半潛式鉆井平臺暖通空調(diào)系統(tǒng)防寒改造研究

劉 軒，孫小明，張永存

(天津新港船舶重工有限責(zé)任公司，天津 300457)

隨著國際原油價格波動和海洋石油開采區(qū)的變化，寒冷地帶鉆井作業(yè)的需求增加，熱帶海域作業(yè)的需求下降。運營方考慮對平臺加以改裝，以便適用于高寒高緯度地區(qū)作業(yè)。以某新建的半潛式鉆井平臺為研究對象，初始設(shè)計適用于中國南海及其它熱帶海域。平臺暖通空調(diào)系統(tǒng)原設(shè)計氣溫為0～38 ℃，最小濕度為86%，海水溫度為0～32 ℃。本課題選定-20 ℃的環(huán)境溫度為研究條件，此溫度能夠滿足大多數(shù)北方海域作業(yè)條件，如俄羅斯北部、加拿大北部甚至北冰洋海域。此時平臺處需通過加熱，保持人員居所最低溫度20 ℃，保持機(jī)器處所最低溫度5 ℃。對此類自升式鉆井平臺的系統(tǒng)性改裝是一項龐雜的系統(tǒng)性工程，不但要對平臺結(jié)構(gòu)尤其是水線附近結(jié)構(gòu)做力學(xué)分析[1]，還要對甲板和鉆井設(shè)備進(jìn)行防寒評估、加裝鍋爐、液艙防寒、加裝蒸汽除冰裝置、加裝救生消防系統(tǒng)防寒措施等。本文僅選取暖通空調(diào)系統(tǒng)作為研究對象，保證艙室設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)[2]及作業(yè)人員的舒適性。

1 防寒評估及計算

暖通空調(diào)系統(tǒng)按區(qū)域主要分為生活艙室區(qū)域、公共設(shè)備艙室區(qū)域、鉆井區(qū)域3大部分。公共艙室采用中央空調(diào)(AHU)進(jìn)行溫度和濕度調(diào)節(jié)，公共設(shè)備艙室、鉆井區(qū)域主要通過甲板通風(fēng)機(jī)和通風(fēng)管路實現(xiàn)風(fēng)量輸送。首先對以上3類系統(tǒng)進(jìn)行熱損失(環(huán)境溫度從0 ℃變?yōu)?20 ℃)計算，所得結(jié)果作為下一步方案設(shè)計和設(shè)備選型的基礎(chǔ)。

對中央空調(diào)系統(tǒng)，寒冷地帶工況熱量計算參考冬季采暖工況,所需加熱量Q1為：

Q1=1.163×0.288aρV(hn-ha),

(1)

式中，a為新鮮空氣比例；ρ為空氣密度；V為空調(diào)總風(fēng)量；hn為室內(nèi)空氣焓值；ha為室外空氣焓值。

以-20 ℃外界環(huán)境為輸入條件，分別計算生活艙室各個系統(tǒng)所需加熱量，并與原有加熱能力對比，統(tǒng)計出所需補(bǔ)充的加熱量和濕度值，生活艙室所需加熱量見表1，所需補(bǔ)充加熱量為363.8 kW。

表1 生活艙室所需加熱量

對公共設(shè)備艙室的熱損失量，主要參考設(shè)計手冊中冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失量計算：

Qd=KAΔT+KgAgΔT，

(2)

式中，Qd為冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失量；K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)；A為圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積；Kg為玻璃窗傳熱系數(shù)；Ag為玻璃窗面積；ΔT為室內(nèi)外溫差。

由于風(fēng)機(jī)帶入新風(fēng)，排出舊風(fēng)，新風(fēng)帶來的熱損失量Qw為：

Qw=0.288×1.163ΔTV′,

(3)

式中，V′為風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

總熱量Q為：

Q=Qd+Qw+Ql+Qe+Qm，

(4)

式中，Ql為照明熱量；Qe為設(shè)備發(fā)熱量；Qm為操作人員的發(fā)熱量。

按公式(2)～公式(4)，以-20 ℃外界環(huán)境為輸入條件，對公共設(shè)施各個艙室分別計算，得出公共設(shè)備艙室所需加熱量，并與原加熱能力進(jìn)行對比，得出所需補(bǔ)充加熱量如表2所示，所需補(bǔ)充加熱量合計為880.3 kW。

表2 公共設(shè)備艙室所需補(bǔ)充加熱量統(tǒng)計

鉆井區(qū)域暖通空調(diào)熱損失量和所需補(bǔ)充加熱量計算與公共設(shè)施艙室計算方法相同,所需補(bǔ)充加熱量為529.0 kW，暖通空調(diào)系統(tǒng)所使用的加熱設(shè)備見表3，所需補(bǔ)充總加熱量約為1 773 kW。

表3 暖通空調(diào)系統(tǒng)使用的加熱設(shè)備

2 改裝方案

經(jīng)過熱損失計算后，按各個系統(tǒng)和艙室的所需加熱量進(jìn)行設(shè)備選型和防寒方案設(shè)計，暖通空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)改造內(nèi)容如下。

