LED燈具在海上石油平臺的應(yīng)用分析及探討

郭明荃 吳占友 陳 鑫

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

海上石油平臺開發(fā)工程上的電氣照明設(shè)計是電力系統(tǒng)設(shè)計的重要部分，海上石油平臺所處的環(huán)境非常特殊，LED燈具長期處于高濕度、高鹽霧的環(huán)境中，極易出現(xiàn)被腐蝕的現(xiàn)象。平臺外延、帶纜走道甚至下層甲板LED燈具可能受強風(fēng)和海浪的沖擊；生產(chǎn)區(qū)域的LED燈具工作環(huán)境中有油污、腐蝕性氣體，甚至存在易燃易爆氣體；且海上石油平臺空間有限、設(shè)備高度集中，LED燈具布置受空間限制，后期燈具維修困難，這都對于LED燈具選型應(yīng)用提出了特殊要求。

1 LED燈具的特點

1.1 技術(shù)性能優(yōu)越

（1）顯色指數(shù)高。傳統(tǒng)照明光源，如高壓鈉燈等，光源顯色指數(shù)較低，僅為20～30，光源色溫1900K，光線為黃色。顯色指數(shù)低不利于施工人員分辨物體的細節(jié)，特別是對于夜間吊裝作業(yè)時移動的物體更難分辨。LED顯色指數(shù)可達90，光源色溫超過5000K，光線接近自然光。在相同照度情況下，LED照明的施工作業(yè)現(xiàn)場更加明亮，更能創(chuàng)造一個舒適的視覺環(huán)境，提高了夜間作業(yè)的安全性。

（2）眩光影響小。眩光會給作業(yè)人員心理及情緒等帶來不適，嚴重時則會造成人員難以看到物體。LED光源由于其光線具有單向輻射性，可通過特殊設(shè)計（如燈珠布置、透鏡封裝等）降低眩光的影響。

（3）照度均勻性好。LED光源通過小功率分散布置，可根據(jù)光照區(qū)域需要進行特殊的光學(xué)設(shè)計，改變光源出光角度、光通量大小、光強大小及分布等。

1.2 安全環(huán)保

高壓鈉燈屬于氣體放電光源，電弧管內(nèi)充有金屬元素（如汞、鈉等），通電后管內(nèi)金屬元素在弧管兩端電極作用下，受熱成為蒸氣，產(chǎn)生電弧放電發(fā)光。從觸發(fā)到正常發(fā)光需經(jīng)過觸發(fā)、著火和正常發(fā)光三個階段，時間一般為5～10min，不允許連續(xù)啟動。在工作狀態(tài)下，燈具腔體內(nèi)的溫度超過150℃，在非工作狀態(tài)下會形成負壓，回吸灰塵等雜質(zhì)，大大影響燈具的出光效果和使用壽命，且存在頻閃。

而LED燈具不含重金屬元素，綠色環(huán)保，并且無頻閃現(xiàn)象，響應(yīng)時間為納秒級，通電后瞬間啟動，不存在啟動延時問題，是目前所有光源中響應(yīng)最快的產(chǎn)品。

除此之外，LED燈具采用固態(tài)光源，燈珠固定在基板上，故而其抗振性能好。

1.3 經(jīng)濟性能優(yōu)越

傳統(tǒng)燈具由于氣體放電燈的負阻特性，工作時需要配置專用鎮(zhèn)流器，燈具工作時除本身消耗功率外，鎮(zhèn)流器也會消耗燈具自身約20%的功率，無形之中增加了額外耗能。LED燈具除本身消耗功率外，驅(qū)動電源消耗的功率幾乎可以忽略不計。

LED燈具前期采購?fù)度氲某杀据^高，但在燈具使用2～3年后，其經(jīng)濟性基本與傳統(tǒng)照明光源持平，使用的時間越長，LED的經(jīng)濟性優(yōu)勢就越明顯。且隨著技術(shù)的發(fā)展，其價格還有下降的趨勢，經(jīng)濟的優(yōu)越性將越發(fā)突出。

