寒冷地區大散熱量房間冬季制冷方案

　　摘 要 海洋石油平臺上存在一部分散熱量很大的電氣房間,在冬季工況下仍需要對這些房間進行降溫處理。為了解決寒冷地區大散熱量房間冬季制冷問題,提出3種設計方案:壓縮冷凝機組方案、乙二醇-制冷劑雙系統方案、全新風變風量系統方案,并對各方案進行簡要分析。研究結果表明,在寒冷地區冬季工況下,對大散熱量電氣房間采用全新風變風量系統比較合適。

　　關鍵詞 制冷;寒冷地區;海洋石油平臺;電氣房間;大散熱量

　　傳統空調機組的運行工況為夏季制冷、冬季制熱,但在海洋石油平臺上,一些電氣房間設備散熱量較大,即使在冬季低溫度條件下,仍需要制冷處理。若在環境溫度低于0 ℃的情況下還需要對房間進行制冷,通常的做法是采取分體式空調加冬季通新風的模式,新風管道直接與空調室內機本體相連,在管道和室內機回風口上設置調節閥門。冬季工況,關閉室外機,打開新風口調節閥門,關閉室內機回風口閥門,只運行室內機,通過室內機風機將室外新風送入房間降溫,被加熱的空氣通過排風口排至室外。

　　此方案比較簡單,但是存在以下問題:

　　1)新風量不能根據房間溫度進行自動調節,造成房間溫度變化較大;2)新風缺少過濾處理,造成冬季大量含鹽霧空氣進入房間,容易造成設備的腐蝕;3)采用分體式空調,設備臺數過多,操作維修工作量加大。為了解決渤海某石油平臺上大散熱量電氣房間冬季制冷問題,同時規避以往設計中存在的問題,筆者提出壓縮冷凝機組方案、乙二醇-制冷劑雙系統方案和全新風變風量系統方案,并對3種方案進行多維度分析,最終確定合理的空調方案。研究結果可為后續類似項目設計提供參考。

　　1 項目概況

　　渤海某石油平臺全年環境溫度范圍為-16~33 ℃,該平臺一電氣房間布置如圖1所示,房間尺寸為30m×20m×5 m(長×寬×高),房間圍護結構為鋼結構外加巖棉保溫,電氣設備散熱量為338kW,房間冬、夏季設計溫度均為26 ℃。該房間熱負荷包括電氣設備散熱量、圍護結構傳熱量、照 明 散 熱 量、維 持 房 間 正 壓 的 新 風 熱量、風機散熱量、送/回風溫升熱量以及人體發熱量。通過計算得到,室外溫度為33 ℃時,熱負荷為430kW;室外溫度為0℃時,熱負荷為353kW;室外溫度為-16 ℃時,熱負荷約為335kW。

　　2 三種冬季制冷方案

　　2.1 方案一:

　　壓縮冷凝機組方案夏季工況熱負荷約430kW。按照產品樣本,壓縮機 最 大 電 功 率 約 115kW,冷 凝 器 負 荷 為545kW,進風溫度t1 為33 ℃,取空氣進出口溫差15℃,則出風溫度t2 為48℃,所需風量為320.5m3/s,機組配置6臺冷凝器風機,每臺風量約5.34m3/s,風機電機功率為4kW。由于冬季工況下環境溫度較低,如仍按照夏季工況運行冷凝器風機,制冷劑經過冷凝器后冷凝壓力會大幅下降,造成冷凝壓力與蒸發壓力之間的差值減小,影響膨脹閥的正常工作,導致蒸發器的制冷劑質量流量減小,系統頻繁低壓報警,造成故障停機。壓縮冷凝機組方案根據冷凝壓力的變化控制冷凝器風機的轉速,從而保證冷凝壓力維持在一個相對 穩 定 的 范 圍,保 證 壓 縮 機 組 冬 季 正 常 運行[1]。機組 采 用 螺 桿 式 壓 縮 機,輸 氣 量 可 以 在10%~100% 范 圍 內 連 續 調 節,功 率 與 輸 氣 量 在50%以上負荷運行時成正比例關系[2]。

