半潜式钻井平台电伴热系统的设计与应用

何吉飞

（戈朗（上海）海事技术咨询有限公司，上海 201206）

0 引言

世界能源需求迅速增长，石油和天然气行业被迫寻找新的勘探和生产区域，挪威北海及巴伦支海海域含有大量尚未开发的石油，从而使其成为一个有吸引力的地区，但此地区海况恶劣，环境温度可低至−20℃，对海工装备的性能要求非常苛刻，为了保证平台的正常作业及逃生要求，防冻措施必不可少，在20世纪70年代之前，伴热主要是以蒸汽或热水为介质，但是蒸汽、热水的散热量不易控制，其保温效率始终处于较低的水平。到了80年代，包括能源业在内的很多行业已广泛推广了电伴热技术，以电伴热全面取代蒸汽伴热。电伴热技术至今，已由传统的恒功率伴热发展到以导电塑料为核心的自控温电伴热，本文介绍的电伴热就是在平台项目中已广泛使用的自控温电伴热。

1 GM4-D项目简介[1]

GM4-D系列半潜式钻井平台最大工作水深500 m，最大钻井深度8 000 m，最低工作环境温度−20℃，满足冰级要求，配置DP3动力定位系统和8点系泊系统。该系列平台型长106.75 m、型宽73.70 m、型深34.0 m、设计吃水10.1 m～21.0 m，最大可变甲板载荷4 100 t，额定居住人员130人，其设计依照挪威北海海况，同时兼顾北极圈及巴伦支海海况要求，能够抵御北海百年一遇的风暴，满足 PSA（挪威石油安全管理局）、NMA（挪威海事局）和NORSOK（挪威海上工业标准）及其他相关国际平台规则的要求，入级挪威船级社。

2 系统设计要求

本文主要介绍应用于管路系统和逃生通道系统的电伴热，设备（比如雷达天线、救生艇、驾驶室加热玻璃、室外消防炮等）的电伴热一般是由厂家自带，工作原理和操作不尽相同，在此不一一详述。

2.1 管路电伴热要求

所有管道，仪表和装有液体的设备都被认为是管路的一部分。暴露部分的管路都需要根据适用规则和规定安装自控温伴热带[1-2]，但是含有防冻液的管路除外。伴热带及其配件的安装需要根据厂家的要求和建议。

2.2 通道电伴热要求

所有通往外部逃生通道的门都应在门框内装有伴热带[2]，以防止门由于结冰而被堵塞。在暴露甲板上的所有逃生路线，包括开放的集合区域（如直升机甲板，救生艇甲板等），应急设备操作区域（如室外消防炮平台，救生衣柜区域等）都应在甲板下安装自控温伴热带，逃生通道上的楼梯部分、踏步和扶手也应安装。

2.3 电伴热功率要求

根据DNV规范要求（图1）[3]，对于室外逃生通道的电伴热功率不低于300 W/m2，通道上的栏杆扶手电伴热功率不低于50 W/ m2。对于管路没有具体的功率要求，因为不同介质及保持温度会影响到功率的需求，但基本原则是伴热带产生的热量要大于热损失。对本项目，由于所有实施电伴热的管路介质均为水，所以保持温度只需大于0℃即可，设定为5℃。

图1 DNV规范要求

2.4 电伴热供电要求

供电配置应有一定的冗余，以确保在丢失一组电源的情况下，和安全相关的电伴热仍然可以满足最小功率需求。在本项目中，电力系统由 6台发电机组成，均分成A、B、C三个区，每个区对应1个230 VAC防冻配电盘，所有的电伴热均由此3个专用配电盘供电，对配电盘采取了3×50%冗余配置方案，即每个配电盘至少能提供总电伴热功率的 50%，根据DNV规范要求，每个配电板必须配置安培表或功率表，以在配电板上显示各分路功率和总功率。所有的回路须配置接地故障监测报警、漏电保护和运行指示灯。

3 自控温伴热系统的组成及原理

图2 自控温电伴热系统典型配置

自控温伴热系统主要由电控箱、接线盒、自控温伴热带和温度传感器组成[4]（图2）。用于防冻目的的电伴热，需要根据环境温度自动开启，所以需配置温度感应器，如果用于除冻目的，可以是手动开启模式，无须配置温度传感器。

