海洋平臺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)計項目為例，全年環(huán)境溫度為－16～33℃，該平臺電氣間設(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)以往項目經(jīng)驗，渤海海域海洋平臺冬季工況對電氣房間進(jìn)行制冷，通常采用分體空調(diào)引室外低溫新風(fēng)方式實現(xiàn)，現(xiàn)借鑒某國外海洋平臺設(shè)計理念，考慮引用低溫環(huán)境制冷型集中空調(diào)冬季制冷方案，同時將2種冬季制冷方案進(jìn)行技術(shù)層面比選。

對蓬萊19－9詳細(xì)設(shè)計項目的電氣間模塊冬季空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行核算，落實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，下面對兩種制冷方案的夏季空調(diào)熱負(fù)荷進(jìn)行計算，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)計算分體空調(diào)夏季制冷負(fù)荷為435 kW，分體空調(diào)單臺制冷量50 kW，考慮9用2備的設(shè)備備用方案，共計約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)組只能實現(xiàn)在環(huán)境溫度為5℃以上時進(jìn)行制冷功能，低于此溫度時由于制冷劑制冷循環(huán)無法建立，空調(diào)機(jī)組將無法進(jìn)行正常制冷工作。要實現(xiàn)冬季工況對電氣間降溫保證電氣設(shè)備的正常運行，渤海海域海洋平臺慣常做法是采用分體空調(diào)引室外新風(fēng)的方式實現(xiàn)制冷，夏季工況通過關(guān)閉調(diào)節(jié)風(fēng)閘關(guān)閉室外新風(fēng)口，通過室內(nèi)機(jī)組循環(huán)風(fēng)機(jī)送風(fēng)口及回風(fēng)口實現(xiàn)制冷空氣室內(nèi)循環(huán)，如圖1所示，冬季工況開啟新風(fēng)口，關(guān)斷回風(fēng)口風(fēng)閘，通過室內(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，通常會對電氣設(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)境溫度手動調(diào)節(jié)分體空調(diào)新風(fēng)口調(diào)節(jié)風(fēng)閘的開度，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

借鑒某國外海洋平臺設(shè)計方案，發(fā)現(xiàn)部分廠家可以生產(chǎn)實現(xiàn)低溫工況下進(jìn)行制冷的集中空調(diào)機(jī)組，且在國外某海洋平臺項目上有成功應(yīng)用的業(yè)績，能夠滿足蓬萊19－9詳細(xì)設(shè)計項目最低環(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)組流程簡圖

以下從幾個典型方面列舉該方案的特點。

3.1 總體布置靈活性

冷水機(jī)組與空調(diào)器相對位置不受限制，平臺總體布置靈活。蓬萊19－9項目將空調(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，無需操作維護(hù)人員手動調(diào)節(jié)，僅需通過集中控制盤集中控制，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方面的優(yōu)劣，表1列出了詳細(xì)對比。

表1 方案技術(shù)性比選

5 結(jié)束語

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

本文針對渤海海域海洋平臺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)行了對比，渤海海域蓬萊19－9詳細(xì)設(shè)計項目中，首次應(yīng)用低溫制冷型集中空調(diào)機(jī)組對電氣房間冬季工況制冷，該設(shè)備已投

［1］國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會編.海洋固定平臺安全規(guī)則［C］.2000.

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