間接冷卻式空調(diào)系統(tǒng)在海洋石油平臺(tái)上的首次應(yīng)用

張勇青,張勇亮,高建虎,陳自剛

(1.海洋石油工程股份有限公司,天津 300451；2.中海油東方石化有限責(zé)任公司,海南 東方 572600)

海洋平臺(tái)

間接冷卻式空調(diào)系統(tǒng)在海洋石油平臺(tái)上的首次應(yīng)用

張勇青1,張勇亮2,高建虎1,陳自剛1

(1.海洋石油工程股份有限公司,天津 300451；2.中海油東方石化有限責(zé)任公司,海南 東方 572600)

文章根據(jù)間接冷卻式空調(diào)系統(tǒng)的工作原理和特點(diǎn)，以項(xiàng)目實(shí)例為基礎(chǔ),詳細(xì)分析了間接冷卻式空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備選型及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，通過(guò)該類型空調(diào)系統(tǒng)在海洋石油平臺(tái)的首次應(yīng)用，不僅解決了暖通空調(diào)設(shè)備噪聲對(duì)人員危害的問(wèn)題,提高了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和溫控精度，更對(duì)海洋工程領(lǐng)域暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法具有一定的指導(dǎo)和完善作用。

間接冷卻式空調(diào)；設(shè)備選型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)；海上平臺(tái); 首次應(yīng)用

海洋石油平臺(tái)暖通空調(diào)系統(tǒng)是保證平臺(tái)正常生產(chǎn)和人員生活的重要設(shè)施,主要服務(wù)于平臺(tái)生活模塊和生產(chǎn)模塊的工作間。

海洋石油平臺(tái)的空間可謂是“寸土寸金”，所以在以往的項(xiàng)目中設(shè)計(jì)人員通常選擇空間需求較少的直接蒸發(fā)式空調(diào)機(jī)組。但由于直接蒸發(fā)式空調(diào)機(jī)組包含的空氣處理單元與壓縮冷凝裝置必須貼近布置，這就導(dǎo)致了壓縮冷凝裝置中壓縮機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲直接影響生活模塊和生產(chǎn)模塊內(nèi)的工作人員，該噪聲嚴(yán)重影響人機(jī)操控環(huán)境，還可能誘發(fā)工作人員噪聲性耳聾和神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等多方面的疾病[1]。

間接冷卻式空調(diào)雖然存在占地面積較大、價(jià)格較為昂貴的問(wèn)題，但其維護(hù)保養(yǎng)少、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、溫控精度高等特點(diǎn)，可最大程度的滿足海洋石油平臺(tái)對(duì)設(shè)備運(yùn)行的可靠性要求，且該類型空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部的空氣處理單元與冷水機(jī)組可以分開布置，使得冷水機(jī)組中壓縮機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲可以遠(yuǎn)離平臺(tái)工作人員，提高海洋石油平臺(tái)生活模塊和組塊工作間內(nèi)操控環(huán)境的舒適性,從而達(dá)到以人為本的目的。

1 恩平18-1平臺(tái)

恩平18-1平臺(tái)位于我國(guó)南海，是1座8腿20井槽的井口平臺(tái)，平臺(tái)上設(shè)有1座100人生活模塊和生產(chǎn)模塊若干工作間。

因空調(diào)房間多且布置分散，如采用分體空調(diào)，機(jī)組數(shù)量多，因南海環(huán)境高鹽潮濕，室外機(jī)葉輪積鹽現(xiàn)象嚴(yán)重，所以維護(hù)工作量大。而如果采用常規(guī)的直接蒸發(fā)式機(jī)組，由于制冷劑路徑過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)負(fù)載過(guò)大、回油不暢等問(wèn)題，導(dǎo)致空氣處理單元與壓縮冷凝裝置無(wú)法遠(yuǎn)距離分開布置，由此將引起壓縮冷凝裝置中壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲嚴(yán)重影響末端人員的正常工作和休息。

為解決以上問(wèn)題，本項(xiàng)目將生活模塊和生產(chǎn)模塊工作間2個(gè)區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)合二為一，采用間接冷卻式空調(diào)系統(tǒng)，集中為上述2個(gè)區(qū)域提供空調(diào)制冷。

2 間接冷卻式空調(diào)系統(tǒng)的工作原理及特點(diǎn)

2.1 工作原理

間接冷卻式空調(diào)系統(tǒng)一般包括冷水機(jī)組、電子除垢儀(或軟化水處理裝置)、定壓膨脹罐、冷媒水循環(huán)泵、自動(dòng)補(bǔ)水裝置和空氣處理裝置(AHU)。

