戴海峰，何小玉，林雅玲，崔 凱

（1.中國石油集團(tuán)渤海裝備制造有限公司，河北滄州，061000；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；3.中國石油技術(shù)開發(fā)公司，北京100028）

1 前言

石油鉆井現(xiàn)場屬于特殊作業(yè)環(huán)境，與常規(guī)照明要求相比有明顯的不同。例如，在配光均勻性、光源的顯色指數(shù)及色溫等方面，要求不很嚴(yán)格；然而，在照明燈具的品質(zhì)、抗振動(dòng)性、惡劣環(huán)境的耐受性及防爆安全性等方面，有其特殊的要求。目前，石油鉆井現(xiàn)場的照明，主要使用熒光燈、金鹵燈等氣體放電光源。這類光源作為商業(yè)、家居照明使用時(shí)，有著難以比擬的優(yōu)越性。然而，這類光源用在石油鉆井現(xiàn)場時(shí)，其弊端顯而易見，如抗振動(dòng)性差，耐低溫性能差等。因此，有必要尋找一種新型光源，從發(fā)光原理和燈具結(jié)構(gòu)上解決這些問題。LED技術(shù)是一種固體光源，用它研制生產(chǎn)的防爆燈具，與傳統(tǒng)的相比，在結(jié)構(gòu)、電氣、配光及防爆等方面，有著本質(zhì)的不同。本文就LED防爆燈在石油鉆井現(xiàn)場這類特殊作業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用要求進(jìn)行探討，以期在照明燈具選型中提供一定的參考。

2 現(xiàn)場環(huán)境特點(diǎn)和照明現(xiàn)狀

石油鉆井現(xiàn)場的照明環(huán)境有其特殊性，主要有以下4點(diǎn)。

（1）爆炸性。遇明火、電火花、高溫等點(diǎn)燃源，可能引起燃燒甚至爆炸。為保障安全，所安裝使用的電器（包括照明燈具）應(yīng)是安全防爆的。

（2）振動(dòng)大。在鉆井中，特別是搬遷時(shí)，設(shè)備振動(dòng)大。因此，所安裝使用的電器設(shè)備應(yīng)具有良好的抗振動(dòng)性能。

（3）高危、連續(xù)作業(yè)、更換維護(hù)困難。因此照明燈具應(yīng)壽命長、維護(hù)少。

（4）氣候條件惡劣，因此燈具應(yīng)具有較高的環(huán)境適應(yīng)性。

目前井場照明的燈具大多為熒光燈或金鹵燈。這類燈具技術(shù)成熟，視覺舒適，普遍應(yīng)用于室內(nèi)及一般照明，用于井場環(huán)境時(shí)其弊端顯而易見。一是抗振動(dòng)性差，易損壞。井場設(shè)備振動(dòng)性強(qiáng)，特別是在搬遷過程中振動(dòng)較大，由玻璃制成的燈管往往損壞殆盡，需要大批量更新更換，形成大量人力物力損耗，汞蒸氣和碎玻璃還給環(huán)境造成危害；二是故障多，且維修困難，特別是井架等高危設(shè)備部位，一旦燈具損壞，無法及時(shí)維修，將嚴(yán)重影響夜間安全生產(chǎn)；三是安全系數(shù)低，尤其是金鹵燈一類的氣體放電燈，工作時(shí)燈具溫度高，容易成為安全事故隱患；四是環(huán)境適應(yīng)性差，在低溫環(huán)境下時(shí)，往往無法正常工作。

3 LED技術(shù)及其照明的優(yōu)勢

3.1 LED光源

LED(Light Emitting Diode)即發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)換為光。

自1907年發(fā)現(xiàn)電致發(fā)光（LED）現(xiàn)象以來，已走過100多年的路程，20世紀(jì)90年代以來，LED技術(shù)不斷取得突破，在顯示、指示、中大尺寸背光源等領(lǐng)域的技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。在功能性照明領(lǐng)域，LED技術(shù)雖然處于起步階段，但發(fā)展速度迅猛，目前光效在120Lm/W以上的白光LED已經(jīng)批量生產(chǎn)。成為繼白熾燈、熒光燈、高壓金屬氣體放電燈之后出現(xiàn)的第四代電光源，被稱作電光源的終極形式。如圖1所示為LED發(fā)展史。

圖1 LED發(fā)展歷史

由發(fā)光原理所決定的LED，是迄今為止壽命最長、節(jié)能效益最高的電光源，不含有害物質(zhì)、環(huán)保無污染、耐振動(dòng)、抗沖擊的優(yōu)點(diǎn)也是其他傳統(tǒng)光源所無法比擬的。如圖2、3、4、5分別為白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈及LED示意圖。各種光源的發(fā)光原理如表1所示，傳統(tǒng)光源與LED的性能比較如表2所示。

圖2 白熾燈

圖3 熒光燈

圖4 高強(qiáng)度氣體放電燈

圖5 LED

表1 各種電光源的發(fā)光原理

表2 LED與其他電光源的比較

3.2 LED照明

LED照明是繼白熾燈、熒光燈之后照明光源的又一次革命，被各國公認(rèn)為最有發(fā)展前景的高效照明產(chǎn)業(yè)。目前，作為新一代光源技術(shù)，LED正在被人們廣泛認(rèn)知認(rèn)同，越來越多的LED照明產(chǎn)品出現(xiàn)在道路、廣場、車站、碼頭以及城市景觀等場所，在一些對節(jié)能和壽命要求高，維修不便的不間斷照明場所，如隧道、地下停車場等，LED優(yōu)勢明顯，效益顯著。

