淺談風力發電海上升壓站正壓送風系統設計方法

文 | 彭淑英，繆智昕

海洋大氣環境具有高溫高濕特點，空氣中含有大量鹽霧，其組成與海水相似，且比海水含有更多的溶解氧，其中的氯離子具有較高的導電率，易在金屬表面形成微電池和宏電池，增加腐蝕的活性，破壞金屬表面的鈍化膜，材料的腐蝕和性能下降速率遠比在陸上大氣環境中快。海上平臺上存在大量以鋼鐵為主的金屬構件，如主變的油箱外殼、散熱片、開關柜、控制保護屏的外殼等，鹽霧對電氣設備金屬外殼壽命的影響巨大。這是因為鹽霧具有導電特性，海洋大氣環境下，空氣的絕緣水平有所降低，同時鹽霧沉積在電氣設備表面，在電磁場作用下，沉積物被電離形成導電薄膜，降低了電氣設備的絕緣水平，因此，電氣設備的故障率會增加。

解決此類問題首先是避免電氣設備直接暴露在海洋大氣環境中，控制繼保屏、開關柜、GIS等設備均應布置在相對封閉環境中，散熱主要是以空調為主，通風為輔。為防止室外空氣對電氣等設備的鹽霧腐蝕，房間需維持正壓，這種給房間有組織的機械加壓送風、自然排風系統，稱為“正壓送風系統”。

目前我國對于海上升壓站的正壓送風系統設計缺乏深入細致的研究。海上升壓站的正壓送風系統存在計算方法不夠準確等問題，為解決這些問題，本文以某項目海上升壓站正壓通風為例，對送風量和正壓送風系統壓差控制設計的計算方法進行分析探討，并給出適合的送風量設計和壓差控制方式。

項目概況

本文選取某海上平臺升壓站項目為研究對象，該升壓站位于東海海域，平臺分為三層。底層為電纜夾層，敞開布置，不作送風處理；二層主要為柴油發電機室、35kV配電裝置室、應急配電屏室、站用配電屏室、GIS室、細水噴霧泵房等，設置一套正壓送風系統；三層主要為繼保室、通風機房2、通風機房1、應急生活間等，設置一套正壓送風系統。室外海風均經鹽霧過濾、降溫除濕后送入各房間。各房間參數設定見表1。

送風量設計

為滿足上述室內正壓設計參數，需采用正確計算方法，通過計算選取適合的送風量，使室內保持所要求的正壓值。

通常室內正壓值需要高于室外風壓10Pa以上，才能保證室外腐蝕性空氣不能進入房間。該海上風電場場址室外平均風速為7～8m/s，室外風壓按35～40Pa考慮。室內壓力值過低，不能滿足安全要求；壓力值過高，又會影響門窗開啟等操作。通常正壓值控制在25～70Pa左右，一般為50Pa。有易燃易爆氣體或有危害氣體的艙室，其正壓值應低于相鄰艙室至少5Pa。通過氣動壓力調節閥或重力平衡風閘的控制，來維持房間正壓。房間正壓送風量需滿足房間維持正壓所需風量，以及滿足過渡季和冬季排除室內余熱所需風量。

表1 室內設計參數

目前計算維持正壓所需風量最常用的方法有縫隙法、換氣次數法、消除房間余熱法。下面用這三種方法進行計算和分析，找出適合海上升壓站正壓送風系統的風量取值。

一、縫隙法

采用縫隙法計算風量，既考慮了房間維護結構的氣密性，又考慮了室內維持一定的正壓值。

根據《實用供熱空調設計手冊》第二版，門關閉時，保持一定壓差所需的風量：

式中，Ly為按壓差法計算的加壓風量，m3/h；A為門縫的縫隙面積，m2；Δp為加壓區與非加壓區的壓差，Pa；b為指數，對于門縫取2；0.827為計算常數；1.25為不嚴密處附加系數。

門縫的縫隙面積按“縫長×縫寬”進行計算。而縫寬在系統設計時是一個不確定值，它與門的形式、加工質量、安裝質量、使用情況等因素有關，因此只能按一般情況估計。本次縫寬取值為2～4mm。各房間根據縫隙法計算送風量（表2）。

表2 根據縫隙法計算送風量Ly（m3/h)

二、換氣次數法

壓差風量的大小與房間圍護結構的氣密性及維持壓差值大小有關，對于相同大小的房間，由于門窗的數量及形式的不同，氣密性不同，導致滲漏風量也不同，故維持同樣大小的壓差值所需風量有所差異。因此，在選取換氣次數時，對于氣密性差的房間取上限，氣密性較好的房間取值可小一些。換氣次數法按表3計算，送風量Lh結果如表4所示。

表3 保持室內正壓所需換氣次數（1/h）

表4 根據換氣次數法計算送風量Lh（m3/h）

三、排除房間余熱法

電氣設備房間發熱量是由電氣專業提供，過渡季正壓系統送風排除室內余熱，根據《海洋平臺暖通系統設計方法》QHS3008－2002，送風量計算公式如下：

式中，Lq為送風量，m3/h；Q為設備散熱量，kW；Δt為室內外溫差，室外溫度取16℃；

根據排除房間余熱法計算送風量（表5）。

四、三種計算方法結果分析

各房間設計風量Ls，詳見表6。各房間正壓送風量取值均按上述計算風量中較大值選取，總風量需考慮系統漏風量，乘以1.05～1.1的漏風系數。總風量根據計算結果取整數，得出二層正壓送風系統總風量為16000 m3/h，三層正壓送風系統總風量為14000 m3/h。

