半潛式鉆井平臺(tái)柴油機(jī)煙氣擴(kuò)散對(duì)折臂吊的影響分析及對(duì)策

鄒付兵李成君

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井研究院，北京101149；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海200011)

0 引 言

某半潛式鉆井平臺(tái)上布置8臺(tái)柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組為全平臺(tái)供電，每臺(tái)柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組都有獨(dú)立的排煙系統(tǒng)，平臺(tái)的左舷以及右舷分別配備4個(gè)排煙口。其中，位于平臺(tái)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(guò)90℃。在平臺(tái)改造前，由于排煙口的位置較低，柴油機(jī)工作在特定風(fēng)向和風(fēng)速下，煙氣擴(kuò)散到折臂吊上，不僅導(dǎo)致燈具照明受到影響，而且煙氣高溫傳遞到電纜上，超過(guò)電纜的正常工作溫度，導(dǎo)致電纜無(wú)法正常工作。為此，平臺(tái)決定評(píng)估左舷柴油機(jī)排煙管的布置高度調(diào)整方案，利用Fluent軟件模擬分析煙氣擴(kuò)散，得到煙氣在高度平面上的擴(kuò)散規(guī)律，然后針對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行定性分析，并對(duì)排煙管高度優(yōu)化提供指導(dǎo)性意見(jiàn)，將煙氣對(duì)折臂吊的影響控制在可接受的范圍內(nèi)，從而消除平臺(tái)煙氣排放對(duì)折臂吊造成的影響。

1 數(shù)學(xué)模型及基本方程

模型方程可采用張量表示為

式(1)表達(dá)的是模型的對(duì)流方程；式(2)表達(dá)的是對(duì)流與擴(kuò)散方程。

在本文討論的煙氣擴(kuò)散中，煙氣在噴出過(guò)程中發(fā)生熱對(duì)流以及擴(kuò)散，基于以上方程建立物理模型，對(duì)煙氣的擴(kuò)散流場(chǎng)進(jìn)行分析。

物質(zhì)i的組分方程

對(duì)于湍流，

Dim是物質(zhì)i在混合物中的擴(kuò)散系數(shù)；

2 模型構(gòu)建

2.1 網(wǎng)格模型

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

模型采用Gambit軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，通過(guò)不同的網(wǎng)格劃分方案進(jìn)行流場(chǎng)分析，并且在兼顧時(shí)間成本以及計(jì)算成本的前提下，得出的計(jì)算流場(chǎng)網(wǎng)格模型方案中的平臺(tái)附近區(qū)域網(wǎng)格大小約為0.5 m，邊界處網(wǎng)格大小約為3 m，對(duì)于局部幾何突變處采用網(wǎng)格自適應(yīng)方法進(jìn)行劃分。

圖1 模型范圍與坐標(biāo)定義

2.2 物理模型

湍流模型： 煙氣擴(kuò)散進(jìn)入大氣屬于射流問(wèn)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(kuò)散。

浮力驅(qū)動(dòng)流模型： 浮力驅(qū)動(dòng)流模型是指在流場(chǎng)中，局部流體受熱膨脹后在浮力作用下發(fā)生的對(duì)流過(guò)程。在該模型中，將氣體密度設(shè)置為隨溫度變化的函數(shù)，模擬高溫氣體受浮力作用的運(yùn)動(dòng)。

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

3 數(shù)值計(jì)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(huán)境壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即101.325 kPa。

(3) 大氣的環(huán)境溫度取為305 K，即32℃。

空氣以及煙氣的物理性質(zhì)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 空氣物理性質(zhì)參數(shù)

表2 煙氣物理性質(zhì)參數(shù)

3.2 邊界條件

風(fēng)速入口： 取為風(fēng)速速度入口，參照ABS規(guī)范平臺(tái)正常作業(yè)狀態(tài)下的風(fēng)速區(qū)間，確定計(jì)算風(fēng)速取0～30 m/s。由于排煙管位于折臂吊的下風(fēng)口，因此模擬過(guò)程中將風(fēng)速方向設(shè)置為與噴出煙氣的相反方向。

煙氣排放出口： 質(zhì)量入口，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，柴油機(jī)在額定功率下工作產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過(guò)單個(gè)排煙管排放的質(zhì)量流率為10.1 kg/s，考慮到計(jì)算成本以及計(jì)算機(jī)計(jì)算能力，模擬過(guò)程中將4個(gè)排放裝置簡(jiǎn)化為一個(gè)排放裝置處理，即質(zhì)量流率為40.4 kg/s，煙氣初始溫度為663 K，即390℃。

