極寒地區(qū)某LNG模塊工廠電伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張萬(wàn)期，張 磊，唐 松，陳金帥，蔣玉峰

(天津修船技術(shù)研究所 天津300456)

本文介紹的 LNG模塊工廠處于北極地區(qū)，環(huán)境溫度最低為-50,℃，操作溫度最高要求達(dá)到 290,℃，嚴(yán)酷的低溫環(huán)境必須大量使用電伴熱以保證生產(chǎn)和工藝要求。

1 電伴熱介紹

為了防止石油和天然氣開發(fā)工程中工藝生產(chǎn)設(shè)施和生活設(shè)施的各種管線、閥門、儀表及容器等凍結(jié)而設(shè)計(jì)了電伴熱系統(tǒng)。電伴熱裝置簡(jiǎn)單，發(fā)熱均勻，溫度準(zhǔn)確，啟動(dòng)快速，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控及遙控，具有防爆、防火性能，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高，運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多地被海洋石油和天然氣行業(yè)所認(rèn)可。

2 電伴熱設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目使用的電伴熱材料涵蓋瑞侃 RAYCHEM(國(guó)際知名電伴熱供貨商濱特爾 PENTRAIR旗下)所有系列產(chǎn)品。

2.1 電伴熱帶類型

電伴熱帶包括自調(diào)控電伴熱(SR)、高溫限功率電伴熱(VPL)、恒功率聚合物絕緣電伴熱帶(XPI)、礦物絕緣電伴熱(MI)、集膚效應(yīng)電伴熱(STS)等。自調(diào)控和礦物絕緣電伴熱帶安裝如圖1、2所示。

圖1 自調(diào)控電伴熱帶安裝圖Fig.1 Installation picture of self-regulating heating cable(MI)heating

圖2 礦物絕緣電伴熱帶安裝圖Fig.2 Installation picture of mineral insulated cable

2.2 電伴熱設(shè)計(jì)原則

為確保電伴熱系統(tǒng)的可靠性，電伴熱設(shè)計(jì)遵循以下原則：

2.2.1 應(yīng)急回路由應(yīng)急電伴熱盤供電。所有應(yīng)急電伴熱有備用回路(n+1運(yùn)行設(shè)計(jì))，主回路與備用回路由不同斷路器保護(hù)。

2.2.2 管線電伴熱主加熱回路與備用加熱回路電伴熱帶布置嚴(yán)格一致。

2.2.3 儀表電伴熱冗余設(shè)計(jì)將取決于相關(guān)臨界狀態(tài)。正常類型儀表(2類)將采用單獨(dú)電伴熱帶或固定在單獨(dú)加熱器盒中，并都由單獨(dú)一路正常電源供電。應(yīng)急類型儀表(1類)或關(guān)鍵類型儀表(1A類)將由至少兩路電伴熱帶或固定在有兩個(gè)獨(dú)立加熱器的盒中，并都由兩路獨(dú)立應(yīng)急系統(tǒng)電源供電。

2.2.4 正常回路由正?，F(xiàn)場(chǎng)盤供電。由應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)盤供電的正?；芈烦?某個(gè)遠(yuǎn)離正?，F(xiàn)場(chǎng)盤的孤立正?；芈冯姲闊?。此例不適用于應(yīng)急回路，應(yīng)急回路始終由應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)盤供電。

2.2.5 主設(shè)備(泵、儀表等)的電伴熱與其備用設(shè)備不能由同一電伴熱盤以及同一回路供電。

2.3 電伴熱回路配電典型圖設(shè)計(jì)

2.3.1 典型圖圖例(見圖3)

2.3.2 配電典型電路圖1

描述：電伴熱電纜直接連接到動(dòng)力接線箱、配電盤、中間接線箱。

電氣控制：監(jiān)測(cè)盤柜所有開關(guān)的狀態(tài)。

溫度控制：溫度和監(jiān)測(cè)僅通過PACS監(jiān)測(cè)允許最小的功率消耗，不監(jiān)測(cè)電伴熱系統(tǒng)溫度。

冗余設(shè)計(jì)：無(wú)。

切負(fù)荷：在回路無(wú)指定的切負(fù)荷功能。

典型電路如圖4所示。

圖3 典型圖圖例Fig.3 Typical drawing legend

圖4 典型電路圖1Fig.4 Typical circuit diagram 1

2.3.3 配電典型電路圖2

描述：電伴熱電纜直接連接到動(dòng)力接線箱、配電盤、中間接線箱。

電氣控制：監(jiān)測(cè)盤柜每個(gè)開關(guān)的狀態(tài)。

溫度控制：無(wú)溫度控制，由第三方負(fù)荷系統(tǒng)管理。

冗余設(shè)計(jì)：無(wú)或由第三方提供冗余。

切負(fù)荷：在回路無(wú)指定的切負(fù)荷功能。

典型電路如圖5所示。

圖5 典型電路圖2Fig.5 Typical circuit diagram 2

2.3.4 配電典型電路圖3

描述：一個(gè)正常回路和一個(gè)冗余回路電伴熱電纜連接到現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，開關(guān)連接到中間接線箱，中間接線箱再到電伴熱盤。

