無動力風(fēng)機(jī)在海洋平臺的應(yīng)用

海洋石油工程股份有限公司 高建虎 馬邦勇 高志強(qiáng)

0 引言

無動力風(fēng)機(jī)，是利用自然風(fēng)力及室內(nèi)外溫差造成的空氣熱對流，推動渦輪旋轉(zhuǎn)，從而利用離心力和負(fù)壓效應(yīng)將室內(nèi)不新鮮的熱空氣排出，以提高室內(nèi)通風(fēng)換氣效果的一種裝置。圖1為無動力風(fēng)機(jī)外形照片。

圖1 無動力風(fēng)機(jī)外形照片

無動力風(fēng)機(jī)采用弧形風(fēng)葉，可以防止工作狀態(tài)下雨水侵入，在微風(fēng)(風(fēng)速不低于0.2 m/s)或室內(nèi)外溫差大于0.5 ℃時即可實(shí)現(xiàn)輕盈運(yùn)轉(zhuǎn)，排風(fēng)效率高。

相比常規(guī)電力驅(qū)動的風(fēng)機(jī)，無動力風(fēng)機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1) 無需電力驅(qū)動，節(jié)能環(huán)保；2) 運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲低；3) 結(jié)構(gòu)簡單，無需安裝支架，安裝方便；4) 長期免維護(hù)，運(yùn)行費(fèi)用低。

目前無動力風(fēng)機(jī)在陸地上應(yīng)用廣泛，但在海上平臺應(yīng)用并不多。下面以某項(xiàng)目為例，介紹無動力風(fēng)機(jī)在國內(nèi)某海洋平臺應(yīng)用的情況。

1 項(xiàng)目概述

該項(xiàng)目新建4座無人井口平臺，平臺上設(shè)有電氣間，需要為電氣間進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計。

電氣間基本情況為：位于平臺東南角下層甲板，房間尺寸為5.0 m×2.5 m×3.8 m，房間內(nèi)布有電氣控制盤柜，如圖2所示。

注：①～④為250 kW變頻器；⑤為變壓器；⑥為壁掛開關(guān)；⑦為160 kW變頻器。圖2 設(shè)備布置圖

房間內(nèi)設(shè)備散熱量為1.6 kW，通風(fēng)換氣次數(shù)為12 h-1。

2 通風(fēng)方案設(shè)計

2.1 項(xiàng)目難點(diǎn)

與常規(guī)項(xiàng)目相比，該房間的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計具有以下難點(diǎn)：1) 平臺無電力供應(yīng)，常規(guī)的電動風(fēng)機(jī)通風(fēng)方案無法實(shí)現(xiàn)；2) 房間尺寸較小，房間內(nèi)設(shè)備多，空間緊張，通風(fēng)散熱條件不利。

2.2 無動力風(fēng)機(jī)空氣流通原理

設(shè)計原理：利用熱壓和/或風(fēng)壓作為動力，驅(qū)動排風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)良好的通風(fēng)。

2.3 設(shè)計方案

考慮到平臺現(xiàn)狀，房間擬采用無動力風(fēng)機(jī)排風(fēng)+自然進(jìn)風(fēng)的通風(fēng)方案：房頂設(shè)置2套無動力風(fēng)機(jī)，在房間側(cè)壁下方合適位置開2個自然進(jìn)風(fēng)口，如圖3所示。

圖3 房間通風(fēng)設(shè)備布置

2.4 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計計算

根據(jù)通風(fēng)原理，在風(fēng)壓和熱壓共同作用時，孔洞內(nèi)外壓差等于該孔洞余壓和室外風(fēng)壓之差[1]。

下部進(jìn)風(fēng)口內(nèi)外壓差Δp1：

(1)

上部排風(fēng)口內(nèi)外壓差Δp2：

(2)

式(1)、(2)中px1為進(jìn)風(fēng)口的余壓，Pa；K1為進(jìn)風(fēng)口的空氣動力系數(shù)；vw為室外風(fēng)速，m/s；ρw為室外空氣密度，kg/m3；px2為排風(fēng)口的余壓，Pa；h為進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口之間的高差，m；g為自由落體加速度，m/s2；ρn為室內(nèi)空氣密度，kg/m3；K2為排風(fēng)口的空氣動力系數(shù)。

由于室外風(fēng)速和風(fēng)向經(jīng)常變化，為保證設(shè)計效果，根據(jù)GB 50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，在實(shí)際計算時僅考慮熱壓作用，風(fēng)壓一般不予考慮[2]。

