海上平臺(tái)電氣房間分體空調(diào)改造中央空調(diào)設(shè)計(jì)分析

0 引言

海上石油平臺(tái)電氣設(shè)備間的空氣調(diào)節(jié)通常采用船用風(fēng)冷分體空調(diào)，它具有靈活的安裝空間，占地面積小，內(nèi)機(jī)安裝位置多樣，可采用柜式、壁掛式或吸頂式等樣式，空調(diào)外機(jī)基本不受空調(diào)內(nèi)機(jī)位置影響，空調(diào)內(nèi)、外機(jī)安裝距離可達(dá)十幾二十米，之后，隨著安裝距離增加，空調(diào)制冷效率降低。但是，電潛泵控制間屬于平臺(tái)里面最大的電氣設(shè)備房，變頻柜布置緊湊，發(fā)熱量大，房間溫度常年維持在 30^°C 以內(nèi)，需要空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷工作，風(fēng)冷空調(diào)外機(jī)在海洋環(huán)境條件下易出現(xiàn)故障。同時(shí)，風(fēng)冷分體空調(diào)的制冷效率受環(huán)境影響比較大，室外機(jī)主要靠空氣散熱，而南海海域石油平臺(tái)常年處于高溫高濕的海洋環(huán)境下，空調(diào)的實(shí)際制冷能力會(huì)大打折扣。

水冷式中央空調(diào)采用海水冷卻，本次改造空調(diào)機(jī)組的PY4-2平臺(tái)海水充足，可直接引接到機(jī)組利用，不需額外再增加一套海水提升泵；海水冷卻中央空調(diào)對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，制冷效率高；同時(shí)，拆除分體空調(diào)室外機(jī)之后，平臺(tái)已空出一塊大甲板可以布置中央空調(diào)機(jī)組；冷凝器需要選擇防腐能力強(qiáng)的合金材料，造價(jià)相對(duì)比較高昂；送回風(fēng)主管尺寸大，電潛泵房間內(nèi)部滿足風(fēng)管的安裝高度要求。

1電潛泵控制間現(xiàn)狀

電潛泵控制間內(nèi)現(xiàn)有電氣設(shè)備是35臺(tái)變頻器，已投入運(yùn)行33臺(tái)，變頻器運(yùn)行的頻率范圍為 35～ 57.3Hz ，設(shè)備廠家提供的總散熱量是 708.8kW 。電潛泵控制間配置的空調(diào)為單冷型風(fēng)冷空調(diào)，共設(shè)置16臺(tái)（1臺(tái)備用），單機(jī)制冷量為 60kW ，但平臺(tái)投產(chǎn)以后，空調(diào)不能達(dá)到預(yù)期制冷效果。電潛泵控制間現(xiàn)場(chǎng)溫度分布不均，局部溫度偏高，且變頻器還沒(méi)有全部投入運(yùn)行，如后續(xù)所有變頻器都投入運(yùn)行，在滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，必然造成變頻器高溫報(bào)警甚至停機(jī)。因此，作業(yè)區(qū)針對(duì)目前存在的問(wèn)題以及后續(xù)可能面對(duì)的挑戰(zhàn)，對(duì)現(xiàn)有的風(fēng)冷分體空調(diào)內(nèi)機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造，主要是將面板上側(cè)出風(fēng)口改為頂出風(fēng)，以四臺(tái)為一組在其上部增加靜壓箱，從靜壓箱引出支風(fēng)管為變頻器進(jìn)行冷卻散熱。實(shí)際改造完成之后仍然存在上述問(wèn)題，沒(méi)有達(dá)到改造的預(yù)期效果，造成了人力、物力的浪費(fèi)。圖1為現(xiàn)有電潛泵變頻間的分體空調(diào)布置圖。

2電潛泵控制間空調(diào)負(fù)荷計(jì)算[1-2]

南海采油平臺(tái)空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算主要考慮夏季得熱量，冷負(fù)荷主要包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量、人體發(fā)熱量、照明設(shè)備熱量、設(shè)備發(fā)熱量以及新風(fēng)熱量，如表1所示。由表可見(jiàn)，設(shè)備的發(fā)熱量占比最大，其次是新風(fēng)負(fù)荷，而設(shè)備的發(fā)熱量主要以咨詢廠家計(jì)算為準(zhǔn)，電氣專業(yè)計(jì)算為輔，通過(guò)計(jì)算得到電潛泵控制間的總冷負(fù)荷為 867.53kW 。設(shè)備選型需要考慮余量及經(jīng)濟(jì)性，最終確定選用單臺(tái) 500kW 制冷量的海水冷卻中央空調(diào)，共3臺(tái)，2用1備。

