變頻通風(fēng)技術(shù)在海洋平臺(tái)中的節(jié)能應(yīng)用

變頻通風(fēng)技術(shù)在海洋平臺(tái)中的節(jié)能應(yīng)用

李偉，郝寶齊

(中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司,天津 300461)

摘要：分析機(jī)艙變頻通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量與環(huán)境溫度、設(shè)備散熱條件的依存關(guān)系，明確機(jī)艙變頻通風(fēng)系統(tǒng)中采用溫度和壓力作為控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因果關(guān)系，理論分析采用變頻通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能效果，認(rèn)為合理的通風(fēng)布置對(duì)于變頻通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)揮節(jié)能降耗作用具有重要作用，采用機(jī)艙變頻通風(fēng)系統(tǒng)可以提高目標(biāo)平臺(tái)的節(jié)能與環(huán)保性。

關(guān)鍵詞：變頻；通風(fēng)；節(jié)能

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.006

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.86；P752

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2015)05-0021-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡(jiǎn)介：第一李偉 (1975-)，男，學(xué)士，工程師

Abstract:The VFD technique applied in the engine room ventilation of offshore platform is studied. The relationship between the airflow of ventilation and ambient temperature and equipment heat dissipation is analyzed, as well as the principle of controlling the fan speed by temperature and pressure. The energy saving efficiency of applying VFD ventilation system is analyzed theoretically. It can be concluded that proper ductwork arrangement has significant influence on energy saving effect, and applying the VFD technique in engine room ventilation can increase the energy saving efficiency and environmental friendly performance of the target platform.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海工機(jī)械動(dòng)力

E-mail:liwei4@cnooc.com.cn

海洋平臺(tái)上發(fā)電機(jī)艙的通風(fēng)系統(tǒng)主要有兩個(gè)作用：滿足房間散熱需要和滿足柴油機(jī)燃燒空氣消耗。機(jī)艙風(fēng)機(jī)的選型一般根據(jù)ISO8861的計(jì)算結(jié)果。此計(jì)算是基于極限環(huán)境溫度條件下最大設(shè)備散熱工況下機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)所需求的風(fēng)量來(lái)確定機(jī)艙通風(fēng)所需最大通風(fēng)量。海洋平臺(tái)在實(shí)際操作運(yùn)行過(guò)程中存在不同的作業(yè)工況，對(duì)應(yīng)不同工況，機(jī)艙內(nèi)設(shè)備散熱各不相同；同時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量的需求又與室外環(huán)境溫度有密切的關(guān)系，1年之中只有約20%的日子里室外最高氣溫會(huì)達(dá)到或接近設(shè)計(jì)最高值，1 d之內(nèi)早午晚室外氣溫的變化也很大。如果始終讓風(fēng)機(jī)按設(shè)計(jì)最大工況運(yùn)行勢(shì)必造成無(wú)謂的能源浪費(fèi)。而空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)通常是平臺(tái)上的用電大戶(hù)，一般會(huì)占平臺(tái)發(fā)電量的20%～30%，降低通風(fēng)系統(tǒng)的能耗意義重大。根據(jù)風(fēng)機(jī)馬達(dá)功耗與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈立方正比關(guān)系的原理，如果風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低一半，則對(duì)應(yīng)馬達(dá)功耗將降低87.5%，這對(duì)于降低能耗具有顯著的意義。變頻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)這一目的。變頻通風(fēng)系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境條件和房間內(nèi)設(shè)備散熱工況自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能降噪，低碳環(huán)保的目標(biāo)[1]。

1通風(fēng)機(jī)選型

ISO 8861《Shipbuilding-Engine room ventilation in diesel engine ships-Design requirements and basis of calculation》是目前船舶及海洋工程機(jī)艙通風(fēng)計(jì)算的理論依據(jù)，據(jù)此，機(jī)艙通風(fēng)總量Q至少為機(jī)艙內(nèi)所有設(shè)備所需燃燒空氣量qc和設(shè)備散熱所需通風(fēng)量qh之總和，即

(1)

且應(yīng)

Q≥1.5qc

(2)

