宋力威,尹國占,孟才植
(中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津,300450)
海洋石油平臺是我國海洋石油開采的核心設(shè)施,但由于其遠(yuǎn)離陸地的特殊作業(yè)條件,環(huán)境濕度大、作業(yè)空間狹小,對平臺設(shè)備設(shè)施及工作人員健康影響極大。同時房間設(shè)備分布密集,散熱量大,空氣含鹽量較高,如果僅使用風(fēng)機進(jìn)行散熱無法滿足設(shè)備正常工作環(huán)境,導(dǎo)致設(shè)備運行異常,縮短使用壽命,因此空調(diào)系統(tǒng)對于海洋石油平臺的作用是不可替代的。
由于海洋石油平臺分體空調(diào)需長期不間斷連續(xù)運行,并且冬季環(huán)境惡劣,易出現(xiàn)風(fēng)機頻繁啟停、震動高、制冷劑管線容易破損漏氟、熱交換過度等問題,此外平臺部分室內(nèi)、外機管線過長、高度落差大,空調(diào)制冷效果不佳,因此對于提升船用R134A分體空調(diào)連續(xù)運行的穩(wěn)定性是十分有必要的。
隨著科技的提升,空調(diào)在海洋石油平臺上的使用越來越廣泛,分為:中央空調(diào)、分體空調(diào)。而分體空調(diào)又分為壁掛式、吊頂式、嵌入式和立柜式空調(diào)等[1],由四部分組成:制冷系統(tǒng)、風(fēng)路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和箱體和面板[2],主要包含壓縮機、儲液罐、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥、電磁閥、供液過濾器、軸流風(fēng)機以及控制電路等部件。
船用分體空調(diào)制冷劑常用R134A,其工作原理為壓縮機將氣態(tài)的制冷劑壓縮為高溫高壓的液態(tài)制冷劑,然后在冷凝器內(nèi)散熱成為低溫高壓的液態(tài)制冷劑,通過室內(nèi)外機冷媒管線循環(huán)到室內(nèi)在膨脹閥、毛細(xì)管的作用下氣化為低溫低壓的氣態(tài)制冷劑,最后在蒸發(fā)器內(nèi)吸收室內(nèi)空氣中的熱量吹出冷風(fēng)制冷。
圖1 分體空調(diào)系統(tǒng)原理圖
在海洋石油平臺上,分體空調(diào)由于工作環(huán)境限制需要長時間連續(xù)運行,易出現(xiàn)各種各樣的問題,對于設(shè)備設(shè)施的正常運行造成極大的影響,因此需要對分體空調(diào)采取相應(yīng)的改造措施。
海洋石油平臺環(huán)境復(fù)雜,部分分體空調(diào)室內(nèi)、外機連接管線較長、高度落差較大,會增大制冷劑在管線中流動的阻力,產(chǎn)生不同程度的壓降,對分體空調(diào)壓縮機功率、制冷劑溫度、壓力等都會造成影響,降低分體空調(diào)的制冷效果[3]。
船用R134A分體空調(diào)的冷媒管線共有兩根,一根低壓氣態(tài)管線,一根高壓液態(tài)管線。高壓管線通過膨脹閥連接蒸發(fā)器,內(nèi)部制冷劑以液體為主,低壓管線通過壓縮機與冷凝器連接,內(nèi)部制冷劑以氣態(tài)為主。制冷劑在管線內(nèi)循環(huán)產(chǎn)生的阻力包括水平管線的沿程阻力、垂直管線的靜壓降和管線彎頭、接口等造成的局部阻力(局部阻力較小忽略不計)。
制冷劑的沿程阻力和靜壓降算法如下:
其中:P1為水平阻力,P2為垂直阻力,f為管線沿程阻力系數(shù),u為制冷劑平均流速,qm為制冷劑質(zhì)量流量,Re為雷諾系數(shù),v制冷劑比熱容,ρ為制冷劑密度,l為管長,d為管內(nèi)直徑[4]。
根據(jù)圖2可知,制冷劑管線越長、高度落差越大制冷劑壓降越大,其中70米水平管的壓降是15米管的6.15倍,5米垂直管的壓降是3米管的1.82倍。
圖2 制冷劑管線長度與壓降變化情況
在實際安裝過程中空調(diào)水平管應(yīng)不超過20m,垂直管落差不超過10m,并減少制冷劑管線局部彎曲、接頭等情況,減小制冷劑的壓降,提升分體空調(diào)制冷效率。
家用分體空調(diào)通常在夏季高溫時下才啟動制冷模式,但渤海石油平臺房間設(shè)備散熱較大,冬季低溫的情況下仍需要進(jìn)行房間制冷,此時冷凝器換熱環(huán)境惡劣,制冷劑散熱快,冷凝壓力急劇降低,大量制冷劑聚集在冷凝器中導(dǎo)致循環(huán)量減少,制冷能力衰減嚴(yán)重,解決分體空調(diào)低溫制冷效果不佳問題的核心在于降低冷凝器熱交換能力。
冷凝器對流換熱系數(shù)計算公式為:
其中,h為冷凝器對流換熱系數(shù),V為冷凝翅片最窄處空氣流速,D為直徑當(dāng)量,v為空氣運動粘度,Re為雷諾系數(shù),n為經(jīng)驗系數(shù)(n<1)[5]。
根據(jù)式(6)可知,采取降低空氣流速的方法以減小冷凝器對流換熱系數(shù),提高冷凝溫度和蒸發(fā)溫度。
2.2.1 添加百葉窗擋風(fēng)裝置
如圖所示,在冷凝器外側(cè)安裝百葉窗擋風(fēng)裝置,根據(jù)氣溫變化調(diào)節(jié)百葉窗翅片開度,增強冷凝器外側(cè)進(jìn)風(fēng)阻力,降低空氣流速,在其他條件不變的情況下,減小對流換熱系數(shù)h,防止制冷劑快速散熱,提高冷凝溫度。
