论文部分内容阅读
摘 要：相比于普通海域作业，在极地寒冷区域作业对海洋工程装备提出了更高的要求。本文简要介绍了我司承接的某半潜式钻井平台为满足在极地寒冷区域作业要求而进行改装设计。其主要改装内容包括：提升平台吊机的吊运能力;扩容生活区;更换发电机组;增加防寒功能;达到零排放要求等。确保平台在极地寒冷区域能够正常作业，满足相关规定。
关键词：半潜式钻井平台;极地作业;改装设计
中图分类号：TE5 文献标识码：A
Abstract： Compared with the ordinary sea area operation， the operation in the polar cold area puts forward higher requirements for marine engineering equipment. This paper introduces the modification design of a semi-submersible drilling unit in order to meet the operational requirements of polar cold areas. The main contents of the modification include increasing the lifting capacity of the platform crane， expanding and transforming living area， replacing the generator set， increasing the cold protection function， meeting the zero emission requirements， so as to ensure the normal operation of the platform in the polar cold area and meet the relevant regulations.
Key words： Semi-submersible drilling unit; Polar operation; Modification design
1 前言
该平台将在俄罗斯北极海域作业，根据作业区域及非作业窗口期避寒区域的气候条件和特点，平台现有防寒保温措施不能满足要求，且平台现电网负荷不允许通过增加暖风机达到寒带作业供暖需求。经过综合评估，将平台原有的三台发电机组更换为功率更大的发电机组，并增设两台锅炉，采用电伴热或蒸汽加热器的方式对管线、设备设施、工作区域等进行加热保温。
2 平台概况
该半潜式钻井平台于上世纪九十年代进行了4600ft深水改造，现船东于2012年从美国钻井承包商TRANSOCEAN购置，入美国船级社（ABS）和中国船级社（CCS）双船籍。平台由两个浮箱、六个立柱、上部结构和钻台组成：上部结构的前部为两层生活区，中部、后部为工作区;直升飞机平台位于平台首部生活楼的顶部，可以起降12 t的直升机;平台最大作业水深1 402 m、最大钻井深度7 620 m;采用锚泊定位方式。该平台属于第三代深水半潜式钻井平台，主要用于南海500～800 m水深海域的油气勘探、开发等作业。
3 项目改装工程内容
3.1 更换左、右舷吊机
平台原有左、右舷吊机均已经使用达20年，吊运能力不能满足使用要求，并且设备的故障率较高，影响到平台物资吊运和打井作业。按船东要求：将左、右舷吊机更换为吊运负荷50 t的吊机;吊机休息臂的位置按新吊机的要求调整;对吊机座结构和吊机休息臂结构重新设计，结构强度需满足现行规范要求。
吊机更换方案的重点是：保证吊机能达到设计要求进行吊运作业，并且吊机座结构和船体结构强度能满足吊机最大吊运负荷要求。
吊机更换方案的设计难点：（1）新加结构需考虑与原结构的连接，原结构保留界限影响到多个方面;（2）因部分电缆不能移动，原结构保留界限受限，增加结构设计难度，同时也增加施工难度;（3）吊机休息臂位置受到其它设备限制，增加了布置位置和结构设计的难度。
3.2 扩容生活区
全船定员由原来的120人增加到150人。为增加铺位，一楼生活区需重新布置，并增加生活集装箱;同时，原污水处理装置也不能满足要求，需将原污水处理装置拆除，在原位置安装能满足定员150人的新污水处理装置。
