可变气隙下钻井平台海水系统设计

赵立玉,孙瑞,刘建成,钟良省,张敏川

(1.友联船厂(蛇口)有限公司，广东 深圳 518054；2.招商局重工(深圳)有限公司，广东 深圳 518054；3.招商局海洋装备研究院，广东 深圳 518067；4.广东省海洋资源勘探开发装备工程技术研究中心，广东 深圳 518054；5.深圳自升式平台设计研发工程实验室，广东 深圳 518054)

自升式钻井平台上，一般采用开式冷却，由海水冷却设备内部换热器后排海。在CJ46型平台上，需要冷却的设备主要分布在主船体、生活楼顶和悬臂梁钻台3个区域。钻台上的设备海拔最高，生活楼顶海拔次高，主船体海拔最低。3个区域都需要海水供应，但仅有潜水泵可直接从海里抽水。针对不同海拔支路，常见解决方法是由增压泵提供海水给各支路，需要较多额外增压泵，因平台上安装空间有限且桩腿承受能力限定，要尽量减少泵的数量，增加可变载荷和空间，以有利于钻井作业。当仅有潜水泵时，如海水系统设计为在多个出口排放，其流量分配和压力分布复杂，一般调试需人工操作调节各设备的流量和压力到合适工况，耗时费力困难大。为此，设计一种新型的海水系统，借助FLOWMASTER软件展开CFD仿真分析[1]，并讨论对应的调试方法，让普通操作人员也能便利、快速地进行调节，以解决海水冷却系统的有效分配问题。

1 原理优化设计和建立简化模型

根据潜水泵多高度供水系统原理[2]，减少钻台处的排海口[3]，钻台设备冷却水设计为返回与主船体设备冷却水汇合，一起在船体基线高度(船底)排海。这部分管内流体的压力损失主要为管内沿程阻力、局部损失及设备压力损失，其相对船体基线高度的位能(重力势能)没有变化。

生活楼顶放置的设备为VFD刹车电阻，设备尺寸大，压力要求低≤0.05 MPa，因占用空间大，适合放在空旷的生活楼顶，溢流口可根据需要方便直接排海，保留单独排海口，相对船体基线位置较高。这部分管内流体的压力损失为管内沿程阻力、局部损失以及设备压力损失，其相对基线高度的位能具有变化[4]。

文献[5]对平台上主机舱的5台主发电机组的冷却水分配进行分析，提出通过各支管调节，以达到流量平衡。该分析仅限于5台主机位于同一海拔的状况，且冷却水经汇总后排海，各支路能量损失差别仅在于管路布置不同带来的管内沿程阻力、局部损失以及设备压力损失的较小差别，通过调节各支管阀门开度可以较快达到流量平衡。但如果涉及到整个钻井平台，针对数十台设备和多个排放出口的情况，分析如下。

为方便分析，建立一种简化系统[6]见图1。考虑到同一高度的设备压力损失差别较小，在主船体设置2台同等设备，在钻台设置两台同等设备，在生活楼顶设置一台设备。平台设计的标准作业气隙高度为h1。设置一台潜水泵B1，插入海平面以下，潜水泵出口分3路管线101,102,103，管线101到主船体设备J5、J6，海水冷却设备后，连接到主船体排海口，并在设备J5、J6出口汇集管上装有调节阀V4。管线102到生活楼顶，给设备J1供给冷却水，设备J1为VFD刹车电阻，体型大，采用开敞式水箱直接冷却，需求水量大，但需求压力小，要求压力≤p2(取0.05 MPa)，海水冷却设备后直接排海，开敞式水箱有冷却水透气口和溢流口，该设备放在生活楼顶，设备J1前装有调压阀V2进行减压，以避免超压。管线103供给悬臂梁钻台设备，设备压力要求为≥p3(取0.08 MPa)，海水冷却设备J2、J3后两路汇合，返回主船体，并在管上设置调节阀V3。管路103的海水与管路101的海水冷却设备J2、J3、J4、J5后汇集排海，排海口设置总调节阀V1。