其中，qc和qh應(yīng)按具體設(shè)備廠提供的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)在設(shè)計(jì)中不能及時(shí)得到這些信息時(shí)，可按ISO8861中所述進(jìn)行估算。

2合理的通風(fēng)布置

對(duì)于海洋平臺(tái)，通常機(jī)艙內(nèi)沒(méi)有推進(jìn)柴油機(jī)，只布置發(fā)電柴油機(jī)。機(jī)艙通風(fēng)就完全是為發(fā)電柴油機(jī)提供燃燒空氣和給機(jī)艙內(nèi)設(shè)備散熱而用。根據(jù)卡特彼勒(Catepillar)的建議，最佳的機(jī)艙通風(fēng)布置見(jiàn)圖1。

圖1　卡特彼勒推薦的機(jī)艙通風(fēng)形式

圖1a)即冷風(fēng)從底部送入，先后流經(jīng)發(fā)電機(jī)柴油機(jī)，最后熱空氣上升至高點(diǎn)被排風(fēng)機(jī)排出機(jī)艙。

圖1b)即冷風(fēng)從艙壁側(cè)面已斜向下的方向吹拂流經(jīng)發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)，熱空氣上升至機(jī)艙高點(diǎn)后背排風(fēng)機(jī)排出。

最差的通風(fēng)布置是圖1c)。也就是送風(fēng)從柴油機(jī)頂部吹下，流經(jīng)柴油機(jī)熱表面和發(fā)電機(jī)熱表面后熱空氣上升至機(jī)艙高點(diǎn)，被排風(fēng)機(jī)排出。

對(duì)應(yīng)圖1a)～c)通風(fēng)布置情況，Catepillar 推薦的機(jī)艙通風(fēng)量計(jì)算公式分別為

(3)

(4)

(5)

式中：C——機(jī)艙所需通風(fēng)量，m3/h;

He——機(jī)艙最大設(shè)計(jì)溫度條件下柴油機(jī)散熱量，kW；

Ha——機(jī)艙內(nèi)輔機(jī)等設(shè)備散熱量，kW，如果沒(méi)有確切的數(shù)據(jù)，可按每臺(tái)發(fā)電機(jī)散熱等于柴油機(jī)散熱量的1/3進(jìn)行估算；

W——室外最高氣溫條件下空氣密度，kg/m3;

Tr——最大溫升，K;

Ca——柴油機(jī)燃燒空氣量，m3/h。

分析式(3)～(5)發(fā)現(xiàn)，燃燒空氣量與機(jī)艙通風(fēng)形式?jīng)]有關(guān)系，而散熱所需通風(fēng)量則與通風(fēng)形式有直接的關(guān)系。采用第1種通風(fēng)形式散熱通風(fēng)量是第2種通風(fēng)形式下散熱通風(fēng)量的一半，而采用第2種形式通風(fēng)形式散熱通風(fēng)量約等于第3種通風(fēng)形式下散熱通風(fēng)量的一半。根據(jù)若干項(xiàng)目機(jī)艙通風(fēng)計(jì)算的比較發(fā)現(xiàn)，Catepillar給出的第3種通風(fēng)形式下機(jī)艙所需通風(fēng)量基本上與通過(guò)ISO8861計(jì)算得出的機(jī)艙通風(fēng)量相當(dāng)。也就是說(shuō)采用Catepillar建議的第1種或第2種機(jī)艙通風(fēng)形式可以大幅地減小機(jī)艙通風(fēng)量。

大部分海洋平臺(tái)上，機(jī)艙通風(fēng)的形式介于第1種和第2種通風(fēng)形式之間，送風(fēng)從緊貼機(jī)艙升高地板面處吹出，吹拂發(fā)電機(jī)后流經(jīng)柴油機(jī)表面，最后熱空氣在機(jī)艙底部聚集后由排風(fēng)機(jī)排出機(jī)艙。當(dāng)然機(jī)艙風(fēng)機(jī)的選型還是得按ISO8861 計(jì)算結(jié)果來(lái)確定風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量。而實(shí)際的情況是可能并不需要這么大的風(fēng)量。這就是采用變頻風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量達(dá)到節(jié)能降耗的理論依據(jù)[2-3]。