（1）生活区及配电间的中央空调通风系统改装
平台原有的空调通风系统设备已经使用达20年以上，尤其因压缩机露天放置使设备陈旧老化，制冷效果降低;并且空调处理器设置于生活区内，不但产生噪音干扰，而且挤占了生活区空间，妨碍了平台升级改造后增加乘员人数的要求;另外，原生活区中央空调通风系统没有冬天采暖功能，不能满足寒冷海域作业的防寒保暖要求。
新中央空调系统改装设计重点： 既要满足生活区及配电间的夏天供冷降温及生活区的冬天供暖防寒的要求，又要确保空调设备的安装位置有足夠的安装空间，并确保从柴油机高温冷却水采热供暖后不会影响柴油机的正常使用。
新中央空调系统改装设计难点：① 新空调器安装位置的空间受限，不利于新空调器冷凝水的排放，且进风口与外围舱壁的回风管连接困难;② 利用柴油机高温冷却水对生活区供暖;③ 风管的布置及安装相当困难。 经过与船方交流和现场勘验，确定生活区及配电间的新中央空调通风系统的改装方案如下：
① 为减小空调对生活区空间的影响，将原风冷式空调机组整体拆除，更换为水冷式空调机组。
中央空调系统设备配置：由三台水冷式压缩机组（二用一备）制冷，间接冷却冷媒水，然后由二台冷媒水泵（一用一备）送至服务于生活区的二台空调处理器和服务于配电间二台空调处理器（一用一备），以实现对平台生活区和配电间进行夏天输送冷风降温。三台水冷式压缩机组及2条冷媒水泵安装于生活区外的左舷1#立柱下一层内，将该区域原来的货架拆除，并对甲板面结构进行加强;
② 在机舱内增加一台热水供给泵，将柴油机高温冷却水的一部分泵至服务于生活区的二台空调处理器内的加热盘管，以实现对平台生活区进行冬天采暖送风。
（2） 生活区黑灰水管线改装
平台生活区之前的设计是两个房间共同使用一个卫生间。为了改善船员生活条件，改装后每个房间都设置了独立的卫生单元，黑灰水系统也进行了重新设计：将医务室的黑灰水直接接入黑水总管，以便将可能带有病菌的水直接进入生活污水处理装置处理;将原来的1#盐水舱改为污水收集舱，用来收集经过生活污水处理装置处理后的污水，并利用原盐水泵将污水定期泵入驳船带到陆地上处理，减少了对海洋环境的影响;对平台灰水排放设置了两个可选出口，可在零排放控制区域进入污水处理装置，最终带到陆地处理，也可在非零排放控制区域直排。
3.3 更换发电机组
发电机组是平台最核心的设备之一，为平台所有动力设备提供电源，其工作性能的好坏直接影响到平台的正常作业。为适应新的作业任务，将平台原有三台柴油发电机组（EMD MD16E8，MCR：1 400 kW、900 r/min），更换为Wartsila 8L26，MCR：2 600 kW、900 r/min。按照二用一备设计。
（1）原发电机组为EMD柴油机，机组重量每台33.4 t;新发电机组为瓦锡兰柴油机，机组重量每台45 t。柴油发电机组基座按新发电机组重新设计，船体结构强度按需要进行加强并计算强度（见图1）;
（2）发电机组的正常工作离不开辅助系统的支持，所有辅助系统均需重新设计。主要包括：燃油系统、滑油系统、冷却系统、排气系统、启动空气系统;
（3）由于将风冷的发电机组更换为水冷，并在机舱内增加一些设备，所以机舱通风系统需要重新设计。但为了降低建造成本，在不更换原来三台抽风机、三台发电机组同时运行（平台发电机组是两用一备的配置，但船方考虑到未来可能会进行其它改造增加电力负荷，再增设一台发电机组）的基础上进行通风计算。根据计算结果确认机舱通风系统改装方案，将原来3台92 140 m3/h送风机更换为3台75 000 m3/h送风机，原来三台抽风机不变。
3.4 改善防寒功能
冰区恶劣的作业环境，不仅对平台本身是巨大的考验，同时对作业人员也面临着寒冷的威胁。因此平台在原有基础上增加供暖系统，新装了2台锅炉、26台蒸汽暖风机、1台送风机进风口蒸汽空气换热器等加热设备，对钻台、散装舱、泥浆泵房、应急发电机房等20多个舱室进行加热。
另外，平台作业海域环境最低环境温度为-10℃，因此需要对介质淡水、海水、泥浆和空气等室外的管线进行加热，防止结冰堵塞。所涉及的系统包括：主海水系统、海水冷却系统、消防水系统、低压泥浆系统、高压泥浆系统、服务空气系统、钻井水系统、钻井冷却水系统、饮用水系统、黑水及灰水系统、甲板污水收集系统，以及钻井阻流、钻台阻流、压井、立管、固井相关管系等;另外，对计量罐、BOP张力器高压气瓶、钻台液压泵房两个液压油柜、吊车液压油柜也安装了伴热带。
