半潜式钻井平台暖通空调系统防寒改造研究

刘 轩，孙小明，张永存

(天津新港船舶重工有限责任公司，天津 300457)

随着国际原油价格波动和海洋石油开采区的变化，寒冷地带钻井作业的需求增加，热带海域作业的需求下降。运营方考虑对平台加以改装，以便适用于高寒高纬度地区作业。以某新建的半潜式钻井平台为研究对象，初始设计适用于中国南海及其它热带海域。平台暖通空调系统原设计气温为0～38 ℃，最小湿度为86%，海水温度为0～32 ℃。本课题选定-20 ℃的环境温度为研究条件，此温度能够满足大多数北方海域作业条件，如俄罗斯北部、加拿大北部甚至北冰洋海域。此时平台处需通过加热，保持人员居所最低温度20 ℃，保持机器处所最低温度5 ℃。对此类自升式钻井平台的系统性改装是一项庞杂的系统性工程，不但要对平台结构尤其是水线附近结构做力学分析[1]，还要对甲板和钻井设备进行防寒评估、加装锅炉、液舱防寒、加装蒸汽除冰装置、加装救生消防系统防寒措施等。本文仅选取暖通空调系统作为研究对象，保证舱室设备的正常运转[2]及作业人员的舒适性。

1 防寒评估及计算

暖通空调系统按区域主要分为生活舱室区域、公共设备舱室区域、钻井区域3大部分。公共舱室采用中央空调(AHU)进行温度和湿度调节，公共设备舱室、钻井区域主要通过甲板通风机和通风管路实现风量输送。首先对以上3类系统进行热损失(环境温度从0 ℃变为-20 ℃)计算，所得结果作为下一步方案设计和设备选型的基础。

对中央空调系统，寒冷地带工况热量计算参考冬季采暖工况,所需加热量Q1为：

Q1=1.163×0.288aρV(hn-ha),

(1)

式中，a为新鲜空气比例；ρ为空气密度；V为空调总风量；hn为室内空气焓值；ha为室外空气焓值。

以-20 ℃外界环境为输入条件，分别计算生活舱室各个系统所需加热量，并与原有加热能力对比，统计出所需补充的加热量和湿度值，生活舱室所需加热量见表1，所需补充加热量为363.8 kW。

表1 生活舱室所需加热量

对公共设备舱室的热损失量，主要参考设计手册中冬季围护结构热损失量计算：

Qd=KAΔT+KgAgΔT，

(2)

式中，Qd为冬季围护结构热损失量；K为围护结构传热系数；A为围护结构面积；Kg为玻璃窗传热系数；Ag为玻璃窗面积；ΔT为室内外温差。

由于风机带入新风，排出旧风，新风带来的热损失量Qw为：

Qw=0.288×1.163ΔTV′,

(3)

式中，V′为风机风量。

总热量Q为：

Q=Qd+Qw+Ql+Qe+Qm，

(4)

式中，Ql为照明热量；Qe为设备发热量；Qm为操作人员的发热量。

按公式(2)～公式(4)，以-20 ℃外界环境为输入条件，对公共设施各个舱室分别计算，得出公共设备舱室所需加热量，并与原加热能力进行对比，得出所需补充加热量如表2所示，所需补充加热量合计为880.3 kW。

表2 公共设备舱室所需补充加热量统计

钻井区域暖通空调热损失量和所需补充加热量计算与公共设施舱室计算方法相同,所需补充加热量为529.0 kW，暖通空调系统所使用的加热设备见表3，所需补充总加热量约为1 773 kW。

表3 暖通空调系统使用的加热设备

2 改装方案

经过热损失计算后，按各个系统和舱室的所需加热量进行设备选型和防寒方案设计，暖通空调系统相关改造内容如下。

1)生活舱室区域。生活舱室中的左右舷中央空调(AHU1、AHU2)原为电热盘管加热，补充加热量较大，超过平台的电力裕量。拟采用水加热的方式进行热量补充，在各中央空调装置内或旁边加装热水盘管，对生活舱室进行热量补偿。位于驾驶台区域的中央空调(AHU3),以及厨房餐厅区域用的中央空调(AHU4)补充加热功率较小，考虑到热水盘管布置工程较复杂，拟在风道中加装电热盘管[3]。

工况改变后，湿度损失也相应增大，因此需调节湿度到合适范围，需在计算书中核算需要加湿的各系统如AHU1、AHU2、AHU3所需加湿量，并更换合适容量的蒸汽加湿器。

2)公共设备舱室。对于机舱通风系统，由于其通风量和加热量巨大，参考建成的寒冷地带作业平台的设计案例，拟直接在舱内布置蒸汽热风机进行热量补偿。机舱通风机采用变频控制，当舱内有一台主机运转且风机在较低风量下运转时，即可保证5 ℃以上的环境温度。仅当主机不运转而风机以最小进风量运转时，采用蒸汽热风机。

对其它公共设备舱室的通风系统，为减小热水加热管路穿舱的工程量和难度，对所需热量较大，且位于主甲板的采用立式进风机通风系统，为立柱和浮体供风的风机尽量考虑在主甲板加装风机房，并在进口加装热水盘管，将外界冷空气预热到合适的温度，然后由风机吸入并分配到各舱室。

对通用库、配电板区域、空压机区域、立柱和浮体区域供风风机进行加装暖通空调通风舱室,并在舱室通风口安装足够容量的散热盘管(采用热水加热)，补充各公共设备舱室散失热量，使各舱室温度达到设计要求。对于热损失量较小舱室，如集控室及动力定位系统控制室、工作间区域，考虑采用风道连接电加热盘管补充热量。根据其他冰区作业平台设计经验，本平台所有进风机进口处的除雾器均需更换成带有电加热功能的除雾器。

3)钻井区域。钻井区域的暖通空调系统改造与公共设备舱室改造方案类似，对高压泥浆泵舱、钻井(BOP)区域的供风风机进行改装，加装暖通空调通风舱室，在其通风口安装足够容量的散热盘管(采用水加热)，补充各公共设备舱室散失的热量，使各舱室温度达到设计要求。

对板式换热器(APV)区域、泥浆控制室区域，因加热功率较小，考虑在进风风道上加装电热盘管补充热量。根据平台实际需求，对于月池等开放区域，布置合适数量的电加热或蒸汽加热暖风机用于烘干工服或工具等。

3 结束语

本文主要针对钻井平台寒冷地带作业的暖通空调系统的适用性改装进行初步研究， 在进行暖通空调相关计算、设备选型和方案设计后，还应重点考虑加装锅炉的各项设计工作[4]。钻井平台防寒改装是个系统性工程，需要考虑到作业可行性、规范适用性、人员的舒适性和设备操作性等各个因素，改装产值非常大，几乎涉及到结构、轮机、甲板设备、钻井、水下设备、暖通空调、舾装、电气、自动化、内装、通导、救生消防、防污染、电伴热加装等各个专业。本课题研究也适用于类似的半潜式钻井平台和自升式钻井平台的相关工程，对类似课题和工程的研究也有一定的实用价值。