海上平臺熱水系統全循環供水改造方案對比

馮 勇

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業公司 天津 300457)

0 引 言

海上平臺人員在生活和工作中都需要熱水，故平臺上要設置熱水系統。某采油平臺的熱水由熱水柜提供，輸送壓力由淡水壓力柜提供。

熱水系統按管網的設置分為全循環、半循環、無循環3 種模式[1]。目前該平臺熱水系統采用無循環的熱水系統為用戶供水。用戶使用熱水時需先放出一部分冷水才能用上熱水，不僅浪費淡水資源，其生活和工作體驗也差。

1 熱水系統現狀

該平臺采用的是熱水集中加熱，并由淡水管線輸送到各用戶終端。熱水系統主要由熱水柜、電加熱器、管線及各種閥門等組成。熱水柜的容量為2 m3，淡水由淡水壓力柜進行補給，操作壓力為 400～600 kPa。在熱水柜內部安裝有一臺60 kW 的電加熱器，將淡水加熱到50～70 ℃。

1.1 熱水系統工作原理

熱水系統流程如圖1 所示，該熱水系統沒有循環管線，即采用無循環供水模式。淡水從淡水壓力柜進入熱水柜并填充整個熱水管網，工作壓力由淡水壓力柜提供，當用戶使用熱水后，管網壓力下降，淡水壓力柜驅動熱水流出，并不斷補充淡水。熱水由電加熱器進行加熱，溫度開關TSHL 7932 自動控制電加熱器的啟停。當水溫達到70 ℃時，TSHL 7932 觸發電加熱器停止；當水溫降到50 ℃時，TSHL 7932 觸發電加熱器啟動。如果水溫超過80 ℃，高溫開關TSH-7931 觸發中控報警。熱水柜上安裝安全閥 PSV-7931，當壓力超過950 kPa 時進行壓力泄放。

圖1 熱水流程總圖Fig.1 General diagram of hot water system

1.2 存在的問題

這種無循環熱水系統具有投資小、維護簡單的優點，但也存在一些問題。主要是使用熱水時需要先放掉一部分冷水才能用上熱水，這種情況在冬季更為明顯，造成了資源浪費和生活不便。

主要原因是無循環熱水系統中的水在不使用時為死水，一段時間內若不流動將會自然冷卻。另外，熱水管線較長，主管線尺寸較大，管內熱水冷卻速度較快。

2 改造方案

解決熱水系統弊端的主要方法是讓管網中的水實現循環流通加熱，可通過在管網中增加回流管線實現水的循環流通。但只在主管線上加回流管線，即只進行半循環改造，不能徹底解決存在的問題，需進行全循環供水改造，即每個用水支路管線都加回流管線。考慮到海上平臺空間資源稀缺、管線布局復雜和循環動力選擇等問題，經綜合考慮，提出了2 種全循環供水方案。

2.1 方案一

該方案為開式全循環系統，由現有的淡水壓力柜提供循環動力。將回流主管線出口接到淡水罐頂，主管線進淡水罐處加一個溫度控制閥，溫控閥的開啟由主管線上新增的溫度開關進行控制。當管線熱水溫度低于設定值時，溫控閥開啟，熱水回流到淡水罐內，從而實現熱水循環。方案一流程圖如圖2 所示。

圖2 改造后的熱水系統總圖Fig.2 General diagram of transformed hot water system

2.1.1 方案一說明

①新增管線：各熱水終端用戶增加一條支路回流管線，所有支路回流管線匯總到回流主管線上，主管線經呼吸口與淡水罐連接。支路回流管線尺寸規格為1 in(25.4 mm)，回流主管線為2 in(50.8 mm)，管線的壓力等級、材質、腐蝕余量分別為：ANSI 150LB、鍍鋅碳鋼、1.5 mm。為了避免與管線發生電化學反應，變徑、三通、彎頭的壓力等級、材質、腐蝕余量需與管線一致。

②新增閥門：在回流主管線溫控閥的上游端安裝一個截止閥，下游端無需安裝截止閥。溫控閥選用雙作用氣動控制球閥，氣源用平臺儀表氣。考慮到流通介質是淡水，其腐蝕、電化學反應弱、壓力低，且水溫較高，所以該閥可用內螺紋連接、直通式、公稱壓力150 LB、閥體材質為1Cr18Ni12Mo 2 TI 的氣動球閥。溫控閥的控制溫度取自熱水主管線。熱水柜產生的水溫50～70 ℃，人體感知水溫的舒適點為40 ℃，因此將溫控閥的開啟溫度設為40 ℃。開啟溫度設定過低，水溫也會降低，人體會感覺不適；開啟溫度設定過高，熱水管線回流量增加，能耗增大。

③新增溫度開關：溫度開關用來控制熱水管網的水溫，當水溫高于40 ℃時，溫控閥關閉；當水溫低于40 ℃時，溫控閥打開，使管線內熱水開啟循環。該溫度開關采用DC24V，測量范圍為0～100 ℃，精度±3 ℃，安裝采用內埋式，并做好防潮措施。

