海洋修井平臺熱源系統設計

徐增強

(1. 中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580;2. 勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院海洋工程裝備研究所，山東 東營 257017)

勝利作業六號平臺為自升式海洋修井平臺，鋼質非自航，可以完成海上單井或井組的洗井、壓井、沖沙、檢泵、分層等起下管柱修井作業[1]。自升式海洋修井平臺在移航中一般采用托航的方式[2]，因而平臺沒有蒸汽動力裝置及蒸汽渦輪發電機等主動力設備所組成的推進系統[3]。但是海洋平臺需要熱源系統來發揮以下作用： 液艙加熱、保溫，作業甲板油污吹掃，海底門融冰、吹掃，海水泵底部融冰，試油設備加熱以及雜用等。筆者結合工程實際，對自升式海洋平臺熱源系統進行了調研分析，完成了勝利作業六號平臺熱源系統的設計工作。

1 熱源系統選擇

海洋平臺所用熱源系統主要有蒸汽熱源系統、熱水加熱系統和熱媒油加熱系統3種[4]。表1反映了不同熱媒介質的參數比較情況。與蒸汽相比較，水的熱容量低，通常需要用泵來使大量水在系統中循環以滿足流程或空間加熱需求。蒸汽則可以方便、高效地輸送到用汽點，其所攜帶的熱量相當于同等質量水所能攜帶熱量的5～6倍，是可長距離傳遞熱量的載體之一。而且由于蒸汽的流動是依靠管道內的壓力降，因而不需要昂貴的循環泵系統。熱媒油，例如礦物油，可以應用在高溫(400 ℃ 以下)的情況下，而蒸汽在此時卻無法使用。但是熱媒油很昂貴，并且幾年就需要更換，其管道連接需用高質量的接頭并小心防范，以防止泄漏。相比之下，蒸汽產生、分配、冷凝水回收、管道安裝等投資少，運行費用低。另外，由于飽和蒸汽的壓力與溫度有著直接的關系，通過控制飽和蒸汽的壓力，就可以很容易地控制加入到過程中的能量，所以蒸汽控制能夠非常快地對流程的變化作出反應[5]。通過比較發現，蒸汽熱源系統是簡單可行，易控制和最經濟有效的選擇。

表1 不同熱媒介質加熱系統參數比較

2 蒸汽壓力的選擇

飽和蒸汽汽化和凝結時的相變潛熱比較大，是一種很好的熱源介質，并且其溫度和壓力之間有固定的關系如圖1所示，通過控制蒸汽壓力就可以控制蒸汽溫度，從而滿足不同場所對加熱溫度的需求。

圖1 不同壓力下的飽和蒸汽溫度曲線示意

飽和蒸汽焓是指飽和蒸汽的總能量，是水的焓值和蒸發焓的總和，如圖2所示。從圖2中可見，飽和蒸汽壓力到0.7 MPa時，其蒸汽總焓基本到達極限狀態。另外根據圖3，蒸汽的比容隨著壓力升高而降低，而且低壓下比容隨壓力變化非常大，壓力較高時比容變化比較小。因此，使蒸汽壓力最少達到0.7 MPa，才能保證熱源系統的高效性、合理性與經濟性。在設計中，選擇飽和蒸汽壓力為0.7 MPa(絕壓為0.8 MPa，查飽和蒸汽溫度與壓力對照表可知，溫度為170 ℃時，蒸汽熱焓為2 768.4 kJ/kg，蒸汽的凝水焓為720.9 kJ/kg)，滿足了使用要求。

圖2 飽和蒸汽液體焓、蒸發焓、蒸汽總焓曲線

圖3 飽和蒸汽的壓力和比容的關系曲線

3 蒸汽消耗量計算

3.1 艙柜加熱的蒸汽耗量

艙柜加熱的蒸汽耗量計算公式：

(1)

式中：qm1——艙柜加熱蒸汽耗量，kg/h；m1——艙柜內液體量，kg；CL——艙柜內液體比熱，kJ/(kg·K)；t12——被加熱介質終溫，℃；t11——被加熱介質初溫，℃；t10——艙柜外部環境溫度，℃；i1——加熱蒸汽熱焓，kJ/kg；i2——加熱蒸汽的凝水焓，kJ/kg；AT1——艙柜表面積，m2；kT1——艙柜表散熱系數，kJ/(m2·K)；T——加熱時間，h。

勝利作業六號平臺需要加熱的艙柜主要有污油艙和熱海水艙。

污油艙內蒸汽耗量qm11：m1=12 150 kg；CL=1.884 kJ/(kg·K)；被加熱介質終溫，參照文獻[6]取t12=80 ℃；被加熱介質初溫取主機艙內環境溫度，t11=35 ℃[7]；t10=35 ℃；i1=2 768.4 kJ/kg，i2=720.9 kJ/kg；AT1=44 m2；艙柜表面散熱系數見表2所列，kT1=4×k2+k3+k5=51.77 kJ/ (m2·K)；T=24 h；代入式(1)，則：

qm11=45.99 kg/h

按照同樣方法計算，熱海水艙內蒸汽耗量qm12：

qm12=1 259.26 kg/h

表2 艙柜表面散熱系數

3.2 液艙保溫的蒸汽耗量

液艙保溫的蒸汽耗量計算公式：

(2)

