無動力風機在海洋平臺的應用

海洋石油工程股份有限公司 高建虎 馬邦勇 高志強

0 引言

無動力風機，是利用自然風力及室內外溫差造成的空氣熱對流，推動渦輪旋轉，從而利用離心力和負壓效應將室內不新鮮的熱空氣排出，以提高室內通風換氣效果的一種裝置。圖1為無動力風機外形照片。

圖1 無動力風機外形照片

無動力風機采用弧形風葉，可以防止工作狀態下雨水侵入，在微風(風速不低于0.2 m/s)或室內外溫差大于0.5 ℃時即可實現輕盈運轉，排風效率高。

相比常規電力驅動的風機，無動力風機具有如下優點：1) 無需電力驅動，節能環保；2) 運行平穩，噪聲低；3) 結構簡單，無需安裝支架，安裝方便；4) 長期免維護，運行費用低。

目前無動力風機在陸地上應用廣泛，但在海上平臺應用并不多。下面以某項目為例，介紹無動力風機在國內某海洋平臺應用的情況。

1 項目概述

該項目新建4座無人井口平臺，平臺上設有電氣間，需要為電氣間進行通風系統設計。

電氣間基本情況為：位于平臺東南角下層甲板，房間尺寸為5.0 m×2.5 m×3.8 m，房間內布有電氣控制盤柜，如圖2所示。

注：①～④為250 kW變頻器；⑤為變壓器；⑥為壁掛開關；⑦為160 kW變頻器。圖2 設備布置圖

房間內設備散熱量為1.6 kW，通風換氣次數為12 h-1。

2 通風方案設計

2.1 項目難點

與常規項目相比，該房間的通風系統設計具有以下難點：1) 平臺無電力供應，常規的電動風機通風方案無法實現；2) 房間尺寸較小，房間內設備多，空間緊張，通風散熱條件不利。

2.2 無動力風機空氣流通原理

設計原理：利用熱壓和/或風壓作為動力，驅動排風機運轉，實現室內良好的通風。

2.3 設計方案

考慮到平臺現狀，房間擬采用無動力風機排風+自然進風的通風方案：房頂設置2套無動力風機，在房間側壁下方合適位置開2個自然進風口，如圖3所示。

圖3 房間通風設備布置

2.4 通風系統設計計算

根據通風原理，在風壓和熱壓共同作用時，孔洞內外壓差等于該孔洞余壓和室外風壓之差[1]。

下部進風口內外壓差Δp1：

(1)

上部排風口內外壓差Δp2：

(2)

式(1)、(2)中px1為進風口的余壓，Pa；K1為進風口的空氣動力系數；vw為室外風速，m/s；ρw為室外空氣密度，kg/m3；px2為排風口的余壓，Pa；h為進風口和排風口之間的高差，m；g為自由落體加速度，m/s2；ρn為室內空氣密度，kg/m3；K2為排風口的空氣動力系數。

由于室外風速和風向經常變化，為保證設計效果，根據GB 50019—2015《工業建筑供暖通風和空氣調節設計規范》的規定，在實際計算時僅考慮熱壓作用，風壓一般不予考慮[2]。

如前文所述，無動力風機在微風下即可運轉，實現房間排風。因此，只需確定自然通風口的位置、數量、面積，保證自然通風下的換氣量，滿足房間設備散熱和換氣次數要求即可。

計算過程如下：

1) 計算房間所需通風量(見表1)。

表1 房間通風量計算

房間所需通風量取Gy和Gh兩者中的較大值，由于0.2 kg/s相當于600 m3/h，故房間所需通風量取600 m3/h。

2) 確定進排風孔洞位置，分配進排風量。

2臺排風機位于房間頂部，單臺排風量為300 m3/h，根據風量選取排風機的安裝孔徑為800 mm。綜合考慮房間內設備布置、設備高度等因素，最終選取進風口中心高度為距離地面1 m。

根據風量平衡原理，進、排風口風量相等，即

G1=G2=G=600 m3/h

(3)

3) 根據排風口通風量，計算中和界高度，從而計算得出進風口面積(見表2)。

進風口最終選取為2個550 mm×400 mm的矩形格柵，房間通風側視圖見圖4。

圖4 房間通風側視圖(單位：mm)

3 無動力風機的結構設計

普通的陸用無動力風機結構簡單，其強度一般無法滿足海洋環境要求?？紤]到海洋環境的特殊性，需要對無動力風機的結構進行優化設計，使之能滿足高鹽、潮濕的海洋環境要求。

主要從以下3個方面進行優化：

1) 陸地用無動力風機材質一般為彩鋼，無法滿足耐腐蝕要求。該項目所選的無動力風機采用316L不銹鋼材料，并且整體涂漆(含葉片)，確保了風機優良的防腐性能。

2) 陸地用無動力風機中段壁厚很薄，中段與風帽底座為鉚接，強度無法滿足海洋臺風工況。該項目所選的無動力風機中段采用加厚的316L不銹鋼材料，設計了法蘭的連接方式，為風機提供了足夠的強度。