4 LED應(yīng)用于石油鉆機(jī)井場照明的優(yōu)勢

用LED光源研制生產(chǎn)出來的防爆燈具，應(yīng)用于井場照明時(shí)有以下特殊的優(yōu)勢。

（1）優(yōu)異的安全防爆性能。采用直流低電壓（≤36V）驅(qū)動(dòng)的LED，由于光效高，發(fā)熱量少，在安全電壓和低溫（T6≤85℃）狀態(tài)下運(yùn)行，既提高了燈具本身的防爆性能，也從源頭降低了因燈具引起的事故，提高了井場的安全保障水平。

由于LED燈具功率小，輸入電流低，減少了電纜過熱老化傾向，提高了供電線路安全。

（2）優(yōu)良的抗振動(dòng)性能。LED為固態(tài)光源，其優(yōu)異的抗振動(dòng)、耐沖擊性能是任何一種傳統(tǒng)光源所無法比擬的。用于井場照明從根本上克服了玻璃燈管造成的不耐振動(dòng)、極易損壞的弊端，可節(jié)省人力物力，降低維護(hù)成本，減少環(huán)境危害。

（3）超長的使用壽命。LED直接將電轉(zhuǎn)化為光，工作時(shí)無機(jī)械性損傷，光源的有效使用壽命可達(dá)50000-100000小時(shí)，是迄今為止使用壽命最長的電光源，這將大大減少燈具的維修頻率，對保障生產(chǎn)發(fā)揮積極的作用。

（4）超強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。LED耐低溫性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)光源，經(jīng)過必要的處理可在-45℃及以下環(huán)境中正常點(diǎn)亮和工作，這為解決低溫條件下井場照明難題提供了有效方案。

（5）高效節(jié)能。與傳統(tǒng)光源相比，LED節(jié)能60%以上，用于井場照明意味著節(jié)省價(jià)格不菲的燃油，對于日趨流行的網(wǎng)電鉆井，則節(jié)電效益更為直接和顯著。用于應(yīng)急照明，同樣容量的蓄電池，由于效率高（無需電路逆變）可成倍延長照明時(shí)間。

5 石油鉆井現(xiàn)場LED推薦技術(shù)指標(biāo)

5.1 LED光源

（1）光效≥100 Lm/W；

（2）顯色指數(shù)≥80；

（3）相關(guān)色溫 通常在低照度場地宜用暖色表（TCP＜3300K），中等照度用中間色表（3300K≤TCP≤5300K），高照度用冷色表（TCP＞5300K）。另外在溫暖氣候條件下采用冷色表，而在寒冷條件下采用暖色表，一般情況下，采用中間色表；

（4）光源壽命≥50,000h。

5.2 電源

（1）采用恒流式驅(qū)動(dòng)，輸出電流穩(wěn)定精度≤±2.5%；

（2）用于防爆的電源輸出電壓≤DC 36V；

（3）寬電壓寬頻率輸入，適應(yīng)不同國家和地區(qū)電網(wǎng)用電要求；

（4）功率因子≥90%；

（5）電源內(nèi)部應(yīng)有短路、過壓、過熱保護(hù)。

5.3 燈具材質(zhì)和結(jié)構(gòu)

（1）燈具殼體應(yīng)采用鋁金屬材料，強(qiáng)度符合要求，同時(shí)具備良好的散熱結(jié)構(gòu)和充分的散熱面積；

（2）結(jié)構(gòu)合理，便于安裝維護(hù)。

5.4 防護(hù)防爆性能

（1）防護(hù)等級 戶外型燈具應(yīng)不低于IP65；

（2）防腐性能 戶內(nèi)型燈具應(yīng)不低于F1，戶外型燈具應(yīng)不低于WF1；

（3）防爆性能 防爆的LED燈具，其性能應(yīng)符合GB3836-2010《爆炸性環(huán)境》相關(guān)規(guī)定的要求，并通過國家權(quán)威機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)。

5.5 低溫?zé)艟?/h3>

應(yīng)符合GB/T 2423.1-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)A：低溫》規(guī)定的要求，并通過國家權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測。

5.6 應(yīng)急裝置

（1）應(yīng)急時(shí)間不少于60min；

（2）應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間≤1s；

（3）電池充放電循環(huán)次數(shù)≥500次；

（4）設(shè)有光敏控制開關(guān)和工作狀態(tài)指示燈。

6 LED選擇、應(yīng)用注意事項(xiàng)

在選擇、使用LED防爆燈具時(shí)，需要注意以下兩個(gè)方面。

（1）在目前的狀況下，應(yīng)當(dāng)選用國際知名品牌的LED，這樣才能保證燈具質(zhì)量的可靠性和照明的舒適性。

（2）保證良好的散熱系統(tǒng)。由于LED屬于半導(dǎo)體元器件，工作時(shí)，芯片的溫度直接影響其壽命，因此使用時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮燈具的散熱。

7 結(jié)束語

通過以上闡述可知，盡管LED還存在有眩光、價(jià)高等一系列問題。但是用于石油鉆井的照明仍然是很有前途。

［1］王艷平.基于功率因數(shù)校正電路的LED照明電源設(shè)計(jì)［J］.

［2］張 波，曹豐文，汪義旺.LED路燈驅(qū)動(dòng)及智能調(diào)光系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］.

［3］朱 虹.LED照明驅(qū)動(dòng)及自適應(yīng)調(diào)光技術(shù)［J］.