海洋修井平台热源系统设计

2014-09-10徐增强

石油化工自动化 2014年5期

徐增强

(1. 中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东青岛 266580;2. 胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院海洋工程装备研究所，山东东营 257017)

胜利作业六号平台为自升式海洋修井平台，钢质非自航，可以完成海上单井或井组的洗井、压井、冲沙、检泵、分层等起下管柱修井作业[1]。自升式海洋修井平台在移航中一般采用托航的方式[2]，因而平台没有蒸汽动力装置及蒸汽涡轮发电机等主动力设备所组成的推进系统[3]。但是海洋平台需要热源系统来发挥以下作用：液舱加热、保温，作业甲板油污吹扫，海底门融冰、吹扫，海水泵底部融冰，试油设备加热以及杂用等。笔者结合工程实际，对自升式海洋平台热源系统进行了调研分析，完成了胜利作业六号平台热源系统的设计工作。

1 热源系统选择

海洋平台所用热源系统主要有蒸汽热源系统、热水加热系统和热媒油加热系统3种[4]。表1反映了不同热媒介质的参数比较情况。与蒸汽相比较，水的热容量低，通常需要用泵来使大量水在系统中循环以满足流程或空间加热需求。蒸汽则可以方便、高效地输送到用汽点，其所携带的热量相当于同等质量水所能携带热量的5～6倍，是可长距离传递热量的载体之一。而且由于蒸汽的流动是依靠管道内的压力降，因而不需要昂贵的循环泵系统。热媒油，例如矿物油，可以应用在高温(400 ℃ 以下)的情况下，而蒸汽在此时却无法使用。但是热媒油很昂贵，并且几年就需要更换，其管道连接需用高质量的接头并小心防范，以防止泄漏。相比之下，蒸汽产生、分配、冷凝水回收、管道安装等投资少，运行费用低。另外，由于饱和蒸汽的压力与温度有着直接的关系，通过控制饱和蒸汽的压力，就可以很容易地控制加入到过程中的能量，所以蒸汽控制能够非常快地对流程的变化作出反应[5]。通过比较发现，蒸汽热源系统是简单可行，易控制和最经济有效的选择。

表1 不同热媒介质加热系统参数比较

2 蒸汽压力的选择

饱和蒸汽汽化和凝结时的相变潜热比较大，是一种很好的热源介质，并且其温度和压力之间有固定的关系如图1所示，通过控制蒸汽压力就可以控制蒸汽温度，从而满足不同场所对加热温度的需求。

图1 不同压力下的饱和蒸汽温度曲线示意

饱和蒸汽焓是指饱和蒸汽的总能量，是水的焓值和蒸发焓的总和，如图2所示。从图2中可见，饱和蒸汽压力到0.7 MPa时，其蒸汽总焓基本到达极限状态。另外根据图3，蒸汽的比容随着压力升高而降低，而且低压下比容随压力变化非常大，压力较高时比容变化比较小。因此，使蒸汽压力最少达到0.7 MPa，才能保证热源系统的高效性、合理性与经济性。在设计中，选择饱和蒸汽压力为0.7 MPa(绝压为0.8 MPa，查饱和蒸汽温度与压力对照表可知，温度为170 ℃时，蒸汽热焓为2 768.4 kJ/kg，蒸汽的凝水焓为720.9 kJ/kg)，满足了使用要求。

图2 饱和蒸汽液体焓、蒸发焓、蒸汽总焓曲线

图3 饱和蒸汽的压力和比容的关系曲线

3 蒸汽消耗量计算

3.1 舱柜加热的蒸汽耗量

舱柜加热的蒸汽耗量计算公式：

(1)

式中：qm1——舱柜加热蒸汽耗量，kg/h；m1——舱柜内液体量，kg；CL——舱柜内液体比热，kJ/(kg·K)；t12——被加热介质终温，℃；t11——被加热介质初温，℃；t10——舱柜外部环境温度，℃；i1——加热蒸汽热焓，kJ/kg；i2——加热蒸汽的凝水焓，kJ/kg；AT1——舱柜表面积，m2；kT1——舱柜表散热系数，kJ/(m2·K)；T——加热时间，h。

