎo)致外界環(huán)境溫度降低時，因空冷器由向高溫水系統(tǒng)中散熱變?yōu)閺母邷厮到y(tǒng)中吸熱，從而導(dǎo)致高溫水系統(tǒng)中的可用制淡熱量減少，淡水制造量也相應(yīng)減少。

4 解決方案

由于作業(yè)區(qū)域環(huán)境溫度變化，導(dǎo)致的制淡熱量減少，可通過增加加熱器來補充熱量。結(jié)合表3 的數(shù)據(jù)，在本平臺的循環(huán)水系統(tǒng)中（制淡裝置前）增加一個200 kW 的蒸汽加熱器后，可利用熱量達(dá)到制淡裝置需求量，制淡量得以明顯上升，滿足了平臺的作業(yè)用水需求。

5 結(jié) 語

半潛平臺多采用柴油機增壓器室外直接吸氣的模式，對利用柴油機缸套水廢熱進(jìn)行淡水制造的新建半潛平臺，則建議其空冷器不利用缸套水進(jìn)行冷卻（柴油機廠家也確認(rèn)可以按此進(jìn)行設(shè)計，僅利用低溫冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行冷卻），這樣可有效避免因外界環(huán)境溫度變化而導(dǎo)致制淡裝置可利用熱量變化，最終使制淡量不穩(wěn)定的風(fēng)險。