浮式平台多用途供水系统设计.pdf

中 国 修 船2024年4月技术交流浮式平台多用途供水系统设计吉庆林，张永发（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）摘要：文章分析了常规水泵系统设计方案的优缺点及适应性，针对在特殊型式的浮式平台中常规方案无法满足设计要求的问题，提出了使用长轴泵系统及自吸泵系统的解决方案，给出相应的系统计算方法和设计要点，包括系统控制逻辑、管系设计、阀门类型、泵吸入性能计算、防汽蚀措施及设备布置方案等，为各类浮式平台及船舶的供水系统设计提供了参考。关键词：浮式平台；供水工艺；自吸泵；长轴泵中图分类号：U672文献标志码：Adoi：10.13352/j.issn.1001-8328.2024.02.004Abstract：This paper analyzes the advantages，disadvantages and adaptability of the design scheme of conventional water pump systems.It proposes the solution using a long shaft pump system and self-priming pump system incircumstances where conventional schemes cannot meet the design requirements of special floating platforms.Thissolution provides corresponding system calculation methods and design points，including system control logic，pipeline design，valve type，pump suction performance calculation,anti-cavitation measures，and equipment layoutplan，providing a reference for the design of water pump systems of various floating platforms.Key words：floating platform；water supply system；self-priming pump；long shaft pump作者简介：吉庆林（1985-），男，湖南常德人，工程师，硕士，主要从事海上设施机械专业设计工作。生活用水及生产用水等淡水供应系统是海上浮式平台的重要辅助系统，常规的设计方案是在机舱内设置淡水储存舱，泵及管线布置在机舱内，通过压力或重力将淡水输送至各用户。系统的设计受水舱布置的制约，水舱的布置需兼顾机舱及管系布置的协调性，及对稳性和纵横倾的影响，同时还要考虑建造及维护成本。随着各类新型浮式平台的出现，平台的总体布置方案随着平台功能的多样化不断更新，例如：浮式风电平台、养殖平台、圆筒形FPSO等，常规淡水系统设计方案存在一定的局限性，无法兼顾经济性和安全性。1常规淡水供应系统分析常规浮式平台上淡水供应系统有 2类1-2：重力供水系统及压力供水系统。重力供水系统工作流程示意图如图1所示，该系统在高于所有用户的甲板上设置重力水柜，在重力作用下，水从重力水柜经管系流至各用户。图1重力供水系统工作流程示意图补水泵淡水舱主甲板去用水处重力水柜LT液位传感器12第37卷第2期技术交流系统设有补水泵，重力水柜设置高低液位传感器，根据柜内液位的高低自动控制补水泵的启停。该系统的特点是供水管路简单、用水处的压力稳定、系统的振动和噪声小。但由于重力水柜处于高位，受总体布置及船舶稳性的影响，其尺寸受限，因此主要用于小型浮式平台。压力供水系统工作流程示意图如图2所示，压力式供水采用密闭的压力水柜3，借助压缩空气将水压送至各用户。压力水柜设有压力传感器，根据罐内压力的高低控制补水泵的启停，高低压的差值一般控制在 0.100.25 MPa。由于这种压力柜的布置不受高度的限制，因此适用于各类浮式平台。上述 2种系统的补水泵/输送泵需安装在与淡水舱底部平齐的甲板或低于淡水舱底部位置的甲板上，以满足汽蚀余量的要求。对于生活淡水系统及生产淡水系统，可以共用淡水舱。对于设有需要淡水保压的湿式消防系统的浮式平台，消防供水系统的设计思路有：设置独立的消防水舱，增加船体结构设计及建造费用；将消防水舱与生活水及生产水的淡水舱合并，需采取措施确保水舱中始终留有足量的消防用水。