海上风电安装平台建设项目轮机系统防冻设计

海上风电安装平台建设项目轮机系统防冻设计

1刘存林 2高武双3王博远  4王松5 殷维

1/2/3中船风电工程技术（天津）有限公司   4/5中船船舶设计研究中心有限公司

摘要：海上风电安装平台轮机系统防冻设计，通过对水舱及管路防冻设计、露天区域管路防冻设计及配套设备的耐低温性等来实现平台整体的防冻设计，确保风电安装平台能够适应在低温区域移航及工作，保证平台、人员在寒冷恶劣环境条件下的安全运行，提高工作效率，促进现场施工作业计划能够如期实现。

关键词：风电安装平台、低温区域移航、风电场建设、防冻措施、防冻设计

引言：

随着我国海上风电的快速发展，为了满足海上风电的安装要求，近年来我国设计建造了多艘海上风电安装平台。其中，中船海工101#海上风电安装平台是为中船风电工程技术（天津）有限公司设计，主要用于中国沿海及近海的风电场建设，重点围绕长江以北风电规划海域。由于长江以北的渤海及黄海北部冬季天气寒冷，平均气温在-10℃左右，海面时常发生冰冻，而平台需要在这一区域长期运营，因此设计时应多方面考虑保证平台的正常运营的防冻措施。

中船海工101#海上风电安装平台为一型非自航、自升式平台，可搭载3套7MW海上风机机组部件，或4套5MW海上风机机组部件，或1套海上风机机组部件、基础构件及打桩设备进入作业海域进行施工作业，配置DP-1动力定位系统、4点锚泊就位系统。该平台入级符号如下：

★CSA, Self-elevating, Offshore wind turbine Service Unit, Lifting Appliance, Ice Class B, DP-1, Thruster.

平台主要参数：

表 1: 平台主要参数

1 船级社对低温环境下轮机系统防冻要求

101#风电平台具有“Ice Class B”入级符号，旨在确保平台能够适应在低温区域移航及工作，保证平台、人员在寒冷恶劣环境条件下的安全。

根据中国船级社《海上移动平台入级规范2016》关于对航行于冰区并取得相应附加标志的平台，其推进装置和辅助设备应满足CCS《钢质海船入级规范》第3篇第14章的规定。针对本平台的入级符号“Ice Class B”要求，其轮机装置应满足两方面要求：

1）应能在环境温度低于0℃的情况下安全和正常运行，并应特别考虑低温下液压系统的功能，水管、水箱和水舱的防冻措施，以及应急柴油机低温起动性能等；

2）还应确保冰区航行时冷却海水的供应，至少有1个海水箱的布置应能防止浮冰堵塞海水吸入格栅和海水管吸入口。

2水舱及管路防冻设计

2.1海水吸入的防冻设计

平台在冰区移航时很容易导致冷却海水吸入口堵塞，从而导致主发电机组缺乏冷却水而导致事故的发生。这些事故可能导致整个平台失电、动力失效，甚至导致平台发生碰撞或搁浅等严重事故。因此必须对海水箱提供一些除冰措施，同时规范也要求确保冰区作业及航行，应确保冷却海水的供应，至少有1个海水箱能防止浮冰堵塞海水吸入格栅和海水管吸入口。为此该平台将NO.1海水箱内的海水吸入管向下做了延伸（见图1 NO.1海水箱布置图），这样海水箱上部有足够的空间可以容许冰块的存在，从而使海冰位于海水吸入口的上部，避免进入海水箱的浮冰被海水管直接吸入海水系统。此外，在海水箱的顶部设有一路冷却海水回水管，部分来自中央冷却海水系统经加热的海水通过三通阀回流到NO.1海水箱，用来增加海水箱内的海水温度并融化箱内的海冰。