4 煙氣擴(kuò)散模擬結(jié)果

4.1 目標(biāo)區(qū)域的選擇

由于排煙管排出的煙氣隨風(fēng)擴(kuò)散，因此有必要先對(duì)受到排煙管排出煙氣影響的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行模擬分析，以確定煙氣的影響區(qū)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(gè)高度的煙氣濃度(以排煙管出口濃度100%為標(biāo)準(zhǔn))來(lái)表征整個(gè)折臂吊區(qū)域的煙氣分布模擬結(jié)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(biāo)區(qū)域橫向范圍是折臂吊所在的平面，垂向?yàn)檎郾鄣醯墓ぷ鲄^(qū)間。選擇一典型的工作狀態(tài)(折臂吊工作高度為18 m，排煙口高度為18.5 m，風(fēng)速為1 m/s)進(jìn)行煙氣模擬。模擬結(jié)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(lái)越??；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(kuò)散過(guò)程中存在湍流現(xiàn)象導(dǎo)致的；同時(shí)也可看出煙氣擴(kuò)散影響的目標(biāo)區(qū)域主要為距離排煙口縱向中剖面2.5 m范圍內(nèi)，雖然范圍之外的區(qū)域有一定的煙氣濃度分布，但考慮到計(jì)算成本，盡量減少濃度及溫度計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置，在此計(jì)算過(guò)程中不予考慮。以下分析主要針對(duì)折臂吊所在平面的±2.5 m范圍內(nèi)。選取目標(biāo)區(qū)域內(nèi)距離中心軸面-2.5 m、0 m、2.5 m三個(gè)位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為研究對(duì)象，并命名為監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、監(jiān)測(cè)點(diǎn)2以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)3。

圖2 煙氣濃度影響范圍分析

4.2 典型風(fēng)速的選取

風(fēng)速的大小會(huì)影響煙氣擴(kuò)散在高度方向的影響范圍，較大的風(fēng)速或者較小的風(fēng)速均會(huì)減小排放的煙氣對(duì)折臂吊造成的影響。對(duì)于一個(gè)確定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，在排煙口高度確定的條件下，一定存在一個(gè)速度范圍可以導(dǎo)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(fēng)速對(duì)煙氣擴(kuò)散在高度方向上的影響范圍不同，為了簡(jiǎn)化計(jì)算工況，通常選取較為典型的風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算，以表征最嚴(yán)重情況下的煙氣擴(kuò)散結(jié)果，并得到相應(yīng)的溫度變化。針對(duì)不同風(fēng)速模擬分析煙氣擴(kuò)散，得到某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處煙氣濃度最大時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值，作為最終設(shè)計(jì)方案的依據(jù)。

分別選取風(fēng)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(jìn)行計(jì)算，得到排煙管高度分別為16 m、18.5 m以及21 m的煙氣擴(kuò)散結(jié)果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，不同速度在排煙管方案高度范圍內(nèi)的變化趨勢(shì)基本一致，均在風(fēng)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(jì)算條件，每個(gè)監(jiān)測(cè)高度上的三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大值作為目標(biāo)值，匯總得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的煙氣濃度與風(fēng)速的關(guān)系曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，當(dāng)排氣口出口高度為18.5 m，風(fēng)速為12 m/s時(shí)，濃度具有最大值，因而確定模擬的風(fēng)速為12 m/s。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大煙氣濃度與風(fēng)速的關(guān)系曲線

4.3 計(jì)算結(jié)果

4.3.1 煙氣濃度的計(jì)算結(jié)果

按照風(fēng)速為12 m/s進(jìn)行計(jì)算，得到排煙管出口在不同高度下的情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、監(jiān)測(cè)點(diǎn)2以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的煙氣擴(kuò)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(shí)，煙氣濃度在監(jiān)測(cè)點(diǎn)高度為12～15 m時(shí)，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他排氣口高度對(duì)應(yīng)的煙氣濃度值，因此在計(jì)算煙氣造成的溫度升高的時(shí)候不考慮16 m的方案。下面僅針對(duì)18.5 m及21 m的排煙口高度下的監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行計(jì)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(fēng)速為12 m/s情況下的模擬結(jié)果。其中，圖8～圖10是排氣口出口高度為18.5 m時(shí)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shí)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(duì)應(yīng)的是監(jiān)測(cè)點(diǎn)1所在的平面；B剖面表示中線縱向剖面，對(duì)應(yīng)的是監(jiān)測(cè)點(diǎn)2所在的平面；C剖面表示左舷距中線2.5 m縱向剖面，對(duì)應(yīng)的是監(jiān)測(cè)點(diǎn)3所在的平面。

圖8 A剖面煙氣濃度云圖(18.5 m時(shí))

圖9 B剖面煙氣濃度云圖(18.5 m時(shí))

圖10 C剖面煙氣濃度云圖(18.5 m時(shí))

圖11 A剖面煙氣濃度云圖(21 m時(shí))

圖12 B剖面煙氣濃度云圖(21 m時(shí))

圖13 C剖面煙氣濃度云圖(21 m時(shí))

