LED光源在海洋平臺的應用研究

柏繼合 黃永豹 代學良

(海洋石油工程股份有限公司設計公司，天津 300451)

1 引言

目前海洋石油工程中照明燈具使用的光源為傳統光源，主要為熒光燈、鹵化物燈等，這些光源應用技術已經很成熟，但存在光效低不節能、壽命短、不環保、頻閃和啟動慢等缺點;光源的壽命短又直接導致其頻繁更換和維護，給海上油氣田操作運行帶來較大工作量和安全風險，例如金屬鹵化物燈，一般安裝在距平臺甲板6米以上的位置，更換光源時工作人員需要高空作業，頻繁更換光源會增加高空作業的機率，進而增加安全事故風險。

作為新光源的典型代表LED，在陸地被廣泛應用于汽車照明 (車內、車外)，商用照明，LCD背光照明，道路照明，便攜式電子設備，家居照明，信號燈照明，標識照明等。大功率LED照明燈具主要應用于城鎮街道的路燈系統、隧道及地下停車場、交通工具的照明、大的公共場所的照明系統等［1］。目前LED照明燈具在海洋平臺的應用很少。

2 LED燈具在海洋平臺應用可行性研究

2.1 性能比較

海洋平臺通常使用的燈具有熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈。LED燈與這些傳統燈具性能比較見表1。

從表1可以看出燈具光源與傳統光源相比，在光效、壽命、節能性、耐腐蝕、抗震、環保、啟動時間、色溫范圍、顯色性、安全性等方面有突出優勢;在環境溫度為－40～50℃時，LED燈具也能正常工作。正常工作時，燈具表面溫度小于60℃，比傳統燈具發熱量小;燈具不含鎮流器，體積小、重量輕;安裝維修方便，燈具壽命長，維護工作量比傳統燈具大大減少。LED燈具電磁兼容性 (EMC)好。LED燈具可根據不同場合需求，設計成多種功率 (常用200W以下)、安裝方式和配光特性，高度范圍為2m～25m，防腐等級W/WF1/WF2。100W以下燈具防護、防爆可做到IP66、ExdⅡC T6，100W～200W燈具防護、防爆可做到IP66、ExdⅡBT6。

表1 LED燈具與傳統燈具性能比較Table 1 Performance comparison between LED lamps and traditional lamps

2.2 經濟性比較

采用LED 燈具替換海洋平臺傳統燈具，除性能方面考慮外，還需要從工程經濟角度來核算兩者的投入、使用和維護成本。本文選取金縣1-1 WHHB井口平臺中層甲板，對比LED燈具和傳統燈具兩種燈具應用方案所產生的綜合成本。該對比方案中需要考慮以下三個因素:

1)燈具維護費包括燈具部件更換費用，人工成本以及被更換燈具部件運輸費用，運輸費按照燈具部件價格10%考慮;

2)燈具照明時間按照每天12小時點亮計算，電費取0.8元/度;LED燈具壽命按5年計算，下列各表中維護費按5年總維護費均攤到各年;

3)在等效原則上，考慮到LED光線的方向性強，光線無反射損失，傳統光源燈具光線四周發散，燈具需加反射罩，有效光照部分損失，同時鎮流器也損失一部分電能，按表1所列光效利用率選擇等同光通量燈具。

金縣1-1 WHHB井口平臺中層甲板布置燈具主要有傳統熒光燈、防爆金鹵燈和防爆高壓鈉燈，在滿足原有燈具照明效果的基礎上，用LED燈分別作如下替換方案:

1)用2×18W(光通量約4300lm)長條平臺LED燈替換2×40W(光通量約4500lm)雙管熒光燈

LED燈與傳統熒光燈從燈具的采購成本、運行成本和維護成本三個方面產生的費用進行對比，比較結果見表2，可以看出，LED燈替換傳統雙管熒光燈，燈具采購成本中多支出了7.55萬元，但年化總成本LED燈比傳統雙管熒光燈低3.615萬元。 年化成本=電費+燈具維護費+總價/5

表2 LED燈替換傳統熒光燈費用比較Table 2 Cost comparison between LED lamps and traditional lamps