胜利作业六号平台需要加热的舱柜主要有污油舱和热海水舱。

污油舱内蒸汽耗量qm11：m1=12 150 kg；CL=1.884 kJ/(kg·K)；被加热介质终温，参照文献[6]取t12=80 ℃；被加热介质初温取主机舱内环境温度，t11=35 ℃[7]；t10=35 ℃；i1=2 768.4 kJ/kg，i2=720.9 kJ/kg；AT1=44 m2；舱柜表面散热系数见表2所列，kT1=4×k2+k3+k5=51.77 kJ/ (m2·K)；T=24 h；代入式(1)，则：

qm11=45.99 kg/h

按照同样方法计算，热海水舱内蒸汽耗量qm12：

qm12=1 259.26 kg/h

表2 舱柜表面散热系数

3.2 液舱保温的蒸汽耗量

液舱保温的蒸汽耗量计算公式：

(2)

式中：qm2——舱柜保温蒸汽耗量，kg/h；AT2——液舱散热表面积，m2；kT2——液舱表面散热系数，kJ/(m2·K)；t22——保温温度，℃；t20——散热表面外部环境温度，℃。

胜利作业六号平台需要保温的液舱主要有左、右淡水舱，两舱各参数相同，对称布置。液舱散热表面积AT2=245.5 m2，kT2=76.77 kJ/(m2·K)，t22=15 ℃，t20=5 ℃，则：

qm2=184.10 kg/h

3.3 锅炉蒸汽耗量

蒸汽加热总量=qm1+qm2=1 489.35 kg/h，一般锅炉的效率为85%，则锅炉的总蒸汽量：qm=1 752.18 kg/h。

4 蒸汽系统的组成

蒸汽系统主要由锅炉、锅炉水处理系统、蒸汽减压系统、疏水阀组、冷凝水系统等组成。

4.1 锅炉

锅炉是整个蒸汽系统的心脏，典型的现代快装式锅炉都是采用燃烧器把热量输送到炉管内。作为燃烧器出来的高温烟气通过3回程通道把热量传递给水，当锅炉内的水达到饱和温度，气泡产生并上升到水的表面，发生破裂，蒸汽就释放到上部的蒸汽空间内，进而进入蒸汽系统。

笔者以莱顿蒸汽锅炉为例进行参数选择及流程设计。经过计算锅炉的总蒸汽量。参照锅炉选型样本，可以选择锅炉蒸汽压力为0.7 MPa，额定蒸发量为2 000 kg/h的LT2型燃油锅炉。该锅炉是一种单管直流、强制循环立式水管锅炉，其主要受热、受压元件为盘管，由扁平盘管和水冷壁盘管组成，上、下水冷壁盘管形成的内空腔即为燃烧室。燃油通过油泵经燃烧器雾化、点火后形成心状火焰，在燃烧室中充分燃烧，产生的高温烟气由下而上，通过辐射和对流换热后，从烟囱排出。锅炉的给水在水泵的作用下，由锅炉上部入口注入，从锅炉底部出口输送到汽水分离器，与烟气形成逆流。在介质水与逆向流动的烟气不断交换热量的过程中，形成汽水混合物，并流入汽水分离器；经过汽水分离，形成高品质的饱和蒸汽由主汽口输出。

4.2 锅炉水处理系统

锅炉用水的水质非常重要，给水和锅水都应达到一定的水质标准，才能够有效防止锅炉的结垢、腐蚀，保证蒸汽品质，避免对锅炉造成危害[8]。根据国内锅炉水质标准[9]，锅炉运行时应满足以下要求：不结水垢，硬度较高水质加热后就会结垢，降低了传热和效率，在极端情况下，局部会发生过热，导致机械损坏甚至炉管破裂；无腐蚀和化学侵蚀，如果水中溶解了气体，特别是氧气，锅炉换热表面、管道和其他设备就很可能发生腐蚀。

