海洋修井平臺熱源系統(tǒng)設(shè)計

徐增強

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)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(yè)六號平臺為自升式海洋修井平臺，鋼質(zhì)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(yè)[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(fā)電機等主動力設(shè)備所組成的推進系統(tǒng)[3]。但是海洋平臺需要熱源系統(tǒng)來發(fā)揮以下作用： 液艙加熱、保溫，作業(yè)甲板油污吹掃，海底門融冰、吹掃，海水泵底部融冰，試油設(shè)備加熱以及雜用等。筆者結(jié)合工程實際，對自升式海洋平臺熱源系統(tǒng)進行了調(diào)研分析，完成了勝利作業(yè)六號平臺熱源系統(tǒng)的設(shè)計工作。

1 熱源系統(tǒng)選擇

海洋平臺所用熱源系統(tǒng)主要有蒸汽熱源系統(tǒng)、熱水加熱系統(tǒng)和熱媒油加熱系統(tǒng)3種[4]。表1反映了不同熱媒介質(zhì)的參數(shù)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(tǒng)中循環(huán)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(dāng)于同等質(zhì)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(nèi)的壓力降，因而不需要昂貴的循環(huán)泵系統(tǒng)。熱媒油，例如礦物油，可以應(yīng)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?guī)啄昃托枰鼡Q，其管道連接需用高質(zhì)量的接頭并小心防范，以防止泄漏。相比之下，蒸汽產(chǎn)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(guān)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?？斓貙α鞒痰淖兓鞒龇磻?yīng)[5]。通過比較發(fā)現(xiàn)，蒸汽熱源系統(tǒng)是簡單可行，易控制和最經(jīng)濟有效的選擇。

表1 不同熱媒介質(zhì)加熱系統(tǒng)參數(shù)比較

2 蒸汽壓力的選擇

飽和蒸汽汽化和凝結(jié)時的相變潛熱比較大，是一種很好的熱源介質(zhì)，并且其溫度和壓力之間有固定的關(guān)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(fā)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(tài)。另外根據(jù)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(tǒng)的高效性、合理性與經(jīng)濟性。在設(shè)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(fā)焓、蒸汽總焓曲線

圖3 飽和蒸汽的壓力和比容的關(guān)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(nèi)液體量，kg；CL——艙柜內(nèi)液體比熱，kJ/(kg·K)；t12——被加熱介質(zhì)終溫，℃；t11——被加熱介質(zhì)初溫，℃；t10——艙柜外部環(huán)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(shù)，kJ/(m2·K)；T——加熱時間，h。

勝利作業(yè)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(nèi)蒸汽耗量qm11：m1=12 150 kg；CL=1.884 kJ/(kg·K)；被加熱介質(zhì)終溫，參照文獻[6]取t12=80 ℃；被加熱介質(zhì)初溫取主機艙內(nèi)環(huán)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(shù)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(nèi)蒸汽耗量qm12：

qm12=1 259.26 kg/h

表2 艙柜表面散熱系數(shù)

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(shù)，kJ/(m2·K)；t22——保溫溫度，℃；t20——散熱表面外部環(huán)境溫度，℃。

勝利作業(yè)六號平臺需要保溫的液艙主要有左、右淡水艙，兩艙各參數(shù)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(tǒng)的組成

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

4.1 鍋 爐

鍋爐是整個蒸汽系統(tǒng)的心臟，典型的現(xiàn)代快裝式鍋爐都是采用燃燒器把熱量輸送到爐管內(nèi)。作為燃燒器出來的高溫?zé)煔馔ㄟ^3回程通道把熱量傳遞給水，當(dāng)鍋爐內(nèi)的水達到飽和溫度，氣泡產(chǎn)生并上升到水的表面，發(fā)生破裂，蒸汽就釋放到上部的蒸汽空間內(nèi)，進而進入蒸汽系統(tǒng)。

筆者以萊頓蒸汽鍋爐為例進行參數(shù)選擇及流程設(shè)計。經(jīng)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(fā)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(huán)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(nèi)空腔即為燃燒室。燃油通過油泵經(jīng)燃燒器霧化、點火后形成心狀火焰，在燃燒室中充分燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥上露?，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(zhì)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(jīng)過汽水分離，形成高品質(zhì)的飽和蒸汽由主汽口輸出。

4.2 鍋爐水處理系統(tǒng)

鍋爐用水的水質(zhì)非常重要，給水和鍋水都應(yīng)達到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，才能夠有效防止鍋爐的結(jié)垢、腐蝕，保證蒸汽品質(zhì)，避免對鍋爐造成危害[8]。根據(jù)國內(nèi)鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[9]，鍋爐運行時應(yīng)滿足以下要求： 不結(jié)水垢，硬度較高水質(zhì)加熱后就會結(jié)垢，降低了傳熱和效率，在極端情況下，局部會發(fā)生過熱，導(dǎo)致機械損壞甚至爐管破裂；無腐蝕和化學(xué)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(shè)備就很可能發(fā)生腐蝕。

鍋爐水處理方法大致分為鍋外處理和鍋內(nèi)處理兩種。結(jié)合工程實際，勝利作業(yè)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(dāng)原水經(jīng)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(xué)方法和電化學(xué)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(chǎn)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(wěn)定、可靠，是目前應(yīng)用最多的一種除氧方法?；瘜W(xué)方法中的聯(lián)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(lián)氨(肼)除氧為輔的方法。

