間接冷卻式空調系統在海洋石油平臺上的首次應用

張勇青,張勇亮,高建虎,陳自剛

(1.海洋石油工程股份有限公司,天津 300451；2.中海油東方石化有限責任公司,海南 東方 572600)

海洋平臺

間接冷卻式空調系統在海洋石油平臺上的首次應用

張勇青1,張勇亮2,高建虎1,陳自剛1

(1.海洋石油工程股份有限公司,天津 300451；2.中海油東方石化有限責任公司,海南 東方 572600)

文章根據間接冷卻式空調系統的工作原理和特點，以項目實例為基礎,詳細分析了間接冷卻式空調系統的設備選型及系統設計要點，通過該類型空調系統在海洋石油平臺的首次應用，不僅解決了暖通空調設備噪聲對人員危害的問題,提高了設備運行穩定性和溫控精度，更對海洋工程領域暖通空調系統設計方法具有一定的指導和完善作用。

間接冷卻式空調；設備選型和系統設計；海上平臺; 首次應用

海洋石油平臺暖通空調系統是保證平臺正常生產和人員生活的重要設施,主要服務于平臺生活模塊和生產模塊的工作間。

海洋石油平臺的空間可謂是“寸土寸金”，所以在以往的項目中設計人員通常選擇空間需求較少的直接蒸發式空調機組。但由于直接蒸發式空調機組包含的空氣處理單元與壓縮冷凝裝置必須貼近布置，這就導致了壓縮冷凝裝置中壓縮機等旋轉設備產生的振動和噪聲直接影響生活模塊和生產模塊內的工作人員，該噪聲嚴重影響人機操控環境，還可能誘發工作人員噪聲性耳聾和神經系統、心血管系統等多方面的疾病[1]。

間接冷卻式空調雖然存在占地面積較大、價格較為昂貴的問題，但其維護保養少、運行穩定可靠、溫控精度高等特點，可最大程度的滿足海洋石油平臺對設備運行的可靠性要求，且該類型空調系統內部的空氣處理單元與冷水機組可以分開布置，使得冷水機組中壓縮機等旋轉設備產生的振動和噪聲可以遠離平臺工作人員，提高海洋石油平臺生活模塊和組塊工作間內操控環境的舒適性,從而達到以人為本的目的。

1 恩平18-1平臺

恩平18-1平臺位于我國南海，是1座8腿20井槽的井口平臺，平臺上設有1座100人生活模塊和生產模塊若干工作間。

因空調房間多且布置分散，如采用分體空調，機組數量多，因南海環境高鹽潮濕，室外機葉輪積鹽現象嚴重，所以維護工作量大。而如果采用常規的直接蒸發式機組，由于制冷劑路徑過長會導致壓縮機負載過大、回油不暢等問題，導致空氣處理單元與壓縮冷凝裝置無法遠距離分開布置，由此將引起壓縮冷凝裝置中壓縮機、風機等設備的產生的振動和噪聲嚴重影響末端人員的正常工作和休息。

為解決以上問題，本項目將生活模塊和生產模塊工作間2個區域的空調系統合二為一，采用間接冷卻式空調系統，集中為上述2個區域提供空調制冷。

2 間接冷卻式空調系統的工作原理及特點

2.1 工作原理

間接冷卻式空調系統一般包括冷水機組、電子除垢儀(或軟化水處理裝置)、定壓膨脹罐、冷媒水循環泵、自動補水裝置和空氣處理裝置(AHU)。

首先，水冷式冷水機組利用管殼式蒸發器使高溫冷媒水與制冷劑進行熱交換，制冷劑吸收冷媒水中的熱負荷，使冷媒水降溫。

其次，壓縮機吸入蒸發制冷后的低溫低壓制冷劑氣體，然后壓縮成高溫高壓氣體送冷凝器；高溫高壓氣體在管殼式冷凝器與低溫海水進行熱交換后氣體冷凝變為常溫高壓液體(高溫海水直接排海)；常溫高壓液體流入熱力膨脹閥，經節流成低溫低壓的濕蒸氣，再流入管殼式蒸發器，重復下一個制冷循環。

