趙立玉,孫瑞,劉建成,鐘良省,張敏川

(1.友聯(lián)船廠(chǎng)(蛇口)有限公司，廣東 深圳 518054；2.招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 518054；3.招商局海洋裝備研究院，廣東 深圳 518067；4.廣東省海洋資源勘探開(kāi)發(fā)裝備工程技術(shù)研究中心，廣東 深圳 518054；5.深圳自升式平臺(tái)設(shè)計(jì)研發(fā)工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518054)

自升式鉆井平臺(tái)上，一般采用開(kāi)式冷卻，由海水冷卻設(shè)備內(nèi)部換熱器后排海。在CJ46型平臺(tái)上，需要冷卻的設(shè)備主要分布在主船體、生活樓頂和懸臂梁鉆臺(tái)3個(gè)區(qū)域。鉆臺(tái)上的設(shè)備海拔最高，生活樓頂海拔次高，主船體海拔最低。3個(gè)區(qū)域都需要海水供應(yīng)，但僅有潛水泵可直接從海里抽水。針對(duì)不同海拔支路，常見(jiàn)解決方法是由增壓泵提供海水給各支路，需要較多額外增壓泵，因平臺(tái)上安裝空間有限且樁腿承受能力限定，要盡量減少泵的數(shù)量，增加可變載荷和空間，以有利于鉆井作業(yè)。當(dāng)僅有潛水泵時(shí)，如海水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為在多個(gè)出口排放，其流量分配和壓力分布復(fù)雜，一般調(diào)試需人工操作調(diào)節(jié)各設(shè)備的流量和壓力到合適工況，耗時(shí)費(fèi)力困難大。為此，設(shè)計(jì)一種新型的海水系統(tǒng)，借助FLOWMASTER軟件展開(kāi)CFD仿真分析[1]，并討論對(duì)應(yīng)的調(diào)試方法，讓普通操作人員也能便利、快速地進(jìn)行調(diào)節(jié)，以解決海水冷卻系統(tǒng)的有效分配問(wèn)題。

1 原理優(yōu)化設(shè)計(jì)和建立簡(jiǎn)化模型

根據(jù)潛水泵多高度供水系統(tǒng)原理[2]，減少鉆臺(tái)處的排?？赱3]，鉆臺(tái)設(shè)備冷卻水設(shè)計(jì)為返回與主船體設(shè)備冷卻水匯合，一起在船體基線(xiàn)高度(船底)排海。這部分管內(nèi)流體的壓力損失主要為管內(nèi)沿程阻力、局部損失及設(shè)備壓力損失，其相對(duì)船體基線(xiàn)高度的位能(重力勢(shì)能)沒(méi)有變化。

生活樓頂放置的設(shè)備為VFD剎車(chē)電阻，設(shè)備尺寸大，壓力要求低≤0.05 MPa，因占用空間大，適合放在空曠的生活樓頂，溢流口可根據(jù)需要方便直接排海，保留單獨(dú)排?？?，相對(duì)船體基線(xiàn)位置較高。這部分管內(nèi)流體的壓力損失為管內(nèi)沿程阻力、局部損失以及設(shè)備壓力損失，其相對(duì)基線(xiàn)高度的位能具有變化[4]。

文獻(xiàn)[5]對(duì)平臺(tái)上主機(jī)艙的5臺(tái)主發(fā)電機(jī)組的冷卻水分配進(jìn)行分析，提出通過(guò)各支管調(diào)節(jié)，以達(dá)到流量平衡。該分析僅限于5臺(tái)主機(jī)位于同一海拔的狀況，且冷卻水經(jīng)匯總后排海，各支路能量損失差別僅在于管路布置不同帶來(lái)的管內(nèi)沿程阻力、局部損失以及設(shè)備壓力損失的較小差別，通過(guò)調(diào)節(jié)各支管閥門(mén)開(kāi)度可以較快達(dá)到流量平衡。但如果涉及到整個(gè)鉆井平臺(tái)，針對(duì)數(shù)十臺(tái)設(shè)備和多個(gè)排放出口的情況，分析如下。

