海上升壓站正壓送風系統計算及控制研究

楊鋒斌，張先提，王春磊，孫文龍

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663）

中國海上風能資源豐富，隨著海上風電關鍵技術取得突破和產業服務體系的不斷完善，最近幾年江蘇、福建、廣東海上風電開發建設進度明顯加快。目前全國已并網海上風電裝機容量僅次于英國和德國，位居全球第三位［1］。

與陸地風電相比，海上風電所處的高濕度、高鹽霧、長日照等惡劣的海洋環境，必然使海上升壓站面臨嚴峻的腐蝕考驗，腐蝕問題成為海上風電遇到的技術難題之一［2］。研究［3-7］表明高鹽高濕的海洋大氣環境，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比在陸上大氣環境中快。同時海上升壓站上存在大量以鋼鐵為主的金屬構件，如主變的油箱外殼、散熱片、開關柜、控制保護柜的外殼等，鹽霧沉積在電氣設備表面，在電磁場作用下，沉積物被電離形成導電薄膜，降低了電氣設備的絕緣水平，因此，電氣設備的故障率會大大增加。近年來，我國對海洋環境防腐蝕研究越來越重視，各種防腐蝕技術也發展迅速，但仍然不能滿足海上風電的發展需求［8］。

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

目前我國對于海上升壓站的正壓送風系統缺乏深入細致的研究。海上升壓站正壓送風系統存在計算方法不夠準確、正壓系統控制不夠精確等問題。為解決這些問題，本文結合南海多個海上升壓站項目正壓送風系統實例，對正壓送風量計算和正壓控制系統進行分析探討，確定了正壓送風量計算原則及控制策略。

1 正壓送風量的確定

為滿足室內正壓設計值，需通過計算選取合適的送風量。

已知室外風速，采用下式計算室內外壓差［9-10］。

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

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

目前計算維持室內正壓所需風量常用的方法有縫隙法、換氣次數法。下面就分別采用兩種方法進行計算分析。

1.1 縫隙法

采用縫隙法計算風量，既考慮了房間維護結構的氣密性，又考慮了室內維持一定的正壓值。門關閉時，保持一定壓差所需的風量按下式計算［14］：

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

門縫的縫隙面積按“縫長×縫寬”進行計算。而縫寬在系統設計時是一個不確定值，它與門的形式、加工質量、安裝質量、使用情況等因素有關。本次計算縫寬按照某項目實際安裝要求取值為2 mm。某海上升壓站各房間門窗縫隙統計如表1 所示。按照縫隙法計算房間正壓送風量結果如表2所示。

表1 各房間外門統計Tab.1 Statistics of external doors of each room

表2 縫隙法計算風量Tab.2 Calculation of air volume by gap method

1.2 換氣次數法

換氣次數是衡量空間稀釋情況好壞的重要參數，也是估算空間通風量的依據。對于確定壓差的房間，換氣次數按照實用供熱空調設計手冊［15］確定。按換氣次數法計算房間正壓送風量結果如表3所示。

表3 換氣次數法計算風量Tab.3 Calculation of air volume by air change times method

1.3 結果對比分析

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

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量僅與外門縫隙長度有關，與房間體積無關，所以縫隙法計算結果較為平緩，而換氣次數法計算結果波動劇烈。

圖1 兩種方法計算結果對比Fig.1 Comparison of calculation results of two methods

正壓室內空氣通過外門縫隙逸出，所以按照縫隙法計算可以真實地反映室內正壓所需送風量。而換氣次數取值依據陸上經驗，并不完全適用于海上升壓站，所以造成計算風量偏大。

通過縫隙法計算風量反推換氣次數如表4所示。

表4 縫隙法計算風量反推換氣次數Tab.4 Calculate the number of air change times after air volume calculation by the gap method

表3 通過縫隙法計算風量反推得到實際的換氣次數，進一步驗證根據陸上經驗得出的使建筑物保持一定正壓值的換氣次數不適用于海上升壓站。需要指出的是，當全部或者部分外門開啟方向朝內走道時，正壓送風量將進一步減小。

