某型FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

臧 戈 王 碩 熊炳旭 穆建樹(shù) 姜福洪

（大連船舶重工集團(tuán)有限公司 大連 116037）

引 言

內(nèi)轉(zhuǎn)塔式浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置（Floating Production Storage Offloading，F(xiàn)PSO）是目前常用的海上油田開(kāi)發(fā)手段，內(nèi)轉(zhuǎn)塔是整個(gè)FPSO最核心的部分。內(nèi)轉(zhuǎn)塔區(qū)域通常為危險(xiǎn)區(qū)，為避免危險(xiǎn)氣體聚集，保障人員安全，需要采用通風(fēng)進(jìn)行空氣置換、稀釋驅(qū)散異味和CO濃度，保持區(qū)域防火等級(jí)完整性，改善人員和設(shè)備的工作環(huán)境，因此該區(qū)域在FPSO通風(fēng)設(shè)計(jì)中往往需要重點(diǎn)關(guān)注。

現(xiàn)代船舶的通風(fēng)設(shè)計(jì)已經(jīng)不僅僅停留在傳統(tǒng)的換氣率計(jì)算及風(fēng)管設(shè)計(jì)與布置，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamic，CFD）數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，該項(xiàng)技術(shù)越來(lái)越廣泛應(yīng)用于船舶通風(fēng)設(shè)計(jì)中。CFD模擬預(yù)測(cè)氣流分布特征，驗(yàn)證通風(fēng)效果，檢驗(yàn)通風(fēng)口布置的合理性，在一定程度上彌補(bǔ)了通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中單憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)造成的不足，減少建造時(shí)的修改，為通風(fēng)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)，對(duì)于優(yōu)化通風(fēng)布置，改善通風(fēng)環(huán)境具有指導(dǎo)意義。

本文以某型FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔通風(fēng)系統(tǒng)為研究目標(biāo)進(jìn)行分析，創(chuàng)新性地提出一種FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)設(shè)計(jì)的通風(fēng)效果進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)數(shù)值模擬得到的流場(chǎng)分布情況，分析轉(zhuǎn)塔內(nèi)部的通風(fēng)狀況，檢驗(yàn)通風(fēng)系統(tǒng)是否滿足內(nèi)轉(zhuǎn)塔運(yùn)行需要。

1 FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔概況

本文所研究的目標(biāo)FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔為船體集成頂部嵌入型永久單點(diǎn)系泊式，主體是圓柱形鋼結(jié)構(gòu)，通過(guò)主軸承和下軸承與船體相連，下部由系泊系統(tǒng)連接海底，使FPSO可以繞內(nèi)轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)。整個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)塔由系泊層、下軸承、塔筒、錨鏈甲板、主軸承甲板、塔架、管匯系統(tǒng)和滑環(huán)堆棧等組成。主軸承為分布式雙排軸向滾輪軸承，配合徑向滾輪軸承和剎車(chē)系統(tǒng)，直徑為25 m。下軸承為滑動(dòng)軸承，浸沒(méi)在海水中，采用自潤(rùn)滑設(shè)計(jì)。圖1為內(nèi)轉(zhuǎn)塔總布置圖。

圖1 內(nèi)轉(zhuǎn)塔總布置圖

2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

正常工況下，內(nèi)轉(zhuǎn)塔的系泊層、下軸承、塔筒和錨鏈甲板等浸沒(méi)在海水中，無(wú)需通風(fēng)系統(tǒng)。塔架、管匯系統(tǒng)、滑環(huán)等處于室外環(huán)境，也無(wú)需通風(fēng)系統(tǒng)。因此，目標(biāo)內(nèi)轉(zhuǎn)塔需要通風(fēng)的區(qū)域?yàn)橹鬏S承甲板區(qū)域，圖2中陰影區(qū)域?yàn)閮?nèi)轉(zhuǎn)塔通風(fēng)區(qū)域。

圖2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔通風(fēng)區(qū)域圖

內(nèi)轉(zhuǎn)塔的主軸承由110對(duì)滾輪組成。主軸承甲板被滾輪分為外軸承區(qū)域和內(nèi)軸承區(qū)域，中間由滾輪空隙連通。滾輪直徑為0.6 m，滾輪空隙總面積約為5.4 m。圖3為主軸承甲板模型，圖4為主軸承滾輪細(xì)節(jié)圖。

