朱 鴻，滕 威

● （1．海軍駐滬東中華造船（集團）有限公司軍事代表室，上海 200129；2．中海油綏中36-1油田，天津 300461）

海上石油平臺空調(diào)設(shè)備的可靠性設(shè)計

朱 鴻1，滕 威2

● （1．海軍駐滬東中華造船（集團）有限公司軍事代表室，上海 200129；2．中海油綏中36-1油田，天津 300461）

通過對目前海上石油平臺空調(diào)可靠性設(shè)計方法的分析，結(jié)合在船用空調(diào)可靠性設(shè)計方面的經(jīng)驗，提出了進一步完善海上石油平臺空調(diào)可靠性設(shè)計的措施。

海上石油平臺；空調(diào)；可靠性

0 引言

海上石油平臺大多遠離陸基，設(shè)備的故障由于人員往來的不便，往往不能及時處理，因此海上石油平臺設(shè)備的可靠性比一般船舶設(shè)備的要求更高。近年來，我國經(jīng)濟高速發(fā)展，對油氣資源的迫切需求迎來了海上石油平臺建造的高峰。作為提供石油平臺舒適工作和生活環(huán)境的主要設(shè)備——空調(diào)，在經(jīng)歷了從完全依賴進口到國內(nèi)自主完成設(shè)備配套的過程以后，空調(diào)設(shè)備的可靠性和維修性越來越受到各方的關(guān)注。無論是業(yè)主、平臺的設(shè)計公司，還是空調(diào)設(shè)備的供貨商都依據(jù)各自的理解，對提高設(shè)備的可靠性提出了不同的設(shè)想和措施。本文就此進行分析、比較，并結(jié)合船用空調(diào)的可靠性設(shè)計經(jīng)驗，就完善海上石油平臺空調(diào)的可靠性設(shè)計措施提出了建議。

1 主要空調(diào)型式及可靠性框圖

目前，海上石油平臺空調(diào)設(shè)備有相當(dāng)一部分以直接蒸發(fā)式中央空調(diào)裝置和直接蒸發(fā)式單元式空調(diào)裝置為主[1]。它們均主要由一個包含制冷壓縮機、冷凝器和軸流冷卻風(fēng)機的氟利昂壓縮冷凝機組（ACCU）與一個主要包含氟利昂膨脹閥、氟利昂蒸發(fā)器和離心循環(huán)風(fēng)機的空氣處理機組（AHU）組成，當(dāng)然包括管系和電氣控制，按文獻[2]有關(guān)可靠性設(shè)計要求，建立其可靠性框圖見圖1。

圖1 空調(diào)設(shè)備可靠性框圖

它們以串聯(lián)形式進行工作，其可靠度Rs(t)為各單元可靠度的乘積，即：

作為一種串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠度小于可靠性最差單元的可靠度，即整機的可靠度比所有組成部件中可靠度最差的還要小。

設(shè)備的失效率λs(t)為各單元失效率之和，即：

由于設(shè)備的工作原理決定了它是個串聯(lián)系統(tǒng)，提高整機可靠度的方法只能是提高其中部件的可靠性，而且提高可靠度最差部件的可靠性是最經(jīng)濟的辦法。

2 可靠性設(shè)計方法

按文獻[3]，目前主要的可靠性設(shè)計方法有十三種，作者對這十三種方法分析認為，同石油平臺空調(diào)設(shè)備的可靠性緊密相關(guān)的設(shè)計方法主要有四種，即1）元器件的選用；2）降額設(shè)計；3）冗余設(shè)計；4）耐環(huán)境設(shè)計等。

1）元器件的選用

設(shè)備中制冷壓縮機、冷卻風(fēng)機（包括軸流葉輪和電機）、氟利昂膨脹閥、離心通風(fēng)機（包括葉輪和電機）和電氣控制箱中的元器件均為選用件。保證這些部件具有較高的可靠性，主要是其品牌和使用經(jīng)驗。

