半潛式鉆井平臺柴油機煙氣擴散對折臂吊的影響分析及對策

鄒付兵李成君

(1.中海油田服務股份有限公司鉆井研究院，北京101149；2.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海200011)

0 引 言

某半潛式鉆井平臺上布置8臺柴油機發電機組為全平臺供電，每臺柴油機發電機組都有獨立的排煙系統，平臺的左舷以及右舷分別配備4個排煙口。其中，位于平臺左舷的排煙口后方有一折臂吊，沿折臂吊布置有電纜以及燈具；電纜耐受的溫度不超過90℃。在平臺改造前，由于排煙口的位置較低，柴油機工作在特定風向和風速下，煙氣擴散到折臂吊上，不僅導致燈具照明受到影響，而且煙氣高溫傳遞到電纜上，超過電纜的正常工作溫度，導致電纜無法正常工作。為此，平臺決定評估左舷柴油機排煙管的布置高度調整方案，利用Fluent軟件模擬分析煙氣擴散，得到煙氣在高度平面上的擴散規律，然后針對模擬結果進行定性分析，并對排煙管高度優化提供指導性意見，將煙氣對折臂吊的影響控制在可接受的范圍內，從而消除平臺煙氣排放對折臂吊造成的影響。

1 數學模型及基本方程

模型方程可采用張量表示為

式(1)表達的是模型的對流方程；式(2)表達的是對流與擴散方程。

在本文討論的煙氣擴散中，煙氣在噴出過程中發生熱對流以及擴散，基于以上方程建立物理模型，對煙氣的擴散流場進行分析。

物質i的組分方程

對于湍流，

Dim是物質i在混合物中的擴散系數；

2 模型構建

2.1 網格模型

模型范圍以半潛式平臺為中心向四周擴展。+X方向自平臺艏部向外擴展45 m，-X方向自平臺艉部向外擴展106 m。Y方向自舷側向外擴展87 m。Z方向以主甲板為基準面，向下至海平面，向上自主甲板擴展41.4 m。如圖1所示。

模型采用Gambit軟件進行結構網格劃分，通過不同的網格劃分方案進行流場分析，并且在兼顧時間成本以及計算成本的前提下，得出的計算流場網格模型方案中的平臺附近區域網格大小約為0.5 m，邊界處網格大小約為3 m，對于局部幾何突變處采用網格自適應方法進行劃分。

圖1 模型范圍與坐標定義

2.2 物理模型

湍流模型： 煙氣擴散進入大氣屬于射流問題，采用Realizable方法修正的K-epsilon湍流模型。

傳熱模型： 傳熱模型可以模擬高溫氣體的擴散。

浮力驅動流模型： 浮力驅動流模型是指在流場中，局部流體受熱膨脹后在浮力作用下發生的對流過程。在該模型中，將氣體密度設置為隨溫度變化的函數，模擬高溫氣體受浮力作用的運動。

組元輸運模型： 組元輸運模型描述不同成分氣體之間相互滲透的過程，由此求解煙氣的濃度場。

3 數值計算的初始條件及邊界條件

3.1 初始條件

(1) 考慮空氣的重力作用，取重力加速度9.81 m/s2，方向垂直向下。

(2) 大氣環境壓力設置為標準大氣壓，即101.325 kPa。

(3) 大氣的環境溫度取為305 K，即32℃。

空氣以及煙氣的物理性質參數如表1和表2所示。

表1 空氣物理性質參數

表2 煙氣物理性質參數

3.2 邊界條件

風速入口： 取為風速速度入口，參照ABS規范平臺正常作業狀態下的風速區間，確定計算風速取0～30 m/s。由于排煙管位于折臂吊的下風口，因此模擬過程中將風速方向設置為與噴出煙氣的相反方向。

煙氣排放出口： 質量入口，根據現場反饋，柴油機在額定功率下工作產生的煙氣經過單個排煙管排放的質量流率為10.1 kg/s，考慮到計算成本以及計算機計算能力，模擬過程中將4個排放裝置簡化為一個排放裝置處理，即質量流率為40.4 kg/s，煙氣初始溫度為663 K，即390℃。

4 煙氣擴散模擬結果

4.1 目標區域的選擇

由于排煙管排出的煙氣隨風擴散，因此有必要先對受到排煙管排出煙氣影響的目標區域進行模擬分析，以確定煙氣的影響區域。折臂吊工作高度范圍是12～18 m，因此選取12 m、15 m和18 m三個高度的煙氣濃度(以排煙管出口濃度100%為標準)來表征整個折臂吊區域的煙氣分布模擬結果，選取的排煙管高度方案主要為16 m、18.5 m和21 m三種方案。

