海上石油平臺熱介質(zhì)鍋爐煙羽影響分析

, , ,張西

(湛江南海西部石油勘察設(shè)計有限公司,湛江 524057)

熱介質(zhì)鍋爐的主要工作原理是：熱介質(zhì)油經(jīng)循環(huán)泵加壓，進入鍋爐盤管后被加熱，然后輸送至換熱器，通過換熱器與原油進行熱能傳遞；換熱后，冷的熱介質(zhì)油回流至熱油膨脹罐，如此反復(fù)循環(huán)，提供穩(wěn)定的熱源[1]。為了保證熱介質(zhì)鍋爐持續(xù)運轉(zhuǎn)，熱介質(zhì)鍋爐一般都采用雙燃料形式，柴油/天然氣或柴油/原油。燃料在加熱爐爐膛內(nèi)燃燒，產(chǎn)生熱量，并分別以輻射和對流形式將熱量傳遞給作為中間載熱體的熱介質(zhì)油[2]。熱介質(zhì)鍋爐燃燒產(chǎn)生的廢氣可能會對作業(yè)環(huán)境和操作人員帶來一定的風(fēng)險，有必要對煙氣排放做專題研究，并根據(jù)研究結(jié)果調(diào)整煙氣排放路徑。

以WZ12-1PUQB平臺熱介質(zhì)鍋爐煙羽分析為例，介紹一種熱介質(zhì)鍋爐煙羽影響分析的方法和步驟。

1 項目情況介紹

WZ12-1PUQB下層甲板東側(cè)布置2臺1萬kW的熱介質(zhì)鍋爐用來加熱主工藝流程中的導(dǎo)熱油，燃燒介質(zhì)為天然氣和柴油。煙氣排放考慮引到甲板東側(cè)舷邊，并向下扎入至MSF甲板以下，距離甲板面5 430 mm。

2 分析方法

通過計算流體力學(xué)(CFD)的方法對不同工況下煙羽擴散狀態(tài)進行模擬計算，分析其對周邊設(shè)施的影響，并提出建議措施。方法一般步驟如下。

1)采集資料，包括設(shè)計資料和圖紙，相關(guān)煙氣參數(shù)。

2)分析評估標準的選取。

3)幾何模型的建立。

4)確定計算區(qū)域的邊界條件。

5)利用CFD軟件進行各種工況下煙羽二維模擬計算，進行初步分析。

6)利用CFD軟件進行各種工況下煙羽三維模擬計算，進行精確分析。

2.1 收集資料

收集相關(guān)工藝流程圖、PID、環(huán)境資料、設(shè)備布置圖和煙氣相關(guān)參數(shù)。煙氣排放量最大時相關(guān)參數(shù)見表1，煙氣組分見表2。

表1 煙氣參數(shù)

表2 煙氣組分

注：N·m3，是指在0攝氏度1個標準大氣壓下的氣體體積。

2.2 分析評估標準

2.2.1 煙氣溶度影響

由于熱介質(zhì)鍋爐燃燒介質(zhì)為天然氣和柴油，對煙氣排放污染物的影響評估主要考慮到二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳和氧氣的濃度，下面對污染物進行分析。

根據(jù)表2煙氣組分表可知，二氧化硫和氮氧化物的溶度太低，表中沒有體現(xiàn)，可忽略不計。

對于二氧化碳，根據(jù)《美國采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會手冊》，二氧化碳濃度與人體健康關(guān)系如下。

1)二氧化碳濃度低于0.06%(體積百分比)，對人無影響。

2)二氧化碳濃度在0.06%～0.10%(體積百分比)，對人的影響為頭痛、昏睡、悶熱。

3)二氧化碳濃度高于0.10% (體積百分比)，對人的影響為頭痛、昏睡、悶熱頻繁。

另根據(jù)相關(guān)行業(yè)標準，CO2的濃度限制值為0.50%(體積百分比)。

對于氧氣，根據(jù)《美國采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會手冊》，氧氣濃度與人體健康關(guān)系見表3。

