油氣田聯(lián)合站中高壓變頻器室暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉訓(xùn)偉

（山東萊克工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257029）

油氣田聯(lián)合站是油氣集中處理聯(lián)合作業(yè)站的簡稱。主要是為油氣集中處理（原油脫水、脫鹽、天然氣凈化以及外輸和增壓、脫硫、硫磺回收、原油穩(wěn)定、輕烴、液化氣回收等）、油田注水、污水處理、供變電和輔助生產(chǎn)等活動(dòng)提供生產(chǎn)和生活的基礎(chǔ)性設(shè)施。同時(shí)，聯(lián)合站是高溫、高壓、易燃、易爆的場所，是油田一級要害場所。加之本工程順北油氣田該聯(lián)合站地處塔克拉瑪干大沙漠腹地，晝夜溫差大，高溫缺水，風(fēng)沙大，氣候惡劣。聯(lián)合站中變頻器室主要負(fù)責(zé)天然氣處理及外輸中設(shè)備用電的變頻，起到降低聯(lián)合站站場用電率，保障下游城市油氣供應(yīng)的穩(wěn)定，為聯(lián)合站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起到至關(guān)重要的作用。加之變頻器設(shè)備發(fā)熱量大，高溫容易極大降低設(shè)備使用壽命，因此，在油氣田聯(lián)合站正常運(yùn)行過程中，高壓變頻器室的暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

1 變頻器室室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)要求

（1）根據(jù)《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50019-2015）附錄A，查得室外設(shè)計(jì)氣象參數(shù)（新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)），見表1。

表1 室外設(shè)計(jì)參數(shù)

（2）室內(nèi)設(shè)計(jì)氣象參數(shù)。供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)、空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)應(yīng)根據(jù)建筑物性質(zhì)、生產(chǎn)特點(diǎn)及要求、勞動(dòng)強(qiáng)度因素確定。根據(jù)《石油天然氣地面建設(shè)工程供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SY/T7021-2014）中室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)規(guī)定如下：變頻器室夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度不宜高于 30 ℃，冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為 5～8 ℃，夏季、冬季對相對濕度無相應(yīng)要求。

2 變頻器室設(shè)備對環(huán)境要求及散熱量分析

油氣田聯(lián)合站作為目前油氣田開發(fā)中主要工業(yè)站場，在油氣處理、外輸、增壓過程中，需要消耗很大的電力，同時(shí)變頻器本身運(yùn)行時(shí)也要消耗電能，對于幾十千瓦以下的變頻器， 一般滿負(fù)荷時(shí)的消耗占額定容量的3%～4%。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用，將工頻變換為電壓、頻率都可調(diào)的交流電源的電能控制裝置。故變頻調(diào)速技術(shù)是油氣田聯(lián)合站設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多的一種節(jié)能方法。

當(dāng)室外空氣中的風(fēng)沙、灰塵等大顆粒有害物較大時(shí)，極易進(jìn)入變頻器室內(nèi)，導(dǎo)致變頻器本身的濾棉堵塞，使電氣設(shè)備節(jié)能效率下降。變頻器內(nèi)部設(shè)置有壓差檢測裝置，檢測變頻器通風(fēng)效果進(jìn)而判斷是否存在濾棉堵塞，避免風(fēng)沙、灰塵等堵塞導(dǎo)致變頻器運(yùn)行溫度過高，引起設(shè)備停機(jī)，影響變頻器的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

根據(jù)市場主流變頻器設(shè)備調(diào)研情況，變頻器設(shè)備本體均自帶冷卻裝置，冷卻裝置可以采用水冷或風(fēng)冷型式。風(fēng)冷變頻器通過冷卻風(fēng)機(jī)將散熱量排出柜體，達(dá)到降低柜體內(nèi)環(huán)境溫度，確保變頻器內(nèi)的元器件運(yùn)行溫度在允許值以下，風(fēng)冷變頻器自帶的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)可以由變頻器設(shè)備廠家一起提供，暖通專業(yè)提出通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的技術(shù)要求即可。水冷變頻器的絕大部分熱量均由工藝循環(huán)冷卻水通過換熱器換熱帶出柜體，暖通專業(yè)設(shè)置普通機(jī)械通風(fēng)或空調(diào)裝置即可。

本工程變頻器室主要用于天然氣處理和外輸過程中各類泵變頻使用，一般變頻器室具有建筑面積不大，但單位建筑面積的設(shè)備發(fā)熱量相當(dāng)大的特點(diǎn)。該工程中變頻器室中設(shè)備散熱量統(tǒng)計(jì)表如表2所示。