图 1：No.1海水箱布置图

2.2压载水舱、淡水舱等防冻设计

当平台在低温环境下长期运行时，暴露在空气中的水舱将会结冰，由于冰的体积大于水的体积，因此结冰过程中将会造成平台主结构受损；如果水舱表层结冰封死，再进行注排水操作时，将会造成水舱超压，从而造成船体结构损坏；另外，悬挂在舱内的冰下落时也将带来内部结构及附件损坏。

目前，水舱防冻主要常用方法如下：

1）通过蒸汽、热水等液体或电加热带来进行加热，特点是能耗大，初投资及运营费用高；

2）采用压缩空气吹泡、扰动，特点是能耗低、操作管理方便；

3）采用压载泵双向吸排回路、动态水流融冰，特点是需要考虑泵类同时运行的排量保证性；

4）利用海水从中央冷却器排出的冷却水余热循环融冰，特点是操作、维护频繁；

5）在水舱内采用喷射蒸汽等措施，使舱柜内部的液体不发生冻结，特点是需要消耗大量淡水和蒸汽，一般用于较小的水舱。

根据101#海上风电安装平台的运营特点，需要对平台上的水舱采取防冻措施。因本平台具有两种常用工况，即移航工况、升起作业工况，因此需要针对不同工况进行综合分析。

经查阅相关资料，淡水的结冰温度在0℃以下；海水因含有大量盐成分，所以结冰温度在-3℃以下，而海面以下海水温度为-2~2℃。因在漂浮状态下位于水线以下的压载水舱可与海水进行换热，从而不会发生结冰，而本平台的双层底内的压载均位于水线以下，且平台升起后，双层底内的压载水舱均无压载水，因此，双层底内的压载水舱不设置防冻设施。

对于边压载水舱的防冻，应采取多种防冻措施结合的方法。由于平台升起后，边压载水舱三面暴露在低温环境中，压载水舱底部没有热源。如果仅采用压缩空气吹泡，只能对舱内的海水产生扰动循环，没有足够的热量来保证舱内水不冻；而如果仅采用强制加热，需要消耗大量的热量且增加投资和运营成本。经总体专业计算分析，当平台升起作业期间，通过调整NO.1压载水舱(左、右)、NO.5压载水舱(左)、NO.8压载水舱(左)及NO.11压载水舱(左、右)的压载水（其他压载水舱均排空）能够满足作业的需求。因此为了解决平台升起状态压载水舱的防冻，采用加热盘管对这几个舱进行加热，并将压载水温度设定为2 ℃。（见图2加热系统图）

图 2：加热系统图

平台的其他边压载水舱为了浮态调整的需要都可能会装载压载水，此时可利用水线下和水线上的温度差，循环压载水舱内的海水来达到预防冻的目的。而实现压载水舱内海水的循环除了通过泵外，还有一种方法是在压载水舱底部通过压缩空气吹泡，利用压缩空气的气流能量和气泡上浮的能量带动压载水舱内的水循环流动，使底部较高温度的压载水向上循环避免水面暴露在低温空气中的水结冰（见图3吹泡防结冰原理图）。压缩空气吹泡防冻方法被广泛的应用于一般冰区船，而且相对于用泵循环压载水具有能耗低，易于操作管理等优点，因此本平台对没有设置加热盘管的边压载水舱设置了压缩空气吹泡防冻系统。吹泡系统的使用必须考虑到压载水舱内的压力决不能高于舱的设计压力，因此将平台上的杂用压缩空气经减压阀减压后将气体压力降至0.09MPa（压载水舱深7m），在压载水舱底部靠近舷侧处设置吹泡管，吹泡管每隔1m钻一个ø3mm的吹泡孔，利用伯努利方程初步估算一个ø3mm的吹泡孔可产生约95W的能量来带动舱内的水循环流动，相当于一台5m3/h@5m的水泵消耗的功率。平台的吹泡防冻系统见图4吹泡防冻系统图。

