海上石油平臺(tái)空調(diào)設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)

朱 鴻，滕 威

● （1．海軍駐滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海 200129；2．中海油綏中36-1油田，天津 300461）

海上石油平臺(tái)空調(diào)設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)

朱 鴻1，滕 威2

● （1．海軍駐滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海 200129；2．中海油綏中36-1油田，天津 300461）

通過(guò)對(duì)目前海上石油平臺(tái)空調(diào)可靠性設(shè)計(jì)方法的分析，結(jié)合在船用空調(diào)可靠性設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)，提出了進(jìn)一步完善海上石油平臺(tái)空調(diào)可靠性設(shè)計(jì)的措施。

海上石油平臺(tái)；空調(diào)；可靠性

0 引言

海上石油平臺(tái)大多遠(yuǎn)離陸基，設(shè)備的故障由于人員往來(lái)的不便，往往不能及時(shí)處理，因此海上石油平臺(tái)設(shè)備的可靠性比一般船舶設(shè)備的要求更高。近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，對(duì)油氣資源的迫切需求迎來(lái)了海上石油平臺(tái)建造的高峰。作為提供石油平臺(tái)舒適工作和生活環(huán)境的主要設(shè)備——空調(diào)，在經(jīng)歷了從完全依賴(lài)進(jìn)口到國(guó)內(nèi)自主完成設(shè)備配套的過(guò)程以后，空調(diào)設(shè)備的可靠性和維修性越來(lái)越受到各方的關(guān)注。無(wú)論是業(yè)主、平臺(tái)的設(shè)計(jì)公司，還是空調(diào)設(shè)備的供貨商都依據(jù)各自的理解，對(duì)提高設(shè)備的可靠性提出了不同的設(shè)想和措施。本文就此進(jìn)行分析、比較，并結(jié)合船用空調(diào)的可靠性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，就完善海上石油平臺(tái)空調(diào)的可靠性設(shè)計(jì)措施提出了建議。

1 主要空調(diào)型式及可靠性框圖

目前，海上石油平臺(tái)空調(diào)設(shè)備有相當(dāng)一部分以直接蒸發(fā)式中央空調(diào)裝置和直接蒸發(fā)式單元式空調(diào)裝置為主[1]。它們均主要由一個(gè)包含制冷壓縮機(jī)、冷凝器和軸流冷卻風(fēng)機(jī)的氟利昂壓縮冷凝機(jī)組（ACCU）與一個(gè)主要包含氟利昂膨脹閥、氟利昂蒸發(fā)器和離心循環(huán)風(fēng)機(jī)的空氣處理機(jī)組（AHU）組成，當(dāng)然包括管系和電氣控制，按文獻(xiàn)[2]有關(guān)可靠性設(shè)計(jì)要求，建立其可靠性框圖見(jiàn)圖1。

圖1 空調(diào)設(shè)備可靠性框圖

它們以串聯(lián)形式進(jìn)行工作，其可靠度Rs(t)為各單元可靠度的乘積，即：

作為一種串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠度小于可靠性最差單元的可靠度，即整機(jī)的可靠度比所有組成部件中可靠度最差的還要小。

設(shè)備的失效率λs(t)為各單元失效率之和，即：

由于設(shè)備的工作原理決定了它是個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)，提高整機(jī)可靠度的方法只能是提高其中部件的可靠性，而且提高可靠度最差部件的可靠性是最經(jīng)濟(jì)的辦法。

2 可靠性設(shè)計(jì)方法

按文獻(xiàn)[3]，目前主要的可靠性設(shè)計(jì)方法有十三種，作者對(duì)這十三種方法分析認(rèn)為，同石油平臺(tái)空調(diào)設(shè)備的可靠性緊密相關(guān)的設(shè)計(jì)方法主要有四種，即1）元器件的選用；2）降額設(shè)計(jì)；3）冗余設(shè)計(jì)；4）耐環(huán)境設(shè)計(jì)等。

1）元器件的選用

設(shè)備中制冷壓縮機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)（包括軸流葉輪和電機(jī)）、氟利昂膨脹閥、離心通風(fēng)機(jī)（包括葉輪和電機(jī)）和電氣控制箱中的元器件均為選用件。保證這些部件具有較高的可靠性，主要是其品牌和使用經(jīng)驗(yàn)。

品牌說(shuō)明了產(chǎn)品的質(zhì)量，但沒(méi)有比較深刻地了解其特性，也就是積累一定的使用經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確地進(jìn)行選型，也會(huì)影響使用，從而降低整機(jī)的可靠性。