表2 變頻器室設(shè)備散熱量統(tǒng)計(jì)表

3 變頻器室暖通空調(diào)方案的比選

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，文章將從變頻器室的機(jī)械通風(fēng)冷卻、空-水降溫冷卻和空調(diào)密閉冷卻三個(gè)方案進(jìn)行變頻器室暖通空調(diào)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行選擇。

3.1 機(jī)械通風(fēng)冷卻方案

（1）機(jī)械通風(fēng)冷卻方案設(shè)計(jì)計(jì)算原理：

機(jī)械通風(fēng)量的計(jì)算一般應(yīng)按每小時(shí)換氣次數(shù)或每小時(shí)需要新鮮空氣量來決定，有時(shí)還應(yīng)根據(jù)排除房間余熱、余濕或有害氣體量而定。通風(fēng)量的選擇應(yīng)取下列幾項(xiàng)中的最大值。

①確定通風(fēng)量時(shí)應(yīng)針對不同的設(shè)備房，按每小時(shí)換氣次數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

式中：L為通風(fēng)量（m3/h）；N為換氣次數(shù)（次/h）；V為通風(fēng)房間容積（m3）

②當(dāng)房間內(nèi)發(fā)熱量較大時(shí)，需要采用全面排風(fēng)方式消除室內(nèi)余熱，通風(fēng)量應(yīng)按下式計(jì)算：

式中，L為通風(fēng)換氣量（m3/h）；Q為室內(nèi)顯熱發(fā)熱量（W）；tp為室內(nèi)排風(fēng)設(shè)計(jì)溫度（℃）；ts為送風(fēng)溫度（℃）。

（2）當(dāng)變頻器散熱直接排入室內(nèi)時(shí)，由暖通專業(yè)設(shè)置機(jī)械進(jìn)、排風(fēng)系統(tǒng)將變頻器排熱排至室外。按變頻器室所處室外通風(fēng)環(huán)境參數(shù)和工藝/電氣專業(yè)所提供資料，有以下兩種通風(fēng)方案：①當(dāng)變頻器室布置在環(huán)境非易燃易爆區(qū)域內(nèi)時(shí)，可采用負(fù)壓通風(fēng)方式，氣流組織一般為自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)，根據(jù)局部通風(fēng)罩設(shè)計(jì)原則，并結(jié)合變頻器結(jié)構(gòu)形式，在變頻器上部設(shè)置由排風(fēng)機(jī)、獨(dú)立排風(fēng)罩、排風(fēng)管、風(fēng)管管件及排風(fēng)機(jī)組成的機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)。利用獨(dú)立排風(fēng)罩將排熱量收集起來，通過機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)將變頻器散發(fā)出的熱量排入獨(dú)立排風(fēng)罩內(nèi)并通過風(fēng)管排至室外。其中獨(dú)立排風(fēng)罩系統(tǒng)需要確定罩口長度及寬度、變頻器高度、排熱裝置高度，罩空間高度等相關(guān)參數(shù)。為在獨(dú)立排風(fēng)罩吸風(fēng)口四周邊緣形成負(fù)壓以便于更好地利用氣流組織排出室內(nèi)熱量。②當(dāng)變頻器室布置在易燃易爆區(qū)域時(shí)，可采用正壓通風(fēng)，氣流組織為機(jī)械送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)。正壓送風(fēng)系統(tǒng)由自助沙塵過濾送風(fēng)機(jī)組送風(fēng)，通過機(jī)組送風(fēng)量大于排風(fēng)量，保持室內(nèi)正壓。其中機(jī)械送風(fēng)口需取自室外潔凈區(qū)域。

3.2 空-水降溫冷卻方案

（1）當(dāng)從變頻器頂部出來的熱風(fēng)無法排至室外時(shí)，可以采用空-水降溫冷卻方案：

從變頻器頂部出來的熱風(fēng)，由換熱器上部的風(fēng)機(jī)直接引入空-水冷卻換熱器進(jìn)行熱量交換，由工藝循環(huán)冷卻系統(tǒng)直接將變頻器散失的熱量帶走，熱風(fēng)經(jīng)冷卻裝置冷卻后，變成冷風(fēng)從換熱器吹出，熱量被循環(huán)冷卻水帶走，保證變頻器室內(nèi)的環(huán)境溫度。工藝循環(huán)冷卻系統(tǒng)與變頻器內(nèi)風(fēng)系統(tǒng)完全隔離，工藝循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻水管道在變頻器室外與變頻器設(shè)備完全分離，確保高壓變頻器免受防水、絕緣破壞等安全威脅和事故的有害影響。