從表6中計算看出：（1）對于發熱量小的房間應采用縫隙法計算風量，采用換氣次數法校核風量，選取較大值確定風量；對房間內發熱量大的房間應采用消除余熱法選取風量，不需要校核，如35kV開關柜室和繼電保護室等。（2）房間的換氣次數與該房間相對外界的壓差大小是沒有關系的。空間內的污染物質越多、發熱量越高，需要的風量越大。

正壓控制

本項目房間與外界的壓差是通過余壓閥控制實現的，安裝余壓閥，必須保證房間內有足夠的過剩風量，即需保證送風量大于門縫漏風量，因此，余壓閥的選型至關重要。

一、余壓閥選型

房間通風方式采用機械送風、自然排風方式，根據《實用供熱空調設計手冊》第二版，風量平衡如下式計算：

式中，Ls為房間送風量，m3/h；Lm為門縫漏風量，m3/h；Lx為泄壓風量，m3/h。

門縫漏風量按下式計算：

式中，Lm為按壓差法計算的加壓風量，m3/h；A為門縫的縫隙面積，m2；Δp為加壓區與非加壓區的壓差，Pa；b為指數，對于門縫取2；0.827為計算常數。

余壓閥泄壓面積F按下式計算：

根據上式計算各房間余壓閥泄壓面積，詳見表7。在正壓送風系統中，余壓閥的面積需要精確計算得出，選型過大，就會造成浪費；選型過小，就會存在超壓風險。

二、壓差控制方式的選擇

對于本項目，正壓送風采用的是新風直流系統，送風風機依據系統壓差變頻控制。

在每個房間外墻設置余壓控制閥。余壓控制閥相對于氣動和電動平衡風閘、重力平衡風閘（余壓閥）具有結構簡單，安裝方便，成本低的優點，但密閉性較差。經綜合考慮各方的要求，房間采用了余壓閥進行正壓控制，其結構參見圖1。P1表示大氣壓力，P2表示艙內氣壓，調節桿與葉片有一定的夾角，可以提供必要的力矩，以避免P2稍大于P1即會打開風閘，擋板則能保證在任何情況下，空氣都只會由艙室流向大氣，而不會出現向室內倒灌的情況。

表5 根據排除房間余熱法計算送風量Lq（m3/h)

表6 計算結果匯總

余壓控制閥初始余壓的設置：調整調節桿上螺母的位置，可以改變調節桿的重心，進而改變打開風閘所需的壓差，達到調整安全區內正壓的目的。重力風閘要求單向開啟，且為可調式，即能調節進出口壓差設定值。其工作條件為25Pa時關閉，50Pa時打開。要求風閘葉片整體隨壓差變化自動擺動靈活，在無壓差或負壓差時，又能可靠保持關閉狀態。每個葉片應保證轉動靈活。重力風閘做成多葉片形式，長度不超過100mm。

三、維持良好的壓差穩定性的有效方法

海上升壓平臺的正壓送風系統是個系統工程，正壓送風量是確保平臺主要電氣設備壽命的基本條件，除保證各房間的送風量合理外，還需要維持房間壓差的穩定，避免建造完成后平臺的室內環境條件達不到要求。需要注意以下幾點：

（1）定期更換新風濾網，以減少新風濾網堵塞造成的壓差降低。

（2）定期更換初效、中效過濾器，以減少送風量的波動帶來的壓差混亂。

（3）不要頻繁地開門、關門，以免自控系統反復調節出現失靈和壓差紊亂。

（4）減少每次開、關門時間，以免出現風量泄漏、壓差降低超過系統的調節范圍。

（5）關門必須關嚴，否則漏風量過大，會造成壓差混亂。

（6）使用自動門，可以設定開門時間、保持時間、關門時間，保證壓差不受到很大的波動影響。

（7）定期檢查每一扇門的密封性。

（8）定期檢查現場的壓差裝置及顯示數據。

（9）隨時監控在線壓差顯示系統的數據，隨時了解平臺現場發生的狀況，并及時提醒操作人員注意壓差的穩定保持。

表7 余壓閥泄壓面積

結論

目前，實際工程中設計人員大多是依據經驗按換氣次數計算每個房間的風量。為了給海上升壓平臺提供合適環境條件，本文對海上升壓站正壓送風系統的送風量計算以及余壓閥設計進行了分析探討，得出以下結論：

（1）對海上升壓站項目，送風量采用縫隙法計算滲透風量，既考慮了房間維護結構的氣密性，又考慮了室內維持不同的壓差值。因此采用縫隙法計算比按房間的換氣次數估算法更為合理和準確。

（2）電氣設備房間的送風量除滿足房間正壓值要求外，還需滿足過渡季及冬季排除室內余熱的要求，因此取縫隙法與消除余熱法兩種計算結果的較大值作為此房間送風量。

（3）對于繼保室及35kV配電裝置室這類發熱量較大的房間，排除余熱所需風量遠大于維持房間正壓所需的風量，此類房間的送風量可直接取其排除余熱所需風量。

（4）對于發熱量小的房間應采用縫隙法計算風量、采用換氣次數法校核風量，選取較大值確定風量。

（5）升壓平臺的送風量是確保平臺主要電氣設備壽命的基本條件，避免建造完成后平臺的室內環境條件達不到要求。盡量增加房間的密閉性，就能降低未經處理的空氣進入房間而導致室內污染的風險，應引起設計人員的重視。

攝影：孫飛