3機(jī)艙通風(fēng)與機(jī)艙溫度壓力的關(guān)系

如前所述，機(jī)艙通風(fēng)無(wú)外乎兩個(gè)目的：給柴油機(jī)提供燃燒空氣和滿足機(jī)艙內(nèi)設(shè)備散熱需要。最終的目的達(dá)到：機(jī)艙相對(duì)于環(huán)境維持約+50 Pa正壓，同時(shí)機(jī)艙內(nèi)溫升相對(duì)于環(huán)境不超過(guò)12.5 K(或者機(jī)艙內(nèi)溫度不超過(guò)設(shè)定的值，一般+45 ℃)。定義機(jī)艙送風(fēng)量為QS(m3/h)，機(jī)艙排風(fēng)量為QE，機(jī)艙溫度為t(℃)，機(jī)艙相對(duì)于環(huán)境的壓差為Δp(Pa),則：

(6)

式(6)的含義是：機(jī)艙溫度和壓力(壓差)是由機(jī)艙送風(fēng)量QS、排風(fēng)量QE、機(jī)艙內(nèi)設(shè)備散熱總和∑φ、環(huán)境溫度TE，以及燃燒空氣量QC等這些綜合因素作用決定的。公式中設(shè)備散熱和燃燒空氣量是平臺(tái)運(yùn)行工況的函數(shù)，而室外溫度是有規(guī)律變化但是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的，這三者都是客觀條件；公式中右側(cè)內(nèi)所示的通風(fēng)是手段，通過(guò)通風(fēng)的手段以實(shí)現(xiàn)控制機(jī)艙溫度和壓差是目的。

4機(jī)艙變頻風(fēng)機(jī)控制原理與邏輯

以機(jī)艙溫度和壓差這兩目的參數(shù)為對(duì)象，并根據(jù)目的參數(shù)的變動(dòng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制送排風(fēng)量的過(guò)程既是機(jī)艙變頻風(fēng)機(jī)控制的內(nèi)涵。根據(jù)機(jī)艙溫度和壓差的實(shí)時(shí)數(shù)值來(lái)控制送排風(fēng)量的過(guò)程可表示為下屬函數(shù)關(guān)系[4]。

(7)

(8)

上述公式的實(shí)際意義就是：根據(jù)機(jī)艙溫度調(diào)節(jié)排風(fēng)量QE，根據(jù)機(jī)艙壓差調(diào)節(jié)送風(fēng)量QS。

控制邏輯見(jiàn)圖4。

圖4　機(jī)艙變頻風(fēng)機(jī)控制邏輯示意

即根據(jù)實(shí)時(shí)壓差值控制送風(fēng)機(jī)，始終使壓差Δp維持在+50 Pa左右；根據(jù)機(jī)艙溫度實(shí)時(shí)控制排風(fēng)機(jī)，保證機(jī)艙溫度維持在設(shè)定的溫度范圍之內(nèi)。

機(jī)艙風(fēng)機(jī)的運(yùn)行邏輯見(jiàn)圖5。

圖5　機(jī)艙變頻風(fēng)機(jī)運(yùn)行邏輯

變頻風(fēng)機(jī)控制邏輯概括為：根據(jù)機(jī)艙溫度傳感器和壓差傳感器傳回的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)按一定的動(dòng)作頻率(延時(shí))和步幅控制排風(fēng)和供風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以使機(jī)艙溫度和壓差保持在設(shè)定的范圍之內(nèi)。

5節(jié)能效果

泵或風(fēng)機(jī)的相似律為：

(9)

式中，Q，H，N，n——泵或風(fēng)機(jī)的流量(風(fēng)量)、揚(yáng)程(壓頭)、軸功率、轉(zhuǎn)速。

帶角標(biāo)m的為模型機(jī)參數(shù)，可看做設(shè)備額定參數(shù)。

由式(9)可見(jiàn)，軸功率(原動(dòng)電機(jī)所需功率)N與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比關(guān)系。這就是調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以降低風(fēng)機(jī)馬達(dá)功耗的理論依據(jù)。

例如，大連船舶重工集團(tuán)海洋工程公司建造的BT3500-1海洋平臺(tái)所用機(jī)艙風(fēng)機(jī)為Nyborg MPV 1120A1K 變頻軸流風(fēng)機(jī)，性能見(jiàn)圖6。

