寒冷地区大散热量房间冬季制冷方案

　　摘 要 海洋石油平台上存在一部分散热量很大的电气房间,在冬季工况下仍需要对这些房间进行降温处理。为了解决寒冷地区大散热量房间冬季制冷问题,提出3种设计方案:压缩冷凝机组方案、乙二醇-制冷剂双系统方案、全新风变风量系统方案,并对各方案进行简要分析。研究结果表明,在寒冷地区冬季工况下,对大散热量电气房间采用全新风变风量系统比较合适。

　　关键词 制冷;寒冷地区;海洋石油平台;电气房间;大散热量

　　传统空调机组的运行工况为夏季制冷、冬季制热,但在海洋石油平台上,一些电气房间设备散热量较大,即使在冬季低温度条件下,仍需要制冷处理。若在环境温度低于0 ℃的情况下还需要对房间进行制冷,通常的做法是采取分体式空调加冬季通新风的模式,新风管道直接与空调室内机本体相连,在管道和室内机回风口上设置调节阀门。冬季工况,关闭室外机,打开新风口调节阀门,关闭室内机回风口阀门,只运行室内机,通过室内机风机将室外新风送入房间降温,被加热的空气通过排风口排至室外。

　　此方案比较简单,但是存在以下问题:

　　1)新风量不能根据房间温度进行自动调节,造成房间温度变化较大;2)新风缺少过滤处理,造成冬季大量含盐雾空气进入房间,容易造成设备的腐蚀;3)采用分体式空调,设备台数过多,操作维修工作量加大。为了解决渤海某石油平台上大散热量电气房间冬季制冷问题,同时规避以往设计中存在的问题,笔者提出压缩冷凝机组方案、乙二醇-制冷剂双系统方案和全新风变风量系统方案,并对3种方案进行多维度分析,最终确定合理的空调方案。研究结果可为后续类似项目设计提供参考。

　　1 项目概况

　　渤海某石油平台全年环境温度范围为-16~33 ℃,该平台一电气房间布置如图1所示,房间尺寸为30m×20m×5 m(长×宽×高),房间围护结构为钢结构外加岩棉保温,电气设备散热量为338kW,房间冬、夏季设计温度均为26 ℃。该房间热负荷包括电气设备散热量、围护结构传热量、照 明 散 热 量、维 持 房 间 正 压 的 新 风 热量、风机散热量、送/回风温升热量以及人体发热量。通过计算得到,室外温度为33 ℃时,热负荷为430kW;室外温度为0℃时,热负荷为353kW;室外温度为-16 ℃时,热负荷约为335kW。

　　2 三种冬季制冷方案

　　2.1 方案一:

　　压缩冷凝机组方案夏季工况热负荷约430kW。按照产品样本,压缩机 最 大 电 功 率 约 115kW,冷 凝 器 负 荷 为545kW,进风温度t1 为33 ℃,取空气进出口温差15℃,则出风温度t2 为48℃,所需风量为320.5m3/s,机组配置6台冷凝器风机,每台风量约5.34m3/s,风机电机功率为4kW。由于冬季工况下环境温度较低,如仍按照夏季工况运行冷凝器风机,制冷剂经过冷凝器后冷凝压力会大幅下降,造成冷凝压力与蒸发压力之间的差值减小,影响膨胀阀的正常工作,导致蒸发器的制冷剂质量流量减小,系统频繁低压报警,造成故障停机。压缩冷凝机组方案根据冷凝压力的变化控制冷凝器风机的转速,从而保证冷凝压力维持在一个相对 稳 定 的 范 围,保 证 压 缩 机 组 冬 季 正 常 运行[1]。机组 采 用 螺 杆 式 压 缩 机,输 气 量 可 以 在10%~100% 范 围 内 连 续 调 节,功 率 与 输 气 量 在50%以上负荷运行时成正比例关系[2]。

　　冷凝器风机中的 M1 为变频风机,其余风机均为定速风机。夏季工况时,所有冷凝器风机投入运行;在过渡季节及冬季,当环境温度逐渐降低时,变频风机 M1 根据冷凝器出口压力的变化开启变频模式,风量随冷凝压力的降低逐渐减小,当变频风机 M1 的风量降低到最小值时,系统自动停止运行1台定速风机,同时变频风机又回到满负荷运行状态,当环境温度继续降低时,变频风机根据环境温度的降低风量逐渐减小,直至变频风机风量为最小值,然后继续停止1台定速风机,从而保 证 冷 凝 压 力 的 稳 定,维 持 系 统 正 常 运行。此方案中压缩机功率在过渡季节及冬季近似为夏季功率(115kW)的75.3%~93.4%。冬季室外温度为-16 ℃时,维持4台冷凝器风机满负荷运行即可保证机组正常运行,室外温 度 为 15 ℃时,5台冷凝器风机满负荷运行即可。

　　本方案系统冬季工况所用的设备、风管系统都与夏季工况一致,区别在于压缩冷凝机组自身新增一路控制系统,在过渡季节及冬季工况下机组可以根据环境温度自行调节冷凝压力,保证正常运行,减少了现场工作量。该方案中,压缩机及部分冷凝器风机需要全年持续运行。

　　2.2 方案二:

　　乙二醇-制冷剂双系统方案乙二醇-制冷剂双系统方案(见图3)是在制冷剂制冷系统中并入一路乙二醇溶液系统,夏季工况时,关闭乙二醇溶液系统,此时系统运行方式为常规的空调制冷模式。过渡季节及冬季时,关闭制冷剂制冷系统,启用乙二醇溶液系统,通过电动三通调节阀调节通过乙二醇溶液冷却器的溶液流量,确保进入空气处理单元的乙二醇溶液温度稳定,从而带走房间热量。本方案系统增加了水泵、膨胀水箱、电动三通调节阀、乙二醇溶液换热器等部件。