目標區域橫向范圍是折臂吊所在的平面，垂向為折臂吊的工作區間。選擇一典型的工作狀態(折臂吊工作高度為18 m，排煙口高度為18.5 m，風速為1 m/s)進行煙氣模擬。模擬結果如圖2所示，可以看出煙氣濃度在中心軸附近處于最大值，往周邊濃度越來越小；距離中心軸剖面距離相等的位置處，濃度分布具有一定的差異性，這主要是由于煙氣在擴散過程中存在湍流現象導致的；同時也可看出煙氣擴散影響的目標區域主要為距離排煙口縱向中剖面2.5 m范圍內，雖然范圍之外的區域有一定的煙氣濃度分布，但考慮到計算成本，盡量減少濃度及溫度計算監測點的設置，在此計算過程中不予考慮。以下分析主要針對折臂吊所在平面的±2.5 m范圍內。選取目標區域內距離中心軸面-2.5 m、0 m、2.5 m三個位置的監測點作為研究對象，并命名為監測點1、監測點2以及監測點3。

圖2 煙氣濃度影響范圍分析

4.2 典型風速的選取

風速的大小會影響煙氣擴散在高度方向的影響范圍，較大的風速或者較小的風速均會減小排放的煙氣對折臂吊造成的影響。對于一個確定的監測點來說，在排煙口高度確定的條件下，一定存在一個速度范圍可以導致排煙管排出的煙氣在折臂吊處具有最大的煙氣濃度。由于不同的風速對煙氣擴散在高度方向上的影響范圍不同，為了簡化計算工況，通常選取較為典型的風速進行計算，以表征最嚴重情況下的煙氣擴散結果，并得到相應的溫度變化。針對不同風速模擬分析煙氣擴散，得到某個監測點位置處煙氣濃度最大時對應的風速值，作為最終設計方案的依據。

分別選取風速為1 m/s、6 m/s、12 m/s、18 m/s、24 m/s的入口邊界條件進行計算，得到排煙管高度分別為16 m、18.5 m以及21 m的煙氣擴散結果。根據計算結果可知，不同速度在排煙管方案高度范圍內的變化趨勢基本一致，均在風速為12 m/s的條件下煙氣濃度最大。以排煙口出口18.5 m處作為計算條件，每個監測高度上的三個監測點的最大值作為目標值，匯總得到監測點的煙氣濃度與風速的關系曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，當排氣口出口高度為18.5 m，風速為12 m/s時，濃度具有最大值，因而確定模擬的風速為12 m/s。

圖3 監測點最大煙氣濃度與風速的關系曲線

4.3 計算結果

4.3.1 煙氣濃度的計算結果

按照風速為12 m/s進行計算，得到排煙管出口在不同高度下的情況，監測點1、監測點2以及監測點3的煙氣擴散濃度分布如圖4～圖6所示。

圖4 12 m附近煙氣濃度分布

圖5 15 m附近煙氣濃度分布

圖6 18 m附近煙氣濃度分布

從圖4～圖6可知，排煙管出口高度為16 m時，煙氣濃度在監測點高度為12～15 m時，均遠遠超過其他排氣口高度對應的煙氣濃度值，因此在計算煙氣造成的溫度升高的時候不考慮16 m的方案。下面僅針對18.5 m及21 m的排煙口高度下的監測點溫度進行計算。排氣管及折臂吊的布置圖如圖7所示。

圖7 排氣管與折臂吊工作范圍布置圖(單位：mm)

圖8～圖13均是風速為12 m/s情況下的模擬結果。其中，圖8～圖10是排氣口出口高度為18.5 m時不同監測點的煙氣濃度分布云圖，圖11～圖13是排氣口出口高度為21 m時不同監測點的煙氣濃度分布云圖。A剖面表示右舷距中線2.5 m縱向剖面，對應的是監測點1所在的平面；B剖面表示中線縱向剖面，對應的是監測點2所在的平面；C剖面表示左舷距中線2.5 m縱向剖面，對應的是監測點3所在的平面。

圖8 A剖面煙氣濃度云圖(18.5 m時)

圖9 B剖面煙氣濃度云圖(18.5 m時)

圖10 C剖面煙氣濃度云圖(18.5 m時)

圖11 A剖面煙氣濃度云圖(21 m時)

圖12 B剖面煙氣濃度云圖(21 m時)

圖13 C剖面煙氣濃度云圖(21 m時)