為方便分析，建立一種簡(jiǎn)化系統(tǒng)[6]見(jiàn)圖1。考慮到同一高度的設(shè)備壓力損失差別較小，在主船體設(shè)置2臺(tái)同等設(shè)備，在鉆臺(tái)設(shè)置兩臺(tái)同等設(shè)備，在生活樓頂設(shè)置一臺(tái)設(shè)備。平臺(tái)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)氣隙高度為h1。設(shè)置一臺(tái)潛水泵B1，插入海平面以下，潛水泵出口分3路管線(xiàn)101,102,103，管線(xiàn)101到主船體設(shè)備J5、J6，海水冷卻設(shè)備后，連接到主船體排?？?，并在設(shè)備J5、J6出口匯集管上裝有調(diào)節(jié)閥V4。管線(xiàn)102到生活樓頂，給設(shè)備J1供給冷卻水，設(shè)備J1為VFD剎車(chē)電阻，體型大，采用開(kāi)敞式水箱直接冷卻，需求水量大，但需求壓力小，要求壓力≤p2(取0.05 MPa)，海水冷卻設(shè)備后直接排海，開(kāi)敞式水箱有冷卻水透氣口和溢流口，該設(shè)備放在生活樓頂，設(shè)備J1前裝有調(diào)壓閥V2進(jìn)行減壓，以避免超壓。管線(xiàn)103供給懸臂梁鉆臺(tái)設(shè)備，設(shè)備壓力要求為≥p3(取0.08 MPa)，海水冷卻設(shè)備J2、J3后兩路匯合，返回主船體，并在管上設(shè)置調(diào)節(jié)閥V3。管路103的海水與管路101的海水冷卻設(shè)備J2、J3、J4、J5后匯集排海，排?？谠O(shè)置總調(diào)節(jié)閥V1。

圖1 優(yōu)化的供水系統(tǒng)

據(jù)此建立僅3個(gè)區(qū)域共5臺(tái)設(shè)備的簡(jiǎn)易模型，方便展開(kāi)水力分析、調(diào)節(jié)方法研究和仿真計(jì)算[7]。

2 系統(tǒng)仿真計(jì)算

2.1 系統(tǒng)水力分析

1)各管線(xiàn)和閥門(mén)尺寸按以下公式[8]計(jì)算。

(1)

式中：QJi為各管線(xiàn)流量要求；即設(shè)備流量要求；Vi為管內(nèi)流速，因全為泵排出管，設(shè)計(jì)取值范圍為[9]2 m/s≤Vi≤3 m/s。

2)泵B1額定排量QB1為鉆井工況下各設(shè)備海水冷卻需求量QJi之和,取20%裕量, 按以下公式計(jì)算。

QJ4+QJ5)(1+20%)

(2)

3)額定壓力pB1設(shè)計(jì)為從鉆臺(tái)到海面的位能再加上p1(≥p3,取0.1 MPa)，按下式計(jì)算。

pB1=ρg(h1+h3)+p1

(3)

4)可變氣隙下，當(dāng)平臺(tái)在高于標(biāo)準(zhǔn)氣隙h1作業(yè)，整個(gè)平臺(tái)離開(kāi)海面距離加大，即各設(shè)備位能損失加大，入口壓力將減少，要維持原入口壓力，則需調(diào)節(jié)V1開(kāi)度減小，以調(diào)節(jié)泵出口壓力變大，總流量將變小。

以上調(diào)節(jié)是基于圖2潛水泵特性曲線(xiàn)。

圖2 泵特性曲線(xiàn)

閥門(mén)V1開(kāi)度減小，即流量減小，則對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)上壓力增大，如閥門(mén)V1開(kāi)度增大，即流量增大，則對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)上壓力減小，通過(guò)開(kāi)度調(diào)節(jié)壓力抵消平臺(tái)升降時(shí)位能的變化。但根據(jù)泵特性曲線(xiàn)，只能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的流量必須滿(mǎn)足鉆井工況下各設(shè)備海水冷卻需求量QJi之和QJ0,即在附圖2陰影范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)氣隙高度為h1,如平臺(tái)需要在高出設(shè)計(jì)氣隙使用，則取泵特性曲線(xiàn)中最小流量為QJ0查到對(duì)應(yīng)壓力為pmax,轉(zhuǎn)換成揚(yáng)程高度hmax,反推出氣隙高度。

(4)

式中：p1為鉆臺(tái)需求壓力;h3為鉆臺(tái)高度；hz1-z2為管路能量耗損，見(jiàn)圖2框陰影示意，即該平臺(tái)必須被限定在最大氣隙h下進(jìn)行泵流量調(diào)節(jié)，此時(shí)泵工作點(diǎn)揚(yáng)程為hmax。

上述分析基于文獻(xiàn)[10]和流體力學(xué)中帶分支管路網(wǎng)絡(luò)中存在物質(zhì)平衡和能量守恒定理。

1)物質(zhì)平衡。每個(gè)截面節(jié)點(diǎn)的各管路的海水流量相加為零

(5)

