高含硫天然气净化厂中控室暖通系统技术优化与应用评价
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收稿日期：2017-05-18
作者简介：古兴磊(1984-)，男，本科，工程师，2008年毕业于西南石油大学自动化专业, 现就职于中国石化普光气田天然气净化厂, 主要从事天然气净化加工与处理。E-mail:
17786399@qq.com.
通信作者：
何刚(1987-)，男，本科，工程师，2010年毕业于西南石油大学电气工程及其自动化专业, 现就职于中国石化普光气田天然气净化厂, 主要从事天然气净化加工与处理。E-mail:1451400598@qq.com.
摘要：普光气田天然气净化厂空气中含有一定量的H2S和SO2，空调设备腐蚀严重，且现有暖通系统存在一定缺陷。为提高中控室暖通系统运行效果，满足人员和设备对温度和湿度的需求，拟对原暖通系统进行技术优化。中控室内部的设备类和人员类房间分别设置独立的风道系统，实现供冷“人机分离”；更换6台恒温恒湿机组和3套多联空调机组，选用高效化学新风净化机组，增设3套消防排烟系统，以满足中控室内部工作人员和设备对安全运行的需求。
Technology optimization and application evaluation of HVAC system in high sour natural gas purification plant
Outline:
Sinopec Dazhou Natural Gas Purification Co., Ltd, Natural Gas Purification Plant, Dazhou, Sichuan, China
Abstract: Since air in natural gas purification plant of Puguang gas field contains a certain amount of H2S and SO2, corrosion of air conditioning equipment is serious. Besides, there are some defects in existing HVAC system. In order to improve the running effect of HVAC system and meet the needs of personnel and equipment to temperature and humidity, the technology optimization of the HVAC system was conducted. In details, separate air duct system was installed in the equipment room and staff room of the central control chamber respectively to realize the cooling by "man-machine separation"; six constant temperature and humidity units and more than three sets of air conditioning unit were replaced, as well as the adoption of efficient chemical air purification unit and the addition of three sets of fire smoke exhaust system, so as to satisfy the demand of the internal staff and equipment for safe operation.
中国石化普光气田天然气净化厂中控室暖通系统自2009年投用以来，已运行8年。由于设备类房间和人员类房间的热负荷存在巨大差异，致使两类房间对空调送风温度的要求存在较大不同, 现有空调系统较难同时满足负荷需求[1]。中控室机柜间(设备类房间)进行了扩容，设备散热量增加，原有空调系统的设计制冷量已远不能满足现有的环境温度要求，设备类房间的温度偏高[2]。
厂区室外空气中硫含量高，经过几年的运行，空调室外机制冷剂出现管线腐蚀、泄漏现象，空调系统经常需要停机维护[3]。空调室外机制冷剂管线主体材料为铜/铜合金，H2S气体分子和铜发生直接或间接化学反应，主要化学反应如式(Ⅰ)~式(Ⅲ)所示(实际反应更为复杂)。
| $