图1 优化的供水系统

据此建立仅3个区域共5台设备的简易模型，方便展开水力分析、调节方法研究和仿真计算[7]。

2 系统仿真计算

2.1 系统水力分析

1)各管线和阀门尺寸按以下公式[8]计算。

(1)

式中：QJi为各管线流量要求；即设备流量要求；Vi为管内流速，因全为泵排出管，设计取值范围为[9]2 m/s≤Vi≤3 m/s。

2)泵B1额定排量QB1为钻井工况下各设备海水冷却需求量QJi之和,取20%裕量, 按以下公式计算。

QJ4+QJ5)(1+20%)

(2)

3)额定压力pB1设计为从钻台到海面的位能再加上p1(≥p3,取0.1 MPa)，按下式计算。

pB1=ρg(h1+h3)+p1

(3)

4)可变气隙下，当平台在高于标准气隙h1作业，整个平台离开海面距离加大，即各设备位能损失加大，入口压力将减少，要维持原入口压力，则需调节V1开度减小，以调节泵出口压力变大，总流量将变小。

以上调节是基于图2潜水泵特性曲线。

图2 泵特性曲线

阀门V1开度减小，即流量减小，则对应曲线上压力增大，如阀门V1开度增大，即流量增大，则对应曲线上压力减小，通过开度调节压力抵消平台升降时位能的变化。但根据泵特性曲线，只能在一定范围内调节，调节后的流量必须满足钻井工况下各设备海水冷却需求量QJi之和QJ0,即在附图2阴影范围内调节。平台的标准设计气隙高度为h1,如平台需要在高出设计气隙使用，则取泵特性曲线中最小流量为QJ0查到对应压力为pmax,转换成扬程高度hmax,反推出气隙高度。

(4)

式中：p1为钻台需求压力;h3为钻台高度；hz1-z2为管路能量耗损，见图2框阴影示意，即该平台必须被限定在最大气隙h下进行泵流量调节，此时泵工作点扬程为hmax。

上述分析基于文献[10]和流体力学中带分支管路网络中存在物质平衡和能量守恒定理。

1)物质平衡。每个截面节点的各管路的海水流量相加为零

(5)

按图1中3路支管101、102、103交汇于泵B1出口管上，其3个支管的质量流量Q101，Q102，Q103与泵B1的流量加应为零，即

(6)

2)能量守恒。管路中任意2个截面节点能量关系应符合

(7)

在多分支管路汇集的理想流体中，以上公式也适用，即2处任意管路节点的总能头皆为恒定数C，伯努利方程如下。

(8)

式中：p为节点压力；v为流速；ρ为空气密度；g为重力加速度；h为位能高度；hz1-z2为2节点间能量耗损。将已知参数代入方程即可计算出其他未知数。

2.2 调节步骤

基于上述水力分析、物质平衡、能量守恒定理和伯努利方程(8)，通过调节阀来调整hz1-z2，增加流体局部阻力[10]，使得局部压力下降，能量形成损耗，从而影响其他参数，据此初步拟定基于图1优化原理的一种6步骤调节方法如下。

步骤1。阀门开度调节参考图3开度与压降关系曲线，流量不同曲线不同，流量越大，在开度变小时压降越大，开度变大趋于全开时，流量对压降的影响趋于差别很小[11]，开启泵B1，将阀门V1开度从全开Ratio=1逐渐调小,V2开度调到Ratio=(0.1～0.3)区间，直到泵B1出口压力(压力表204)至少大于钻台面海拔的位能对应转换成的压力，压力为

图3 阀门开度与压降关系曲线

p≥ρg(h1+h3)

式中：ρ为海水密度；g为重力加速度；h1为气隙高度；h3为钻台到船底的高度。

步骤2。管路102上V2进一步进行上下开度调节，查看压力表202，确认减压后压力不大于设备J1允许最大压力p2。

步骤3。管路101、103上V3，V4阀门开度交互调小, 查看压力表203确认钻台面压力上升到正压，同时查看压力表201确认主船体管线101上设备J4,J5入口压力不超过设备允许最大压力。