系统采用电伴热带防寒，温度维持在50℃左右。根据区域情况，将伴热带用耐高温玻璃纤维带固定到管路上，测试之后安装保温层，然后在最外层用不锈钢薄板包扎固定;另外，两个淡水舱增设了循环加热系统，包括一台循环泵及一个电加热器，并设置了温度开关以实现自动控制。
3.5 实现零排放
为了减少平台作业期间对环境的污染，满足船旗国及国际海事组织防污染公约要求，需要对生活污水处理系统和舱底水系统进行改造，以达到零排放的目的。系统改造包括的主要设备有：2台舱底水驳运泵、舱底水收集柜、污油收集柜、油水分离柜集柜、油水分离器、污油水驳运泵等。
平台在运营过程中，甲板面或部分舱室地面难免产生油污，所以在整个甲板区域增设了很多地漏，确保无死角的将各层甲板的含油雨水等顺利流入油水分离柜;舱底水经舱底水驳运泵进入舱底水收集柜或直接进入油水分离柜，含油污水在油水分离柜内进行重力分离，上层油污通过溢流管进入污油收集柜内，再由污油泵定期排放至驳船带到陆地上做进一步处理。在零排放控制区域，下部含油量较少的舱底水也通过污油泵定期排放到驳船;在非零排放控制区域，含油量较少的污水也可通过污水处理装置处理后直接排入大海。
污油柜的污油水经污油水驳运泵泵入油水分离器处理，分出的水进入污水收集柜。污水收集柜及舱底水收集柜内的液体需定期排放至驳船带到陆地上做进一步处理。通过零排放系统，平台所有的废水都未排放到海洋，既实现了对海洋资源的有效利用和开发，又保护了海洋环境，实现可持续发展。
4 结束语
此次半潜式钻井平台极地寒冷区域作业改装工程的顺利完工，不仅增强了平台的作业能力，使其在国际能源市场占有一席之地，而且取得了中国船级社以来第一个冰区作业证书。同时也是我司改造的第二座进入俄罗斯远东钻井服务市场的钻井平台，为贯彻国家“一带一路”政策、建设海上丝绸之路，以及开拓国际市场迈出了坚实的一步。
参考文献
[1]杨艳，苑毅. 北海半潜式钻井平台轮机管路设计[J]. 船舶工程， 2015 （S2）：123-125.
[2]杨文猛. 冰区航行船舶輪机设计的要求探析[J]. 现代制造技术与装备， 2016（4） ：144-146.
[3] 何吉飞. 半潜式钻井平台电伴热系统的设计与应用[J]. 船舶标准化工 程师， 2018，51 （5） ：27-29，46.
关键词：半潜式钻井平台;极地作业;改装设计
中图分类号：TE5 文献标识码：A
Abstract： Compared with the ordinary sea area operation， the operation in the polar cold area puts forward higher requirements for marine engineering equipment. This paper introduces the modification design of a semi-submersible drilling unit in order to meet the operational requirements of polar cold areas. The main contents of the modification include increasing the lifting capacity of the platform crane， expanding and transforming living area， replacing the generator set， increasing the cold protection function， meeting the zero emission requirements， so as to ensure the normal operation of the platform in the polar cold area and meet the relevant regulations.
Key words： Semi-submersible drilling unit; Polar operation; Modification design
1 前言