2 LED燈具應(yīng)用分析

海上石油平臺照明設(shè)計是否合理，直接關(guān)系到海上石油平臺生產(chǎn)安全、作業(yè)質(zhì)量、生產(chǎn)效率及海上操作人員的生活質(zhì)量，同時也與操作人員的人身安全和機械設(shè)備的運行安全息息相關(guān)。在LED燈具應(yīng)用越來越廣泛的今天，本文將從以下幾方面分析LED燈具在海上平臺的應(yīng)用。

2.1 LED燈具與傳統(tǒng)燈具對比

最常用的海上石油平臺照明光源包括熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等。

傳統(tǒng)熒光燈在海上平臺照明系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于逃生通道、電氣房間、生活樓等場所。

高壓鈉燈是利用高壓鈉蒸氣發(fā)光，光呈淡黃色，廣泛應(yīng)用于海上平臺卸貨區(qū)、井口區(qū)、帶纜走道照明以及來往船只卸貨照明。

金屬鹵化物燈簡稱金鹵燈，與高壓汞燈的主要差別是放電管內(nèi)除汞及稀有氣體外，還含有一種或多種金屬鹵化物，如碘化鈉、碘化銦等。由于各種金屬原子被激發(fā)放電，金屬鹵化物燈光效和顯色性大大提高。海上平臺生產(chǎn)區(qū)域?qū)娱g高一般可以達到5.5m以上，在熒光燈不能滿足照度要求的情況下，大功率的金鹵燈是生產(chǎn)區(qū)域主要的照明燈具。

現(xiàn)階段，大多國內(nèi)LED生產(chǎn)廠家均具有可以替代傳統(tǒng)燈具的相關(guān)類型，具體參數(shù)對比表如表1所示。

考慮到LED燈作為一種綠色光源，半導(dǎo)體照明自身對環(huán)境沒有任何污染，在同樣照明亮度下，耗電量僅為等同熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈的50%。以海上常規(guī)8腿井口平臺，另外配置一座100人生活樓為例，25年項目周期，如果照明全部使用LED燈具，可以節(jié)約電費約1000萬元。可見，選用LED燈具是海上石油平臺照明發(fā)展的必然趨勢。

2.2 海上石油平臺LED取證要求

盡管LED照明發(fā)展如火如荼，但由于世界各國環(huán)境差異過大，LED照明產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未在世界范圍內(nèi)獲得普遍認可。考慮到海上平臺特殊的生產(chǎn)/生活環(huán)境，一套完整的LED燈具產(chǎn)品證書是LED安全使用的有效保障。

表1 LED燈具類型與傳統(tǒng)光源燈具對比表

2.2.1 LED防爆/防護證書

常規(guī)海上平臺按照API505規(guī)范主要分為非危險區(qū)和危險區(qū)。非危險區(qū)的LED燈具選型可選用非防爆燈具?？紤]到海上石油平臺潮濕、多鹽、多霧的環(huán)境，室外布置的LED防護燈具均要求防護等級在IP56以上，組塊帶舾裝房間及生活樓燈具選用防護等級在IP23以上，組塊不帶舾裝的房間及生活樓洗浴間等多水的房間燈具防護等級在IP44以上即可。

生產(chǎn)區(qū)域燈具需嚴格按照項目危險區(qū)劃分圖設(shè)計，危險區(qū)內(nèi)布置的燈具必須選用適用于對應(yīng)危險區(qū)等級的防爆燈具，并取得相關(guān)防爆證書。