自控温电伴热带的主要原理是，在两条平行线路中充填导电塑料（图3），电热带接通电源后（注意尾端线芯不得连接），电流由一根线芯经过导电的PTC材料到另一线芯而形成回路。电能使导电材料升温，其电阻随即增加，当芯带温度升至某值之后，电阻大到几乎阻断电流的程度，其温度不再升高，与此同时电热带向温度较低的被加热体系传热。电热带的功率主要受控于传热过程，随被加热体系的温度自动调节输出功率，而传统的恒功率加热器却无此功能。

图3 自控温伴热带

4 伴热带选用方法

在选择伴热带产品时，应综合考虑各种因素，如适用性、经济性、供电条件、安装环境等，主要选择原则是电伴热的发热量须大于热损失量，所以热损失的计算是选择的关键要素，具体选用步骤，以管路伴热带为例，简要介绍如下。

4.1 计算热损失[5-6]

工艺条件：保持温度TP、最低环境温度Ta、管径、保温材料、保温层厚度、导热系数等。

式中，q为每米管道的热损失，W/m；TP为管道保持温度，℃；Ta为最低环境温度，℃；K为保温材料的导热系数，可通过查阅手册获得；D1为保温材料内径，m；D2为保温材料外径，m。

例：TP=5℃，Ta=−20℃，管径=100 mm，保温材料=岩棉，保温层厚度=50 mm，K=0.040。因此管道热损失q=15.32 W/m。

4.2 从伴热带厂家目录中确定系列

本次计算以Raychem系列产品为例，平台工作环境温度为−20℃～35℃[1]，管线介质均为水，最高工作温度不超过65℃，所以根据表1，温度等级T6即可，确定系列为BTV2-CT/CR，其中：-CR为镀锡铜丝编织网外的经过改进的聚合物保护层；-CT为镀锡铜丝编织网外的含氟化合物保护层，对于存在潜在电能与有腐蚀的化学药剂接触的区域，可以选择此类型。对于本项目，伴热带的敷设可能会穿过泥浆区域或机械区，有受到泥浆或油污腐蚀的可能性，所以选择CT类型，确定BTV2-CT为所选系列。

表1 Raychem系列产品温度等级[4]

4.3 选择合适的伴热带

图4 功率-温度曲线表

确定好伴热带型号后，还需要确定功率密度，BTV2-CT有4种功率密度的伴热带，根据其大小排序为A/B/C/D，先在保持温度点划一竖线（5℃），在热损失值点划一横线（15.32 W/m），在交叉点上方最近的曲线即为合适的功率密度伴热带。根据下列功率-温度曲线表（图4）[4]，C 5BTV2-CT即为最终确定的伴热带型号。

5 日常维护

电伴热系统需要在每年进行为期 2次的例行检查，经过外界环境的变化，电伴热的整套系统需要在天气降温前进行系统的检查。

由于天气变化，风吹雨淋以及平台在运作过程中产生的振动会对电伴热系统的保温层、电伴热带、配件等造成一定损坏，对于损坏的保温层要及时进行更换与维护，保证内部的电伴热系统完全防水。由于内部积水的问题，可能会对伴热带的局部进行渗漏，引起绝缘故障，尽管即使采用改性聚烯烃或含氟材料外护套，严重时还是会导致短路，因此对以上工作要进行一次详细的维修记录便于下次的维修细节与时间。检测伴热带的连续性和绝缘电阻的测试，使用500 V的要表测量电阻应该要大于5 MΩ，一般是在每一个回路的尾端进行测试，结果在详细地记录以便将问题反馈给厂家。如果某一段出现破损甚至不热，测试电阻为零以后，是可以使用两通接线盒在电伴热允许的最大使用长度内短接一段新的电伴热带。做好日常的维护工作是伴热带使用的必要的准备工作，及时处理突发状况可以避免不必要的损失。

6 结论

电伴热系统对于平台的正常作业、安全逃生至关重要，它的高效性、可控性也是传统伴热方法所不能比拟的，文章以GM4-D钻井平台为实例，概括介绍了自控温电伴热系统的组成、原理以及伴热带的选用。在项目设计中还有需要注意的地方，在具体安装中也需要各专业的工程技术人员相互配合，这样才能使整个系统达到一个理想的效果。