海上升壓站正壓送風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算及控制研究

楊鋒斌，張先提，王春磊，孫文龍

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510663）

中國海上風(fēng)能資源豐富，隨著海上風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)取得突破和產(chǎn)業(yè)服務(wù)體系的不斷完善，最近幾年江蘇、福建、廣東海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)進(jìn)度明顯加快。目前全國已并網(wǎng)海上風(fēng)電裝機(jī)容量僅次于英國和德國，位居全球第三位［1］。

與陸地風(fēng)電相比，海上風(fēng)電所處的高濕度、高鹽霧、長日照等惡劣的海洋環(huán)境，必然使海上升壓站面臨嚴(yán)峻的腐蝕考驗(yàn)，腐蝕問題成為海上風(fēng)電遇到的技術(shù)難題之一［2］。研究［3-7］表明高鹽高濕的海洋大氣環(huán)境，極易在金屬表面形成微電池和宏電池，增加腐蝕的活性，破壞金屬表面的鈍化膜，材料的腐蝕和性能下降速率遠(yuǎn)比在陸上大氣環(huán)境中快。同時海上升壓站上存在大量以鋼鐵為主的金屬構(gòu)件，如主變的油箱外殼、散熱片、開關(guān)柜、控制保護(hù)柜的外殼等，鹽霧沉積在電氣設(shè)備表面，在電磁場作用下，沉積物被電離形成導(dǎo)電薄膜，降低了電氣設(shè)備的絕緣水平，因此，電氣設(shè)備的故障率會大大增加。近年來，我國對海洋環(huán)境防腐蝕研究越來越重視，各種防腐蝕技術(shù)也發(fā)展迅速，但仍然不能滿足海上風(fēng)電的發(fā)展需求［8］。

為解決上述問題，首先應(yīng)避免電氣設(shè)備直接暴露在海洋大氣中，維持設(shè)備所處環(huán)境相對封閉。并且，為防止室外空氣對電氣設(shè)備的鹽霧腐蝕，房間需保持正壓，設(shè)置正壓送風(fēng)系統(tǒng)。

目前我國對于海上升壓站的正壓送風(fēng)系統(tǒng)缺乏深入細(xì)致的研究。海上升壓站正壓送風(fēng)系統(tǒng)存在計(jì)算方法不夠準(zhǔn)確、正壓系統(tǒng)控制不夠精確等問題。為解決這些問題，本文結(jié)合南海多個海上升壓站項(xiàng)目正壓送風(fēng)系統(tǒng)實(shí)例，對正壓送風(fēng)量計(jì)算和正壓控制系統(tǒng)進(jìn)行分析探討，確定了正壓送風(fēng)量計(jì)算原則及控制策略。

1 正壓送風(fēng)量的確定

為滿足室內(nèi)正壓設(shè)計(jì)值，需通過計(jì)算選取合適的送風(fēng)量。

已知室外風(fēng)速，采用下式計(jì)算室內(nèi)外壓差［9-10］。

式中：ΔPf為室內(nèi)外風(fēng)壓差（Pa）；K為風(fēng)壓差系數(shù)，取1.19［11］；vw為室外平均風(fēng)速，取7～8 m/s［12］；ρw—為計(jì)算溫度下的室外空氣密度，1.2 kg/m3。

按照上式計(jì)算可知室外風(fēng)壓為35～40 Pa，且室內(nèi)正壓值需要高于室外風(fēng)壓10 Pa 以上［13］，才能保證室外高鹽高濕空氣不能進(jìn)入室內(nèi)，故室內(nèi)正壓值取45～50 Pa。

目前計(jì)算維持室內(nèi)正壓所需風(fēng)量常用的方法有縫隙法、換氣次數(shù)法。下面就分別采用兩種方法進(jìn)行計(jì)算分析。

1.1 縫隙法

采用縫隙法計(jì)算風(fēng)量，既考慮了房間維護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性，又考慮了室內(nèi)維持一定的正壓值。門關(guān)閉時，保持一定壓差所需的風(fēng)量按下式計(jì)算［14］：

式中：Ly為按壓差法計(jì)算的加壓風(fēng)量（m3/h）；A為門縫的縫隙面積（m2）；ΔP為加壓區(qū)與非加壓區(qū)的壓差（Pa）；b為指數(shù)，對于門縫取2；0.827為計(jì)算常數(shù)；1.25為不嚴(yán)密處附加系數(shù)。

