變頻通風(fēng)技術(shù)在海洋平臺中的節(jié)能應(yīng)用

李偉，郝寶齊

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司,天津 300461)

摘要：分析機艙變頻通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機風(fēng)量與環(huán)境溫度、設(shè)備散熱條件的依存關(guān)系，明確機艙變頻通風(fēng)系統(tǒng)中采用溫度和壓力作為控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速的因果關(guān)系，理論分析采用變頻通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能效果，認為合理的通風(fēng)布置對于變頻通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)揮節(jié)能降耗作用具有重要作用，采用機艙變頻通風(fēng)系統(tǒng)可以提高目標平臺的節(jié)能與環(huán)保性。

關(guān)鍵詞：變頻；通風(fēng)；節(jié)能

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.006

中圖分類號：U664.86；P752

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0021-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一李偉 (1975-)，男，學(xué)士，工程師

Abstract:The VFD technique applied in the engine room ventilation of offshore platform is studied. The relationship between the airflow of ventilation and ambient temperature and equipment heat dissipation is analyzed, as well as the principle of controlling the fan speed by temperature and pressure. The energy saving efficiency of applying VFD ventilation system is analyzed theoretically. It can be concluded that proper ductwork arrangement has significant influence on energy saving effect, and applying the VFD technique in engine room ventilation can increase the energy saving efficiency and environmental friendly performance of the target platform.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海工機械動力

E-mail:liwei4@cnooc.com.cn

海洋平臺上發(fā)電機艙的通風(fēng)系統(tǒng)主要有兩個作用：滿足房間散熱需要和滿足柴油機燃燒空氣消耗。機艙風(fēng)機的選型一般根據(jù)ISO8861的計算結(jié)果。此計算是基于極限環(huán)境溫度條件下最大設(shè)備散熱工況下機艙通風(fēng)系統(tǒng)所需求的風(fēng)量來確定機艙通風(fēng)所需最大通風(fēng)量。海洋平臺在實際操作運行過程中存在不同的作業(yè)工況，對應(yīng)不同工況，機艙內(nèi)設(shè)備散熱各不相同；同時通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量的需求又與室外環(huán)境溫度有密切的關(guān)系，1年之中只有約20%的日子里室外最高氣溫會達到或接近設(shè)計最高值，1 d之內(nèi)早午晚室外氣溫的變化也很大。如果始終讓風(fēng)機按設(shè)計最大工況運行勢必造成無謂的能源浪費。而空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)通常是平臺上的用電大戶，一般會占平臺發(fā)電量的20%～30%，降低通風(fēng)系統(tǒng)的能耗意義重大。根據(jù)風(fēng)機馬達功耗與風(fēng)機轉(zhuǎn)速呈立方正比關(guān)系的原理，如果風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低一半，則對應(yīng)馬達功耗將降低87.5%，這對于降低能耗具有顯著的意義。變頻風(fēng)機系統(tǒng)的應(yīng)用可實現(xiàn)這一目的。變頻通風(fēng)系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境條件和房間內(nèi)設(shè)備散熱工況自動調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，達到節(jié)能降噪，低碳環(huán)保的目標[1]。

1通風(fēng)機選型

ISO 8861《Shipbuilding-Engine room ventilation in diesel engine ships-Design requirements and basis of calculation》是目前船舶及海洋工程機艙通風(fēng)計算的理論依據(jù)，據(jù)此，機艙通風(fēng)總量Q至少為機艙內(nèi)所有設(shè)備所需燃燒空氣量qc和設(shè)備散熱所需通風(fēng)量qh之總和，即

(1)

且應(yīng)

Q≥1.5qc

(2)

其中，qc和qh應(yīng)按具體設(shè)備廠提供的參數(shù)進行計算。當(dāng)在設(shè)計中不能及時得到這些信息時，可按ISO8861中所述進行估算。

2合理的通風(fēng)布置

對于海洋平臺，通常機艙內(nèi)沒有推進柴油機，只布置發(fā)電柴油機。機艙通風(fēng)就完全是為發(fā)電柴油機提供燃燒空氣和給機艙內(nèi)設(shè)備散熱而用。根據(jù)卡特彼勒(Catepillar)的建議，最佳的機艙通風(fēng)布置見圖1。

圖1　卡特彼勒推薦的機艙通風(fēng)形式

圖1a)即冷風(fēng)從底部送入，先后流經(jīng)發(fā)電機柴油機，最后熱空氣上升至高點被排風(fēng)機排出機艙。

圖1b)即冷風(fēng)從艙壁側(cè)面已斜向下的方向吹拂流經(jīng)發(fā)電機、柴油機，熱空氣上升至機艙高點后背排風(fēng)機排出。

最差的通風(fēng)布置是圖1c)。也就是送風(fēng)從柴油機頂部吹下，流經(jīng)柴油機熱表面和發(fā)電機熱表面后熱空氣上升至機艙高點，被排風(fēng)機排出。