圖6　變頻系列風(fēng)機(jī)性能

由圖6可見(jiàn)，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量降低一半時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速將由額定的1 750 r/min降低到950 r/min，功耗將由30多kW降低到5 kW左右，節(jié)能效果明顯。

BT3500-1平臺(tái)發(fā)電機(jī)艙配6臺(tái)CAT3516 風(fēng)冷柴油發(fā)電機(jī)，額定輸出功率2 200 kW，機(jī)艙通風(fēng)配3臺(tái)供風(fēng)機(jī)3臺(tái)排風(fēng)機(jī)，根據(jù)ISO8861計(jì)算，供風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量為11 000 m3/h, 排風(fēng)機(jī)排風(fēng)量為86 000 m3/h。

假設(shè)所有發(fā)電機(jī)按額定工況運(yùn)行，考察1年中各月份排風(fēng)機(jī)的實(shí)際需要風(fēng)量和馬達(dá)實(shí)際功耗。

假設(shè)該平臺(tái)在中國(guó)南海西沙區(qū)域作業(yè)，根據(jù)中國(guó)氣象網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)資料，西沙海域2013年逐月平均氣溫變化見(jiàn)圖7。

圖7　西沙2013年逐月平均氣溫變化

1個(gè)月之內(nèi)，氣溫的變化與與日照、陰晴雨雪、季候風(fēng)等都有關(guān)系，下面兩幅圖(圖8和圖9)是根據(jù)中國(guó)氣象網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出的2012年西沙1月份和7月份逐日平均氣溫變化柱狀圖，從中可以看出，相對(duì)于陸地而言，海洋上空氣溫的變化相對(duì)平穩(wěn)。

圖8　西沙2012年1月逐日氣溫變化

圖9　西沙2012年7月逐日氣溫變化

為簡(jiǎn)化模型，取西沙2013年月最高和最低氣溫的算術(shù)平均值作為月平均氣溫，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算對(duì)應(yīng)的機(jī)艙所需通風(fēng)量，再基于通風(fēng)量相對(duì)于額定通風(fēng)量的比值來(lái)計(jì)算相應(yīng)的風(fēng)機(jī)馬達(dá)功耗變化。

為分析方便，僅理論計(jì)算分析排風(fēng)機(jī)馬達(dá)功耗隨室外氣溫變化的波動(dòng)情況。上述平臺(tái)在西沙作業(yè)時(shí)，1年中各月單臺(tái)排風(fēng)機(jī)馬達(dá)實(shí)際功耗與額定功率的對(duì)比見(jiàn)圖10。由圖10可見(jiàn)，采用變頻風(fēng)機(jī)后，節(jié)能效果相當(dāng)明顯。

圖10　風(fēng)機(jī)馬達(dá)實(shí)際功耗與額定功耗對(duì)比

6結(jié)論

如今，越來(lái)越多的海洋平臺(tái)用戶(hù)會(huì)要求給發(fā)電柴油機(jī)增壓器單獨(dú)接供燃燒空氣用風(fēng)管。這種情況下，機(jī)艙通風(fēng)只剩下滿足機(jī)艙內(nèi)設(shè)備散熱需要了，供風(fēng)機(jī)將不再承擔(dān)提供燃燒空氣的任務(wù)。這樣，機(jī)艙的變頻通風(fēng)效果將更明顯。因?yàn)槿紵諝鈱?duì)室外氣溫不敏感，而用作散熱的機(jī)艙通風(fēng)量直接受室外環(huán)境氣溫的影響——環(huán)境氣溫越低所需風(fēng)量越小。同時(shí)由于供排風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)供排風(fēng)量始終一致，這樣就可以只用一個(gè)溫度傳感器來(lái)進(jìn)行變頻風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)控制。控制原理相似，只需保持供排風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)相同，同步調(diào)節(jié)即可。

參考文獻(xiàn)

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Application of the VFD Ventilation Technique in Offshore Platform

LI Wei, HAO Bao-qi

(Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300461, China)

Key words: VFD; ventilation; energy saving