門縫的縫隙面積按“縫長×縫寬”進(jìn)行計(jì)算。而縫寬在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時是一個不確定值，它與門的形式、加工質(zhì)量、安裝質(zhì)量、使用情況等因素有關(guān)。本次計(jì)算縫寬按照某項(xiàng)目實(shí)際安裝要求取值為2 mm。某海上升壓站各房間門窗縫隙統(tǒng)計(jì)如表1 所示。按照縫隙法計(jì)算房間正壓送風(fēng)量結(jié)果如表2所示。

表1 各房間外門統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of external doors of each room

表2 縫隙法計(jì)算風(fēng)量Tab.2 Calculation of air volume by gap method

1.2 換氣次數(shù)法

換氣次數(shù)是衡量空間稀釋情況好壞的重要參數(shù)，也是估算空間通風(fēng)量的依據(jù)。對于確定壓差的房間，換氣次數(shù)按照實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊［15］確定。按換氣次數(shù)法計(jì)算房間正壓送風(fēng)量結(jié)果如表3所示。

表3 換氣次數(shù)法計(jì)算風(fēng)量Tab.3 Calculation of air volume by air change times method

1.3 結(jié)果對比分析

兩種方法計(jì)算結(jié)果對比如圖1 所示。從中計(jì)算可以看出：（1）換氣次數(shù)法所計(jì)算風(fēng)量均大于縫隙法所計(jì)算風(fēng)量；（2）不同房間按換氣次數(shù)法所計(jì)算的風(fēng)量波動劇烈；（3）不同房間按縫隙法所計(jì)算的風(fēng)量波動較為平穩(wěn)。

由于一般海上升壓站艙壁與各層甲板之間采用金屬板焊接，無縫隙，且各房間外門開啟方向均朝向室外，各房間無開窗，可知各房間正壓送風(fēng)量僅與外門縫隙長度有關(guān)，與房間體積無關(guān)，所以縫隙法計(jì)算結(jié)果較為平緩，而換氣次數(shù)法計(jì)算結(jié)果波動劇烈。

圖1 兩種方法計(jì)算結(jié)果對比Fig.1 Comparison of calculation results of two methods

正壓室內(nèi)空氣通過外門縫隙逸出，所以按照縫隙法計(jì)算可以真實(shí)地反映室內(nèi)正壓所需送風(fēng)量。而換氣次數(shù)取值依據(jù)陸上經(jīng)驗(yàn)，并不完全適用于海上升壓站，所以造成計(jì)算風(fēng)量偏大。

通過縫隙法計(jì)算風(fēng)量反推換氣次數(shù)如表4所示。

表4 縫隙法計(jì)算風(fēng)量反推換氣次數(shù)Tab.4 Calculate the number of air change times after air volume calculation by the gap method

表3 通過縫隙法計(jì)算風(fēng)量反推得到實(shí)際的換氣次數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證根據(jù)陸上經(jīng)驗(yàn)得出的使建筑物保持一定正壓值的換氣次數(shù)不適用于海上升壓站。需要指出的是，當(dāng)全部或者部分外門開啟方向朝內(nèi)走道時，正壓送風(fēng)量將進(jìn)一步減小。

2 正壓送風(fēng)系統(tǒng)的控制

2.1 余壓閥控制

正壓送風(fēng)系統(tǒng)目前較常用的余壓控制方法是余壓閥泄壓。

余壓閥泄壓是在正壓房間外墻設(shè)置余壓閥，當(dāng)室內(nèi)壓力過高時，利用余壓閥可開啟的閥板泄掉超壓風(fēng)量。該系統(tǒng)布置簡單，初投資較小。缺點(diǎn)是控制精確度低，正壓所需送風(fēng)量大，系統(tǒng)能耗較高。

安裝余壓閥，必須保證房間內(nèi)有足夠的過剩風(fēng)量，即需保證送風(fēng)量大于門縫漏風(fēng)量，因此，防止室內(nèi)超壓，余壓閥的選型至關(guān)重要。

房間通風(fēng)方式采用機(jī)械送風(fēng)、自然排風(fēng)方式，根據(jù)文獻(xiàn)［12］，風(fēng)量平衡如下式計(jì)算：

式中：Ls為房間送風(fēng)量（m3/h）；Lm為為門縫漏風(fēng)量，按照公式（2）計(jì)算，（m3/h）；Lx為泄壓風(fēng)量，（m3/h）。

