寒冷地區(qū)大散熱量房間冬季制冷方案

　　摘 要 海洋石油平臺(tái)上存在一部分散熱量很大的電氣房間,在冬季工況下仍需要對(duì)這些房間進(jìn)行降溫處理。為了解決寒冷地區(qū)大散熱量房間冬季制冷問題,提出3種設(shè)計(jì)方案:壓縮冷凝機(jī)組方案、乙二醇-制冷劑雙系統(tǒng)方案、全新風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)方案,并對(duì)各方案進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。研究結(jié)果表明,在寒冷地區(qū)冬季工況下,對(duì)大散熱量電氣房間采用全新風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)比較合適。

　　關(guān)鍵詞 制冷;寒冷地區(qū);海洋石油平臺(tái);電氣房間;大散熱量

　　傳統(tǒng)空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行工況為夏季制冷、冬季制熱,但在海洋石油平臺(tái)上,一些電氣房間設(shè)備散熱量較大,即使在冬季低溫度條件下,仍需要制冷處理。若在環(huán)境溫度低于0 ℃的情況下還需要對(duì)房間進(jìn)行制冷,通常的做法是采取分體式空調(diào)加冬季通新風(fēng)的模式,新風(fēng)管道直接與空調(diào)室內(nèi)機(jī)本體相連,在管道和室內(nèi)機(jī)回風(fēng)口上設(shè)置調(diào)節(jié)閥門。冬季工況,關(guān)閉室外機(jī),打開新風(fēng)口調(diào)節(jié)閥門,關(guān)閉室內(nèi)機(jī)回風(fēng)口閥門,只運(yùn)行室內(nèi)機(jī),通過室內(nèi)機(jī)風(fēng)機(jī)將室外新風(fēng)送入房間降溫,被加熱的空氣通過排風(fēng)口排至室外。

　　此方案比較簡(jiǎn)單,但是存在以下問題:

　　1)新風(fēng)量不能根據(jù)房間溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),造成房間溫度變化較大;2)新風(fēng)缺少過濾處理,造成冬季大量含鹽霧空氣進(jìn)入房間,容易造成設(shè)備的腐蝕;3)采用分體式空調(diào),設(shè)備臺(tái)數(shù)過多,操作維修工作量加大。為了解決渤海某石油平臺(tái)上大散熱量電氣房間冬季制冷問題,同時(shí)規(guī)避以往設(shè)計(jì)中存在的問題,筆者提出壓縮冷凝機(jī)組方案、乙二醇-制冷劑雙系統(tǒng)方案和全新風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)方案,并對(duì)3種方案進(jìn)行多維度分析,最終確定合理的空調(diào)方案。研究結(jié)果可為后續(xù)類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。

　　1 項(xiàng)目概況

　　渤海某石油平臺(tái)全年環(huán)境溫度范圍為-16~33 ℃,該平臺(tái)一電氣房間布置如圖1所示,房間尺寸為30m×20m×5 m(長(zhǎng)×寬×高),房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)外加巖棉保溫,電氣設(shè)備散熱量為338kW,房間冬、夏季設(shè)計(jì)溫度均為26 ℃。該房間熱負(fù)荷包括電氣設(shè)備散熱量、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量、照 明 散 熱 量、維 持 房 間 正 壓 的 新 風(fēng) 熱量、風(fēng)機(jī)散熱量、送/回風(fēng)溫升熱量以及人體發(fā)熱量。通過計(jì)算得到,室外溫度為33 ℃時(shí),熱負(fù)荷為430kW;室外溫度為0℃時(shí),熱負(fù)荷為353kW;室外溫度為-16 ℃時(shí),熱負(fù)荷約為335kW。

　　2 三種冬季制冷方案

　　2.1 方案一:

　　壓縮冷凝機(jī)組方案夏季工況熱負(fù)荷約430kW。按照產(chǎn)品樣本,壓縮機(jī) 最 大 電 功 率 約 115kW,冷 凝 器 負(fù) 荷 為545kW,進(jìn)風(fēng)溫度t1 為33 ℃,取空氣進(jìn)出口溫差15℃,則出風(fēng)溫度t2 為48℃,所需風(fēng)量為320.5m3/s,機(jī)組配置6臺(tái)冷凝器風(fēng)機(jī),每臺(tái)風(fēng)量約5.34m3/s,風(fēng)機(jī)電機(jī)功率為4kW。由于冬季工況下環(huán)境溫度較低,如仍按照夏季工況運(yùn)行冷凝器風(fēng)機(jī),制冷劑經(jīng)過冷凝器后冷凝壓力會(huì)大幅下降,造成冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之間的差值減小,影響膨脹閥的正常工作,導(dǎo)致蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量減小,系統(tǒng)頻繁低壓報(bào)警,造成故障停機(jī)。壓縮冷凝機(jī)組方案根據(jù)冷凝壓力的變化控制冷凝器風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而保證冷凝壓力維持在一個(gè)相對(duì) 穩(wěn) 定 的 范 圍,保 證 壓 縮 機(jī) 組 冬 季 正 常 運(yùn)行[1]。機(jī)組 采 用 螺 桿 式 壓 縮 機(jī),輸 氣 量 可 以 在10%~100% 范 圍 內(nèi) 連 續(xù) 調(diào) 節(jié),功 率 與 輸 氣 量 在50%以上負(fù)荷運(yùn)行時(shí)成正比例關(guān)系[2]。

