徐增強(qiáng)

(1. 中國(guó)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(yíng) 257017)

勝利作業(yè)六號(hào)平臺(tái)為自升式海洋修井平臺(tái)，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(tái)在移航中一般采用托航的方式[2]，因而平臺(tái)沒(méi)有蒸汽動(dòng)力裝置及蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)等主動(dòng)力設(shè)備所組成的推進(jìn)系統(tǒng)[3]。但是海洋平臺(tái)需要熱源系統(tǒng)來(lái)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(mén)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(shí)際，對(duì)自升式海洋平臺(tái)熱源系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)研分析，完成了勝利作業(yè)六號(hào)平臺(tái)熱源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

1 熱源系統(tǒng)選擇

海洋平臺(tái)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(lái)使大量水在系統(tǒng)中循環(huán)以滿(mǎn)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(diǎn)，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(zhǎng)距離傳遞熱量的載體之一。而且由于蒸汽的流動(dòng)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(shí)卻無(wú)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(yùn)行費(fèi)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(guò)控制飽和蒸汽的壓力，就可以很容易地控制加入到過(guò)程中的能量，所以蒸汽控制能夠非?？斓貙?duì)流程的變化作出反應(yīng)[5]。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，蒸汽熱源系統(tǒng)是簡(jiǎn)單可行，易控制和最經(jīng)濟(jì)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(shí)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(guò)控制蒸汽壓力就可以控制蒸汽溫度，從而滿(mǎn)足不同場(chǎng)所對(duì)加熱溫度的需求。

圖1 不同壓力下的飽和蒸汽溫度曲線(xiàn)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(jiàn)，飽和蒸汽壓力到0.7 MPa時(shí)，其蒸汽總焓基本到達(dá)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(shí)比容變化比較小。因此，使蒸汽壓力最少達(dá)到0.7 MPa，才能保證熱源系統(tǒng)的高效性、合理性與經(jīng)濟(jì)性。在設(shè)計(jì)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(duì)照表可知，溫度為170 ℃時(shí)，蒸汽熱焓為2 768.4 kJ/kg，蒸汽的凝水焓為720.9 kJ/kg)，滿(mǎn)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(xiàn)

圖3 飽和蒸汽的壓力和比容的關(guān)系曲線(xiàn)

3 蒸汽消耗量計(jì)算

3.1 艙柜加熱的蒸汽耗量

艙柜加熱的蒸汽耗量計(jì)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(shí)間，h。

勝利作業(yè)六號(hào)平臺(tái)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(xiàn)[6]取t12=80 ℃；被加熱介質(zhì)初溫取主機(jī)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(jiàn)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(jì)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(jì)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(hào)平臺(tái)需要保溫的液艙主要有左、右淡水艙，兩艙各參數(shù)相同，對(duì)稱(chēng)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(gè)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(lái)的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)3回程通道把熱量傳遞給水，當(dāng)鍋爐內(nèi)的水達(dá)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(jìn)而進(jìn)入蒸汽系統(tǒng)。

筆者以萊頓蒸汽鍋爐為例進(jìn)行參數(shù)選擇及流程設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)計(jì)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(qiáng)制循環(huán)立式水管鍋爐，其主要受熱、受壓元件為盤(pán)管，由扁平盤(pán)管和水冷壁盤(pán)管組成，上、下水冷壁盤(pán)管形成的內(nèi)空腔即為燃燒室。燃油通過(guò)油泵經(jīng)燃燒器霧化、點(diǎn)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(guò)輻射和對(duì)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(dòng)的煙氣不斷交換熱量的過(guò)程中，形成汽水混合物，并流入汽水分離器；經(jīng)過(guò)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(dá)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(duì)鍋爐造成危害[8]。根據(jù)國(guó)內(nèi)鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[9]，鍋爐運(yùn)行時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求： 不結(jié)水垢，硬度較高水質(zhì)加熱后就會(huì)結(jié)垢，降低了傳熱和效率，在極端情況下，局部會(huì)發(fā)生過(guò)熱，導(dǎo)致機(jī)械損壞甚至爐管破裂；無(wú)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(shí)際，勝利作業(yè)六號(hào)平臺(tái)采用鍋外處理方式，主要對(duì)水進(jìn)行軟化及除氧。

