LED燈具在海上石油平臺的應用分析及探討

郭明荃 吳占友 陳 鑫

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

海上石油平臺開發工程上的電氣照明設計是電力系統設計的重要部分，海上石油平臺所處的環境非常特殊，LED燈具長期處于高濕度、高鹽霧的環境中，極易出現被腐蝕的現象。平臺外延、帶纜走道甚至下層甲板LED燈具可能受強風和海浪的沖擊；生產區域的LED燈具工作環境中有油污、腐蝕性氣體，甚至存在易燃易爆氣體；且海上石油平臺空間有限、設備高度集中，LED燈具布置受空間限制，后期燈具維修困難，這都對于LED燈具選型應用提出了特殊要求。

1 LED燈具的特點

1.1 技術性能優越

（1）顯色指數高。傳統照明光源，如高壓鈉燈等，光源顯色指數較低，僅為20～30，光源色溫1900K，光線為黃色。顯色指數低不利于施工人員分辨物體的細節，特別是對于夜間吊裝作業時移動的物體更難分辨。LED顯色指數可達90，光源色溫超過5000K，光線接近自然光。在相同照度情況下，LED照明的施工作業現場更加明亮，更能創造一個舒適的視覺環境，提高了夜間作業的安全性。

（2）眩光影響小。眩光會給作業人員心理及情緒等帶來不適，嚴重時則會造成人員難以看到物體。LED光源由于其光線具有單向輻射性，可通過特殊設計（如燈珠布置、透鏡封裝等）降低眩光的影響。

（3）照度均勻性好。LED光源通過小功率分散布置，可根據光照區域需要進行特殊的光學設計，改變光源出光角度、光通量大小、光強大小及分布等。

1.2 安全環保

高壓鈉燈屬于氣體放電光源，電弧管內充有金屬元素（如汞、鈉等），通電后管內金屬元素在弧管兩端電極作用下，受熱成為蒸氣，產生電弧放電發光。從觸發到正常發光需經過觸發、著火和正常發光三個階段，時間一般為5～10min，不允許連續啟動。在工作狀態下，燈具腔體內的溫度超過150℃，在非工作狀態下會形成負壓，回吸灰塵等雜質，大大影響燈具的出光效果和使用壽命，且存在頻閃。

而LED燈具不含重金屬元素，綠色環保，并且無頻閃現象，響應時間為納秒級，通電后瞬間啟動，不存在啟動延時問題，是目前所有光源中響應最快的產品。

除此之外，LED燈具采用固態光源，燈珠固定在基板上，故而其抗振性能好。

1.3 經濟性能優越

傳統燈具由于氣體放電燈的負阻特性，工作時需要配置專用鎮流器，燈具工作時除本身消耗功率外，鎮流器也會消耗燈具自身約20%的功率，無形之中增加了額外耗能。LED燈具除本身消耗功率外，驅動電源消耗的功率幾乎可以忽略不計。

LED燈具前期采購投入的成本較高，但在燈具使用2～3年后，其經濟性基本與傳統照明光源持平，使用的時間越長，LED的經濟性優勢就越明顯。且隨著技術的發展，其價格還有下降的趨勢，經濟的優越性將越發突出。

2 LED燈具應用分析

海上石油平臺照明設計是否合理，直接關系到海上石油平臺生產安全、作業質量、生產效率及海上操作人員的生活質量，同時也與操作人員的人身安全和機械設備的運行安全息息相關。在LED燈具應用越來越廣泛的今天，本文將從以下幾方面分析LED燈具在海上平臺的應用。

2.1 LED燈具與傳統燈具對比

最常用的海上石油平臺照明光源包括熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等。

傳統熒光燈在海上平臺照明系統中廣泛應用于逃生通道、電氣房間、生活樓等場所。

高壓鈉燈是利用高壓鈉蒸氣發光，光呈淡黃色，廣泛應用于海上平臺卸貨區、井口區、帶纜走道照明以及來往船只卸貨照明。

金屬鹵化物燈簡稱金鹵燈，與高壓汞燈的主要差別是放電管內除汞及稀有氣體外，還含有一種或多種金屬鹵化物，如碘化鈉、碘化銦等。由于各種金屬原子被激發放電，金屬鹵化物燈光效和顯色性大大提高。海上平臺生產區域層間高一般可以達到5.5m以上，在熒光燈不能滿足照度要求的情況下，大功率的金鹵燈是生產區域主要的照明燈具。

現階段，大多國內LED生產廠家均具有可以替代傳統燈具的相關類型，具體參數對比表如表1所示。

考慮到LED燈作為一種綠色光源，半導體照明自身對環境沒有任何污染，在同樣照明亮度下，耗電量僅為等同熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈的50%。以海上常規8腿井口平臺，另外配置一座100人生活樓為例，25年項目周期，如果照明全部使用LED燈具，可以節約電費約1000萬元?？梢?，選用LED燈具是海上石油平臺照明發展的必然趨勢。

