海上平臺電氣房間分體空調改造中央空調設計分析

0 引言

海上石油平臺電氣設備間的空氣調節通常采用船用風冷分體空調，它具有靈活的安裝空間，占地面積小，內機安裝位置多樣，可采用柜式、壁掛式或吸頂式等樣式，空調外機基本不受空調內機位置影響，空調內、外機安裝距離可達十幾二十米，之后，隨著安裝距離增加，空調制冷效率降低。但是，電潛泵控制間屬于平臺里面最大的電氣設備房，變頻柜布置緊湊，發熱量大，房間溫度常年維持在 30^°C 以內，需要空調長時間高負荷工作，風冷空調外機在海洋環境條件下易出現故障。同時，風冷分體空調的制冷效率受環境影響比較大，室外機主要靠空氣散熱，而南海海域石油平臺常年處于高溫高濕的海洋環境下，空調的實際制冷能力會大打折扣。

水冷式中央空調采用海水冷卻，本次改造空調機組的PY4-2平臺海水充足，可直接引接到機組利用，不需額外再增加一套海水提升泵；海水冷卻中央空調對環境適應能力強，制冷效率高；同時，拆除分體空調室外機之后，平臺已空出一塊大甲板可以布置中央空調機組；冷凝器需要選擇防腐能力強的合金材料，造價相對比較高昂；送回風主管尺寸大，電潛泵房間內部滿足風管的安裝高度要求。

1電潛泵控制間現狀

電潛泵控制間內現有電氣設備是35臺變頻器，已投入運行33臺，變頻器運行的頻率范圍為 35～ 57.3Hz ，設備廠家提供的總散熱量是 708.8kW 。電潛泵控制間配置的空調為單冷型風冷空調，共設置16臺（1臺備用），單機制冷量為 60kW ，但平臺投產以后，空調不能達到預期制冷效果。電潛泵控制間現場溫度分布不均，局部溫度偏高，且變頻器還沒有全部投入運行，如后續所有變頻器都投入運行，在滿負荷運行狀態下，必然造成變頻器高溫報警甚至停機。因此，作業區針對目前存在的問題以及后續可能面對的挑戰，對現有的風冷分體空調內機進行升級改造，主要是將面板上側出風口改為頂出風，以四臺為一組在其上部增加靜壓箱，從靜壓箱引出支風管為變頻器進行冷卻散熱。實際改造完成之后仍然存在上述問題，沒有達到改造的預期效果，造成了人力、物力的浪費。圖1為現有電潛泵變頻間的分體空調布置圖。

2電潛泵控制間空調負荷計算[1-2]

南海采油平臺空調冷負荷計算主要考慮夏季得熱量，冷負荷主要包括圍護結構的傳熱量、人體發熱量、照明設備熱量、設備發熱量以及新風熱量，如表1所示。由表可見，設備的發熱量占比最大，其次是新風負荷，而設備的發熱量主要以咨詢廠家計算為準，電氣專業計算為輔，通過計算得到電潛泵控制間的總冷負荷為 867.53kW 。設備選型需要考慮余量及經濟性，最終確定選用單臺 500kW 制冷量的海水冷卻中央空調，共3臺，2用1備。

房間新風量應依據以下幾個方面綜合考慮，取其大者：

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

單位：kW

2）達到空調總送風量的 10%～40% 。

3）滿足房間的正壓要求，即有正壓要求的房間應有相對于室外 25～75Pa 的正壓值，一般設計按 50Pa 計算。

電潛泵控制間屬于電氣設備房，根據規范要求，新風量取值應以滿足房間正壓要求計算為宜，通常滿足正壓要求所需的新風量也是最大的。

3空調水冷冷凝器海水用量計算

3.1 確定冷凝器換熱量

計算空調水冷冷凝器的冷卻水用量，可依據熱量守恒定律，冷凝器換熱量Q近似等于空調的制冷量Q_c 與壓縮機的耗功P之和，即 Q=Q_c+P 前面計算選型單臺中央空調制冷量 Q_c 為 500kW ，單臺機組壓縮機功率根據廠家資料銘牌獲取是 75kW ，即冷凝器換熱量 Q=575kW 。