2.2.2 LED藍光取證

照明用LED光源因發(fā)光原理導(dǎo)致光譜中藍光成分含量較高，根據(jù)研究，富藍光會造成以下幾種不良危害：

（1）藍光是一種褪黑激素抑制劑；

（2）藍光會使眼睛內(nèi)的黃斑區(qū)毒素量增高；

（3）藍光可導(dǎo)致白內(nèi)障術(shù)后的眼底損傷；

（4）藍光可引發(fā)視覺模糊。

海上現(xiàn)場作業(yè)人員長期在海上石油平臺上生產(chǎn)生活，LED燈具選型必須考慮LED燈具的藍光危害。根據(jù)新版燈具國家安全標(biāo)準(zhǔn)GB7000.1—2015《燈具第1部分：一般要求與試驗》關(guān)于光生物安全要求，所有應(yīng)用于海上石油平臺的LED燈具必須“應(yīng)用IEC62471評估光源和燈具的藍光危害”，并獲得相關(guān)證書。當(dāng)初級光源的藍光危害為RG0或RG1時，它可以在燈具上使用而不需要任何標(biāo)記；當(dāng)藍光危害的信息為RG2的Ethr時，根據(jù)燈具的類型，對標(biāo)記的要求有所區(qū)別。

2.2.3 LED光衰驗證及光電性能測試報告

海上石油平臺投產(chǎn)后，大多數(shù)燈具因為現(xiàn)場條件維修/維護特別困難，為保證LED光源質(zhì)量，LED燈產(chǎn)品整燈需取得LM80報告，LED燈產(chǎn)品所使用的光源需取得LM79報告，LM79是針對固態(tài)照明產(chǎn)品電氣和光度測量的方法，LM-80是針對LED光源光通維持率的測試方法。

2.3 海上石油平臺LED燈具選用需關(guān)注的問題

本文詳細調(diào)研了國內(nèi)外廠家最新LED燈具的形式，并結(jié)合已使用LED燈具的海上項目的反饋，針對海上LED燈具的選用總結(jié)了以下幾點需重點關(guān)注的問題：

2.3.1 散熱

大功率LED體積小、工作電流大，輸入功率中大部分（70%～80%)將轉(zhuǎn)化為熱能。若燈具熱量不能有效傳導(dǎo)和散發(fā)，將造成LED燈芯片溫度居高不下，引起光強降低、光譜偏移和元器件加速老化等一系列問題，大大降低LED的可靠性和使用壽命。

LED的工作環(huán)境溫度升高，會使LED壽命呈指數(shù)性縮減。溫度每升高10℃，LED壽命平均減少一半。元件溫度每上升2℃，可靠性將下降10%。LED燈具良好的散熱途徑應(yīng)為：LED管芯→散熱墊→印制板敷銅層（光源金屬背板）→散熱殼體→環(huán)境空氣。為保障良好的散熱途徑，燈具需一體化設(shè)計，使LED光源的熱量及時有效地通過殼體傳遞到環(huán)境空氣中。

另外，為滿足防爆等級要求，海上平臺LED照明燈具通常將光源和驅(qū)動電源安裝在特殊的保護外殼中，有應(yīng)急功能的燈具還包括應(yīng)急電池，而且封裝大多采用集成模式，導(dǎo)致燈具在工作過程中散熱更加困難。保護外殼除承擔(dān)防護防爆保護功能外，同時還作為散熱導(dǎo)體將內(nèi)部熱量傳到外部，但這種被動的散熱方式散熱效率較低，是最為需要關(guān)注的問題。

2.3.2 驅(qū)動電源

LED的單向?qū)щ娦?，決定著其驅(qū)動電源只能是直流電源。平臺照明系統(tǒng)供電電壓通常為交流220V，一般要經(jīng)過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓（或穩(wěn)流）等環(huán)節(jié)，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后通過驅(qū)動電路為LED提供合適的工作電流。高效穩(wěn)定的驅(qū)動電源不僅能降低LED的光衰，也能大幅度提高LED燈珠的使用壽命，從而滿足整個燈具長壽命、高可靠性的要求。對海上平臺LED燈具而言，驅(qū)動電源還要滿足平臺防護等級和自身散熱等要求。

3 結(jié)語

國家標(biāo)準(zhǔn)對于LED燈具要求的逐步完善，以及國內(nèi)外LED燈具的蓬勃發(fā)展，為海上平臺LED燈具的應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。考慮到LED燈具在環(huán)保、節(jié)能等方面具有巨大優(yōu)勢，海上石油平臺照明將逐步進入LED時代。

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