余熱回收轉(zhuǎn)輪在海洋平臺空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用

王冬梅 熊曉陽 徐志權(quán) 黃海波 劉富均

摘? ? 要：能源短缺及環(huán)境保護(hù)問題一直是世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的焦點(diǎn)，節(jié)能減排措施備受關(guān)注，帶余熱回收的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)在建筑領(lǐng)域十分成熟，船舶方面常用于客滾船及大型郵輪，而在海洋平臺上應(yīng)用較少。本文依托已成功建造的某自升式海洋平臺，介紹帶余熱回收的空調(diào)系統(tǒng)在海工平臺上的應(yīng)用，為其他相關(guān)項(xiàng)目提供參考。

關(guān)鍵詞：海洋平臺;熱回收;回收轉(zhuǎn)輪;空調(diào)系統(tǒng)

中圖分類號：U664.86 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Energy shortage and environment protection have been the focus of economic development all over the world. Energy saving and emission reduction measures have been attracting more and more attention. The HVAC system with efficient energy recovery has emerged as the times require. The application of the system has been mature in the field of construction. In the aspect of shipbuilding， it is often used in Ro/Ro passenger ship and large cruise ship， but rarely used in the aspect of offshore jack-up rig. This paper introduces the design and application of the HVAC system with heat recovery on the offshore jack-up rig successfully built by our company， providing reference for other related projects.

Key words： Offshore jack-up rig; Heat recovery; Rotary heat exchanger; HVAC system

1? ? ?前言

傳統(tǒng)的海工平臺空調(diào)系統(tǒng)采用冷媒介質(zhì)制冷，通過空氣處理機(jī)組將新風(fēng)冷卻后送至各個(gè)艙室進(jìn)行冷卻，艙室通過回風(fēng)管道或艙室門下的格柵收集部分回風(fēng)至空調(diào)器，回風(fēng)與新風(fēng)混合后再次制冷送至艙室。新風(fēng)與回風(fēng)的比例通常不超過60%，因此系統(tǒng)中至少有40%的風(fēng)量作為廢氣被排出室外，此部分風(fēng)量所攜帶的能量則一并被浪費(fèi)了。

與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比，帶余熱回收的空調(diào)系統(tǒng)是將廢氣收集，利用余熱回收轉(zhuǎn)輪，將廢氣中的余熱充分回收加以利用，從而達(dá)到節(jié)能的作用。

2? ? 余熱回收系統(tǒng)的原理

通過余熱回收轉(zhuǎn)輪的運(yùn)動，使回收的排風(fēng)中的大部分能量通過轉(zhuǎn)子介質(zhì)傳遞給送風(fēng)。余熱回收轉(zhuǎn)輪屬于可再生換熱器，單轉(zhuǎn)輪余熱回收空調(diào)器典型圖，如圖1所示。由于存在氣流交替，轉(zhuǎn)輪通常設(shè)置為自清潔和防凍型;轉(zhuǎn)輪熱（濕）能的回收效率非常高，可以達(dá)到70%～90%，而且通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以很容易的調(diào)節(jié)效率。

回收排風(fēng)通常來自住艙的衛(wèi)生單元、公共衛(wèi)生間、健身房、會議室或其他公共娛樂區(qū)域等，將本應(yīng)直接排出室外的廢氣收集至空氣處理機(jī)組，將能量重新利用回收。

傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)空氣處理機(jī)組初始成本低，但冷卻/電氣方面初始成本及運(yùn)行成本高;熱回收空調(diào)系統(tǒng)空氣處理機(jī)組初始成本略高，但冷卻/電氣方面初始成本及運(yùn)行成本較低，單轉(zhuǎn)輪的余熱回收系統(tǒng)可回收約25%的制冷/熱量;制冷機(jī)組的體積小，該系統(tǒng)使用在中東地區(qū)等環(huán)境比較惡劣的項(xiàng)目中優(yōu)勢尤其明顯。

