變頻通風技術在海洋平臺中的節能應用

變頻通風技術在海洋平臺中的節能應用

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：分析機艙變頻通風系統風機風量與環境溫度、設備散熱條件的依存關系，明確機艙變頻通風系統中采用溫度和壓力作為控制風機轉速的因果關系，理論分析采用變頻通風系統的節能效果，認為合理的通風布置對于變頻通風系統發揮節能降耗作用具有重要作用，采用機艙變頻通風系統可以提高目標平臺的節能與環保性。

關鍵詞：變頻；通風；節能

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

海洋平臺上發電機艙的通風系統主要有兩個作用：滿足房間散熱需要和滿足柴油機燃燒空氣消耗。機艙風機的選型一般根據ISO8861的計算結果。此計算是基于極限環境溫度條件下最大設備散熱工況下機艙通風系統所需求的風量來確定機艙通風所需最大通風量。海洋平臺在實際操作運行過程中存在不同的作業工況，對應不同工況，機艙內設備散熱各不相同；同時通風系統風量的需求又與室外環境溫度有密切的關系，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計最高值，1 d之內早午晚室外氣溫的變化也很大。如果始終讓風機按設計最大工況運行勢必造成無謂的能源浪費。而空調通風系統通常是平臺上的用電大戶，一般會占平臺發電量的20%～30%，降低通風系統的能耗意義重大。根據風機馬達功耗與風機轉速呈立方正比關系的原理，如果風機轉速降低一半，則對應馬達功耗將降低87.5%，這對于降低能耗具有顯著的意義。變頻風機系統的應用可實現這一目的。變頻通風系統可以根據環境條件和房間內設備散熱工況自動調節風機轉速，達到節能降噪，低碳環保的目標[1]。

1通風機選型

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計算的理論依據，據此，機艙通風總量Q至少為機艙內所有設備所需燃燒空氣量qc和設備散熱所需通風量qh之總和，即

(1)

且應

Q≥1.5qc

(2)

其中，qc和qh應按具體設備廠提供的參數進行計算。當在設計中不能及時得到這些信息時，可按ISO8861中所述進行估算。

2合理的通風布置

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

圖1　卡特彼勒推薦的機艙通風形式

圖1a)即冷風從底部送入，先后流經發電機柴油機，最后熱空氣上升至高點被排風機排出機艙。

圖1b)即冷風從艙壁側面已斜向下的方向吹拂流經發電機、柴油機，熱空氣上升至機艙高點后背排風機排出。

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

對應圖1a)～c)通風布置情況，Catepillar 推薦的機艙通風量計算公式分別為

(3)

(4)

(5)

式中：C——機艙所需通風量，m3/h;

He——機艙最大設計溫度條件下柴油機散熱量，kW；

Ha——機艙內輔機等設備散熱量，kW，如果沒有確切的數據，可按每臺發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)發現，燃燒空氣量與機艙通風形式沒有關系，而散熱所需通風量則與通風形式有直接的關系。采用第1種通風形式散熱通風量是第2種通風形式下散熱通風量的一半，而采用第2種形式通風形式散熱通風量約等于第3種通風形式下散熱通風量的一半。根據若干項目機艙通風計算的比較發現，Catepillar給出的第3種通風形式下機艙所需通風量基本上與通過ISO8861計算得出的機艙通風量相當。也就是說采用Catepillar建議的第1種或第2種機艙通風形式可以大幅地減小機艙通風量。

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

3機艙通風與機艙溫度壓力的關系

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

(6)

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

4機艙變頻風機控制原理與邏輯

以機艙溫度和壓差這兩目的參數為對象，并根據目的參數的變動實時動態控制送排風量的過程既是機艙變頻風機控制的內涵。根據機艙溫度和壓差的實時數值來控制送排風量的過程可表示為下屬函數關系[4]。

(7)

(8)

上述公式的實際意義就是：根據機艙溫度調節排風量QE，根據機艙壓差調節送風量QS。

控制邏輯見圖4。

圖4　機艙變頻風機控制邏輯示意

即根據實時壓差值控制送風機，始終使壓差Δp維持在+50 Pa左右；根據機艙溫度實時控制排風機，保證機艙溫度維持在設定的溫度范圍之內。

機艙風機的運行邏輯見圖5。

圖5　機艙變頻風機運行邏輯

變頻風機控制邏輯概括為：根據機艙溫度傳感器和壓差傳感器傳回的實時動態數據按一定的動作頻率(延時)和步幅控制排風和供風機的轉速，以使機艙溫度和壓差保持在設定的范圍之內。

5節能效果

泵或風機的相似律為：

(9)

式中，Q，H，N，n——泵或風機的流量(風量)、揚程(壓頭)、軸功率、轉速。

帶角標m的為模型機參數，可看做設備額定參數。

由式(9)可見，軸功率(原動電機所需功率)N與風機轉速的立方成正比關系。這就是調節風機轉速可以降低風機馬達功耗的理論依據。

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機為Nyborg MPV 1120A1K 變頻軸流風機，性能見圖6。

圖6　變頻系列風機性能

由圖6可見，當風機風量降低一半時，風機轉速將由額定的1 750 r/min降低到950 r/min，功耗將由30多kW降低到5 kW左右，節能效果明顯。

BT3500-1平臺發電機艙配6臺CAT3516 風冷柴油發電機，額定輸出功率2 200 kW，機艙通風配3臺供風機3臺排風機，根據ISO8861計算，供風機的額定風量為11 000 m3/h, 排風機排風量為86 000 m3/h。

假設所有發電機按額定工況運行，考察1年中各月份排風機的實際需要風量和馬達實際功耗。

假設該平臺在中國南海西沙區域作業，根據中國氣象網的統計資料，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，氣溫的變化與與日照、陰晴雨雪、季候風等都有關系，下面兩幅圖(圖8和圖9)是根據中國氣象網統計數據得出的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。

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平均值作為月平均氣溫，并以此為基礎計算對應的機艙所需通風量，再基于通風量相對于額定通風量的比值來計算相應的風機馬達功耗變化。

為分析方便，僅理論計算分析排風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時，1年中各月單臺排風機馬達實際功耗與額定功率的對比見圖10。由圖10可見，采用變頻風機后，節能效果相當明顯。

圖10　風機馬達實際功耗與額定功耗對比

6結論

如今，越來越多的海洋平臺用戶會要求給發電柴油機增壓器單獨接供燃燒空氣用風管。這種情況下，機艙通風只剩下滿足機艙內設備散熱需要了，供風機將不再承擔提供燃燒空氣的任務。這樣，機艙的變頻通風效果將更明顯。因為燃燒空氣對室外氣溫不敏感，而用作散熱的機艙通風量直接受室外環境氣溫的影響——環境氣溫越低所需風量越小。同時由于供排風機動態平衡時供排風量始終一致，這樣就可以只用一個溫度傳感器來進行變頻風機的動態控制。控制原理相似，只需保持供排風機運行臺數相同，同步調節即可。

參考文獻

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

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

[3] 何莉.海洋石油工程設計指南[M].北京：石油工業出版社，2009.

[4] 蔡增基，龍天渝.流體力學：泵與風機[M].4版.北京：中國建筑工業出版社，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