沙特阿美油氣站場變電所工程的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李洪濤 李勝利 宋永勝 田濤 李軍 郝慶

1中國石油天然氣管道工程有限公司

2中油管道物資裝備總公司

沙特阿拉伯國家石油公司（Saudi Aramco，簡稱“沙特阿美”）是世界最大石油生產(chǎn)商、原油出口商和第六大石油煉制商，是我國“一帶一路”沿線重要合作伙伴。沙特阿美匯集50余年設(shè)計(jì)生產(chǎn)及運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，形成獨(dú)有且龐大的設(shè)計(jì)規(guī)范與工作體系，應(yīng)用于公司所有工程。國際油氣領(lǐng)域公認(rèn)沙特阿美企標(biāo)是世界最嚴(yán)苛規(guī)范，因此企標(biāo)滿足了阿美公司要求，就具備兼容全球的能力，有助于開拓高端油氣市場[1-4]。

變電所是油氣站場重要組成部分，它既是下級電網(wǎng)電源點(diǎn)，也是上級電網(wǎng)負(fù)荷點(diǎn)。作為電力系統(tǒng)樞紐，變電所將輸電線路上較高電壓降到滿足設(shè)備需要的等級，對油氣線路與站場配套電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著舉足輕重的作用[5-9]。

阿美工程中變電所內(nèi)部包含電氣設(shè)備室、控制室、通信室、蓄電池室、GIS室（氣體絕緣室）、SEC室（沙特國家電力公司值班室），以及專門放置空調(diào)設(shè)備的機(jī)械室、CCU（Closed Control Unit，精密空調(diào)）室。本文結(jié)合某工程實(shí)例，針對阿美油氣站場變電所空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自動化設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算等方面進(jìn)行介紹。

表1 相關(guān)規(guī)范Tab.1 Relevant standards

1 規(guī)范

沙特阿美初期由美國雪佛龍、?？松?美孚、德士古公司聯(lián)合創(chuàng)建并運(yùn)營，1962年由沙特政府收為國有后發(fā)展至今，其空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)規(guī)范見表1。

阿美規(guī)范在每頁頁眉處包含兩條信息，一是規(guī)范起始日期，二是下一輪升版日期。升版周期約3～5年，不同規(guī)范起始日期以及下次升版日期不同，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意時效性。

部分項(xiàng)目在主合同中有規(guī)范截止日期的相關(guān)規(guī)定，例如，將2018年2月1日定為截止日期，該日期之后即使有規(guī)范升版，本項(xiàng)目不再應(yīng)用；如果沒有提前說明，需要根據(jù)執(zhí)行周期對已經(jīng)或?qū)砜赡苓^期的規(guī)范提前做好記錄，避免引起設(shè)計(jì)事故。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對于阿美工程，根據(jù)SAES-T-916中4.3.6.4節(jié)要求，通信室空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)單獨(dú)設(shè)置。所以變電所空調(diào)系統(tǒng)分為兩部分，一部分是除通信室外整個單體使用中央空調(diào)AHU&ACCU系統(tǒng)。AHU（Air Handling Unit）屬于室內(nèi)機(jī)，放置在機(jī)械室，包含過濾段、加熱段、膨脹段和送風(fēng)機(jī)組，加濕器可置于AHU內(nèi)部或獨(dú)立設(shè)置；ACCU（Air Condensing Cooling Unit）是室外機(jī)。另一部分，通信室根據(jù)SAES-K-003規(guī)范6.5.2節(jié)中規(guī)定，須使用精密型空調(diào)。阿美工程常用空調(diào)形式為CCU&ACCU，其中CCU為室內(nèi)機(jī)。沙特全境氣象參數(shù)可參考SAESA-112，室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)SAES-K-001，見表2。

表2 變電所室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameters inside substation

2.1 中央空調(diào)系統(tǒng)（不含通信室）

阿美要求新風(fēng)獲取須使用新風(fēng)立管（圖1立面），不能通過門窗縫隙或墻面百葉直接獲取。根據(jù)SAES-K-002規(guī)范5.1.2節(jié)中規(guī)定，新風(fēng)立管高度至少7.5 m，并高于周圍建筑，立管內(nèi)部設(shè)置防沙百葉、濾網(wǎng)、防鳥網(wǎng)、壓差計(jì)量器，頂部安裝氣體檢測探頭。探頭通過儀表電纜連接控制中心的ESD（緊急停車系統(tǒng)）機(jī)柜。立管入戶風(fēng)道上設(shè)置電動風(fēng)閥并連鎖室內(nèi)過濾設(shè)備。新風(fēng)從立管頂部進(jìn)入，經(jīng)過氣體檢測與物理沉降后進(jìn)入機(jī)械室。

