刘训伟

（山东莱克工程设计有限公司，山东 东营 257029）

油气田联合站是油气集中处理联合作业站的简称。主要是为油气集中处理（原油脱水、脱盐、天然气净化以及外输和增压、脱硫、硫磺回收、原油稳定、轻烃、液化气回收等）、油田注水、污水处理、供变电和辅助生产等活动提供生产和生活的基础性设施。同时，联合站是高温、高压、易燃、易爆的场所，是油田一级要害场所。加之本工程顺北油气田该联合站地处塔克拉玛干大沙漠腹地，昼夜温差大，高温缺水，风沙大，气候恶劣。联合站中变频器室主要负责天然气处理及外输中设备用电的变频，起到降低联合站站场用电率，保障下游城市油气供应的稳定，为联合站的正常运转起到至关重要的作用。加之变频器设备发热量大，高温容易极大降低设备使用寿命，因此，在油气田联合站正常运行过程中，高压变频器室的暖通空调系统的设计是非常重要的一个环节。

1 变频器室室内外设计参数要求

（1）根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019-2015）附录A，查得室外设计气象参数（新疆维吾尔自治区阿克苏地区），见表1。

表1 室外设计参数

（2）室内设计气象参数。供暖室内设计计算参数、空调室内设计计算参数应根据建筑物性质、生产特点及要求、劳动强度因素确定。根据《石油天然气地面建设工程供暖通风与空气调节设计规范》（SY/T7021-2014）中室内设计计算参数规定如下：变频器室夏季室内设计温度不宜高于 30 ℃，冬季室内设计温度为 5～8 ℃，夏季、冬季对相对湿度无相应要求。

2 变频器室设备对环境要求及散热量分析

油气田联合站作为目前油气田开发中主要工业站场，在油气处理、外输、增压过程中，需要消耗很大的电力，同时变频器本身运行时也要消耗电能，对于几十千瓦以下的变频器， 一般满负荷时的消耗占额定容量的3%～4%。变频器是利用电力半导体器件的通断作用，将工频变换为电压、频率都可调的交流电源的电能控制装置。故变频调速技术是油气田联合站设计中应用较多的一种节能方法。

当室外空气中的风沙、灰尘等大颗粒有害物较大时，极易进入变频器室内，导致变频器本身的滤棉堵塞，使电气设备节能效率下降。变频器内部设置有压差检测装置，检测变频器通风效果进而判断是否存在滤棉堵塞，避免风沙、灰尘等堵塞导致变频器运行温度过高，引起设备停机，影响变频器的正常生产运行。

根据市场主流变频器设备调研情况，变频器设备本体均自带冷却装置，冷却装置可以采用水冷或风冷型式。风冷变频器通过冷却风机将散热量排出柜体，达到降低柜体内环境温度，确保变频器内的元器件运行温度在允许值以下，风冷变频器自带的通风冷却系统可以由变频器设备厂家一起提供，暖通专业提出通风冷却系统的技术要求即可。水冷变频器的绝大部分热量均由工艺循环冷却水通过换热器换热带出柜体，暖通专业设置普通机械通风或空调装置即可。

本工程变频器室主要用于天然气处理和外输过程中各类泵变频使用，一般变频器室具有建筑面积不大，但单位建筑面积的设备发热量相当大的特点。该工程中变频器室中设备散热量统计表如表2所示。

