海上石油平台空调设备的可靠性设计

朱 鸿，滕 威

● （1．海军驻沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室，上海 200129；2．中海油绥中36-1油田，天津 300461）

海上石油平台空调设备的可靠性设计

朱 鸿1，滕 威2

● （1．海军驻沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室，上海 200129；2．中海油绥中36-1油田，天津 300461）

通过对目前海上石油平台空调可靠性设计方法的分析，结合在船用空调可靠性设计方面的经验，提出了进一步完善海上石油平台空调可靠性设计的措施。

海上石油平台；空调；可靠性

0 引言

海上石油平台大多远离陆基，设备的故障由于人员往来的不便，往往不能及时处理，因此海上石油平台设备的可靠性比一般船舶设备的要求更高。近年来，我国经济高速发展，对油气资源的迫切需求迎来了海上石油平台建造的高峰。作为提供石油平台舒适工作和生活环境的主要设备——空调，在经历了从完全依赖进口到国内自主完成设备配套的过程以后，空调设备的可靠性和维修性越来越受到各方的关注。无论是业主、平台的设计公司，还是空调设备的供货商都依据各自的理解，对提高设备的可靠性提出了不同的设想和措施。本文就此进行分析、比较，并结合船用空调的可靠性设计经验，就完善海上石油平台空调的可靠性设计措施提出了建议。

1 主要空调型式及可靠性框图

目前，海上石油平台空调设备有相当一部分以直接蒸发式中央空调装置和直接蒸发式单元式空调装置为主[1]。它们均主要由一个包含制冷压缩机、冷凝器和轴流冷却风机的氟利昂压缩冷凝机组（ACCU）与一个主要包含氟利昂膨胀阀、氟利昂蒸发器和离心循环风机的空气处理机组（AHU）组成，当然包括管系和电气控制，按文献[2]有关可靠性设计要求，建立其可靠性框图见图1。

图1 空调设备可靠性框图

它们以串联形式进行工作，其可靠度Rs(t)为各单元可靠度的乘积，即：

作为一种串联系统，其可靠度小于可靠性最差单元的可靠度，即整机的可靠度比所有组成部件中可靠度最差的还要小。

设备的失效率λs(t)为各单元失效率之和，即：

由于设备的工作原理决定了它是个串联系统，提高整机可靠度的方法只能是提高其中部件的可靠性，而且提高可靠度最差部件的可靠性是最经济的办法。

2 可靠性设计方法

按文献[3]，目前主要的可靠性设计方法有十三种，作者对这十三种方法分析认为，同石油平台空调设备的可靠性紧密相关的设计方法主要有四种，即1）元器件的选用；2）降额设计；3）冗余设计；4）耐环境设计等。

1）元器件的选用

设备中制冷压缩机、冷却风机（包括轴流叶轮和电机）、氟利昂膨胀阀、离心通风机（包括叶轮和电机）和电气控制箱中的元器件均为选用件。保证这些部件具有较高的可靠性，主要是其品牌和使用经验。

品牌说明了产品的质量，但没有比较深刻地了解其特性，也就是积累一定的使用经验，准确地进行选型，也会影响使用，从而降低整机的可靠性。

2）降额设计

在空调设备中可应用降额设计的主要是冷却用的轴流风机电机和用于循环送风的离心通风机电机。

由于风冷氟利昂冷凝器随着使用时间的增长，冷凝器表面积尘等因素的影响，风阻会有所增加，轴流风机电机的耗功和电流也会增加，在电机选型时应采用降额设计的方法，考虑适当的电机功率余量。

而循环送风的离心通风机风压的选型，由于空调系统风道的阻力计算和空调设备内部风阻力的损耗计算的偏差，一般不可能很匹配，往往为了保险，风机的全压选得过大，如果系统风道未能有效地进行调试，风机一般都会在超过额定风量情况下长期运行，如果电机功率余量小，也就会处于一定的过载状态，影响长期使用的可靠性。所以也应该采用适当的降额设计。

