半潛式鉆井平臺電伴熱系統的設計與應用

何吉飛

（戈朗（上海）海事技術咨詢有限公司，上海 201206）

0 引言

世界能源需求迅速增長，石油和天然氣行業被迫尋找新的勘探和生產區域，挪威北海及巴倫支海海域含有大量尚未開發的石油，從而使其成為一個有吸引力的地區，但此地區海況惡劣，環境溫度可低至?20℃，對海工裝備的性能要求非常苛刻，為了保證平臺的正常作業及逃生要求，防凍措施必不可少，在20世紀70年代之前，伴熱主要是以蒸汽或熱水為介質，但是蒸汽、熱水的散熱量不易控制，其保溫效率始終處于較低的水平。到了80年代，包括能源業在內的很多行業已廣泛推廣了電伴熱技術，以電伴熱全面取代蒸汽伴熱。電伴熱技術至今，已由傳統的恒功率伴熱發展到以導電塑料為核心的自控溫電伴熱，本文介紹的電伴熱就是在平臺項目中已廣泛使用的自控溫電伴熱。

1 GM4-D項目簡介[1]

GM4-D系列半潛式鉆井平臺最大工作水深500 m，最大鉆井深度8 000 m，最低工作環境溫度?20℃，滿足冰級要求，配置DP3動力定位系統和8點系泊系統。該系列平臺型長106.75 m、型寬73.70 m、型深34.0 m、設計吃水10.1 m～21.0 m，最大可變甲板載荷4 100 t，額定居住人員130人，其設計依照挪威北海海況，同時兼顧北極圈及巴倫支海海況要求，能夠抵御北海百年一遇的風暴，滿足 PSA（挪威石油安全管理局）、NMA（挪威海事局）和NORSOK（挪威海上工業標準）及其他相關國際平臺規則的要求，入級挪威船級社。

2 系統設計要求

本文主要介紹應用于管路系統和逃生通道系統的電伴熱，設備（比如雷達天線、救生艇、駕駛室加熱玻璃、室外消防炮等）的電伴熱一般是由廠家自帶，工作原理和操作不盡相同，在此不一一詳述。

2.1 管路電伴熱要求

所有管道，儀表和裝有液體的設備都被認為是管路的一部分。暴露部分的管路都需要根據適用規則和規定安裝自控溫伴熱帶[1-2]，但是含有防凍液的管路除外。伴熱帶及其配件的安裝需要根據廠家的要求和建議。

2.2 通道電伴熱要求

所有通往外部逃生通道的門都應在門框內裝有伴熱帶[2]，以防止門由于結冰而被堵塞。在暴露甲板上的所有逃生路線，包括開放的集合區域（如直升機甲板，救生艇甲板等），應急設備操作區域（如室外消防炮平臺，救生衣柜區域等）都應在甲板下安裝自控溫伴熱帶，逃生通道上的樓梯部分、踏步和扶手也應安裝。

2.3 電伴熱功率要求

根據DNV規范要求（圖1）[3]，對于室外逃生通道的電伴熱功率不低于300 W/m2，通道上的欄桿扶手電伴熱功率不低于50 W/ m2。對于管路沒有具體的功率要求，因為不同介質及保持溫度會影響到功率的需求，但基本原則是伴熱帶產生的熱量要大于熱損失。對本項目，由于所有實施電伴熱的管路介質均為水，所以保持溫度只需大于0℃即可，設定為5℃。

圖1 DNV規范要求

2.4 電伴熱供電要求

供電配置應有一定的冗余，以確保在丟失一組電源的情況下，和安全相關的電伴熱仍然可以滿足最小功率需求。在本項目中，電力系統由 6臺發電機組成，均分成A、B、C三個區，每個區對應1個230 VAC防凍配電盤，所有的電伴熱均由此3個專用配電盤供電，對配電盤采取了3×50%冗余配置方案，即每個配電盤至少能提供總電伴熱功率的 50%，根據DNV規范要求，每個配電板必須配置安培表或功率表，以在配電板上顯示各分路功率和總功率。所有的回路須配置接地故障監測報警、漏電保護和運行指示燈。

3 自控溫伴熱系統的組成及原理

圖2 自控溫電伴熱系統典型配置

自控溫伴熱系統主要由電控箱、接線盒、自控溫伴熱帶和溫度傳感器組成[4]（圖2）。用于防凍目的的電伴熱，需要根據環境溫度自動開啟，所以需配置溫度感應器，如果用于除凍目的，可以是手動開啟模式，無須配置溫度傳感器。