2 正壓送風系統的控制

2.1 余壓閥控制

正壓送風系統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置余壓閥，當室內壓力過高時，利用余壓閥可開啟的閥板泄掉超壓風量。該系統布置簡單，初投資較小。缺點是控制精確度低，正壓所需送風量大，系統能耗較高。

安裝余壓閥，必須保證房間內有足夠的過剩風量，即需保證送風量大于門縫漏風量，因此，防止室內超壓，余壓閥的選型至關重要。

房間通風方式采用機械送風、自然排風方式，根據文獻［12］，風量平衡如下式計算：

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

余壓閥泄壓面積F按下式計算：

在正壓送風系統中，余壓閥的面積需要精確計算得出，選型過大，就會造成浪費；選型過小，就會存在超壓風險。

2.2 變風量末端余壓控制

作者根據多個海上升壓站工程設計實踐提出一種海上升壓站正壓送風系統及其控制系統，詳細架構如圖2 所示。該系統主體包括變頻新風機組、風管系統、末端變風量調節裝置、末端送風設備。所述控制系統由室內外壓差傳感器（1）、末端支管壓差傳感器（2）、末端變風量調節裝置（3）、變頻新風機組（4）、DDC 控制器（5）等設備組成。控制系統通過對室內外壓差傳感器、末端支管壓差傳感器的數據分析，控制變頻新風機組、末端變風量調節裝置，使得室內正壓維持正常水平。

圖2 海上升壓站正壓送風系統及其控制系統架構Fig.2 Positive pressure air supply system and control system architecture of offshore booster station

室外高鹽霧、高濕、高溫空氣經變頻新風機組過濾、除鹽霧、降溫除濕后，由風管系統、末端送風設備送入房間內，維持房間內部微正壓，避免室外高鹽霧、高濕空氣侵入室內，同時改善室內空氣品質。

室內外壓差傳感器實時監測室內外大氣壓力，并與壓差設定值比較，當室內外壓差超過設定值時，報警并反饋信號給變風量控制末端和新風機組控制系統，變風量控制末端接收信號后控制末端變風量調節閥門減小開度，新風機組控制系統接收信號后控制變頻風機轉速，減小送入房間空氣量，維持室內正壓正常水平。反之，當室內外壓差小于設定值時，通過調節風機轉速和末端變風量調節閥門開度加大送入風量。

該控制系統側重于房間正壓精確可調。與余壓閥控制“先超壓后泄壓”的方法相比，提倡“調風量保壓差”，這樣不僅嚴格控制正壓所需風量，降低空調系統能耗，而且大大降低房間超壓發生的可能，防患于未然。同時本系統壓差控制可通過直接讀取室內外壓差并反饋DDC 控制器，實現對房間送入風量的靈活調節，具有系統送風量小、房間送風量變風量可調、輸送能耗小、可完全實現自動控制、故障率小等優點。

3 結 論

本文從大量海上升壓站通風空調設計實踐中，總結提出海上升壓站防鹽霧正壓送風系統計算及其控制方法，為海上升壓站通風空調及防鹽霧系統設計實踐提供有力的支撐。本文主要結論如下：

1）對于海上升壓站防鹽霧正壓送風系統，送風量的計算要綜合考慮圍護結構氣密性、室內正壓值和控制方式，不能簡單以換氣次數為基準計算送風量。

2）采用縫隙法計算海上升壓站正壓送風量結果較為準確。而根據陸上建筑設計經驗推薦的換氣次數法計算結果偏大，偏離正壓送風系統運行實際，造成不必要的能源浪費。

3）帶有末端變風量調節裝置的控制系統在精確控制房間正壓值的基礎上，避免了大風量先超壓后泄壓的缺點，可有效降低系統能耗和高鹽高濕氣體對海上升壓站工藝設備的腐蝕，提高設備可靠性及運行壽命。