　　冷凝器風(fēng)機(jī)中的 M1 為變頻風(fēng)機(jī),其余風(fēng)機(jī)均為定速風(fēng)機(jī)。夏季工況時(shí),所有冷凝器風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行;在過渡季節(jié)及冬季,當(dāng)環(huán)境溫度逐漸降低時(shí),變頻風(fēng)機(jī) M1 根據(jù)冷凝器出口壓力的變化開啟變頻模式,風(fēng)量隨冷凝壓力的降低逐漸減小,當(dāng)變頻風(fēng)機(jī) M1 的風(fēng)量降低到最小值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行1臺(tái)定速風(fēng)機(jī),同時(shí)變頻風(fēng)機(jī)又回到滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)環(huán)境溫度繼續(xù)降低時(shí),變頻風(fēng)機(jī)根據(jù)環(huán)境溫度的降低風(fēng)量逐漸減小,直至變頻風(fēng)機(jī)風(fēng)量為最小值,然后繼續(xù)停止1臺(tái)定速風(fēng)機(jī),從而保 證 冷 凝 壓 力 的 穩(wěn) 定,維 持 系 統(tǒng) 正 常 運(yùn)行。此方案中壓縮機(jī)功率在過渡季節(jié)及冬季近似為夏季功率(115kW)的75.3%~93.4%。冬季室外溫度為-16 ℃時(shí),維持4臺(tái)冷凝器風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行即可保證機(jī)組正常運(yùn)行,室外溫 度 為 15 ℃時(shí),5臺(tái)冷凝器風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行即可。

　　本方案系統(tǒng)冬季工況所用的設(shè)備、風(fēng)管系統(tǒng)都與夏季工況一致,區(qū)別在于壓縮冷凝機(jī)組自身新增一路控制系統(tǒng),在過渡季節(jié)及冬季工況下機(jī)組可以根據(jù)環(huán)境溫度自行調(diào)節(jié)冷凝壓力,保證正常運(yùn)行,減少了現(xiàn)場(chǎng)工作量。該方案中,壓縮機(jī)及部分冷凝器風(fēng)機(jī)需要全年持續(xù)運(yùn)行。

　　2.2 方案二:

　　乙二醇-制冷劑雙系統(tǒng)方案乙二醇-制冷劑雙系統(tǒng)方案(見圖3)是在制冷劑制冷系統(tǒng)中并入一路乙二醇溶液系統(tǒng),夏季工況時(shí),關(guān)閉乙二醇溶液系統(tǒng),此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行方式為常規(guī)的空調(diào)制冷模式。過渡季節(jié)及冬季時(shí),關(guān)閉制冷劑制冷系統(tǒng),啟用乙二醇溶液系統(tǒng),通過電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)通過乙二醇溶液冷卻器的溶液流量,確保進(jìn)入空氣處理單元的乙二醇溶液溫度穩(wěn)定,從而帶走房間熱量。本方案系統(tǒng)增加了水泵、膨脹水箱、電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥、乙二醇溶液換熱器等部件。

　　2.3 方案三:

　　全新風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)方案在過渡季節(jié)及冬季,將壓縮冷凝機(jī)組關(guān)閉,此時(shí)僅需要空氣處理單元工作,將空氣處理單元的回風(fēng)管路的調(diào)節(jié)風(fēng)閥關(guān)閉,新風(fēng)經(jīng)過濾后,通過原有的送風(fēng)管路送入房間,即可給電氣房間降溫,吸收熱量的空氣直接通過風(fēng)口排出室外。由于冬季相對(duì)濕度較低,且電氣房間僅有設(shè)備顯熱,故不需要考慮新風(fēng)結(jié)露的問題。

　　為了使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單,提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性,過渡季節(jié)及冬季采用定靜壓變風(fēng)量系統(tǒng)。本項(xiàng)目中,空調(diào)系統(tǒng)僅為該一個(gè)電氣房間服務(wù),電氣設(shè)備在房間均布,故根據(jù)房間面積均布20個(gè)末端送風(fēng)裝 置,每 個(gè) 末 端 裝 置 的 設(shè) 計(jì) 風(fēng) 量 (夏 季 工況)約5000m3/h,過渡季節(jié)及冬季的風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍為900~4300m3/h,送風(fēng)主管長(zhǎng)度約30m,定壓點(diǎn)設(shè)置在約20m 位置[3],定靜壓點(diǎn)壓力根據(jù)設(shè)計(jì)的管路阻力計(jì)算值為400Pa。由于該房間為平時(shí)無人值守房間,在過渡季節(jié)及冬季,隨著環(huán)境溫度的降低,送風(fēng)溫度的變化將導(dǎo)致房間溫度的變化,故設(shè)計(jì)將末端送風(fēng)裝置調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行器與房間溫度聯(lián)動(dòng)。

