油氣田聯合站中高壓變頻器室暖通空調系統設計

劉訓偉

（山東萊克工程設計有限公司，山東 東營 257029）

油氣田聯合站是油氣集中處理聯合作業站的簡稱。主要是為油氣集中處理（原油脫水、脫鹽、天然氣凈化以及外輸和增壓、脫硫、硫磺回收、原油穩定、輕烴、液化氣回收等）、油田注水、污水處理、供變電和輔助生產等活動提供生產和生活的基礎性設施。同時，聯合站是高溫、高壓、易燃、易爆的場所，是油田一級要害場所。加之本工程順北油氣田該聯合站地處塔克拉瑪干大沙漠腹地，晝夜溫差大，高溫缺水，風沙大，氣候惡劣。聯合站中變頻器室主要負責天然氣處理及外輸中設備用電的變頻，起到降低聯合站站場用電率，保障下游城市油氣供應的穩定，為聯合站的正常運轉起到至關重要的作用。加之變頻器設備發熱量大，高溫容易極大降低設備使用壽命，因此，在油氣田聯合站正常運行過程中，高壓變頻器室的暖通空調系統的設計是非常重要的一個環節。

1 變頻器室室內外設計參數要求

（1）根據《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50019-2015）附錄A，查得室外設計氣象參數（新疆維吾爾自治區阿克蘇地區），見表1。

表1 室外設計參數

（2）室內設計氣象參數。供暖室內設計計算參數、空調室內設計計算參數應根據建筑物性質、生產特點及要求、勞動強度因素確定。根據《石油天然氣地面建設工程供暖通風與空氣調節設計規范》（SY/T7021-2014）中室內設計計算參數規定如下：變頻器室夏季室內設計溫度不宜高于 30 ℃，冬季室內設計溫度為 5～8 ℃，夏季、冬季對相對濕度無相應要求。

2 變頻器室設備對環境要求及散熱量分析

油氣田聯合站作為目前油氣田開發中主要工業站場，在油氣處理、外輸、增壓過程中，需要消耗很大的電力，同時變頻器本身運行時也要消耗電能，對于幾十千瓦以下的變頻器， 一般滿負荷時的消耗占額定容量的3%～4%。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用，將工頻變換為電壓、頻率都可調的交流電源的電能控制裝置。故變頻調速技術是油氣田聯合站設計中應用較多的一種節能方法。

當室外空氣中的風沙、灰塵等大顆粒有害物較大時，極易進入變頻器室內，導致變頻器本身的濾棉堵塞，使電氣設備節能效率下降。變頻器內部設置有壓差檢測裝置，檢測變頻器通風效果進而判斷是否存在濾棉堵塞，避免風沙、灰塵等堵塞導致變頻器運行溫度過高，引起設備停機，影響變頻器的正常生產運行。

根據市場主流變頻器設備調研情況，變頻器設備本體均自帶冷卻裝置，冷卻裝置可以采用水冷或風冷型式。風冷變頻器通過冷卻風機將散熱量排出柜體，達到降低柜體內環境溫度，確保變頻器內的元器件運行溫度在允許值以下，風冷變頻器自帶的通風冷卻系統可以由變頻器設備廠家一起提供，暖通專業提出通風冷卻系統的技術要求即可。水冷變頻器的絕大部分熱量均由工藝循環冷卻水通過換熱器換熱帶出柜體，暖通專業設置普通機械通風或空調裝置即可。

本工程變頻器室主要用于天然氣處理和外輸過程中各類泵變頻使用，一般變頻器室具有建筑面積不大，但單位建筑面積的設備發熱量相當大的特點。該工程中變頻器室中設備散熱量統計表如表2所示。