自控溫電伴熱帶的主要原理是，在兩條平行線路中充填導電塑料（圖3），電熱帶接通電源后（注意尾端線芯不得連接），電流由一根線芯經過導電的PTC材料到另一線芯而形成回路。電能使導電材料升溫，其電阻隨即增加，當芯帶溫度升至某值之后，電阻大到幾乎阻斷電流的程度，其溫度不再升高，與此同時電熱帶向溫度較低的被加熱體系傳熱。電熱帶的功率主要受控于傳熱過程，隨被加熱體系的溫度自動調節輸出功率，而傳統的恒功率加熱器卻無此功能。

圖3 自控溫伴熱帶

4 伴熱帶選用方法

在選擇伴熱帶產品時，應綜合考慮各種因素，如適用性、經濟性、供電條件、安裝環境等，主要選擇原則是電伴熱的發熱量須大于熱損失量，所以熱損失的計算是選擇的關鍵要素，具體選用步驟，以管路伴熱帶為例，簡要介紹如下。

4.1 計算熱損失[5-6]

工藝條件：保持溫度TP、最低環境溫度Ta、管徑、保溫材料、保溫層厚度、導熱系數等。

式中，q為每米管道的熱損失，W/m；TP為管道保持溫度，℃；Ta為最低環境溫度，℃；K為保溫材料的導熱系數，可通過查閱手冊獲得；D1為保溫材料內徑，m；D2為保溫材料外徑，m。

例：TP=5℃，Ta=?20℃，管徑=100 mm，保溫材料=巖棉，保溫層厚度=50 mm，K=0.040。因此管道熱損失q=15.32 W/m。

4.2 從伴熱帶廠家目錄中確定系列

本次計算以Raychem系列產品為例，平臺工作環境溫度為?20℃～35℃[1]，管線介質均為水，最高工作溫度不超過65℃，所以根據表1，溫度等級T6即可，確定系列為BTV2-CT/CR，其中：-CR為鍍錫銅絲編織網外的經過改進的聚合物保護層；-CT為鍍錫銅絲編織網外的含氟化合物保護層，對于存在潛在電能與有腐蝕的化學藥劑接觸的區域，可以選擇此類型。對于本項目，伴熱帶的敷設可能會穿過泥漿區域或機械區，有受到泥漿或油污腐蝕的可能性，所以選擇CT類型，確定BTV2-CT為所選系列。

表1 Raychem系列產品溫度等級[4]

4.3 選擇合適的伴熱帶

圖4 功率-溫度曲線表

確定好伴熱帶型號后，還需要確定功率密度，BTV2-CT有4種功率密度的伴熱帶，根據其大小排序為A/B/C/D，先在保持溫度點劃一豎線（5℃），在熱損失值點劃一橫線（15.32 W/m），在交叉點上方最近的曲線即為合適的功率密度伴熱帶。根據下列功率-溫度曲線表（圖4）[4]，C 5BTV2-CT即為最終確定的伴熱帶型號。

5 日常維護

電伴熱系統需要在每年進行為期 2次的例行檢查，經過外界環境的變化，電伴熱的整套系統需要在天氣降溫前進行系統的檢查。

由于天氣變化，風吹雨淋以及平臺在運作過程中產生的振動會對電伴熱系統的保溫層、電伴熱帶、配件等造成一定損壞，對于損壞的保溫層要及時進行更換與維護，保證內部的電伴熱系統完全防水。由于內部積水的問題，可能會對伴熱帶的局部進行滲漏，引起絕緣故障，盡管即使采用改性聚烯烴或含氟材料外護套，嚴重時還是會導致短路，因此對以上工作要進行一次詳細的維修記錄便于下次的維修細節與時間。檢測伴熱帶的連續性和絕緣電阻的測試，使用500 V的要表測量電阻應該要大于5 MΩ，一般是在每一個回路的尾端進行測試，結果在詳細地記錄以便將問題反饋給廠家。如果某一段出現破損甚至不熱，測試電阻為零以后，是可以使用兩通接線盒在電伴熱允許的最大使用長度內短接一段新的電伴熱帶。做好日常的維護工作是伴熱帶使用的必要的準備工作，及時處理突發狀況可以避免不必要的損失。

6 結論

電伴熱系統對于平臺的正常作業、安全逃生至關重要，它的高效性、可控性也是傳統伴熱方法所不能比擬的，文章以GM4-D鉆井平臺為實例，概括介紹了自控溫電伴熱系統的組成、原理以及伴熱帶的選用。在項目設計中還有需要注意的地方，在具體安裝中也需要各專業的工程技術人員相互配合，這樣才能使整個系統達到一個理想的效果。