按圖1中3路支管101、102、103交匯于泵B1出口管上，其3個(gè)支管的質(zhì)量流量Q101，Q102，Q103與泵B1的流量加應(yīng)為零，即

(6)

2)能量守恒。管路中任意2個(gè)截面節(jié)點(diǎn)能量關(guān)系應(yīng)符合

(7)

在多分支管路匯集的理想流體中，以上公式也適用，即2處任意管路節(jié)點(diǎn)的總能頭皆為恒定數(shù)C，伯努利方程如下。

(8)

式中：p為節(jié)點(diǎn)壓力；v為流速；ρ為空氣密度；g為重力加速度；h為位能高度；hz1-z2為2節(jié)點(diǎn)間能量耗損。將已知參數(shù)代入方程即可計(jì)算出其他未知數(shù)。

2.2 調(diào)節(jié)步驟

基于上述水力分析、物質(zhì)平衡、能量守恒定理和伯努利方程(8)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)整hz1-z2，增加流體局部阻力[10]，使得局部壓力下降，能量形成損耗，從而影響其他參數(shù)，據(jù)此初步擬定基于圖1優(yōu)化原理的一種6步驟調(diào)節(jié)方法如下。

步驟1。閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)參考圖3開(kāi)度與壓降關(guān)系曲線(xiàn)，流量不同曲線(xiàn)不同，流量越大，在開(kāi)度變小時(shí)壓降越大，開(kāi)度變大趨于全開(kāi)時(shí)，流量對(duì)壓降的影響趨于差別很小[11]，開(kāi)啟泵B1，將閥門(mén)V1開(kāi)度從全開(kāi)Ratio=1逐漸調(diào)小,V2開(kāi)度調(diào)到Ratio=(0.1～0.3)區(qū)間，直到泵B1出口壓力(壓力表204)至少大于鉆臺(tái)面海拔的位能對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換成的壓力，壓力為

圖3 閥門(mén)開(kāi)度與壓降關(guān)系曲線(xiàn)

p≥ρg(h1+h3)

式中：ρ為海水密度；g為重力加速度；h1為氣隙高度；h3為鉆臺(tái)到船底的高度。

步驟2。管路102上V2進(jìn)一步進(jìn)行上下開(kāi)度調(diào)節(jié)，查看壓力表202，確認(rèn)減壓后壓力不大于設(shè)備J1允許最大壓力p2。

步驟3。管路101、103上V3，V4閥門(mén)開(kāi)度交互調(diào)小, 查看壓力表203確認(rèn)鉆臺(tái)面壓力上升到正壓，同時(shí)查看壓力表201確認(rèn)主船體管線(xiàn)101上設(shè)備J4,J5入口壓力不超過(guò)設(shè)備允許最大壓力。

步驟4。V1,V2,V4閥門(mén)開(kāi)度同時(shí)微量調(diào)小，直到鉆臺(tái)面壓力(壓力表203)上升到設(shè)備需求的最小壓力p3(取0.08 MPa)。同時(shí)檢查管路102上壓力表202，如超過(guò)設(shè)備J1允許最大壓力p2(0.05 MPa)則將閥門(mén)V2開(kāi)度進(jìn)一步減小，須小于0.05 MPa。

步驟5。管線(xiàn)101、102、103的壓力調(diào)節(jié)到對(duì)應(yīng)工況后，可對(duì)各位置分支路閥門(mén)V5,V6或V7,V8進(jìn)行調(diào)節(jié)，流量需求大的支路開(kāi)度調(diào)大，流量需求小的支路開(kāi)度調(diào)小，以達(dá)到各分支設(shè)備取得水量到對(duì)應(yīng)工況。

步驟6。當(dāng)平臺(tái)須在高于標(biāo)準(zhǔn)氣隙h1作業(yè)，則調(diào)節(jié)V1開(kāi)度進(jìn)一步減小，以調(diào)節(jié)泵出口壓力變大，總流量將變??；在平臺(tái)低于標(biāo)準(zhǔn)氣隙h1作業(yè)時(shí)，氣隙變小，則調(diào)節(jié)V1開(kāi)度進(jìn)一步加大，以調(diào)節(jié)泵出口壓力變小，總流量將變大。

2.3 仿真計(jì)算

通過(guò)在軟件里定義泵流量壓力曲線(xiàn)、管路閥門(mén)尺寸、管路長(zhǎng)度、海拔高度、閥門(mén)開(kāi)度、流體介質(zhì)和溫度、管路隔熱絕緣參數(shù)等邊界條件，仿真計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)流量和壓力[12]，分析合適的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，在軟件里建立工藝流程模型，見(jiàn)圖4。