图 3：吹泡防结冰原理图

图 4：吹泡防冻系统图

平台上淡水舱内的淡水供给平台上人员生活和设备使用，由于机舱内空压机排出的气体有油气污染，因此对淡水舱切不可使用。本平台在淡水舱内设置了加热盘管对淡水进行加热，并保温在4℃左右，从而避免淡水舱的水结冰。

2.3露天区域管路防冻设计

本平台也考虑了甲板管系的防冻设计，以避免因天气温度低导致管内的水结冰而导致管路结冰损坏。

露天区域布置的消防、淡水、海水管路等，在设计时尽量避免布置在露天区域，如果不可避免则在管路的最低点和下凹处设置泄放阀，当不用时将管路内的水排空，从而避免管路结冰问题的发生。

考虑到本平台会在冬季进行升降作业，因此平台的升降液压系统的设计在采购时与供应商共同探讨，认为-20℃的环境温度不是特别低，对于液压管路不需要采用电伴热，可通过选用L-HV46低温耐磨液压油，工作环境温度范围为-20℃~50℃，覆盖平台的设计环境温度。

2.4其他防冻设计

1）推进系统：本平台配备4台电机驱动1400kw全回转推进器，用于风场内移航操作。但由于本平台为非自航平台，而且CCS《钢质海船入级规范》对Ice Class B符号的推进系统并没有特殊要求，所以本系统结合实际操作不做过多考虑。但为了保证在推进室内的设备可靠运行，在每个推进器室内设置一台5kw的电加热器，保证舱室内温度在0℃以上。

2）应急发电机组：本平台的应急发电机组是在平台失电应急状况下保证平台应急电源供给的重要设备，因此要求其具有在短时间内可靠启动的能力，并保证柴油机在长期不使用的情况下，始终处于备用状态。经过与设备供应商探讨并参照以往冰区船设计，首先，要求应急发电机组的冷却液采用乙二醇配制的冷却液，保证在环境温度-20℃不冻结；其次，机组的冷却系统配置加热器，保持机组在热车状态；最后，在应急发电机室内配置一台10KW的电加热器，用于保持应急发电机室温度在0℃以上。

3）机泵舱：机泵舱是保证平台可靠运行的重要机械处所，其处所内配有多种设备及为其服务的相关辅助系统，为保证这些设备可靠运行，在机舱内配置一台1400kw热水锅炉，为平台提供加热热源。为了避免机舱内设备和系统由于低温环境对其造成不利的影响，在机舱与露天甲板的舱壁处布置保温绝缘，并在机舱内配置10台25kw热水加热器，保持机舱在5℃以上。对于主发电机组的供风设计，安照供应商要求，冬季时，冷空气不直接吹向主机，因此在吹向主机的供风口处设置百叶控制风向。

4）二氧化碳室：二氧化碳瓶储存室布置在主甲板上，三面暴露在低温环境中，而二氧化碳储存瓶在低于0℃环境系统释放量将大大降低。因此为了保证二氧化碳灭火系统在任何状态下均具有可靠的灭火性能，在二氧化碳储存室布置保温绝缘，并配置5.5kw电加热器，维持舱内温度为5℃，保证二氧化碳的低温释放性能。

5）升降系统：本平台的升降系统液压单元，专门安装了油温预热装置，保证升降系统在-20℃以上能够自主可控运行。

结语：

在本平台的设计过程中，根据船级社要求，结合平台的运营特点，从系统设计、设备选型、管路布置等方面出发，针对低温环境下的影响进行了充分考虑、多方论证，

采取了经济实用、安全可靠的防冻措施，完成了轮机系统防冻设计。

参考文献：

1中国船级社.钢质海船入级规范，2018.

2中国船级社.极地船舶指南.

3 国防工业出版社.船舶设计实用手册（第3版）.

4 Ho-keun Kang.Numerical investigation on freezing in ballast water tank of vessels operation in cold climate condition. KOREA.

5 李晚霞等.船级社对寒冷地区航行船舶的轮机设计要求.江苏造船.第2期.2016.

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