圖3 百葉窗擋風(fēng)裝置示意圖
百葉窗擋風(fēng)裝置安裝便捷,在緩解分體空調(diào)冬季制冷效率低的同時有效防止冷凝翅片處灰塵聚集導(dǎo)致臟堵,減少空調(diào)維護保養(yǎng)頻率。
2.2.2 限制室外風(fēng)機啟動頻率
單位時間流過冷凝翅片的風(fēng)量越大,冷凝器換熱越充分,因此室外風(fēng)機啟動加速換熱是造成冬季制冷效果不佳的重要原因。目前海洋平臺使用的分體空調(diào)一般為定頻風(fēng)機,如果采用變頻或變壓調(diào)速的方法,電路改造復(fù)雜,成本較高,因此優(yōu)先采用限制室外風(fēng)機啟動頻率的方法。
在室外機控制板中串入溫度開關(guān)控制電路,通過冷凝翅片溫度變化控制風(fēng)機的啟停,手動設(shè)置溫控器動作值,當(dāng)檢測溫度低于設(shè)定值時,抑制風(fēng)機啟動,采用自然散熱對冷凝器進(jìn)行降溫;當(dāng)檢測溫度高于設(shè)定值時,溫度開關(guān)常開觸點閉合,啟動風(fēng)機進(jìn)行強制降溫。
圖4 室外風(fēng)機改造示意圖
通過限制風(fēng)機的啟動頻率,增大冷凝壓力和蒸發(fā)壓力,達(dá)到提升空調(diào)低溫制冷的效果。此外,采用降低風(fēng)機啟動頻率的方法,不僅可以在低溫環(huán)境下使用,也可以長期保持。壓縮機啟動時,冷凝器溫度在10~50℃變化,可根據(jù)氣溫變化,改變溫度開關(guān)設(shè)定值,防止風(fēng)機頻繁啟動,在一定程度上降低室外機震動,避免空調(diào)內(nèi)部軟管或管線焊接薄弱處破損導(dǎo)致制冷劑泄漏,減少空調(diào)故障。
在空調(diào)運行時,低溫高壓的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱蒸發(fā)形成高溫低壓的汽態(tài)制冷劑,但往往在實際運行中會出現(xiàn)制冷劑無法完全蒸發(fā)的現(xiàn)象,未完全蒸發(fā)的制冷劑在壓縮機內(nèi)部迅速升溫膨脹,使得壓縮機氣缸壓力驟增,產(chǎn)生液擊造成壓縮機內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的損傷,甚至嚴(yán)重?fù)p壞。
為盡可能的避免液擊,保證壓縮機的穩(wěn)定運行,在壓縮機吸氣口加裝氣液分離器,防止液態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機,同時為溢流而出的液態(tài)制冷劑提供臨時的儲存空間,降低壓縮機的故障率,保證空調(diào)長時間運行的穩(wěn)定性。根據(jù)實際經(jīng)驗,安裝氣液分離器后壓縮機壽命可以延長2~3年,具有實際意義。
分體空調(diào)常采用銅或銅鋁合金作為制冷劑管線和冷凝器原料,其耐腐蝕性能較鋁好。但海風(fēng)中含有大量NaCl粒子,部分油田還存在微量HS2氣體,隨著空氣流動逐漸吸附沉積至銅管和冷凝器上。當(dāng)分體空調(diào)運行時會在銅管和冷凝器上產(chǎn)生冷凝水,溶解NaCl產(chǎn)生Cl-,Cl-半徑小并且穿透性強,易破壞銅表面的氧化膜形成點蝕源,在電化學(xué)腐蝕的作用下產(chǎn)生CuCl,CuCl發(fā)生水解產(chǎn)生HCl進(jìn)一步加重腐蝕,導(dǎo)致制冷劑泄漏[6]。
為防止管線、冷凝器點蝕可以在銅管和冷凝器表面噴涂銅管緩蝕劑(如苯駢三氮唑、甲基苯駢三氮唑緩蝕劑)形成一層或者多層保護膜,延長管線和冷凝器的使用壽命。
通過對分體空調(diào)主要故障問題和工作原理分析,針對性的采取相應(yīng)措施,減少室內(nèi)外機管線長度、高度落差、串入溫度開關(guān)控制電路、安裝百葉窗、噴涂銅管緩蝕劑等,降低分體空調(diào)故障率,提升分體空調(diào)連續(xù)運行的穩(wěn)定性,維持房間設(shè)備的最佳工作環(huán)境,保障海洋石油的正常開采。
(1)結(jié)合實際展開分析,采取針對性措施
結(jié)合渤海油田分體空調(diào)實際使用情況,對分體空調(diào)的報警和故障進(jìn)行詳細(xì)分析并鎖定根本原因,突破常規(guī),有針對性的采取措施,有效降低了空調(diào)故障率。
(2)設(shè)計方法簡潔有效,改造安裝實施便捷
依托平臺分體空調(diào)自身硬件,完成相關(guān)優(yōu)化性改造。在設(shè)計上大膽創(chuàng)新,簡潔有效,避免大改大造,施工成本低,將降本增效的理念運用于實際。
(3)現(xiàn)場操作簡單,實際效果穩(wěn)定
在分體空調(diào)運行時,只需根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)百葉窗翅片角度及溫度開關(guān)設(shè)定值,便可以極大提升空調(diào)冬季制冷的效果,維持房間溫度恒定,減少人員維護保養(yǎng)和故障維修的次數(shù),并對渤海其他油田分體空調(diào)性能提升改造具有實際意義。