变频通风技术在海洋平台中的节能应用

变频通风技术在海洋平台中的节能应用

李伟，郝宝齐

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司,天津 300461)

摘要：分析机舱变频通风系统风机风量与环境温度、设备散热条件的依存关系，明确机舱变频通风系统中采用温度和压力作为控制风机转速的因果关系，理论分析采用变频通风系统的节能效果，认为合理的通风布置对于变频通风系统发挥节能降耗作用具有重要作用，采用机舱变频通风系统可以提高目标平台的节能与环保性。

关键词：变频；通风；节能

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.006

中图分类号：U664.86；P752

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2015)05-0021-04

收稿日期：2015-07-30

作者简介：第一李伟 (1975-)，男，学士，工程师

Abstract:The VFD technique applied in the engine room ventilation of offshore platform is studied. The relationship between the airflow of ventilation and ambient temperature and equipment heat dissipation is analyzed, as well as the principle of controlling the fan speed by temperature and pressure. The energy saving efficiency of applying VFD ventilation system is analyzed theoretically. It can be concluded that proper ductwork arrangement has significant influence on energy saving effect, and applying the VFD technique in engine room ventilation can increase the energy saving efficiency and environmental friendly performance of the target platform.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海工机械动力

E-mail:liwei4@cnooc.com.cn

海洋平台上发电机舱的通风系统主要有两个作用：满足房间散热需要和满足柴油机燃烧空气消耗。机舱风机的选型一般根据ISO8861的计算结果。此计算是基于极限环境温度条件下最大设备散热工况下机舱通风系统所需求的风量来确定机舱通风所需最大通风量。海洋平台在实际操作运行过程中存在不同的作业工况，对应不同工况，机舱内设备散热各不相同；同时通风系统风量的需求又与室外环境温度有密切的关系，1年之中只有约20%的日子里室外最高气温会达到或接近设计最高值，1 d之内早午晚室外气温的变化也很大。如果始终让风机按设计最大工况运行势必造成无谓的能源浪费。而空调通风系统通常是平台上的用电大户，一般会占平台发电量的20%～30%，降低通风系统的能耗意义重大。根据风机马达功耗与风机转速呈立方正比关系的原理，如果风机转速降低一半，则对应马达功耗将降低87.5%，这对于降低能耗具有显著的意义。变频风机系统的应用可实现这一目的。变频通风系统可以根据环境条件和房间内设备散热工况自动调节风机转速，达到节能降噪，低碳环保的目标[1]。

1通风机选型

ISO 8861《Shipbuilding-Engine room ventilation in diesel engine ships-Design requirements and basis of calculation》是目前船舶及海洋工程机舱通风计算的理论依据，据此，机舱通风总量Q至少为机舱内所有设备所需燃烧空气量qc和设备散热所需通风量qh之总和，即

(1)

且应

Q≥1.5qc

(2)

其中，qc和qh应按具体设备厂提供的参数进行计算。当在设计中不能及时得到这些信息时，可按ISO8861中所述进行估算。

2合理的通风布置

对于海洋平台，通常机舱内没有推进柴油机，只布置发电柴油机。机舱通风就完全是为发电柴油机提供燃烧空气和给机舱内设备散热而用。根据卡特彼勒(Catepillar)的建议，最佳的机舱通风布置见图1。

图1　卡特彼勒推荐的机舱通风形式

图1a)即冷风从底部送入，先后流经发电机柴油机，最后热空气上升至高点被排风机排出机舱。

图1b)即冷风从舱壁侧面已斜向下的方向吹拂流经发电机、柴油机，热空气上升至机舱高点后背排风机排出。

最差的通风布置是图1c)。也就是送风从柴油机顶部吹下，流经柴油机热表面和发电机热表面后热空气上升至机舱高点，被排风机排出。

对应图1a)～c)通风布置情况，Catepillar 推荐的机舱通风量计算公式分别为

(3)

(4)

(5)

式中：C——机舱所需通风量，m3/h;

He——机舱最大设计温度条件下柴油机散热量，kW；

Ha——机舱内辅机等设备散热量，kW，如果没有确切的数据，可按每台发电机散热等于柴油机散热量的1/3进行估算；

W——室外最高气温条件下空气密度，kg/m3;

Tr——最大温升，K;

Ca——柴油机燃烧空气量，m3/h。

分析式(3)～(5)发现，燃烧空气量与机舱通风形式没有关系，而散热所需通风量则与通风形式有直接的关系。采用第1种通风形式散热通风量是第2种通风形式下散热通风量的一半，而采用第2种形式通风形式散热通风量约等于第3种通风形式下散热通风量的一半。根据若干项目机舱通风计算的比较发现，Catepillar给出的第3种通风形式下机舱所需通风量基本上与通过ISO8861计算得出的机舱通风量相当。也就是说采用Catepillar建议的第1种或第2种机舱通风形式可以大幅地减小机舱通风量。

大部分海洋平台上，机舱通风的形式介于第1种和第2种通风形式之间，送风从紧贴机舱升高地板面处吹出，吹拂发电机后流经柴油机表面，最后热空气在机舱底部聚集后由排风机排出机舱。当然机舱风机的选型还是得按ISO8861 计算结果来确定风机最大风量。而实际的情况是可能并不需要这么大的风量。这就是采用变频风机实时动态控制风机风量达到节能降耗的理论依据[2-3]。