品牌說明了產(chǎn)品的質(zhì)量，但沒有比較深刻地了解其特性，也就是積累一定的使用經(jīng)驗，準確地進行選型，也會影響使用，從而降低整機的可靠性。

2）降額設(shè)計

在空調(diào)設(shè)備中可應(yīng)用降額設(shè)計的主要是冷卻用的軸流風(fēng)機電機和用于循環(huán)送風(fēng)的離心通風(fēng)機電機。

由于風(fēng)冷氟利昂冷凝器隨著使用時間的增長，冷凝器表面積塵等因素的影響，風(fēng)阻會有所增加，軸流風(fēng)機電機的耗功和電流也會增加，在電機選型時應(yīng)采用降額設(shè)計的方法，考慮適當(dāng)?shù)碾姍C功率余量。

而循環(huán)送風(fēng)的離心通風(fēng)機風(fēng)壓的選型，由于空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道的阻力計算和空調(diào)設(shè)備內(nèi)部風(fēng)阻力的損耗計算的偏差，一般不可能很匹配，往往為了保險，風(fēng)機的全壓選得過大，如果系統(tǒng)風(fēng)道未能有效地進行調(diào)試，風(fēng)機一般都會在超過額定風(fēng)量情況下長期運行，如果電機功率余量小，也就會處于一定的過載狀態(tài)，影響長期使用的可靠性。所以也應(yīng)該采用適當(dāng)?shù)慕殿~設(shè)計。

3）冗余設(shè)計

冗余設(shè)計又稱為貯備設(shè)計，作為空調(diào)系統(tǒng)來說，整機備用是一種冗余設(shè)計；而對于一臺機組來說，制冷系統(tǒng)備用或循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)備用也是一種冗余設(shè)計；而通過對某一部件的備用提高單元的可靠度，也是一種冗余設(shè)計；所以空調(diào)設(shè)備可靠性設(shè)計重點要考慮的是產(chǎn)品復(fù)雜度和成本盡可能低的條件下的冗余設(shè)計方法，當(dāng)然還要顧及設(shè)備安裝空間的限制。

4）耐環(huán)境設(shè)計

海上石油平臺均處于高濕、高鹽霧環(huán)境，而且壓縮冷凝機組一般都是露天安裝，這意味著有雨淋甚至還有海浪的飛濺；這些有別于通常的環(huán)境必須予以充分的重視。因此，為了提高海上石油平臺用空調(diào)設(shè)備的可靠性應(yīng)當(dāng)進行耐環(huán)境設(shè)計。特別是風(fēng)冷冷凝器的翅片材料、電氣控制箱及獨立安裝的控制元件的防護等級要充分考慮環(huán)境的影響。必要的話，不得采用風(fēng)冷型式。

3 目前平臺空調(diào)的可靠性設(shè)計措施及分析

從海上石油平臺總體設(shè)計角度看，設(shè)計公司已考慮了提高中央空調(diào)的可靠性措施，如一用一備，惠州平臺和春曉平臺中央空調(diào)即是這樣的形式；還有兩用一備，南堡平臺采用了這樣的方式；而樂東平臺實際上采用的是多種備用形式，它有兩個空調(diào)區(qū)域，采用了兩個AHU，每個AHU針對一個空調(diào)區(qū)域，而每個 AHU（空氣處理裝置）中有三組氟利昂蒸發(fā)器，相互獨立；另采用了三個ACCU（空冷壓縮冷凝裝置），每個ACCU可以與兩個蒸發(fā)器匹配，分別是兩個AHU中的各一個。即在空調(diào)全負荷時制冷系統(tǒng)為兩用一備，空調(diào)部分負荷時為一用兩備，同時在部分負荷時只開一臺ACCU，降低了運行功耗。

當(dāng)然，需方和設(shè)備供貨方根據(jù)各自的經(jīng)驗還會明確一些諸如主要部件選用要求，材料和防護等級等耐環(huán)境方面的設(shè)計要求。

