LED光源在海洋平臺的應(yīng)用研究

柏繼合 黃永豹 代學(xué)良

(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計公司，天津 300451)

1 引言

目前海洋石油工程中照明燈具使用的光源為傳統(tǒng)光源，主要為熒光燈、鹵化物燈等，這些光源應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)很成熟，但存在光效低不節(jié)能、壽命短、不環(huán)保、頻閃和啟動慢等缺點;光源的壽命短又直接導(dǎo)致其頻繁更換和維護，給海上油氣田操作運行帶來較大工作量和安全風(fēng)險，例如金屬鹵化物燈，一般安裝在距平臺甲板6米以上的位置，更換光源時工作人員需要高空作業(yè)，頻繁更換光源會增加高空作業(yè)的機率，進而增加安全事故風(fēng)險。

作為新光源的典型代表LED，在陸地被廣泛應(yīng)用于汽車照明 (車內(nèi)、車外)，商用照明，LCD背光照明，道路照明，便攜式電子設(shè)備，家居照明，信號燈照明，標(biāo)識照明等。大功率LED照明燈具主要應(yīng)用于城鎮(zhèn)街道的路燈系統(tǒng)、隧道及地下停車場、交通工具的照明、大的公共場所的照明系統(tǒng)等［1］。目前LED照明燈具在海洋平臺的應(yīng)用很少。

2 LED燈具在海洋平臺應(yīng)用可行性研究

2.1 性能比較

海洋平臺通常使用的燈具有熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈。LED燈與這些傳統(tǒng)燈具性能比較見表1。

從表1可以看出燈具光源與傳統(tǒng)光源相比，在光效、壽命、節(jié)能性、耐腐蝕、抗震、環(huán)保、啟動時間、色溫范圍、顯色性、安全性等方面有突出優(yōu)勢;在環(huán)境溫度為－40～50℃時，LED燈具也能正常工作。正常工作時，燈具表面溫度小于60℃，比傳統(tǒng)燈具發(fā)熱量小;燈具不含鎮(zhèn)流器，體積小、重量輕;安裝維修方便，燈具壽命長，維護工作量比傳統(tǒng)燈具大大減少。LED燈具電磁兼容性 (EMC)好。LED燈具可根據(jù)不同場合需求，設(shè)計成多種功率 (常用200W以下)、安裝方式和配光特性，高度范圍為2m～25m，防腐等級W/WF1/WF2。100W以下燈具防護、防爆可做到IP66、ExdⅡC T6，100W～200W燈具防護、防爆可做到IP66、ExdⅡBT6。

表1 LED燈具與傳統(tǒng)燈具性能比較Table 1 Performance comparison between LED lamps and traditional lamps

2.2 經(jīng)濟性比較

采用LED 燈具替換海洋平臺傳統(tǒng)燈具，除性能方面考慮外，還需要從工程經(jīng)濟角度來核算兩者的投入、使用和維護成本。本文選取金縣1-1 WHHB井口平臺中層甲板，對比LED燈具和傳統(tǒng)燈具兩種燈具應(yīng)用方案所產(chǎn)生的綜合成本。該對比方案中需要考慮以下三個因素:

1)燈具維護費包括燈具部件更換費用，人工成本以及被更換燈具部件運輸費用，運輸費按照燈具部件價格10%考慮;

2)燈具照明時間按照每天12小時點亮計算，電費取0.8元/度;LED燈具壽命按5年計算，下列各表中維護費按5年總維護費均攤到各年;

3)在等效原則上，考慮到LED光線的方向性強，光線無反射損失，傳統(tǒng)光源燈具光線四周發(fā)散，燈具需加反射罩，有效光照部分損失，同時鎮(zhèn)流器也損失一部分電能，按表1所列光效利用率選擇等同光通量燈具。

金縣1-1 WHHB井口平臺中層甲板布置燈具主要有傳統(tǒng)熒光燈、防爆金鹵燈和防爆高壓鈉燈，在滿足原有燈具照明效果的基礎(chǔ)上，用LED燈分別作如下替換方案:

1)用2×18W(光通量約4300lm)長條平臺LED燈替換2×40W(光通量約4500lm)雙管熒光燈

LED燈與傳統(tǒng)熒光燈從燈具的采購成本、運行成本和維護成本三個方面產(chǎn)生的費用進行對比，比較結(jié)果見表2，可以看出，LED燈替換傳統(tǒng)雙管熒光燈，燈具采購成本中多支出了7.55萬元，但年化總成本LED燈比傳統(tǒng)雙管熒光燈低3.615萬元。 年化成本=電費+燈具維護費+總價/5

表2 LED燈替換傳統(tǒng)熒光燈費用比較Table 2 Cost comparison between LED lamps and traditional lamps

