海上平臺(tái)熱水系統(tǒng)全循環(huán)供水改造方案對比

馮 勇

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津 300457)

0 引 言

海上平臺(tái)人員在生活和工作中都需要熱水，故平臺(tái)上要設(shè)置熱水系統(tǒng)。某采油平臺(tái)的熱水由熱水柜提供，輸送壓力由淡水壓力柜提供。

熱水系統(tǒng)按管網(wǎng)的設(shè)置分為全循環(huán)、半循環(huán)、無循環(huán)3 種模式[1]。目前該平臺(tái)熱水系統(tǒng)采用無循環(huán)的熱水系統(tǒng)為用戶供水。用戶使用熱水時(shí)需先放出一部分冷水才能用上熱水，不僅浪費(fèi)淡水資源，其生活和工作體驗(yàn)也差。

1 熱水系統(tǒng)現(xiàn)狀

該平臺(tái)采用的是熱水集中加熱，并由淡水管線輸送到各用戶終端。熱水系統(tǒng)主要由熱水柜、電加熱器、管線及各種閥門等組成。熱水柜的容量為2 m3，淡水由淡水壓力柜進(jìn)行補(bǔ)給，操作壓力為 400～600 kPa。在熱水柜內(nèi)部安裝有一臺(tái)60 kW 的電加熱器，將淡水加熱到50～70 ℃。

1.1 熱水系統(tǒng)工作原理

熱水系統(tǒng)流程如圖1 所示，該熱水系統(tǒng)沒有循環(huán)管線，即采用無循環(huán)供水模式。淡水從淡水壓力柜進(jìn)入熱水柜并填充整個(gè)熱水管網(wǎng)，工作壓力由淡水壓力柜提供，當(dāng)用戶使用熱水后，管網(wǎng)壓力下降，淡水壓力柜驅(qū)動(dòng)熱水流出，并不斷補(bǔ)充淡水。熱水由電加熱器進(jìn)行加熱，溫度開關(guān)TSHL 7932 自動(dòng)控制電加熱器的啟停。當(dāng)水溫達(dá)到70 ℃時(shí)，TSHL 7932 觸發(fā)電加熱器停止；當(dāng)水溫降到50 ℃時(shí)，TSHL 7932 觸發(fā)電加熱器啟動(dòng)。如果水溫超過80 ℃，高溫開關(guān)TSH-7931 觸發(fā)中控報(bào)警。熱水柜上安裝安全閥 PSV-7931，當(dāng)壓力超過950 kPa 時(shí)進(jìn)行壓力泄放。

圖1 熱水流程總圖Fig.1 General diagram of hot water system

1.2 存在的問題

這種無循環(huán)熱水系統(tǒng)具有投資小、維護(hù)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些問題。主要是使用熱水時(shí)需要先放掉一部分冷水才能用上熱水，這種情況在冬季更為明顯，造成了資源浪費(fèi)和生活不便。

主要原因是無循環(huán)熱水系統(tǒng)中的水在不使用時(shí)為死水，一段時(shí)間內(nèi)若不流動(dòng)將會(huì)自然冷卻。另外，熱水管線較長，主管線尺寸較大，管內(nèi)熱水冷卻速度較快。

2 改造方案

解決熱水系統(tǒng)弊端的主要方法是讓管網(wǎng)中的水實(shí)現(xiàn)循環(huán)流通加熱，可通過在管網(wǎng)中增加回流管線實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)流通。但只在主管線上加回流管線，即只進(jìn)行半循環(huán)改造，不能徹底解決存在的問題，需進(jìn)行全循環(huán)供水改造，即每個(gè)用水支路管線都加回流管線?？紤]到海上平臺(tái)空間資源稀缺、管線布局復(fù)雜和循環(huán)動(dòng)力選擇等問題，經(jīng)綜合考慮，提出了2 種全循環(huán)供水方案。

2.1 方案一

該方案為開式全循環(huán)系統(tǒng)，由現(xiàn)有的淡水壓力柜提供循環(huán)動(dòng)力。將回流主管線出口接到淡水罐頂，主管線進(jìn)淡水罐處加一個(gè)溫度控制閥，溫控閥的開啟由主管線上新增的溫度開關(guān)進(jìn)行控制。當(dāng)管線熱水溫度低于設(shè)定值時(shí)，溫控閥開啟，熱水回流到淡水罐內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)熱水循環(huán)。方案一流程圖如圖2 所示。

