海洋平台LED照明灯具的应用

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(海洋石油工程股份有限公司，天津 300450)

海洋平台LED照明灯具的应用

张东亮，方建伟，李君华，潘锐，李晓光,陈佳佳

(海洋石油工程股份有限公司，天津300450)

为优化平台照明系统设计，以某海洋平台LED照明灯具为例，建立2种照度计算模型，对比分析LED照明灯具和传统照明灯具的优缺点，并从技术、经济和安全性能等方面，详细论述了LED照明灯具在海洋平台应用上的优势，为未来海洋平台照明灯具的选用提供参考。

LED灯具；计算模型；海洋平台

0 引 言

目前，海洋平台照明主要采用传统光源(如荧光灯、金属卤化物灯等)，光源能耗高、光能利用率低、寿命短、更换频繁等，而且由于海洋平台所处的作业环境特殊，照明系统长期处于“长明灯”状态，传统光源的高耗能不仅与当前海洋平台节能减排背道而驰，而且频繁更换也影响到平台正常生产，寻求一种安全可靠、节能环保的新型可替代光源成为当前设计人员关注的焦点。

LED灯具作为新一代光源，与传统照明光源相比，具有如下优势：(1) 光效高。目前商业成品LED光效可达150～180 lm/W。(2) 能耗低。相对于传统照明光源，其耗能可以减小50%～70%。(3) 寿命长。寿命可达10年，安装使用后，不用频繁更换，大大减少灯具后期维护费用。(4) 启动响应时间短。通电后瞬间启动等。当前国内外LED灯具研发的焦点主要集中在商场、道路和景观等普通场所照明，海洋平台近年来也进行过尝试性应用，但主要集中在平台生活楼内部区域照明，这是由于该区域照明对LED灯具的防护形式和防护等级要求较低，但平台甲板区域作业环境较为恶劣、设备集中，作业区域易产生易燃易爆气体，因此灯具的选择上有着更严格的要求。目前，普通LED灯具的防护形式和防护等级较低，无法满足平台安全生产要求。LED能否应用于海洋平台照明，研发适合平台安全生产要求的灯具是关键。本文以LED灯具在某海洋平台实际应用为例，从技术性、安全性和经济性等方面解析LED灯具作为平台照明光源的优势，并通过DIALux软件建模，直观真实地展示LED作为平台照明光源的优势，为未来海洋平台照明系统优化设计提供参考。

1 平台照明对灯具的要求

海洋平台是近海海洋油气资源开发唯一可依托的基础设施，良好的视觉环境不仅仅要考虑足够合适的照度要求，同时还要考虑照明质量，如光源光谱、眩光指数、显色指数等，这些功能的有机结合能大大提高作业人员的舒适感和作业情绪。因此，良好的照明条件和合适的灯具类型是确保平台正常运行作业的前提，也关系到平台生产作业的安全。

1.1平台照度要求

为满足在夜间或光线不足的情况下作业、生活，海洋平台对舱室和主要工作处所的人工照明照度有着严格的要求，不同区域有不同的照度标准，这也是平台照度计算与灯具选择的依据。船舶行业标准CB/T 3806-1997 《海洋平台照度要求和测量方法》规定的海洋平台部分区域最低照度要求见表1。

表1 正常和应急照明照度要求 Lx

1.2技术性能

灯具的技术性能指标主要体现为显色指数和眩光指数等。显色指数越高，能更好地反映物体的本体颜色，使被照射物体的层次更加分明，能更好地分辨出特殊的细节。特别在夜间作业时，对于移动物体能最大程度分辨出物体细节，大大提高夜间施工作业的安全性。其次是眩光指数，当视野内出现过高或对比度过大的光线时，会引起视觉不舒适并降低物体可见度，眩光[1-2]是引起视觉疲劳的重要原因之一，舒适的照明环境要求光源眩光尽可能低，以提高人在环境的舒适度。

良好的照明视觉效果不仅能为作业人员提供一个良好的作业环境，还能提高作业人员作业情绪和舒适感，搭建一个安全生产的平台。

1.3安全性能

由于海洋平台的特殊环境，在平台生产作业期间产生的易燃易爆气体会在平台某些区域形成易燃易爆区。同时，海洋平台所处海域空气潮湿，并含有大量的烟雾等，从海洋平台的实际情况和安全角度出发，对照明灯具要求较严格，其防护等级和防爆等级必须满足规范要求。