圖3 主軸承甲板模型

圖4 雙排滾輪細(xì)節(jié)圖

目標(biāo)FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔室外空氣溫度為21~35℃，室內(nèi)無(wú)較大的散熱設(shè)備，該區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)主要用于維修人員進(jìn)入內(nèi)轉(zhuǎn)塔之前稀釋驅(qū)散危險(xiǎn)氣體，改善維修人員的工作環(huán)境。

該區(qū)域通風(fēng)原理為機(jī)械供風(fēng)和自然排風(fēng)，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地利用軸承滾輪空隙和內(nèi)轉(zhuǎn)塔自身開(kāi)口。供風(fēng)風(fēng)管布置在內(nèi)轉(zhuǎn)塔外部，6個(gè)供風(fēng)口均勻環(huán)繞布置在外軸承區(qū)域，空氣流入外軸承區(qū)域并通過(guò)滾輪空隙進(jìn)入內(nèi)軸承區(qū)域。主軸承甲板頂部與船體主甲板之間的環(huán)形空隙作為外軸承區(qū)域排風(fēng)口，主軸承甲板內(nèi)部6個(gè)錨鏈艙口和塔筒進(jìn)出口作為內(nèi)軸承區(qū)域排風(fēng)口。另外，主軸承甲板底部與船體月池之間的空隙導(dǎo)致少量空氣流入下方區(qū)域，此下方區(qū)域無(wú)通風(fēng)要求。圖5為通風(fēng)系統(tǒng)布置圖。

圖5 通風(fēng)系統(tǒng)布置圖

內(nèi)轉(zhuǎn)塔通過(guò)滾輪相對(duì)船體旋轉(zhuǎn)，供風(fēng)口相對(duì)外軸承區(qū)域固定，相對(duì)內(nèi)軸承區(qū)域旋轉(zhuǎn)。但本文通風(fēng)系統(tǒng)主要工作于海況良好時(shí)人員進(jìn)入內(nèi)轉(zhuǎn)塔之前，該工況內(nèi)轉(zhuǎn)塔相對(duì)旋轉(zhuǎn)速率很低，可以忽略不計(jì)，內(nèi)外軸承區(qū)域視為固定狀態(tài)。

3 通風(fēng)效果數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型

將主軸承甲板內(nèi)空氣流動(dòng)視為一般室內(nèi)氣流組織的模型進(jìn)行研究。作如下假設(shè)：

（1）低流速下可認(rèn)定氣體為不可壓縮流體；（2）空間密閉性良好，模擬計(jì)算區(qū)域內(nèi)的送排風(fēng)平衡；

k

ω

通過(guò)對(duì)9個(gè)注水系統(tǒng)分析，查找出存在問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)措施，通過(guò)評(píng)價(jià)分析，采取相應(yīng)節(jié)能技術(shù)措施后，9個(gè)系統(tǒng)年可節(jié)電量為424.77×104kWh。

3.2 幾何模型的建立和簡(jiǎn)化

主軸承甲板設(shè)備眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。

本文中的模型主要進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化：

（1）模型中省略了滾輪部分，采用等面積梯形孔代替滾輪空隙；

（2）模型中轉(zhuǎn)塔主體結(jié)構(gòu)采用光滑壁面代替實(shí)際結(jié)構(gòu)，對(duì)轉(zhuǎn)塔內(nèi)結(jié)構(gòu)遮蔽效應(yīng)采用等效方法進(jìn)行簡(jiǎn)化；

（3）對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化主要是省略了風(fēng)機(jī)與進(jìn)出風(fēng)管模型，采用速度入口和壓力出口邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬。

最終建立數(shù)值模型及表面網(wǎng)格分布見(jiàn)圖6。

圖6 數(shù)值模型及表面網(wǎng)格

3.3 邊界條件的設(shè)定

出口邊界：設(shè)定排風(fēng)口為壓力出口邊界條件，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