對應(yīng)圖1a)～c)通風(fēng)布置情況，Catepillar 推薦的機艙通風(fēng)量計算公式分別為

(3)

(4)

(5)

式中：C——機艙所需通風(fēng)量，m3/h;

He——機艙最大設(shè)計溫度條件下柴油機散熱量，kW；

Ha——機艙內(nèi)輔機等設(shè)備散熱量，kW，如果沒有確切的數(shù)據(jù)，可按每臺發(fā)電機散熱等于柴油機散熱量的1/3進行估算；

W——室外最高氣溫條件下空氣密度，kg/m3;

Tr——最大溫升，K;

Ca——柴油機燃燒空氣量，m3/h。

分析式(3)～(5)發(fā)現(xiàn)，燃燒空氣量與機艙通風(fēng)形式?jīng)]有關(guān)系，而散熱所需通風(fēng)量則與通風(fēng)形式有直接的關(guān)系。采用第1種通風(fēng)形式散熱通風(fēng)量是第2種通風(fēng)形式下散熱通風(fēng)量的一半，而采用第2種形式通風(fēng)形式散熱通風(fēng)量約等于第3種通風(fēng)形式下散熱通風(fēng)量的一半。根據(jù)若干項目機艙通風(fēng)計算的比較發(fā)現(xiàn)，Catepillar給出的第3種通風(fēng)形式下機艙所需通風(fēng)量基本上與通過ISO8861計算得出的機艙通風(fēng)量相當(dāng)。也就是說采用Catepillar建議的第1種或第2種機艙通風(fēng)形式可以大幅地減小機艙通風(fēng)量。

大部分海洋平臺上，機艙通風(fēng)的形式介于第1種和第2種通風(fēng)形式之間，送風(fēng)從緊貼機艙升高地板面處吹出，吹拂發(fā)電機后流經(jīng)柴油機表面，最后熱空氣在機艙底部聚集后由排風(fēng)機排出機艙。當(dāng)然機艙風(fēng)機的選型還是得按ISO8861 計算結(jié)果來確定風(fēng)機最大風(fēng)量。而實際的情況是可能并不需要這么大的風(fēng)量。這就是采用變頻風(fēng)機實時動態(tài)控制風(fēng)機風(fēng)量達到節(jié)能降耗的理論依據(jù)[2-3]。

3機艙通風(fēng)與機艙溫度壓力的關(guān)系

如前所述，機艙通風(fēng)無外乎兩個目的：給柴油機提供燃燒空氣和滿足機艙內(nèi)設(shè)備散熱需要。最終的目的達到：機艙相對于環(huán)境維持約+50 Pa正壓，同時機艙內(nèi)溫升相對于環(huán)境不超過12.5 K(或者機艙內(nèi)溫度不超過設(shè)定的值，一般+45 ℃)。定義機艙送風(fēng)量為QS(m3/h)，機艙排風(fēng)量為QE，機艙溫度為t(℃)，機艙相對于環(huán)境的壓差為Δp(Pa),則：

(6)

式(6)的含義是：機艙溫度和壓力(壓差)是由機艙送風(fēng)量QS、排風(fēng)量QE、機艙內(nèi)設(shè)備散熱總和∑φ、環(huán)境溫度TE，以及燃燒空氣量QC等這些綜合因素作用決定的。公式中設(shè)備散熱和燃燒空氣量是平臺運行工況的函數(shù)，而室外溫度是有規(guī)律變化但是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的，這三者都是客觀條件；公式中右側(cè)內(nèi)所示的通風(fēng)是手段，通過通風(fēng)的手段以實現(xiàn)控制機艙溫度和壓差是目的。

4機艙變頻風(fēng)機控制原理與邏輯

以機艙溫度和壓差這兩目的參數(shù)為對象，并根據(jù)目的參數(shù)的變動實時動態(tài)控制送排風(fēng)量的過程既是機艙變頻風(fēng)機控制的內(nèi)涵。根據(jù)機艙溫度和壓差的實時數(shù)值來控制送排風(fēng)量的過程可表示為下屬函數(shù)關(guān)系[4]。

(7)

(8)

上述公式的實際意義就是：根據(jù)機艙溫度調(diào)節(jié)排風(fēng)量QE，根據(jù)機艙壓差調(diào)節(jié)送風(fēng)量QS。

控制邏輯見圖4。

圖4　機艙變頻風(fēng)機控制邏輯示意

即根據(jù)實時壓差值控制送風(fēng)機，始終使壓差Δp維持在+50 Pa左右；根據(jù)機艙溫度實時控制排風(fēng)機，保證機艙溫度維持在設(shè)定的溫度范圍之內(nèi)。

機艙風(fēng)機的運行邏輯見圖5。

圖5　機艙變頻風(fēng)機運行邏輯

變頻風(fēng)機控制邏輯概括為：根據(jù)機艙溫度傳感器和壓差傳感器傳回的實時動態(tài)數(shù)據(jù)按一定的動作頻率(延時)和步幅控制排風(fēng)和供風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，以使機艙溫度和壓差保持在設(shè)定的范圍之內(nèi)。