{\rm{Cu}}\mathop \to \limits^{{{\rm{O}}_{\rm{2}}}} {\rm{C}}{{\rm{u}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}\mathop \to \limits^{{{\rm{O}}_{\rm{2}}}} {\rm{CuO}}
$ |
(Ⅰ) |
| $
{\rm{C}}{{\rm{u}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}\mathop \to \limits^{{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}} {\rm{C}}{{\rm{u}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}\mathop \to \limits^{{{\rm{O}}_{\rm{2}}}} {\rm{CuS}}
$ |
(Ⅱ) |
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{\rm{Cu + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}\mathop \to \limits^{{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}} {\rm{C}}{{\rm{u}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}\mathop \to \limits^{{{\rm{O}}_{\rm{2}}}} {\rm{CuS}}
$ |
(Ⅲ) |
应用腐蚀分析技术对中控室区域的大气腐蚀性进行评估，根据挂片的腐蚀结果判断：空调室外机制冷剂管线是受空气中的微量酸性腐蚀气体组分(H2S和SO2)影响产生腐蚀现象并损坏；中控室区域空气中含有微量的H2S和SO2。腐蚀挂片测试结果见表 1。
表 1
表 1 腐蚀挂片测试结果
Table 1 Corrosion coupon test results
| 采样位置 | ISA
等级 | 腐蚀速率/
(μm· a-1) | 腐蚀厚度/
埃 |
| 空调出风口 | G3 | 0.66 | 3 796 |
| 人机操作室 | G2 | 0.21 | 1 245 |
| 机柜间 | G2 | 0.25 | 1 415 |
| 中控室门口(内) | G2 | 0.18 | 1 102 |
| 中控室室外 | G2 | 0.18 | 1 289 |
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表 1 腐蚀挂片测试结果
Table 1 Corrosion coupon test results
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综上所述，由于厂区室外空气中含有一定量的H2S和SO2，空调设备腐蚀严重，且现有空调系统存在一定缺陷，不能同时满足人员与设备对环境变化的要求，迫切需要对现有中央空调系统进行技术优化。
1 技术优化
此次技术优化拟对中控室内部的设备类和人员类房间分别设置独立的空调风道系统，实现供冷“人机分离”；更换6台恒温恒湿机组，新增机组将加大制冷能力；选用高效的化学新风净化机组，去除空气中微量有毒有害气体，保证进入室内的新风达到标准要求。
中控室外围房间多为办公室和会议室，此次技术优化将对其使用的多联空调机组进行更换。根据GB 50016-2014《建筑设计防火规范》关于防止建筑火灾竖向或水平蔓延的相关要求，中控室将增设3套消防排烟系统，以满足中控室内部工作人员及设备安全运行的需求。
2 恒温恒湿空调系统技术优化
空调机房内原有6台恒温恒湿空调机，在中控室机柜间设备扩容和发热量增大的现状下，原有空调制冷量已无法满足机柜间设备的正常运行；由于空调设备老化和制冷剂管线腐蚀严重，空调的室内机和室外机均存在制冷剂泄漏问题。此次技术优化将更换原有6台恒温恒湿机组，新增加的机组将加大制冷能力，其制冷能力分别为142 kW和100 kW；增加空调机组加湿功能，加湿器采用电极加湿形式，满足各房间内对湿度的要求；空调机组室外机冷凝器翅片采用高防腐性有机亲水铝箔，机组面板和其他裸露部位采用粉末静电喷涂，以抵御厂区内含硫环境中空气的腐蚀；空调机组具备自动调节能力，能根据设定的室内温度和室内机的运行状况，自动调节压缩机的运行，保障机组在冬季能正常制冷。