（2）變頻器自帶完整排風(fēng)系統(tǒng)（含隔熱排風(fēng)管）時(shí)的散熱量由其變頻器自帶的排風(fēng)系統(tǒng)引至室外排放，暖通專業(yè)只需配套相應(yīng)的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)由機(jī)械通風(fēng)降溫機(jī)組、送風(fēng)管及房間下部送風(fēng)口組成，送風(fēng)量大于變頻器排熱風(fēng)機(jī)總排風(fēng)量，室內(nèi)保持正壓，以阻止室外風(fēng)沙、灰塵的侵入。

機(jī)械通風(fēng)降溫機(jī)組可采用水冷表冷器或氟利昂直接蒸發(fā)式表冷器。當(dāng)采用水冷表冷器時(shí)可采用工藝專業(yè)提供的循環(huán)冷卻水。當(dāng)采用氟利昂直接蒸發(fā)式表冷器時(shí)，應(yīng)向空調(diào)機(jī)設(shè)備廠家提出空調(diào)進(jìn)風(fēng)溫度，以便其根據(jù)該進(jìn)風(fēng)溫度特殊供貨。

3.3 空調(diào)密閉冷卻方案

3.3.1 空調(diào)密閉冷卻系統(tǒng)

當(dāng)設(shè)置空調(diào)密閉冷卻系統(tǒng)時(shí)，變頻器排熱直接散入室內(nèi)而不排出室外。變頻器室采用空調(diào)密閉冷卻方式時(shí)，變頻器室內(nèi)空間要盡可能小，并且要密閉，以減小室內(nèi)的空調(diào)冷負(fù)荷。其中空調(diào)冷源可以選擇分體空調(diào)機(jī)和單元式空調(diào)機(jī)組這兩種空調(diào)系統(tǒng)形式。

3.3.2 采用普通分體空調(diào)器

根據(jù)對變頻器設(shè)備的調(diào)研情況，變頻器的通風(fēng)氣流組織一般為下進(jìn)風(fēng)、上排風(fēng)，為避免冷、熱氣流在變頻器內(nèi)部交匯進(jìn)而導(dǎo)致冷凝水的析出，影響電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，故分體空調(diào)器需要采用柜式型式，送風(fēng)氣流形式為下部送冷風(fēng)、上部回風(fēng)。此種方案較簡單，但不能維持室內(nèi)正壓，外部風(fēng)沙、灰塵容易侵入。

3.3.3 采用單元式空調(diào)機(jī)組

系統(tǒng)構(gòu)成相較分體空調(diào)器系統(tǒng)復(fù)雜，空調(diào)系統(tǒng)組成部件較多，需要一定的安裝空間。送回風(fēng)方式主要有：①前回風(fēng)、前出風(fēng)（帶風(fēng)帽）②前回風(fēng)、頂出風(fēng)③后回風(fēng)、頂出風(fēng)。單元式空調(diào)機(jī)組可采用風(fēng)冷或水冷兩種冷卻方式。系統(tǒng)有新風(fēng)引入功能，采用固定新風(fēng)比，能夠有效改善室內(nèi)空氣品質(zhì)并維持室內(nèi)正壓。

4 變頻器室暖通方案確定

在機(jī)械通風(fēng)冷卻、空-水降溫冷卻和空調(diào)密閉冷卻三個(gè)方案中，機(jī)械通風(fēng)冷卻現(xiàn)場運(yùn)行操作最簡單、外部依托程度較低、工程投資也最低，因此當(dāng)建設(shè)地室外環(huán)境較適宜和同時(shí)缺乏外部依托（此處特指符合降溫條件的工藝循環(huán)冷卻水）的情況下，建議優(yōu)先采納該設(shè)計(jì)方案。

如前所述，變頻器室內(nèi)最佳環(huán)境溫度為25 ℃，從對變頻器設(shè)備的現(xiàn)場調(diào)研來看，降低變頻器運(yùn)行溫度便于負(fù)荷變化較大的設(shè)備的變頻調(diào)速運(yùn)行，一方面可以延長設(shè)備的使用壽命，另一方面，可降低設(shè)備自身耗能進(jìn)而達(dá)到降低站場總用電量的效果，進(jìn)而提高整個(gè)站場的節(jié)能率。而通過分析采用空-水降溫冷卻或空調(diào)密閉冷卻可以穩(wěn)定保證變頻器的運(yùn)行溫度，因此當(dāng)變頻器室周圍環(huán)境自然環(huán)境比較惡劣時(shí)，優(yōu)先空調(diào)密閉冷卻方案，當(dāng)現(xiàn)場具備工藝循環(huán)冷卻水的外部依托時(shí)，推薦采用空-水降溫冷卻方案。從滿足變頻器正常運(yùn)行要求出發(fā)，建議將變頻器室的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度設(shè)定為 28～35 ℃。鑒于順北油氣田的氣候環(huán)境，地處沙漠腹地，常年風(fēng)沙天氣較多，進(jìn)排風(fēng)過程中，風(fēng)沙容易進(jìn)入室內(nèi)，加之水資源比較匱乏，經(jīng)過綜合考慮，本變頻器室采用空調(diào)密閉冷卻方案。詳見圖1。