2.1.2 方案一的優缺點

優點：方案簡單，僅需回流管線、溫控閥、溫度開關及截止閥等；在冬天，因熱水的回流，淡水罐內置電加熱器無需開啟。

缺點：因熱水回流到淡水罐導致熱水柜的能耗增大，溫度開關設定值越高，熱能損耗越大；當集中使用熱水量很大時會造成回流開啟，進一步影響熱水供應。

2.2 方案二

該方案為閉式全循環，熱水的循環動力由新增的離心泵提供。該方案中回流主管線經熱水柜下面排放閥上游端進入，形成閉式回路。熱水柜管線出口新增熱水循環泵，實現熱水循環。循環泵的選型主要涉及流量和揚程的計算[2]。

2.2.1 方案二的流程圖

方案二的流程圖如圖3 所示。方案二與方案一在生活樓內部新加管線安裝相同；所用管線及變徑、三通、彎頭及閥門均相同，此處不予贅述。

圖3 方案二總流程圖Fig.3 General diagram of scheme 2

2.2.2 熱水循環泵的計算及選型

熱水循環泵方案的關鍵設備采用AC380V 的單級單吸臥式離心泵。選型基于如下考慮：①循環泵應滿足系統中所需的最大流量和揚程，并保證水泵的最佳工況點，以提高水泵長期運行的經濟性；②結構簡單、體積小、重量輕、效率較高；③運行安全可靠、平穩、振動小、噪音低、抗汽蝕性能好；④選擇適用于流量變化大而揚程變化不大的水泵，即G—H 特性曲線趨于平坦的水泵。

挪威國家石油局工藝設計手冊規定：淡水日消耗量，正常情況下平臺上工作人員每日消耗0.25 m3/d，臨時工作人員0.15 m3/d[3]。

淡水消耗量如下式所示：

式中：Q 為淡水消耗量，m3/D；N1為平臺上工作人員數目；N2為平臺上臨時工作人員；T 為補償系數，一般為1.2。

該平臺定員為45 人，施工單位人員一般為60 人。根據經驗及數據統計，熱水的消耗量一般為淡水消耗量的一半。因此，每天淡水消耗量總量如下：

高峰用水期的用水量大概為平均時期的5 倍。高峰期用水量：

式中：H 為泵的揚程，m；ρ為介質的密度，kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；dp 為泵出口處靜壓，Pa；sp為泵入口處靜壓，Pa；vd為泵出口流速，m/s；vs為泵入口流速，m/s；zd為泵出口處高度，m；zs為泵入口處高度，m。

為保證終端用戶調整水溫的便利性，應盡可能保證終端處冷水和熱水的壓力一致，考慮到熱水管網壓力的損失 Δ h= 100 kPa ，終端冷水的壓力介于400～600 kPa 之間。此處取平均值500 kPa，得出熱水終端壓力為500 kPa，即 pd= 500 +Δh =600kPa[5]。

熱水循環泵的揚程應不小于 30.6 m，流量≥2.53 m3/h，電機根據參數配套選取。如果在泵的選擇上出口壓力過大，則可以在泵的出口處加一個減壓閥，將壓力降到合適即可。

2.2.3 新增配套部件

①壓力控制閥：壓力控制閥與循環泵并聯安裝以調節循環泵的出口壓力。該閥選為自力式壓力調節閥，設定值為500 kPa，當泵的出口壓力超過500 kPa時該閥適度打開，讓部分熱水回流到泵的入口，使泵的出口壓力回到500 kPa。考慮到30%的使用裕量，該閥的調節范圍可選為0～650 kPa；由于該閥與泵并聯調節，通過流量不大，該閥閥徑選為 2 in(50.8 mm)；閥體和閥內組件選不銹鋼材質，螺紋立式安裝。

②安全閥：安全閥安裝在循環泵的出口，壓力泄放至泵的進口(或附近地漏)。該閥的設定值為750 kPa；考慮到30%的使用裕量，該閥的保護范圍可選為0～975 kPa；該閥閥徑選為2 in(50.8 mm)；閥體和閥內組件選不銹鋼材質，封閉彈簧全啟式安全閥，采用螺紋連接。

③Y 型濾器：為了避免管線中的銹渣、熱水結垢物等雜質損壞泵，在泵的進口處安一個Y 型過濾器。該過濾器通徑與管線一致為2 in(50.8 mm)，壓力等級為150 LB，材質選用不銹鋼，螺紋連接，過濾精度為去除大于100μm 的雜質。

2.2.4 方案二的優缺點

優點：熱水一直循環，避免熱水溫度降低，用戶可以隨時用上熱水。

缺點：海上平臺空間有限，新增泵所需空間不足；熱水循環泵一直運行，增大了能耗和維護成本。

3 總 結

增加熱水回流管線之后，用戶可以隨時用上熱水。本文提到的2 種方案各有利弊，考慮平臺上空間有限和新增泵所需安裝空間不足，方案一更有可行性。但是方案二中熱水一直循環，水溫可以保持恒定(不考慮環境因素的變化)。實際的改造中可以參考上面的2 種方案，并綜合各因素適當選取。■