首先，水冷式冷水機(jī)組利用管殼式蒸發(fā)器使高溫冷媒水與制冷劑進(jìn)行熱交換，制冷劑吸收冷媒水中的熱負(fù)荷，使冷媒水降溫。

其次，壓縮機(jī)吸入蒸發(fā)制冷后的低溫低壓制冷劑氣體，然后壓縮成高溫高壓氣體送冷凝器；高溫高壓氣體在管殼式冷凝器與低溫海水進(jìn)行熱交換后氣體冷凝變?yōu)槌馗邏阂后w(高溫海水直接排海)；常溫高壓液體流入熱力膨脹閥，經(jīng)節(jié)流成低溫低壓的濕蒸氣，再流入管殼式蒸發(fā)器，重復(fù)下一個(gè)制冷循環(huán)。

低溫冷媒水經(jīng)過(guò)空氣處理裝置中蒸發(fā)盤管與高溫空氣進(jìn)行熱交換，冷媒水吸收高溫空氣中的熱負(fù)荷，使高溫空氣降溫，低溫空氣通過(guò)空氣處理裝置中風(fēng)機(jī)增壓后輸送至最終用戶。

高溫冷媒水經(jīng)過(guò)冷媒水循環(huán)泵增壓后，再流入冷水機(jī)組蒸發(fā)器重復(fù)下一個(gè)制冷循環(huán)，如圖1。

圖1 間接冷卻式空調(diào)系統(tǒng)流程圖

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

1)冷水機(jī)組可與空氣處理單元分開放置，有效地避免了噪聲及振動(dòng)對(duì)人員的影響。

2)相對(duì)于分體式空調(diào)，設(shè)備較少且集中，便于后期操作人員維護(hù)保養(yǎng)。

3)集中管理集中控制，負(fù)荷可在不同比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4)空氣處理單元冷媒水進(jìn)出口配置電動(dòng)三通閥，通過(guò)感應(yīng)回風(fēng)溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)流經(jīng)空氣處理單元的冷媒水流量，實(shí)現(xiàn)制冷量自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而避免定風(fēng)量系統(tǒng)下并聯(lián)用戶間的相互影響，達(dá)到高精度溫控的目的，如圖2。

圖2 電動(dòng)三通閥運(yùn)行示意圖

3 恩平18-1平臺(tái)間接冷卻式空調(diào)系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)

海洋石油平臺(tái)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)及電儀盤柜均要求暖通空調(diào)具有極高的運(yùn)行穩(wěn)定性，所以本項(xiàng)目間接冷卻式中央空調(diào)冷媒水系統(tǒng)采用定流量閉式系統(tǒng)。

本項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)由3臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組、6臺(tái)空氣處理單元、2臺(tái)冷媒水循環(huán)泵、1套供回水集管及1臺(tái)定壓膨脹罐等設(shè)備組成。

3.1 主要設(shè)備選型

1)空氣處理裝置。本項(xiàng)目采用的是中央空氣處理裝置，機(jī)組集中設(shè)置在空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)，包括混合段、過(guò)濾段、制冷段和風(fēng)機(jī)段。系統(tǒng)的風(fēng)管布置在豎井管道間和各層吊頂內(nèi)，包括送風(fēng)管道和回風(fēng)管道。系統(tǒng)的新風(fēng)管道就近布置在空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)，經(jīng)新風(fēng)處理機(jī)直接與空氣處理裝置相連接。

本項(xiàng)目共有6臺(tái)中央空氣處理裝置聯(lián)合運(yùn)行，其中2臺(tái)空氣處理裝置服務(wù)于生活模塊(單臺(tái)風(fēng)量為32 000 m3/h，1用1備)；4臺(tái)空氣處理裝置服務(wù)于生產(chǎn)模塊(2臺(tái)服務(wù)于生產(chǎn)模塊電潛泵控制間，單臺(tái)風(fēng)量為51 000 m3/h，1用1備；2臺(tái)服務(wù)于生產(chǎn)模塊主開關(guān)間、中控室、應(yīng)急開關(guān)間等其他房間，單臺(tái)風(fēng)量為13 000 m3/h，1用1備)。

2)定壓裝置。定壓點(diǎn)就是在系統(tǒng)運(yùn)行和停止時(shí)，該點(diǎn)的壓力始終保持恒定不變。保持定壓點(diǎn)處壓力值滿足規(guī)范，能使整個(gè)冷媒水系統(tǒng)無(wú)論是運(yùn)行狀態(tài)還是靜止?fàn)顟B(tài)均不會(huì)存在超壓、汽化、缺水的現(xiàn)象，因此維持恒壓點(diǎn)處的壓力至關(guān)重要。