表3 氧氣濃度與人體健康關(guān)系

2.2.2 溫度的影響

鍋爐煙囪附近溫度的影響，主要表現(xiàn)在高溫強輻射環(huán)境對人體健康的影響，根據(jù)文獻[3]以及相關(guān)極端環(huán)境對人體健康影響的研究，人體可接受的熱暴露極限時間是：體溫為38～38.2 ℃時，容忍80～85 min；體溫為39 ℃時，容忍40～45 min；在熱極端環(huán)境下，會出現(xiàn)體溫升高，心率加快，注意力降低等一系列生理反應(yīng)。

2.3 幾何模型的建立

通過UG NX 4.0建立三維幾何模型，軸測圖和主視圖分別見圖1和圖2。

圖1 鍋爐的軸測圖

圖2 鍋爐的主視圖

2.4 邊界條件及周圍影響區(qū)域的確定

考慮長×寬×高：160 m×160 m×100 m影響區(qū)域，影響區(qū)域及邊界條件見圖3。

圖3 影響區(qū)域及邊界條件

考慮并簡化煙囪附件區(qū)域和生活樓模塊，見圖4。

圖4 煙囪附近影響區(qū)域簡化示意

2.5 二維數(shù)值模擬計算及分析

分析利用流體力學(xué)分析軟件FLUENT進行模擬計算。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在鍋爐壁面、煙囪壁面和海平面附近加密，網(wǎng)格數(shù)大小為15 732。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分見圖5。

圖5 二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)劃分

根據(jù)熱介質(zhì)鍋爐布置情況，結(jié)合平臺風(fēng)向分布,分別選取計算算例為東風(fēng)2、25 m/s，西風(fēng)2、25 m/s共4種情況進行分析。

以東風(fēng)2 m/s算例分析為例，分別進行溫度場模擬、RO2濃度場模擬，煙氣溶度場模擬、氧氣溶度場模擬，得出溫度分布圖、RO2濃度分布圖、煙氣濃度分布圖、氧氣濃度分布圖、煙囪附近流體流動圖,見圖6～10。

圖6 溫度分布

圖7 RO2溶度分布

圖8 煙氣濃度分布

圖9 氧氣濃度分布

圖10 煙囪附近流體流動分布

東風(fēng)2、25 m/s，西風(fēng)2、25 m/s的計算結(jié)果統(tǒng)計見表4～7。

表4 東風(fēng)(2 m/s)算例結(jié)算結(jié)果統(tǒng)計

表5 東風(fēng)(25 m/s)算例結(jié)算結(jié)果統(tǒng)計

表6 西風(fēng)(2 m/s)算例結(jié)算結(jié)果統(tǒng)計

表7 西風(fēng)(25 m/s)算例結(jié)算結(jié)果統(tǒng)計表

通過以上二維模擬計算結(jié)果分析，可以得出以下幾點結(jié)論。

1)東風(fēng)對操作平臺和住人平臺的影響遠大于同樣風(fēng)速的西風(fēng)對操作平臺和住人平臺的影響，即東風(fēng)情況下，操作平臺和住人平臺的溫度較高，煙氣濃度和RO2濃度較高，氧氣濃度較低。

2)微風(fēng)對于操作平臺和住人平臺的影響大于同樣風(fēng)向的強風(fēng)對操作平臺和住人平臺的影響。即相對于強風(fēng)，微風(fēng)情況下，操作平臺和住人平臺的溫度較高，煙氣濃度和RO2濃度較高，氧氣濃度較低。

3)東風(fēng)(2 m/s)時，操作平臺4個測量點溫度、二氧化碳溶度，以及氧氣溶度均超出規(guī)范規(guī)定值，對操作人員的健康帶來危害。尤其是Pc1測量點，溫度高達94 ℃，二氧化碳溶度高達2.61%，氧氣溶度低至15.41%。因此，有必要進行三維數(shù)值模擬精確計算分析。