1) Na+交換軟化法是最常見(jiàn)的水軟化工藝。原理： 當(dāng)原水經(jīng)過(guò)Na+交換劑(強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂R吸附Na+制備)層時(shí)，水中的Ga2+， Mg2+等陽(yáng)離子與交換劑中的Na+進(jìn)行交換后被樹(shù)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(lèi)[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(huì)增加含鹽量，也不會(huì)增加其他氣體的溶解量，操作控制相對(duì)容易，而且運(yùn)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(dá)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(shí)，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(yùn)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(guò)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(jìn)行計(jì)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(duì)于減壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它是表示流出擁與流入擁的比值[13]，計(jì)算公式為

(3)

式中：ηex——擁效率；ex1，ex2——熱力系統(tǒng)中相對(duì)于環(huán)境零態(tài)時(shí)的擁，kJ/kg；h1，h2——熱力系統(tǒng)中焓，kJ/kg；h0——環(huán)境零態(tài)時(shí)的焓，kJ/kg；s1，s2——熱力系統(tǒng)中熵，kJ/(kg·K)；s0——環(huán)境零態(tài)時(shí)的熵，kJ/(kg·K)；T0——環(huán)境零態(tài)時(shí)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(shí)，擁效率ηex=0.924，可見(jiàn)，蒸汽減壓閥對(duì)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(kāi)鍋爐就開(kāi)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(dòng)，造成以下危害： 冷凝水膜會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)下降；會(huì)產(chǎn)生噪聲和破壞性的水錘現(xiàn)象；排水不充分會(huì)導(dǎo)致接頭部分泄漏。因此，冷凝水必須及時(shí)從分配系統(tǒng)的最低點(diǎn)清除出去，這就需要引入疏水閥。

疏水閥的種類(lèi)主要有： 機(jī)械型、熱靜力型、熱動(dòng)力型。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮該三類(lèi)疏水閥的優(yōu)缺點(diǎn)，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(jì)實(shí)用的節(jié)能型疏水閥，其主要優(yōu)點(diǎn)： 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(wú)蒸汽泄漏；不受振動(dòng)、蒸汽壓力波動(dòng)和水錘的影響。

在每一個(gè)疏水閥的上游都應(yīng)該安裝1臺(tái)過(guò)濾器，組成為1套疏水閥組。過(guò)濾器主要是過(guò)濾掉管道中的固體顆粒，延長(zhǎng)疏水閥的使用壽命。過(guò)濾器壓降可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(duì)壓力，MPa。

以加熱熱海水艙蒸汽管線(xiàn)上的過(guò)濾器為例，qm3=1 259.26 kg/h，KV=29，p1=0.4 MPa，則Δp=9.6×10-4MPa，可見(jiàn)，過(guò)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(chēng)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(guò)疏水閥從壓力相對(duì)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(huì)閃蒸成閃蒸蒸汽。

根據(jù)冷凝水流動(dòng)時(shí)的動(dòng)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(lèi)[15]。勝利作業(yè)六號(hào)平臺(tái)，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(guò)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(guò)2臺(tái)海水泵從海水艙取水，經(jīng)過(guò)閃蒸蒸汽冷凝器，與閃蒸蒸汽進(jìn)行換熱后，泄放或者回收到熱海水艙。勝利作業(yè)六號(hào)蒸汽冷凝撬塊如圖4所示。

圖4 勝利作業(yè)六號(hào)蒸汽冷凝撬塊示意

5 結(jié)束語(yǔ)

1) 通過(guò)對(duì)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(jì)算、分析說(shuō)明、流程設(shè)計(jì)等可知，蒸汽系統(tǒng)簡(jiǎn)單可行、易控制、經(jīng)濟(jì)有效，對(duì)于低投資型海洋平臺(tái)，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(jì)性的關(guān)鍵參數(shù)。

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

4) 該設(shè)計(jì)已通過(guò)中國(guó)船級(jí)社海洋工程審圖中心審核并投用，現(xiàn)場(chǎng)使用情況良好，能夠滿(mǎn)足平臺(tái)液艙加熱、保溫，作業(yè)甲板油污吹掃，海底門(mén)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。

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