1.4经济性能

灯具的经济性能主要从前期投入费用、使用成本和后期维护成本综合考虑：前期投入费用指灯具采购费用；使用成本主要是从灯具数量和单个灯具的耗电量衡量；维护成本主要由灯具的损坏率和更换灯具的费用组成。优先考虑选用成本低、维护成本低、使用寿命长的灯具。

平台照明灯具的选择没有固定的模式，首先应以安全、高效、经济为原则，除上述主要考虑因素外，还要考虑其使用寿命、安全性能和环境保护等因素，用户根据需要综合考虑多方面因素，在满足照明条件的同时达到安全、节能、环保的要求。

2 海洋平台LED灯具的特点

由于平台生产作业环境的特殊性，甲板大多数区域常含有腐蚀性和易燃易爆气体，因此对照明光灯具的要求极高。随着近年来LED技术突飞猛进的发展，高防护和防爆等级大功率白光LED作为一种新光源为海洋平台提供照明成为了可能。LED灯具在海洋平台照明的优势主要体现在以下几个方面：

(1) 技术性能优越

显色指数高。传统照明光源，如高压钠灯等，光源显色指数较低，仅为20～30，光源色温1 900 K，光线为黄色。显色指数低不利于施工人员分辨物体的细节，特别是对于夜间吊装作业时移动的物体更难分辨。LED显色指数可达90，光源色温超过5 000 K，光线接近自然光，色温范围和色温分布可根据现场实际需求进行。在相同照度情况下，LED照明[3]的施工作业现场更加明亮，更能创造一个舒适的视觉环境，提高了夜间作业的安全性。

眩光影响小。传统照明光源是全身辐射，光线必须经过灯具的一次或二次反射，将光线投到目标区域。由于光源较为集中，光线经过反射后易造成眩光。眩光会给作业人员心理及情绪等带来不适，严重时则会造成人员难以看到物体。LED光源也有眩光现象，但由于其光线具有单向辐射性，可通过特殊设计(如灯珠布置、透镜封装等)降低眩光的影响。

照度均匀性好。LED光源通过小功率分散布置，可根据光照区域需要进行特殊的光学设计，改变光源出光角度、光通量大小、光强大小及分布等。传统照明光源配光是通过反射形成的，一方面会损失掉部分光线，另一方面光线辐射到区域的均匀度较差，光线较为集中，因此平台通常会增加荧光灯作为辅助照明，同时增加光线显色效果。相对于传统照明光源，LED在满足照度要求的情况下，其均匀度要远远高于钠灯。

(2) 安全环保

高压钠灯属于气体放电光源，电弧管内充有金属元素(如汞、钠等)，通电后管内金属元素在弧管两端电极作用下，受热成为蒸气，产生电弧放电发光。从触发到正常发光需经过触发、着火和正常发光3个阶段，时间一般为5～10 min，不允许连续启动。在工作状态下，灯具腔体内的温度超过150℃，在非工作状态下会形成负压，回吸灰尘等杂质，大大影响灯具的出光效果和使用寿命，且存在频闪。LED灯具采用固态光源，灯珠固定在基板上，其抗振性能好。平台各种设备多，而且都集中到有限的空间内，生产期间各种设备的振动，加上风、海浪等对平台的影响，相对传统照明光源有着不可比拟的抗振性能。LED灯具响应时间为纳秒级，通电后瞬间启动，不存在启动延时问题，是目前所有光源响应最快的产品。LED灯具表面发热量也远远低于钠灯，无频闪现象，且不含重金属元素，绿色环保。

(3) 经济性能优越

传统灯具由于气体放电灯的负阻特性，工作时需要配置专用镇流器，灯具工作时除本身消耗功率外，镇流器也会消耗灯具自身约20%的功率，无形之中增加额外耗能。LED灯具除本身消耗功率外，驱动电源消耗的功率几乎可以忽略不计。主甲板2种照明灯具的经济性能对比见表2。

表2 灯具经济性能对比

由表2可以看出：LED灯具前期采购投入的成本较高，但在灯具使用2～3年后，其经济性基本与传统照明光源持平，使用的时间越长，LED的经济性优势就越明显。国内大多数海洋平台高压钠灯数量一般用量在150只以上，规模较大的平台多达几百只甚至更多，当前LED灯具价格较高，但随着技术的发展，其价格还有下降的趋势，经济的优越性将越突出。

海洋平台甲板多数区域都属于易燃易爆区，对照明灯具性能要求较高，LED作为一种平台照明的新光源，其防护、防爆等级等均须要满足规定要求，这也是致使灯具价格高的原因之一。此外，LED灯具选用时还应重点关注：