　　2.3 方案三:

　　全新风变风量系统方案在过渡季节及冬季,将压缩冷凝机组关闭,此时仅需要空气处理单元工作,将空气处理单元的回风管路的调节风阀关闭,新风经过滤后,通过原有的送风管路送入房间,即可给电气房间降温,吸收热量的空气直接通过风口排出室外。由于冬季相对湿度较低,且电气房间仅有设备显热,故不需要考虑新风结露的问题。

　　为了使控制系统简单,提高系统运行的安全性,过渡季节及冬季采用定静压变风量系统。本项目中,空调系统仅为该一个电气房间服务,电气设备在房间均布,故根据房间面积均布20个末端送风装 置,每 个 末 端 装 置 的 设 计 风 量 (夏 季 工况)约5000m3/h,过渡季节及冬季的风量调节范围为900~4300m3/h,送风主管长度约30m,定压点设置在约20m 位置[3],定静压点压力根据设计的管路阻力计算值为400Pa。由于该房间为平时无人值守房间,在过渡季节及冬季,随着环境温度的降低,送风温度的变化将导致房间温度的变化,故设计将末端送风装置调节阀的执行器与房间温度联动。

　　房间温度相较于压力具有延迟性、不均匀性,在房间的5个位置设置温度取样点,取5个点温度的平均值然后与设计温度26 ℃比较,建立房间温度与设计温度的温度差与风阀执行器的动作关系。设计末端送风装置风阀的实际开度的最大值在75%~95%[4]。风阀开度变化会导致风管中静压变化,由静压控制器将压力信号反馈到风机变频器,从而改变风机转速,进而改变压头和流量[4-8]。本方案系统不需要增加额外的设备,过渡季节及冬季工况下压缩冷凝机组停止运行,仅运行空气处理单元的风机。但是在系统运行初期,系统实际定静压值需要在系统初调试阶段根据已建成系统反复测试,以确定最理想的定静压值。另外,由于全新风系统排风量较大,需要在房间墙壁上设置大面积排风口。

　　3 三种方案对比分析

　　主要从以下几个方面对3种方案进行对比分析:

　　1)初投资方面。初投资主要包括机组设备以及风道管路系统,设备投资依据3种方案的设备配置结合以往项目设备价格及咨询相关设备厂商得到,风道管路系统根据房间风管布置用料情况进行估算,3种方案初投资分别为740 万元、490 万元和470 万元。

　　2)耗电量方面。考虑围护结构传热相比电气盘柜散热较小,认为方案一中机组需要全年满负荷运行;方案二和方案三结合该项目所在区域的环境参数,机组满负荷运行时间约7个月,其余时间停止运行,空气处理单元风机全年运行;方案二的冷凝器风机由于需要配合机组以及乙二醇换热器使用,故需要全年运行。本项目机组为海洋石油平台电气房间配套设施,机组用电为平台发电机自发电,故以用电负荷作为费用指标,见表3。

　　3)运行维护方面。方案一系统相对简单,运行维护方便,设备数量少,系统根据环境温度自行调节;方案二设备数量多,维修工作量大,定期需要补充乙二醇溶液,系统存在泄漏和腐蚀问题;方案三系统设备数量少,除第一次设置定静压点工作较复杂,其余维护工作较少。

　　4)控制系统方面。方案一控制系统要求 较高,一般厂家无法做到准确控制;方案二控制系统相对简单,但是盘管长期接触乙二醇溶液容易被腐蚀,导致故障率增加;方案三控制系统简单、成熟。

　　5)系统可靠性方面。方案一须采用特定厂商设备,方能确保系统可靠运行;方案二乙二醇溶液温度受环境影响较大,在过渡季节可能因为环境温度相对较高,导致冷量不够;方案三调试阶段设定好静压点后,系统能够稳定运行。

　　4 结论

　　笔者以渤海某石油平台为例,对散热量大的电气房间给出3种冬季制冷方案,并给出理论计算与分析,得出结论如下:1)方案一:压缩冷凝机组方案,系统全年用电负荷最大,设备初投资最高,对设备生产厂家能力要求比较高。2)方案二:乙二醇-制冷剂双系统方案在3个方案中最复杂,设备较多,维修工作量最大,系统可靠性相对较低,初投资及全年耗电量介于方案一和方案三之间。3)方案三:全新风变风量系统方案,系统相对简单,在3个方案中设备初投资以及年耗电量最少,在确定适宜的静压值后,系统可靠性高。综上,方案三全新风变风量系统为最佳方案。

　　参 考 文 献

　　[1] 姚新红,蒋旭平,徐志斌,等.低温环境下的冷凝压力调整[J].制冷,2006,25(1):84-86.

　　[2] 缪道平,吴业正.制冷压缩机[M].北京:机械工业出版社,2001.

　　[3] 蔡敬琅.变风量空调设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

　　[4] 蒋红梅,李战明,唐伟强,等.变风量空调系统的优化控制研究[J].暖通空调,2016,46(3):84-88.

　　[5] 那恺.浅谈空气 处理 机组风 机变 频控 制的相 关问 题[J].制冷与空调,2011,11(4):29-31.

　　[6] 刘健,程时柏,陈永康,等.变风量空调风系统控制优化与模拟[J].暖通空调,2013,43(11):101-104.

　　[7] 戴斌文,狄洪发,马先明.变风量空调系统风机静压控制方法 研 究 [J].建 筑 热 能 通 风 空 调,2000,19(3):6-10.

　　[8] 武根峰,曹勇.定静压变风量系统静压设定值的确定方法[J].暖通空调,2014,44(7):36-39.

　　作者：陈自刚 魏占彪 牛卫民 高建虎 张勇青