3? ? 余熱回收轉(zhuǎn)輪

余熱回收轉(zhuǎn)輪由轉(zhuǎn)子、外殼、驅(qū)動電機(jī)及其附件組成，如圖2所示。

3.1? ?外殼及轉(zhuǎn)子

外殼材質(zhì)通常采用鍍鋅鋼板（Z275）、鋁合金（A150）、不銹鋼。堅(jiān)固的外殼設(shè)計(jì)不僅需保證轉(zhuǎn)子運(yùn)動的可靠性，還應(yīng)能防止可能的空氣泄漏，故外殼在轉(zhuǎn)子外圍和旋轉(zhuǎn)軸處設(shè)有可調(diào)節(jié)密封刷。

3.2? ?電機(jī)

轉(zhuǎn)子由安裝在外殼內(nèi)支架上的電機(jī)驅(qū)動，通常轉(zhuǎn)子直徑φ<1 400 mm，選用圓皮帶驅(qū)動;當(dāng)φ≥1400 mm時(shí)，選用V型皮帶驅(qū)動。

適當(dāng)?shù)钠л喅叽缂拜S承尺寸，可使轉(zhuǎn)子達(dá)到最佳的轉(zhuǎn)速，熱回收的最佳轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為12 r/min、濕回收轉(zhuǎn)子的最佳轉(zhuǎn)速為2012 r/min。

電機(jī)上配有溫度開關(guān)，可監(jiān)測繞組溫度。

3.3? ?附件

轉(zhuǎn)輪可在轉(zhuǎn)子基體邊緣安裝加強(qiáng)件，以保護(hù)箔材邊緣不受腐蝕，適合在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較高的環(huán)境中使用;可額外再增加旋轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子周圍的密封刷，在送風(fēng)與排風(fēng)管道之間有較高的壓差中適用;轉(zhuǎn)輪還可以增設(shè)檢查窗及把手等附件，便于使用及維護(hù)。

3.4? ?防污染措施

交叉污染會降低空調(diào)系統(tǒng)的效能。為了防止回收的排氣泄露至進(jìn)氣系統(tǒng)，從而污染送風(fēng)，本項(xiàng)目在轉(zhuǎn)輪上采取了一系列的措施，如設(shè)置適當(dāng)風(fēng)壓、增設(shè)轉(zhuǎn)輪清潔扇區(qū)及密封刷等，排風(fēng)污染新風(fēng)比率可達(dá)到0.04%。

風(fēng)壓設(shè)置如圖3所示，其中P1>P4、P2>P3，以確保送風(fēng)不被污染。

清潔扇區(qū)的設(shè)置可以確保轉(zhuǎn)輪在送風(fēng)排風(fēng)交替區(qū)域新風(fēng)不被污染。清潔扇區(qū)節(jié)點(diǎn)圖，如圖4所示。值得注意的是，由于風(fēng)壓及清潔扇區(qū)等的存在，在新風(fēng)通過轉(zhuǎn)輪段后會損失掉一部分化為排風(fēng)，這部分所占新風(fēng)比率被稱為新風(fēng)量調(diào)整因子（OACF），需要按新風(fēng)量調(diào)整因子來充分進(jìn)行空調(diào)處理機(jī)組送風(fēng)機(jī)的選型。例如：如果該數(shù)值為5%，則10 000 m3/h的供風(fēng)量需要提供10 500 m3/h的新風(fēng)才能達(dá)到。

3.5? ?認(rèn)證及標(biāo)準(zhǔn)

該裝置的應(yīng)用技術(shù)已十分成熟，可根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證空調(diào)和制冷產(chǎn)品的性能等級，為所有制造商提供公平的競爭環(huán)境，并為客戶們保證了產(chǎn)品質(zhì)量。目前，諸多生產(chǎn)廠家例如奧斯博格（OSTBERG）、伊文圖斯（ENVENTUS）等的換熱器及計(jì)算程序均通過了歐盟認(rèn)證，并取得歐盟證書，還可提供DNV等各船級社證書。