2）降額設(shè)計(jì)

在空調(diào)設(shè)備中可應(yīng)用降額設(shè)計(jì)的主要是冷卻用的軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)和用于循環(huán)送風(fēng)的離心通風(fēng)機(jī)電機(jī)。

由于風(fēng)冷氟利昂冷凝器隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，冷凝器表面積塵等因素的影響，風(fēng)阻會(huì)有所增加，軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)的耗功和電流也會(huì)增加，在電機(jī)選型時(shí)應(yīng)采用降額設(shè)計(jì)的方法，考慮適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)功率余量。

而循環(huán)送風(fēng)的離心通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的選型，由于空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道的阻力計(jì)算和空調(diào)設(shè)備內(nèi)部風(fēng)阻力的損耗計(jì)算的偏差，一般不可能很匹配，往往為了保險(xiǎn)，風(fēng)機(jī)的全壓選得過(guò)大，如果系統(tǒng)風(fēng)道未能有效地進(jìn)行調(diào)試，風(fēng)機(jī)一般都會(huì)在超過(guò)額定風(fēng)量情況下長(zhǎng)期運(yùn)行，如果電機(jī)功率余量小，也就會(huì)處于一定的過(guò)載狀態(tài)，影響長(zhǎng)期使用的可靠性。所以也應(yīng)該采用適當(dāng)?shù)慕殿~設(shè)計(jì)。

3）冗余設(shè)計(jì)

冗余設(shè)計(jì)又稱(chēng)為貯備設(shè)計(jì)，作為空調(diào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，整機(jī)備用是一種冗余設(shè)計(jì)；而對(duì)于一臺(tái)機(jī)組來(lái)說(shuō)，制冷系統(tǒng)備用或循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)備用也是一種冗余設(shè)計(jì)；而通過(guò)對(duì)某一部件的備用提高單元的可靠度，也是一種冗余設(shè)計(jì)；所以空調(diào)設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)重點(diǎn)要考慮的是產(chǎn)品復(fù)雜度和成本盡可能低的條件下的冗余設(shè)計(jì)方法，當(dāng)然還要顧及設(shè)備安裝空間的限制。

4）耐環(huán)境設(shè)計(jì)

海上石油平臺(tái)均處于高濕、高鹽霧環(huán)境，而且壓縮冷凝機(jī)組一般都是露天安裝，這意味著有雨淋甚至還有海浪的飛濺；這些有別于通常的環(huán)境必須予以充分的重視。因此，為了提高海上石油平臺(tái)用空調(diào)設(shè)備的可靠性應(yīng)當(dāng)進(jìn)行耐環(huán)境設(shè)計(jì)。特別是風(fēng)冷冷凝器的翅片材料、電氣控制箱及獨(dú)立安裝的控制元件的防護(hù)等級(jí)要充分考慮環(huán)境的影響。必要的話(huà)，不得采用風(fēng)冷型式。

3 目前平臺(tái)空調(diào)的可靠性設(shè)計(jì)措施及分析

從海上石油平臺(tái)總體設(shè)計(jì)角度看，設(shè)計(jì)公司已考慮了提高中央空調(diào)的可靠性措施，如一用一備，惠州平臺(tái)和春曉平臺(tái)中央空調(diào)即是這樣的形式；還有兩用一備，南堡平臺(tái)采用了這樣的方式；而樂(lè)東平臺(tái)實(shí)際上采用的是多種備用形式，它有兩個(gè)空調(diào)區(qū)域，采用了兩個(gè)AHU，每個(gè)AHU針對(duì)一個(gè)空調(diào)區(qū)域，而每個(gè) AHU（空氣處理裝置）中有三組氟利昂蒸發(fā)器，相互獨(dú)立；另采用了三個(gè)ACCU（空冷壓縮冷凝裝置），每個(gè)ACCU可以與兩個(gè)蒸發(fā)器匹配，分別是兩個(gè)AHU中的各一個(gè)。即在空調(diào)全負(fù)荷時(shí)制冷系統(tǒng)為兩用一備，空調(diào)部分負(fù)荷時(shí)為一用兩備，同時(shí)在部分負(fù)荷時(shí)只開(kāi)一臺(tái)ACCU，降低了運(yùn)行功耗。

當(dāng)然，需方和設(shè)備供貨方根據(jù)各自的經(jīng)驗(yàn)還會(huì)明確一些諸如主要部件選用要求，材料和防護(hù)等級(jí)等耐環(huán)境方面的設(shè)計(jì)要求。

