张勇青,张勇亮,高建虎,陈自刚

(1.海洋石油工程股份有限公司,天津 300451；2.中海油东方石化有限责任公司,海南 东方 572600)

海洋平台

间接冷却式空调系统在海洋石油平台上的首次应用

张勇青1,张勇亮2,高建虎1,陈自刚1

(1.海洋石油工程股份有限公司,天津 300451；2.中海油东方石化有限责任公司,海南 东方 572600)

文章根据间接冷却式空调系统的工作原理和特点，以项目实例为基础,详细分析了间接冷却式空调系统的设备选型及系统设计要点，通过该类型空调系统在海洋石油平台的首次应用，不仅解决了暖通空调设备噪声对人员危害的问题,提高了设备运行稳定性和温控精度，更对海洋工程领域暖通空调系统设计方法具有一定的指导和完善作用。

间接冷却式空调；设备选型和系统设计；海上平台; 首次应用

海洋石油平台暖通空调系统是保证平台正常生产和人员生活的重要设施,主要服务于平台生活模块和生产模块的工作间。

海洋石油平台的空间可谓是“寸土寸金”，所以在以往的项目中设计人员通常选择空间需求较少的直接蒸发式空调机组。但由于直接蒸发式空调机组包含的空气处理单元与压缩冷凝装置必须贴近布置，这就导致了压缩冷凝装置中压缩机等旋转设备产生的振动和噪声直接影响生活模块和生产模块内的工作人员，该噪声严重影响人机操控环境，还可能诱发工作人员噪声性耳聋和神经系统、心血管系统等多方面的疾病[1]。

间接冷却式空调虽然存在占地面积较大、价格较为昂贵的问题，但其维护保养少、运行稳定可靠、温控精度高等特点，可最大程度的满足海洋石油平台对设备运行的可靠性要求，且该类型空调系统内部的空气处理单元与冷水机组可以分开布置，使得冷水机组中压缩机等旋转设备产生的振动和噪声可以远离平台工作人员，提高海洋石油平台生活模块和组块工作间内操控环境的舒适性,从而达到以人为本的目的。

1 恩平18-1平台

恩平18-1平台位于我国南海，是1座8腿20井槽的井口平台，平台上设有1座100人生活模块和生产模块若干工作间。

因空调房间多且布置分散，如采用分体空调，机组数量多，因南海环境高盐潮湿，室外机叶轮积盐现象严重，所以维护工作量大。而如果采用常规的直接蒸发式机组，由于制冷剂路径过长会导致压缩机负载过大、回油不畅等问题，导致空气处理单元与压缩冷凝装置无法远距离分开布置，由此将引起压缩冷凝装置中压缩机、风机等设备的产生的振动和噪声严重影响末端人员的正常工作和休息。

为解决以上问题，本项目将生活模块和生产模块工作间2个区域的空调系统合二为一，采用间接冷却式空调系统，集中为上述2个区域提供空调制冷。

2 间接冷却式空调系统的工作原理及特点

2.1 工作原理

间接冷却式空调系统一般包括冷水机组、电子除垢仪(或软化水处理装置)、定压膨胀罐、冷媒水循环泵、自动补水装置和空气处理装置(AHU)。

首先，水冷式冷水机组利用管壳式蒸发器使高温冷媒水与制冷剂进行热交换，制冷剂吸收冷媒水中的热负荷，使冷媒水降温。

其次，压缩机吸入蒸发制冷后的低温低压制冷剂气体，然后压缩成高温高压气体送冷凝器；高温高压气体在管壳式冷凝器与低温海水进行热交换后气体冷凝变为常温高压液体(高温海水直接排海)；常温高压液体流入热力膨胀阀，经节流成低温低压的湿蒸气，再流入管壳式蒸发器，重复下一个制冷循环。

低温冷媒水经过空气处理装置中蒸发盘管与高温空气进行热交换，冷媒水吸收高温空气中的热负荷，使高温空气降温，低温空气通过空气处理装置中风机增压后输送至最终用户。

高温冷媒水经过冷媒水循环泵增压后，再流入冷水机组蒸发器重复下一个制冷循环，如图1。

图1 间接冷却式空调系统流程图

2.2 系统特点

1)冷水机组可与空气处理单元分开放置，有效地避免了噪声及振动对人员的影响。

2)相对于分体式空调，设备较少且集中，便于后期操作人员维护保养。

3)集中管理集中控制，负荷可在不同比例进行调节。

4)空气处理单元冷媒水进出口配置电动三通阀，通过感应回风温度，自动调节流经空气处理单元的冷媒水流量，实现制冷量自动调节，从而避免定风量系统下并联用户间的相互影响，达到高精度温控的目的，如图2。