3）冗余设计

冗余设计又称为贮备设计，作为空调系统来说，整机备用是一种冗余设计；而对于一台机组来说，制冷系统备用或循环通风系统备用也是一种冗余设计；而通过对某一部件的备用提高单元的可靠度，也是一种冗余设计；所以空调设备可靠性设计重点要考虑的是产品复杂度和成本尽可能低的条件下的冗余设计方法，当然还要顾及设备安装空间的限制。

4）耐环境设计

海上石油平台均处于高湿、高盐雾环境，而且压缩冷凝机组一般都是露天安装，这意味着有雨淋甚至还有海浪的飞溅；这些有别于通常的环境必须予以充分的重视。因此，为了提高海上石油平台用空调设备的可靠性应当进行耐环境设计。特别是风冷冷凝器的翅片材料、电气控制箱及独立安装的控制元件的防护等级要充分考虑环境的影响。必要的话，不得采用风冷型式。

3 目前平台空调的可靠性设计措施及分析

从海上石油平台总体设计角度看，设计公司已考虑了提高中央空调的可靠性措施，如一用一备，惠州平台和春晓平台中央空调即是这样的形式；还有两用一备，南堡平台采用了这样的方式；而乐东平台实际上采用的是多种备用形式，它有两个空调区域，采用了两个AHU，每个AHU针对一个空调区域，而每个 AHU（空气处理装置）中有三组氟利昂蒸发器，相互独立；另采用了三个ACCU（空冷压缩冷凝装置），每个ACCU可以与两个蒸发器匹配，分别是两个AHU中的各一个。即在空调全负荷时制冷系统为两用一备，空调部分负荷时为一用两备，同时在部分负荷时只开一台ACCU，降低了运行功耗。

当然，需方和设备供货方根据各自的经验还会明确一些诸如主要部件选用要求，材料和防护等级等耐环境方面的设计要求。

以上即是目前海上石油平台空调设备可靠性设计中的措施。从中可以看出，可靠性设计方面在元器件的选用、降额设计和耐环境设计等方面均是一致的，仅在冗余设计方面是不同的，而且主要是以系统方面的冗余设计为主。

1）一用一备。这是一个冷贮备形式。它不是设备内部单元的贮备，而是通过系统的冗余设计，即这个空调系统已成为一个并联系统，来达到提高空调系统可靠性的方法。这是一个最简单的冗余设计，经济成本最高，设备所占空间、重量最大。

2）两用一备。其冗余设计性质同一用一备，若两用是针对同一个空调区域，空调系统的可靠度比一用一备要高，若两用是针对不同的两个空调区域，则空调系统的可靠度比一用一备要低，但空调系统的总体经济成本比一用一备要低。

3）多种备用方式。它是一个通过设备的组合，达到制冷系统的冗余设计的目的。同上述两个空调系统冗余设计方法相比，省却了通风机的备用，因为一般来说，通风机的可靠度在空调设备单元中不是最低的。

按经验，空调设备50%以上负荷运行，一般约占了全年运行时间的45%，其它负荷状态则约占了55%的时间。乐东油田空调设备的配置在 50%空调负荷以下运行时制冷系统为一用两备，在50%空调负荷以上运行时为两用一备。所以这种方式的可靠度根据其负荷不同，运行方式随之改变而有所不同。由于本方法的贮备形式从大系统（空调系统）降为小系统（制冷系统），经济性得到了提高。