表2 变频器室设备散热量统计表

3 变频器室暖通空调方案的比选

根据以往工程经验和现场调研结果，文章将从变频器室的机械通风冷却、空-水降温冷却和空调密闭冷却三个方案进行变频器室暖通空调系统工程设计方案进行选择。

3.1 机械通风冷却方案

（1）机械通风冷却方案设计计算原理：

机械通风量的计算一般应按每小时换气次数或每小时需要新鲜空气量来决定，有时还应根据排除房间余热、余湿或有害气体量而定。通风量的选择应取下列几项中的最大值。

①确定通风量时应针对不同的设备房，按每小时换气次数进行计算：

式中：L为通风量（m3/h）；N为换气次数（次/h）；V为通风房间容积（m3）

②当房间内发热量较大时，需要采用全面排风方式消除室内余热，通风量应按下式计算：

式中，L为通风换气量（m3/h）；Q为室内显热发热量（W）；tp为室内排风设计温度（℃）；ts为送风温度（℃）。

（2）当变频器散热直接排入室内时，由暖通专业设置机械进、排风系统将变频器排热排至室外。按变频器室所处室外通风环境参数和工艺/电气专业所提供资料，有以下两种通风方案：①当变频器室布置在环境非易燃易爆区域内时，可采用负压通风方式，气流组织一般为自然进风、机械排风，根据局部通风罩设计原则，并结合变频器结构形式，在变频器上部设置由排风机、独立排风罩、排风管、风管管件及排风机组成的机械排风系统。利用独立排风罩将排热量收集起来，通过机械排风系统将变频器散发出的热量排入独立排风罩内并通过风管排至室外。其中独立排风罩系统需要确定罩口长度及宽度、变频器高度、排热装置高度，罩空间高度等相关参数。为在独立排风罩吸风口四周边缘形成负压以便于更好地利用气流组织排出室内热量。②当变频器室布置在易燃易爆区域时，可采用正压通风，气流组织为机械送风、机械排风。正压送风系统由自助沙尘过滤送风机组送风，通过机组送风量大于排风量，保持室内正压。其中机械送风口需取自室外洁净区域。

3.2 空-水降温冷却方案

（1）当从变频器顶部出来的热风无法排至室外时，可以采用空-水降温冷却方案：

从变频器顶部出来的热风，由换热器上部的风机直接引入空-水冷却换热器进行热量交换，由工艺循环冷却系统直接将变频器散失的热量带走，热风经冷却装置冷却后，变成冷风从换热器吹出，热量被循环冷却水带走，保证变频器室内的环境温度。工艺循环冷却系统与变频器内风系统完全隔离，工艺循环冷却系统冷却水管道在变频器室外与变频器设备完全分离，确保高压变频器免受防水、绝缘破坏等安全威胁和事故的有害影响。

（2）变频器自带完整排风系统（含隔热排风管）时的散热量由其变频器自带的排风系统引至室外排放，暖通专业只需配套相应的机械通风系统设计。

机械通风系统由机械通风降温机组、送风管及房间下部送风口组成，送风量大于变频器排热风机总排风量，室内保持正压，以阻止室外风沙、灰尘的侵入。

机械通风降温机组可采用水冷表冷器或氟利昂直接蒸发式表冷器。当采用水冷表冷器时可采用工艺专业提供的循环冷却水。当采用氟利昂直接蒸发式表冷器时，应向空调机设备厂家提出空调进风温度，以便其根据该进风温度特殊供货。

3.3 空调密闭冷却方案

3.3.1 空调密闭冷却系统

当设置空调密闭冷却系统时，变频器排热直接散入室内而不排出室外。变频器室采用空调密闭冷却方式时，变频器室内空间要尽可能小，并且要密闭，以减小室内的空调冷负荷。其中空调冷源可以选择分体空调机和单元式空调机组这两种空调系统形式。

3.3.2 采用普通分体空调器

根据对变频器设备的调研情况，变频器的通风气流组织一般为下进风、上排风，为避免冷、热气流在变频器内部交汇进而导致冷凝水的析出，影响电气设备的安全运行，故分体空调器需要采用柜式型式，送风气流形式为下部送冷风、上部回风。此种方案较简单，但不能维持室内正压，外部风沙、灰尘容易侵入。