5節(jié)能效果

泵或風(fēng)機的相似律為：

(9)

式中，Q，H，N，n——泵或風(fēng)機的流量(風(fēng)量)、揚程(壓頭)、軸功率、轉(zhuǎn)速。

帶角標m的為模型機參數(shù)，可看做設(shè)備額定參數(shù)。

由式(9)可見，軸功率(原動電機所需功率)N與風(fēng)機轉(zhuǎn)速的立方成正比關(guān)系。這就是調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速可以降低風(fēng)機馬達功耗的理論依據(jù)。

例如，大連船舶重工集團海洋工程公司建造的BT3500-1海洋平臺所用機艙風(fēng)機為Nyborg MPV 1120A1K 變頻軸流風(fēng)機，性能見圖6。

圖6　變頻系列風(fēng)機性能

由圖6可見，當(dāng)風(fēng)機風(fēng)量降低一半時，風(fēng)機轉(zhuǎn)速將由額定的1 750 r/min降低到950 r/min，功耗將由30多kW降低到5 kW左右，節(jié)能效果明顯。

BT3500-1平臺發(fā)電機艙配6臺CAT3516 風(fēng)冷柴油發(fā)電機，額定輸出功率2 200 kW，機艙通風(fēng)配3臺供風(fēng)機3臺排風(fēng)機，根據(jù)ISO8861計算，供風(fēng)機的額定風(fēng)量為11 000 m3/h, 排風(fēng)機排風(fēng)量為86 000 m3/h。

假設(shè)所有發(fā)電機按額定工況運行，考察1年中各月份排風(fēng)機的實際需要風(fēng)量和馬達實際功耗。

假設(shè)該平臺在中國南海西沙區(qū)域作業(yè)，根據(jù)中國氣象網(wǎng)的統(tǒng)計資料，西沙海域2013年逐月平均氣溫變化見圖7。

圖7　西沙2013年逐月平均氣溫變化

1個月之內(nèi)，氣溫的變化與與日照、陰晴雨雪、季候風(fēng)等都有關(guān)系，下面兩幅圖(圖8和圖9)是根據(jù)中國氣象網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出的2012年西沙1月份和7月份逐日平均氣溫變化柱狀圖，從中可以看出，相對于陸地而言，海洋上空氣溫的變化相對平穩(wěn)。

圖8　西沙2012年1月逐日氣溫變化

圖9　西沙2012年7月逐日氣溫變化

為簡化模型，取西沙2013年月最高和最低氣溫的算術(shù)平均值作為月平均氣溫，并以此為基礎(chǔ)計算對應(yīng)的機艙所需通風(fēng)量，再基于通風(fēng)量相對于額定通風(fēng)量的比值來計算相應(yīng)的風(fēng)機馬達功耗變化。

為分析方便，僅理論計算分析排風(fēng)機馬達功耗隨室外氣溫變化的波動情況。上述平臺在西沙作業(yè)時，1年中各月單臺排風(fēng)機馬達實際功耗與額定功率的對比見圖10。由圖10可見，采用變頻風(fēng)機后，節(jié)能效果相當(dāng)明顯。

圖10　風(fēng)機馬達實際功耗與額定功耗對比

6結(jié)論

如今，越來越多的海洋平臺用戶會要求給發(fā)電柴油機增壓器單獨接供燃燒空氣用風(fēng)管。這種情況下，機艙通風(fēng)只剩下滿足機艙內(nèi)設(shè)備散熱需要了，供風(fēng)機將不再承擔(dān)提供燃燒空氣的任務(wù)。這樣，機艙的變頻通風(fēng)效果將更明顯。因為燃燒空氣對室外氣溫不敏感，而用作散熱的機艙通風(fēng)量直接受室外環(huán)境氣溫的影響——環(huán)境氣溫越低所需風(fēng)量越小。同時由于供排風(fēng)機動態(tài)平衡時供排風(fēng)量始終一致，這樣就可以只用一個溫度傳感器來進行變頻風(fēng)機的動態(tài)控制?？刂圃硐嗨疲恍璞３止┡棚L(fēng)機運行臺數(shù)相同，同步調(diào)節(jié)即可。

參考文獻

[1] 劉海東，張文海，莊濤.變頻器在海洋平臺子系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].石油和化工設(shè)備，2011(5)：41-42.

[2] 李波，劉劍，顏菁菁，等.輕型平臺鉆機電力系統(tǒng)變頻技術(shù)及鉆井智能化操作[J].中國海洋平臺，2010(6)：47-51.

[3] 何莉.海洋石油工程設(shè)計指南[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009.

[4] 蔡增基，龍?zhí)煊?流體力學(xué)：泵與風(fēng)機[M].4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

Application of the VFD Ventilation Technique in Offshore Platform

LI Wei, HAO Bao-qi

(Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300461, China)

Key words: VFD; ventilation; energy saving