3.2 計算冷卻海水用量

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

式中： G 為質量流量； 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 為冷卻水進出冷凝器的溫差，一般取值范圍在 4～10^°C ，較為常見的是 .5^°C 左右。

通過將數據代入公式計算，得到每臺冷凝器冷卻海水用量為 103.83m³/h ，兩臺海水冷卻中央空調用水量共約 207.66m³/h 。

3.3 平臺海水量和壓力校核

PY4-2平臺與PY5-1平臺各有4臺 7680kW 原油發電機，PY4-2平臺與PY5-1平臺原油發電機并網運行，鉆井工況下，2個平臺分別運行2臺發電機組（共4臺），單臺負荷在 65%～70% 之間；非鉆井工況下，PY4-2平臺只運行2臺機組，單臺負荷在 70% 左右。平臺共有5臺 520m³， /h的海水提升泵，目前2用3備，已滿足整個平臺的海水用量，泵出口壓力 510kPa（G） ，低于旁路排海 880kPa（G） 設定值，海水供應充足。

中央空調整撬布置在平臺二層甲板上，標高是40500mm ，已知海水提升泵的出口壓力是 510kPa（G） ，海水經過反沖洗過濾器后進入海水冷凝器中，換熱完成后再接入排海管路直接排海。根據壓力公式P=ρgh ，到二層甲板是 40.5m ，相當于 40.5m 水柱，從二層甲板現有的海水管線引接一條8寸的匯管，再通過6寸支管接到每臺冷凝器，同樣，從每臺冷凝器出來的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風管設計及布置

4.1 風管設計

風管尺寸大小需要根據平臺現場空間和風速確定，由于海上平臺空間有限，電纜托架、工藝系統管線、消防管線等緊湊而有序地布置在平臺上部空間，平臺凈高方面非常受限，故空調風管應選擇矩形的形狀，風管內的風速應遵循表2推薦風速要求。

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

4.2 風管布置

室內風管出風口布置應注意避開變頻器正上方，防止凝結水滴滴到變頻器上，引起變頻器短路或起火等安全事故，出風口應盡量布置均勻，遍及房間各處角落，以防止房間內部出現死角，從而引起局部高溫。中央空調機組新風吸入口應遠離污濁空氣和危險區域。

穿越防火墻的風管要增加穿艙件，同時要設置防火風閘，防火風閘的防火級別與墻體防火級別要保持一致；防火風閘應具備三種關斷功能，包括自動熔斷、手動關閉以及遠程關閉。在主管和各個支風管處應設置調節風閘，用以平衡系統風壓及分配風量。

5 結論

本文通過對電潛泵控制間風冷式分體空調在實際應用過程中所產生的問題和海水冷卻中央空調設計以及后續應用中所碰到的問題進行研究，分析兩種機型在同一場合應用的優缺點，得出以下一些結論：1）風冷分體空調適合布置在室內外都比較緊湊的平臺，空間高度不夠、房間散熱量小的電氣設備房，并且室外機常常工作在高濕、高鹽的海洋環境，外機的外殼、冷凝器等部件防腐能力必須足夠強。2）海水冷卻中央空調使用海水冷卻，冷凝器內換熱管一般使用鈦合金等材料。由于缺少運轉部件，海水冷卻中央空調很少發生損耗，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）相對風冷形式的分體空調，水冷中央空調具有更高的能效比，其通過合理的風管布置，使得變頻器滿負荷工作狀態下房間的溫度、濕度也能維持在設計范圍內，更好地延長了變頻器的使用壽命，防范了發生事故的風險。

[參考文獻]

[1］中國海洋石油總公司.海上平臺采暖通風空調冷庫系統設計方法：Q/HS3008—2016［S].北京：石油工業出版社，2017.

[2]中華人民共和國工業和信息化部.石油化工采暖通風與空氣調節設計規范：SH/T3004—2011[S].北京：中國石化出版社，2011.

作者簡介：許旭偉（1990一），男，廣東湛江人，工程師，研究方向：海上石油平臺暖通設計。