2.6 三維數(shù)值模擬計算及分析

通過FLUENT軟件模擬，網(wǎng)格數(shù)量擬定為502 602，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格鍋爐壁面、煙囪壁面和海平面附近加密。三維非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格見圖11～13。

圖11 三維結(jié)構(gòu)的x-z網(wǎng)格劃分

圖12 三維結(jié)構(gòu)的y-z網(wǎng)格劃分

圖13 三維結(jié)構(gòu)的x-y-z網(wǎng)格劃分

通過二維模擬計算結(jié)果可知，東風(fēng)對操作平臺和住人平臺的影響遠大于同樣風(fēng)速的西風(fēng)對操作平臺和住人平臺的影響。因此，將對分別選取計算算例為東風(fēng)2、25 m/s、0.2 m/s共3種情況進行三維模擬計算分析。

以東風(fēng)2 m/s分析為例，溫度場計算在兩個鍋爐的中心截面進行切片，切片云圖見圖14。煙氣濃度場計算在2個鍋爐的中心截面進行切片，切片云圖見圖15。

圖14 三維結(jié)構(gòu)的溫度切片云

抽取鍋爐boiler1和boiler2煙囪中心截面(y=3.2 m或y=-3.2 m) 計算結(jié)果，溫度分布圖、RO2濃度分布圖、煙氣濃度分布圖、氧氣濃度分布見圖18～21。

圖16 (y=3.2 m或y=-3.2 m)溫度分布

圖17 (y=3.2 m或y=-3.2 m)RO2濃度分布分布

抽取兩臺鍋爐boiler1和boiler2之間中心截面(y=0 m) 計算結(jié)果，溫度分布圖、RO2濃度分布圖、煙氣濃度分布圖、氧氣濃度分布圖分別見圖20～23。

東風(fēng)2 m/s時，鍋爐boiler1和boiler2煙囪中心截面(y=3.2 m或y=-3.2 m)計算結(jié)果見表8，boiler1和boiler2之間中心截面(y=0 m截面)計算結(jié)果見表9。

圖18 (y=3.2 m或y=-3.2 m)煙氣濃度分布

圖19 (y=3.2 m或y=-3.2 m) 氧氣濃度分布

圖20 (y=0 m)溫度分布

圖21 (y=0 m)RO2濃度分布分布

圖22 (y=0 m) 煙氣濃度分布

圖23 (y=0 m) 氧氣濃度分布

區(qū)域點名稱x/my/mz/mt/℃RO2/%GasE/%O2/%操作平臺P1c4.26-3.2-12.6340.00.202.0820.56P2c10.96-3.2-7.1338.10.121.2320.74P3c18.01-3.2-7.1338.10.131.3620.71P4c18.01-3.2-1.9735.40021.00住人平臺X1c21.22-3.2 19.1735.40021.00X2c33.00-3.2 19.1735.40021.00X3c21.22-3.2 30.6935.40021.00X4c33.00-3.2 30.6935.40021.00

表9 東風(fēng)2 m/s，鍋爐boiler1和boiler2之間中心截面(y=0截面) 計算結(jié)果統(tǒng)計

東風(fēng)25 m/s時，鍋爐boiler1和boiler2煙囪中心截面(y=3.2 m或y=-3.2 m)計算結(jié)果見表10，boiler1和boiler2之間中心截面(y=0 m截面)計算結(jié)果見表11。

東風(fēng)0.2 m/s時，鍋爐boiler1和boiler2煙囪中心截面(y=3.2 m或y=-3.2 m)計算結(jié)果見表12，boiler1和boiler2之間中心截面(y=0 m截面)計算結(jié)果見表13。

表10 東風(fēng)25 m/s，鍋爐boiler1和boiler2煙囪中心截面(y=3.2 m或-3.2 m)計算結(jié)果統(tǒng)計

表11 東風(fēng)25 m/s，鍋爐boiler1和boiler2之間中心截面(y=0截面) 計算結(jié)果統(tǒng)計)計算結(jié)果統(tǒng)計