2)用70W LED(光通量約8400lm)防爆泛光燈替換原有175W(光通量約13000lm)防爆金鹵燈

LED燈與金鹵燈從燈具的采購成本、運行成本和維護成本三個方面產生的費用進行對比，比較結果見表3，可以看出，LED燈替換傳統金鹵燈，燈具采購成本中多支出了4800元，但年化總成本LED燈比傳統金鹵燈低1.2832萬余元。

表3 LED燈替換金鹵燈費用比較Table 3 Cost comparison between LED lamps and metal halide lamps

3)用100W LED(光通量約12000lm)防爆泛光燈替換原有250W(光通量約23500lm)防爆高壓鈉燈

LED燈與高壓鈉燈從燈具的采購成本、運行成本和維護成本三個方面產生的費用進行對比，比較結果見表4，可以看出，LED燈替換傳統高壓鈉燈，燈具采購成本中多支出了5000元，但年化總成本LED燈比高壓鈉燈低0.7772萬余元。

綜合表2、表3和表4，可以看出，表5給出應用LED燈與傳統燈具各項費用綜合對比，應用LED燈節電63.8%，總費用可以節省28.337萬元。

通過以上計算統計結果比較可知，用LED燈具替換平臺使用傳統光源燈具，可節約電能，減少燈具維修更換費用，明顯降低運行成本。

表4 LED燈替換高壓鈉燈費用比較Table 4 Cost comparison between LED lamps and high pressure sodium lamps

表5 總費用比較Table 5 Total cost comparison

3 LED燈具在海洋平臺應用的選型及設計

LED新光源照明系統的設計必須遵照海上固定(移動)平臺入級與建造規范中有關照明及信號的要求以及其它規范和標準的要求［2］。在滿足規范和標準的條件下，還應考慮海上油田業主和操作者對照明燈具的選型和布置的差異化要求。

3.1 室外LED燈選型及設計

目前油田開發項目照明系統室外燈具主要有防爆雙管熒光燈 (2×36W)，防爆金鹵燈 (100W、175W、250W)，防爆泛 光 燈 (150W、250W、400W)和防爆投光燈 (400W)等，如表6所示。

以某LED照明設備廠家產品為例，按照等同照明效果的原則，如表7給出可以替代傳統燈具的LED產品型號列表。

表6 室外傳統燈具設計參數及安裝型式列表Table 6 Parameters and installation type of outdoor traditional lamps

表7 LED照明設備生產廠家的主要防爆產品Table 7 Main explosion proof products of LED manufacturer

3.1.1 防爆熒光燈替代產品選型及設計

按照等同照明效果的原則，利用LDRG11代替傳統的防爆熒光燈，LDRG11設計參數及安裝型式見表8。

表8 LDRG11防爆LED燈設計參數及安裝型式Table 8 Parameters and installation type of explosion proof LED lamps LDRG11

LDRG11防爆LED燈的適用范圍:

(1)適用于爆炸性氣體環境1區、2區;

(2)適用于IIA、IIB、IIC級爆炸性氣體環境;

(3)適用于溫度組別為T1～T6的環境;

(4)適合安裝高度2.5～3.5米。

3.1.2 防爆高壓鈉燈替代產品選型及設計

傳統高壓鈉燈的燈泡結構決定了燈具的光源利用率低，僅有40%左右，發光角度為360度;大部分必須通過反射器反射后才能照射到指定區域。LED光源利用率高，約為90%，LED發光角度同燈具的發光角度可保持一致，LED燈的光可以直接照射到指定區域。

利用表 7中 BTLC-50A、BTLC-84A和 BTLB-120A分別替換表6中150 W、250W和400W高壓鈉燈，BTLC-50A、BTLC-84A和BTLB-120A設計參數和安裝型式如表9所示。

適用范圍:

(1)適用于爆炸性氣體環境1區、2區;

(2)適用于IIA、IIB、IIC級爆炸性氣體環境;

(3)適用于溫度組別為T1～T6的環境;

(4)適合安裝高度5～9米。

表9 防爆LED燈設計參數及安裝型式Table 9 Parameters and installation type of explosion proof LED lamps