以上即是目前海上石油平臺空調(diào)設(shè)備可靠性設(shè)計中的措施。從中可以看出，可靠性設(shè)計方面在元器件的選用、降額設(shè)計和耐環(huán)境設(shè)計等方面均是一致的，僅在冗余設(shè)計方面是不同的，而且主要是以系統(tǒng)方面的冗余設(shè)計為主。

1）一用一備。這是一個冷貯備形式。它不是設(shè)備內(nèi)部單元的貯備，而是通過系統(tǒng)的冗余設(shè)計，即這個空調(diào)系統(tǒng)已成為一個并聯(lián)系統(tǒng)，來達到提高空調(diào)系統(tǒng)可靠性的方法。這是一個最簡單的冗余設(shè)計，經(jīng)濟成本最高，設(shè)備所占空間、重量最大。

2）兩用一備。其冗余設(shè)計性質(zhì)同一用一備，若兩用是針對同一個空調(diào)區(qū)域，空調(diào)系統(tǒng)的可靠度比一用一備要高，若兩用是針對不同的兩個空調(diào)區(qū)域，則空調(diào)系統(tǒng)的可靠度比一用一備要低，但空調(diào)系統(tǒng)的總體經(jīng)濟成本比一用一備要低。

3）多種備用方式。它是一個通過設(shè)備的組合，達到制冷系統(tǒng)的冗余設(shè)計的目的。同上述兩個空調(diào)系統(tǒng)冗余設(shè)計方法相比，省卻了通風(fēng)機的備用，因為一般來說，通風(fēng)機的可靠度在空調(diào)設(shè)備單元中不是最低的。

按經(jīng)驗，空調(diào)設(shè)備50%以上負荷運行，一般約占了全年運行時間的45%，其它負荷狀態(tài)則約占了55%的時間。樂東油田空調(diào)設(shè)備的配置在 50%空調(diào)負荷以下運行時制冷系統(tǒng)為一用兩備，在50%空調(diào)負荷以上運行時為兩用一備。所以這種方式的可靠度根據(jù)其負荷不同，運行方式隨之改變而有所不同。由于本方法的貯備形式從大系統(tǒng)（空調(diào)系統(tǒng)）降為小系統(tǒng)（制冷系統(tǒng)），經(jīng)濟性得到了提高。

從上所述可以看出，目前在海上石油平臺空調(diào)的可靠性冗余設(shè)計中，主要考慮以系統(tǒng)為主，包括制冷系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)。它的優(yōu)點是可靠度高，但經(jīng)濟性差，設(shè)備所占空間、重量大。

4 船用空調(diào)的可靠性設(shè)計措施

在一般船用空調(diào)設(shè)計中，可靠性設(shè)計方法與海上石油平臺空調(diào)的設(shè)計方法是一致的，僅在具體措施上有所不同?？紤]到船舶空間有限，并且重量限制，在冗余設(shè)計方面很少采用系統(tǒng)備用，主要是以制冷系統(tǒng)中某個單元貯備為主，按串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性法則，提高可靠度最差部件的可靠性設(shè)計是最為經(jīng)濟的辦法。如考慮制冷系統(tǒng)中的運動部件僅制冷壓縮機，相對可靠度較低，采用貯備方式并聯(lián)一臺備用。熱力膨脹閥因系統(tǒng)不清潔等原因造成容易卡死或感溫包容易受損造成無法工作，采用并聯(lián)手動膨脹閥的冗余設(shè)計方法提高可靠度。隨著制造技術(shù)水平的提高，熱力膨脹閥的質(zhì)量已有很大的提高，在空調(diào)設(shè)備中熱力膨脹閥已較少備用。這種通過提高系統(tǒng)中可靠性最差的單元的可靠度來提高設(shè)備的可靠度的方法已證明是行之有效的。但由于空間的原因，很少考慮水冷冷凝器備用，而海水對冷凝器的腐蝕一直是一個經(jīng)常困擾我們的問題。連接各單元的制冷管系本身實際上也是一個可靠度較低的單元，這是因為考慮到船上設(shè)備的維修性，一般在制冷系統(tǒng)中設(shè)置了較多的閥門，造成管系也是制冷劑泄漏的重要所在。