另外，对于一些特殊设计的浮式平台，受船体主尺度和船舶稳性的影响，不在主甲板下设置机舱及检修通道，这种情况下，上述的供水系统设计方案中的补水泵就存在无法布置的问题。2新型多用途供水系统2.1长轴泵方案长轴泵供水流程示意图如图3所示，淡水舱兼做生产用水、生活用水及消防用水的储存舱，补水泵采用长轴泵，泵头安装于淡水舱内。由于淡水舱兼做消防水舱，因此需要设置2个淡水舱，一用一备。淡水舱上设有液位传感器，设定点取决于消防水的安全储量。当一个舱内液位低到消防水安全储量液位的110%时，液位传感器发出报警信号，操作人员关闭该淡水舱中的所有补水泵，启动另一个淡水舱中的水泵为平台供水，完成供水水源舱的切换。如果出现操作延误，淡水舱的液位低至消防水安图3长轴泵供水流程示意图主甲板淡水舱淡水舱生产水生活水低液位关泵信号消防水低液位关泵信号LTLT液位传感器液位传感器消防水泵生活水泵生产水泵生活水泵消防水泵泵电机泵电机泵电机泵电机泵电机泵电机吉庆林，等：浮式平台多用途供水系统设计补水泵淡水舱主甲板去用水处压缩空气压力水柜压力传感器图2压力供水系统工作流程示意图13中 国 修 船2024年4月技术交流图4自吸泵供水流程示意图主甲板消防水淡水舱安全水位D25通气孔淡水舱D25通气孔生产水生活水低液位关泵信号消防水泵生活水泵全储量液位时，系统自动关闭生活/生产水泵，保证消防水的安全储量。该方案的设计要点：每一类用户设置2台水泵、分别安装于2个淡水舱；长轴泵要具备一定的自吸能力，可以用于扫舱操作；长轴泵的总长根据舱深确定；泵体采用分段设计，每段的长度根据上部的吊装空间确定。该方案无需单独设置消防水舱，淡水舱可直接设置于主甲板下，且由于长轴泵的长度可满足各类浮式设施的要求，淡水舱的尺寸和舱容不受工艺及设备能力的制约。该方案的缺点是：泵体浸没在水舱中，无法直观地检查泵的状态，检修时操作难度较大；长轴泵制造精度、维护要求及成本较高；泵体结构复杂，存在润滑剂泄漏后污染淡水舱的风险。2.2自吸泵方案自吸泵供水流程示意图如图4所示，所有补水泵均采用自吸泵，并安装在淡水舱顶甲板的高度上。淡水舱兼做生产用水、生活用水及消防用水的储存舱，2个水舱一用一备。舱深受自吸泵的吸上高度的限制，一般控制在6 m左右4。当一个舱内液位低到消防水安全储量液位的110%时，操作人员将生活/生产水泵的吸入管线切换到另一个淡水舱。若未及时切换，淡水舱的液位低至消防水安全储量液位时，系统自动关闭生活和生产水泵，保证消防水的安全储量。生活/生产水泵共用舱内吸水管，吸水管的安全水位高度位置开有直径为25 mm的通气孔。在液位传感器自动控制功能失效的情况下，当舱内液位低到安全水位高度时，吸水管进气，生活/生产水泵无法继续抽水，物理功能上保证了消防水安全储量。吸水管线上设有单向阀，保证水泵在备用情况下，吸水管内充满水，缩短启泵的时间。同时，消防水泵的进口通过一根设有单向阀和球阀的管线与其它泵的进口连通，当消防水泵长时间不运行时，可以周期性地打开球阀，利用其它泵为消防水泵的吸水管引水。解决由于消防水泵长时间不运行，吸水管中的水通过单向阀泄漏的问题。另外，由于生活/生产水泵的吸口管开有透气孔，无法通过该管线完成扫舱作业。扫舱时可借用此连通管路，利用消防水泵的舱内吸口管线及生活/生产水泵完成扫舱工作，解决了只能利用消防水泵完成扫舱作业的安全隐患。LT液位传感器液位传感器生产水泵LT3自吸泵方案设计方法自吸泵方案的关键是合理设计泵的安装高度，并降低吸口管线的阻力，防止汽蚀的发生，保证泵的正常启动及平稳运行。实际工作中，利用允许汽蚀余量来判别离心泵是否发生汽蚀，其值越14第37卷第2期技术交流图5泵入口管径与水头损失关系曲线1501401301201101009080706050403020876543210水头损失/m生活水泵生产水泵消防水泵入口管径/mm吉庆林，等：浮式平台多用途供水系统设计大，越不容易发生汽蚀。允许汽蚀余量是离心泵入口处总压头与操作温度下介质饱和蒸气压的差值，即：ha=()P1g+v22g-Pvg-h，（1）式中，ha为允许汽蚀余量；P1为作用于吸水面上的绝对压力；Pv为操作温度下介质的饱和蒸气压；为介质密度；v为入口处流速；g为重力加速度；h为泵样本上规定的允许吸上高度。试验条件：大气压为101.3 kPa，水温为20，饱和蒸气压为2.35 kPa，密度为1 000 kg/m3。泵的允许安装高度h0应小于入口处的有效压头减去管道水头损失及允许汽蚀余量，即：h0P1-Pvg-Hf-ha，（2）式中，Hf为吸口管线的阻力。将式（1）代入式（2），得：h0 h-Hf-v22g。