锅炉水处理方法大致分为锅外处理和锅内处理两种。结合工程实际，胜利作业六号平台采用锅外处理方式，主要对水进行软化及除氧。

1) Na+交换软化法是最常见的水软化工艺。原理：当原水经过Na+交换剂(强酸性阳离子交换树脂R吸附Na+制备)层时，水中的Ga2+， Mg2+等阳离子与交换剂中的Na+进行交换后被树脂吸附，使水得到软化[10]。

2) 除氧的工作方法主要有物理方法、化学方法和电化学方法三类[11]。其中，物理方法中的热力除氧，是将锅炉给水加热，减小氧的溶解度，使水中氧逸出，再将所产生的氧气连同水蒸气一同排除。处理后的水不会增加含盐量，也不会增加其他气体的溶解量，操作控制相对容易，而且运行稳定、可靠，是目前应用最多的一种除氧方法。化学方法中的联氨(肼)除氧则多用作热力除氧后的辅助措施，以达到彻底清除水中的残留氧，而不增加水的含盐量。

因此，笔者引入Na+交换软化法作为水的软化工艺；除氧则以热力除氧为主，以联氨(肼)除氧为辅的方法。

4.3 蒸汽减压系统

在蒸汽的输送及使用时，应该采取不同的压力，一般采用高压输送和低压使用的方法。原因： 1) 锅炉在高压下运行效率更高，蒸汽品质更好；2) 蒸汽的压力控制与蒸汽温度控制等同；3) 低压使用可增加安全可靠性，并减少冷凝水所含热量，减少二次蒸汽；4) 压力降低可以提供蒸汽中更大比例的潜热；5) 经过减压后蒸汽具有更高的干燥度[12]。

蒸汽减压系统的效率可以用拥效率进行计算。拥效率是表示传热设备在能量的数量和质量上利用的完善程度，对于减压系统来说，它是表示流出拥与流入拥的比值[13]，计算公式为

(3)

式中：ηex——拥效率；ex1，ex2——热力系统中相对于环境零态时的拥，kJ/kg；h1，h2——热力系统中焓，kJ/kg；h0——环境零态时的焓，kJ/kg；s1，s2——热力系统中熵，kJ/(kg·K)；s0——环境零态时的熵，kJ/(kg·K)；T0——环境零态时的温度，288 K。

根据使用习惯，一般蒸汽减压到0.4 MPa。查焓- 熵图知，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)。此时，拥效率ηex=0.924，可见，蒸汽减压阀对于蒸汽拥效率的改变不大，可以使用。

4.4 疏水阀组

蒸汽从一离开锅炉就开始不断失去热量变成冷凝水，冷凝水随着蒸汽在管道底部流动，造成以下危害：冷凝水膜会导致换热系数下降；会产生噪声和破坏性的水锤现象；排水不充分会导致接头部分泄漏。因此，冷凝水必须及时从分配系统的最低点清除出去，这就需要引入疏水阀。

疏水阀的种类主要有：机械型、热静力型、热动力型。在设计过程中，应综合考虑该三类疏水阀的优缺点，并结合蒸汽用途[14]，选择热静力型疏水阀中的波纹管式疏水阀。该种阀是较经济实用的节能型疏水阀，其主要优点：可任意角度安装，不受安装方位限制；背压率大于80%，不锈钢波纹管伸缩量大；阀前始终有冷凝水，形成可靠的水封，无蒸汽泄漏；不受振动、蒸汽压力波动和水锤的影响。

在每一个疏水阀的上游都应该安装1台过滤器，组成为1套疏水阀组。过滤器主要是过滤掉管道中的固体颗粒，延长疏水阀的使用寿命。过滤器压降可用经验公式计算：

(4)

式中： Δp——压降，MPa；qm3——质量流量，kg/h；KV——流量系数；p1——上游绝对压力，MPa。

以加热热海水舱蒸汽管线上的过滤器为例，qm3=1 259.26 kg/h，KV=29，p1=0.4 MPa，则Δp=9.6×10-4MPa，可见，过滤器产生蒸汽压降很微弱，可以使用。