余壓閥泄壓面積F按下式計(jì)算：

在正壓送風(fēng)系統(tǒng)中，余壓閥的面積需要精確計(jì)算得出，選型過大，就會造成浪費(fèi)；選型過小，就會存在超壓風(fēng)險。

2.2 變風(fēng)量末端余壓控制

作者根據(jù)多個海上升壓站工程設(shè)計(jì)實(shí)踐提出一種海上升壓站正壓送風(fēng)系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)，詳細(xì)架構(gòu)如圖2 所示。該系統(tǒng)主體包括變頻新風(fēng)機(jī)組、風(fēng)管系統(tǒng)、末端變風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置、末端送風(fēng)設(shè)備。所述控制系統(tǒng)由室內(nèi)外壓差傳感器（1）、末端支管壓差傳感器（2）、末端變風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置（3）、變頻新風(fēng)機(jī)組（4）、DDC 控制器（5）等設(shè)備組成?？刂葡到y(tǒng)通過對室內(nèi)外壓差傳感器、末端支管壓差傳感器的數(shù)據(jù)分析，控制變頻新風(fēng)機(jī)組、末端變風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置，使得室內(nèi)正壓維持正常水平。

圖2 海上升壓站正壓送風(fēng)系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Positive pressure air supply system and control system architecture of offshore booster station

室外高鹽霧、高濕、高溫空氣經(jīng)變頻新風(fēng)機(jī)組過濾、除鹽霧、降溫除濕后，由風(fēng)管系統(tǒng)、末端送風(fēng)設(shè)備送入房間內(nèi)，維持房間內(nèi)部微正壓，避免室外高鹽霧、高濕空氣侵入室內(nèi)，同時改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。

室內(nèi)外壓差傳感器實(shí)時監(jiān)測室內(nèi)外大氣壓力，并與壓差設(shè)定值比較，當(dāng)室內(nèi)外壓差超過設(shè)定值時，報警并反饋信號給變風(fēng)量控制末端和新風(fēng)機(jī)組控制系統(tǒng)，變風(fēng)量控制末端接收信號后控制末端變風(fēng)量調(diào)節(jié)閥門減小開度，新風(fēng)機(jī)組控制系統(tǒng)接收信號后控制變頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減小送入房間空氣量，維持室內(nèi)正壓正常水平。反之，當(dāng)室內(nèi)外壓差小于設(shè)定值時，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和末端變風(fēng)量調(diào)節(jié)閥門開度加大送入風(fēng)量。

該控制系統(tǒng)側(cè)重于房間正壓精確可調(diào)。與余壓閥控制“先超壓后泄壓”的方法相比，提倡“調(diào)風(fēng)量保壓差”，這樣不僅嚴(yán)格控制正壓所需風(fēng)量，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，而且大大降低房間超壓發(fā)生的可能，防患于未然。同時本系統(tǒng)壓差控制可通過直接讀取室內(nèi)外壓差并反饋DDC 控制器，實(shí)現(xiàn)對房間送入風(fēng)量的靈活調(diào)節(jié)，具有系統(tǒng)送風(fēng)量小、房間送風(fēng)量變風(fēng)量可調(diào)、輸送能耗小、可完全實(shí)現(xiàn)自動控制、故障率小等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié) 論

本文從大量海上升壓站通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，總結(jié)提出海上升壓站防鹽霧正壓送風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算及其控制方法，為海上升壓站通風(fēng)空調(diào)及防鹽霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐提供有力的支撐。本文主要結(jié)論如下：

1）對于海上升壓站防鹽霧正壓送風(fēng)系統(tǒng)，送風(fēng)量的計(jì)算要綜合考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性、室內(nèi)正壓值和控制方式，不能簡單以換氣次數(shù)為基準(zhǔn)計(jì)算送風(fēng)量。

2）采用縫隙法計(jì)算海上升壓站正壓送風(fēng)量結(jié)果較為準(zhǔn)確。而根據(jù)陸上建筑設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)推薦的換氣次數(shù)法計(jì)算結(jié)果偏大，偏離正壓送風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際，造成不必要的能源浪費(fèi)。

3）帶有末端變風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置的控制系統(tǒng)在精確控制房間正壓值的基礎(chǔ)上，避免了大風(fēng)量先超壓后泄壓的缺點(diǎn)，可有效降低系統(tǒng)能耗和高鹽高濕氣體對海上升壓站工藝設(shè)備的腐蝕，提高設(shè)備可靠性及運(yùn)行壽命。