4? ? 應(yīng)用實(shí)例

4.1? 平臺概況

已成功建造的某自升式海工平臺，是一艘用于海上作業(yè)、帶有自航能力的自升式平臺。該平臺為方形主體，帶有四個(gè)桁架式樁腿，每個(gè)樁腿由下端的樁靴支撐;設(shè)有生活區(qū)，能夠提供150人的就餐、住宿等;掛利比里亞旗，入美國船級社（ABS）;平臺的噪音滿足IMO468（XII）的要求、振動滿足ISO6954-1984的要求。

設(shè)計(jì)環(huán)境溫度： 0 ℃ ～ 55 ℃

空調(diào)系統(tǒng)： ? ? ? ? ? 0 ℃ @ 100% RH～50 ℃ @ 60% RH

海水溫度： ? ? ? ? ?15 ℃ ～ 36 ℃

4.2? ?系統(tǒng)組成

（1）該平臺中央空調(diào)系統(tǒng)采用二級制冷系統(tǒng)：經(jīng)過處理的新鮮空氣通過安裝在平臺中央控制室頂部的新風(fēng)預(yù)處理機(jī)組引入每一層甲板的艙室空調(diào)系統(tǒng)。新風(fēng)預(yù)處理機(jī)組配有獨(dú)立的壓縮冷凝機(jī)組，AHU與壓縮冷凝機(jī)采用分體式，新風(fēng)預(yù)處理機(jī)組采用2*60%負(fù)荷配置;每一層艙室均配置兩臺2*50%的直接膨脹式壓縮冷凝機(jī)組及空氣處理機(jī)組進(jìn)行二次制冷，采用風(fēng)冷冷卻;

（2）生活區(qū)空氣處理機(jī)組（AHU）通過制冷劑（R407C）進(jìn)行熱交換，以達(dá)到所需舒適環(huán)境，冬季AHU制熱通過熱水鍋爐提供熱源。AHU配加濕功能，以備送熱風(fēng)過程中給空氣系統(tǒng)加濕;AHU送風(fēng)為中速中壓風(fēng)管系統(tǒng)，采用夏季集中供冷、冬季集中供熱的方式，生活艙室、餐廳、中央控制室、辦公室、會議室、醫(yī)務(wù)室、洗衣間等處所為空調(diào)處所。其中，中央空調(diào)承擔(dān)中央控制室空調(diào)部分負(fù)荷，另外配置獨(dú)立的風(fēng)冷分體空調(diào)服務(wù)中央控制室，生活區(qū)中央空調(diào)與分體空調(diào)同時(shí)服務(wù)集控室，以保證中央控制室空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性;

（3）空調(diào)處所的空調(diào)風(fēng)通過房間門下方的格柵回到走道，部分由通風(fēng)系統(tǒng)排到外界，部分經(jīng)回風(fēng)管回到空調(diào)器，并保持生活區(qū)一定的正壓;用于醫(yī)務(wù)室和公共廁所的空調(diào)送風(fēng)管上設(shè)止回風(fēng)閘;空調(diào)送風(fēng)管和回風(fēng)管設(shè)置必要的防火風(fēng)閘和調(diào)風(fēng)門等附件;送風(fēng)末端裝置采用頂式布風(fēng)器或球形送風(fēng)頭;

（4）根據(jù)需要，部分布風(fēng)器配有電加熱功能，為了安全起見，所有帶有電加熱功能的布風(fēng)器配有高溫保護(hù)功能;布風(fēng)器帶有二次調(diào)節(jié)風(fēng)量的功能，可以在布風(fēng)器上進(jìn)行手動操作，確保各個(gè)服務(wù)處所可以根據(jù)自身需要進(jìn)行制熱/冷量調(diào)節(jié);