從圖8～圖13可以看出，較為積聚的煙氣在尾部流場(chǎng)均呈現(xiàn)收縮型，發(fā)散的僅僅是濃度較低的煙氣。因此，通過(guò)該流場(chǎng)云圖可以確認(rèn)，不同煙氣出口之間對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的相互影響較小，基于定性分析，可以認(rèn)為簡(jiǎn)化為一個(gè)煙氣出口進(jìn)行煙氣擴(kuò)散的流場(chǎng)分析有據(jù)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(jiān)測(cè)點(diǎn)2.4 m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，考慮到湍流會(huì)造成煙氣分布不均，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，得出距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(lái)看，位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的煙氣濃度具有較為明顯的積聚效應(yīng)，排煙管排氣、煙氣之間的相互影響較小，因此可以認(rèn)為排煙管排出煙氣的流場(chǎng)是相互獨(dú)立的。

圖14 排煙管布置圖

4.3.2 煙氣溫度的計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溫度的模擬結(jié)果的提取，得到的結(jié)果如表3所示。

表3 風(fēng)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(shè)備對(duì)溫度的要求，同時(shí)對(duì)比排煙管出口高度為21 m與18.5 m的情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度均有明顯的改善作用，當(dāng)出口高度為18.5 m時(shí)，位于18 m處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)均具有非常高的溫度，超過(guò)了折臂吊電纜的可接受溫度范圍。

考慮到在實(shí)際改造中，排煙管高度方案與改造的工程量密切相關(guān)，為了盡可能地控制改造工程量、降低成本，針對(duì)排煙管出口18.5 m處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫升做進(jìn)一步分析。在上述模擬過(guò)程中，將4個(gè)排氣口的排煙量均簡(jiǎn)化到一個(gè)位置，得到的結(jié)果過(guò)于保守，同時(shí)根據(jù)4.3.1節(jié)的分析可知，排煙管排出煙氣的流場(chǎng)是相互獨(dú)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(jià)，有必要對(duì)18.5 m高度處的排氣口高度方案進(jìn)行深入分析，以驗(yàn)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(gè)排氣出口受到相同風(fēng)向的作用，因此可以將ex6在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置1的煙氣濃度以及溫度近似為ex2在監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的煙氣濃度以及溫度，由此可以得出多個(gè)出口exi對(duì)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的濃度以及溫度通過(guò)同一個(gè)出口ex2在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的溫度以及濃度疊加得到折臂吊監(jiān)測(cè)點(diǎn)的濃度累積值以及溫度最終值，具體計(jì)算過(guò)程如下：

式中：i表示出口編號(hào)；Ti，Ta分別表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及大氣的初始溫度值，此時(shí)均為32℃；TMi表示不同出口模擬的溫度結(jié)果，此處近似為ex2在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度結(jié)果；T表示最終計(jì)算得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(jié)果進(jìn)行換算后，得到的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 中心區(qū)域溫度表

根據(jù)以上分析結(jié)果，最終采取將排煙管出口提高至18.5 m的改造方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)分析排煙管的煙氣擴(kuò)散對(duì)折臂吊的影響，得到結(jié)論如下：

(1) 排煙管排氣口出口高度對(duì)煙氣在高度方向上的擴(kuò)散范圍具有非常顯著的影響，通過(guò)調(diào)節(jié)排氣口出口高度可以避開(kāi)折臂吊工作區(qū)間，從而避免設(shè)備和結(jié)構(gòu)暴露在煙氣濃度過(guò)高以及煙氣溫度過(guò)高的環(huán)境下發(fā)生的損壞。

(2) 經(jīng)過(guò)分流計(jì)算之后，排氣口出口高度為18.5 m時(shí)，溫度最大值已經(jīng)得到大幅改善，但仍較高；這是由于折臂吊工作狀態(tài)所處高度為18 m決定的，若風(fēng)速較大，使得煙氣直接繞過(guò)排氣管，會(huì)造成煙氣積聚到折臂吊上，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮不同風(fēng)速對(duì)煙氣擴(kuò)散的影響，合理設(shè)計(jì)排氣管出口高度。

(3) 在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，考慮到折臂吊大部分時(shí)間處于非工作狀態(tài)且處于停放位置，停放位置最高約為16.2m，排煙口的高度設(shè)計(jì)為18.5 m。實(shí)踐證明，改造后降低了煙氣對(duì)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(tái)作業(yè)中折臂吊也能夠正常工作。

圖15 排煙系統(tǒng)改造后使用3年的狀況

同時(shí)，本文所做的工作在以下方面還可以進(jìn)一步改進(jìn)：

(1) 總的來(lái)說(shuō)，在計(jì)算過(guò)程中考慮計(jì)算能力限制以及工程改造設(shè)計(jì)的時(shí)間限制時(shí)，采用了較多的簡(jiǎn)化方法。如具備條件，后續(xù)還可以更全面地進(jìn)行數(shù)值分析，以得到更精確的分析結(jié)果。

(2) 在典型風(fēng)速的選取中，風(fēng)速計(jì)算工況較少，由于時(shí)間關(guān)系，未在典型風(fēng)速附近進(jìn)行細(xì)化分析。在實(shí)際工程計(jì)算中，如果時(shí)間允許，可以在典型風(fēng)速附近尋找更為精確的典型風(fēng)速計(jì)算值。