半潛式鉆井平臺暖通空調系統防寒改造研究

劉 軒，孫小明，張永存

(天津新港船舶重工有限責任公司，天津 300457)

隨著國際原油價格波動和海洋石油開采區的變化，寒冷地帶鉆井作業的需求增加，熱帶海域作業的需求下降。運營方考慮對平臺加以改裝，以便適用于高寒高緯度地區作業。以某新建的半潛式鉆井平臺為研究對象，初始設計適用于中國南海及其它熱帶海域。平臺暖通空調系統原設計氣溫為0～38 ℃，最小濕度為86%，海水溫度為0～32 ℃。本課題選定-20 ℃的環境溫度為研究條件，此溫度能夠滿足大多數北方海域作業條件，如俄羅斯北部、加拿大北部甚至北冰洋海域。此時平臺處需通過加熱，保持人員居所最低溫度20 ℃，保持機器處所最低溫度5 ℃。對此類自升式鉆井平臺的系統性改裝是一項龐雜的系統性工程，不但要對平臺結構尤其是水線附近結構做力學分析[1]，還要對甲板和鉆井設備進行防寒評估、加裝鍋爐、液艙防寒、加裝蒸汽除冰裝置、加裝救生消防系統防寒措施等。本文僅選取暖通空調系統作為研究對象，保證艙室設備的正常運轉[2]及作業人員的舒適性。

1 防寒評估及計算

暖通空調系統按區域主要分為生活艙室區域、公共設備艙室區域、鉆井區域3大部分。公共艙室采用中央空調(AHU)進行溫度和濕度調節，公共設備艙室、鉆井區域主要通過甲板通風機和通風管路實現風量輸送。首先對以上3類系統進行熱損失(環境溫度從0 ℃變為-20 ℃)計算，所得結果作為下一步方案設計和設備選型的基礎。

對中央空調系統，寒冷地帶工況熱量計算參考冬季采暖工況,所需加熱量Q1為：

Q1=1.163×0.288aρV(hn-ha),

(1)

式中，a為新鮮空氣比例；ρ為空氣密度；V為空調總風量；hn為室內空氣焓值；ha為室外空氣焓值。

以-20 ℃外界環境為輸入條件，分別計算生活艙室各個系統所需加熱量，并與原有加熱能力對比，統計出所需補充的加熱量和濕度值，生活艙室所需加熱量見表1，所需補充加熱量為363.8 kW。

表1 生活艙室所需加熱量

對公共設備艙室的熱損失量，主要參考設計手冊中冬季圍護結構熱損失量計算：

Qd=KAΔT+KgAgΔT，

(2)

式中，Qd為冬季圍護結構熱損失量；K為圍護結構傳熱系數；A為圍護結構面積；Kg為玻璃窗傳熱系數；Ag為玻璃窗面積；ΔT為室內外溫差。

由于風機帶入新風，排出舊風，新風帶來的熱損失量Qw為：

Qw=0.288×1.163ΔTV′,

(3)

式中，V′為風機風量。

總熱量Q為：

Q=Qd+Qw+Ql+Qe+Qm，

(4)

式中，Ql為照明熱量；Qe為設備發熱量；Qm為操作人員的發熱量。

按公式(2)～公式(4)，以-20 ℃外界環境為輸入條件，對公共設施各個艙室分別計算，得出公共設備艙室所需加熱量，并與原加熱能力進行對比，得出所需補充加熱量如表2所示，所需補充加熱量合計為880.3 kW。

表2 公共設備艙室所需補充加熱量統計

鉆井區域暖通空調熱損失量和所需補充加熱量計算與公共設施艙室計算方法相同,所需補充加熱量為529.0 kW，暖通空調系統所使用的加熱設備見表3，所需補充總加熱量約為1 773 kW。

表3 暖通空調系統使用的加熱設備

2 改裝方案

經過熱損失計算后，按各個系統和艙室的所需加熱量進行設備選型和防寒方案設計，暖通空調系統相關改造內容如下。

1)生活艙室區域。生活艙室中的左右舷中央空調(AHU1、AHU2)原為電熱盤管加熱，補充加熱量較大，超過平臺的電力裕量。擬采用水加熱的方式進行熱量補充，在各中央空調裝置內或旁邊加裝熱水盤管，對生活艙室進行熱量補償。位于駕駛臺區域的中央空調(AHU3),以及廚房餐廳區域用的中央空調(AHU4)補充加熱功率較小，考慮到熱水盤管布置工程較復雜，擬在風道中加裝電熱盤管[3]。

工況改變后，濕度損失也相應增大，因此需調節濕度到合適范圍，需在計算書中核算需要加濕的各系統如AHU1、AHU2、AHU3所需加濕量，并更換合適容量的蒸汽加濕器。

2)公共設備艙室。對于機艙通風系統，由于其通風量和加熱量巨大，參考建成的寒冷地帶作業平臺的設計案例，擬直接在艙內布置蒸汽熱風機進行熱量補償。機艙通風機采用變頻控制，當艙內有一臺主機運轉且風機在較低風量下運轉時，即可保證5 ℃以上的環境溫度。僅當主機不運轉而風機以最小進風量運轉時，采用蒸汽熱風機。

對其它公共設備艙室的通風系統，為減小熱水加熱管路穿艙的工程量和難度，對所需熱量較大，且位于主甲板的采用立式進風機通風系統，為立柱和浮體供風的風機盡量考慮在主甲板加裝風機房，并在進口加裝熱水盤管，將外界冷空氣預熱到合適的溫度，然后由風機吸入并分配到各艙室。

對通用庫、配電板區域、空壓機區域、立柱和浮體區域供風風機進行加裝暖通空調通風艙室,并在艙室通風口安裝足夠容量的散熱盤管(采用熱水加熱)，補充各公共設備艙室散失熱量，使各艙室溫度達到設計要求。對于熱損失量較小艙室，如集控室及動力定位系統控制室、工作間區域，考慮采用風道連接電加熱盤管補充熱量。根據其他冰區作業平臺設計經驗，本平臺所有進風機進口處的除霧器均需更換成帶有電加熱功能的除霧器。

3)鉆井區域。鉆井區域的暖通空調系統改造與公共設備艙室改造方案類似，對高壓泥漿泵艙、鉆井(BOP)區域的供風風機進行改裝，加裝暖通空調通風艙室，在其通風口安裝足夠容量的散熱盤管(采用水加熱)，補充各公共設備艙室散失的熱量，使各艙室溫度達到設計要求。

對板式換熱器(APV)區域、泥漿控制室區域，因加熱功率較小，考慮在進風風道上加裝電熱盤管補充熱量。根據平臺實際需求，對于月池等開放區域，布置合適數量的電加熱或蒸汽加熱暖風機用于烘干工服或工具等。

3 結束語

本文主要針對鉆井平臺寒冷地帶作業的暖通空調系統的適用性改裝進行初步研究， 在進行暖通空調相關計算、設備選型和方案設計后，還應重點考慮加裝鍋爐的各項設計工作[4]。鉆井平臺防寒改裝是個系統性工程，需要考慮到作業可行性、規范適用性、人員的舒適性和設備操作性等各個因素，改裝產值非常大，幾乎涉及到結構、輪機、甲板設備、鉆井、水下設備、暖通空調、舾裝、電氣、自動化、內裝、通導、救生消防、防污染、電伴熱加裝等各個專業。本課題研究也適用于類似的半潛式鉆井平臺和自升式鉆井平臺的相關工程，對類似課題和工程的研究也有一定的實用價值。