2)用70W LED(光通量約8400lm)防爆泛光燈替換原有175W(光通量約13000lm)防爆金鹵燈

LED燈與金鹵燈從燈具的采購成本、運行成本和維護成本三個方面產(chǎn)生的費用進行對比，比較結(jié)果見表3，可以看出，LED燈替換傳統(tǒng)金鹵燈，燈具采購成本中多支出了4800元，但年化總成本LED燈比傳統(tǒng)金鹵燈低1.2832萬余元。

表3 LED燈替換金鹵燈費用比較Table 3 Cost comparison between LED lamps and metal halide lamps

3)用100W LED(光通量約12000lm)防爆泛光燈替換原有250W(光通量約23500lm)防爆高壓鈉燈

LED燈與高壓鈉燈從燈具的采購成本、運行成本和維護成本三個方面產(chǎn)生的費用進行對比，比較結(jié)果見表4，可以看出，LED燈替換傳統(tǒng)高壓鈉燈，燈具采購成本中多支出了5000元，但年化總成本LED燈比高壓鈉燈低0.7772萬余元。

綜合表2、表3和表4，可以看出，表5給出應(yīng)用LED燈與傳統(tǒng)燈具各項費用綜合對比，應(yīng)用LED燈節(jié)電63.8%，總費用可以節(jié)省28.337萬元。

通過以上計算統(tǒng)計結(jié)果比較可知，用LED燈具替換平臺使用傳統(tǒng)光源燈具，可節(jié)約電能，減少燈具維修更換費用，明顯降低運行成本。

表4 LED燈替換高壓鈉燈費用比較Table 4 Cost comparison between LED lamps and high pressure sodium lamps

表5 總費用比較Table 5 Total cost comparison

3 LED燈具在海洋平臺應(yīng)用的選型及設(shè)計

LED新光源照明系統(tǒng)的設(shè)計必須遵照海上固定(移動)平臺入級與建造規(guī)范中有關(guān)照明及信號的要求以及其它規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求［2］。在滿足規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的條件下，還應(yīng)考慮海上油田業(yè)主和操作者對照明燈具的選型和布置的差異化要求。

3.1 室外LED燈選型及設(shè)計

目前油田開發(fā)項目照明系統(tǒng)室外燈具主要有防爆雙管熒光燈 (2×36W)，防爆金鹵燈 (100W、175W、250W)，防爆泛 光 燈 (150W、250W、400W)和防爆投光燈 (400W)等，如表6所示。

以某LED照明設(shè)備廠家產(chǎn)品為例，按照等同照明效果的原則，如表7給出可以替代傳統(tǒng)燈具的LED產(chǎn)品型號列表。

表6 室外傳統(tǒng)燈具設(shè)計參數(shù)及安裝型式列表Table 6 Parameters and installation type of outdoor traditional lamps

表7 LED照明設(shè)備生產(chǎn)廠家的主要防爆產(chǎn)品Table 7 Main explosion proof products of LED manufacturer

3.1.1 防爆熒光燈替代產(chǎn)品選型及設(shè)計

按照等同照明效果的原則，利用LDRG11代替?zhèn)鹘y(tǒng)的防爆熒光燈，LDRG11設(shè)計參數(shù)及安裝型式見表8。

表8 LDRG11防爆LED燈設(shè)計參數(shù)及安裝型式Table 8 Parameters and installation type of explosion proof LED lamps LDRG11

LDRG11防爆LED燈的適用范圍:

(1)適用于爆炸性氣體環(huán)境1區(qū)、2區(qū);

(2)適用于IIA、IIB、IIC級爆炸性氣體環(huán)境;

(3)適用于溫度組別為T1～T6的環(huán)境;

(4)適合安裝高度2.5～3.5米。

3.1.2 防爆高壓鈉燈替代產(chǎn)品選型及設(shè)計

傳統(tǒng)高壓鈉燈的燈泡結(jié)構(gòu)決定了燈具的光源利用率低，僅有40%左右，發(fā)光角度為360度;大部分必須通過反射器反射后才能照射到指定區(qū)域。LED光源利用率高，約為90%，LED發(fā)光角度同燈具的發(fā)光角度可保持一致，LED燈的光可以直接照射到指定區(qū)域。

利用表 7中 BTLC-50A、BTLC-84A和 BTLB-120A分別替換表6中150 W、250W和400W高壓鈉燈，BTLC-50A、BTLC-84A和BTLB-120A設(shè)計參數(shù)和安裝型式如表9所示。

適用范圍:

(1)適用于爆炸性氣體環(huán)境1區(qū)、2區(qū);

(2)適用于IIA、IIB、IIC級爆炸性氣體環(huán)境;

(3)適用于溫度組別為T1～T6的環(huán)境;

(4)適合安裝高度5～9米。

表9 防爆LED燈設(shè)計參數(shù)及安裝型式Table 9 Parameters and installation type of explosion proof LED lamps