從圖8～圖13可以看出，較為積聚的煙氣在尾部流場均呈現收縮型，發散的僅僅是濃度較低的煙氣。因此，通過該流場云圖可以確認，不同煙氣出口之間對監測點位置的相互影響較小，基于定性分析，可以認為簡化為一個煙氣出口進行煙氣擴散的流場分析有據可依。

另外，如圖14所示，由于排氣口之間的距離為2.4 m，因此選擇距離監測點2.4 m范圍內的數據進行比較，考慮到湍流會造成煙氣分布不均，因此對數據進行平均處理，得出距離監測點橫向2.4 m位置處的煙氣濃度約占排氣口煙氣濃度的0.9%。因此定量來看，位于監測點處的煙氣濃度具有較為明顯的積聚效應，排煙管排氣、煙氣之間的相互影響較小，因此可以認為排煙管排出煙氣的流場是相互獨立的。

圖14 排煙管布置圖

4.3.2 煙氣溫度的計算結果

通過對監測點處溫度的模擬結果的提取，得到的結果如表3所示。

表3 風速為12 m/s的溫度

從表3可以看出，排煙管出口高度為21 m的情況可以滿足設備對溫度的要求，同時對比排煙管出口高度為21 m與18.5 m的情況，監測點的溫度均有明顯的改善作用，當出口高度為18.5 m時，位于18 m處的監測點均具有非常高的溫度，超過了折臂吊電纜的可接受溫度范圍。

考慮到在實際改造中，排煙管高度方案與改造的工程量密切相關，為了盡可能地控制改造工程量、降低成本，針對排煙管出口18.5 m處的監測點溫升做進一步分析。在上述模擬過程中，將4個排氣口的排煙量均簡化到一個位置，得到的結果過于保守，同時根據4.3.1節的分析可知，排煙管排出煙氣的流場是相互獨立的，則排煙管煙氣之間的溫度影響也可以忽略，因此為了能夠降低工程改造代價，有必要對18.5 m高度處的排氣口高度方案進行深入分析，以驗證排煙管在18.5 m高度方案下是否滿足折臂吊的工作要求。

如圖14所示，考慮到4個排氣出口受到相同風向的作用，因此可以將ex6在監測點位置1的煙氣濃度以及溫度近似為ex2在監測點2的煙氣濃度以及溫度，由此可以得出多個出口exi對一個監測點的濃度以及溫度通過同一個出口ex2在不同監測點處的溫度以及濃度疊加得到折臂吊監測點的濃度累積值以及溫度最終值，具體計算過程如下：

式中：i表示出口編號；Ti，Ta分別表示監測點以及大氣的初始溫度值，此時均為32℃；TMi表示不同出口模擬的溫度結果，此處近似為ex2在不同監測點的溫度結果；T表示最終計算得到的監測點的溫度值。

將排煙管排氣口出口高度為18.5 m的溫度模擬結果進行換算后，得到的計算結果如表4所示。

表4 中心區域溫度表

根據以上分析結果，最終采取將排煙管出口提高至18.5 m的改造方案。

5 結 語

本文通過分析排煙管的煙氣擴散對折臂吊的影響，得到結論如下：

(1) 排煙管排氣口出口高度對煙氣在高度方向上的擴散范圍具有非常顯著的影響，通過調節排氣口出口高度可以避開折臂吊工作區間，從而避免設備和結構暴露在煙氣濃度過高以及煙氣溫度過高的環境下發生的損壞。

(2) 經過分流計算之后，排氣口出口高度為18.5 m時，溫度最大值已經得到大幅改善，但仍較高；這是由于折臂吊工作狀態所處高度為18 m決定的，若風速較大，使得煙氣直接繞過排氣管，會造成煙氣積聚到折臂吊上，因此設計時應綜合考慮不同風速對煙氣擴散的影響，合理設計排氣管出口高度。

(3) 在實際的工程設計中，考慮到折臂吊大部分時間處于非工作狀態且處于停放位置，停放位置最高約為16.2m，排煙口的高度設計為18.5 m。實踐證明，改造后降低了煙氣對折臂吊的影響，如圖15所示。改造3年后，折臂吊基本未被煙氣熏黑，平臺作業中折臂吊也能夠正常工作。

圖15 排煙系統改造后使用3年的狀況

同時，本文所做的工作在以下方面還可以進一步改進：

(1) 總的來說，在計算過程中考慮計算能力限制以及工程改造設計的時間限制時，采用了較多的簡化方法。如具備條件，后續還可以更全面地進行數值分析，以得到更精確的分析結果。

(2) 在典型風速的選取中，風速計算工況較少，由于時間關系，未在典型風速附近進行細化分析。在實際工程計算中，如果時間允許，可以在典型風速附近尋找更為精確的典型風速計算值。