(1) 散热。大功率LED体积小、工作电流大，输入功率中大部分(70%～80%)将转化为热能。若灯具热量不能有效传导和散发，将造成LED 灯芯片温度居高不下，引起光强降低、光谱偏移和元器件加速老化等一系列问题，大大降低LED的可靠性和使用寿命。因此，散热设计是非常重要的环节[4]。

平台LED照明灯具为满足防爆等级要求，通常将光源和驱动电源安装在特殊的保护外壳中，有应急功能的灯具还包括应急电池，而且封装大多采用集成封装模式，导致灯具在工作过程中散热更加困难。保护外壳除承担防护防爆保护功能外，同时还作为散热导体将内部热量传到外部，但这种被动的散热方式散热效率较低，是平台用户最为关注的问题。

对于集成封装的防爆LED灯具，将灯具电源(包括应急电池)与LED灯珠分别单独封装在防爆保护外壳内，并采用散热性能好的外壳材料，可解决热源集中的问题，使得LED灯具的散热效率大大提高，这是目前正在研究的可行方案之一，也是未来海洋平台能否大规模应用LED灯具作为照明工具的关注点。

(2) 驱动电源。由于LED的单向导电性，决定着其驱动电源只能是直流电源。LED驱动器供电通常为DC/DC和 AC/DC两类，DC/DC一般由电池、电瓶或稳压电源供电，主要用于便携式电子产品设备。平台照明系统供电电压通常为220V，一般要经过降压、整流、滤波、稳压(或稳流) 等环节，将交流电转换为直流电，然后通过驱动电路为LED提供合适的工作电流。高效稳定的驱动电源不仅能降低 LED的光衰，也能大幅度提高LED灯珠的使用寿命，从而满足整个灯具长寿命、高可靠性的要求。对平台LED灯具而言，驱动电源还要满足平台防护等级和自身散热要求等[5]。

3 照明应用实例

近年来，LED灯具在海洋平台上也逐步尝试使用，使用区域主要集中在生活楼内部，为作业人员工作、生活提供照明，但这些区域对灯具安全性能要求不高。甲板区域特别是平台生产区、井口区等区域，易产生易燃易爆气体，且长期处于盐雾、潮湿等环境中，因此对照明灯具的防护、防爆等级有着严格的要求。目前国内外很少有厂家针对海洋平台环境研发高防护、防爆等级的照明灯具，这也是制约LED灯具在海洋平台甲板区域大规模使用的因素之一。

本文以某海洋平台主甲板(尺寸52 m×39 m)照明为例，建立2种照度计算模型，从技术性能上分析LED照明与传统光源照明相比的优势。

3.1灯具布置

2种照度计算模型中，LED灯具按实际设计位置布置。由于该平台没有采用传统照明光源(高压钠灯和荧光灯)，在照度等效原则下，参照其他平台传统光源灯具布置以及设备所在甲板位置等因素影响，在传统照明光源计算模型中对灯具进行布置，如图1所示。灯具数量：LED照明荧光灯41只(包括18只应急照明)，LED泛光灯3只；传统照明高压钠灯9只，普通荧光灯18只(应急照明)。

3.2灯具参数

模型中灯具参数见表3，安装高度和角度参照目前海上平台常用灯具安装，其中LED荧光灯水平安装。LED光能辐射具有单向性，发光色温可达5 000～10 000 K，可根据用户实际需求，对配光曲线和灯光色温进行调整。

图1 灯具布置示意图

表3 灯具参数表

3.3光学设计

大功率LED灯具一般采用多个LED作为光源，根据其光的分布特性及用户的要求，可将其以一定的形状阵列(多排线形、环形或曲面)排布，多个LED的光线在照明目标面上叠加使光照度均匀分布，同时可根据需求优化灯具透镜和反射器，改变光传输路径和方向，以提高照明灯具的光输出效率，从而使光能得到最大限度的利用。

高压钠灯为全向发光，有超过50%的光线需要经反射器反射，这一过程必然会损失一部分光线，影响其利用率。另外，高压钠灯配光曲线由反射器决定，存在着很大的局限性。LED灯具采用分布式光源，通过对各个电光源的有效设计，灯具的光源呈现出理想状态，实现对配光曲线的合理调整，控制光线的分布，在灯具的有效照射范围内，照度相对比较均匀。为计算方便，本案例中2种光源的配光曲线相同，普通荧光灯和LED荧光灯的配光曲线如图2a)所示，高压钠灯和LED泛光灯的配光曲线如图2b)所示。

