沙特阿美油氣站場變電所工程的空調通風系統設計*

李洪濤 李勝利 宋永勝 田濤 李軍 郝慶

1中國石油天然氣管道工程有限公司

2中油管道物資裝備總公司

沙特阿拉伯國家石油公司（Saudi Aramco，簡稱“沙特阿美”）是世界最大石油生產商、原油出口商和第六大石油煉制商，是我國“一帶一路”沿線重要合作伙伴。沙特阿美匯集50余年設計生產及運行管理經驗，形成獨有且龐大的設計規范與工作體系，應用于公司所有工程。國際油氣領域公認沙特阿美企標是世界最嚴苛規范，因此企標滿足了阿美公司要求，就具備兼容全球的能力，有助于開拓高端油氣市場[1-4]。

變電所是油氣站場重要組成部分，它既是下級電網電源點，也是上級電網負荷點。作為電力系統樞紐，變電所將輸電線路上較高電壓降到滿足設備需要的等級，對油氣線路與站場配套電網安全經濟運行起著舉足輕重的作用[5-9]。

阿美工程中變電所內部包含電氣設備室、控制室、通信室、蓄電池室、GIS室（氣體絕緣室）、SEC室（沙特國家電力公司值班室），以及專門放置空調設備的機械室、CCU（Closed Control Unit，精密空調）室。本文結合某工程實例，針對阿美油氣站場變電所空調通風系統，從系統設計、自動化設計及相關計算等方面進行介紹。

表1 相關規范Tab.1 Relevant standards

1 規范

沙特阿美初期由美國雪佛龍、埃克森&美孚、德士古公司聯合創建并運營，1962年由沙特政府收為國有后發展至今，其空調通風系統相關規范見表1。

阿美規范在每頁頁眉處包含兩條信息，一是規范起始日期，二是下一輪升版日期。升版周期約3～5年，不同規范起始日期以及下次升版日期不同，設計人員應注意時效性。

部分項目在主合同中有規范截止日期的相關規定，例如，將2018年2月1日定為截止日期，該日期之后即使有規范升版，本項目不再應用；如果沒有提前說明，需要根據執行周期對已經或將來可能過期的規范提前做好記錄，避免引起設計事故。

2 系統設計

對于阿美工程，根據SAES-T-916中4.3.6.4節要求，通信室空調系統應單獨設置。所以變電所空調系統分為兩部分，一部分是除通信室外整個單體使用中央空調AHU&ACCU系統。AHU（Air Handling Unit）屬于室內機，放置在機械室，包含過濾段、加熱段、膨脹段和送風機組，加濕器可置于AHU內部或獨立設置；ACCU（Air Condensing Cooling Unit）是室外機。另一部分，通信室根據SAES-K-003規范6.5.2節中規定，須使用精密型空調。阿美工程常用空調形式為CCU&ACCU，其中CCU為室內機。沙特全境氣象參數可參考SAESA-112，室內設計參數依據SAES-K-001，見表2。

表2 變電所室內設計參數Tab.2 Design parameters inside substation

2.1 中央空調系統（不含通信室）

阿美要求新風獲取須使用新風立管（圖1立面），不能通過門窗縫隙或墻面百葉直接獲取。根據SAES-K-002規范5.1.2節中規定，新風立管高度至少7.5 m，并高于周圍建筑，立管內部設置防沙百葉、濾網、防鳥網、壓差計量器，頂部安裝氣體檢測探頭。探頭通過儀表電纜連接控制中心的ESD（緊急停車系統）機柜。立管入戶風道上設置電動風閥并連鎖室內過濾設備。新風從立管頂部進入，經過氣體檢測與物理沉降后進入機械室。

圖1 機械室布置Fig.1 Mechanical room layout

空調設備主要放置在機械室（圖1），包括AHU、加濕器、慣性過濾器、化學過濾器、配電柜與控制柜（Direct Digital Control，下稱DDC），配電柜與DDC同樣負責通信室空調系統CCU&ACCU的配電與控制。新風送入機械室后，到達AHU之前先由慣性過濾器進行物理過濾。慣性過濾器分為兩級過濾，采用ASHARE標準中的比色法作為測定與評價指標，初過濾效率需達到25%，次過濾達到85%。過濾產生的廢棄沉降物（砂石、灰塵等）通過風機吹至室外，新風進入下一級的化學過濾器，化學過濾器功能為除去易燃與有毒有害成分。根據SAES-K-002中針對化學過濾器的要求，可燃氣體組分爆炸下限百分比（LEL）的報警閾值為5%（體積分數），動作閾值為10%，同時H2S濃度報警閾值為5×10-6，動作閾值為10×10-6。經化學過濾后，如H2S濃度仍超過10×10-6，會連鎖關閉加壓單元與風道閥門。