由于中控大厅吊顶拆除后，吊顶恢复的工作量大，在施工时间内难以完成，为实现空调制冷“人机分离”，采用以下独立风道系统：新建AC-1恒温恒湿空调系统(电仪机柜间)的风道，机组设置在中控室西边办公房间内；AC-2恒温恒湿空调系统(人员类房间)的风道，利用原有风道，机组设置在空调机房内；新建AC-3恒温恒湿空调系统(通讯机柜间)的风道，机组设置在空调机房内。
净化厂机柜间、首站机柜间、集输机柜间、UPS室、配电间组成AC-1恒温恒湿空调系统，室内参数的设置以净化厂机柜间为基准；中控大厅、工程师站、打印室、调度室组成AC-2恒温恒湿空调系统，室内参数设置以中控大厅为基准；通讯机柜间独立组成AC-3恒温恒湿空调系统，室内参数设置以通讯机柜间为基准。技术优化后的恒温恒湿空调系统概况如图 1所示。
3 多联机空调系统技术优化
中控室外围房间多为办公室和会议室，原有制冷系统采用多联机空调系统，实现房间内温度控制。多联空调室外机和制冷剂管线安装在室外，长期暴露在厂区高腐蚀工况下，制冷剂管线、压缩机和控制器等部件出现严重腐蚀现象，其中制冷剂管线已多处修补，存在制冷剂泄漏隐患。原有多联机空调的生产厂家已不再生产此型号空调，空调备件无法采购。
此次技术优化，将对多联机空调系统进行升级，更换室内机21台、室外机3套、制冷剂管线6根，以满足中控室外围房间对于温度的需求，其系统概况见图 2。
4 化学新风净化机组技术优化
中控室空调机房内原有4台化学新风净化机组，只能过滤空气中固体颗粒，无法消除空气中含有的微量H2S、SO2等有害气体。化学新风净化机组已经运行近8年，设备的净化效率已经衰减，室外新风经过滤机处理后，进入恒温恒湿空调机组和多联空调机组系统，造成空调机组室内机的换热盘管腐蚀，换热盘管产生泄漏现象。
此次技术优化将升级原有4台化学新风净化机组。选用高效的化学新风净化机组，主要由粗效过滤段(前置过滤段)、风机进风段、化学过滤段、中效过滤段(后置过滤段)4部分组成。化学新风净化机组通过3级过滤，去除空气中微量有毒有害气体，以保证进入室内的新风达到标准要求。
粗效过滤段采用G4等级板式过滤器，并配置压差传感器，过滤空气中的大颗粒尘埃等物质。化学过滤段采用高效化学催化模块，并配置两级净化。化学催化模块孔隙率200 CPI，内壁厚度450 μm，密度0.40 g/cm3；内部含有金属催化剂，除常规的物理化学吸附外，还可以催化氧化含有污染物的气体，保证H2S吸附能力＞40%和吸附效率＞98%。
5 防火排烟系统技术优化
根据GB 50016-2014的要求，中控室将增加3套防排烟系统。第1套为控制室大厅排烟和补风系统, 第2套为走廊排烟系统, 第3套是净化厂生产调度室排烟系统。第1套防火排烟系统由1台排烟风机、1台补风风机、2个防火排烟口、4个补风风口组成；第2套防火排烟系统由1台排烟风机和4个防火排烟口组成，补风采用自然补风；第3套防火排烟系统由1台排烟风机和1个防火排烟口组成，补风采用自然补风。当有火灾情况发生或接收到中控台发出的火灾信号时，排烟口打开，并连锁开启排烟风机进行排烟，同时补风机运行，对室内进行补风。防火排烟系统见图 3。
第1套防火排烟系统，当防火排烟口接收到消防火灾报警系统发出的火灾信号或者手动开启时，反馈信号至消防控制盘，消防控制盘输出信号，连锁启动排烟风机和补风风机，开启电源，使其运行；火灾信号解除后，排烟风机和补风风机停止运行。当烟气温度超过280 ℃时，防火排烟阀自行关闭，并反馈信号至消防控制盘，连锁关闭排烟风机及补风风机，切断电源，使其停止运行。
第2套和第3套防火排烟系统，当防火排烟口接收到消防火灾报警系统发出的火灾信号或者手动开启时，反馈信号至消防控制盘，消防控制盘输出信号，连锁启动排烟风机，开启电源，使其运行；火灾信号解除后，排烟风机停止运行。当烟气温度超过280 ℃时，防火排烟阀自行关闭，并反馈信号至消防控制盘，连锁关闭排烟风机，切断电源，使其停止运行。
消防控制盘能够显示所有防火排烟口、排烟风机、补风风机的开关(启/停)状态。
6 暖通系统火灾报警连锁控制技术优化
暖通系统技术优化后，其火灾报警连锁控制逻辑也相应更改，如下所述：
(1) 中控室风管穿越防火墙处共设置10个70 ℃防火阀，防火阀平时呈常开状态，火灾时温度达到70 ℃自动熔断关闭，或火灾报警确认后，消防控制盘发出动作信号使其关闭。
(2) 当防火阀关闭时，反馈信号到消防控制盘，消防控制盘输出信号至所有空调系统设备——恒温恒湿空调机组(AC-1、AC-2、AC-3)和化学新风净化机组(XF-1)，切断电源，将其关闭。同时，消防控制盘连锁关闭离心通风机，切断电源，停止向中心控制室提供风量。
(3) 消防控制盘应能显示所有防火阀、恒温恒湿空调机组、化学新风净化机组和离心通风机的开关(启/停)状态。火灾报警解除后，手动开启设备运行。
(4) 恒温恒湿空调机组(AC-1、AC-2、AC-3)的综合报警信号反馈到消防控制盘，当其故障时，发出声光报警，便于及时发现和维修。