圖1 變頻器室暖通系統(tǒng)布置圖

5 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 報(bào)警裝置設(shè)置

由于順北油氣田地處沙漠腹地，加之沙漠環(huán)境氣候復(fù)雜多變，交通不暢，油氣田聯(lián)合站一旦發(fā)生火災(zāi)、可燃或有毒氣體泄漏等緊急情況，后果極為嚴(yán)重。因此，在變頻器室設(shè)置了溫度檢測裝置、火災(zāi)檢測報(bào)警、可燃或有毒氣體泄漏等報(bào)警裝置，對存在安全隱患的設(shè)備房實(shí)施中控室實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)，這些對設(shè)備設(shè)置了與暖通空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)、空調(diào)設(shè)備的自動(dòng)控制與聯(lián)鎖。

5.2 自控系統(tǒng)聯(lián)鎖

變頻器室中所有風(fēng)機(jī)、空調(diào)及風(fēng)閘的運(yùn)行狀態(tài)均遠(yuǎn)傳中控室，并與變頻器室室內(nèi)的溫度檢測裝置、火災(zāi)、可燃或有毒氣體泄漏等報(bào)警裝置進(jìn)行聯(lián)鎖啟停。當(dāng)變頻器室發(fā)生火災(zāi)時(shí)，報(bào)警信號遠(yuǎn)控著火房間所有的防火風(fēng)閘、風(fēng)機(jī)、空調(diào)停止運(yùn)行；當(dāng)變頻器室檢測到可燃或有毒氣體時(shí)，報(bào)警信號遠(yuǎn)控著火房間所有的防火風(fēng)閘、風(fēng)機(jī)、空調(diào)停止運(yùn)行，避免有害氣體進(jìn)入變頻器室內(nèi)；當(dāng)室內(nèi)溫度超過或低于室內(nèi)設(shè)定溫度時(shí)，溫度檢測裝置可以遠(yuǎn)控空調(diào)進(jìn)行啟停。

5.3 采用機(jī)房專用空調(diào)群控系統(tǒng)

由于變頻器存在冗余度，系統(tǒng)依據(jù)負(fù)載分布和空調(diào)配置，合理分配空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，減少空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，來降低整個(gè)變頻器室的能耗。

6 結(jié)語

油氣田聯(lián)合站中高壓變頻器室暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案主要是根據(jù)高壓變頻器室所處地區(qū)的室外環(huán)境、外部依托情況、工藝/電氣專業(yè)給暖通專業(yè)所提設(shè)計(jì)要求、暖通專業(yè)內(nèi)的設(shè)計(jì)要求及有關(guān)規(guī)范、規(guī)則和公約的要求確定，主要滿足設(shè)備工藝性和人員舒適性要求。它不但關(guān)系到油氣聯(lián)合站中人員的工作環(huán)境的舒適性，還關(guān)系到聯(lián)合站油氣正常生產(chǎn)運(yùn)行的安全性，所以在設(shè)計(jì)過程中不但要滿足建設(shè)方的要求，還要滿足相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求。同時(shí)，還應(yīng)做好空調(diào)效果的仿真模擬，主要從氣候參數(shù)選取、設(shè)備布置、模擬參數(shù)確定、空調(diào)系統(tǒng)效果的驗(yàn)證出發(fā)，針對氣流組織特性的數(shù)值分析與模擬實(shí)驗(yàn)，深入分析變頻器室內(nèi)部的氣流速度、溫度場分布，并在此基礎(chǔ)上得出合理的冷量調(diào)配設(shè)計(jì)方案，獲得最佳的送回風(fēng)狀態(tài)，滿足設(shè)備的散熱需要，達(dá)到最優(yōu)冷量配置的效果，確保空調(diào)系統(tǒng)能夠達(dá)到節(jié)約電能的效果，由于篇幅限制，以上內(nèi)容不再深入論述。