3.3.3 采用单元式空调机组

系统构成相较分体空调器系统复杂，空调系统组成部件较多，需要一定的安装空间。送回风方式主要有：①前回风、前出风（带风帽）②前回风、顶出风③后回风、顶出风。单元式空调机组可采用风冷或水冷两种冷却方式。系统有新风引入功能，采用固定新风比，能够有效改善室内空气品质并维持室内正压。

4 变频器室暖通方案确定

在机械通风冷却、空-水降温冷却和空调密闭冷却三个方案中，机械通风冷却现场运行操作最简单、外部依托程度较低、工程投资也最低，因此当建设地室外环境较适宜和同时缺乏外部依托（此处特指符合降温条件的工艺循环冷却水）的情况下，建议优先采纳该设计方案。

如前所述，变频器室内最佳环境温度为25 ℃，从对变频器设备的现场调研来看，降低变频器运行温度便于负荷变化较大的设备的变频调速运行，一方面可以延长设备的使用寿命，另一方面，可降低设备自身耗能进而达到降低站场总用电量的效果，进而提高整个站场的节能率。而通过分析采用空-水降温冷却或空调密闭冷却可以稳定保证变频器的运行温度，因此当变频器室周围环境自然环境比较恶劣时，优先空调密闭冷却方案，当现场具备工艺循环冷却水的外部依托时，推荐采用空-水降温冷却方案。从满足变频器正常运行要求出发，建议将变频器室的室内设计温度设定为 28～35 ℃。鉴于顺北油气田的气候环境，地处沙漠腹地，常年风沙天气较多，进排风过程中，风沙容易进入室内，加之水资源比较匮乏，经过综合考虑，本变频器室采用空调密闭冷却方案。详见图1。

图1 变频器室暖通系统布置图

5 自动控制系统设计

5.1 报警装置设置

由于顺北油气田地处沙漠腹地，加之沙漠环境气候复杂多变，交通不畅，油气田联合站一旦发生火灾、可燃或有毒气体泄漏等紧急情况，后果极为严重。因此，在变频器室设置了温度检测装置、火灾检测报警、可燃或有毒气体泄漏等报警装置，对存在安全隐患的设备房实施中控室实时监控，同时，这些对设备设置了与暖通空调系统中风机、空调设备的自动控制与联锁。

5.2 自控系统联锁

变频器室中所有风机、空调及风闸的运行状态均远传中控室，并与变频器室室内的温度检测装置、火灾、可燃或有毒气体泄漏等报警装置进行联锁启停。当变频器室发生火灾时，报警信号远控着火房间所有的防火风闸、风机、空调停止运行；当变频器室检测到可燃或有毒气体时，报警信号远控着火房间所有的防火风闸、风机、空调停止运行，避免有害气体进入变频器室内；当室内温度超过或低于室内设定温度时，温度检测装置可以远控空调进行启停。

5.3 采用机房专用空调群控系统

由于变频器存在冗余度，系统依据负载分布和空调配置，合理分配空调系统的运行，减少空调设备的运行时间，来降低整个变频器室的能耗。

6 结语

油气田联合站中高压变频器室暖通空调系统的设计方案主要是根据高压变频器室所处地区的室外环境、外部依托情况、工艺/电气专业给暖通专业所提设计要求、暖通专业内的设计要求及有关规范、规则和公约的要求确定，主要满足设备工艺性和人员舒适性要求。它不但关系到油气联合站中人员的工作环境的舒适性，还关系到联合站油气正常生产运行的安全性，所以在设计过程中不但要满足建设方的要求，还要满足相应规范和标准的要求。同时，还应做好空调效果的仿真模拟，主要从气候参数选取、设备布置、模拟参数确定、空调系统效果的验证出发，针对气流组织特性的数值分析与模拟实验，深入分析变频器室内部的气流速度、温度场分布，并在此基础上得出合理的冷量调配设计方案，获得最佳的送回风状态，满足设备的散热需要，达到最优冷量配置的效果，确保空调系统能够达到节约电能的效果，由于篇幅限制，以上内容不再深入论述。