半潛式鉆井平臺主發電機排煙管煙氣流場擴散分析

2022-04-29 11:49:58李萌劉洪亮樂小龍周毅朱崇遠

船海工程 2022年2期

李萌，劉洪亮，樂小龍，周毅，朱崇遠

(1.中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300452；2.上海船舶研究設計院，上海 201203)

船舶在航行時，位于羅經甲板的桅桿安裝有雷達和信號燈等設備，會遭遇來自不同方向的氣流，在某些條件下，煙囪排放的主機/輔機鍋爐高溫煙氣會被吹至桅桿上，導致設備工作環境溫度升高，從而影響設備正常工作甚至損壞設備。為此，采用3D CFD Fluidyn軟件，模擬一座安全、可靠、高效的半潛式鉆井平臺在不同工況下，主發電機排煙管排出的高溫煙氣對對主/副井口人員作業區域、隔水管門式吊車運行及固定區域、直升機平臺及主發電機吸入口的影響，從而更好地指導主發電機排煙管、通風系統及消防系統的布置。

1 數學模型和計算設置

3D CFD Fluidyn多物理場軟件，考慮黏性不可壓縮流體的運動遵循連續性、動量守恒及能量守恒等原則，基于Boussinesq假設：對于密度變化不是很大的變密度流動，假設除密度外的其他無因次系數均為常數，密度僅考慮動量方程中與體積力相關的項，即熱浮力其余各項中的密度僅作為常數，認為密度差僅與溫度變化相關。

2 計算設置

本平臺是由2個浮箱、4個立柱和1個箱型上船體構成的半潛式鉆井平臺。平臺中央左舷位置和右舷位置布置2個用于鉆井、鉆桿和套管作業的月池。平臺主尺度見表1。

表1 平臺主尺度及相關參數

在發電機房布置4臺額定總有功功率為12 800 kW，額定轉速為720 r/min的柴油發電機組，由柴油發電機提供鉆井作業所需的電源。柴油發電機的排煙口尺寸為DN600，排煙溫度為350 ℃，排煙質量流速為6.3 kg/s，排煙背壓為5.0 kPa，排煙口排煙速度為35 m/s。不考慮鉆機模塊的影響，4臺柴油發電機100%負荷運行時會有最大的排煙量，且排煙溫度最高，故以4臺柴油發電機100%負荷運行工況下的煙氣參數為分析基礎。主柴油發電機參數見表2。平臺CFD三維模型見圖1。

表2 主柴油發電機組參數

圖1 該鉆井平臺CFD模型

根據COST ACTION 732推薦的處理方法，以最大吃水線(=24 m)為基準線，平臺高度=80 m，主發電機排煙管距離主甲板9 m為依據，海上自由空間取長方體，平臺長邊方向(長)取10，水平方向(寬)取10，豎直方向(高)取6。且底部水面視為固壁邊界，整個船體視為絕熱固壁邊界，來風面和排煙管出口均采用速度入口邊界條件。對模型進行3層嵌套式網格劃分：區域0、區域1和區域2，并在發電機排煙管出口區域加密以精捕獲煙氣軌跡和流場空間溫度分布，整個計算區域共計4 592 455個網格。采用三維定常耦合求解器，假設煙氣為單一的理想氣體，采用-湍流模型。

3 計算工況

3.1 氣象及閾值要求

基于該鉆井平臺運行所在區域的風玫瑰(見圖2)、NFPA 59A規定的天氣條件和Pas-quill-Gifford大氣穩定度，計算工況見表3。

表3 選取的氣相條件

圖2 鉆井平臺所在地風玫瑰

風向考慮最壞風向，即風吹向平臺方向；火災持續時間為3 600 s。

考慮到高溫煙氣引起的環境溫度升高通常會影響直升機起降。并且，主發電機排煙管的煙氣擴散也會對主/ 副井口工作區域、隔水管門式吊車、主發電機吸入口造成影響。另一方面，平臺對流場的阻礙作用而造成的尾渦湍流效應對高溫煙氣回流、直升機安全操作也會產生一定的影響。

結合該鉆井平臺主發電機的排煙管位置、發電機機組運行工況及風頻聯合分布，從以下3點開展分析。

1)直升機升降的影響分析。

2)有害氣體(NO,CO)濃度分布。

3)隔水管門式吊車溫度分布。

報告以英國CAA (Civil Aviation Authority) CAP 437《Offshore Helicopter Landing Areas-Guidance》規范作為直升機起降影響分析的判定準則。根據CAP 437的判定標準。

1)直升機升降區域，30 ft加上直升機輪子至旋翼高度再加上1個旋翼的直徑。

2)環境溫度的限定，在平均3 s的時間間隔內，直升機起降區域內的最大溫升不能超過環境溫度2 °C。

3)湍流的限定，在直升機起降區域，豎直方向速度的標準方差不能超過2.4 m/s。

該平臺所用的最大直升機型號為MI-8，依據CAP 437規范計算，對直升機分析的區域高度為：直升機甲板上方的分析區域為35.2 m，保守考慮取38.0 m。

從該平臺電站及壓縮機排煙數據表可看出，對人員可能產生影響的氣體組分主要有NO、CO和碳氫化合物等。GBZ2-1—2007《工作場所有害因素職業接觸限值第1部分：化學有害因素》標準中的規定“煙氣擴散有害氣體分析以短時間為評判依據，NO接觸限值為10 mg/m；CO接觸限值為9 000 mg/m。

