海洋石油平台海水提升泵能量回收可行性研究

熊鑫晨，张圆圆

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057）

1 海洋石油平台

海洋石油平台按照结构分可以分为自升式平台、半潜式平台和固定式平台；按照功能分，可以分为海洋钻井平台和海洋采油平台。

海洋钻井平台主要是用于钻探井的海上结构物，平台上装钻井、动力、通信、导航等设备，以及安全救生和人员生活设施，是海上油气勘探开发不可或缺的设施。

海洋采油平台主要是用来开采油气和对油气进行初步处理的海上结构物，平台上装有采油生产井、油气处理设备和生活设施等。开采后经过初步处理的石油和天然气，通过输油管道输送至陆地处理终端或FPSO（Floating Production Storage and Offloading，浮式生产、存储、卸载平台）装置。

2 平台海水系统

2.1 系统概述

海水系统是平台生产、消防的重要组成部分，为平台海水扫线、修井作业、消防喷淋、污水处理等提供保障。系统主要由2台海水提升泵和1 套自动反冲洗装置组成。海水提升泵为多级离心泵，为防止海水腐蚀泵体，泵体均安装了电解铜铝装置。

海水自海水提升泵提升到平台，经过自动反冲洗过滤器，通过压差计进行控制，当过滤器两端的压力差值大于60 kPa 时自动启动过滤器进行反冲洗。过滤后的海水经过分配管线分配到以下用户：钻井机、污水处理装置、造淡机、公用站、消防管网、生活楼。另外，为了保护海水管路，在海水提升泵出口管线安装由压力控制阀，其设点为750 kPa，可维持海水管线压力不超过750 kPa。

2.2 海水泵的结构

海水提升泵由离心式叶轮和空间导叶的导壳组成，是多级离心泵。泵由止回阀（可泄漏型）、进水端、联轴器、泵轴、密封环、级向套等组成。由于护管直径大，泵带有溪水冷却罩，下端有滤网，可以阻挡大颗粒进入泵中。

2.3 潜水电机的组成

潜水电机由定子、转子、上下导轴承、止推轴承组成。电机是充水式电机，内腔充满防冻润滑液，由调节囊来平衡电机内外压力。电机轴端有机械密封，防护等级为IP68。

3 海水泵现状

海洋石油平台均设有海水泵用以满足日常海水需要。除此之外，一些较大的平台还设有专门的电动消防泵用以应对火灾等突发状况，FPSO 上除了有电动消防泵还设置有专门的柴油消防泵（图1）。另外，某些平台在设计时考虑到场地规模、建造成本和平台大小等因素，并未配备专门的电动消防泵，只设计配备2 台海水泵（一用一备），用于满足日常需要和应急需求，而这种兼具应急消防功能的海水泵一般需要长期保持在运行状态。

图1 某平台海水管线示意

海水泵的主要用户包括厕所用水、钻修井泥浆池用水和海管清扫等，除钻修井作业和停产扫线等大型作业外，日常的海水用量较小，大部分通过排海管线重新排回海里。

4 水力涡流发电机原理

水力涡流发电机（水轮机）的原理是水流经过水轮机时带动扇叶旋转，将水的动能转换为扇叶的机械能，扇叶带动通过主轴连接的发电机转子一起旋转。在转子静止时采用一定方法通入直流电进行励磁，在转子绕组轴线上（即直轴方向）产生空间不动幅值恒定的磁场，就是转子磁场。当水轮机拖动转子旋转时，转子磁场随着转子一起旋转，就得到一个旋转磁场。磁场在旋转时与定子绕组形成相对运动，旋转磁场磁力线切割定子绕组，在定子绕组上产生感应电动势（电磁感应原理），通过引线引出就得到了交流电（图2、图3）。

图2 水轮机叶轮结构示意

图3 水轮机工作示意

水电站的水力涡流发电机利用水位的落差形成势能，将其转换为电能。可以在海水泵的排海管线上安装水力涡流发电机，用被排掉的海水作为动力源发电，实现海水泵能量的有效回收。