3) 該風機采用了特殊免潤滑型軸承，無需日常維護，大大減少了維護工作量。

4 無動力風機安裝方式設計

陸地用風機安裝方式一般為鉚接加密封膠，在房頂開孔，底座鉚接到房頂，然后用密封膠密封，如圖5所示。

圖5 陸地用無動力風機的安裝方式

這種安裝方式無法適應海上大風大雨、強腐蝕的環境。由于海洋平臺環境惡劣，鉚接的底座強度不足以抵抗頻繁發生的臺風，且密封膠極易老化破損，導致密封性能降低，尤其是海上臺風頻繁，雨水極易進入房間內部。同時海上空氣濕度大，房間內熱空氣上升遇到溫度較低的風帽葉片會形成冷凝水，冷凝水在離心力作用下將沿著無動力風機底座內壁流到房間內，不利于房間內電氣元件的安全。

根據海洋環境的特殊性，重新設計了風帽的安裝方式，主要考慮以下因素：

1) 相對于陸地，海上風速更大，需要考慮安裝的可靠性；2) 海上雨量較大，需要考慮安裝后的密封性，防止海水進入房間；3)海上空氣潮濕，熱空氣遇冷產生一定的冷凝水，需考慮冷凝水的排放問題。

針對以上問題，對該項目風帽底座進行了特殊設計，具體的安裝方式見圖6。

1.風帽渦輪頭；2.風帽中段管徑；3.無動力風機底座；4.冷凝水收集槽；5.冷凝水排放口；6.橡膠墊片；7.螺栓螺母；8.房頂甲板。圖6 該項目無動力風機安裝示意圖

無動力風機底座為鋼結構，配有與其匹配的法蘭，并且設有無動力風機底座延長段，無動力風機底座內壁設有冷凝水收集槽，槽上布有一定數量的冷凝水排放孔。

房間頂部甲板開孔，將無動力風機底座焊接到房頂甲板上，風帽與風帽底座采用螺栓連接，保證了安裝的穩固性和密封性。同時在無動力風機底座設置底座延長段和冷凝水收集槽，避免雨水通過法蘭之間的間隙進入房間內。

無動力風機底座內壁設置冷凝水收集槽和冷凝水排放口，熱空氣遇到無動力風機葉片產生的冷凝水，在離心力作用下沿無動力風機底座內壁流入冷凝水收集槽內，由冷凝水排放口排出，解決了冷凝水的排放問題。

5 創新性

1) 選用無動力風機作為房間的通風方案，在國內海洋平臺上尚屬首次。無動力風機是一種節能、安全、有效的通風設備。它結構簡單、維護方便、價格低廉，為海洋平臺的通風設計提供了一種新的選擇，尤其對于無人平臺來說具有巨大的優勢，為邊際油田的開發奠定了基礎。

2) 根據無動力通風系統原理，通過有組織的自然通風，利用熱壓和風壓作為動力源驅動空氣流動，實現通風系統的正常運行。

3) 自主開發設計無動力通風系統，并根據國家規范編制通風系統計算書，掌握了無動力風機的通風計算、選型及布置方法。

4) 考慮海洋環境的特殊性，對無動力風機的結構和安裝方式進行了優化設計，使之能適應海洋環境的特殊要求。

6 效益分析

1) 初投資低。每臺無動力風機的采辦費用僅為相同使用條件下的電動機驅動風機的20%～30%左右。對于該項目來說，節省投資約400萬元。

2) 無日常運行費用。由于是風力驅動或者溫差驅動，日常運行費用為零。

3) 維護費用低。該風機無易損件，無需日常維護。

4) 節能環保。若選取同參數的電動機驅動，電動機功率約為0.55 kW。按照每年運行300 d，每天運行24 h計算，2臺風機每年可節電7 920 kW·h。

5) 安全生產效益高。該風機具有良好的密封性、耐腐蝕性和低故障率，保證了設備的平穩運行，保證了整個平臺的安全生產。

7 應用前景

該項目采用的無動力風機通風方案，在國內海洋平臺中尚屬首次。該類型風機結構簡單、運行平穩、節能環保，擁有廣泛的應用前景。

通過該項目的成功應用，掌握了無動力風機方案的選型計算方法，形成了一套完整的文件，為以后平臺房間的通風設計提供了一項新的選擇，具有較好的借鑒意義，為邊際油田的開發奠定了基礎。