图2 电动三通阀运行示意图

3 恩平18-1平台间接冷却式空调系统的选型设计

海洋石油平台生产工艺系统及电仪盘柜均要求暖通空调具有极高的运行稳定性，所以本项目间接冷却式中央空调冷媒水系统采用定流量闭式系统。

本项目空调系统由3台螺杆式冷水机组、6台空气处理单元、2台冷媒水循环泵、1套供回水集管及1台定压膨胀罐等设备组成。

3.1 主要设备选型

1)空气处理装置。本项目采用的是中央空气处理装置，机组集中设置在空调机房内，包括混合段、过滤段、制冷段和风机段。系统的风管布置在竖井管道间和各层吊顶内，包括送风管道和回风管道。系统的新风管道就近布置在空调机房内，经新风处理机直接与空气处理装置相连接。

本项目共有6台中央空气处理装置联合运行，其中2台空气处理装置服务于生活模块(单台风量为32 000 m3/h，1用1备)；4台空气处理装置服务于生产模块(2台服务于生产模块电潜泵控制间，单台风量为51 000 m3/h，1用1备；2台服务于生产模块主开关间、中控室、应急开关间等其他房间，单台风量为13 000 m3/h，1用1备)。

2)定压装置。定压点就是在系统运行和停止时，该点的压力始终保持恒定不变。保持定压点处压力值满足规范，能使整个冷媒水系统无论是运行状态还是静止状态均不会存在超压、汽化、缺水的现象，因此维持恒压点处的压力至关重要。

《采暖通风与空气调节设计规范》的6.4.13规定：定压点最低压力应使系统最高点压力高于大气压力5 kPa以上。

目前常用的水系统定压方式有开式膨胀水箱和气体定压罐2种形式。本项目最终选择气体定压罐作为冷媒水系统的定压装置。气体定压罐内置丁基橡胶囊，橡胶囊外为预充气体，正常运行时系统压力与定压罐预充气体压力平衡(预充压力为295 kPa，容积为0.7 m3)。

当冷媒水系统压力降低时，气体定压罐内冷媒水补充至冷媒水环路，以便达到稳定冷媒水系统压力的目的。当气体定压罐内压力降低到补水设定值时，外部水源自动向气体定压罐补水稳压。

当冷媒水系统压力升高时，系统冷媒水自动流向气体定压罐，以便达到稳定冷媒水系统压力的目的。当气体定压罐内压力升高到排水设定值时，其向外界自动排水泄压。气体定压灌工作流程图，如图3所示。

图3 气体定压灌工作流程图

相对于开式膨胀水箱，气体定压罐具有如下优点。

(1)避免了开式水箱水量蒸发减少后，需要人工到系统顶部补水的问题。

(2)避免了开式水箱与空气直接接触，易腐蚀系统的碳钢管路的问题。

(3)避免了开式水箱无预充压力导致的水泵扬程高、功率大的问题。

(4)气体定压罐安装于水泵入口，可避免开式膨胀水箱布置在系统最高点时易出现的负压及水锤现象。

3)冷媒水循环泵。由于海洋石油平台环境的特殊性和可靠性要求，本项目依据API 610标准，最终选择2台单级离心泵(流量为230 m3/h；1用1备)。

由于本项目采用闭式循环，循环泵扬程H只需克服冷媒水环路沿程阻力和局部阻力：

H=∑hf+∑hj

其中，沿程阻力∑hf较小，局部阻力∑hj主要包括冷水机组、空气处理单元、静态平衡阀、滤器及各弯头部件的阻力，最终根据核算，循环泵扬程选取为410 kPa[1]。

冷媒水泵的扬程选型依据如下。

(1)冷水机组和空气处理装置阻力，一般为60～100 kPa。

(2)管路阻力包括磨擦阻力、局部阻力。其中单位长度的磨擦阻力取决于技术经济比较，若取值大则管径小，初投资省，但水泵运行能耗大；若取值小则反之。目前设计中冷水管路的单位长度的磨擦阻力宜控制在150～200 Pa/m范围内[3]。