電氣控制：控制和監(jiān)測(cè)盤柜每個(gè)開關(guān)。

溫度控制：通過 PACS監(jiān)測(cè)功率消耗，不監(jiān)測(cè)溫度。

冗余設(shè)計(jì)：現(xiàn)場(chǎng)維修時(shí)手動(dòng)激活冗余回路。

切負(fù)荷：回路無(wú)指定的切負(fù)荷功能。

典型電路如圖6所示。

圖6 典型電路圖3Fig.6 Typical circuit diagram 3

2.3.5 配電典型電路圖4

描述：一個(gè)正?；芈泛鸵粋€(gè)冗余回路電伴熱電纜連接到現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，轉(zhuǎn)換開關(guān)連接到溫度控制器，溫度控制器連接到中間接線箱，中間接線箱最終連接到電伴熱盤。

電氣控制：控制和監(jiān)測(cè)盤柜每個(gè)開關(guān)，配置多功能控制器。

溫度控制：溫度控制和監(jiān)測(cè)測(cè)量工藝系統(tǒng)的溫度，兩個(gè)探針連接到溫度控制器，當(dāng)一個(gè)探針監(jiān)測(cè)到損壞，通過自動(dòng)開孔轉(zhuǎn)換到冗余回路。

冗余設(shè)計(jì)：現(xiàn)場(chǎng)維修時(shí)手動(dòng)激活冗余回路。

切負(fù)荷：高級(jí)切換負(fù)荷功能。

典型電路如圖7所示。

圖7 典型電路圖4Fig.7 Typical circuit diagram 4

2.3.6 配電典型電路圖5A

描述：正?；芈泛腿哂嗷芈冯姲闊犭娎|分別連接到溫度控制器，溫度控制器連接到中間接線箱，中間接線箱連接到電伴熱盤。

電氣控制：控制監(jiān)測(cè)每個(gè)回路的電壓、工作電流。

溫度控制：溫度控制和監(jiān)測(cè)測(cè)量工藝系統(tǒng)的溫度。

冗余設(shè)計(jì)：完全冗余自動(dòng)激活。

切負(fù)荷：回路無(wú)指定的切負(fù)荷功能。

典型電路如圖8所示。

圖8 典型電路圖5AFig.8 Typical circuit diagram 5A

2.3.7 配電典型電路圖5B

描述：正?；芈泛腿哂嗷芈冯姲闊犭娎|分別連接到溫度控制器，溫度控制器連接到中間接線箱，中間接線箱再連接到電伴熱盤。

圖9 典型電路圖5BFig.9 Typical circuit diagram 5B

電氣控制：控制監(jiān)測(cè)每個(gè)回路的電壓，工作電流。

溫度控制：溫度控制和監(jiān)測(cè)測(cè)量工藝系統(tǒng)的溫度。

冗余設(shè)計(jì)：完全冗余自動(dòng)激活。切負(fù)荷：高級(jí)切換負(fù)荷功能。

典型電路如圖9所示。

2.3.8 配電典型電路圖6A描述：集膚效應(yīng)系統(tǒng)用于大于500,m的單管線。電氣控制：監(jiān)測(cè)電壓、工作電流(當(dāng)為 IT系統(tǒng)時(shí)無(wú)漏電)。

溫度控制：溫度控制和監(jiān)測(cè)測(cè)量工藝系統(tǒng)的溫度。

冗余設(shè)計(jì)：無(wú)。切負(fù)荷：無(wú)負(fù)荷切換。典型電路如圖10所示。

圖10 典型電路圖6AFig.10 Typical circuit diagram 6A

2.3.9 配電典型電路圖6B

描述：集膚效應(yīng)系統(tǒng)用于大于 500,m的雙管線，正常工況每個(gè)回路各帶 50%,負(fù)荷，當(dāng)一個(gè)回路出現(xiàn)問題，另一個(gè)回路帶100%,負(fù)荷。

電氣控制：監(jiān)測(cè)電壓、工作電流(當(dāng)為 IT系統(tǒng)時(shí)無(wú)漏電)。

溫度控制：溫度控制和監(jiān)測(cè)測(cè)量工藝系統(tǒng)的溫度。

冗余設(shè)計(jì)：完全冗余自動(dòng)激活。

切負(fù)荷：當(dāng)應(yīng)急柴油發(fā)電大增益時(shí)，切換到高級(jí)負(fù)荷功能。

典型電路如圖11所示。

2.4 集膚效應(yīng)電伴熱

集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)是一種基于電流的集膚效應(yīng)及鄰近效應(yīng)原理的電伴熱系統(tǒng)，在應(yīng)用中電流由耐溫電纜將電流送到發(fā)熱鋼管的尾端，電流通過發(fā)熱鋼管返回時(shí)，僅沿著鋼管很薄的內(nèi)表面流動(dòng)并發(fā)熱，而鋼管的外表面不帶電，常用于長(zhǎng)度比較長(zhǎng)的鋼管。電伴熱安裝圖如圖12所示。