《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》的6.4.13規(guī)定：定壓點(diǎn)最低壓力應(yīng)使系統(tǒng)最高點(diǎn)壓力高于大氣壓力5 kPa以上。

目前常用的水系統(tǒng)定壓方式有開式膨脹水箱和氣體定壓罐2種形式。本項(xiàng)目最終選擇氣體定壓罐作為冷媒水系統(tǒng)的定壓裝置。氣體定壓罐內(nèi)置丁基橡膠囊，橡膠囊外為預(yù)充氣體，正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)壓力與定壓罐預(yù)充氣體壓力平衡(預(yù)充壓力為295 kPa，容積為0.7 m3)。

當(dāng)冷媒水系統(tǒng)壓力降低時(shí)，氣體定壓罐內(nèi)冷媒水補(bǔ)充至冷媒水環(huán)路，以便達(dá)到穩(wěn)定冷媒水系統(tǒng)壓力的目的。當(dāng)氣體定壓罐內(nèi)壓力降低到補(bǔ)水設(shè)定值時(shí)，外部水源自動(dòng)向氣體定壓罐補(bǔ)水穩(wěn)壓。

當(dāng)冷媒水系統(tǒng)壓力升高時(shí)，系統(tǒng)冷媒水自動(dòng)流向氣體定壓罐，以便達(dá)到穩(wěn)定冷媒水系統(tǒng)壓力的目的。當(dāng)氣體定壓罐內(nèi)壓力升高到排水設(shè)定值時(shí)，其向外界自動(dòng)排水泄壓。氣體定壓灌工作流程圖，如圖3所示。

圖3 氣體定壓灌工作流程圖

相對(duì)于開式膨脹水箱，氣體定壓罐具有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1)避免了開式水箱水量蒸發(fā)減少后，需要人工到系統(tǒng)頂部補(bǔ)水的問(wèn)題。

(2)避免了開式水箱與空氣直接接觸，易腐蝕系統(tǒng)的碳鋼管路的問(wèn)題。

(3)避免了開式水箱無(wú)預(yù)充壓力導(dǎo)致的水泵揚(yáng)程高、功率大的問(wèn)題。

(4)氣體定壓罐安裝于水泵入口，可避免開式膨脹水箱布置在系統(tǒng)最高點(diǎn)時(shí)易出現(xiàn)的負(fù)壓及水錘現(xiàn)象。

3)冷媒水循環(huán)泵。由于海洋石油平臺(tái)環(huán)境的特殊性和可靠性要求，本項(xiàng)目依據(jù)API 610標(biāo)準(zhǔn)，最終選擇2臺(tái)單級(jí)離心泵(流量為230 m3/h；1用1備)。

由于本項(xiàng)目采用閉式循環(huán)，循環(huán)泵揚(yáng)程H只需克服冷媒水環(huán)路沿程阻力和局部阻力：

H=∑hf+∑hj

其中，沿程阻力∑hf較小，局部阻力∑hj主要包括冷水機(jī)組、空氣處理單元、靜態(tài)平衡閥、濾器及各彎頭部件的阻力，最終根據(jù)核算，循環(huán)泵揚(yáng)程選取為410 kPa[1]。

冷媒水泵的揚(yáng)程選型依據(jù)如下。

(1)冷水機(jī)組和空氣處理裝置阻力，一般為60～100 kPa。

(2)管路阻力包括磨擦阻力、局部阻力。其中單位長(zhǎng)度的磨擦阻力取決于技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，若取值大則管徑小，初投資省，但水泵運(yùn)行能耗大；若取值小則反之。目前設(shè)計(jì)中冷水管路的單位長(zhǎng)度的磨擦阻力宜控制在150～200 Pa/m范圍內(nèi)[3]。

(3)電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥的阻力，一般為10～20 kPa。

(4)電子除垢儀、Y型濾器、靜態(tài)平衡閥的阻力，一般為100～150 kPa。

4 冷媒水管路系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)存在水力失調(diào)時(shí)，可能會(huì)存在系統(tǒng)冷熱不均、水泵的運(yùn)行能耗過(guò)高、系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)等問(wèn)題。只有在冷媒水系統(tǒng)水力平衡時(shí)，主機(jī)和控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)高效的節(jié)能，水力平衡包括流量平衡和壓力平衡。

為了實(shí)現(xiàn)冷媒水系統(tǒng)的水力平衡，本項(xiàng)目在進(jìn)行管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)遵循了以下原則[4]。