　　冷凝器風機中的 M1 為變頻風機,其余風機均為定速風機。夏季工況時,所有冷凝器風機投入運行;在過渡季節及冬季,當環境溫度逐漸降低時,變頻風機 M1 根據冷凝器出口壓力的變化開啟變頻模式,風量隨冷凝壓力的降低逐漸減小,當變頻風機 M1 的風量降低到最小值時,系統自動停止運行1臺定速風機,同時變頻風機又回到滿負荷運行狀態,當環境溫度繼續降低時,變頻風機根據環境溫度的降低風量逐漸減小,直至變頻風機風量為最小值,然后繼續停止1臺定速風機,從而保 證 冷 凝 壓 力 的 穩 定,維 持 系 統 正 常 運行。此方案中壓縮機功率在過渡季節及冬季近似為夏季功率(115kW)的75.3%~93.4%。冬季室外溫度為-16 ℃時,維持4臺冷凝器風機滿負荷運行即可保證機組正常運行,室外溫 度 為 15 ℃時,5臺冷凝器風機滿負荷運行即可。

　　本方案系統冬季工況所用的設備、風管系統都與夏季工況一致,區別在于壓縮冷凝機組自身新增一路控制系統,在過渡季節及冬季工況下機組可以根據環境溫度自行調節冷凝壓力,保證正常運行,減少了現場工作量。該方案中,壓縮機及部分冷凝器風機需要全年持續運行。

　　2.2 方案二:

　　乙二醇-制冷劑雙系統方案乙二醇-制冷劑雙系統方案(見圖3)是在制冷劑制冷系統中并入一路乙二醇溶液系統,夏季工況時,關閉乙二醇溶液系統,此時系統運行方式為常規的空調制冷模式。過渡季節及冬季時,關閉制冷劑制冷系統,啟用乙二醇溶液系統,通過電動三通調節閥調節通過乙二醇溶液冷卻器的溶液流量,確保進入空氣處理單元的乙二醇溶液溫度穩定,從而帶走房間熱量。本方案系統增加了水泵、膨脹水箱、電動三通調節閥、乙二醇溶液換熱器等部件。

　　2.3 方案三:

　　全新風變風量系統方案在過渡季節及冬季,將壓縮冷凝機組關閉,此時僅需要空氣處理單元工作,將空氣處理單元的回風管路的調節風閥關閉,新風經過濾后,通過原有的送風管路送入房間,即可給電氣房間降溫,吸收熱量的空氣直接通過風口排出室外。由于冬季相對濕度較低,且電氣房間僅有設備顯熱,故不需要考慮新風結露的問題。

　　為了使控制系統簡單,提高系統運行的安全性,過渡季節及冬季采用定靜壓變風量系統。本項目中,空調系統僅為該一個電氣房間服務,電氣設備在房間均布,故根據房間面積均布20個末端送風裝 置,每 個 末 端 裝 置 的 設 計 風 量 (夏 季 工況)約5000m3/h,過渡季節及冬季的風量調節范圍為900~4300m3/h,送風主管長度約30m,定壓點設置在約20m 位置[3],定靜壓點壓力根據設計的管路阻力計算值為400Pa。由于該房間為平時無人值守房間,在過渡季節及冬季,隨著環境溫度的降低,送風溫度的變化將導致房間溫度的變化,故設計將末端送風裝置調節閥的執行器與房間溫度聯動。

　　房間溫度相較于壓力具有延遲性、不均勻性,在房間的5個位置設置溫度取樣點,取5個點溫度的平均值然后與設計溫度26 ℃比較,建立房間溫度與設計溫度的溫度差與風閥執行器的動作關系。設計末端送風裝置風閥的實際開度的最大值在75%~95%[4]。風閥開度變化會導致風管中靜壓變化,由靜壓控制器將壓力信號反饋到風機變頻器,從而改變風機轉速,進而改變壓頭和流量[4-8]。本方案系統不需要增加額外的設備,過渡季節及冬季工況下壓縮冷凝機組停止運行,僅運行空氣處理單元的風機。但是在系統運行初期,系統實際定靜壓值需要在系統初調試階段根據已建成系統反復測試,以確定最理想的定靜壓值。另外,由于全新風系統排風量較大,需要在房間墻壁上設置大面積排風口。