（3）吸口管线的水头损失按式（4）计算：Hf=v22g(dL+)，（4）式中，L为管段长度；d为管道内径；为管道摩擦阻力系数；为局部阻力系数总和。将式（4）代入式（3），得到h0为：h0 h-v22g(dL+1)。（5）在工程设计阶段，利用式（5）确定泵的最大允许安装高度，从而调整泵的安装位置及吸口管线的设计。在现场设备布置已经确定的前提下，利用式（5）计算泵的最小吸上高度、选择合适的管径。在某案例中，对某浮式平台的淡水供应系统进行设计及分析，确定合适的管径、泵的安装高度要求。泵入口管线相关参数如表1所示。对于给定流量的管线，通径及管壁粗糙度影响管内流态及水头损失。本案例中管道采用316SS材质管线，基于表1中的参数，利用式（4）计算不同入口管径对应的水头损失，得到泵入口管径与水头损失关系曲线如图5所示。由图5可以看出，吸入管径越大，水头损失越小，但随着管径的增大，水头损失的下降趋势明显降低。考虑到增大管径带来的额外工程成本，当水头损失下降到0.5 m左右时，便不再寻求更低的水头损失。因此，选定生活水泵入口管径为80 mm、生产水泵入口管径为110 mm、消防水泵入口管径为100 mm。基于上述计算结果，计算各泵的最小吸上高度，得到泵工艺参数计算结果如表2所示。4结束语针对不同型式的浮式平台，供水系统的设计应综合考虑设计建造费用、设备费用、操作检修费用等因素。长轴泵方案适用于各种舱深的工况，但成本较高，存在污染淡水舱的潜在风险；表1泵入口管线相关参数参数流量/（m3/h）直管道长度/m90弯头/个变径/个全通径球阀/个单向阀/个设备生活水泵10194221生产水泵40235221消防水泵25254211表2泵工艺参数计算结果参数流量/（m3/h）直管道长度/m管径/mm管线水头损失/m淡水舱深/m泵入口距离甲板高度/m泵最小吸上高度/m设备生活水泵1019800.4460.46.9生产水泵40231100.7360.57.3消防水泵25251000.5260.47.0（下转第19页）15第37卷第2期技术交流4结束语结合故障排除情况及振动测试数据，分析主因是摆式减振器相对摆块之间质量差超标与燃油系统问题，由于长时间运行导致主轴承轴瓦磨损严重，进而造成振动故障严重。柴油发电机组结构较为复杂，运动部件较多，排查振动故障相对较为困难。特别是频谱分析时，会产生很多故障不同而特征频率相同的现象，需要不断地总结每次不同故障对应的频谱特征，细化不同点。本次排查该柴油机本体出现振动故障特征频率为51 Hz，有效地解决了柴油发电机组振动过大的问题，根据后期使用情况验证，达到了彻底治理的效果。收稿日期：2023-08-23图7故障排除后柴油机靠近艉部测点轴向频谱图6543211 0000100200300400500600700800900频率/Hz振动速度/（mm/s）李鹏强：某船柴油发电机振动故障排查及修理表 4故障排除后各测点3个方向振动速度测点位置柴油机靠近艉部连接轴承部分上部发电机前部轴承上部振动方向水平方向11.62.73.2垂直方向10.34.88.1轴向5.85.36.0mm/s图5故障排除后柴油机靠近艉部测点水平方向频谱图9876543211 0000100200300400500600700800900频率/Hz振动速度/（mm/s）图6故障排除后柴油机靠近艉部测点垂直方向频谱图876543211 0000100200300400500600700800900频率/Hz振动速度/（mm/s）自吸泵方案成本较低，适用于舱深为6 m以下的工况。这2种方案无需设置主甲板下机舱，维护及检修工作在主甲板上即可完成，同时可保证生产水、生活水及消防水等多种用户共用水舱时的安全性。对于自吸泵方案，为了保证泵的吸入性能，可以采用以下措施5：将泵直接安装于淡水舱顶甲板上，降低泵入口高度；在管线长度不大的情况下，弯头等附件对管阻影响较大，需尽量减少管道上的弯头数量，或采用长半径弯头；采用低阻力系数的阀门，如全通径球阀等。参考文献1 黄平涛.船舶设计实用手册M.北京：国防工业出版社，2013：341-343.2 黄胜明.客船生活供水系统计算方法研究J.广船科技，2022(2)：1-5.3 刘书凯.基于PLC的船用恒压供水装置控制系统J.舰船科学技术，2021(16)：205-207.4 陈玉婷.浅谈自吸泵的分类及选用 J.广东化工，2017(18)：154-155，171.5 赵鹏举.自吸泵上水时间影响因素研究J.水泵技术，2022(1)：28-30.收稿日期：2023-05-05（上接第15页）19