圖1 機(jī)械室布置Fig.1 Mechanical room layout

空調(diào)設(shè)備主要放置在機(jī)械室（圖1），包括AHU、加濕器、慣性過濾器、化學(xué)過濾器、配電柜與控制柜（Direct Digital Control，下稱DDC），配電柜與DDC同樣負(fù)責(zé)通信室空調(diào)系統(tǒng)CCU&ACCU的配電與控制。新風(fēng)送入機(jī)械室后，到達(dá)AHU之前先由慣性過濾器進(jìn)行物理過濾。慣性過濾器分為兩級過濾，采用ASHARE標(biāo)準(zhǔn)中的比色法作為測定與評價(jià)指標(biāo)，初過濾效率需達(dá)到25%，次過濾達(dá)到85%。過濾產(chǎn)生的廢棄沉降物（砂石、灰塵等）通過風(fēng)機(jī)吹至室外，新風(fēng)進(jìn)入下一級的化學(xué)過濾器，化學(xué)過濾器功能為除去易燃與有毒有害成分。根據(jù)SAES-K-002中針對化學(xué)過濾器的要求，可燃?xì)怏w組分爆炸下限百分比（LEL）的報(bào)警閾值為5%（體積分?jǐn)?shù)），動作閾值為10%，同時H2S濃度報(bào)警閾值為5×10-6，動作閾值為10×10-6。經(jīng)化學(xué)過濾后，如H2S濃度仍超過10×10-6，會連鎖關(guān)閉加壓單元與風(fēng)道閥門。

新風(fēng)經(jīng)加壓單元送入回風(fēng)靜壓箱與系統(tǒng)回風(fēng)匯合，經(jīng)AHU冷卻或加熱后進(jìn)入送風(fēng)風(fēng)道，再送至整個單體。過濾器濾網(wǎng)前后設(shè)置壓差感應(yīng)器，并與DDC連鎖，從而實(shí)時監(jiān)控過濾設(shè)備狀態(tài)。對于DDC布置，根據(jù)SAES-P-116規(guī)范7.2.2節(jié)中規(guī)定，DDC與其他設(shè)備正面保持最小1.5 m的距離，側(cè)面保持1 m距離。

主風(fēng)道與單體內(nèi)各房間設(shè)置溫度傳感器，將溫度信息實(shí)時上傳至DDC，接受實(shí)時監(jiān)測。主風(fēng)道設(shè)置濕度傳感器，并與DDC連鎖，用以啟停加濕器。冬季不同房間溫度要求差別較大，AHU制熱盤管負(fù)責(zé)維持單體基本溫度（16～18℃），蓄電池室、控制室、SEC室等對溫度標(biāo)準(zhǔn)要求較高的房間（22±2℃）入戶風(fēng)管處額外設(shè)置管道加熱器。加熱器與自帶的溫度計(jì)連鎖，溫度計(jì)位于相關(guān)房間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)加熱器的自動啟停與狀態(tài)控制，并受DDC監(jiān)測，保證房間溫度達(dá)到要求。

2.2 通信室空調(diào)系統(tǒng)

通信室單獨(dú)設(shè)置空調(diào)，且根據(jù)SAES-K-003規(guī)范6.5.2節(jié)中規(guī)定，使用機(jī)房精密空調(diào)，形式為CCU&ACCU。根據(jù)阿美規(guī)范，通信室內(nèi)不能放置除通信設(shè)備外的其他設(shè)備，并且不能出現(xiàn)給排水系統(tǒng)。因此在通信室隔壁設(shè)置CCU室，放置CCU，相關(guān)給排水管道與冷凝管也布置在CCU室。通信室與CCU室之間墻面開洞，設(shè)置送風(fēng)口與回風(fēng)口。根據(jù)SAES-K-003規(guī)范6.8節(jié)中要求，如通信室空調(diào)不含新風(fēng)設(shè)備，則需要單獨(dú)設(shè)置一套新風(fēng)系統(tǒng)向通信室送風(fēng)，使房間保持正壓（圖2）。

圖2 通信室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.2 AC system design in telecom room

2.3 外墻開洞

根據(jù)SAES-M-009規(guī)范8.3節(jié)中規(guī)定，對于風(fēng)道穿外墻的開洞應(yīng)采取抗爆措施。根據(jù)規(guī)范SAESM-009要求，洞口截面積大于1 000 cm2時，如爆炸峰值壓力大于0.07 MPa，應(yīng)在開洞位置設(shè)置抗爆閥，避免壓力傳至室內(nèi)；如壓力小于0.035 MPa，可在洞口位置設(shè)置爆炸衰減器。如果壓力介于二者之間，規(guī)范中沒有明確描述，通常做法也是設(shè)置抗爆閥，這也是國內(nèi)油氣站場中常用的壁式軸流風(fēng)機(jī)很少出現(xiàn)在沙特阿美工程的原因。如果外墻風(fēng)道洞口截面積小于1 000 cm2，可以不考慮抗爆措施[10]。SAES-K-003規(guī)范要求所有墻面開洞必須設(shè)置電動防火閥，與DDC連鎖，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開閉。

