半潛式鉆井平臺(tái)電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

何吉飛

（戈朗（上海）海事技術(shù)咨詢有限公司，上海 201206）

0 引言

世界能源需求迅速增長(zhǎng)，石油和天然氣行業(yè)被迫尋找新的勘探和生產(chǎn)區(qū)域，挪威北海及巴倫支海海域含有大量尚未開(kāi)發(fā)的石油，從而使其成為一個(gè)有吸引力的地區(qū)，但此地區(qū)海況惡劣，環(huán)境溫度可低至?20℃，對(duì)海工裝備的性能要求非?？量?，為了保證平臺(tái)的正常作業(yè)及逃生要求，防凍措施必不可少，在20世紀(jì)70年代之前，伴熱主要是以蒸汽或熱水為介質(zhì)，但是蒸汽、熱水的散熱量不易控制，其保溫效率始終處于較低的水平。到了80年代，包括能源業(yè)在內(nèi)的很多行業(yè)已廣泛推廣了電伴熱技術(shù)，以電伴熱全面取代蒸汽伴熱。電伴熱技術(shù)至今，已由傳統(tǒng)的恒功率伴熱發(fā)展到以導(dǎo)電塑料為核心的自控溫電伴熱，本文介紹的電伴熱就是在平臺(tái)項(xiàng)目中已廣泛使用的自控溫電伴熱。

1 GM4-D項(xiàng)目簡(jiǎn)介[1]

GM4-D系列半潛式鉆井平臺(tái)最大工作水深500 m，最大鉆井深度8 000 m，最低工作環(huán)境溫度?20℃，滿足冰級(jí)要求，配置DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)和8點(diǎn)系泊系統(tǒng)。該系列平臺(tái)型長(zhǎng)106.75 m、型寬73.70 m、型深34.0 m、設(shè)計(jì)吃水10.1 m～21.0 m，最大可變甲板載荷4 100 t，額定居住人員130人，其設(shè)計(jì)依照挪威北海海況，同時(shí)兼顧北極圈及巴倫支海海況要求，能夠抵御北海百年一遇的風(fēng)暴，滿足 PSA（挪威石油安全管理局）、NMA（挪威海事局）和NORSOK（挪威海上工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）及其他相關(guān)國(guó)際平臺(tái)規(guī)則的要求，入級(jí)挪威船級(jí)社。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

本文主要介紹應(yīng)用于管路系統(tǒng)和逃生通道系統(tǒng)的電伴熱，設(shè)備（比如雷達(dá)天線、救生艇、駕駛室加熱玻璃、室外消防炮等）的電伴熱一般是由廠家自帶，工作原理和操作不盡相同，在此不一一詳述。

2.1 管路電伴熱要求

所有管道，儀表和裝有液體的設(shè)備都被認(rèn)為是管路的一部分。暴露部分的管路都需要根據(jù)適用規(guī)則和規(guī)定安裝自控溫伴熱帶[1-2]，但是含有防凍液的管路除外。伴熱帶及其配件的安裝需要根據(jù)廠家的要求和建議。

2.2 通道電伴熱要求

所有通往外部逃生通道的門都應(yīng)在門框內(nèi)裝有伴熱帶[2]，以防止門由于結(jié)冰而被堵塞。在暴露甲板上的所有逃生路線，包括開(kāi)放的集合區(qū)域（如直升機(jī)甲板，救生艇甲板等），應(yīng)急設(shè)備操作區(qū)域（如室外消防炮平臺(tái)，救生衣柜區(qū)域等）都應(yīng)在甲板下安裝自控溫伴熱帶，逃生通道上的樓梯部分、踏步和扶手也應(yīng)安裝。