圖2 改造后的熱水系統(tǒng)總圖Fig.2 General diagram of transformed hot water system

2.1.1 方案一說明

①新增管線：各熱水終端用戶增加一條支路回流管線，所有支路回流管線匯總到回流主管線上，主管線經(jīng)呼吸口與淡水罐連接。支路回流管線尺寸規(guī)格為1 in(25.4 mm)，回流主管線為2 in(50.8 mm)，管線的壓力等級(jí)、材質(zhì)、腐蝕余量分別為：ANSI 150LB、鍍鋅碳鋼、1.5 mm。為了避免與管線發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，變徑、三通、彎頭的壓力等級(jí)、材質(zhì)、腐蝕余量需與管線一致。

②新增閥門：在回流主管線溫控閥的上游端安裝一個(gè)截止閥，下游端無需安裝截止閥。溫控閥選用雙作用氣動(dòng)控制球閥，氣源用平臺(tái)儀表氣?？紤]到流通介質(zhì)是淡水，其腐蝕、電化學(xué)反應(yīng)弱、壓力低，且水溫較高，所以該閥可用內(nèi)螺紋連接、直通式、公稱壓力150 LB、閥體材質(zhì)為1Cr18Ni12Mo 2 TI 的氣動(dòng)球閥。溫控閥的控制溫度取自熱水主管線。熱水柜產(chǎn)生的水溫50～70 ℃，人體感知水溫的舒適點(diǎn)為40 ℃，因此將溫控閥的開啟溫度設(shè)為40 ℃。開啟溫度設(shè)定過低，水溫也會(huì)降低，人體會(huì)感覺不適；開啟溫度設(shè)定過高，熱水管線回流量增加，能耗增大。

③新增溫度開關(guān)：溫度開關(guān)用來控制熱水管網(wǎng)的水溫，當(dāng)水溫高于40 ℃時(shí)，溫控閥關(guān)閉；當(dāng)水溫低于40 ℃時(shí)，溫控閥打開，使管線內(nèi)熱水開啟循環(huán)。該溫度開關(guān)采用DC24V，測量范圍為0～100 ℃，精度±3 ℃，安裝采用內(nèi)埋式，并做好防潮措施。

2.1.2 方案一的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：方案簡單，僅需回流管線、溫控閥、溫度開關(guān)及截止閥等；在冬天，因熱水的回流，淡水罐內(nèi)置電加熱器無需開啟。

缺點(diǎn)：因熱水回流到淡水罐導(dǎo)致熱水柜的能耗增大，溫度開關(guān)設(shè)定值越高，熱能損耗越大；當(dāng)集中使用熱水量很大時(shí)會(huì)造成回流開啟，進(jìn)一步影響熱水供應(yīng)。

2.2 方案二

該方案為閉式全循環(huán)，熱水的循環(huán)動(dòng)力由新增的離心泵提供。該方案中回流主管線經(jīng)熱水柜下面排放閥上游端進(jìn)入，形成閉式回路。熱水柜管線出口新增熱水循環(huán)泵，實(shí)現(xiàn)熱水循環(huán)。循環(huán)泵的選型主要涉及流量和揚(yáng)程的計(jì)算[2]。

2.2.1 方案二的流程圖

方案二的流程圖如圖3 所示。方案二與方案一在生活樓內(nèi)部新加管線安裝相同；所用管線及變徑、三通、彎頭及閥門均相同，此處不予贅述。

圖3 方案二總流程圖Fig.3 General diagram of scheme 2

2.2.2 熱水循環(huán)泵的計(jì)算及選型

熱水循環(huán)泵方案的關(guān)鍵設(shè)備采用AC380V 的單級(jí)單吸臥式離心泵。選型基于如下考慮：①循環(huán)泵應(yīng)滿足系統(tǒng)中所需的最大流量和揚(yáng)程，并保證水泵的最佳工況點(diǎn)，以提高水泵長期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；②結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、效率較高；③運(yùn)行安全可靠、平穩(wěn)、振動(dòng)小、噪音低、抗汽蝕性能好；④選擇適用于流量變化大而揚(yáng)程變化不大的水泵，即G—H 特性曲線趨于平坦的水泵。

