海洋石油平台HVAC系统设计参数选取的思考

2020-06-30刁素仿

石油和化工设备 2020年6期

刁素仿

（海洋石油工程股份有限公司设计院，天津 300451）

海洋石油平台上HVAC系统主要为平台生活楼和组块功能性房间提供房间的供热、通风与空气调节。海上平台多为盐雾潮湿环境，如何从瞬息万变的气象资料中提取能够用于冷、热、湿负荷计算的设计参数，尤为重要。

以旅大16-3油田基本设计项目为例，暖通专业首先要对设计基础进行确认，室内外设计温度和相对湿度需要与业主达成共识才能开展下一步工作。根据环境专业所提供的气象数据，夏季环境最高温度37.8℃，最高相对湿度95%；冬季环境最低环境温度-18℃，最低相对湿度46%；因此业主确定夏季设计温度36.8℃，设计相对湿度95%，冬季设计温度-17℃，设计相对湿度46%。因对业主提供的夏季设计基础存有异议，最高温度37.8℃及最高的相对湿度95%，为不可同时出现的极限情况，不宜作为设计参数，为此对环境温度和相对湿度进行了详细分析。

1 油田气象环境分析

旅大16-3油田位于渤海辽东湾南部海域，西北距河北省秦皇岛约100km，东南距辽宁省旅顺市约86km。首先，根据油田所处地理位置，查询企业标准Q/HS 3008-2016《海上平台采暖通风空调冷库系统设计方法》，其3.1.1中详细描述了HVAC专业冬夏季通风、空气调节的计算温度和相对湿度的选取方法，冬夏季空气调节室外计算干球温度，应采用历年平均不保证50h的干球温度；但需要提供室外的气象资料，本项目当时无法提供气象资料，但标准中明确阐述“如无确切资料，可参考下列各海域资料”详见表1。在表1中可看到渤海海域夏季的设计温度为32℃，设计相对湿度为80%，与业主所提供夏季设计温度36.8℃，设计相对湿度95%相差甚大。

对此又查询标准GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》附录A室外空气计算参数，附录A以近30年的气象记录数据为基础，给出了各个区域室外空气计算参数的参考值，此海域位于秦皇岛、大连之间，查阅附录A，秦皇岛夏季空气调节室外计算干球温度为30.6℃，大连夏季空气调节室外计算干球温度为29℃，与业主所提供夏季设计温度36.8℃相比有较大的差距。对此又查阅GB50736-2012中的附录B，室外空气计算温度简化方法，B.0.3夏季空气调节室外计算干球温度，可按下式确定：twg=0.71trp+0.29tmax；式中：twg—夏季空气调节室外计算干球温度（℃）；trp—累计最热月平均温度（℃）；tmax—累计极端最高温度（℃）；经过粗略计算夏季室外的设计温度为31.6℃左右，所得计算数据同样与业主所提供夏季设计温度36.8℃存在差距。综上所述，得出业主所提供的设计参数不尽合理，需进一步与业主进行核实确认。

2 设计参数对设备选型的影响分析

海上平台组块房间主要采用分体空调系统，生活楼主要采用集中空调系统，在役平台现场反映空调选型过大，现场房间实际温度比设计温度偏低很多，工程设计中理论计算的空调负荷比实际需要的空调负荷偏大，是何原因造成空调机组选型过大？对此进行如下分析。

表1 各海域资料

首先对设计温度、湿度计算进行对比，空气焓值代表空气中所含的总热量，以每千克空气焓值进行对比计算，以夏季设计温度36.8℃，设计相对湿度95%为例，进行焓值的计算：

i=1.01t+(2500+1.84t)d；

式中：i—空气焓值，k J/k g；t—空气温度，℃；d—空气含湿量，g/kg干空气；1.01—干空气的平均定压比热，[kj(kg.K)]；1.84—水蒸气的平均定压比热，[kj(kg.K)]；2500—0℃时水的汽化潜热，kj/kg。

其中空气含湿量d与所给设计相对湿度95%之间的换算如下：

d=622×95%×Ps/(P-Ps)

