海上平台热水系统全循环供水改造方案对比

2022-10-10冯勇

天津科技 2022年9期

关键词：淡水水温热水

冯勇

(中海石油(中国)有限公司天津分公司辽东作业公司天津 300457)

0 引言

海上平台人员在生活和工作中都需要热水，故平台上要设置热水系统。某采油平台的热水由热水柜提供，输送压力由淡水压力柜提供。

热水系统按管网的设置分为全循环、半循环、无循环3 种模式[1]。目前该平台热水系统采用无循环的热水系统为用户供水。用户使用热水时需先放出一部分冷水才能用上热水，不仅浪费淡水资源，其生活和工作体验也差。

1 热水系统现状

该平台采用的是热水集中加热，并由淡水管线输送到各用户终端。热水系统主要由热水柜、电加热器、管线及各种阀门等组成。热水柜的容量为2 m3，淡水由淡水压力柜进行补给，操作压力为 400～600 kPa。在热水柜内部安装有一台60 kW 的电加热器，将淡水加热到50～70 ℃。

1.1 热水系统工作原理

热水系统流程如图1 所示，该热水系统没有循环管线，即采用无循环供水模式。淡水从淡水压力柜进入热水柜并填充整个热水管网，工作压力由淡水压力柜提供，当用户使用热水后，管网压力下降，淡水压力柜驱动热水流出，并不断补充淡水。热水由电加热器进行加热，温度开关TSHL 7932 自动控制电加热器的启停。当水温达到70 ℃时，TSHL 7932 触发电加热器停止；当水温降到50 ℃时，TSHL 7932 触发电加热器启动。如果水温超过80 ℃，高温开关TSH-7931 触发中控报警。热水柜上安装安全阀 PSV-7931，当压力超过950 kPa 时进行压力泄放。

图1 热水流程总图Fig.1 General diagram of hot water system

1.2 存在的问题

这种无循环热水系统具有投资小、维护简单的优点，但也存在一些问题。主要是使用热水时需要先放掉一部分冷水才能用上热水，这种情况在冬季更为明显，造成了资源浪费和生活不便。

主要原因是无循环热水系统中的水在不使用时为死水，一段时间内若不流动将会自然冷却。另外，热水管线较长，主管线尺寸较大，管内热水冷却速度较快。

2 改造方案

解决热水系统弊端的主要方法是让管网中的水实现循环流通加热，可通过在管网中增加回流管线实现水的循环流通。但只在主管线上加回流管线，即只进行半循环改造，不能彻底解决存在的问题，需进行全循环供水改造，即每个用水支路管线都加回流管线。考虑到海上平台空间资源稀缺、管线布局复杂和循环动力选择等问题，经综合考虑，提出了2 种全循环供水方案。

2.1 方案一

该方案为开式全循环系统，由现有的淡水压力柜提供循环动力。将回流主管线出口接到淡水罐顶，主管线进淡水罐处加一个温度控制阀，温控阀的开启由主管线上新增的温度开关进行控制。当管线热水温度低于设定值时，温控阀开启，热水回流到淡水罐内，从而实现热水循环。方案一流程图如图2 所示。

图2 改造后的热水系统总图Fig.2 General diagram of transformed hot water system

2.1.1 方案一说明

①新增管线：各热水终端用户增加一条支路回流管线，所有支路回流管线汇总到回流主管线上，主管线经呼吸口与淡水罐连接。支路回流管线尺寸规格为1 in(25.4 mm)，回流主管线为2 in(50.8 mm)，管线的压力等级、材质、腐蚀余量分别为：ANSI 150LB、镀锌碳钢、1.5 mm。为了避免与管线发生电化学反应，变径、三通、弯头的压力等级、材质、腐蚀余量需与管线一致。

②新增阀门：在回流主管线温控阀的上游端安装一个截止阀，下游端无需安装截止阀。温控阀选用双作用气动控制球阀，气源用平台仪表气。考虑到流通介质是淡水，其腐蚀、电化学反应弱、压力低，且水温较高，所以该阀可用内螺纹连接、直通式、公称压力150 LB、阀体材质为1Cr18Ni12Mo 2 TI 的气动球阀。温控阀的控制温度取自热水主管线。热水柜产生的水温50～70 ℃，人体感知水温的舒适点为40 ℃，因此将温控阀的开启温度设为40 ℃。开启温度设定过低，水温也会降低，人体会感觉不适；开启温度设定过高，热水管线回流量增加，能耗增大。

③新增温度开关：温度开关用来控制热水管网的水温，当水温高于40 ℃时，温控阀关闭；当水温低于40 ℃时，温控阀打开，使管线内热水开启循环。该温度开关采用DC24V，测量范围为0～100 ℃，精度±3 ℃，安装采用内埋式，并做好防潮措施。