（5）系統(tǒng)中的廁所排風(fēng)、儲物間排風(fēng)、被服間排風(fēng)、祈禱室排風(fēng)、更衣室排風(fēng)、娛樂室及健身房等的排風(fēng)，均通過設(shè)置在結(jié)構(gòu)艙壁處的結(jié)構(gòu)風(fēng)管集中收集，排放至新風(fēng)預(yù)處理機(jī)組中;新風(fēng)預(yù)處理機(jī)組采用單吸熱轉(zhuǎn)輪，將廢氣中的冷量收集，并傳遞給新風(fēng)進(jìn)行預(yù)制冷/制熱;

（6）生產(chǎn)設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)實(shí)際風(fēng)管布置進(jìn)行了艙室噪音計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果增設(shè)適當(dāng)?shù)南羝?，以滿足IMO468（XII）的要求。

4.3? ?典型甲板空調(diào)艙室布置

典型的02甲板艙室空調(diào)風(fēng)管線圖，如圖5所示。

（1）二人間廁所排風(fēng)、候機(jī)室、健身房、洗衣間及被服間等均未設(shè)置單獨(dú)的排風(fēng)管及風(fēng)機(jī)，而是采用一根總管將各個(gè)艙室排風(fēng)匯總至兩臺新風(fēng)預(yù)處理機(jī)組，新風(fēng)預(yù)處理機(jī)組上安裝了單熱回收轉(zhuǎn)輪，可以將回收排風(fēng)中的能量進(jìn)行充分回收利用，并在新風(fēng)處理機(jī)組中進(jìn)一步處理新風(fēng)溫度，處理后的新風(fēng)溫度可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選定;

（2）經(jīng)過機(jī)組處理后的新風(fēng)將送至各個(gè)甲板的獨(dú)立空調(diào)器，獨(dú)立空調(diào)器進(jìn)行二級制冷，將足夠的風(fēng)量及冷量再通過空調(diào)器上的送風(fēng)總管按各個(gè)艙室需要的風(fēng)量送至各服務(wù)處所;

（3）艙室通過艙室門上的格柵進(jìn)行回風(fēng)，部分風(fēng)量通過衛(wèi)生單元的排風(fēng)管送至新風(fēng)預(yù)處理機(jī)組進(jìn)行熱回收;

（4）走廊處安裝回風(fēng)管道，回風(fēng)直接回至本層甲板的獨(dú)立空調(diào)器，不再通過新風(fēng)預(yù)處理機(jī)組;

（5）為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，每一層的排風(fēng)及送風(fēng)總管均安裝了壓力傳感器，排風(fēng)收集管道上個(gè)各個(gè)支管安裝了電動調(diào)風(fēng)門，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制;

（6）為了有效防止回收排風(fēng)反串回艙室，在回收排風(fēng)總管及各個(gè)支管處均設(shè)置了止回風(fēng)閘;

（7）由于平臺工作區(qū)域通常在油氣環(huán)境中，可能存在有害氣體，為了確保室外有害氣體不被吸入艙室內(nèi)部，在每個(gè)與室外連接等風(fēng)口均設(shè)置了氣密風(fēng)閘;

（8）為了防止轉(zhuǎn)輪排出的廢氣直接被AHU吸收造成新風(fēng)污染，將處理機(jī)組特殊設(shè)計(jì)成新風(fēng)風(fēng)口朝向地面、排風(fēng)口朝向側(cè)面直排，盡量隔開新風(fēng)及排氣廢氣，確保新風(fēng)不被污染，如圖6所示。

5? ? 結(jié)束語

帶熱/濕回收轉(zhuǎn)輪的空調(diào)系統(tǒng)，在造船領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景。本文以某自升式海工平臺空調(diào)系統(tǒng)為例，介紹了帶余熱回收轉(zhuǎn)輪的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用方案，為其他相關(guān)船舶或平臺項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸耀慶.實(shí)用供暖空調(diào)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2020.

[2] 黃恒祥.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊 [M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.