7 应用评价
暖通系统技术优化后，中控室室内设备运行负荷达到最高时，恒温恒湿空调机组、化学净化机组、多联机机组运行稳定、参数正常。中控室内温度和湿度见表 2, 满足设计参数。
表 2
表 2 中控室内温度和湿度
Table 2 Temperature and humidity in the central control room
| 房间名称 | 冬季 | 夏季 |
温度/
℃ | 相对湿度/
% | 温度/
℃ | 相对湿度/
% |
| 配电间 | 24 | 37 | 23 | 37 |
| UPS室 | 22 | 38 | 24 | 38 |
| 机柜室、中控大厅 | 22 | 37 | 22 | 37 |
| 办公室、会议室 | 22 | 38 | 24 | 38 |
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表 2 中控室内温度和湿度
Table 2 Temperature and humidity in the central control room
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依托净化厂工作场所职业病危害因素监测评价项目，对中控室室内空气质量进行检测。H2S测定方法按照GBZ/T 160.33-2004《工作场所空气中硫化物的测定方法》规定的硝酸银比色法进行实验室测定。SO2测定方法按照GBZ/T 160.33-2004规定的甲醛缓冲液-盐酸副玫瑰苯胺分光光度法进行实验室测定。中控室室内空气中H2S和SO2质量浓度见表 3，满足设计要求。
表 3
表 3 中控室内空气中H2S和SO2的质量浓度
Table 3 H2S and SO2 concentration in the air in the central control room
| mg/m3 |
| 房间类型 | H2S | SO2 |
| 监测结果 | 接触限值 | 监测结果 | 接触限值 |
| 设备类房间 | ＜0.53 | 10 | ＜0.6 | 10 |
| 人员类房间 | ＜0.53 | 10 | ＜0.6 | 10 |
注:1.GBZ/T 160.33-2004要求, H2S最低检出质量浓度为0.53 mg/m3(以采集7.5 L空气样品计)，本次H2S质量浓度监测结果＜0.53 mg/ m3，表示工作场所空气中H2S质量浓度低于最低检出限值。
2.GBZ/T 160.33-2004要求, SO2最低检出质量浓度为0.6 mg/m3(以采集7.5 L空气样品计)，本次SO2质量浓度监测结果＜0.6 mg/m3，表示工作场所空气中SO2质量浓度低于最低检出限值。 |
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表 3 中控室内空气中H2S和SO2的质量浓度
Table 3 H2S and SO2 concentration in the air in the central control room
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中控室增设3套防火排烟系统，该系统联锁测试正常，满足GB 50016-2014的相关要求。
综上所述，中控室暖通系统运行参数达到设计要求，满足中控室工作人员及设备对空气质量的需求。
8 结语
中控室暖通系统技术优化, 满足了设备和人员对温度和湿度的不同需求。更换6台恒温恒湿机组和3套多联空调机组、选用高效化学新风净化机组、设备类和人员类房间分别设置独立的风道系统、增设3套消防排烟系统。这些工作不仅解决了暖通系统存在的弊端，保障了中控室内部工作人员和设备的安全运行，还对高腐蚀环境下大型厂区暖通系统技术优化有着重要借鉴意义，具有经济和社会双重效益。
| [1] |
陆耀庆. 实用供热空调设计手册[M]. 2版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.
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| [2] |
唐中华. 暖通空调[M]. 成都: 电子科技大学出版社, 2009, 60-76.
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| [3] |
侯永利. 建筑工程关键技术解读暖通空调工程[M]. 北京: 中国电力出版社, 2014, 202-214.
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2018, Vol. 47