从上所述可以看出，目前在海上石油平台空调的可靠性冗余设计中，主要考虑以系统为主，包括制冷系统和空调系统。它的优点是可靠度高，但经济性差，设备所占空间、重量大。

4 船用空调的可靠性设计措施

在一般船用空调设计中，可靠性设计方法与海上石油平台空调的设计方法是一致的，仅在具体措施上有所不同。考虑到船舶空间有限，并且重量限制，在冗余设计方面很少采用系统备用，主要是以制冷系统中某个单元贮备为主，按串联系统的可靠性法则，提高可靠度最差部件的可靠性设计是最为经济的办法。如考虑制冷系统中的运动部件仅制冷压缩机，相对可靠度较低，采用贮备方式并联一台备用。热力膨胀阀因系统不清洁等原因造成容易卡死或感温包容易受损造成无法工作，采用并联手动膨胀阀的冗余设计方法提高可靠度。随着制造技术水平的提高，热力膨胀阀的质量已有很大的提高，在空调设备中热力膨胀阀已较少备用。这种通过提高系统中可靠性最差的单元的可靠度来提高设备的可靠度的方法已证明是行之有效的。但由于空间的原因，很少考虑水冷冷凝器备用，而海水对冷凝器的腐蚀一直是一个经常困扰我们的问题。连接各单元的制冷管系本身实际上也是一个可靠度较低的单元，这是因为考虑到船上设备的维修性，一般在制冷系统中设置了较多的阀门，造成管系也是制冷剂泄漏的重要所在。

所以，与目前的平台空调的可靠性相比较，船用空调的可靠性相对较低，但其经济性相对要高许多。

5 提高平台空调可靠性冗余设计综合效能的建议

根据平台空间环境特点，综合考虑性价比，应是可靠性设计中冗余设计的一个原则。根据这个原则，提高平台空调可靠性冗余设计的综合效能建议如下：

1）制冷系统多用一备是一个优选的方法，并在正常使用中应考虑制冷系统轮换运行，避免长期冷贮备。备用的方式推荐以ACCU备用的方式；

2）在提高制冷系统管系的气密性能基础上，仅采用制冷压缩机备用的方法，也是可取的，特别是在设备安装空间局促的场合。经济性相对最好；

3）AHU备用是不必要的，如果风机与电机是皮带传动，建议备用皮带即可。

6 结论

为保证海上石油平台空调的可靠性，总体设计单位既要考虑设备的安装空间、空调系统的划分，从系统的角度进行可靠性设计，但还要考虑经济性。设备供货商应从实际情况出发，综合考虑元器件的质量、制造工艺水平和以往产品实际应用情况，开展设备的可靠性设计；只有通过系统和设备可靠性设计的两个方面充分沟通和协调，海上石油平台空调的可靠性才能又好又省地得到落实。

[1]林辉.海上石油平台空调设备设计要点[C]//上海造船学会2006年年会论文集, 2006.

[2]GJB450A-2004.装备可靠性工作通用要求[S].

[3]黎放, 王志国等.舰船可靠性管理工程[M].国防工业出版社, 1997,5.

长征重工铁路产品出口印度

日前，重庆长征重工有限责任公司成功与印度客商签订了100辆谢菲尔MKVII转向架订单，订单总金额2000余万元。在2012年6月南非车展上，印度客商对长征重工展出的谢菲尔转向架产生了浓厚的兴趣。随后，印度客商曾数次前往该公司沟通洽谈，考察转向架生产情况，并最终达成合作协议。今年初，长征重工与印度客商成功签订转向架订单，并在春节期间启动了谢菲尔转向架生产。按合同要求，6月20日前须完成100辆谢菲尔转向架发货。此次是长征重工与印度客商的首次合作，随着客户业务的扩大，以后双方还将进行更深入的合作，必将进一步推动长征重工地铁转向架、铁路整车等铁路产品在海外市场的推广。

The Reliability Design of the Air Conditioner for Seashore Oil Plates

ZHU Hong1, TENG Wei2
(1.Naval Military Representative Office in Hudong Zhonghua Shipbuilding(Group) Co.,Ltd., Shanghai 200129; 2.Oil Field SuiZhong 36-1 of China National Offshore Oil Corporation, Tianjin 300461, China)

Measures are proposed to improve the reliability design of AC equipments installed on the offshore oil platforms by combining the analysis of various methods applied in designing AC equipments on offshore oil platforms with the practical experiences.

offshore oil platform; air conditioning; reliability

U664.5

A

朱鸿（1968-），男，硕士。研究方向：船舶动力。