4.3 蒸汽減壓系統(tǒng)

在蒸汽的輸送及使用時，應(yīng)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(zhì)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(jīng)過減壓后蒸汽具有更高的干燥度[12]。

蒸汽減壓系統(tǒng)的效率可以用擁效率進行計算。擁效率是表示傳熱設(shè)備在能量的數(shù)量和質(zhì)量上利用的完善程度，對于減壓系統(tǒng)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(tǒng)中相對于環(huán)境零態(tài)時的擁，kJ/kg；h1，h2——熱力系統(tǒng)中焓，kJ/kg；h0——環(huán)境零態(tài)時的焓，kJ/kg；s1，s2——熱力系統(tǒng)中熵，kJ/(kg·K)；s0——環(huán)境零態(tài)時的熵，kJ/(kg·K)；T0——環(huán)境零態(tài)時的溫度，288 K。

根據(jù)使用習(xí)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(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)下降；會產(chǎn)生噪聲和破壞性的水錘現(xiàn)象；排水不充分會導(dǎo)致接頭部分泄漏。因此，冷凝水必須及時從分配系統(tǒng)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(shè)計過程中，應(yīng)綜合考慮該三類疏水閥的優(yōu)缺點，并結(jié)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(jīng)濟實用的節(jié)能型疏水閥，其主要優(yōu)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(yīng)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(jīng)驗公式計算：

(4)

式中： Δp——壓降，MPa；qm3——質(zhì)量流量，kg/h；KV——流量系數(shù)；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(chǎn)生蒸汽壓降很微弱，可以使用。

4.5 冷凝水系統(tǒng)

飽和蒸汽用于換熱后，釋放出蒸發(fā)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(tǒng)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(shè)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(jù)冷凝水流動時的動力不同，冷凝水回收系統(tǒng)分為余壓回收系統(tǒng)、重力回收系統(tǒng)和加壓回收系統(tǒng)三類[15]。勝利作業(yè)六號平臺，選擇重力回收系統(tǒng)： 用汽設(shè)備的冷凝水經(jīng)疏水閥后，靠冷凝水自身的重力流到冷凝水箱。這種系統(tǒng)適用于小型蒸汽供應(yīng)的冷凝水回收系統(tǒng)，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(jīng)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(zhì)為海水，通過2臺海水泵從海水艙取水，經(jīng)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(yè)六號蒸汽冷凝撬塊如圖4所示。

圖4 勝利作業(yè)六號蒸汽冷凝撬塊示意

5 結(jié)束語

1) 通過對鍋爐水處理系統(tǒng)、蒸汽減壓系統(tǒng)、疏水閥組、冷凝水系統(tǒng)等的計算、分析說明、流程設(shè)計等可知，蒸汽系統(tǒng)簡單可行、易控制、經(jīng)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(tǒng)高效性、合理性與經(jīng)濟性的關(guān)鍵參數(shù)。

3) 在蒸汽耗熱量計算中，大多采用經(jīng)驗公式，在以后設(shè)計中，應(yīng)充分考慮環(huán)境條件的復(fù)雜性，保留計算裕量。

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

參考文獻：

[1]李廣軍.淺海新型修井平臺的研究與設(shè)計[J].中國海洋平臺，1997(06)： 250-251.

[2]孫東昌.海洋自升式平臺設(shè)計與研究[M].上海： 上海交通大學(xué)出版社，2008： 14-16.

[3]湯良然.船舶輔蒸汽系統(tǒng)研究[J].上海造船，2011(02)： 41-42.

[4]中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計實用手冊輪機分冊[M].北京： 國防工業(yè)出版社，1999： 41.

[5]斯派莎克工程(中國)有限公司.蒸汽和冷凝水手冊[M].上海： 上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社，2007： 16-18.

[6]中國石化集團洛陽石油化工工程公司.SH 3095—2000 石油化工污水處理設(shè)計規(guī)范[S]： 北京： 中國計劃出版社，2000： 6-7.

[7]中國船舶工業(yè)總公司.CB/T 3772—1996 柴油機船舶機艙通風(fēng)設(shè)計條件和計算基準(zhǔn)[S]： 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997： 3-4.

[8]黃爭.船用輔鍋爐的水處理[J].機電設(shè)備，1996(03)： 24.

[9]中華人民共和國國家技術(shù)監(jiān)督局.GB 1576—2008 工業(yè)鍋爐水質(zhì)[S]： 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008： 2-3.

[10]申啟金.鍋爐水處理技術(shù)應(yīng)用與進展[J].科技論壇，2011(02)： 16-18.

[11]馬軍，王惟.鍋爐水處理的除氧技術(shù)[J].內(nèi)蒙古石油化工，2008(02)： 64-65.

[12]毛尚濤，仵驍蓮.蒸汽減壓閥的應(yīng)用[J].濟南紡織化纖科技，2006(02)： 35.

[13]張有貴，王瓏.蒸汽減壓方式的分析與優(yōu)化[J].上海節(jié)能，2001(05)： 34-35.

[14]王國興.疏水器的正確選擇及安裝使用[J].石油化工設(shè)計，2000(01)： 15.

[15]魏青平.幾種蒸汽凝結(jié)水回收系統(tǒng)的比較[J].甘肅科技，2010(05)： 60，64.