式中：qm2——艙柜保溫蒸汽耗量，kg/h；AT2——液艙散熱表面積，m2；kT2——液艙表面散熱系數，kJ/(m2·K)；t22——保溫溫度，℃；t20——散熱表面外部環境溫度，℃。

勝利作業六號平臺需要保溫的液艙主要有左、右淡水艙，兩艙各參數相同，對稱布置。液艙散熱表面積AT2=245.5 m2，kT2=76.77 kJ/(m2·K)，t22=15 ℃，t20=5 ℃，則：

qm2=184.10 kg/h

3.3 鍋爐蒸汽耗量

蒸汽加熱總量=qm1+qm2=1 489.35 kg/h，一般鍋爐的效率為85%，則鍋爐的總蒸汽量：qm=1 752.18 kg/h。

4 蒸汽系統的組成

蒸汽系統主要由鍋爐、鍋爐水處理系統、蒸汽減壓系統、疏水閥組、冷凝水系統等組成。

4.1 鍋 爐

鍋爐是整個蒸汽系統的心臟，典型的現代快裝式鍋爐都是采用燃燒器把熱量輸送到爐管內。作為燃燒器出來的高溫煙氣通過3回程通道把熱量傳遞給水，當鍋爐內的水達到飽和溫度，氣泡產生并上升到水的表面，發生破裂，蒸汽就釋放到上部的蒸汽空間內，進而進入蒸汽系統。

筆者以萊頓蒸汽鍋爐為例進行參數選擇及流程設計。經過計算鍋爐的總蒸汽量。參照鍋爐選型樣本，可以選擇鍋爐蒸汽壓力為0.7 MPa，額定蒸發量為2 000 kg/h的LT2型燃油鍋爐。該鍋爐是一種單管直流、強制循環立式水管鍋爐，其主要受熱、受壓元件為盤管，由扁平盤管和水冷壁盤管組成，上、下水冷壁盤管形成的內空腔即為燃燒室。燃油通過油泵經燃燒器霧化、點火后形成心狀火焰，在燃燒室中充分燃燒，產生的高溫煙氣由下而上，通過輻射和對流換熱后，從煙囪排出。鍋爐的給水在水泵的作用下，由鍋爐上部入口注入，從鍋爐底部出口輸送到汽水分離器，與煙氣形成逆流。在介質水與逆向流動的煙氣不斷交換熱量的過程中，形成汽水混合物，并流入汽水分離器；經過汽水分離，形成高品質的飽和蒸汽由主汽口輸出。

4.2 鍋爐水處理系統

鍋爐用水的水質非常重要，給水和鍋水都應達到一定的水質標準，才能夠有效防止鍋爐的結垢、腐蝕，保證蒸汽品質，避免對鍋爐造成危害[8]。根據國內鍋爐水質標準[9]，鍋爐運行時應滿足以下要求： 不結水垢，硬度較高水質加熱后就會結垢，降低了傳熱和效率，在極端情況下，局部會發生過熱，導致機械損壞甚至爐管破裂；無腐蝕和化學侵蝕，如果水中溶解了氣體，特別是氧氣，鍋爐換熱表面、管道和其他設備就很可能發生腐蝕。

鍋爐水處理方法大致分為鍋外處理和鍋內處理兩種。結合工程實際，勝利作業六號平臺采用鍋外處理方式，主要對水進行軟化及除氧。

1) Na+交換軟化法是最常見的水軟化工藝。原理： 當原水經過Na+交換劑(強酸性陽離子交換樹脂R吸附Na+制備)層時，水中的Ga2+， Mg2+等陽離子與交換劑中的Na+進行交換后被樹脂吸附，使水得到軟化[10]。

2) 除氧的工作方法主要有物理方法、化學方法和電化學方法三類[11]。其中，物理方法中的熱力除氧，是將鍋爐給水加熱，減小氧的溶解度，使水中氧逸出，再將所產生的氧氣連同水蒸氣一同排除。處理后的水不會增加含鹽量，也不會增加其他氣體的溶解量，操作控制相對容易，而且運行穩定、可靠，是目前應用最多的一種除氧方法。化學方法中的聯氨(肼)除氧則多用作熱力除氧后的輔助措施，以達到徹底清除水中的殘留氧，而不增加水的含鹽量。

因此，筆者引入Na+交換軟化法作為水的軟化工藝；除氧則以熱力除氧為主，以聯氨(肼)除氧為輔的方法。

4.3 蒸汽減壓系統

在蒸汽的輸送及使用時，應該采取不同的壓力，一般采用高壓輸送和低壓使用的方法。原因： 1) 鍋爐在高壓下運行效率更高，蒸汽品質更好；2) 蒸汽的壓力控制與蒸汽溫度控制等同；3) 低壓使用可增加安全可靠性，并減少冷凝水所含熱量，減少二次蒸汽；4) 壓力降低可以提供蒸汽中更大比例的潛熱；5) 經過減壓后蒸汽具有更高的干燥度[12]。

