南海某平臺泥漿泵高溫煙氣風險評估

陳保川，蔡鵬，馮猛

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057； 2.中海油安全技術服務有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

結合南海某平臺泥漿泵柴油機設計與運行資料，通過有限元軟件建立平臺泥漿泵柴油機高溫排煙場景的物理模型和數學模型[1-3]，基于軟件內置的湍流模型、對流換熱、熱輻射和能量模型，計算得到3臺泥漿泵柴油機同時運行狀態下產生的高溫煙氣排放在周圍區域形成的氧氣濃度場和溫度場分布，根據相應的傷害判定準則[4-11]，評估平臺泥漿泵柴油機高溫煙氣是否會對吊機駕駛室區域造成安全隱患。

1 泥漿泵柴油機尾氣擴散模型建立

結合平臺上部甲板平面布置圖及泥漿泵柴油機的設計參數，為簡化計算，提高分析效率，主要針對位于上部甲板的3臺泥漿泵柴油機及排煙管、吊機底座進行實體建模。并劃分網格，建立泥漿泵柴油機排煙管的物理模型和網格模型，建立相應的數學計算模型。平臺上部甲板上的其他設備以及周圍其他設施對計算結果的影響在模型中可以忽略。為確保軟件模擬結果的網格無關性和準確性，通過多次試算并對比分析關鍵參數的差異，并綜合考慮計算負荷與計算結果可靠性之間的平衡，最終選定的整個計算域尺寸為120 m×100 m×80 m，對3臺泥漿泵柴油機排煙口附近區域進行局部加密，以捕捉計算參數的快速變化，網格單元總數為2 232 956。

模型采用自適應網格劃分和局部網格加密對仿真模型進行網格劃分。網格類型選擇為四面體非結構化網格。對柴油機排煙管和柴油機排煙口處的網格進行加密，從而保證仿真過程中柴油機排煙口處的尾氣擴散精度。由于影響計算精度的因素是網格質量，而不是網格數量。因此，網格劃分過程中需保證網格質量。當網格質量中的Orthogonal Quality大于0.2和Skewness小于0.8時，網格質量較好，計算精度較高。

2 泥漿泵柴油機尾氣擴散數值模擬

2.1 參數設置

經過現場調研，收集了平臺平面布置圖、所在區域的氣象參數及泥漿泵柴油機的運行參數等信息，在極端工況下柴油機有害尾氣排氣量為4 067.11 kg/h，計算過程中的柴油機尾氣流量為1.13 kg/s。在柴油機尾氣排放過程中，從柴油機排氣口排出的尾氣溫度高達300 ℃，而環境溫度在32 ℃左右。因此，仿真過程需要借助能量方程計算尾氣的能量傳遞及熱交換。柴油機尾氣在風的作用下做不規則運動，有垂直于出口方向的分速度產生。因此，柴油機尾氣擴散為湍流流動。仿真選擇應用最為廣泛的k-epsilon湍流模型，氣體擴散模型選擇組分運輸模型。主要針對尾氣中的有害氣體擴散進行研究，尾氣主要包含二氧化碳和氮氣，兩者占比95%以上，其他氣體對氣體擴散規律影響較小，因此氣體的主要組分為二氧化碳和氮氣為主。尾氣入口采用流量入口邊界；出口采用壓力出口邊界；風向入口采用速度入口邊界。

由于主要考慮高溫煙氣對吊機頂部駕駛室的影響，因此，簡化并確定了數值模擬所用的基本參數，如表1所示。

表1 環境氣相和高溫煙氣參數

為了驗證網格收斂性，通過對風速分別為1 m/s、4 m/s和7 m/s時的工況進行仿真，觀察其殘差大小。為了得到準確的殘差曲線，在穩態下進行仿真模擬。網格的收斂性主要依據連續性曲線殘差值的大小。當連續性曲線的殘差值低于10-3時，網格的收斂性較好。在仿真迭代到700次以后，連續性曲線的殘差值小于10-3；當仿真迭代到1 000次時，連續性曲線的殘差值接近10-4。