2.3 電伴熱功率要求

根據(jù)DNV規(guī)范要求（圖1）[3]，對(duì)于室外逃生通道的電伴熱功率不低于300 W/m2，通道上的欄桿扶手電伴熱功率不低于50 W/ m2。對(duì)于管路沒(méi)有具體的功率要求，因?yàn)椴煌橘|(zhì)及保持溫度會(huì)影響到功率的需求，但基本原則是伴熱帶產(chǎn)生的熱量要大于熱損失。對(duì)本項(xiàng)目，由于所有實(shí)施電伴熱的管路介質(zhì)均為水，所以保持溫度只需大于0℃即可，設(shè)定為5℃。

圖1 DNV規(guī)范要求

2.4 電伴熱供電要求

供電配置應(yīng)有一定的冗余，以確保在丟失一組電源的情況下，和安全相關(guān)的電伴熱仍然可以滿足最小功率需求。在本項(xiàng)目中，電力系統(tǒng)由 6臺(tái)發(fā)電機(jī)組成，均分成A、B、C三個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)對(duì)應(yīng)1個(gè)230 VAC防凍配電盤，所有的電伴熱均由此3個(gè)專用配電盤供電，對(duì)配電盤采取了3×50%冗余配置方案，即每個(gè)配電盤至少能提供總電伴熱功率的 50%，根據(jù)DNV規(guī)范要求，每個(gè)配電板必須配置安培表或功率表，以在配電板上顯示各分路功率和總功率。所有的回路須配置接地故障監(jiān)測(cè)報(bào)警、漏電保護(hù)和運(yùn)行指示燈。

3 自控溫伴熱系統(tǒng)的組成及原理

圖2 自控溫電伴熱系統(tǒng)典型配置

自控溫伴熱系統(tǒng)主要由電控箱、接線盒、自控溫伴熱帶和溫度傳感器組成[4]（圖2）。用于防凍目的的電伴熱，需要根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)開(kāi)啟，所以需配置溫度感應(yīng)器，如果用于除凍目的，可以是手動(dòng)開(kāi)啟模式，無(wú)須配置溫度傳感器。

自控溫電伴熱帶的主要原理是，在兩條平行線路中充填導(dǎo)電塑料（圖3），電熱帶接通電源后（注意尾端線芯不得連接），電流由一根線芯經(jīng)過(guò)導(dǎo)電的PTC材料到另一線芯而形成回路。電能使導(dǎo)電材料升溫，其電阻隨即增加，當(dāng)芯帶溫度升至某值之后，電阻大到幾乎阻斷電流的程度，其溫度不再升高，與此同時(shí)電熱帶向溫度較低的被加熱體系傳熱。電熱帶的功率主要受控于傳熱過(guò)程，隨被加熱體系的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率，而傳統(tǒng)的恒功率加熱器卻無(wú)此功能。

圖3 自控溫伴熱帶

4 伴熱帶選用方法

在選擇伴熱帶產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)綜合考慮各種因素，如適用性、經(jīng)濟(jì)性、供電條件、安裝環(huán)境等，主要選擇原則是電伴熱的發(fā)熱量須大于熱損失量，所以熱損失的計(jì)算是選擇的關(guān)鍵要素，具體選用步驟，以管路伴熱帶為例，簡(jiǎn)要介紹如下。

4.1 計(jì)算熱損失[5-6]

工藝條件：保持溫度TP、最低環(huán)境溫度Ta、管徑、保溫材料、保溫層厚度、導(dǎo)熱系數(shù)等。

式中，q為每米管道的熱損失，W/m；TP為管道保持溫度，℃；Ta為最低環(huán)境溫度，℃；K為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，可通過(guò)查閱手冊(cè)獲得；D1為保溫材料內(nèi)徑，m；D2為保溫材料外徑，m。