如前文所述，無動力風(fēng)機(jī)在微風(fēng)下即可運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)房間排風(fēng)。因此，只需確定自然通風(fēng)口的位置、數(shù)量、面積，保證自然通風(fēng)下的換氣量，滿足房間設(shè)備散熱和換氣次數(shù)要求即可。

計算過程如下：

1) 計算房間所需通風(fēng)量(見表1)。

表1 房間通風(fēng)量計算

房間所需通風(fēng)量取Gy和Gh兩者中的較大值，由于0.2 kg/s相當(dāng)于600 m3/h，故房間所需通風(fēng)量取600 m3/h。

2) 確定進(jìn)排風(fēng)孔洞位置，分配進(jìn)排風(fēng)量。

2臺排風(fēng)機(jī)位于房間頂部，單臺排風(fēng)量為300 m3/h，根據(jù)風(fēng)量選取排風(fēng)機(jī)的安裝孔徑為800 mm。綜合考慮房間內(nèi)設(shè)備布置、設(shè)備高度等因素，最終選取進(jìn)風(fēng)口中心高度為距離地面1 m。

根據(jù)風(fēng)量平衡原理，進(jìn)、排風(fēng)口風(fēng)量相等，即

G1=G2=G=600 m3/h

(3)

3) 根據(jù)排風(fēng)口通風(fēng)量，計算中和界高度，從而計算得出進(jìn)風(fēng)口面積(見表2)。

進(jìn)風(fēng)口最終選取為2個550 mm×400 mm的矩形格柵，房間通風(fēng)側(cè)視圖見圖4。

圖4 房間通風(fēng)側(cè)視圖(單位：mm)

3 無動力風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

普通的陸用無動力風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，其強(qiáng)度一般無法滿足海洋環(huán)境要求?？紤]到海洋環(huán)境的特殊性，需要對無動力風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使之能滿足高鹽、潮濕的海洋環(huán)境要求。

主要從以下3個方面進(jìn)行優(yōu)化：

1) 陸地用無動力風(fēng)機(jī)材質(zhì)一般為彩鋼，無法滿足耐腐蝕要求。該項(xiàng)目所選的無動力風(fēng)機(jī)采用316L不銹鋼材料，并且整體涂漆(含葉片)，確保了風(fēng)機(jī)優(yōu)良的防腐性能。

2) 陸地用無動力風(fēng)機(jī)中段壁厚很薄，中段與風(fēng)帽底座為鉚接，強(qiáng)度無法滿足海洋臺風(fēng)工況。該項(xiàng)目所選的無動力風(fēng)機(jī)中段采用加厚的316L不銹鋼材料，設(shè)計了法蘭的連接方式，為風(fēng)機(jī)提供了足夠的強(qiáng)度。

3) 該風(fēng)機(jī)采用了特殊免潤滑型軸承，無需日常維護(hù)，大大減少了維護(hù)工作量。

4 無動力風(fēng)機(jī)安裝方式設(shè)計

陸地用風(fēng)機(jī)安裝方式一般為鉚接加密封膠，在房頂開孔，底座鉚接到房頂，然后用密封膠密封，如圖5所示。

圖5 陸地用無動力風(fēng)機(jī)的安裝方式

這種安裝方式無法適應(yīng)海上大風(fēng)大雨、強(qiáng)腐蝕的環(huán)境。由于海洋平臺環(huán)境惡劣，鉚接的底座強(qiáng)度不足以抵抗頻繁發(fā)生的臺風(fēng)，且密封膠極易老化破損，導(dǎo)致密封性能降低，尤其是海上臺風(fēng)頻繁，雨水極易進(jìn)入房間內(nèi)部。同時海上空氣濕度大，房間內(nèi)熱空氣上升遇到溫度較低的風(fēng)帽葉片會形成冷凝水，冷凝水在離心力作用下將沿著無動力風(fēng)機(jī)底座內(nèi)壁流到房間內(nèi)，不利于房間內(nèi)電氣元件的安全。

根據(jù)海洋環(huán)境的特殊性，重新設(shè)計了風(fēng)帽的安裝方式，主要考慮以下因素：

1) 相對于陸地，海上風(fēng)速更大，需要考慮安裝的可靠性；2) 海上雨量較大，需要考慮安裝后的密封性，防止海水進(jìn)入房間；3)海上空氣潮濕，熱空氣遇冷產(chǎn)生一定的冷凝水，需考慮冷凝水的排放問題。