2.2 流體理論

液相流動問題都必須滿足質量守恒方程、動量守恒方程、能力守恒方程。因此，質量守恒方程，即連續性方程如式(1)所示：

式中：ρ、t、u分別表示液相密度、時間以及液相速度。

動量守恒方程如式(2)：

式中：f為單位質量力；ui表示i(x,y,z)方向的速度；μ為動量黏度；P為微元體上的壓力。

能力守恒方程如式(3)：

式中：cP為熱熔；T為溫度；k為流體的傳熱系數；ST為內熱源及由于粘性作用流體機械能轉化為內能部分。

3 計算結果與分析

3.1 煙氣擴散范圍和窒息區域

3.1.1 風速條件：1.0 m/s

根據吊機和3臺泥漿泵柴油機排煙口的平面布局和相對位置，從最不利的角度考慮，選定最危險工況進行模擬研究，即風從排煙口吹向吊機位置，風速為1.0 m/s時，泥漿泵柴油機排煙口高溫煙氣的擴散方向即為吊機區域。通過三維數值模擬計算，分析其排出的高溫煙氣在下風向形成的空間擴散區域和煙氣濃度場分布、氧氣濃度場分布規律以及影響范圍，評估是否會在吊機駕駛室位置形成窒息區域。根據GB/T 50493—2019，環境氧氣的過氧報警值為23.5%VOL，環境欠氧報警值為19.5%VOL。因此將高溫煙氣形成的窒息區域以空間中氧氣濃度低于19.5%VOL作為界定標準。如圖1所示，是風速條件為1.0 m/s工況下3臺泥漿泵柴油機排煙口排出的高溫煙氣形成的氧氣濃度為19.5%的空間包絡面。包絡面內部區域氧氣濃度均低于19.5%，屬于潛在窒息區域，根據計算結果可知，潛在窒息區域從排煙口延伸至平臺外側約12 m，下風向延伸距離約為7.9 m，空間體積約為22.5 m3。根據上述分析和計算結果，該工況下3臺泥漿泵柴油機排煙口排出的高溫煙氣形成的潛在窒息區域均為平臺外部區域，在平臺內部區域和吊機頂部駕駛室區域不會形成潛在窒息區域。

圖1 風速1.0 m/s，氧氣濃度19.5%

3.1.2 風速條件：4.0 m/s

當風速為4.0 m/s時，泥漿泵柴油機排煙口高溫煙氣的擴散方向仍為吊機區域，同樣將高溫煙氣形成的窒息區域以空間中氧氣濃度低于19.5%VOL作為界定標準。如圖2所示，是風速條件為4.0 m/s工況下3臺泥漿泵柴油機排煙口排出的高溫煙氣形成的氧氣濃度為19.5%的空間包絡面。包絡面內部區域氧氣濃度均低于19.5%，屬于潛在窒息區域，根據計算結果，潛在窒息區域從排煙口延伸至平臺外側約4.2 m，下風向延伸距離約為6.4 m，空間體積約為13.5 m3。根據上述分析和計算結果，該工況下3臺泥漿泵柴油機排煙口排出的高溫煙氣形成的潛在窒息區域均為平臺外部區域，在平臺內部區域和吊機頂部駕駛室區域不會形成潛在窒息區域。

圖2 風速4.0 m/s，氧氣濃度19.5%

3.1.3 風速條件：7.0 m/s

當風速為7.0 m/s時，泥漿泵柴油機排煙口高溫煙氣的擴散方向仍為吊機區域。同樣將高溫煙氣形成的窒息區域以空間中氧氣濃度低于19.5%VOL作為界定標準。如圖3所示，是風速條件為7.0 m/s工況下3臺泥漿泵柴油機排煙口排出的高溫煙氣形成的氧氣濃度為19.5%的空間包絡面。包絡面內部區域氧氣濃度均低于19.5%，屬于潛在窒息區域，根據計算結果，潛在窒息區域從排煙口延伸至平臺外側約3.5 m，下風向延伸距離約為5.1 m，空間體積約為4.5 m3。根據上述分析和計算結果，該工況下3臺泥漿泵柴油機排煙口排出的高溫煙氣形成的潛在窒息區域均為平臺外部區域，在平臺內部區域和吊機頂部駕駛室區域不會形成潛在窒息區域。

圖3 風速7.0 m/s，氧氣濃度19.5%

3.2 煙氣溫度分布和影響范圍

3.2.1 風速條件：1.0 m/s

根據吊機和3臺泥漿泵柴油機排煙口的平面布局和相對位置，從最不利的角度考慮，選定最危險工況進行模擬研究，即風從排煙口吹向吊機位置，風速為1.0 m/s時，泥漿泵柴油機排煙口高溫煙氣的擴散方向為吊機區域。通過三維數值模擬計算，分析其排出的高溫煙氣在下風向形成的空間擴散區域和煙氣溫度場分布規律以及影響范圍，評估是否會在吊機駕駛室位置形成高溫不適區域。參考英國CAA(Civil Aviation Authority)制定的直升機甲板安全設計規范CAP437對環境條件的判定標準，關于煙氣溫度的限定，在直升機起降的區域，平均3 s時間間隔內的最大溫升不能超過環境溫度2 ℃。本項目環境溫度設定為32 ℃，因此將高溫煙氣形成的潛在高溫不適區域以環境溫度超過34 ℃為界定標準。