(3)电动三通调节阀的阻力，一般为10～20 kPa。

(4)电子除垢仪、Y型滤器、静态平衡阀的阻力，一般为100～150 kPa。

4 冷媒水管路系统

当系统存在水力失调时，可能会存在系统冷热不均、水泵的运行能耗过高、系统稳定时间过长、调节阀产生噪声和振动等问题。只有在冷媒水系统水力平衡时，主机和控制系统才能实现高效的节能，水力平衡包括流量平衡和压力平衡。

为了实现冷媒水系统的水力平衡，本项目在进行管路系统的设计时遵循了以下原则[4]。

1)空调冷媒水管路具备足够的输送能力，确保每台空调机组的循环水量达到设计流量，保证机组的正常运行。

2)空调冷媒水管路布置尽可能地选用同程式系统，虽然由此造成初投资略有增加，但易于保持环路的水力稳定性。

3)空调冷媒水管路管径选择杜绝大流量小温差的问题。

4)进行严格的水力计算，确保各个环路之间符合水力平衡要求，使空调水系统在实际运行中有良好的水力工况和热力工况。

5)在水系统的顶点设置自动排气阀，防止形成气塞，在环路的最低点设置排水阀。

5 结束语

间接式中央空调式系统相对于传统空调系统，不仅解决了长期困扰工作人员的噪声问题，而且极大的节省了甲板面积和后期维护费用。以本项目为例：如若采用分体空调，其数量约22台，共需甲板面积200 m2；而采用间接式中央空调式系统，所需甲板面积仅为110 m2，节约甲板面积90 m2，有效的降低了初始投资。同时，间接式中央空调式系统最大限度的减少了制冷剂管线的安装工作，降低了初始安装费用。由于机组数量减少可以有效降低后期维护费用，且间接式中央空调式系统的主要耗电设备冷水机组，可通过无级卸载成比例的降低设备耗电，故每年可节省维护和运行费用10万元以上。

随着我国海洋石油工业的不断发展，海洋石油平台配置的电潜泵变频设备数量越来越多，为保证其运行环境温度恒定，导致海洋石油平台对制冷空调的制冷需求越来越大，耗电量常年居高不下。同时，为了解决平台生产人员在生活中因噪声问题诱发的各种疾病，未来海洋石油平台空调设计选型过程中，除了考虑稳定性和初始投资外，将会更加的关注空调系统的节能性、高舒适性、智能化、后期运行维护费用等方面，真正的达到以人为本的目的。

综合考虑以上因素，间接式中央空调式系统应是未来海洋石油平台空调系统选型的主要发展方向，本文以恩平18-1油田为例，详细介绍了间接冷却式空调系统的设计要点和选型依据，通过该空调系统在海洋石油平台的首次成功应用，不仅极大的提高暖通空调系统的工程质量和人员的舒适性，而且对今后海洋石油平台的暖通空调设计，也提供了一定的借鉴和指导作用，具有重要的推广和指导意义。

[1] 张慧芳,张勇青,陈自刚. 浅析海上平台暖通空调系统噪声[J]. 噪声与振动控制，2012，32(5)：131-132.

[2] 丛山日,许文华,孟广宇. 气压罐定压装置计算方法和设计原则[J]. 建筑科学，2000,15(5)：57-58.

[3] 赵荣义,钱以明,范存养. 简明空调设计手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1998.

[4] 金文,张永生,杜芳莉. 空气调节技术[M]. 北京：电子工业出版社，1998.

According to the working principle and characteristic,equipment style-selection and design main point are analyzed in detail for the indirect cooling air-conditioning system based on the real projcect.The first application of such kind of air conditioning system makes the harmful noise from HVAC solved and stability of equipment operation accuracy of temperature control are raised,which might be direction and perfection for designing HVAC air-conditioning system on offshore platform.

indirect cooling air-condition;equipment style-selection and system design;offshore platform;first application

张勇青(1986-)，男，河南许昌人，工程师，大学本科，主要从事海洋石油平台机械设计工作。

TE991.8

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.02.015

2016-11-07