針對以上問題，對該項(xiàng)目風(fēng)帽底座進(jìn)行了特殊設(shè)計，具體的安裝方式見圖6。

1.風(fēng)帽渦輪頭；2.風(fēng)帽中段管徑；3.無動力風(fēng)機(jī)底座；4.冷凝水收集槽；5.冷凝水排放口；6.橡膠墊片；7.螺栓螺母；8.房頂甲板。圖6 該項(xiàng)目無動力風(fēng)機(jī)安裝示意圖

無動力風(fēng)機(jī)底座為鋼結(jié)構(gòu)，配有與其匹配的法蘭，并且設(shè)有無動力風(fēng)機(jī)底座延長段，無動力風(fēng)機(jī)底座內(nèi)壁設(shè)有冷凝水收集槽，槽上布有一定數(shù)量的冷凝水排放孔。

房間頂部甲板開孔，將無動力風(fēng)機(jī)底座焊接到房頂甲板上，風(fēng)帽與風(fēng)帽底座采用螺栓連接，保證了安裝的穩(wěn)固性和密封性。同時在無動力風(fēng)機(jī)底座設(shè)置底座延長段和冷凝水收集槽，避免雨水通過法蘭之間的間隙進(jìn)入房間內(nèi)。

無動力風(fēng)機(jī)底座內(nèi)壁設(shè)置冷凝水收集槽和冷凝水排放口，熱空氣遇到無動力風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生的冷凝水，在離心力作用下沿?zé)o動力風(fēng)機(jī)底座內(nèi)壁流入冷凝水收集槽內(nèi)，由冷凝水排放口排出，解決了冷凝水的排放問題。

5 創(chuàng)新性

1) 選用無動力風(fēng)機(jī)作為房間的通風(fēng)方案，在國內(nèi)海洋平臺上尚屬首次。無動力風(fēng)機(jī)是一種節(jié)能、安全、有效的通風(fēng)設(shè)備。它結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、價格低廉，為海洋平臺的通風(fēng)設(shè)計提供了一種新的選擇，尤其對于無人平臺來說具有巨大的優(yōu)勢，為邊際油田的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

2) 根據(jù)無動力通風(fēng)系統(tǒng)原理，通過有組織的自然通風(fēng)，利用熱壓和風(fēng)壓作為動力源驅(qū)動空氣流動，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3) 自主開發(fā)設(shè)計無動力通風(fēng)系統(tǒng)，并根據(jù)國家規(guī)范編制通風(fēng)系統(tǒng)計算書，掌握了無動力風(fēng)機(jī)的通風(fēng)計算、選型及布置方法。

4) 考慮海洋環(huán)境的特殊性，對無動力風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和安裝方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使之能適應(yīng)海洋環(huán)境的特殊要求。

6 效益分析

1) 初投資低。每臺無動力風(fēng)機(jī)的采辦費(fèi)用僅為相同使用條件下的電動機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)的20%～30%左右。對于該項(xiàng)目來說，節(jié)省投資約400萬元。

2) 無日常運(yùn)行費(fèi)用。由于是風(fēng)力驅(qū)動或者溫差驅(qū)動，日常運(yùn)行費(fèi)用為零。

3) 維護(hù)費(fèi)用低。該風(fēng)機(jī)無易損件，無需日常維護(hù)。

4) 節(jié)能環(huán)保。若選取同參數(shù)的電動機(jī)驅(qū)動，電動機(jī)功率約為0.55 kW。按照每年運(yùn)行300 d，每天運(yùn)行24 h計算，2臺風(fēng)機(jī)每年可節(jié)電7 920 kW·h。

5) 安全生產(chǎn)效益高。該風(fēng)機(jī)具有良好的密封性、耐腐蝕性和低故障率，保證了設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行，保證了整個平臺的安全生產(chǎn)。

7 應(yīng)用前景

該項(xiàng)目采用的無動力風(fēng)機(jī)通風(fēng)方案，在國內(nèi)海洋平臺中尚屬首次。該類型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)、節(jié)能環(huán)保，擁有廣泛的應(yīng)用前景。

通過該項(xiàng)目的成功應(yīng)用，掌握了無動力風(fēng)機(jī)方案的選型計算方法，形成了一套完整的文件，為以后平臺房間的通風(fēng)設(shè)計提供了一項(xiàng)新的選擇，具有較好的借鑒意義，為邊際油田的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。