圖11 典型電路圖6BFig.11 Typical circuit diagram 6B

圖12 集膚效應(yīng)電伴熱典型圖Fig.12 Typical diagram of Skin effect heat Tracing System(STS)

2.5 熱系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)圖(見圖13)

3 電伴熱設(shè)備集中放置設(shè)計(jì)

圖13 電伴熱系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)圖Fig.13 The control network of Heat Tracing System(STS)

根據(jù)電伴熱系統(tǒng)配電典型圖，電伴熱盤柜與電伴熱帶電源盒之間通常存在3種設(shè)備，分別為中間接線箱、轉(zhuǎn)換開關(guān)和溫度控制器。如果每個(gè)回路設(shè)備制作1個(gè)支架安裝，每個(gè)模塊將需要預(yù)制安裝200多個(gè)電伴熱設(shè)備支架，相應(yīng)的電伴熱電纜托架設(shè)計(jì)工作量也會(huì)增加很多，占用空間較大。通過分析，對(duì)上述 3類設(shè)備位置進(jìn)行了集中放置設(shè)計(jì)及建模，根據(jù)每層甲板電伴熱回路中間設(shè)備的數(shù)量來(lái)設(shè)計(jì)集中支架，采用就近原則定位，方便控制監(jiān)測(cè)。該設(shè)計(jì)節(jié)省了大量模塊空間和人力投入，節(jié)省項(xiàng)目成本，是實(shí)現(xiàn)“降本增效”的有效措施，值得類似項(xiàng)目推廣。

3.1 電伴熱設(shè)備集中放置

電伴熱集中放置設(shè)計(jì)包括設(shè)備安裝圖、詳細(xì)信息表和建模，典型圖如圖14所示。

3.2 電伴熱中間設(shè)備集中放置的優(yōu)點(diǎn)

3.2.1 節(jié)省設(shè)備支架安裝成本和模塊安裝空間。每個(gè)模塊設(shè)備安裝支架由二百多縮減到十幾個(gè)，大大節(jié)省了安裝空間和施工工作量。

3.2.2 降低次級(jí)路徑設(shè)計(jì)成本和托架安裝成本。本項(xiàng)目要求所有電纜敷設(shè)于電纜托架和穿線管內(nèi)，由于電伴熱回路設(shè)備定位比較分散，若是按照原設(shè)計(jì)位置規(guī)劃電纜路徑，需要投入大量人力設(shè)計(jì)電纜托架和支架路徑及建模，托架和托架支架材料成本較高，且占用空間較大，后期安裝投入成本高。中間設(shè)備集中放置后，可以大大節(jié)省設(shè)計(jì)安裝成本，設(shè)計(jì)更為合理。

表1 詳細(xì)信息表Tab.1 Detailed information

圖14 集中放置典型圖Fig.14 Typical diagram of centralization relocation

3.2.3 方便施工更改。由于在施工工程中電伴熱系統(tǒng)圖紙屢次升版，電伴熱回路設(shè)備不斷調(diào)整，中間設(shè)備有增減。若是單回路設(shè)計(jì)，電伴熱支架需要重新預(yù)制定位安裝或報(bào)廢割除。集中支架放置電伴熱回路較多，設(shè)備較多，調(diào)整容易，可直接更換設(shè)備編號(hào)或重新打孔安裝，利用支架空間，節(jié)省修改工作量。

3.2.4 布局更人性化。電伴熱設(shè)備集中放置后，此區(qū)

域的電伴熱回路工作狀態(tài)集中監(jiān)測(cè)，方便操作，比單回路定位安裝布局合理，減少巡視點(diǎn)，更加人性化。

集中放置典型安裝圖如圖15所示。

圖15 集中放置典型安裝圖Fig15 Typical installation of centralized relocation

3.3 電伴熱中間設(shè)備集中放置的問題

3.3.1 由于單個(gè)供配電回路從電伴熱盤柜出來(lái)后一般分三級(jí)，電纜分別為1根、2根、4或6根，越是末端電纜根數(shù)越多。若是中間設(shè)備集中放置，電伴熱系統(tǒng)總電纜長(zhǎng)度相對(duì)于設(shè)備單獨(dú)布置會(huì)增加。

3.3.2 由于極寒地區(qū)，每個(gè)模塊電伴熱供電回路較多，中間設(shè)備也較多，前期設(shè)備集中放置定位、電纜路徑規(guī)劃及建模工作量大，需設(shè)計(jì)投入大量人力。

綜合考慮還是采用集中放置能夠降本增效，提高項(xiàng)目質(zhì)量。

4 結(jié) 語(yǔ)

本項(xiàng)目地處北極嚴(yán)寒地區(qū)，目前是全球首個(gè)北極圈天然氣開發(fā)項(xiàng)目，嚴(yán)酷的低溫環(huán)境必須大量使用電伴熱以保證生產(chǎn)正常運(yùn)行。本項(xiàng)目是截至目前電伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)最復(fù)雜、最完善，電伴熱設(shè)備種類最多、最全，可靠性最高，程控化最大的LNG項(xiàng)目。電伴熱系統(tǒng)典型配電回路及集中放置設(shè)計(jì)成果值得借鑒。

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