沙特阿美油气站场变电所工程的空调通风系统设计*

李洪涛 李胜利 宋永胜 田涛 李军 郝庆

1中国石油天然气管道工程有限公司

2中油管道物资装备总公司

沙特阿拉伯国家石油公司（Saudi Aramco，简称“沙特阿美”）是世界最大石油生产商、原油出口商和第六大石油炼制商，是我国“一带一路”沿线重要合作伙伴。沙特阿美汇集50余年设计生产及运行管理经验，形成独有且庞大的设计规范与工作体系，应用于公司所有工程。国际油气领域公认沙特阿美企标是世界最严苛规范，因此企标满足了阿美公司要求，就具备兼容全球的能力，有助于开拓高端油气市场[1-4]。

变电所是油气站场重要组成部分，它既是下级电网电源点，也是上级电网负荷点。作为电力系统枢纽，变电所将输电线路上较高电压降到满足设备需要的等级，对油气线路与站场配套电网安全经济运行起着举足轻重的作用[5-9]。

阿美工程中变电所内部包含电气设备室、控制室、通信室、蓄电池室、GIS室（气体绝缘室）、SEC室（沙特国家电力公司值班室），以及专门放置空调设备的机械室、CCU（Closed Control Unit，精密空调）室。本文结合某工程实例，针对阿美油气站场变电所空调通风系统，从系统设计、自动化设计及相关计算等方面进行介绍。

表1 相关规范Tab.1 Relevant standards

1 规范

沙特阿美初期由美国雪佛龙、埃克森&美孚、德士古公司联合创建并运营，1962年由沙特政府收为国有后发展至今，其空调通风系统相关规范见表1。

阿美规范在每页页眉处包含两条信息，一是规范起始日期，二是下一轮升版日期。升版周期约3～5年，不同规范起始日期以及下次升版日期不同，设计人员应注意时效性。

部分项目在主合同中有规范截止日期的相关规定，例如，将2018年2月1日定为截止日期，该日期之后即使有规范升版，本项目不再应用；如果没有提前说明，需要根据执行周期对已经或将来可能过期的规范提前做好记录，避免引起设计事故。

2 系统设计

对于阿美工程，根据SAES-T-916中4.3.6.4节要求，通信室空调系统应单独设置。所以变电所空调系统分为两部分，一部分是除通信室外整个单体使用中央空调AHU&ACCU系统。AHU（Air Handling Unit）属于室内机，放置在机械室，包含过滤段、加热段、膨胀段和送风机组，加湿器可置于AHU内部或独立设置；ACCU（Air Condensing Cooling Unit）是室外机。另一部分，通信室根据SAES-K-003规范6.5.2节中规定，须使用精密型空调。阿美工程常用空调形式为CCU&ACCU，其中CCU为室内机。沙特全境气象参数可参考SAESA-112，室内设计参数依据SAES-K-001，见表2。

表2 变电所室内设计参数Tab.2 Design parameters inside substation

2.1 中央空调系统（不含通信室）

阿美要求新风获取须使用新风立管（图1立面），不能通过门窗缝隙或墙面百叶直接获取。根据SAES-K-002规范5.1.2节中规定，新风立管高度至少7.5 m，并高于周围建筑，立管内部设置防沙百叶、滤网、防鸟网、压差计量器，顶部安装气体检测探头。探头通过仪表电缆连接控制中心的ESD（紧急停车系统）机柜。立管入户风道上设置电动风阀并连锁室内过滤设备。新风从立管顶部进入，经过气体检测与物理沉降后进入机械室。

图1 机械室布置Fig.1 Mechanical room layout

空调设备主要放置在机械室（图1），包括AHU、加湿器、惯性过滤器、化学过滤器、配电柜与控制柜（Direct Digital Control，下称DDC），配电柜与DDC同样负责通信室空调系统CCU&ACCU的配电与控制。新风送入机械室后，到达AHU之前先由惯性过滤器进行物理过滤。惯性过滤器分为两级过滤，采用ASHARE标准中的比色法作为测定与评价指标，初过滤效率需达到25%，次过滤达到85%。过滤产生的废弃沉降物（砂石、灰尘等）通过风机吹至室外，新风进入下一级的化学过滤器，化学过滤器功能为除去易燃与有毒有害成分。根据SAES-K-002中针对化学过滤器的要求，可燃气体组分爆炸下限百分比（LEL）的报警阈值为5%（体积分数），动作阈值为10%，同时H2S浓度报警阈值为5×10-6，动作阈值为10×10-6。经化学过滤后，如H2S浓度仍超过10×10-6，会连锁关闭加压单元与风道阀门。