圖4 仿真模型

2.4 仿真結(jié)果

1)設(shè)定平臺(tái)工作在標(biāo)準(zhǔn)氣隙下15 m，鉆臺(tái)設(shè)備J2、J3海拔50 m，設(shè)備J1海拔39 m，設(shè)備J4、J5海拔17 m,潛水泵額定工況為400 m3/h@60 m，設(shè)置調(diào)壓閥的開(kāi)度[13]，仿真得到：潛水泵非常接近工作在額定工況0.011 m3/s@0.604 7 MPa(即400 m3/h@60 m)下，符合圖2泵流量曲線(xiàn)，鉆臺(tái)設(shè)備J2、J3入口壓力達(dá)到0.104 4 MPa滿(mǎn)足使用要求，各管路流量和壓力達(dá)到合適工況，滿(mǎn)足使用要求。

2)設(shè)定為鉆井平臺(tái)工作在高于標(biāo)準(zhǔn)氣隙5 m，即20 m氣隙下，鉆臺(tái)設(shè)備J2、J3海拔55 m，設(shè)備J1海拔44 m，設(shè)備J4、J5海拔22 m,設(shè)置調(diào)壓閥的開(kāi)度，仿真結(jié)果：潛水泵工況為0.094 1 m3/s@0.65 MPa(即339 m3/h@65.4 m)，符合圖2泵流量曲線(xiàn)，并處于陰影內(nèi)屬于可調(diào)范圍。鉆臺(tái)設(shè)備J2、J3入口壓力達(dá)到0.103 6 MPa滿(mǎn)足使用要求，各設(shè)備流量相對(duì)減少，但流量和壓力在合適工況范圍內(nèi)，仍滿(mǎn)足使用要求。

3)通過(guò)仿真提取多組數(shù)據(jù)，得出氣隙高度、排海總閥開(kāi)度、潛水泵流量關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 氣隙高度、排?？傞y開(kāi)度、潛水泵流量關(guān)系

由圖5可見(jiàn)：隨著氣隙增大，需要調(diào)節(jié)排?？诳傞y開(kāi)度進(jìn)一步減小，而隨著總閥開(kāi)度減小，潛水泵流量也進(jìn)一步減小。

3 實(shí)船調(diào)試驗(yàn)證

按照6步方法和仿真結(jié)果，在CJ46平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)操，升高平臺(tái)在高于標(biāo)準(zhǔn)氣隙5 m即20 m氣隙下運(yùn)行潛水泵，調(diào)節(jié)各閥門(mén)開(kāi)度，利用超聲波流量計(jì)測(cè)得泵出口流量為345 m3/h，鉆臺(tái)面設(shè)備壓力為0.1 MPa，與仿真結(jié)果高度吻合；其余各支路流量和壓力結(jié)果也符合對(duì)應(yīng)工況。

4 結(jié)論

1)調(diào)節(jié)各支管閥門(mén)開(kāi)度可調(diào)節(jié)各支管的流量分配，排?？傞y和各支管閥門(mén)組合調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海水系統(tǒng)的流量有效分配和壓力調(diào)節(jié)。

2)面對(duì)不同類(lèi)型的升降式海工平臺(tái)設(shè)備布置的復(fù)雜性和多樣性，提出的海水供給系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少排海口數(shù)量，各支管匯總后排海，并按照6個(gè)步驟進(jìn)行操作，可減少操作難度，有利于讓普通操作人員快速實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控，在可變氣隙范圍內(nèi)滿(mǎn)足平臺(tái)上各設(shè)備海水需求工況。

3)平臺(tái)作業(yè)地點(diǎn)的高低潮水位對(duì)潛水泵凈正吸入壓頭具有一定的影響，這需要在海水系統(tǒng)工作時(shí)進(jìn)行微調(diào)以消除影響。另外，平臺(tái)的消防水也來(lái)自于潛水泵的海水供給，但消防水需求工作壓力較高，調(diào)節(jié)潛水泵不能直接滿(mǎn)足，要先供水給緩沖艙，再由高壓力消防泵供給消防環(huán)網(wǎng)，需要對(duì)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行單獨(dú)的水力計(jì)算。

4)調(diào)壓設(shè)施僅選取調(diào)節(jié)閥進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際需要可換成單節(jié)流孔板，多級(jí)節(jié)流孔板，或其他調(diào)壓設(shè)施來(lái)進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，但其調(diào)壓能力與泵特性和氣隙高度的關(guān)系，都需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)分析和討論并評(píng)估對(duì)比效果。