3机舱通风与机舱温度压力的关系

如前所述，机舱通风无外乎两个目的：给柴油机提供燃烧空气和满足机舱内设备散热需要。最终的目的达到：机舱相对于环境维持约+50 Pa正压，同时机舱内温升相对于环境不超过12.5 K(或者机舱内温度不超过设定的值，一般+45 ℃)。定义机舱送风量为QS(m3/h)，机舱排风量为QE，机舱温度为t(℃)，机舱相对于环境的压差为Δp(Pa),则：

(6)

式(6)的含义是：机舱温度和压力(压差)是由机舱送风量QS、排风量QE、机舱内设备散热总和∑φ、环境温度TE，以及燃烧空气量QC等这些综合因素作用决定的。公式中设备散热和燃烧空气量是平台运行工况的函数，而室外温度是有规律变化但是不以人的意志为转移的，这三者都是客观条件；公式中右侧内所示的通风是手段，通过通风的手段以实现控制机舱温度和压差是目的。

4机舱变频风机控制原理与逻辑

以机舱温度和压差这两目的参数为对象，并根据目的参数的变动实时动态控制送排风量的过程既是机舱变频风机控制的内涵。根据机舱温度和压差的实时数值来控制送排风量的过程可表示为下属函数关系[4]。

(7)

(8)

上述公式的实际意义就是：根据机舱温度调节排风量QE，根据机舱压差调节送风量QS。

控制逻辑见图4。

图4　机舱变频风机控制逻辑示意

即根据实时压差值控制送风机，始终使压差Δp维持在+50 Pa左右；根据机舱温度实时控制排风机，保证机舱温度维持在设定的温度范围之内。

机舱风机的运行逻辑见图5。

图5　机舱变频风机运行逻辑

变频风机控制逻辑概括为：根据机舱温度传感器和压差传感器传回的实时动态数据按一定的动作频率(延时)和步幅控制排风和供风机的转速，以使机舱温度和压差保持在设定的范围之内。

5节能效果

泵或风机的相似律为：

(9)

式中，Q，H，N，n——泵或风机的流量(风量)、扬程(压头)、轴功率、转速。

带角标m的为模型机参数，可看做设备额定参数。

由式(9)可见，轴功率(原动电机所需功率)N与风机转速的立方成正比关系。这就是调节风机转速可以降低风机马达功耗的理论依据。

例如，大连船舶重工集团海洋工程公司建造的BT3500-1海洋平台所用机舱风机为Nyborg MPV 1120A1K 变频轴流风机，性能见图6。

图6　变频系列风机性能

由图6可见，当风机风量降低一半时，风机转速将由额定的1 750 r/min降低到950 r/min，功耗将由30多kW降低到5 kW左右，节能效果明显。

BT3500-1平台发电机舱配6台CAT3516 风冷柴油发电机，额定输出功率2 200 kW，机舱通风配3台供风机3台排风机，根据ISO8861计算，供风机的额定风量为11 000 m3/h, 排风机排风量为86 000 m3/h。

假设所有发电机按额定工况运行，考察1年中各月份排风机的实际需要风量和马达实际功耗。

假设该平台在中国南海西沙区域作业，根据中国气象网的统计资料，西沙海域2013年逐月平均气温变化见图7。

图7　西沙2013年逐月平均气温变化

1个月之内，气温的变化与与日照、阴晴雨雪、季候风等都有关系，下面两幅图(图8和图9)是根据中国气象网统计数据得出的2012年西沙1月份和7月份逐日平均气温变化柱状图，从中可以看出，相对于陆地而言，海洋上空气温的变化相对平稳。

图8　西沙2012年1月逐日气温变化

图9　西沙2012年7月逐日气温变化

为简化模型，取西沙2013年月最高和最低气温的算术平均值作为月平均气温，并以此为基础计算对应的机舱所需通风量，再基于通风量相对于额定通风量的比值来计算相应的风机马达功耗变化。

为分析方便，仅理论计算分析排风机马达功耗随室外气温变化的波动情况。上述平台在西沙作业时，1年中各月单台排风机马达实际功耗与额定功率的对比见图10。由图10可见，采用变频风机后，节能效果相当明显。

图10　风机马达实际功耗与额定功耗对比

6结论

如今，越来越多的海洋平台用户会要求给发电柴油机增压器单独接供燃烧空气用风管。这种情况下，机舱通风只剩下满足机舱内设备散热需要了，供风机将不再承担提供燃烧空气的任务。这样，机舱的变频通风效果将更明显。因为燃烧空气对室外气温不敏感，而用作散热的机舱通风量直接受室外环境气温的影响——环境气温越低所需风量越小。同时由于供排风机动态平衡时供排风量始终一致，这样就可以只用一个温度传感器来进行变频风机的动态控制。控制原理相似，只需保持供排风机运行台数相同，同步调节即可。

参考文献

[1] 刘海东，张文海，庄涛.变频器在海洋平台子系统中的应用[J].石油和化工设备，2011(5)：41-42.

[2] 李波，刘剑，颜菁菁，等.轻型平台钻机电力系统变频技术及钻井智能化操作[J].中国海洋平台，2010(6)：47-51.

[3] 何莉.海洋石油工程设计指南[M].北京：石油工业出版社，2009.

[4] 蔡增基，龙天渝.流体力学：泵与风机[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，1999.

Application of the VFD Ventilation Technique in Offshore Platform

LI Wei, HAO Bao-qi

(Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300461, China)

Key words: VFD; ventilation; energy saving