海洋平臺(tái)大散熱量房間冬季制冷方式的探討及應(yīng)用

魏占彪，陳自剛，方 堃，丁 亮，張勇青

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

以渤海海域蓬萊19－9詳細(xì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目為例，全年環(huán)境溫度為－16～33℃，該平臺(tái)電氣間設(shè)備散熱量巨大 (約338 kW)，在冬季工況 (最低溫度－16℃)時(shí)僅僅依靠圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱不能完全消除巨大設(shè)備散熱量的影響，該電氣間仍需進(jìn)行制冷處理。依據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，渤海海域海洋平臺(tái)冬季工況對(duì)電氣房間進(jìn)行制冷，通常采用分體空調(diào)引室外低溫新風(fēng)方式實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)借鑒某國(guó)外海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)理念，考慮引用低溫環(huán)境制冷型集中空調(diào)冬季制冷方案，同時(shí)將2種冬季制冷方案進(jìn)行技術(shù)層面比選。

對(duì)蓬萊19－9詳細(xì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的電氣間模塊冬季空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行核算，落實(shí)冬季工況電氣間需進(jìn)行制冷抑或制熱方案。

冬季工況電氣間顯熱負(fù)荷qs=qt+qps+ql+qe。其中，①圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失qt=h·A·Δt，h為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/m2·K;A為圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，m2;Δt為室內(nèi)外溫差，K。qt為70.5 kW。② qps為電氣間人體散發(fā)熱量，0.6 kW。③ql為電氣間照明熱量，10.2 kW。④qe為電氣間設(shè)備散熱量，338 kW。

經(jīng)計(jì)算得知，冬季工況電氣間顯熱負(fù)荷qs約278 kW。依然有大量的余熱需要處理，需要對(duì)電氣間進(jìn)行制冷處理。

1 空調(diào)設(shè)備選型

由于夏季空調(diào)熱負(fù)荷大于冬季空調(diào)熱負(fù)荷，下面對(duì)兩種制冷方案的夏季空調(diào)熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，以夏季空調(diào)負(fù)荷作為設(shè)備選型依據(jù)［1］。

1.1 集中空調(diào)夏季制冷負(fù)荷

式中:∮為集中空調(diào)總熱負(fù)荷，W;qs為夏季房間顯熱負(fù)荷，W;∮2為風(fēng)機(jī)熱量，W;∮3為送風(fēng)管空氣溫升熱量，W;∮4為回風(fēng)管空氣溫升熱量，W;Φ5為新鮮空氣熱量，W。經(jīng)計(jì)算，集中空調(diào)夏季制冷負(fù)荷為500 kW，集中空調(diào)機(jī)組采用2用1備，單臺(tái)空調(diào)器制冷量為250 kW。

1.2 分體空調(diào)夏季制冷負(fù)荷

式中:Q為分體空調(diào)總熱負(fù)荷，W;qs為夏季房間顯熱負(fù)荷，W;qpl人體潛熱，W;Φ5新鮮空氣熱量，W。經(jīng)計(jì)算分體空調(diào)夏季制冷負(fù)荷為435 kW，分體空調(diào)單臺(tái)制冷量50 kW，考慮9用2備的設(shè)備備用方案，共計(jì)約11套分體空調(diào)機(jī)組。

2 新風(fēng)制冷型分體空調(diào)冬季制冷方式

咨詢中國(guó)海洋石油總公司供應(yīng)商名錄中常規(guī)合作空調(diào)廠家，其空調(diào)機(jī)組只能實(shí)現(xiàn)在環(huán)境溫度為5℃以上時(shí)進(jìn)行制冷功能，低于此溫度時(shí)由于制冷劑制冷循環(huán)無(wú)法建立，空調(diào)機(jī)組將無(wú)法進(jìn)行正常制冷工作。要實(shí)現(xiàn)冬季工況對(duì)電氣間降溫保證電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，渤海海域海洋平臺(tái)慣常做法是采用分體空調(diào)引室外新風(fēng)的方式實(shí)現(xiàn)制冷，夏季工況通過(guò)關(guān)閉調(diào)節(jié)風(fēng)閘關(guān)閉室外新風(fēng)口，通過(guò)室內(nèi)機(jī)組循環(huán)風(fēng)機(jī)送風(fēng)口及回風(fēng)口實(shí)現(xiàn)制冷空氣室內(nèi)循環(huán)，如圖1所示，冬季工況開(kāi)啟新風(fēng)口，關(guān)斷回風(fēng)口風(fēng)閘，通過(guò)室內(nèi)機(jī)組的循環(huán)風(fēng)機(jī)將室外低溫空氣送入房間內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備降溫制冷，如圖2所示。

2.1 總體布置靈活性

參考海洋平臺(tái)空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)化尺寸選型數(shù)據(jù)，室內(nèi)機(jī)估算尺寸為2 200 mm×1 200 mm×1 500 mm，室外機(jī)估算尺寸為2 200 mm×1 600 mm×1 450 mm，考慮安裝及操作維護(hù)空間需求，室內(nèi)機(jī)占用電氣間面積約65 m2，室外機(jī)占用甲板面積約80 m2，對(duì)總圖方案、組塊吊裝、海上安裝方案影響較大。