该平台将在俄罗斯北极海域作业，根据作业区域及非作业窗口期避寒区域的气候条件和特点，平台现有防寒保温措施不能满足要求，且平台现电网负荷不允许通过增加暖风机达到寒带作业供暖需求。经过综合评估，将平台原有的三台发电机组更换为功率更大的发电机组，并增设两台锅炉，采用电伴热或蒸汽加热器的方式对管线、设备设施、工作区域等进行加热保温。
2 平台概况
该半潜式钻井平台于上世纪九十年代进行了4600ft深水改造，现船东于2012年从美国钻井承包商TRANSOCEAN购置，入美国船级社（ABS）和中国船级社（CCS）双船籍。平台由两个浮箱、六个立柱、上部结构和钻台组成：上部结构的前部为两层生活区，中部、后部为工作区;直升飞机平台位于平台首部生活楼的顶部，可以起降12 t的直升机;平台最大作业水深1 402 m、最大钻井深度7 620 m;采用锚泊定位方式。该平台属于第三代深水半潜式钻井平台，主要用于南海500～800 m水深海域的油气勘探、开发等作业。
3 项目改装工程内容
3.1 更换左、右舷吊机
平台原有左、右舷吊机均已经使用达20年，吊运能力不能满足使用要求，并且设备的故障率较高，影响到平台物资吊运和打井作业。按船东要求：将左、右舷吊机更换为吊运负荷50 t的吊机;吊机休息臂的位置按新吊机的要求调整;对吊机座结构和吊机休息臂结构重新设计，结构强度需满足现行规范要求。
吊机更换方案的重点是：保证吊机能达到设计要求进行吊运作业，并且吊机座结构和船体结构强度能满足吊机最大吊运负荷要求。
吊机更换方案的设计难点：（1）新加结构需考虑与原结构的连接，原结构保留界限影响到多个方面;（2）因部分电缆不能移动，原结构保留界限受限，增加结构设计难度，同时也增加施工难度;（3）吊机休息臂位置受到其它设备限制，增加了布置位置和结构设计的难度。
3.2 扩容生活区
全船定员由原来的120人增加到150人。为增加铺位，一楼生活区需重新布置，并增加生活集装箱;同时，原污水处理装置也不能满足要求，需将原污水处理装置拆除，在原位置安装能满足定员150人的新污水处理装置。
（1）生活区及配电间的中央空调通风系统改装
平台原有的空调通风系统设备已经使用达20年以上，尤其因压缩机露天放置使设备陈旧老化，制冷效果降低;并且空调处理器设置于生活区内，不但产生噪音干扰，而且挤占了生活区空间，妨碍了平台升级改造后增加乘员人数的要求;另外，原生活区中央空调通风系统没有冬天采暖功能，不能满足寒冷海域作业的防寒保暖要求。
新中央空调系统改装设计重点： 既要满足生活区及配电间的夏天供冷降温及生活区的冬天供暖防寒的要求，又要确保空调设备的安装位置有足夠的安装空间，并确保从柴油机高温冷却水采热供暖后不会影响柴油机的正常使用。
新中央空调系统改装设计难点：① 新空调器安装位置的空间受限，不利于新空调器冷凝水的排放，且进风口与外围舱壁的回风管连接困难;② 利用柴油机高温冷却水对生活区供暖;③ 风管的布置及安装相当困难。 经过与船方交流和现场勘验，确定生活区及配电间的新中央空调通风系统的改装方案如下：
① 为减小空调对生活区空间的影响，将原风冷式空调机组整体拆除，更换为水冷式空调机组。
中央空调系统设备配置：由三台水冷式压缩机组（二用一备）制冷，间接冷却冷媒水，然后由二台冷媒水泵（一用一备）送至服务于生活区的二台空调处理器和服务于配电间二台空调处理器（一用一备），以实现对平台生活区和配电间进行夏天输送冷风降温。三台水冷式压缩机组及2条冷媒水泵安装于生活区外的左舷1#立柱下一层内，将该区域原来的货架拆除，并对甲板面结构进行加强;
② 在机舱内增加一台热水供给泵，将柴油机高温冷却水的一部分泵至服务于生活区的二台空调处理器内的加热盘管，以实现对平台生活区进行冬天采暖送风。
（2） 生活区黑灰水管线改装
平台生活区之前的设计是两个房间共同使用一个卫生间。为了改善船员生活条件，改装后每个房间都设置了独立的卫生单元，黑灰水系统也进行了重新设计：将医务室的黑灰水直接接入黑水总管，以便将可能带有病菌的水直接进入生活污水处理装置处理;将原来的1#盐水舱改为污水收集舱，用来收集经过生活污水处理装置处理后的污水，并利用原盐水泵将污水定期泵入驳船带到陆地上处理，减少了对海洋环境的影响;对平台灰水排放设置了两个可选出口，可在零排放控制区域进入污水处理装置，最终带到陆地处理，也可在非零排放控制区域直排。
3.3 更换发电机组