挪威國家石油局工藝設(shè)計(jì)手冊規(guī)定：淡水日消耗量，正常情況下平臺(tái)上工作人員每日消耗0.25 m3/d，臨時(shí)工作人員0.15 m3/d[3]。

淡水消耗量如下式所示：

式中：Q 為淡水消耗量，m3/D；N1為平臺(tái)上工作人員數(shù)目；N2為平臺(tái)上臨時(shí)工作人員；T 為補(bǔ)償系數(shù)，一般為1.2。

該平臺(tái)定員為45 人，施工單位人員一般為60 人。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱水的消耗量一般為淡水消耗量的一半。因此，每天淡水消耗量總量如下：

高峰用水期的用水量大概為平均時(shí)期的5 倍。高峰期用水量：

式中：H 為泵的揚(yáng)程，m；ρ為介質(zhì)的密度，kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；dp 為泵出口處靜壓，Pa；sp為泵入口處靜壓，Pa；vd為泵出口流速，m/s；vs為泵入口流速，m/s；zd為泵出口處高度，m；zs為泵入口處高度，m。

為保證終端用戶調(diào)整水溫的便利性，應(yīng)盡可能保證終端處冷水和熱水的壓力一致，考慮到熱水管網(wǎng)壓力的損失 Δ h= 100 kPa ，終端冷水的壓力介于400～600 kPa 之間。此處取平均值500 kPa，得出熱水終端壓力為500 kPa，即 pd= 500 +Δh =600kPa[5]。

熱水循環(huán)泵的揚(yáng)程應(yīng)不小于 30.6 m，流量≥2.53 m3/h，電機(jī)根據(jù)參數(shù)配套選取。如果在泵的選擇上出口壓力過大，則可以在泵的出口處加一個(gè)減壓閥，將壓力降到合適即可。

2.2.3 新增配套部件

①壓力控制閥：壓力控制閥與循環(huán)泵并聯(lián)安裝以調(diào)節(jié)循環(huán)泵的出口壓力。該閥選為自力式壓力調(diào)節(jié)閥，設(shè)定值為500 kPa，當(dāng)泵的出口壓力超過500 kPa時(shí)該閥適度打開，讓部分熱水回流到泵的入口，使泵的出口壓力回到500 kPa?？紤]到30%的使用裕量，該閥的調(diào)節(jié)范圍可選為0～650 kPa；由于該閥與泵并聯(lián)調(diào)節(jié)，通過流量不大，該閥閥徑選為 2 in(50.8 mm)；閥體和閥內(nèi)組件選不銹鋼材質(zhì)，螺紋立式安裝。

②安全閥：安全閥安裝在循環(huán)泵的出口，壓力泄放至泵的進(jìn)口(或附近地漏)。該閥的設(shè)定值為750 kPa；考慮到30%的使用裕量，該閥的保護(hù)范圍可選為0～975 kPa；該閥閥徑選為2 in(50.8 mm)；閥體和閥內(nèi)組件選不銹鋼材質(zhì)，封閉彈簧全啟式安全閥，采用螺紋連接。

③Y 型濾器：為了避免管線中的銹渣、熱水結(jié)垢物等雜質(zhì)損壞泵，在泵的進(jìn)口處安一個(gè)Y 型過濾器。該過濾器通徑與管線一致為2 in(50.8 mm)，壓力等級(jí)為150 LB，材質(zhì)選用不銹鋼，螺紋連接，過濾精度為去除大于100μm 的雜質(zhì)。

2.2.4 方案二的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：熱水一直循環(huán)，避免熱水溫度降低，用戶可以隨時(shí)用上熱水。

缺點(diǎn)：海上平臺(tái)空間有限，新增泵所需空間不足；熱水循環(huán)泵一直運(yùn)行，增大了能耗和維護(hù)成本。

3 總 結(jié)

增加熱水回流管線之后，用戶可以隨時(shí)用上熱水。本文提到的2 種方案各有利弊，考慮平臺(tái)上空間有限和新增泵所需安裝空間不足，方案一更有可行性。但是方案二中熱水一直循環(huán)，水溫可以保持恒定(不考慮環(huán)境因素的變化)。實(shí)際的改造中可以參考上面的2 種方案，并綜合各因素適當(dāng)選取?！?/p>