新風經加壓單元送入回風靜壓箱與系統回風匯合，經AHU冷卻或加熱后進入送風風道，再送至整個單體。過濾器濾網前后設置壓差感應器，并與DDC連鎖，從而實時監控過濾設備狀態。對于DDC布置，根據SAES-P-116規范7.2.2節中規定，DDC與其他設備正面保持最小1.5 m的距離，側面保持1 m距離。

主風道與單體內各房間設置溫度傳感器，將溫度信息實時上傳至DDC，接受實時監測。主風道設置濕度傳感器，并與DDC連鎖，用以啟停加濕器。冬季不同房間溫度要求差別較大，AHU制熱盤管負責維持單體基本溫度（16～18℃），蓄電池室、控制室、SEC室等對溫度標準要求較高的房間（22±2℃）入戶風管處額外設置管道加熱器。加熱器與自帶的溫度計連鎖，溫度計位于相關房間內，實現加熱器的自動啟停與狀態控制，并受DDC監測，保證房間溫度達到要求。

2.2 通信室空調系統

通信室單獨設置空調，且根據SAES-K-003規范6.5.2節中規定，使用機房精密空調，形式為CCU&ACCU。根據阿美規范，通信室內不能放置除通信設備外的其他設備，并且不能出現給排水系統。因此在通信室隔壁設置CCU室，放置CCU，相關給排水管道與冷凝管也布置在CCU室。通信室與CCU室之間墻面開洞，設置送風口與回風口。根據SAES-K-003規范6.8節中要求，如通信室空調不含新風設備，則需要單獨設置一套新風系統向通信室送風，使房間保持正壓（圖2）。

圖2 通信室空調系統設計Fig.2 AC system design in telecom room

2.3 外墻開洞

根據SAES-M-009規范8.3節中規定，對于風道穿外墻的開洞應采取抗爆措施。根據規范SAESM-009要求，洞口截面積大于1 000 cm2時，如爆炸峰值壓力大于0.07 MPa，應在開洞位置設置抗爆閥，避免壓力傳至室內；如壓力小于0.035 MPa，可在洞口位置設置爆炸衰減器。如果壓力介于二者之間，規范中沒有明確描述，通常做法也是設置抗爆閥，這也是國內油氣站場中常用的壁式軸流風機很少出現在沙特阿美工程的原因。如果外墻風道洞口截面積小于1 000 cm2，可以不考慮抗爆措施[10]。SAES-K-003規范要求所有墻面開洞必須設置電動防火閥，與DDC連鎖，實現遠程開閉。

3 自控設計

中央空調及通風自動化系統內部由DDC采集溫度和濕度信號，監控并啟停設備與電動閥門；外部由變電所等各單體的DDC將信號通過光纜傳至控制中心中總DDC；同時總DDC通過串口連接儀表控制柜（Process Automation System，下稱PAS）并上傳信號。PAS是整個站場的“大腦”，所有設備信號及狀態均需上傳至PAS。空調通風設備也要接受電力控制系統（Power System Automation，下稱PSA）監控。自動化流程見圖3。

圖3 系統自動化流程Fig.3 Flow of system automation

3.1 通信

（1）光纖通信。變電所溫度和濕度、設備狀態等所有信號經DDC采集后，上傳至控制中心總DDC，因信號數量巨大，采用光纖傳輸方式。對于相關供貨情況如光纜、跳線及信號接線板由暖通廠家還是通信廠家提供，需要在采辦過程中的技術澄清環節予以落實。

（2）硬線通信。SAES-L-003規范6.10節中規定，所有設備失效及報警信號均需上傳至位于沙特達曼市的網絡中心（Network Operation Control Center，下稱NOCC）進行集中監測與控制。SAES-L-003規范7.4.6規定，電池室氫氣濃度達到報警閾值后，空調設備切斷的同時相關報警信號也需遠傳至NOCC。SAES-T-916規范4.3.8.3規定，通信室設置高溫探頭，相關報警信號上傳至NOCC。

綜上所述，鑒于硬線鋪設成本低且更穩定，報警信號的上傳使用硬線（銅線），從總DDC或變電所DDC直接連接至站場通信中心的RTU設備，然后遠傳至NOCC。

3.2 電力

PSA機柜根據需要，從系統采集必要信號，包括高溫報警信號、系統運行與失效信號，從而對溫度、濕度和設備狀態起到監視作用。根據SAES-P-103規范6.3.2節中規定，空調與風機通過DDC連鎖UPS（不間斷電源）充電開關。當設備發生故障時，DDC會直接作用UPS，切斷電池充電過程，避免產生氫氣。維護搶修方面，SAES-P-103規范中要求，在蓄電池室出口外側，必須設置聲光報警器。報警器與風機連鎖，當風機出現故障時由報警器通知工作人員盡快維修。