2.2 海上石油平臺LED取證要求

盡管LED照明發展如火如荼，但由于世界各國環境差異過大，LED照明產業標準尚未在世界范圍內獲得普遍認可?？紤]到海上平臺特殊的生產/生活環境，一套完整的LED燈具產品證書是LED安全使用的有效保障。

表1 LED燈具類型與傳統光源燈具對比表

2.2.1 LED防爆/防護證書

常規海上平臺按照API505規范主要分為非危險區和危險區。非危險區的LED燈具選型可選用非防爆燈具?？紤]到海上石油平臺潮濕、多鹽、多霧的環境，室外布置的LED防護燈具均要求防護等級在IP56以上，組塊帶舾裝房間及生活樓燈具選用防護等級在IP23以上，組塊不帶舾裝的房間及生活樓洗浴間等多水的房間燈具防護等級在IP44以上即可。

生產區域燈具需嚴格按照項目危險區劃分圖設計，危險區內布置的燈具必須選用適用于對應危險區等級的防爆燈具，并取得相關防爆證書。

2.2.2 LED藍光取證

照明用LED光源因發光原理導致光譜中藍光成分含量較高，根據研究，富藍光會造成以下幾種不良危害：

（1）藍光是一種褪黑激素抑制劑；

（2）藍光會使眼睛內的黃斑區毒素量增高；

（3）藍光可導致白內障術后的眼底損傷；

（4）藍光可引發視覺模糊。

海上現場作業人員長期在海上石油平臺上生產生活，LED燈具選型必須考慮LED燈具的藍光危害。根據新版燈具國家安全標準GB7000.1—2015《燈具第1部分：一般要求與試驗》關于光生物安全要求，所有應用于海上石油平臺的LED燈具必須“應用IEC62471評估光源和燈具的藍光危害”，并獲得相關證書。當初級光源的藍光危害為RG0或RG1時，它可以在燈具上使用而不需要任何標記；當藍光危害的信息為RG2的Ethr時，根據燈具的類型，對標記的要求有所區別。

2.2.3 LED光衰驗證及光電性能測試報告

海上石油平臺投產后，大多數燈具因為現場條件維修/維護特別困難，為保證LED光源質量，LED燈產品整燈需取得LM80報告，LED燈產品所使用的光源需取得LM79報告，LM79是針對固態照明產品電氣和光度測量的方法，LM-80是針對LED光源光通維持率的測試方法。

2.3 海上石油平臺LED燈具選用需關注的問題

本文詳細調研了國內外廠家最新LED燈具的形式，并結合已使用LED燈具的海上項目的反饋，針對海上LED燈具的選用總結了以下幾點需重點關注的問題：

2.3.1 散熱

大功率LED體積小、工作電流大，輸入功率中大部分（70%～80%)將轉化為熱能。若燈具熱量不能有效傳導和散發，將造成LED燈芯片溫度居高不下，引起光強降低、光譜偏移和元器件加速老化等一系列問題，大大降低LED的可靠性和使用壽命。

LED的工作環境溫度升高，會使LED壽命呈指數性縮減。溫度每升高10℃，LED壽命平均減少一半。元件溫度每上升2℃，可靠性將下降10%。LED燈具良好的散熱途徑應為：LED管芯→散熱墊→印制板敷銅層（光源金屬背板）→散熱殼體→環境空氣。為保障良好的散熱途徑，燈具需一體化設計，使LED光源的熱量及時有效地通過殼體傳遞到環境空氣中。

另外，為滿足防爆等級要求，海上平臺LED照明燈具通常將光源和驅動電源安裝在特殊的保護外殼中，有應急功能的燈具還包括應急電池，而且封裝大多采用集成模式，導致燈具在工作過程中散熱更加困難。保護外殼除承擔防護防爆保護功能外，同時還作為散熱導體將內部熱量傳到外部，但這種被動的散熱方式散熱效率較低，是最為需要關注的問題。

2.3.2 驅動電源

LED的單向導電性，決定著其驅動電源只能是直流電源。平臺照明系統供電電壓通常為交流220V，一般要經過降壓、整流、濾波、穩壓（或穩流）等環節，將交流電轉換為直流電，然后通過驅動電路為LED提供合適的工作電流。高效穩定的驅動電源不僅能降低LED的光衰，也能大幅度提高LED燈珠的使用壽命，從而滿足整個燈具長壽命、高可靠性的要求。對海上平臺LED燈具而言，驅動電源還要滿足平臺防護等級和自身散熱等要求。

3 結語

國家標準對于LED燈具要求的逐步完善，以及國內外LED燈具的蓬勃發展，為海上平臺LED燈具的應用推廣奠定了基礎。考慮到LED燈具在環保、節能等方面具有巨大優勢，海上石油平臺照明將逐步進入LED時代。

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