新风经加压单元送入回风静压箱与系统回风汇合，经AHU冷却或加热后进入送风风道，再送至整个单体。过滤器滤网前后设置压差感应器，并与DDC连锁，从而实时监控过滤设备状态。对于DDC布置，根据SAES-P-116规范7.2.2节中规定，DDC与其他设备正面保持最小1.5 m的距离，侧面保持1 m距离。

主风道与单体内各房间设置温度传感器，将温度信息实时上传至DDC，接受实时监测。主风道设置湿度传感器，并与DDC连锁，用以启停加湿器。冬季不同房间温度要求差别较大，AHU制热盘管负责维持单体基本温度（16～18℃），蓄电池室、控制室、SEC室等对温度标准要求较高的房间（22±2℃）入户风管处额外设置管道加热器。加热器与自带的温度计连锁，温度计位于相关房间内，实现加热器的自动启停与状态控制，并受DDC监测，保证房间温度达到要求。

2.2 通信室空调系统

通信室单独设置空调，且根据SAES-K-003规范6.5.2节中规定，使用机房精密空调，形式为CCU&ACCU。根据阿美规范，通信室内不能放置除通信设备外的其他设备，并且不能出现给排水系统。因此在通信室隔壁设置CCU室，放置CCU，相关给排水管道与冷凝管也布置在CCU室。通信室与CCU室之间墙面开洞，设置送风口与回风口。根据SAES-K-003规范6.8节中要求，如通信室空调不含新风设备，则需要单独设置一套新风系统向通信室送风，使房间保持正压（图2）。

图2 通信室空调系统设计Fig.2 AC system design in telecom room

2.3 外墙开洞

根据SAES-M-009规范8.3节中规定，对于风道穿外墙的开洞应采取抗爆措施。根据规范SAESM-009要求，洞口截面积大于1 000 cm2时，如爆炸峰值压力大于0.07 MPa，应在开洞位置设置抗爆阀，避免压力传至室内；如压力小于0.035 MPa，可在洞口位置设置爆炸衰减器。如果压力介于二者之间，规范中没有明确描述，通常做法也是设置抗爆阀，这也是国内油气站场中常用的壁式轴流风机很少出现在沙特阿美工程的原因。如果外墙风道洞口截面积小于1 000 cm2，可以不考虑抗爆措施[10]。SAES-K-003规范要求所有墙面开洞必须设置电动防火阀，与DDC连锁，实现远程开闭。

3 自控设计

中央空调及通风自动化系统内部由DDC采集温度和湿度信号，监控并启停设备与电动阀门；外部由变电所等各单体的DDC将信号通过光缆传至控制中心中总DDC；同时总DDC通过串口连接仪表控制柜（Process Automation System，下称PAS）并上传信号。PAS是整个站场的“大脑”，所有设备信号及状态均需上传至PAS。空调通风设备也要接受电力控制系统（Power System Automation，下称PSA）监控。自动化流程见图3。

图3 系统自动化流程Fig.3 Flow of system automation

3.1 通信

（1）光纤通信。变电所温度和湿度、设备状态等所有信号经DDC采集后，上传至控制中心总DDC，因信号数量巨大，采用光纤传输方式。对于相关供货情况如光缆、跳线及信号接线板由暖通厂家还是通信厂家提供，需要在采办过程中的技术澄清环节予以落实。

（2）硬线通信。SAES-L-003规范6.10节中规定，所有设备失效及报警信号均需上传至位于沙特达曼市的网络中心（Network Operation Control Center，下称NOCC）进行集中监测与控制。SAES-L-003规范7.4.6规定，电池室氢气浓度达到报警阈值后，空调设备切断的同时相关报警信号也需远传至NOCC。SAES-T-916规范4.3.8.3规定，通信室设置高温探头，相关报警信号上传至NOCC。

综上所述，鉴于硬线铺设成本低且更稳定，报警信号的上传使用硬线（铜线），从总DDC或变电所DDC直接连接至站场通信中心的RTU设备，然后远传至NOCC。

3.2 电力

PSA机柜根据需要，从系统采集必要信号，包括高温报警信号、系统运行与失效信号，从而对温度、湿度和设备状态起到监视作用。根据SAES-P-103规范6.3.2节中规定，空调与风机通过DDC连锁UPS（不间断电源）充电开关。当设备发生故障时，DDC会直接作用UPS，切断电池充电过程，避免产生氢气。维护抢修方面，SAES-P-103规范中要求，在蓄电池室出口外侧，必须设置声光报警器。报警器与风机连锁，当风机出现故障时由报警器通知工作人员尽快维修。