隨著高溫煙氣的持續排放，受風向影響，高溫煙氣將形成處于動態穩定狀態、并向下風方向嚴重傾斜的煙羽狀分布。高溫煙氣在風力影響下快速向下風方向擴散的同時，由于熱量總是自發地由高溫物體向低溫物體傳遞，促使高溫煙氣介質本身攜帶的大量熱量與溫度偏低的周圍空氣之間進行持續熱交換、熱傳遞，因此導致隨著下風向距離的增大，煙氣溫度逐漸降低。如圖4所示，是風速條件為1.0 m/s工況下3臺泥漿泵柴油機排煙口排出的高溫煙氣形成的環境溫度為34 ℃的空間包絡面。包絡面內部區域環境溫度均高于34 ℃，屬于潛在高溫不適區域，根據計算結果，潛在高溫不適區域從排煙口延伸至平臺外側約13.8 m，下風向延伸距離約為37 m，空間體積約為500 m3。根據上述分析和計算結果，該工況下3臺泥漿泵柴油機排煙口排出的高溫煙氣形成的潛在高溫不適區域均為平臺外部區域，在平臺內部區域和吊機頂部駕駛室區域不會形成潛在高溫不適區域。

圖4 風速1.0 m/s，環境溫度34 ℃

3.2.2 風速條件：4.0 m/s

當風速為4.0 m/s時，泥漿泵柴油機排煙口高溫煙氣的擴散方向仍為吊機區域。同樣將高溫煙氣形成的潛在高溫不適區域以環境溫度超過34 ℃為界定標準。如圖5所示，是風速條件為4.0 m/s工況下3臺泥漿泵柴油機排煙口排出的高溫煙氣形成的環境溫度為34 ℃的空間包絡面。包絡面內部區域環境溫度均高于34 ℃，屬于潛在高溫不適區域，根據計算結果，潛在高溫不適區域從排煙口延伸至平臺外側約1.1 m，下風向延伸距離約為30 m，空間體積約為195 m3。根據上述分析和計算結果，該工況下3臺泥漿泵柴油機排煙口排出的高溫煙氣形成的潛在高溫不適區域主要集中在排煙口下風向的平臺邊沿區域，包圍了與排煙口高度相近的吊機區域，但是在吊機頂部駕駛室區域不會形成潛在高溫不適區域。

圖5 風速4.0 m/s，環境溫度34 ℃

3.2.3 風速條件：7.0 m/s

當風速為7.0 m/s時，泥漿泵柴油機排煙口高溫煙氣的擴散方向仍為吊機區域。同樣將高溫煙氣形成的潛在高溫不適區域以環境溫度超過34 ℃為界定標準。如圖6所示，是風速條件為7.0 m/s工況下3臺泥漿泵柴油機排煙口排出的高溫煙氣形成的環境溫度為34 ℃的空間包絡面。包絡面內部區域環境溫度均高于34 ℃，屬于潛在高溫不適區域，根據計算結果，潛在高溫不適區域從排煙口延伸至平臺外側約0.8 m，下風向延伸距離約為23.2 m，空間體積約為60 m3。根據上述分析和計算結果，該工況下3臺泥漿泵柴油機排煙口排出的高溫煙氣形成的潛在高溫不適區域主要集中在排煙口下風向的平臺邊沿區域，包圍了與排煙口高度相近的吊機區域，但是在吊機頂部駕駛室區域不會形成潛在高溫不適區域。

圖6 風速7.0 m/s，環境溫度34 ℃

4 結語

通過不同風速條件下的模擬計算結果可見，由于風的稀釋作用，隨著風速的增加，泥漿泵柴油機排煙口排出的高溫煙氣形成的煙羽擴散速度變快，煙羽影響范圍縮小，即高溫煙氣形成的潛在窒息區域和潛在高溫不適區域縮小。

通過不同風速條件下的模擬計算結果可見，不同風速條件下(1.0 m/s、4.0 m/s和7.0 m/s)，泥漿泵柴油機排煙口排出的高溫煙氣形成的潛在窒息區域均為平臺外部區域，在平臺內部區域和吊機頂部駕駛室區域不會形成潛在窒息區域。

通過不同風速條件下的模擬計算結果可見，不同風速條件下(1.0 m/s、4.0 m/s和7.0 m/s)，泥漿泵柴油機排煙口排出的高溫煙氣形成的潛在高溫不適區域主要集中在排煙口下風向的平臺邊沿區域，可能包圍與排煙口高度相近的吊機區域，但是在吊機頂部駕駛室區域不會形成潛在高溫不適區域。