所以，與目前的平臺空調(diào)的可靠性相比較，船用空調(diào)的可靠性相對較低，但其經(jīng)濟性相對要高許多。

5 提高平臺空調(diào)可靠性冗余設(shè)計綜合效能的建議

根據(jù)平臺空間環(huán)境特點，綜合考慮性價比，應(yīng)是可靠性設(shè)計中冗余設(shè)計的一個原則。根據(jù)這個原則，提高平臺空調(diào)可靠性冗余設(shè)計的綜合效能建議如下：

1）制冷系統(tǒng)多用一備是一個優(yōu)選的方法，并在正常使用中應(yīng)考慮制冷系統(tǒng)輪換運行，避免長期冷貯備。備用的方式推薦以ACCU備用的方式；

2）在提高制冷系統(tǒng)管系的氣密性能基礎(chǔ)上，僅采用制冷壓縮機備用的方法，也是可取的，特別是在設(shè)備安裝空間局促的場合。經(jīng)濟性相對最好；

3）AHU備用是不必要的，如果風(fēng)機與電機是皮帶傳動，建議備用皮帶即可。

6 結(jié)論

為保證海上石油平臺空調(diào)的可靠性，總體設(shè)計單位既要考慮設(shè)備的安裝空間、空調(diào)系統(tǒng)的劃分，從系統(tǒng)的角度進行可靠性設(shè)計，但還要考慮經(jīng)濟性。設(shè)備供貨商應(yīng)從實際情況出發(fā)，綜合考慮元器件的質(zhì)量、制造工藝水平和以往產(chǎn)品實際應(yīng)用情況，開展設(shè)備的可靠性設(shè)計；只有通過系統(tǒng)和設(shè)備可靠性設(shè)計的兩個方面充分溝通和協(xié)調(diào)，海上石油平臺空調(diào)的可靠性才能又好又省地得到落實。

[1]林輝.海上石油平臺空調(diào)設(shè)備設(shè)計要點[C]//上海造船學(xué)會2006年年會論文集, 2006.

[2]GJB450A-2004.裝備可靠性工作通用要求[S].

[3]黎放, 王志國等.艦船可靠性管理工程[M].國防工業(yè)出版社, 1997,5.

長征重工鐵路產(chǎn)品出口印度

日前，重慶長征重工有限責(zé)任公司成功與印度客商簽訂了100輛謝菲爾MKVII轉(zhuǎn)向架訂單，訂單總金額2000余萬元。在2012年6月南非車展上，印度客商對長征重工展出的謝菲爾轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生了濃厚的興趣。隨后，印度客商曾數(shù)次前往該公司溝通洽談，考察轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)情況，并最終達成合作協(xié)議。今年初，長征重工與印度客商成功簽訂轉(zhuǎn)向架訂單，并在春節(jié)期間啟動了謝菲爾轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)。按合同要求，6月20日前須完成100輛謝菲爾轉(zhuǎn)向架發(fā)貨。此次是長征重工與印度客商的首次合作，隨著客戶業(yè)務(wù)的擴大，以后雙方還將進行更深入的合作，必將進一步推動長征重工地鐵轉(zhuǎn)向架、鐵路整車等鐵路產(chǎn)品在海外市場的推廣。

The Reliability Design of the Air Conditioner for Seashore Oil Plates

ZHU Hong1, TENG Wei2
(1.Naval Military Representative Office in Hudong Zhonghua Shipbuilding(Group) Co.,Ltd., Shanghai 200129; 2.Oil Field SuiZhong 36-1 of China National Offshore Oil Corporation, Tianjin 300461, China)

Measures are proposed to improve the reliability design of AC equipments installed on the offshore oil platforms by combining the analysis of various methods applied in designing AC equipments on offshore oil platforms with the practical experiences.

offshore oil platform; air conditioning; reliability

U664.5

A

朱鴻（1968-），男，碩士。研究方向：船舶動力。