3.2 監測面

根據該平臺的主尺度和主要關注點設置監測面，見表4。

表4 監測面設置

4 結果分析

4.1 直升機起降影響分析

對4個氣象條件(0/F,3/D,5/D,23.7/D)W風向下的計算工況開展3D數值模擬，結果見圖3～5。根據模擬結果，分析直升機甲板上方38 m高度范圍內溫度升高超過環境溫度2 ℃的影響。

圖3 0/F下直升機甲板溫度變化范圍

圖4 3/D,W風向下直升機甲板溫度變化范圍

圖5 5/D,W風向下直升機甲板溫度變化范圍

由圖3～5可以看出：

1)風速0 m/s，直升機平臺上方0～38 m區域，溫升不超過環境溫度2 ℃，對直升機起降無影響。

2)3/D氣象W風向下，煙氣2 ℃的溫升區影響到直升機平臺上方15～38 m的范圍；建議調整排煙口出口方向為略向上30°方向。

3)5/D氣象W風向下，直升機平臺上方0～38 m區域，溫升不超過環境溫度2 ℃，對直升機起降無影響。

4)參考5 m/s的溫度場影響范圍，可以預見在23.7 m/s的風速下，由于煙氣高溫對直升機甲板上方38 m高度范圍內溫升超過環境溫度2 ℃的影響非常有限。考慮極端天氣，平臺會限制直升機的起降，因此，不考慮23.7 m/s的風速下的起降影響。

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對4個氣象條件(0/F,3/D,5/D,23.7/D)W風向下的計算工況開展3D數值模擬，分析直升機甲板上方38 m高度上方垂直方向速度的變化，分析湍流是否影響直升機甲板上方38 m的范圍，結果見圖6～8。

圖6 0/F下直升機甲板上方垂直方向速度變化

圖7 3/D,W風向下直升機甲板上方垂直方向速度變化

圖8 5/D,W風向下直升機甲板上方垂直方向速度變化

由圖6～8可以看出：

1)在0 m/s風速下，直升機平臺上方豎直風0～0.76 m/s對直升機起降無影響。

2)3/D氣象W風向下，直升機平臺上方局部出現1.71 m/s的豎直風對直升機起降無影響。

3)5/D氣象W風向下，直升機平臺上方局部出現1.53 m/s的豎直風，對直升機起降無影響。

4)參考5 m/s的溫度場影響范圍，可以預見在23.7 m/s的風速下，由于排煙造成的湍流非常有限，直升機甲板上方垂直方向速度>2.4 m/s可能性不大。另外，在極端天氣下，平臺會限制直升機的起降，因此，不考慮23.7 m/s風速的影響。

4.2 NOx質量濃度分析

對4個氣象條件(0/F,3/D,5/D,23.7/D)W風向下的計算工況開展3D數值模擬，分析該平臺NO接觸限值的影響范圍，結果見圖9～12。

圖9 0/F下NO2接觸限值的影響范圍

圖10 3/D,W風向下NO2接觸限值的影響范圍

圖11 5/D,W風向下NO2接觸限值的影響范圍

圖12 23.7/D,W風向下NO2接觸限值的影響范圍

1)由于溫差的影響，在0 m/s的氣象條件下，NO濃度超過接觸允許濃度值10 mg/m的區域一直在平臺范圍以外，對主/ 副井口、隔水管門式吊車、主發電機吸入口、直升機平臺區域均無影響。

2)在3/D氣象W風向下，隔水管門式吊車及直升機平臺某一高度以上區域，NO濃度超過接觸允許質量濃度值10 mg/m；主/副井口和主發電機吸入口區域NO質量濃度未超過該值。

3)在3/D氣象W風向下，=17.5 m NO質量濃度超過接觸允許濃度值10 mg/m的區域在平臺范圍以外，對主/副井口、主發電機吸入口無影響；=25 m下，隔水管門式吊車操作室區域(主要是左舷)，NO質量濃度超過接觸允許質量濃度值10 mg/m，但主/副井口及直升機平臺區域NO質量濃度該值；=28.2 m，左舷隔水管門式吊車操作室區域，NO質量濃度超過接觸允許質量濃度值10 mg/m，但主/副井口及直升機平臺區域NO質量濃度該值。

4)在5/D氣象W風向下，隔水管門式吊車及直升機平臺某一高度以上區域，NO質量濃度超過接觸允許質量濃度值10 mg/m；主/副井口和主發電機吸入口區域NO質量濃度未超該值。

5)在5/D氣象W風向下，=17.5 m，NO質量濃度超過接觸允許質量濃度值10 mg/m的區域在平臺范圍以外，對主/副井口無影響；=25 m下，直升機平臺區域NO質量濃度未超過允許值10 mg/m；=28.2 m，隔水管門式吊車操作室區域，NO質量濃度超過允許值10 mg/m，但主/副井口及直升機平臺區域NO質量濃度未超過該值。

6)在23.7/D氣象W風向下，隔水管門式吊車操作室區域、主/副井口、主發電機吸入口區域及直升機平臺NO質量濃度未超過允許值10 mg/m。