图2 配光曲线

3.4显色性能

长期以来，人们习惯于把物体在正常日光下呈现的颜色叫“固有色”，光源的显色指数越高，越接近日光，说明光源的显色性能越好，对物体的色彩还原能力越强。海洋平台传统照明大多采用钠灯，显色指数仅为20～30，所发出光线为金黄色，显色性较差，特别对夜间移动的物体，作业人员不容易分辨出物体的细节。LED光源显色指数接近日光，夜间施工作业时显得更加明亮。在等效照度的条件下，LED灯光亮度要比钠灯高出2.0～2.5倍，平台夜间作业时能更好地分辨出物体细节，较大程度地增加作业人员安全感和眼睛的舒适度。

3.5照度均匀性

照度计算过程未考虑甲板钻井模块、井口区及设备区的占用面积以及自有灯具对照度计算的影响，计算以图1灯具布置和表3灯具参数作为输入条件。2个模型的计算结果显示：采用LED灯具其平均照度为57 Lx，传统光源平均照度为63 Lx。2个模型平均照度均满足平台露天甲板区域最低照度要求。

图3 LED光源等照度分布图

图4 传统光源等照度分布图

从图3和图4可以看出：LED光源等照度图中，相同照度光源呈长环形分布，不同照度之间过渡平缓，均匀性较好。传统光源照亮度主要集中在灯具照射区域，在甲板上形成以灯具为中心的“亮斑”。视野中如果亮度过高或者亮暗反差过大，容易引起眼睛不适和疲劳，造成视觉能力降低，这种效应就是眩光，眩光是影响照明质量的最重要因素。图4中，传统光源的照度均匀性远远不如LED光源。因此，良好的照明均匀性能为作业人员创造一个舒适安全的作业环境。

如降低传统照明光源功率，增加光源数量并分散布置，尽管照明均匀性有所增加，但灯具数量增加，其初期投入及后期维护费用也会随之增加，在能耗不增加的情况下，这种方法有可能得不偿失。

4 结 语

当前制约LED灯具在平台大规模应用的主要因素有：(1) 价格因素。目前大功率LED灯具的价格偏高，但随着半导体材料、LED封装技术、光学设计及驱动电源设计技术的提高，LED灯具价格有持续下降的趋势。(2) 海洋平台长期处于高潮湿、盐雾的环境中，对灯具的防护形式和防护等级要求较高。国内很少有厂家针对海洋平台研发高防护等级的产品，这也是其价格高的因素之一。(3) LED自身的不足，如灯具自身散热问题，封装工艺等。LED电光转换效率大约只有20%～30%左右，约70%的电能都变成了热能，而其自身热容量很小，如热量不能及时传导出去，芯片温度过高将会加速光衰，影响灯具使用的可靠性和寿命。因此，适合平台照明要求的LED灯具，从芯片基板设计(需选择导热性能好的衬底材料)到灯具封装工艺、外壳材质选择及设计等是必须考虑的因素。(4) 灯具使用的可靠性。虽然该平台首次尝试在甲板区域用LED作为照明光源，但其使用的安全性和可靠性还有待验证，这也是LED能否推广到其他海洋平台或海洋油气生产设施(如FPSO，FLNG)应用的关键。

[1] 谭力,刘玉玲,余飞鸿. 光源显色指数的计算方法研究[J]. 光学仪器， 2004，26(04)：41-44.

[2] 农文捷，梁建冬，黄瑞彬，等.眩光指数UGR与半柱面照度的相关性[C]//中国照明论坛——LED照明产品设计、应用与创新论坛，2013.

[3] 张东亮,章怡圣,王祥伟,等. 浅谈白光LED在未来海洋平台照明中的应用[J]. 照明工程学报，2011，22(05)：115-119.

[4] 郭凌曦,左敦稳,孙玉利,等. LED散热技术及其研究进展[J]. 照明工程学报, 2013，24(04)：64-70.

[5] 李环平. LED驱动电源的研究与设计[D].广州：华南理工大学，2010.

ApplicationofLEDLightingonOffshorePlatform

ZHANG Dongliang, FANG Jianwei, LI Junhua, PAN Rui, LI Xiaoguang， CHEN Jiajia

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300450， China)

In order to optimize the platform’s lighting system,LED lighting of an offshore platform is taken as an example,and two kinds of illumination calculation model are established. Advantages and disadvantages of LED and traditional lighting are compared and analyzed. Superiority of LED lighting application on offshore platform is discussed from the technical, economic and safety performonce, etc. It provides reference for lighting selection on offshore platform in the future.

LED lighting; calculation model; offshore platform

2016-07-12

张东亮(1976-)，男，工程师

1001-4500(2017)04-0054-07

U667

： A