表2 變頻器室設備散熱量統計表

3 變頻器室暖通空調方案的比選

根據以往工程經驗和現場調研結果，文章將從變頻器室的機械通風冷卻、空-水降溫冷卻和空調密閉冷卻三個方案進行變頻器室暖通空調系統工程設計方案進行選擇。

3.1 機械通風冷卻方案

（1）機械通風冷卻方案設計計算原理：

機械通風量的計算一般應按每小時換氣次數或每小時需要新鮮空氣量來決定，有時還應根據排除房間余熱、余濕或有害氣體量而定。通風量的選擇應取下列幾項中的最大值。

①確定通風量時應針對不同的設備房，按每小時換氣次數進行計算：

式中：L為通風量（m3/h）；N為換氣次數（次/h）；V為通風房間容積（m3）

②當房間內發熱量較大時，需要采用全面排風方式消除室內余熱，通風量應按下式計算：

式中，L為通風換氣量（m3/h）；Q為室內顯熱發熱量（W）；tp為室內排風設計溫度（℃）；ts為送風溫度（℃）。

（2）當變頻器散熱直接排入室內時，由暖通專業設置機械進、排風系統將變頻器排熱排至室外。按變頻器室所處室外通風環境參數和工藝/電氣專業所提供資料，有以下兩種通風方案：①當變頻器室布置在環境非易燃易爆區域內時，可采用負壓通風方式，氣流組織一般為自然進風、機械排風，根據局部通風罩設計原則，并結合變頻器結構形式，在變頻器上部設置由排風機、獨立排風罩、排風管、風管管件及排風機組成的機械排風系統。利用獨立排風罩將排熱量收集起來，通過機械排風系統將變頻器散發出的熱量排入獨立排風罩內并通過風管排至室外。其中獨立排風罩系統需要確定罩口長度及寬度、變頻器高度、排熱裝置高度，罩空間高度等相關參數。為在獨立排風罩吸風口四周邊緣形成負壓以便于更好地利用氣流組織排出室內熱量。②當變頻器室布置在易燃易爆區域時，可采用正壓通風，氣流組織為機械送風、機械排風。正壓送風系統由自助沙塵過濾送風機組送風，通過機組送風量大于排風量，保持室內正壓。其中機械送風口需取自室外潔凈區域。

3.2 空-水降溫冷卻方案

（1）當從變頻器頂部出來的熱風無法排至室外時，可以采用空-水降溫冷卻方案：

從變頻器頂部出來的熱風，由換熱器上部的風機直接引入空-水冷卻換熱器進行熱量交換，由工藝循環冷卻系統直接將變頻器散失的熱量帶走，熱風經冷卻裝置冷卻后，變成冷風從換熱器吹出，熱量被循環冷卻水帶走，保證變頻器室內的環境溫度。工藝循環冷卻系統與變頻器內風系統完全隔離，工藝循環冷卻系統冷卻水管道在變頻器室外與變頻器設備完全分離，確保高壓變頻器免受防水、絕緣破壞等安全威脅和事故的有害影響。

（2）變頻器自帶完整排風系統（含隔熱排風管）時的散熱量由其變頻器自帶的排風系統引至室外排放，暖通專業只需配套相應的機械通風系統設計。

機械通風系統由機械通風降溫機組、送風管及房間下部送風口組成，送風量大于變頻器排熱風機總排風量，室內保持正壓，以阻止室外風沙、灰塵的侵入。

機械通風降溫機組可采用水冷表冷器或氟利昂直接蒸發式表冷器。當采用水冷表冷器時可采用工藝專業提供的循環冷卻水。當采用氟利昂直接蒸發式表冷器時，應向空調機設備廠家提出空調進風溫度，以便其根據該進風溫度特殊供貨。

3.3 空調密閉冷卻方案

3.3.1 空調密閉冷卻系統

當設置空調密閉冷卻系統時，變頻器排熱直接散入室內而不排出室外。變頻器室采用空調密閉冷卻方式時，變頻器室內空間要盡可能小，并且要密閉，以減小室內的空調冷負荷。其中空調冷源可以選擇分體空調機和單元式空調機組這兩種空調系統形式。

3.3.2 采用普通分體空調器

根據對變頻器設備的調研情況，變頻器的通風氣流組織一般為下進風、上排風，為避免冷、熱氣流在變頻器內部交匯進而導致冷凝水的析出，影響電氣設備的安全運行，故分體空調器需要采用柜式型式，送風氣流形式為下部送冷風、上部回風。此種方案較簡單，但不能維持室內正壓，外部風沙、灰塵容易侵入。