1)空調(diào)冷媒水管路具備足夠的輸送能力，確保每臺(tái)空調(diào)機(jī)組的循環(huán)水量達(dá)到設(shè)計(jì)流量，保證機(jī)組的正常運(yùn)行。

2)空調(diào)冷媒水管路布置盡可能地選用同程式系統(tǒng)，雖然由此造成初投資略有增加，但易于保持環(huán)路的水力穩(wěn)定性。

3)空調(diào)冷媒水管路管徑選擇杜絕大流量小溫差的問(wèn)題。

4)進(jìn)行嚴(yán)格的水力計(jì)算，確保各個(gè)環(huán)路之間符合水力平衡要求，使空調(diào)水系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中有良好的水力工況和熱力工況。

5)在水系統(tǒng)的頂點(diǎn)設(shè)置自動(dòng)排氣閥，防止形成氣塞，在環(huán)路的最低點(diǎn)設(shè)置排水閥。

5 結(jié)束語(yǔ)

間接式中央空調(diào)式系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，不僅解決了長(zhǎng)期困擾工作人員的噪聲問(wèn)題，而且極大的節(jié)省了甲板面積和后期維護(hù)費(fèi)用。以本項(xiàng)目為例：如若采用分體空調(diào)，其數(shù)量約22臺(tái)，共需甲板面積200 m2；而采用間接式中央空調(diào)式系統(tǒng)，所需甲板面積僅為110 m2，節(jié)約甲板面積90 m2，有效的降低了初始投資。同時(shí)，間接式中央空調(diào)式系統(tǒng)最大限度的減少了制冷劑管線的安裝工作，降低了初始安裝費(fèi)用。由于機(jī)組數(shù)量減少可以有效降低后期維護(hù)費(fèi)用，且間接式中央空調(diào)式系統(tǒng)的主要耗電設(shè)備冷水機(jī)組，可通過(guò)無(wú)級(jí)卸載成比例的降低設(shè)備耗電，故每年可節(jié)省維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用10萬(wàn)元以上。

隨著我國(guó)海洋石油工業(yè)的不斷發(fā)展，海洋石油平臺(tái)配置的電潛泵變頻設(shè)備數(shù)量越來(lái)越多，為保證其運(yùn)行環(huán)境溫度恒定，導(dǎo)致海洋石油平臺(tái)對(duì)制冷空調(diào)的制冷需求越來(lái)越大，耗電量常年居高不下。同時(shí)，為了解決平臺(tái)生產(chǎn)人員在生活中因噪聲問(wèn)題誘發(fā)的各種疾病，未來(lái)海洋石油平臺(tái)空調(diào)設(shè)計(jì)選型過(guò)程中，除了考慮穩(wěn)定性和初始投資外，將會(huì)更加的關(guān)注空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性、高舒適性、智能化、后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等方面，真正的達(dá)到以人為本的目的。

綜合考慮以上因素，間接式中央空調(diào)式系統(tǒng)應(yīng)是未來(lái)海洋石油平臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)選型的主要發(fā)展方向，本文以恩平18-1油田為例，詳細(xì)介紹了間接冷卻式空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和選型依據(jù)，通過(guò)該空調(diào)系統(tǒng)在海洋石油平臺(tái)的首次成功應(yīng)用，不僅極大的提高暖通空調(diào)系統(tǒng)的工程質(zhì)量和人員的舒適性，而且對(duì)今后海洋石油平臺(tái)的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)，也提供了一定的借鑒和指導(dǎo)作用，具有重要的推廣和指導(dǎo)意義。

[1] 張慧芳,張勇青,陳自剛. 淺析海上平臺(tái)暖通空調(diào)系統(tǒng)噪聲[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2012，32(5)：131-132.

[2] 叢山日,許文華,孟廣宇. 氣壓罐定壓裝置計(jì)算方法和設(shè)計(jì)原則[J]. 建筑科學(xué)，2000,15(5)：57-58.

[3] 趙榮義,錢以明,范存養(yǎng). 簡(jiǎn)明空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

[4] 金文,張永生,杜芳莉. 空氣調(diào)節(jié)技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1998.

According to the working principle and characteristic,equipment style-selection and design main point are analyzed in detail for the indirect cooling air-conditioning system based on the real projcect.The first application of such kind of air conditioning system makes the harmful noise from HVAC solved and stability of equipment operation accuracy of temperature control are raised,which might be direction and perfection for designing HVAC air-conditioning system on offshore platform.

indirect cooling air-condition;equipment style-selection and system design;offshore platform;first application

張勇青(1986-)，男，河南許昌人，工程師，大學(xué)本科，主要從事海洋石油平臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

TE991.8

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.02.015

2016-11-07