3.3 儀表

火災發生時，儀表一路信號會從變電所FDAS（火災探測系統）通過硬線直接傳輸至DDC，關閉設備。設置煙氣的低報警與高報警，可燃性氣體濃度達到臨界值時，通風立管頂部可燃氣體探測器傳輸信號至控制中心ESD機柜，再通過硬線將信號傳輸至變電所DDC，從而在事故狀態下緊急切斷系統?？侱DC使用串口通信，連接PAS系統，實時上傳設備運行狀態。

需注意，SAES-J-902規范第14節中要求，根據儀表信號種類、電壓、電流不同，將相應電纜分為三個等級，不同等級不能共用同一個橋架。

4 相關計算

根據阿美要求，除冷、熱負荷及空調送風量計算使用指定軟件HAP（Hourly Analysis Program）外，新風風量和加濕器選型計算等都需要工程師手動完成，計算過程作為附件插入計算書。

4.1 新風風量

根據SAES-K-001規范4.4.11.2節中規定，新風風量計算方法分兩種，取其中較大值。

方法一：空調送風總風量的5%，與所有風機排風風量之和，即根據HAP完成負荷計算，得出總風量及各個房間風量，結合排風量求和，完成新風總風量計算。

方法二：參考ASHRAE 62.1中Table-2，取值并計算。

方法二計算涉及三部分，基于房間壓力、基于房間面積和基于工作人員數量，計算結果取較大值。

（1）基于房間壓力計算。計算帶壓（正壓或負壓）房間，通過門窗縫隙的空氣泄漏量為

式中：Ql為空氣泄漏量，ft3/min；C為系數，取值0.65； A為門窗縫隙面積，ft2；Δp為內外壓差，in H2O，1in H2O=0.249 082 kPa； ρ是空氣密度，取值0.074 9 lbm/ft3，可根據需要進行國際單位與英制單位轉換。

維持正壓需要空氣量

式中：Q為總新風量，ft3/min；Qp為空氣風量，ft3/min；Vt為空氣體積，ft3；Vr為房間體積，ft3；pt為總壓力，kPa； pa為大氣壓力，kPa； pr為房間壓力，kPa。

阿美工程認為送風時間為5 s即可使得房間達到并保持預定壓力。

（2）基于房屋面積計算。根據ASHRAE 62.1中Table-2對不同房間每平米新風量的規定，結合房間面積，直接計算新風量。

（3）基于工作人員數量計算。因變電所自動化程度較高，沒有常駐工作人員，不需考慮此部分。

4.2 加濕量計算

根據ASHRAE應用手冊，依據加濕量計算結果對加濕器進行選型。

式中： H為加濕量，kg/h； ρ為水密度，kg/m3；Q0為新風風量，L/s；Wi為室內濕度比，W0為室外濕度比，kg（水）/kg（干空氣），Wi與W0根據焓濕圖與當地氣象參數確定，本工程Wi冬天取0.005 36，夏天取0.003 16， W0取0.009 73； S為室內其他水汽來源，kg/h；L為其他水汽損失，kg/h。

對于變電所，S與L可以忽略不計，所以加濕量最終公式為

5 結論

根據阿美規范與設計理念，對阿美工程變電所大型中央空調及通風系統進行相關設計與優化，以提高系統先進性與可靠性。

（1）優化新風處理系統，選擇新風立管、慣性過濾器與化學過濾器，監測新風狀態，并進行物理沉降與化學成分過濾。同時濾網前后設置壓差感應元件，實時監測過濾設備狀態。

（2）對變電所與其中的通信室進行設備選型與相關設計。在抗爆建筑外墻開洞，并根據阿美要求采取必要的抗爆措施，這也是國內工程常用的壁式風機在阿美工程極少使用的原因。

（3）空調與風機除互相連鎖外，還連鎖蓄電池強充裝置，保障蓄電池室安全。蓄電池室室外設置聲光報警器，提醒工作人員在故障發生的第一時間修理風機。

（4）進行自動化設計，實時監控設備狀態、電動閥門狀態及溫濕度信息；暖通作為主體專業，梳理與通信、儀表和電力專業間界面信息，包括戶外危險氣體及戶內火災檢測裝置的連鎖，與控制中心總DDC、PAS系統以及NOCC間的通信。

（5）根據規范要求，完成符合阿美工程思路的新風與加濕器選型計算。