2.1.2 方案一的优缺点

优点：方案简单，仅需回流管线、温控阀、温度开关及截止阀等；在冬天，因热水的回流，淡水罐内置电加热器无需开启。

缺点：因热水回流到淡水罐导致热水柜的能耗增大，温度开关设定值越高，热能损耗越大；当集中使用热水量很大时会造成回流开启，进一步影响热水供应。

2.2 方案二

该方案为闭式全循环，热水的循环动力由新增的离心泵提供。该方案中回流主管线经热水柜下面排放阀上游端进入，形成闭式回路。热水柜管线出口新增热水循环泵，实现热水循环。循环泵的选型主要涉及流量和扬程的计算[2]。

2.2.1 方案二的流程图

方案二的流程图如图3 所示。方案二与方案一在生活楼内部新加管线安装相同；所用管线及变径、三通、弯头及阀门均相同，此处不予赘述。

图3 方案二总流程图Fig.3 General diagram of scheme 2

2.2.2 热水循环泵的计算及选型

热水循环泵方案的关键设备采用AC380V 的单级单吸卧式离心泵。选型基于如下考虑：①循环泵应满足系统中所需的最大流量和扬程，并保证水泵的最佳工况点，以提高水泵长期运行的经济性；②结构简单、体积小、重量轻、效率较高；③运行安全可靠、平稳、振动小、噪音低、抗汽蚀性能好；④选择适用于流量变化大而扬程变化不大的水泵，即G—H 特性曲线趋于平坦的水泵。

挪威国家石油局工艺设计手册规定：淡水日消耗量，正常情况下平台上工作人员每日消耗0.25 m3/d，临时工作人员0.15 m3/d[3]。

淡水消耗量如下式所示：

式中：Q 为淡水消耗量，m3/D；N1为平台上工作人员数目；N2为平台上临时工作人员；T 为补偿系数，一般为1.2。

该平台定员为45 人，施工单位人员一般为60 人。根据经验及数据统计，热水的消耗量一般为淡水消耗量的一半。因此，每天淡水消耗量总量如下：

高峰用水期的用水量大概为平均时期的5 倍。高峰期用水量：

式中：H 为泵的扬程，m；ρ为介质的密度，kg/m3；g为重力加速度，9.8 m/s2；dp 为泵出口处静压，Pa；sp为泵入口处静压，Pa；vd为泵出口流速，m/s；vs为泵入口流速，m/s；zd为泵出口处高度，m；zs为泵入口处高度，m。

为保证终端用户调整水温的便利性，应尽可能保证终端处冷水和热水的压力一致，考虑到热水管网压力的损失 Δ h= 100 kPa ，终端冷水的压力介于400～600 kPa 之间。此处取平均值500 kPa，得出热水终端压力为500 kPa，即 pd= 500 +Δh =600kPa[5]。

热水循环泵的扬程应不小于 30.6 m，流量≥2.53 m3/h，电机根据参数配套选取。如果在泵的选择上出口压力过大，则可以在泵的出口处加一个减压阀，将压力降到合适即可。

2.2.3 新增配套部件

①压力控制阀：压力控制阀与循环泵并联安装以调节循环泵的出口压力。该阀选为自力式压力调节阀，设定值为500 kPa，当泵的出口压力超过500 kPa时该阀适度打开，让部分热水回流到泵的入口，使泵的出口压力回到500 kPa。考虑到30%的使用裕量，该阀的调节范围可选为0～650 kPa；由于该阀与泵并联调节，通过流量不大，该阀阀径选为 2 in(50.8 mm)；阀体和阀内组件选不锈钢材质，螺纹立式安装。

②安全阀：安全阀安装在循环泵的出口，压力泄放至泵的进口(或附近地漏)。该阀的设定值为750 kPa；考虑到30%的使用裕量，该阀的保护范围可选为0～975 kPa；该阀阀径选为2 in(50.8 mm)；阀体和阀内组件选不锈钢材质，封闭弹簧全启式安全阀，采用螺纹连接。

③Y 型滤器：为了避免管线中的锈渣、热水结垢物等杂质损坏泵，在泵的进口处安一个Y 型过滤器。该过滤器通径与管线一致为2 in(50.8 mm)，压力等级为150 LB，材质选用不锈钢，螺纹连接，过滤精度为去除大于100µm 的杂质。

2.2.4 方案二的优缺点

优点：热水一直循环，避免热水温度降低，用户可以随时用上热水。

缺点：海上平台空间有限，新增泵所需空间不足；热水循环泵一直运行，增大了能耗和维护成本。