3 自控設(shè)計(jì)

中央空調(diào)及通風(fēng)自動化系統(tǒng)內(nèi)部由DDC采集溫度和濕度信號，監(jiān)控并啟停設(shè)備與電動閥門；外部由變電所等各單體的DDC將信號通過光纜傳至控制中心中總DDC；同時總DDC通過串口連接儀表控制柜（Process Automation System，下稱PAS）并上傳信號。PAS是整個站場的“大腦”，所有設(shè)備信號及狀態(tài)均需上傳至PAS?？照{(diào)通風(fēng)設(shè)備也要接受電力控制系統(tǒng)（Power System Automation，下稱PSA）監(jiān)控。自動化流程見圖3。

圖3 系統(tǒng)自動化流程Fig.3 Flow of system automation

3.1 通信

（1）光纖通信。變電所溫度和濕度、設(shè)備狀態(tài)等所有信號經(jīng)DDC采集后，上傳至控制中心總DDC，因信號數(shù)量巨大，采用光纖傳輸方式。對于相關(guān)供貨情況如光纜、跳線及信號接線板由暖通廠家還是通信廠家提供，需要在采辦過程中的技術(shù)澄清環(huán)節(jié)予以落實(shí)。

（2）硬線通信。SAES-L-003規(guī)范6.10節(jié)中規(guī)定，所有設(shè)備失效及報(bào)警信號均需上傳至位于沙特達(dá)曼市的網(wǎng)絡(luò)中心（Network Operation Control Center，下稱NOCC）進(jìn)行集中監(jiān)測與控制。SAES-L-003規(guī)范7.4.6規(guī)定，電池室氫氣濃度達(dá)到報(bào)警閾值后，空調(diào)設(shè)備切斷的同時相關(guān)報(bào)警信號也需遠(yuǎn)傳至NOCC。SAES-T-916規(guī)范4.3.8.3規(guī)定，通信室設(shè)置高溫探頭，相關(guān)報(bào)警信號上傳至NOCC。

綜上所述，鑒于硬線鋪設(shè)成本低且更穩(wěn)定，報(bào)警信號的上傳使用硬線（銅線），從總DDC或變電所DDC直接連接至站場通信中心的RTU設(shè)備，然后遠(yuǎn)傳至NOCC。

3.2 電力

PSA機(jī)柜根據(jù)需要，從系統(tǒng)采集必要信號，包括高溫報(bào)警信號、系統(tǒng)運(yùn)行與失效信號，從而對溫度、濕度和設(shè)備狀態(tài)起到監(jiān)視作用。根據(jù)SAES-P-103規(guī)范6.3.2節(jié)中規(guī)定，空調(diào)與風(fēng)機(jī)通過DDC連鎖UPS（不間斷電源）充電開關(guān)。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，DDC會直接作用UPS，切斷電池充電過程，避免產(chǎn)生氫氣。維護(hù)搶修方面，SAES-P-103規(guī)范中要求，在蓄電池室出口外側(cè)，必須設(shè)置聲光報(bào)警器。報(bào)警器與風(fēng)機(jī)連鎖，當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時由報(bào)警器通知工作人員盡快維修。

3.3 儀表

火災(zāi)發(fā)生時，儀表一路信號會從變電所FDAS（火災(zāi)探測系統(tǒng)）通過硬線直接傳輸至DDC，關(guān)閉設(shè)備。設(shè)置煙氣的低報(bào)警與高報(bào)警，可燃性氣體濃度達(dá)到臨界值時，通風(fēng)立管頂部可燃?xì)怏w探測器傳輸信號至控制中心ESD機(jī)柜，再通過硬線將信號傳輸至變電所DDC，從而在事故狀態(tài)下緊急切斷系統(tǒng)?？侱DC使用串口通信，連接PAS系統(tǒng)，實(shí)時上傳設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

需注意，SAES-J-902規(guī)范第14節(jié)中要求，根據(jù)儀表信號種類、電壓、電流不同，將相應(yīng)電纜分為三個等級，不同等級不能共用同一個橋架。

4 相關(guān)計(jì)算

根據(jù)阿美要求，除冷、熱負(fù)荷及空調(diào)送風(fēng)量計(jì)算使用指定軟件HAP（Hourly Analysis Program）外，新風(fēng)風(fēng)量和加濕器選型計(jì)算等都需要工程師手動完成，計(jì)算過程作為附件插入計(jì)算書。