圖1 夏季工況制冷

圖2 冬季引入室外新風(fēng)制冷

2.2 電氣設(shè)備保護(hù)性

由于海洋平臺(tái)空間的局限性，分體空調(diào)新風(fēng)口通常不設(shè)置鹽霧濾器，鑒于海洋環(huán)境高鹽霧、高腐蝕性，通常會(huì)對(duì)電氣設(shè)備使用壽命造成一定的負(fù)面影響。

2.3 操作維護(hù)舒適性

大量的低溫空氣送入房間，工作人員進(jìn)行操作維護(hù)時(shí)直接接觸大風(fēng)量、高風(fēng)速的低溫空氣，工作舒適性差，另外需要根據(jù)不同的環(huán)境溫度手動(dòng)調(diào)節(jié)分體空調(diào)新風(fēng)口調(diào)節(jié)風(fēng)閘的開(kāi)度，操作維護(hù)工作頻率高、強(qiáng)度大，而且設(shè)備數(shù)量多，故障率較高。

3 低溫制冷型集中空調(diào)冬季制冷方式

借鑒某國(guó)外海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，發(fā)現(xiàn)部分廠家可以生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)低溫工況下進(jìn)行制冷的集中空調(diào)機(jī)組，且在國(guó)外某海洋平臺(tái)項(xiàng)目上有成功應(yīng)用的業(yè)績(jī)，能夠滿足蓬萊19－9詳細(xì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目最低環(huán)境溫度使用要求。為低溫制冷型集中空調(diào)機(jī)組方案應(yīng)用于渤海海域海洋平臺(tái)電氣間提供了可執(zhí)行性。該空調(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)冷間接冷卻式空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括冷水機(jī)組、冷媒水循環(huán)泵、膨脹罐、水管系統(tǒng)(乙二醇溶液)、空氣處理裝置和終端裝置 (如風(fēng)口)［2］。

圖3 低溫制冷型集中空調(diào)機(jī)組流程簡(jiǎn)圖

以下從幾個(gè)典型方面列舉該方案的特點(diǎn)。

3.1 總體布置靈活性

冷水機(jī)組與空調(diào)器相對(duì)位置不受限制，平臺(tái)總體布置靈活。蓬萊19－9項(xiàng)目將空調(diào)器機(jī)組布置圖中層甲板，將冷水機(jī)組布置于電氣間頂部利用空余空間，與傳統(tǒng)新風(fēng)制冷方式相比節(jié)省約63 m2甲板面積，對(duì)總圖方案、組塊吊裝、海上安裝方案影響小。

3.2 電氣設(shè)備保護(hù)性

空調(diào)器新風(fēng)入口設(shè)置鹽霧濾器，降低海洋環(huán)境高鹽霧空氣對(duì)電氣設(shè)備的腐蝕，相較于新風(fēng)制冷型分體空調(diào)可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

3.3 操作維護(hù)舒適性

由于采用機(jī)組集中送風(fēng)，通過(guò)優(yōu)化布置送風(fēng)布風(fēng)器及回風(fēng)柵，良好的氣流組織分布，配合適宜的風(fēng)量及送風(fēng)溫度，操作維護(hù)工作舒適度較高。該機(jī)組一經(jīng)調(diào)試完畢后，無(wú)需操作維護(hù)人員手動(dòng)調(diào)節(jié)，僅需通過(guò)集中控制盤(pán)集中控制，操作維護(hù)工作強(qiáng)度低，且設(shè)備數(shù)量少，故障率小。

4 方案技術(shù)性比選

為便于直觀的比較新風(fēng)制冷型分體空調(diào)冬季制冷方案與低溫制冷型集中空調(diào)冬季制冷方案在各個(gè)方面的優(yōu)劣，表1列出了詳細(xì)對(duì)比。

表1 方案技術(shù)性比選

5 結(jié)束語(yǔ)

產(chǎn)使用并運(yùn)行良好，為渤海海域海洋平臺(tái)類似電氣間冬季制冷工況下空調(diào)選型提供借鑒作用。

本文針對(duì)渤海海域海洋平臺(tái)大散熱量電氣房間的冬季制冷方式在技術(shù)層面進(jìn)行了介紹與探討，低溫制冷型集中空調(diào)冬季制冷方式與傳統(tǒng)的新風(fēng)制冷型分體空調(diào)冬季制冷方式進(jìn)行了對(duì)比，渤海海域蓬萊19－9詳細(xì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，首次應(yīng)用低溫制冷型集中空調(diào)機(jī)組對(duì)電氣房間冬季工況制冷，該設(shè)備已投

［1］國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)編.海洋固定平臺(tái)安全規(guī)則［C］.2000.

［2］《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程機(jī)械與設(shè)備設(shè)計(jì) (第二冊(cè))［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2007.