　　3 三種方案對比分析

　　主要從以下幾個方面對3種方案進行對比分析:

　　1)初投資方面。初投資主要包括機組設備以及風道管路系統,設備投資依據3種方案的設備配置結合以往項目設備價格及咨詢相關設備廠商得到,風道管路系統根據房間風管布置用料情況進行估算,3種方案初投資分別為740 萬元、490 萬元和470 萬元。

　　2)耗電量方面。考慮圍護結構傳熱相比電氣盤柜散熱較小,認為方案一中機組需要全年滿負荷運行;方案二和方案三結合該項目所在區域的環境參數,機組滿負荷運行時間約7個月,其余時間停止運行,空氣處理單元風機全年運行;方案二的冷凝器風機由于需要配合機組以及乙二醇換熱器使用,故需要全年運行。本項目機組為海洋石油平臺電氣房間配套設施,機組用電為平臺發電機自發電,故以用電負荷作為費用指標,見表3。

　　3)運行維護方面。方案一系統相對簡單,運行維護方便,設備數量少,系統根據環境溫度自行調節;方案二設備數量多,維修工作量大,定期需要補充乙二醇溶液,系統存在泄漏和腐蝕問題;方案三系統設備數量少,除第一次設置定靜壓點工作較復雜,其余維護工作較少。

　　4)控制系統方面。方案一控制系統要求 較高,一般廠家無法做到準確控制;方案二控制系統相對簡單,但是盤管長期接觸乙二醇溶液容易被腐蝕,導致故障率增加;方案三控制系統簡單、成熟。

　　5)系統可靠性方面。方案一須采用特定廠商設備,方能確保系統可靠運行;方案二乙二醇溶液溫度受環境影響較大,在過渡季節可能因為環境溫度相對較高,導致冷量不夠;方案三調試階段設定好靜壓點后,系統能夠穩定運行。

　　4 結論

　　筆者以渤海某石油平臺為例,對散熱量大的電氣房間給出3種冬季制冷方案,并給出理論計算與分析,得出結論如下:1)方案一:壓縮冷凝機組方案,系統全年用電負荷最大,設備初投資最高,對設備生產廠家能力要求比較高。2)方案二:乙二醇-制冷劑雙系統方案在3個方案中最復雜,設備較多,維修工作量最大,系統可靠性相對較低,初投資及全年耗電量介于方案一和方案三之間。3)方案三:全新風變風量系統方案,系統相對簡單,在3個方案中設備初投資以及年耗電量最少,在確定適宜的靜壓值后,系統可靠性高。綜上,方案三全新風變風量系統為最佳方案。

　　參 考 文 獻

　　[1] 姚新紅,蔣旭平,徐志斌,等.低溫環境下的冷凝壓力調整[J].制冷,2006,25(1):84-86.

　　[2] 繆道平,吳業正.制冷壓縮機[M].北京:機械工業出版社,2001.

　　[3] 蔡敬瑯.變風量空調設計[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

　　[4] 蔣紅梅,李戰明,唐偉強,等.變風量空調系統的優化控制研究[J].暖通空調,2016,46(3):84-88.

　　[5] 那愷.淺談空氣 處理 機組風 機變 頻控 制的相 關問 題[J].制冷與空調,2011,11(4):29-31.

　　[6] 劉健,程時柏,陳永康,等.變風量空調風系統控制優化與模擬[J].暖通空調,2013,43(11):101-104.

　　[7] 戴斌文,狄洪發,馬先明.變風量空調系統風機靜壓控制方法 研 究 [J].建 筑 熱 能 通 風 空 調,2000,19(3):6-10.

　　[8] 武根峰,曹勇.定靜壓變風量系統靜壓設定值的確定方法[J].暖通空調,2014,44(7):36-39.

　　作者：陳自剛 魏占彪 牛衛民 高建虎 張勇青

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