以上即是目前海上石油平臺(tái)空調(diào)設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)中的措施。從中可以看出，可靠性設(shè)計(jì)方面在元器件的選用、降額設(shè)計(jì)和耐環(huán)境設(shè)計(jì)等方面均是一致的，僅在冗余設(shè)計(jì)方面是不同的，而且主要是以系統(tǒng)方面的冗余設(shè)計(jì)為主。

1）一用一備。這是一個(gè)冷貯備形式。它不是設(shè)備內(nèi)部單元的貯備，而是通過(guò)系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)，即這個(gè)空調(diào)系統(tǒng)已成為一個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)，來(lái)達(dá)到提高空調(diào)系統(tǒng)可靠性的方法。這是一個(gè)最簡(jiǎn)單的冗余設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)成本最高，設(shè)備所占空間、重量最大。

2）兩用一備。其冗余設(shè)計(jì)性質(zhì)同一用一備，若兩用是針對(duì)同一個(gè)空調(diào)區(qū)域，空調(diào)系統(tǒng)的可靠度比一用一備要高，若兩用是針對(duì)不同的兩個(gè)空調(diào)區(qū)域，則空調(diào)系統(tǒng)的可靠度比一用一備要低，但空調(diào)系統(tǒng)的總體經(jīng)濟(jì)成本比一用一備要低。

3）多種備用方式。它是一個(gè)通過(guò)設(shè)備的組合，達(dá)到制冷系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)的目的。同上述兩個(gè)空調(diào)系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)方法相比，省卻了通風(fēng)機(jī)的備用，因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)，通風(fēng)機(jī)的可靠度在空調(diào)設(shè)備單元中不是最低的。

按經(jīng)驗(yàn)，空調(diào)設(shè)備50%以上負(fù)荷運(yùn)行，一般約占了全年運(yùn)行時(shí)間的45%，其它負(fù)荷狀態(tài)則約占了55%的時(shí)間。樂(lè)東油田空調(diào)設(shè)備的配置在 50%空調(diào)負(fù)荷以下運(yùn)行時(shí)制冷系統(tǒng)為一用兩備，在50%空調(diào)負(fù)荷以上運(yùn)行時(shí)為兩用一備。所以這種方式的可靠度根據(jù)其負(fù)荷不同，運(yùn)行方式隨之改變而有所不同。由于本方法的貯備形式從大系統(tǒng)（空調(diào)系統(tǒng)）降為小系統(tǒng)（制冷系統(tǒng)），經(jīng)濟(jì)性得到了提高。

從上所述可以看出，目前在海上石油平臺(tái)空調(diào)的可靠性冗余設(shè)計(jì)中，主要考慮以系統(tǒng)為主，包括制冷系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是可靠度高，但經(jīng)濟(jì)性差，設(shè)備所占空間、重量大。

4 船用空調(diào)的可靠性設(shè)計(jì)措施

在一般船用空調(diào)設(shè)計(jì)中，可靠性設(shè)計(jì)方法與海上石油平臺(tái)空調(diào)的設(shè)計(jì)方法是一致的，僅在具體措施上有所不同?？紤]到船舶空間有限，并且重量限制，在冗余設(shè)計(jì)方面很少采用系統(tǒng)備用，主要是以制冷系統(tǒng)中某個(gè)單元貯備為主，按串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性法則，提高可靠度最差部件的可靠性設(shè)計(jì)是最為經(jīng)濟(jì)的辦法。如考慮制冷系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件僅制冷壓縮機(jī)，相對(duì)可靠度較低，采用貯備方式并聯(lián)一臺(tái)備用。熱力膨脹閥因系統(tǒng)不清潔等原因造成容易卡死或感溫包容易受損造成無(wú)法工作，采用并聯(lián)手動(dòng)膨脹閥的冗余設(shè)計(jì)方法提高可靠度。隨著制造技術(shù)水平的提高，熱力膨脹閥的質(zhì)量已有很大的提高，在空調(diào)設(shè)備中熱力膨脹閥已較少備用。這種通過(guò)提高系統(tǒng)中可靠性最差的單元的可靠度來(lái)提高設(shè)備的可靠度的方法已證明是行之有效的。但由于空間的原因，很少考慮水冷冷凝器備用，而海水對(duì)冷凝器的腐蝕一直是一個(gè)經(jīng)常困擾我們的問(wèn)題。連接各單元的制冷管系本身實(shí)際上也是一個(gè)可靠度較低的單元，這是因?yàn)榭紤]到船上設(shè)備的維修性，一般在制冷系統(tǒng)中設(shè)置了較多的閥門(mén)，造成管系也是制冷劑泄漏的重要所在。