房間新風(fēng)量應(yīng)依據(jù)以下幾個(gè)方面綜合考慮，取其大者：

1）滿足衛(wèi)生要求，居住室每個(gè)人每小時(shí)的新鮮空氣量不少于 30m³ ，餐廳及辦公室每個(gè)人每小時(shí)的新鮮空氣量為 20～25m³ 。

單位：kW

2）達(dá)到空調(diào)總送風(fēng)量的 10%～40% 。

3）滿足房間的正壓要求，即有正壓要求的房間應(yīng)有相對(duì)于室外 25～75Pa 的正壓值，一般設(shè)計(jì)按 50Pa 計(jì)算。

電潛泵控制間屬于電氣設(shè)備房，根據(jù)規(guī)范要求，新風(fēng)量取值應(yīng)以滿足房間正壓要求計(jì)算為宜，通常滿足正壓要求所需的新風(fēng)量也是最大的。

3空調(diào)水冷冷凝器海水用量計(jì)算

3.1 確定冷凝器換熱量

計(jì)算空調(diào)水冷冷凝器的冷卻水用量，可依據(jù)熱量守恒定律，冷凝器換熱量Q近似等于空調(diào)的制冷量Q_c 與壓縮機(jī)的耗功P之和，即 Q=Q_c+P 前面計(jì)算選型單臺(tái)中央空調(diào)制冷量 Q_c 為 500kW ，單臺(tái)機(jī)組壓縮機(jī)功率根據(jù)廠家資料銘牌獲取是 75kW ，即冷凝器換熱量 Q=575kW 。

3.2 計(jì)算冷卻海水用量

根據(jù)熱量公式 Q=cGΔt ，變形可得冷卻水用量計(jì)算公式 ，換算成體積流量：

式中： G 為質(zhì)量流量； V 為體積流量； Q 為冷凝器換熱量； ρ 為海水密度，取值 1025kg/m³ c 為海水比熱容，取值 3.89kJ/（kg?^°C） ·Δt 為冷卻水進(jìn)出冷凝器的溫差，一般取值范圍在 4～10^°C ，較為常見(jiàn)的是 .5^°C 左右。

通過(guò)將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算，得到每臺(tái)冷凝器冷卻海水用量為 103.83m³/h ，兩臺(tái)海水冷卻中央空調(diào)用水量共約 207.66m³/h 。

3.3 平臺(tái)海水量和壓力校核

PY4-2平臺(tái)與PY5-1平臺(tái)各有4臺(tái) 7680kW 原油發(fā)電機(jī)，PY4-2平臺(tái)與PY5-1平臺(tái)原油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，鉆井工況下，2個(gè)平臺(tái)分別運(yùn)行2臺(tái)發(fā)電機(jī)組（共4臺(tái)），單臺(tái)負(fù)荷在 65%～70% 之間；非鉆井工況下，PY4-2平臺(tái)只運(yùn)行2臺(tái)機(jī)組，單臺(tái)負(fù)荷在 70% 左右。平臺(tái)共有5臺(tái) 520m³， /h的海水提升泵，目前2用3備，已滿足整個(gè)平臺(tái)的海水用量，泵出口壓力 510kPa（G） ，低于旁路排海 880kPa（G） 設(shè)定值，海水供應(yīng)充足。

中央空調(diào)整撬布置在平臺(tái)二層甲板上，標(biāo)高是40500mm ，已知海水提升泵的出口壓力是 510kPa（G） ，海水經(jīng)過(guò)反沖洗過(guò)濾器后進(jìn)入海水冷凝器中，換熱完成后再接入排海管路直接排海。根據(jù)壓力公式P=ρgh ，到二層甲板是 40.5m ，相當(dāng)于 40.5m 水柱，從二層甲板現(xiàn)有的海水管線引接一條8寸的匯管，再通過(guò)6寸支管接到每臺(tái)冷凝器，同樣，從每臺(tái)冷凝器出來(lái)的6寸支管匯合到8寸匯管之后，再接到排海管線直接排海。水管到冷凝器所需的壓力滿足使用要求。