低溫冷媒水經過空氣處理裝置中蒸發盤管與高溫空氣進行熱交換，冷媒水吸收高溫空氣中的熱負荷，使高溫空氣降溫，低溫空氣通過空氣處理裝置中風機增壓后輸送至最終用戶。

高溫冷媒水經過冷媒水循環泵增壓后，再流入冷水機組蒸發器重復下一個制冷循環，如圖1。

圖1 間接冷卻式空調系統流程圖

2.2 系統特點

1)冷水機組可與空氣處理單元分開放置，有效地避免了噪聲及振動對人員的影響。

2)相對于分體式空調，設備較少且集中，便于后期操作人員維護保養。

3)集中管理集中控制，負荷可在不同比例進行調節。

4)空氣處理單元冷媒水進出口配置電動三通閥，通過感應回風溫度，自動調節流經空氣處理單元的冷媒水流量，實現制冷量自動調節，從而避免定風量系統下并聯用戶間的相互影響，達到高精度溫控的目的，如圖2。

圖2 電動三通閥運行示意圖

3 恩平18-1平臺間接冷卻式空調系統的選型設計

海洋石油平臺生產工藝系統及電儀盤柜均要求暖通空調具有極高的運行穩定性，所以本項目間接冷卻式中央空調冷媒水系統采用定流量閉式系統。

本項目空調系統由3臺螺桿式冷水機組、6臺空氣處理單元、2臺冷媒水循環泵、1套供回水集管及1臺定壓膨脹罐等設備組成。

3.1 主要設備選型

1)空氣處理裝置。本項目采用的是中央空氣處理裝置，機組集中設置在空調機房內，包括混合段、過濾段、制冷段和風機段。系統的風管布置在豎井管道間和各層吊頂內，包括送風管道和回風管道。系統的新風管道就近布置在空調機房內，經新風處理機直接與空氣處理裝置相連接。

本項目共有6臺中央空氣處理裝置聯合運行，其中2臺空氣處理裝置服務于生活模塊(單臺風量為32 000 m3/h，1用1備)；4臺空氣處理裝置服務于生產模塊(2臺服務于生產模塊電潛泵控制間，單臺風量為51 000 m3/h，1用1備；2臺服務于生產模塊主開關間、中控室、應急開關間等其他房間，單臺風量為13 000 m3/h，1用1備)。

2)定壓裝置。定壓點就是在系統運行和停止時，該點的壓力始終保持恒定不變。保持定壓點處壓力值滿足規范，能使整個冷媒水系統無論是運行狀態還是靜止狀態均不會存在超壓、汽化、缺水的現象，因此維持恒壓點處的壓力至關重要。

《采暖通風與空氣調節設計規范》的6.4.13規定：定壓點最低壓力應使系統最高點壓力高于大氣壓力5 kPa以上。

目前常用的水系統定壓方式有開式膨脹水箱和氣體定壓罐2種形式。本項目最終選擇氣體定壓罐作為冷媒水系統的定壓裝置。氣體定壓罐內置丁基橡膠囊，橡膠囊外為預充氣體，正常運行時系統壓力與定壓罐預充氣體壓力平衡(預充壓力為295 kPa，容積為0.7 m3)。

當冷媒水系統壓力降低時，氣體定壓罐內冷媒水補充至冷媒水環路，以便達到穩定冷媒水系統壓力的目的。當氣體定壓罐內壓力降低到補水設定值時，外部水源自動向氣體定壓罐補水穩壓。

當冷媒水系統壓力升高時，系統冷媒水自動流向氣體定壓罐，以便達到穩定冷媒水系統壓力的目的。當氣體定壓罐內壓力升高到排水設定值時，其向外界自動排水泄壓。氣體定壓灌工作流程圖，如圖3所示。

圖3 氣體定壓灌工作流程圖

相對于開式膨脹水箱，氣體定壓罐具有如下優點。

(1)避免了開式水箱水量蒸發減少后，需要人工到系統頂部補水的問題。

(2)避免了開式水箱與空氣直接接觸，易腐蝕系統的碳鋼管路的問題。

(3)避免了開式水箱無預充壓力導致的水泵揚程高、功率大的問題。

(4)氣體定壓罐安裝于水泵入口，可避免開式膨脹水箱布置在系統最高點時易出現的負壓及水錘現象。

3)冷媒水循環泵。由于海洋石油平臺環境的特殊性和可靠性要求，本項目依據API 610標準，最終選擇2臺單級離心泵(流量為230 m3/h；1用1備)。

由于本項目采用閉式循環，循環泵揚程H只需克服冷媒水環路沿程阻力和局部阻力：

H=∑hf+∑hj

其中，沿程阻力∑hf較小，局部阻力∑hj主要包括冷水機組、空氣處理單元、靜態平衡閥、濾器及各彎頭部件的阻力，最終根據核算，循環泵揚程選取為410 kPa[1]。

冷媒水泵的揚程選型依據如下。

(1)冷水機組和空氣處理裝置阻力，一般為60～100 kPa。

(2)管路阻力包括磨擦阻力、局部阻力。其中單位長度的磨擦阻力取決于技術經濟比較，若取值大則管徑小，初投資省，但水泵運行能耗大；若取值小則反之。目前設計中冷水管路的單位長度的磨擦阻力宜控制在150～200 Pa/m范圍內[3]。