表12 東風(fēng)0.2 m/s，鍋爐boiler1和boiler2煙囪中心截面(y=3.2 m或-3.2 m)計算結(jié)果統(tǒng)計

表13 東風(fēng)0.2 m/s，鍋爐boiler1和boiler2之間中心截面(y=0截面) 計算結(jié)果統(tǒng)計

通過以上三維模擬計算以及對比二維模擬計算結(jié)果，可以得出以下幾點結(jié)論。

1)所有算例中，煙氣對生活樓模塊幾乎沒有影響。

2)所有算例中，煙氣對操作平臺影響較小。對操作平臺影響最大的情況為接近于無風(fēng)情況下(東風(fēng)0.2 m/s)，此時，操作平臺區(qū)域中，P2c點溫度最高，為46 ℃，煙氣濃度、RO2濃度和氧氣濃度分別為4.42%，0.43%和20.07%。

3)根據(jù)GB/T4200-2008，當操作平臺區(qū)域溫度大于40 ℃，需要注意高溫防護措施；當操作平臺的RO2濃度大于0.06%時，需要注意工作時間。所有算例的RO2濃度均小于0.5%，滿足CO2的濃度限制值要求。

4)相對于其它截面，兩臺鍋爐的中心截面處(y=3.2 m或-3.2 m) 溫度、煙氣濃度和RO2濃度值最高，氧氣濃度最小。

5)增加流體的耗散有利于降低煙氣的溫度，減小煙氣和RO2的濃度提高氧氣的濃度。因此需要保證煙囪排放口附近流體暢通，減小流動阻力。

6)周圍框架結(jié)構(gòu)對煙氣的耗散有一定的影響，因此，煙囪附近區(qū)域流體的實際溫度、煙氣濃度、RO2濃度將略高于計算結(jié)果，而實際氧氣濃度略小于計算結(jié)果。

7)二維數(shù)值計算溫度、煙氣濃度和RO2濃度值大于相應(yīng)的三維數(shù)值計算結(jié)果，氧氣濃度小于相應(yīng)的三維數(shù)值計算結(jié)果。如東風(fēng)2 m/s時，二維數(shù)值計算P1c點的溫度、煙氣濃度、RO2濃度和氧氣濃度分別為94 ℃，26.62%，2.61%和15.41%，而相應(yīng)的三維數(shù)值計算P1c點(y=3.2 m或-3.2 m)的溫度、煙氣濃度、RO2濃度和氧氣濃度分別為40 ℃，2.08%，0.2%和20.56%。

3 結(jié)論

1)二維數(shù)值模擬計算是初步分析，不能得出較準確的數(shù)值。但可以預(yù)測流體趨勢，也可以為三維數(shù)值模擬計算提供參考，減少了不必要的計算。

2)二維數(shù)值模擬計算結(jié)果較三維數(shù)值模擬計算結(jié)果保守，如果二維數(shù)值模擬計算結(jié)果滿足規(guī)范要求，可以不進行三維數(shù)值模擬計算。但是如果需要得出較準確的數(shù)值，需進行三維數(shù)值模擬計算。

所以，一般利用CFD方法進行煙羽影響分析，先進行二維數(shù)值模擬計算，根據(jù)二維數(shù)值模擬計算結(jié)果以及項目具體情況再決定是否進行三維數(shù)值模擬計算。本項目通過計算流體力學(xué)的方法對WZ12-1PUQB平臺熱介質(zhì)鍋爐的煙羽進行了詳盡的分析，保證了平臺操作人員和設(shè)備運行的安全，也可為類似項目煙羽分析提供借鑒和參考。

[1] 唐德佳.熱介質(zhì)鍋爐故障檢修和保養(yǎng)方法研究[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量,2011，31(6)：106.

[2] 董海杰.海上油田熱介質(zhì)鍋爐常見故障淺析[J].設(shè)備管理與維修,2011，16(12)：32-33.