3.3 仪表

火灾发生时，仪表一路信号会从变电所FDAS（火灾探测系统）通过硬线直接传输至DDC，关闭设备。设置烟气的低报警与高报警，可燃性气体浓度达到临界值时，通风立管顶部可燃气体探测器传输信号至控制中心ESD机柜，再通过硬线将信号传输至变电所DDC，从而在事故状态下紧急切断系统。总DDC使用串口通信，连接PAS系统，实时上传设备运行状态。

需注意，SAES-J-902规范第14节中要求，根据仪表信号种类、电压、电流不同，将相应电缆分为三个等级，不同等级不能共用同一个桥架。

4 相关计算

根据阿美要求，除冷、热负荷及空调送风量计算使用指定软件HAP（Hourly Analysis Program）外，新风风量和加湿器选型计算等都需要工程师手动完成，计算过程作为附件插入计算书。

4.1 新风风量

根据SAES-K-001规范4.4.11.2节中规定，新风风量计算方法分两种，取其中较大值。

方法一：空调送风总风量的5%，与所有风机排风风量之和，即根据HAP完成负荷计算，得出总风量及各个房间风量，结合排风量求和，完成新风总风量计算。

方法二：参考ASHRAE 62.1中Table-2，取值并计算。

方法二计算涉及三部分，基于房间压力、基于房间面积和基于工作人员数量，计算结果取较大值。

（1）基于房间压力计算。计算带压（正压或负压）房间，通过门窗缝隙的空气泄漏量为

式中：Ql为空气泄漏量，ft3/min；C为系数，取值0.65； A为门窗缝隙面积，ft2；Δp为内外压差，in H2O，1in H2O=0.249 082 kPa； ρ是空气密度，取值0.074 9 lbm/ft3，可根据需要进行国际单位与英制单位转换。

维持正压需要空气量

式中：Q为总新风量，ft3/min；Qp为空气风量，ft3/min；Vt为空气体积，ft3；Vr为房间体积，ft3；pt为总压力，kPa； pa为大气压力，kPa； pr为房间压力，kPa。

阿美工程认为送风时间为5 s即可使得房间达到并保持预定压力。

（2）基于房屋面积计算。根据ASHRAE 62.1中Table-2对不同房间每平米新风量的规定，结合房间面积，直接计算新风量。

（3）基于工作人员数量计算。因变电所自动化程度较高，没有常驻工作人员，不需考虑此部分。

4.2 加湿量计算

根据ASHRAE应用手册，依据加湿量计算结果对加湿器进行选型。

式中： H为加湿量，kg/h； ρ为水密度，kg/m3；Q0为新风风量，L/s；Wi为室内湿度比，W0为室外湿度比，kg（水）/kg（干空气），Wi与W0根据焓湿图与当地气象参数确定，本工程Wi冬天取0.005 36，夏天取0.003 16， W0取0.009 73； S为室内其他水汽来源，kg/h；L为其他水汽损失，kg/h。

对于变电所，S与L可以忽略不计，所以加湿量最终公式为

5 结论

根据阿美规范与设计理念，对阿美工程变电所大型中央空调及通风系统进行相关设计与优化，以提高系统先进性与可靠性。

（1）优化新风处理系统，选择新风立管、惯性过滤器与化学过滤器，监测新风状态，并进行物理沉降与化学成分过滤。同时滤网前后设置压差感应元件，实时监测过滤设备状态。

（2）对变电所与其中的通信室进行设备选型与相关设计。在抗爆建筑外墙开洞，并根据阿美要求采取必要的抗爆措施，这也是国内工程常用的壁式风机在阿美工程极少使用的原因。

（3）空调与风机除互相连锁外，还连锁蓄电池强充装置，保障蓄电池室安全。蓄电池室室外设置声光报警器，提醒工作人员在故障发生的第一时间修理风机。

（4）进行自动化设计，实时监控设备状态、电动阀门状态及温湿度信息；暖通作为主体专业，梳理与通信、仪表和电力专业间界面信息，包括户外危险气体及户内火灾检测装置的连锁，与控制中心总DDC、PAS系统以及NOCC间的通信。

（5）根据规范要求，完成符合阿美工程思路的新风与加湿器选型计算。