4.1 新風(fēng)風(fēng)量

根據(jù)SAES-K-001規(guī)范4.4.11.2節(jié)中規(guī)定，新風(fēng)風(fēng)量計(jì)算方法分兩種，取其中較大值。

方法一：空調(diào)送風(fēng)總風(fēng)量的5%，與所有風(fēng)機(jī)排風(fēng)風(fēng)量之和，即根據(jù)HAP完成負(fù)荷計(jì)算，得出總風(fēng)量及各個房間風(fēng)量，結(jié)合排風(fēng)量求和，完成新風(fēng)總風(fēng)量計(jì)算。

方法二：參考ASHRAE 62.1中Table-2，取值并計(jì)算。

方法二計(jì)算涉及三部分，基于房間壓力、基于房間面積和基于工作人員數(shù)量，計(jì)算結(jié)果取較大值。

（1）基于房間壓力計(jì)算。計(jì)算帶壓（正壓或負(fù)壓）房間，通過門窗縫隙的空氣泄漏量為

式中：Ql為空氣泄漏量，ft3/min；C為系數(shù)，取值0.65； A為門窗縫隙面積，ft2；Δp為內(nèi)外壓差，in H2O，1in H2O=0.249 082 kPa； ρ是空氣密度，取值0.074 9 lbm/ft3，可根據(jù)需要進(jìn)行國際單位與英制單位轉(zhuǎn)換。

維持正壓需要空氣量

式中：Q為總新風(fēng)量，ft3/min；Qp為空氣風(fēng)量，ft3/min；Vt為空氣體積，ft3；Vr為房間體積，ft3；pt為總壓力，kPa； pa為大氣壓力，kPa； pr為房間壓力，kPa。

阿美工程認(rèn)為送風(fēng)時間為5 s即可使得房間達(dá)到并保持預(yù)定壓力。

（2）基于房屋面積計(jì)算。根據(jù)ASHRAE 62.1中Table-2對不同房間每平米新風(fēng)量的規(guī)定，結(jié)合房間面積，直接計(jì)算新風(fēng)量。

（3）基于工作人員數(shù)量計(jì)算。因變電所自動化程度較高，沒有常駐工作人員，不需考慮此部分。

4.2 加濕量計(jì)算

根據(jù)ASHRAE應(yīng)用手冊，依據(jù)加濕量計(jì)算結(jié)果對加濕器進(jìn)行選型。

式中： H為加濕量，kg/h； ρ為水密度，kg/m3；Q0為新風(fēng)風(fēng)量，L/s；Wi為室內(nèi)濕度比，W0為室外濕度比，kg（水）/kg（干空氣），Wi與W0根據(jù)焓濕圖與當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)確定，本工程Wi冬天取0.005 36，夏天取0.003 16， W0取0.009 73； S為室內(nèi)其他水汽來源，kg/h；L為其他水汽損失，kg/h。

對于變電所，S與L可以忽略不計(jì)，所以加濕量最終公式為

5 結(jié)論

根據(jù)阿美規(guī)范與設(shè)計(jì)理念，對阿美工程變電所大型中央空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，以提高系統(tǒng)先進(jìn)性與可靠性。

（1）優(yōu)化新風(fēng)處理系統(tǒng)，選擇新風(fēng)立管、慣性過濾器與化學(xué)過濾器，監(jiān)測新風(fēng)狀態(tài)，并進(jìn)行物理沉降與化學(xué)成分過濾。同時濾網(wǎng)前后設(shè)置壓差感應(yīng)元件，實(shí)時監(jiān)測過濾設(shè)備狀態(tài)。

（2）對變電所與其中的通信室進(jìn)行設(shè)備選型與相關(guān)設(shè)計(jì)。在抗爆建筑外墻開洞，并根據(jù)阿美要求采取必要的抗爆措施，這也是國內(nèi)工程常用的壁式風(fēng)機(jī)在阿美工程極少使用的原因。

（3）空調(diào)與風(fēng)機(jī)除互相連鎖外，還連鎖蓄電池強(qiáng)充裝置，保障蓄電池室安全。蓄電池室室外設(shè)置聲光報(bào)警器，提醒工作人員在故障發(fā)生的第一時間修理風(fēng)機(jī)。

（4）進(jìn)行自動化設(shè)計(jì)，實(shí)時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、電動閥門狀態(tài)及溫濕度信息；暖通作為主體專業(yè)，梳理與通信、儀表和電力專業(yè)間界面信息，包括戶外危險(xiǎn)氣體及戶內(nèi)火災(zāi)檢測裝置的連鎖，與控制中心總DDC、PAS系統(tǒng)以及NOCC間的通信。

（5）根據(jù)規(guī)范要求，完成符合阿美工程思路的新風(fēng)與加濕器選型計(jì)算。