所以，與目前的平臺(tái)空調(diào)的可靠性相比較，船用空調(diào)的可靠性相對(duì)較低，但其經(jīng)濟(jì)性相對(duì)要高許多。

5 提高平臺(tái)空調(diào)可靠性冗余設(shè)計(jì)綜合效能的建議

根據(jù)平臺(tái)空間環(huán)境特點(diǎn)，綜合考慮性?xún)r(jià)比，應(yīng)是可靠性設(shè)計(jì)中冗余設(shè)計(jì)的一個(gè)原則。根據(jù)這個(gè)原則，提高平臺(tái)空調(diào)可靠性冗余設(shè)計(jì)的綜合效能建議如下：

1）制冷系統(tǒng)多用一備是一個(gè)優(yōu)選的方法，并在正常使用中應(yīng)考慮制冷系統(tǒng)輪換運(yùn)行，避免長(zhǎng)期冷貯備。備用的方式推薦以ACCU備用的方式；

2）在提高制冷系統(tǒng)管系的氣密性能基礎(chǔ)上，僅采用制冷壓縮機(jī)備用的方法，也是可取的，特別是在設(shè)備安裝空間局促的場(chǎng)合。經(jīng)濟(jì)性相對(duì)最好；

3）AHU備用是不必要的，如果風(fēng)機(jī)與電機(jī)是皮帶傳動(dòng)，建議備用皮帶即可。

6 結(jié)論

為保證海上石油平臺(tái)空調(diào)的可靠性，總體設(shè)計(jì)單位既要考慮設(shè)備的安裝空間、空調(diào)系統(tǒng)的劃分，從系統(tǒng)的角度進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，但還要考慮經(jīng)濟(jì)性。設(shè)備供貨商應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，綜合考慮元器件的質(zhì)量、制造工藝水平和以往產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用情況，開(kāi)展設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)；只有通過(guò)系統(tǒng)和設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)的兩個(gè)方面充分溝通和協(xié)調(diào)，海上石油平臺(tái)空調(diào)的可靠性才能又好又省地得到落實(shí)。

[1]林輝.海上石油平臺(tái)空調(diào)設(shè)備設(shè)計(jì)要點(diǎn)[C]//上海造船學(xué)會(huì)2006年年會(huì)論文集, 2006.

[2]GJB450A-2004.裝備可靠性工作通用要求[S].

[3]黎放, 王志國(guó)等.艦船可靠性管理工程[M].國(guó)防工業(yè)出版社, 1997,5.

長(zhǎng)征重工鐵路產(chǎn)品出口印度

日前，重慶長(zhǎng)征重工有限責(zé)任公司成功與印度客商簽訂了100輛謝菲爾MKVII轉(zhuǎn)向架訂單，訂單總金額2000余萬(wàn)元。在2012年6月南非車(chē)展上，印度客商對(duì)長(zhǎng)征重工展出的謝菲爾轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生了濃厚的興趣。隨后，印度客商曾數(shù)次前往該公司溝通洽談，考察轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)情況，并最終達(dá)成合作協(xié)議。今年初，長(zhǎng)征重工與印度客商成功簽訂轉(zhuǎn)向架訂單，并在春節(jié)期間啟動(dòng)了謝菲爾轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)。按合同要求，6月20日前須完成100輛謝菲爾轉(zhuǎn)向架發(fā)貨。此次是長(zhǎng)征重工與印度客商的首次合作，隨著客戶(hù)業(yè)務(wù)的擴(kuò)大，以后雙方還將進(jìn)行更深入的合作，必將進(jìn)一步推動(dòng)長(zhǎng)征重工地鐵轉(zhuǎn)向架、鐵路整車(chē)等鐵路產(chǎn)品在海外市場(chǎng)的推廣。

The Reliability Design of the Air Conditioner for Seashore Oil Plates

ZHU Hong1, TENG Wei2
(1.Naval Military Representative Office in Hudong Zhonghua Shipbuilding(Group) Co.,Ltd., Shanghai 200129; 2.Oil Field SuiZhong 36-1 of China National Offshore Oil Corporation, Tianjin 300461, China)

Measures are proposed to improve the reliability design of AC equipments installed on the offshore oil platforms by combining the analysis of various methods applied in designing AC equipments on offshore oil platforms with the practical experiences.

offshore oil platform; air conditioning; reliability

U664.5

A

朱鴻（1968-），男，碩士。研究方向：船舶動(dòng)力。