发电机组是平台最核心的设备之一，为平台所有动力设备提供电源，其工作性能的好坏直接影响到平台的正常作业。为适应新的作业任务，将平台原有三台柴油发电机组（EMD MD16E8，MCR：1 400 kW、900 r/min），更换为Wartsila 8L26，MCR：2 600 kW、900 r/min。按照二用一备设计。
（1）原发电机组为EMD柴油机，机组重量每台33.4 t;新发电机组为瓦锡兰柴油机，机组重量每台45 t。柴油发电机组基座按新发电机组重新设计，船体结构强度按需要进行加强并计算强度（见图1）;
（2）发电机组的正常工作离不开辅助系统的支持，所有辅助系统均需重新设计。主要包括：燃油系统、滑油系统、冷却系统、排气系统、启动空气系统;
（3）由于将风冷的发电机组更换为水冷，并在机舱内增加一些设备，所以机舱通风系统需要重新设计。但为了降低建造成本，在不更换原来三台抽风机、三台发电机组同时运行（平台发电机组是两用一备的配置，但船方考虑到未来可能会进行其它改造增加电力负荷，再增设一台发电机组）的基础上进行通风计算。根据计算结果确认机舱通风系统改装方案，将原来3台92 140 m3/h送风机更换为3台75 000 m3/h送风机，原来三台抽风机不变。
3.4 改善防寒功能
冰区恶劣的作业环境，不仅对平台本身是巨大的考验，同时对作业人员也面临着寒冷的威胁。因此平台在原有基础上增加供暖系统，新装了2台锅炉、26台蒸汽暖风机、1台送风机进风口蒸汽空气换热器等加热设备，对钻台、散装舱、泥浆泵房、应急发电机房等20多个舱室进行加热。
另外，平台作业海域环境最低环境温度为-10℃，因此需要对介质淡水、海水、泥浆和空气等室外的管线进行加热，防止结冰堵塞。所涉及的系统包括：主海水系统、海水冷却系统、消防水系统、低压泥浆系统、高压泥浆系统、服务空气系统、钻井水系统、钻井冷却水系统、饮用水系统、黑水及灰水系统、甲板污水收集系统，以及钻井阻流、钻台阻流、压井、立管、固井相关管系等;另外，对计量罐、BOP张力器高压气瓶、钻台液压泵房两个液压油柜、吊车液压油柜也安装了伴热带。
系统采用电伴热带防寒，温度维持在50℃左右。根据区域情况，将伴热带用耐高温玻璃纤维带固定到管路上，测试之后安装保温层，然后在最外层用不锈钢薄板包扎固定;另外，两个淡水舱增设了循环加热系统，包括一台循环泵及一个电加热器，并设置了温度开关以实现自动控制。
3.5 实现零排放
为了减少平台作业期间对环境的污染，满足船旗国及国际海事组织防污染公约要求，需要对生活污水处理系统和舱底水系统进行改造，以达到零排放的目的。系统改造包括的主要设备有：2台舱底水驳运泵、舱底水收集柜、污油收集柜、油水分离柜集柜、油水分离器、污油水驳运泵等。
平台在运营过程中，甲板面或部分舱室地面难免产生油污，所以在整个甲板区域增设了很多地漏，确保无死角的将各层甲板的含油雨水等顺利流入油水分离柜;舱底水经舱底水驳运泵进入舱底水收集柜或直接进入油水分离柜，含油污水在油水分离柜内进行重力分离，上层油污通过溢流管进入污油收集柜内，再由污油泵定期排放至驳船带到陆地上做进一步处理。在零排放控制区域，下部含油量较少的舱底水也通过污油泵定期排放到驳船;在非零排放控制区域，含油量较少的污水也可通过污水处理装置处理后直接排入大海。
污油柜的污油水经污油水驳运泵泵入油水分离器处理，分出的水进入污水收集柜。污水收集柜及舱底水收集柜内的液体需定期排放至驳船带到陆地上做进一步处理。通过零排放系统，平台所有的废水都未排放到海洋，既实现了对海洋资源的有效利用和开发，又保护了海洋环境，实现可持续发展。
4 结束语
此次半潜式钻井平台极地寒冷区域作业改装工程的顺利完工，不仅增强了平台的作业能力，使其在国际能源市场占有一席之地，而且取得了中国船级社以来第一个冰区作业证书。同时也是我司改造的第二座进入俄罗斯远东钻井服务市场的钻井平台，为贯彻国家“一带一路”政策、建设海上丝绸之路，以及开拓国际市场迈出了坚实的一步。
参考文献
[1]杨艳，苑毅. 北海半潜式钻井平台轮机管路设计[J]. 船舶工程， 2015 （S2）：123-125.
[2]杨文猛. 冰区航行船舶輪机设计的要求探析[J]. 现代制造技术与装备， 2016（4） ：144-146.
[3] 何吉飞. 半潜式钻井平台电伴热系统的设计与应用[J]. 船舶标准化工 程师， 2018，51 （5） ：27-29，46.