(3)電動三通調節閥的阻力，一般為10～20 kPa。

(4)電子除垢儀、Y型濾器、靜態平衡閥的阻力，一般為100～150 kPa。

4 冷媒水管路系統

當系統存在水力失調時，可能會存在系統冷熱不均、水泵的運行能耗過高、系統穩定時間過長、調節閥產生噪聲和振動等問題。只有在冷媒水系統水力平衡時，主機和控制系統才能實現高效的節能，水力平衡包括流量平衡和壓力平衡。

為了實現冷媒水系統的水力平衡，本項目在進行管路系統的設計時遵循了以下原則[4]。

1)空調冷媒水管路具備足夠的輸送能力，確保每臺空調機組的循環水量達到設計流量，保證機組的正常運行。

2)空調冷媒水管路布置盡可能地選用同程式系統，雖然由此造成初投資略有增加，但易于保持環路的水力穩定性。

3)空調冷媒水管路管徑選擇杜絕大流量小溫差的問題。

4)進行嚴格的水力計算，確保各個環路之間符合水力平衡要求，使空調水系統在實際運行中有良好的水力工況和熱力工況。

5)在水系統的頂點設置自動排氣閥，防止形成氣塞，在環路的最低點設置排水閥。

5 結束語

間接式中央空調式系統相對于傳統空調系統，不僅解決了長期困擾工作人員的噪聲問題，而且極大的節省了甲板面積和后期維護費用。以本項目為例：如若采用分體空調，其數量約22臺，共需甲板面積200 m2；而采用間接式中央空調式系統，所需甲板面積僅為110 m2，節約甲板面積90 m2，有效的降低了初始投資。同時，間接式中央空調式系統最大限度的減少了制冷劑管線的安裝工作，降低了初始安裝費用。由于機組數量減少可以有效降低后期維護費用，且間接式中央空調式系統的主要耗電設備冷水機組，可通過無級卸載成比例的降低設備耗電，故每年可節省維護和運行費用10萬元以上。

隨著我國海洋石油工業的不斷發展，海洋石油平臺配置的電潛泵變頻設備數量越來越多，為保證其運行環境溫度恒定，導致海洋石油平臺對制冷空調的制冷需求越來越大，耗電量常年居高不下。同時，為了解決平臺生產人員在生活中因噪聲問題誘發的各種疾病，未來海洋石油平臺空調設計選型過程中，除了考慮穩定性和初始投資外，將會更加的關注空調系統的節能性、高舒適性、智能化、后期運行維護費用等方面，真正的達到以人為本的目的。

綜合考慮以上因素，間接式中央空調式系統應是未來海洋石油平臺空調系統選型的主要發展方向，本文以恩平18-1油田為例，詳細介紹了間接冷卻式空調系統的設計要點和選型依據，通過該空調系統在海洋石油平臺的首次成功應用，不僅極大的提高暖通空調系統的工程質量和人員的舒適性，而且對今后海洋石油平臺的暖通空調設計，也提供了一定的借鑒和指導作用，具有重要的推廣和指導意義。

[1] 張慧芳,張勇青,陳自剛. 淺析海上平臺暖通空調系統噪聲[J]. 噪聲與振動控制，2012，32(5)：131-132.

[2] 叢山日,許文華,孟廣宇. 氣壓罐定壓裝置計算方法和設計原則[J]. 建筑科學，2000,15(5)：57-58.

[3] 趙榮義,錢以明,范存養. 簡明空調設計手冊[M]. 北京：中國建筑工業出版社，1998.

[4] 金文,張永生,杜芳莉. 空氣調節技術[M]. 北京：電子工業出版社，1998.

According to the working principle and characteristic,equipment style-selection and design main point are analyzed in detail for the indirect cooling air-conditioning system based on the real projcect.The first application of such kind of air conditioning system makes the harmful noise from HVAC solved and stability of equipment operation accuracy of temperature control are raised,which might be direction and perfection for designing HVAC air-conditioning system on offshore platform.

indirect cooling air-condition;equipment style-selection and system design;offshore platform;first application

張勇青(1986-)，男，河南許昌人，工程師，大學本科，主要從事海洋石油平臺機械設計工作。

TE991.8

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.02.015

2016-11-07