蒸汽減壓系統的效率可以用擁效率進行計算。擁效率是表示傳熱設備在能量的數量和質量上利用的完善程度，對于減壓系統來說，它是表示流出擁與流入擁的比值[13]，計算公式為

(3)

式中：ηex——擁效率；ex1，ex2——熱力系統中相對于環境零態時的擁，kJ/kg；h1，h2——熱力系統中焓，kJ/kg；h0——環境零態時的焓，kJ/kg；s1，s2——熱力系統中熵，kJ/(kg·K)；s0——環境零態時的熵，kJ/(kg·K)；T0——環境零態時的溫度，288 K。

根據使用習慣，一般蒸汽減壓到0.4 MPa。查焓- 熵圖知，h1=2 768.4 kJ/kg，h2=2 748.5 kJ/kg，h0=42 kJ/kg，s1=6.66 kJ/(kg·K)，s2=6.82 kJ/(kg·K)，s0=0.22 kJ/(kg·K)。此時，擁效率ηex=0.924，可見，蒸汽減壓閥對于蒸汽擁效率的改變不大，可以使用。

4.4 疏水閥組

蒸汽從一離開鍋爐就開始不斷失去熱量變成冷凝水，冷凝水隨著蒸汽在管道底部流動，造成以下危害： 冷凝水膜會導致換熱系數下降；會產生噪聲和破壞性的水錘現象；排水不充分會導致接頭部分泄漏。因此，冷凝水必須及時從分配系統的最低點清除出去，這就需要引入疏水閥。

疏水閥的種類主要有： 機械型、熱靜力型、熱動力型。在設計過程中，應綜合考慮該三類疏水閥的優缺點，并結合蒸汽用途[14]，選擇熱靜力型疏水閥中的波紋管式疏水閥。該種閥是較經濟實用的節能型疏水閥，其主要優點： 可任意角度安裝，不受安裝方位限制；背壓率大于80%，不銹鋼波紋管伸縮量大；閥前始終有冷凝水，形成可靠的水封，無蒸汽泄漏；不受振動、蒸汽壓力波動和水錘的影響。

在每一個疏水閥的上游都應該安裝1臺過濾器，組成為1套疏水閥組。過濾器主要是過濾掉管道中的固體顆粒，延長疏水閥的使用壽命。過濾器壓降可用經驗公式計算：

(4)

式中： Δp——壓降，MPa；qm3——質量流量，kg/h；KV——流量系數；p1——上游絕對壓力，MPa。

以加熱熱海水艙蒸汽管線上的過濾器為例，qm3=1 259.26 kg/h，KV=29，p1=0.4 MPa，則Δp=9.6×10-4MPa，可見，過濾器產生蒸汽壓降很微弱，可以使用。

4.5 冷凝水系統

飽和蒸汽用于換熱后，釋放出蒸發焓，剩余在冷凝水中的一部分熱量稱作水焓。冷凝水不僅含有一定的熱量，而且是蒸餾水，很適合用做鍋爐給水。高效的蒸汽系統將回收這些冷凝水到除氧器、鍋爐給水箱或用于其他流程。

冷凝水通過疏水閥從壓力相對較高的用汽設備中排出，由于疏水閥出口壓力較低，一部分冷凝水就會閃蒸成閃蒸蒸汽。

根據冷凝水流動時的動力不同，冷凝水回收系統分為余壓回收系統、重力回收系統和加壓回收系統三類[15]。勝利作業六號平臺，選擇重力回收系統： 用汽設備的冷凝水經疏水閥后，靠冷凝水自身的重力流到冷凝水箱。這種系統適用于小型蒸汽供應的冷凝水回收系統，并且要求安裝條件能使冷凝水順坡流向冷凝水箱。

閃蒸蒸汽的回收需要經過閃蒸蒸汽冷凝器，在這里閃蒸蒸汽冷凝成溫度更低的冷凝水。冷凝器的冷卻介質為海水，通過2臺海水泵從海水艙取水，經過閃蒸蒸汽冷凝器，與閃蒸蒸汽進行換熱后，泄放或者回收到熱海水艙。勝利作業六號蒸汽冷凝撬塊如圖4所示。

圖4 勝利作業六號蒸汽冷凝撬塊示意

5 結束語

1) 通過對鍋爐水處理系統、蒸汽減壓系統、疏水閥組、冷凝水系統等的計算、分析說明、流程設計等可知，蒸汽系統簡單可行、易控制、經濟有效，對于低投資型海洋平臺，具有很好的適用性。

2) 飽和蒸汽壓力為0.7 MPa，溫度為170 ℃是保證蒸汽系統高效性、合理性與經濟性的關鍵參數。

3) 在蒸汽耗熱量計算中，大多采用經驗公式，在以后設計中，應充分考慮環境條件的復雜性，保留計算裕量。

4) 該設計已通過中國船級社海洋工程審圖中心審核并投用，現場使用情況良好，能夠滿足平臺液艙加熱、保溫，作業甲板油污吹掃，海底門融冰、吹掃，海水泵底部融冰，試油設備加熱以及雜用等功能需求。

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