4風(fēng)管設(shè)計(jì)及布置

4.1 風(fēng)管設(shè)計(jì)

風(fēng)管尺寸大小需要根據(jù)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)空間和風(fēng)速確定，由于海上平臺(tái)空間有限，電纜托架、工藝系統(tǒng)管線、消防管線等緊湊而有序地布置在平臺(tái)上部空間，平臺(tái)凈高方面非常受限，故空調(diào)風(fēng)管應(yīng)選擇矩形的形狀，風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)速應(yīng)遵循表2推薦風(fēng)速要求。

室內(nèi)風(fēng)管材料一般選用鍍鋅鋼板制作，送、回風(fēng)口應(yīng)采用帶鍍層的鋁質(zhì)材料制作，而露天甲板或其他易受沖撞的風(fēng)管應(yīng)采用 1.2mm 以上不銹鋼材質(zhì)或2mm 以上碳鋼制作，其推薦厚度如表3所示。風(fēng)管保溫材料應(yīng)選用巖棉，厚度一般選用 30mm 以上，外殼材料應(yīng)采用鋁箔，其厚度不小于 0.7mm 。

4.2 風(fēng)管布置

室內(nèi)風(fēng)管出風(fēng)口布置應(yīng)注意避開(kāi)變頻器正上方，防止凝結(jié)水滴滴到變頻器上，引起變頻器短路或起火等安全事故，出風(fēng)口應(yīng)盡量布置均勻，遍及房間各處角落，以防止房間內(nèi)部出現(xiàn)死角，從而引起局部高溫。中央空調(diào)機(jī)組新風(fēng)吸入口應(yīng)遠(yuǎn)離污濁空氣和危險(xiǎn)區(qū)域。

穿越防火墻的風(fēng)管要增加穿艙件，同時(shí)要設(shè)置防火風(fēng)閘，防火風(fēng)閘的防火級(jí)別與墻體防火級(jí)別要保持一致；防火風(fēng)閘應(yīng)具備三種關(guān)斷功能，包括自動(dòng)熔斷、手動(dòng)關(guān)閉以及遠(yuǎn)程關(guān)閉。在主管和各個(gè)支風(fēng)管處應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)閘，用以平衡系統(tǒng)風(fēng)壓及分配風(fēng)量。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)電潛泵控制間風(fēng)冷式分體空調(diào)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中所產(chǎn)生的問(wèn)題和海水冷卻中央空調(diào)設(shè)計(jì)以及后續(xù)應(yīng)用中所碰到的問(wèn)題進(jìn)行研究，分析兩種機(jī)型在同一場(chǎng)合應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，得出以下一些結(jié)論：1）風(fēng)冷分體空調(diào)適合布置在室內(nèi)外都比較緊湊的平臺(tái)，空間高度不夠、房間散熱量小的電氣設(shè)備房，并且室外機(jī)常常工作在高濕、高鹽的海洋環(huán)境，外機(jī)的外殼、冷凝器等部件防腐能力必須足夠強(qiáng)。2）海水冷卻中央空調(diào)使用海水冷卻，冷凝器內(nèi)換熱管一般使用鈦合金等材料。由于缺少運(yùn)轉(zhuǎn)部件，海水冷卻中央空調(diào)很少發(fā)生損耗，一般情況下不需要維修；但其需要定期清除水垢、貝殼類海洋生物等。3）相對(duì)風(fēng)冷形式的分體空調(diào)，水冷中央空調(diào)具有更高的能效比，其通過(guò)合理的風(fēng)管布置，使得變頻器滿負(fù)荷工作狀態(tài)下房間的溫度、濕度也能維持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，更好地延長(zhǎng)了變頻器的使用壽命，防范了發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1］中國(guó)海洋石油總公司.海上平臺(tái)采暖通風(fēng)空調(diào)冷庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法：Q/HS3008—2016［S].北京：石油工業(yè)出版社，2017.

[2]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.石油化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范：SH/T3004—2011[S].北京：中國(guó)石化出版社，2011.

作者簡(jiǎn)介：許旭偉（1990一），男，廣東湛江人，工程師，研究方向：海上石油平臺(tái)暖通設(shè)計(jì)。