3.1.3 防爆金屬鹵化物燈替代產品選型及設計

按照等同照明效果的原則，利用BTLC-40A、BTLC-60A和BTLC-84A分別替換表6中 100 W、175W和250W防爆金屬鹵化物燈，BTLC-40A、BTLC-60A和BTLC-84A設計參數和安裝型式如表10所示。

表10 防爆LED燈設計參數及安裝型式Table 10 Parameters and installation type of LED lamps

適用范圍:

(1)適用于爆炸性氣體環境1區、2區;

(2)適用于IIA、IIB、IIC級爆炸性氣體環境;

(3)適用于溫度組別為T1～T6的環境;

(4)適合安裝高度4～9米。

3.2 室內LED燈選型及設計

3.2.1 熒光燈替代產品

目前海上油氣田開發項目照明設計室內熒光燈光源功率主要為4×14W、2×36W兩種。

LED熒光燈燈管與傳統的熒光燈在外型尺寸口徑上都一樣，長度有 600mm、900mm、1200mm、1500mm四種，功率分別為9W、14W、18W、25W。9W的LED熒光燈亮度高于18W傳統熒光燈，18W的LED熒光燈亮度高于36W傳統熒光燈，并且LED熒光燈亮度顯得更柔和更使人容易接受;LED熒光燈無需起輝器和鎮流器，啟動快，功率小，無頻閃，不容易視覺疲勞，可以直接替換傳統的熒光燈。

LED熒光燈燈管安裝方法非常簡單，安裝時將原有的熒光燈取下換上LED燈管，將鎮流器和起輝器一并去掉。

3.2.2 EXIT安全出口標志燈替代產品

圖1給出LED安全出口標志燈外型圖，采用高亮度LED光源，圖案清晰明亮，發光均勻性強，耗電低，應急時間長，免維護。安裝方式與傳統安全出口標志燈一樣。

圖1 安全出口標志燈Fig.1 Exit sign lamp

4 LED燈應用案例

在能源日趨緊張的時代背景下，節約能源已成為共識，海上平臺在設計中不斷貫徹節約能源、合理高效利用能源的原則，LED燈具已在海洋平臺陸續開始嘗試使用，綏中36-1 2010年和2011年陸地終端及海上平臺使用了LED燈200余件，遼東區及勃南區海上平臺2011年使用LED燈200多件，在荔灣3-1氣田淺水平臺生活樓使用LED燈105盞，圖2給出了荔灣3-1氣田項目部分的生活樓LED燈具布置圖。

具體LED燈參數為:

220V，50Hz，單相，3×10W，防護等級IP44，室內防水LED熒光燈，共計90盞;

圖2 荔灣3-1 LED燈具布置圖Fig.2 Lighting system layout for LW3-1 living quarter

220V，50Hz，單相，2×18W，防護等級IP56，防爆等級:ExedⅡBT4，LED室外防爆熒光燈，共計15盞;圖3給出了LED燈在荔灣3-1氣田淺水平臺生活樓現場的實際效果圖。

圖3 室內LED燈照明效果圖Fig.3 Externals picture of LED Lighting system indoor

5 結束語

本文從光效、壽命、節能性、耐腐蝕、抗震、環保、啟動時間、色溫范圍、顯色性、安全性等方面比較LED燈具和傳統燈具，體現LED燈具所具備的突出優勢，并從工程經濟角度，就LED燈具替換傳統燈具所形成的經濟性進行分析，說明LED燈具替換平臺使用傳統光源燈具，能夠節約電能，減少燈具維修更換費用，明顯降低運行成本，隨后介紹了LED燈具在海上平臺照明系統中的應用選型及設計原則和實際應用案例。在能源日趨緊張的時代背景下，節約能源已成為共識，高效、節能的LED燈具必將越來越多的應用在海洋平臺，以達到減低能源消耗，提高經濟效益的目的。

［1］張東亮，章怡圣.淺談白光LED在未來海洋平臺照明中的應用.照明工程學報，2011，22(5):115－119.

［2］周守為.海洋石油工程設計指南［M］.北京:石油工業出版社印刷廠，2007.