1)生活艙室區(qū)域。生活艙室中的左右舷中央空調(diào)(AHU1、AHU2)原為電熱盤管加熱，補(bǔ)充加熱量較大，超過平臺的電力裕量。擬采用水加熱的方式進(jìn)行熱量補(bǔ)充，在各中央空調(diào)裝置內(nèi)或旁邊加裝熱水盤管，對生活艙室進(jìn)行熱量補(bǔ)償。位于駕駛臺區(qū)域的中央空調(diào)(AHU3),以及廚房餐廳區(qū)域用的中央空調(diào)(AHU4)補(bǔ)充加熱功率較小，考慮到熱水盤管布置工程較復(fù)雜，擬在風(fēng)道中加裝電熱盤管[3]。

工況改變后，濕度損失也相應(yīng)增大，因此需調(diào)節(jié)濕度到合適范圍，需在計算書中核算需要加濕的各系統(tǒng)如AHU1、AHU2、AHU3所需加濕量，并更換合適容量的蒸汽加濕器。

2)公共設(shè)備艙室。對于機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)，由于其通風(fēng)量和加熱量巨大，參考建成的寒冷地帶作業(yè)平臺的設(shè)計案例，擬直接在艙內(nèi)布置蒸汽熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行熱量補(bǔ)償。機(jī)艙通風(fēng)機(jī)采用變頻控制，當(dāng)艙內(nèi)有一臺主機(jī)運轉(zhuǎn)且風(fēng)機(jī)在較低風(fēng)量下運轉(zhuǎn)時，即可保證5 ℃以上的環(huán)境溫度。僅當(dāng)主機(jī)不運轉(zhuǎn)而風(fēng)機(jī)以最小進(jìn)風(fēng)量運轉(zhuǎn)時，采用蒸汽熱風(fēng)機(jī)。

對其它公共設(shè)備艙室的通風(fēng)系統(tǒng)，為減小熱水加熱管路穿艙的工程量和難度，對所需熱量較大，且位于主甲板的采用立式進(jìn)風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)，為立柱和浮體供風(fēng)的風(fēng)機(jī)盡量考慮在主甲板加裝風(fēng)機(jī)房，并在進(jìn)口加裝熱水盤管，將外界冷空氣預(yù)熱到合適的溫度，然后由風(fēng)機(jī)吸入并分配到各艙室。

對通用庫、配電板區(qū)域、空壓機(jī)區(qū)域、立柱和浮體區(qū)域供風(fēng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行加裝暖通空調(diào)通風(fēng)艙室,并在艙室通風(fēng)口安裝足夠容量的散熱盤管(采用熱水加熱)，補(bǔ)充各公共設(shè)備艙室散失熱量，使各艙室溫度達(dá)到設(shè)計要求。對于熱損失量較小艙室，如集控室及動力定位系統(tǒng)控制室、工作間區(qū)域，考慮采用風(fēng)道連接電加熱盤管補(bǔ)充熱量。根據(jù)其他冰區(qū)作業(yè)平臺設(shè)計經(jīng)驗，本平臺所有進(jìn)風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的除霧器均需更換成帶有電加熱功能的除霧器。

3)鉆井區(qū)域。鉆井區(qū)域的暖通空調(diào)系統(tǒng)改造與公共設(shè)備艙室改造方案類似，對高壓泥漿泵艙、鉆井(BOP)區(qū)域的供風(fēng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改裝，加裝暖通空調(diào)通風(fēng)艙室，在其通風(fēng)口安裝足夠容量的散熱盤管(采用水加熱)，補(bǔ)充各公共設(shè)備艙室散失的熱量，使各艙室溫度達(dá)到設(shè)計要求。

對板式換熱器(APV)區(qū)域、泥漿控制室區(qū)域，因加熱功率較小，考慮在進(jìn)風(fēng)風(fēng)道上加裝電熱盤管補(bǔ)充熱量。根據(jù)平臺實際需求，對于月池等開放區(qū)域，布置合適數(shù)量的電加熱或蒸汽加熱暖風(fēng)機(jī)用于烘干工服或工具等。

3 結(jié)束語

本文主要針對鉆井平臺寒冷地帶作業(yè)的暖通空調(diào)系統(tǒng)的適用性改裝進(jìn)行初步研究， 在進(jìn)行暖通空調(diào)相關(guān)計算、設(shè)備選型和方案設(shè)計后，還應(yīng)重點考慮加裝鍋爐的各項設(shè)計工作[4]。鉆井平臺防寒改裝是個系統(tǒng)性工程，需要考慮到作業(yè)可行性、規(guī)范適用性、人員的舒適性和設(shè)備操作性等各個因素，改裝產(chǎn)值非常大，幾乎涉及到結(jié)構(gòu)、輪機(jī)、甲板設(shè)備、鉆井、水下設(shè)備、暖通空調(diào)、舾裝、電氣、自動化、內(nèi)裝、通導(dǎo)、救生消防、防污染、電伴熱加裝等各個專業(yè)。本課題研究也適用于類似的半潛式鉆井平臺和自升式鉆井平臺的相關(guān)工程，對類似課題和工程的研究也有一定的實用價值。