3.3.3 采用單元式空調機組

系統構成相較分體空調器系統復雜，空調系統組成部件較多，需要一定的安裝空間。送回風方式主要有：①前回風、前出風（帶風帽）②前回風、頂出風③后回風、頂出風。單元式空調機組可采用風冷或水冷兩種冷卻方式。系統有新風引入功能，采用固定新風比，能夠有效改善室內空氣品質并維持室內正壓。

4 變頻器室暖通方案確定

在機械通風冷卻、空-水降溫冷卻和空調密閉冷卻三個方案中，機械通風冷卻現場運行操作最簡單、外部依托程度較低、工程投資也最低，因此當建設地室外環境較適宜和同時缺乏外部依托（此處特指符合降溫條件的工藝循環冷卻水）的情況下，建議優先采納該設計方案。

如前所述，變頻器室內最佳環境溫度為25 ℃，從對變頻器設備的現場調研來看，降低變頻器運行溫度便于負荷變化較大的設備的變頻調速運行，一方面可以延長設備的使用壽命，另一方面，可降低設備自身耗能進而達到降低站場總用電量的效果，進而提高整個站場的節能率。而通過分析采用空-水降溫冷卻或空調密閉冷卻可以穩定保證變頻器的運行溫度，因此當變頻器室周圍環境自然環境比較惡劣時，優先空調密閉冷卻方案，當現場具備工藝循環冷卻水的外部依托時，推薦采用空-水降溫冷卻方案。從滿足變頻器正常運行要求出發，建議將變頻器室的室內設計溫度設定為 28～35 ℃。鑒于順北油氣田的氣候環境，地處沙漠腹地，常年風沙天氣較多，進排風過程中，風沙容易進入室內，加之水資源比較匱乏，經過綜合考慮，本變頻器室采用空調密閉冷卻方案。詳見圖1。

圖1 變頻器室暖通系統布置圖

5 自動控制系統設計

5.1 報警裝置設置

由于順北油氣田地處沙漠腹地，加之沙漠環境氣候復雜多變，交通不暢，油氣田聯合站一旦發生火災、可燃或有毒氣體泄漏等緊急情況，后果極為嚴重。因此，在變頻器室設置了溫度檢測裝置、火災檢測報警、可燃或有毒氣體泄漏等報警裝置，對存在安全隱患的設備房實施中控室實時監控，同時，這些對設備設置了與暖通空調系統中風機、空調設備的自動控制與聯鎖。

5.2 自控系統聯鎖

變頻器室中所有風機、空調及風閘的運行狀態均遠傳中控室，并與變頻器室室內的溫度檢測裝置、火災、可燃或有毒氣體泄漏等報警裝置進行聯鎖啟停。當變頻器室發生火災時，報警信號遠控著火房間所有的防火風閘、風機、空調停止運行；當變頻器室檢測到可燃或有毒氣體時，報警信號遠控著火房間所有的防火風閘、風機、空調停止運行，避免有害氣體進入變頻器室內；當室內溫度超過或低于室內設定溫度時，溫度檢測裝置可以遠控空調進行啟停。

5.3 采用機房專用空調群控系統

由于變頻器存在冗余度，系統依據負載分布和空調配置，合理分配空調系統的運行，減少空調設備的運行時間，來降低整個變頻器室的能耗。

6 結語

油氣田聯合站中高壓變頻器室暖通空調系統的設計方案主要是根據高壓變頻器室所處地區的室外環境、外部依托情況、工藝/電氣專業給暖通專業所提設計要求、暖通專業內的設計要求及有關規范、規則和公約的要求確定，主要滿足設備工藝性和人員舒適性要求。它不但關系到油氣聯合站中人員的工作環境的舒適性，還關系到聯合站油氣正常生產運行的安全性，所以在設計過程中不但要滿足建設方的要求，還要滿足相應規范和標準的要求。同時，還應做好空調效果的仿真模擬，主要從氣候參數選取、設備布置、模擬參數確定、空調系統效果的驗證出發，針對氣流組織特性的數值分析與模擬實驗，深入分析變頻器室內部的氣流速度、溫度場分布，并在此基礎上得出合理的冷量調配設計方案，獲得最佳的送回風狀態，滿足設備的散熱需要，達到最優冷量配置的效果，確保空調系統能夠達到節約電能的效果，由于篇幅限制，以上內容不再深入論述。