　　房間溫度相較于壓力具有延遲性、不均勻性,在房間的5個(gè)位置設(shè)置溫度取樣點(diǎn),取5個(gè)點(diǎn)溫度的平均值然后與設(shè)計(jì)溫度26 ℃比較,建立房間溫度與設(shè)計(jì)溫度的溫度差與風(fēng)閥執(zhí)行器的動(dòng)作關(guān)系。設(shè)計(jì)末端送風(fēng)裝置風(fēng)閥的實(shí)際開度的最大值在75%~95%[4]。風(fēng)閥開度變化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)管中靜壓變化,由靜壓控制器將壓力信號(hào)反饋到風(fēng)機(jī)變頻器,從而改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,進(jìn)而改變壓頭和流量[4-8]。本方案系統(tǒng)不需要增加額外的設(shè)備,過渡季節(jié)及冬季工況下壓縮冷凝機(jī)組停止運(yùn)行,僅運(yùn)行空氣處理單元的風(fēng)機(jī)。但是在系統(tǒng)運(yùn)行初期,系統(tǒng)實(shí)際定靜壓值需要在系統(tǒng)初調(diào)試階段根據(jù)已建成系統(tǒng)反復(fù)測(cè)試,以確定最理想的定靜壓值。另外,由于全新風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)量較大,需要在房間墻壁上設(shè)置大面積排風(fēng)口。

　　3 三種方案對(duì)比分析

　　主要從以下幾個(gè)方面對(duì)3種方案進(jìn)行對(duì)比分析:

　　1)初投資方面。初投資主要包括機(jī)組設(shè)備以及風(fēng)道管路系統(tǒng),設(shè)備投資依據(jù)3種方案的設(shè)備配置結(jié)合以往項(xiàng)目設(shè)備價(jià)格及咨詢相關(guān)設(shè)備廠商得到,風(fēng)道管路系統(tǒng)根據(jù)房間風(fēng)管布置用料情況進(jìn)行估算,3種方案初投資分別為740 萬元、490 萬元和470 萬元。

　　2)耗電量方面。考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱相比電氣盤柜散熱較小,認(rèn)為方案一中機(jī)組需要全年滿負(fù)荷運(yùn)行;方案二和方案三結(jié)合該項(xiàng)目所在區(qū)域的環(huán)境參數(shù),機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間約7個(gè)月,其余時(shí)間停止運(yùn)行,空氣處理單元風(fēng)機(jī)全年運(yùn)行;方案二的冷凝器風(fēng)機(jī)由于需要配合機(jī)組以及乙二醇換熱器使用,故需要全年運(yùn)行。本項(xiàng)目機(jī)組為海洋石油平臺(tái)電氣房間配套設(shè)施,機(jī)組用電為平臺(tái)發(fā)電機(jī)自發(fā)電,故以用電負(fù)荷作為費(fèi)用指標(biāo),見表3。

　　3)運(yùn)行維護(hù)方面。方案一系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單,運(yùn)行維護(hù)方便,設(shè)備數(shù)量少,系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境溫度自行調(diào)節(jié);方案二設(shè)備數(shù)量多,維修工作量大,定期需要補(bǔ)充乙二醇溶液,系統(tǒng)存在泄漏和腐蝕問題;方案三系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量少,除第一次設(shè)置定靜壓點(diǎn)工作較復(fù)雜,其余維護(hù)工作較少。

　　4)控制系統(tǒng)方面。方案一控制系統(tǒng)要求 較高,一般廠家無法做到準(zhǔn)確控制;方案二控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單,但是盤管長(zhǎng)期接觸乙二醇溶液容易被腐蝕,導(dǎo)致故障率增加;方案三控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成熟。

　　5)系統(tǒng)可靠性方面。方案一須采用特定廠商設(shè)備,方能確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行;方案二乙二醇溶液溫度受環(huán)境影響較大,在過渡季節(jié)可能因?yàn)榄h(huán)境溫度相對(duì)較高,導(dǎo)致冷量不夠;方案三調(diào)試階段設(shè)定好靜壓點(diǎn)后,系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

　　4 結(jié)論

　　筆者以渤海某石油平臺(tái)為例,對(duì)散熱量大的電氣房間給出3種冬季制冷方案,并給出理論計(jì)算與分析,得出結(jié)論如下:1)方案一:壓縮冷凝機(jī)組方案,系統(tǒng)全年用電負(fù)荷最大,設(shè)備初投資最高,對(duì)設(shè)備生產(chǎn)廠家能力要求比較高。2)方案二:乙二醇-制冷劑雙系統(tǒng)方案在3個(gè)方案中最復(fù)雜,設(shè)備較多,維修工作量最大,系統(tǒng)可靠性相對(duì)較低,初投資及全年耗電量介于方案一和方案三之間。3)方案三:全新風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)方案,系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單,在3個(gè)方案中設(shè)備初投資以及年耗電量最少,在確定適宜的靜壓值后,系統(tǒng)可靠性高。綜上,方案三全新風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)為最佳方案。

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　　作者：陳自剛 魏占彪 牛衛(wèi)民 高建虎 張勇青

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