步骤4。V1,V2,V4阀门开度同时微量调小，直到钻台面压力(压力表203)上升到设备需求的最小压力p3(取0.08 MPa)。同时检查管路102上压力表202，如超过设备J1允许最大压力p2(0.05 MPa)则将阀门V2开度进一步减小，须小于0.05 MPa。

步骤5。管线101、102、103的压力调节到对应工况后，可对各位置分支路阀门V5,V6或V7,V8进行调节，流量需求大的支路开度调大，流量需求小的支路开度调小，以达到各分支设备取得水量到对应工况。

步骤6。当平台须在高于标准气隙h1作业，则调节V1开度进一步减小，以调节泵出口压力变大，总流量将变小；在平台低于标准气隙h1作业时，气隙变小，则调节V1开度进一步加大，以调节泵出口压力变小，总流量将变大。

2.3 仿真计算

通过在软件里定义泵流量压力曲线、管路阀门尺寸、管路长度、海拔高度、阀门开度、流体介质和温度、管路隔热绝缘参数等边界条件，仿真计算出各节点流量和压力[12]，分析合适的调节阀开度，在软件里建立工艺流程模型，见图4。

图4 仿真模型

2.4 仿真结果

1)设定平台工作在标准气隙下15 m，钻台设备J2、J3海拔50 m，设备J1海拔39 m，设备J4、J5海拔17 m,潜水泵额定工况为400 m3/h@60 m，设置调压阀的开度[13]，仿真得到：潜水泵非常接近工作在额定工况0.011 m3/s@0.604 7 MPa(即400 m3/h@60 m)下，符合图2泵流量曲线，钻台设备J2、J3入口压力达到0.104 4 MPa满足使用要求，各管路流量和压力达到合适工况，满足使用要求。

2)设定为钻井平台工作在高于标准气隙5 m，即20 m气隙下，钻台设备J2、J3海拔55 m，设备J1海拔44 m，设备J4、J5海拔22 m,设置调压阀的开度，仿真结果：潜水泵工况为0.094 1 m3/s@0.65 MPa(即339 m3/h@65.4 m)，符合图2泵流量曲线，并处于阴影内属于可调范围。钻台设备J2、J3入口压力达到0.103 6 MPa满足使用要求，各设备流量相对减少，但流量和压力在合适工况范围内，仍满足使用要求。

3)通过仿真提取多组数据，得出气隙高度、排海总阀开度、潜水泵流量关系见图5。

图5 气隙高度、排海总阀开度、潜水泵流量关系

由图5可见：随着气隙增大，需要调节排海口总阀开度进一步减小，而随着总阀开度减小，潜水泵流量也进一步减小。

3 实船调试验证

按照6步方法和仿真结果，在CJ46平台上进行实操，升高平台在高于标准气隙5 m即20 m气隙下运行潜水泵，调节各阀门开度，利用超声波流量计测得泵出口流量为345 m3/h，钻台面设备压力为0.1 MPa，与仿真结果高度吻合；其余各支路流量和压力结果也符合对应工况。

4 结论

1)调节各支管阀门开度可调节各支管的流量分配，排海总阀和各支管阀门组合调节，可实现对海水系统的流量有效分配和压力调节。

2)面对不同类型的升降式海工平台设备布置的复杂性和多样性，提出的海水供给系统方案，设计时尽量减少排海口数量，各支管汇总后排海，并按照6个步骤进行操作，可减少操作难度，有利于让普通操作人员快速实现精准调控，在可变气隙范围内满足平台上各设备海水需求工况。

3)平台作业地点的高低潮水位对潜水泵净正吸入压头具有一定的影响，这需要在海水系统工作时进行微调以消除影响。另外，平台的消防水也来自于潜水泵的海水供给，但消防水需求工作压力较高，调节潜水泵不能直接满足，要先供水给缓冲舱，再由高压力消防泵供给消防环网，需要对环网进行单独的水力计算。

4)调压设施仅选取调节阀进行分析，根据实际需要可换成单节流孔板，多级节流孔板，或其他调压设施来进行压力调节，但其调压能力与泵特性和气隙高度的关系，都需要进一步设计分析和讨论并评估对比效果。