例：TP=5℃，Ta=?20℃，管徑=100 mm，保溫材料=巖棉，保溫層厚度=50 mm，K=0.040。因此管道熱損失q=15.32 W/m。

4.2 從伴熱帶廠家目錄中確定系列

本次計(jì)算以Raychem系列產(chǎn)品為例，平臺(tái)工作環(huán)境溫度為?20℃～35℃[1]，管線介質(zhì)均為水，最高工作溫度不超過(guò)65℃，所以根據(jù)表1，溫度等級(jí)T6即可，確定系列為BTV2-CT/CR，其中：-CR為鍍錫銅絲編織網(wǎng)外的經(jīng)過(guò)改進(jìn)的聚合物保護(hù)層；-CT為鍍錫銅絲編織網(wǎng)外的含氟化合物保護(hù)層，對(duì)于存在潛在電能與有腐蝕的化學(xué)藥劑接觸的區(qū)域，可以選擇此類型。對(duì)于本項(xiàng)目，伴熱帶的敷設(shè)可能會(huì)穿過(guò)泥漿區(qū)域或機(jī)械區(qū)，有受到泥漿或油污腐蝕的可能性，所以選擇CT類型，確定BTV2-CT為所選系列。

表1 Raychem系列產(chǎn)品溫度等級(jí)[4]

4.3 選擇合適的伴熱帶

圖4 功率-溫度曲線表

確定好伴熱帶型號(hào)后，還需要確定功率密度，BTV2-CT有4種功率密度的伴熱帶，根據(jù)其大小排序?yàn)锳/B/C/D，先在保持溫度點(diǎn)劃一豎線（5℃），在熱損失值點(diǎn)劃一橫線（15.32 W/m），在交叉點(diǎn)上方最近的曲線即為合適的功率密度伴熱帶。根據(jù)下列功率-溫度曲線表（圖4）[4]，C 5BTV2-CT即為最終確定的伴熱帶型號(hào)。

5 日常維護(hù)

電伴熱系統(tǒng)需要在每年進(jìn)行為期 2次的例行檢查，經(jīng)過(guò)外界環(huán)境的變化，電伴熱的整套系統(tǒng)需要在天氣降溫前進(jìn)行系統(tǒng)的檢查。

由于天氣變化，風(fēng)吹雨淋以及平臺(tái)在運(yùn)作過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)對(duì)電伴熱系統(tǒng)的保溫層、電伴熱帶、配件等造成一定損壞，對(duì)于損壞的保溫層要及時(shí)進(jìn)行更換與維護(hù)，保證內(nèi)部的電伴熱系統(tǒng)完全防水。由于內(nèi)部積水的問(wèn)題，可能會(huì)對(duì)伴熱帶的局部進(jìn)行滲漏，引起絕緣故障，盡管即使采用改性聚烯烴或含氟材料外護(hù)套，嚴(yán)重時(shí)還是會(huì)導(dǎo)致短路，因此對(duì)以上工作要進(jìn)行一次詳細(xì)的維修記錄便于下次的維修細(xì)節(jié)與時(shí)間。檢測(cè)伴熱帶的連續(xù)性和絕緣電阻的測(cè)試，使用500 V的要表測(cè)量電阻應(yīng)該要大于5 MΩ，一般是在每一個(gè)回路的尾端進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果在詳細(xì)地記錄以便將問(wèn)題反饋給廠家。如果某一段出現(xiàn)破損甚至不熱，測(cè)試電阻為零以后，是可以使用兩通接線盒在電伴熱允許的最大使用長(zhǎng)度內(nèi)短接一段新的電伴熱帶。做好日常的維護(hù)工作是伴熱帶使用的必要的準(zhǔn)備工作，及時(shí)處理突發(fā)狀況可以避免不必要的損失。

6 結(jié)論

電伴熱系統(tǒng)對(duì)于平臺(tái)的正常作業(yè)、安全逃生至關(guān)重要，它的高效性、可控性也是傳統(tǒng)伴熱方法所不能比擬的，文章以GM4-D鉆井平臺(tái)為實(shí)例，概括介紹了自控溫電伴熱系統(tǒng)的組成、原理以及伴熱帶的選用。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中還有需要注意的地方，在具體安裝中也需要各專業(yè)的工程技術(shù)人員相互配合，這樣才能使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)理想的效果。