式中：d—空气含湿量，g/kg干空气；Ps—饱和空气水蒸气分压力，Pa；P—一个空气大气压，P=101325Pa。

综合上述公式，按照业主所给夏季设计温度36.8℃，设计相对湿度95%，计算得出每千克空气能量为136.23kJ；如果按Q/HS 3008-2016《海上平台采暖通风空调冷库系统设计方法》表1推荐的渤海海域夏季的设计温度32℃，相对湿度为80%计算，得出每千克空气能量为94.62kJ；每千克空气焓值按照不同的设计参数计算所得结果相差41.61kJ，由此粗略计算，可推断如果按照业主所给设计参数进行空调负荷计算，与按照Q/HS 3008-2016推荐的设计参数进行空调负荷计算，对空调设备选型的制冷量将高出约30%，这将无形中造成空调负荷理论计算结果偏大，设备选型过大，造成不必要的浪费。

其次，进行空调负荷的详细计算，同样以业主所给夏季设计温度36.8℃，设计相对湿度95%为例，与Q/HS 3008-2016中表1推荐的渤海海域夏季的设计温度为32℃，设计相对湿度为80%来进行计算对比。

由于夏季空调负荷计算涉及到新风热、围护结构传入热、人体热、照明热量以及设备散热量等因素，其中设计参数对人体潜热、人体显热、照明热量以及设备散热量的影响不大，新风热与空气焓值密切相关，上一节已对焓值对空调的计算负荷做出对比，这里主要对围护结构传入热的计算对比，来分析设计参数对空调负荷计算的影响。

以旅大16-3油田平台工作间为例，工作间位于中层甲板北侧，房间北侧和西侧为日晒围壁，南侧和东侧均为功能性房间，房间顶部和底部均为遮阳围壁，房间墙壁绝热结构有两种形式，一是内舱壁绝热，见图1；二是外舱壁绝热，见图2；

图1

图2

传热系数根据《船舶设计实用手册》表格6.4.2.1和传热计算选取，根据绝热形式选取传热系数，图1选取传热系数为1.1W/m2.k，图2选取传热系数为0.8W/m2.k，房间舱壁的传热系数确定后，再确定房间各个面的设计温度差，根据《船舶设计实用手册》6.4.3.4，夏季传热面日晒甲板的设计温度为环境设计温度+25℃，即：61.8℃；日晒围壁的设计温度为环境设计温度+16℃，即：52.8℃；遮阳甲板和遮阳围壁的设计温度为环境设计温度+3℃，即：39.8℃；上述参数确定后进行围护结构传入热的计算。

每面墙壁的传入热计算公式为：Q1=A·h·Δt

式中：Q1—夏季舱内传入热，W；A—舱壁传热面积，m2；h—舱壁传热系数；Δt—传热舱壁温度差，K。

算出每面墙壁的传入热再将工作间每面舱壁的传入热相加，即可得出整个舱室的传入热。

同样按照不同的设计参数进行工作间舱壁传入热的计算，按照业主所给夏季设计温度36.8℃计算，工作间传入热总量为1325W；根据Q/HS 3008-2016中表1推荐的渤海海域夏季的设计温度32℃计算，工作间传入热为1003W，通过对舱室传入热量的计算，两种工况下，设计参数不同，设计结果有25%左右的偏差。

当然在设计过程中，影响HVAC系统计算的因素还有很多，此处未能全部列举，仅通过以上两种粗略计算的对比，空调设备的负荷计算就有25%～30%的偏差，所以设计参数的选取应格外慎重，既要满足工程设计的使用需求，又要考虑节能减排的要求，设计参数的选取对于HVAC系统设计至关重要。

3 设计参数达成一致

综上所述，经与业主近一步沟通，通过对设计参数的对比分析，以及综合考虑双方的意见，结合全球气候变暖的现实和环境专业所提供的气象数据，最终确定一个相对比较切合实际也比较合理的设计参数，即：旅大16-3油田基本设计项目，暖通专业的设计参数为夏季室外设计温度35℃，设计相对湿度80%；冬季室外设计温度-17℃，设计相对湿度46%；这样不仅保障了HVAC系统满足了现场实际使用需求，也避免HVAC设备选型过大造成浪费，最终与业主达成了共识。