3.4 模擬結(jié)果及分析

圖7是氣流速度場(chǎng)矢量圖，圖8是氣流速度場(chǎng)流線圖，下頁(yè)圖9是氣流通過(guò)滾輪空隙矢量圖。通過(guò)這3張圖可以看到氣流自外向內(nèi)傳播并排出的過(guò)程。供風(fēng)口出來(lái)的氣流速度較大， 氣流沖擊滾輪后，部分氣流通過(guò)空隙進(jìn)入內(nèi)軸承區(qū)域，其余部分折回到外軸承區(qū)域，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散速度逐漸變小，在氣壓作用下循環(huán)流動(dòng)直至從環(huán)形空隙排出。內(nèi)軸承區(qū)域的氣流通過(guò)空隙后繼續(xù)高速向前流動(dòng)，直到?jīng)_擊中心塔筒后折回，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散速度逐漸變小，在氣壓作用下循環(huán)流動(dòng)直至從錨鏈艙口和塔筒進(jìn)出口排出。少量空氣流入主軸承甲板下方區(qū)域。外軸承區(qū)域和內(nèi)軸承區(qū)域氣流平穩(wěn)、分布均勻，通風(fēng)效果較好。為了優(yōu)化通風(fēng)效果，供風(fēng)口高度調(diào)整到與滾輪空隙高度一致，便于空氣通過(guò)空隙。

圖7 氣流速度場(chǎng)矢量圖

圖8 氣流速度場(chǎng)流線圖

圖9 氣流通過(guò)滾輪空隙矢量圖

圖10 ~ 13是不同高度截面的氣流速度場(chǎng)分布圖。從圖中可以看出，由于供風(fēng)口較低，速度場(chǎng)隨著高度的方向逐漸減小。在雙排滾輪維修高度（1 m）、人員高度（1.8 m）、剎車(chē)系統(tǒng)維修高度（2.25 m）、徑向滾輪軸承維修高度（5 m），除少量渦流存在外，氣流速度分布較均勻，能有效改善維修人員的工作環(huán)境。模擬計(jì)算出空氣流量約60%進(jìn)入內(nèi)軸承區(qū)域，約40%留在外軸承區(qū)域，氣流場(chǎng)的分布可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域有效的通風(fēng)。空氣流通效果良好，通風(fēng)換氣目的達(dá)到。

圖10 1 m處氣流速度場(chǎng)分布云圖

雙排滾輪周?chē)鷧^(qū)域個(gè)別處氣流流速較低，主要是離供風(fēng)口較遠(yuǎn)和供風(fēng)量較低所致。為了優(yōu)化通風(fēng)效果，可以考慮增加供風(fēng)口數(shù)量，對(duì)供風(fēng)口位置進(jìn)行調(diào)整，使其更均勻地環(huán)繞外軸承區(qū)域分布；增加供風(fēng)量，增大供風(fēng)口尺寸。

圖11 1.8 m處氣流速度場(chǎng)分布云圖

圖12 2.25 m處氣流速度場(chǎng)分布云圖

圖13 5 m處氣流速度場(chǎng)分布云圖

4 結(jié) 語(yǔ)

FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)型式很多，通風(fēng)區(qū)域及技術(shù)要求各有不同，本文就某一型式內(nèi)轉(zhuǎn)塔的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出一種FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬。主要結(jié)論如下：

（1）通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地利用軸承滾輪空隙和內(nèi)轉(zhuǎn)塔自身開(kāi)口。供風(fēng)風(fēng)管布置在內(nèi)轉(zhuǎn)塔外部，供風(fēng)口僅布置在外軸承區(qū)域，內(nèi)轉(zhuǎn)塔主軸承滾輪之間空隙較大，氣流可以通過(guò)空隙進(jìn)入內(nèi)軸承區(qū)域。排風(fēng)口采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔自帶環(huán)形空隙、錨鏈艙口和塔筒進(jìn)出口。內(nèi)轉(zhuǎn)塔區(qū)域無(wú)需通風(fēng)風(fēng)管和通風(fēng)設(shè)備，通風(fēng)系統(tǒng)不占用內(nèi)轉(zhuǎn)塔空間。

（2）供風(fēng)口均勻環(huán)繞布置在外軸承區(qū)域，高度與滾輪空隙高度一致。

（3）為了優(yōu)化通風(fēng)效果，可以考慮增加供風(fēng)口數(shù)量，從而增加供風(fēng)量。

目前少數(shù)國(guó)外公司掌握了內(nèi)轉(zhuǎn)塔的大部分技術(shù)和專(zhuān)利，對(duì)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期進(jìn)行技術(shù)封鎖。本文邊界條件設(shè)定的設(shè)計(jì)風(fēng)量基于項(xiàng)目需要，CFD數(shù)值模擬所獲得的結(jié)論與常規(guī)應(yīng)用的偏差需要進(jìn)一步研究。本文創(chuàng)新提出一種FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，提供設(shè)計(jì)思路和工程解決方案，對(duì)于未來(lái)中國(guó)自主設(shè)計(jì)FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔有重要意義并積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。