5 能量回收计算

以某平台为例，海水泵电机的额定功率为100 kW，泵的排量为160 m3/h，经过现场测量，当海水管线和消防环网均充满海水且基本无其他海水用户的情况下，排海管管线实测排量约160 m3/h，排海管压力约5～7 bar（0.5～0.7 MPa）。

由水能出力公式N=9.81×η×Q×H 可知，其基本参数包括：①工作水头H，单位为m，指单位重量的液体所具有的机械能；②流量Q，单位为m3/s，指单位时间内流经封闭管道或明渠有效截面的流体量，又称瞬时流量；③水能机输出功率N，单位为kW，以势能、压能和动能等形式存在于水体中的能量资源通过水能机转化为电能；④效率η（0.7～0.95），指水能机的转化效率，用水能机的输出功率N 除以水能机的输入功率即可得到转化效率。

根据液柱压强公式P=ρ×g×h，ρ 为液体密度、g 为重力加速度、h 为液柱高度，可以由排海管口压力推算液柱高度h，近似等于水能出力公式中的水头H。

取海水密度为1.02～1.07 kg/m3，压强为5～7 bar（0.5～0.7 MPa），重力加速度g 取9.8 m/s，计算得出液柱高度h≈50～70 m。

将数据代入水能出力公式N=9.81×η×Q×H，保守取η 值为最小值0.7，流量Q 换算为0.044 4 m3/s；当H=50 m 时，N=54.936 kW；当H=70 m 时，N=76.910 kW。

综上所述，考虑到时效等其他因素影响，使用水力涡流发电机回收海水泵能量保守估计最少可达50 kW/h。

6 回收电能用于照明系统可行性评估

6.1 灯具规模

照明灯具普遍采用36 W 双灯管灯具，考虑线路附加损耗，一盏照明灯具功率估算为80 W。保守估算50 kW 的电能可供约超过600 盏照明灯具使用，再考虑到平台规模大小，回收电能足够照明系统使用。

6.2 整流器

考虑海水排海管流量波动和消防应急使用海水等情况会影响水力涡流发电机的工况和运行时率，可以在水力涡流发电机输出端接入整流器，将回收的电能由谐波较大的交流电转化为恒稳直流。

6.3 电池组和逆变器

整流得到的恒稳直流通过直流母线和电池组相连，需要时通过逆变器将恒稳直流逆变为交流电，这样“干净”的交流电基本没有谐波，电源波形和质量都非常高。逆变器的输出端再通过空气断路器接入照明系统控制柜实现供电。

6.4 静态开关

当海水泵出现故障或消防系统需要用海水时，排海管的排海量势必减少，导致水力涡流发电机无法正常工作，此时照明系统通过电池组供电。若水力涡流发电机长时间无法恢复时，可以通过在照明系统控制柜输入端并联的静态开关切换电源，静态开关的上端接入市电220 V（图4）。静态开关切换速度快，可达到毫秒级别，可以轻松实现电源的切换。

图4 系统示意

7 结论及评价

7.1 结论

本文介绍了海上平台海水泵的现状，并计划在排海管线处安装水力涡流发电机，在保证海水泵的日常使用和满足应急消防功能的前提下，通过水力涡轮发电机可以最大程度地回收海水泵能量。方案中涉及到的改造和新增设备工作量都不大、工期较短，施工期间不会对平台正常运行产生影响。

7.2 安全效应

从安全效应的角度出发，此项改造项目也大有裨益。改造后的照明系统在平台完全失电的情况下还可以保证长时间的照明（照明时间由电池组容量决定），有利于现场作业人员及时恢复平台各项电力设备和生产设备，解决了以往平台失电后应急用照明灯只能依赖灯具自身电池供电的情况。

7.3 环境效应

按照24 h 全天候水力涡流发电机运行的最理想情况，回收的电能最低可达每天1200 kW·h。行业自发电折标煤系数取1.229（每万千瓦时），经计算可知全年可节约的电量折算为天然气213 600 m3或77.83 t 标准煤，不仅可以带来可观的经济收益，同时还具有节能减排的良好示范效应。