3.1.3 防爆金屬鹵化物燈替代產(chǎn)品選型及設(shè)計

按照等同照明效果的原則，利用BTLC-40A、BTLC-60A和BTLC-84A分別替換表6中 100 W、175W和250W防爆金屬鹵化物燈，BTLC-40A、BTLC-60A和BTLC-84A設(shè)計參數(shù)和安裝型式如表10所示。

表10 防爆LED燈設(shè)計參數(shù)及安裝型式Table 10 Parameters and installation type of LED lamps

適用范圍:

(1)適用于爆炸性氣體環(huán)境1區(qū)、2區(qū);

(2)適用于IIA、IIB、IIC級爆炸性氣體環(huán)境;

(3)適用于溫度組別為T1～T6的環(huán)境;

(4)適合安裝高度4～9米。

3.2 室內(nèi)LED燈選型及設(shè)計

3.2.1 熒光燈替代產(chǎn)品

目前海上油氣田開發(fā)項目照明設(shè)計室內(nèi)熒光燈光源功率主要為4×14W、2×36W兩種。

LED熒光燈燈管與傳統(tǒng)的熒光燈在外型尺寸口徑上都一樣，長度有 600mm、900mm、1200mm、1500mm四種，功率分別為9W、14W、18W、25W。9W的LED熒光燈亮度高于18W傳統(tǒng)熒光燈，18W的LED熒光燈亮度高于36W傳統(tǒng)熒光燈，并且LED熒光燈亮度顯得更柔和更使人容易接受;LED熒光燈無需起輝器和鎮(zhèn)流器，啟動快，功率小，無頻閃，不容易視覺疲勞，可以直接替換傳統(tǒng)的熒光燈。

LED熒光燈燈管安裝方法非常簡單，安裝時將原有的熒光燈取下?lián)Q上LED燈管，將鎮(zhèn)流器和起輝器一并去掉。

3.2.2 EXIT安全出口標(biāo)志燈替代產(chǎn)品

圖1給出LED安全出口標(biāo)志燈外型圖，采用高亮度LED光源，圖案清晰明亮，發(fā)光均勻性強，耗電低，應(yīng)急時間長，免維護。安裝方式與傳統(tǒng)安全出口標(biāo)志燈一樣。

圖1 安全出口標(biāo)志燈Fig.1 Exit sign lamp

4 LED燈應(yīng)用案例

在能源日趨緊張的時代背景下，節(jié)約能源已成為共識，海上平臺在設(shè)計中不斷貫徹節(jié)約能源、合理高效利用能源的原則，LED燈具已在海洋平臺陸續(xù)開始嘗試使用，綏中36-1 2010年和2011年陸地終端及海上平臺使用了LED燈200余件，遼東區(qū)及勃南區(qū)海上平臺2011年使用LED燈200多件，在荔灣3-1氣田淺水平臺生活樓使用LED燈105盞，圖2給出了荔灣3-1氣田項目部分的生活樓LED燈具布置圖。

具體LED燈參數(shù)為:

220V，50Hz，單相，3×10W，防護等級IP44，室內(nèi)防水LED熒光燈，共計90盞;

圖2 荔灣3-1 LED燈具布置圖Fig.2 Lighting system layout for LW3-1 living quarter

220V，50Hz，單相，2×18W，防護等級IP56，防爆等級:ExedⅡBT4，LED室外防爆熒光燈，共計15盞;圖3給出了LED燈在荔灣3-1氣田淺水平臺生活樓現(xiàn)場的實際效果圖。

圖3 室內(nèi)LED燈照明效果圖Fig.3 Externals picture of LED Lighting system indoor

5 結(jié)束語

本文從光效、壽命、節(jié)能性、耐腐蝕、抗震、環(huán)保、啟動時間、色溫范圍、顯色性、安全性等方面比較LED燈具和傳統(tǒng)燈具，體現(xiàn)LED燈具所具備的突出優(yōu)勢，并從工程經(jīng)濟角度，就LED燈具替換傳統(tǒng)燈具所形成的經(jīng)濟性進行分析，說明LED燈具替換平臺使用傳統(tǒng)光源燈具，能夠節(jié)約電能，減少燈具維修更換費用，明顯降低運行成本，隨后介紹了LED燈具在海上平臺照明系統(tǒng)中的應(yīng)用選型及設(shè)計原則和實際應(yīng)用案例。在能源日趨緊張的時代背景下，節(jié)約能源已成為共識，高效、節(jié)能的LED燈具必將越來越多的應(yīng)用在海洋平臺，以達到減低能源消耗，提高經(jīng)濟效益的目的。

［1］張東亮，章怡圣.淺談白光LED在未來海洋平臺照明中的應(yīng)用.照明工程學(xué)報，2011，22(5):115－119.

［2］周守為.海洋石油工程設(shè)計指南［M］.北京:石油工業(yè)出版社印刷廠，2007.