半潛式鉆井平臺(tái)主發(fā)電機(jī)排煙管煙氣流場(chǎng)擴(kuò)散分析

李萌，劉洪亮，樂(lè)小龍，周毅，朱崇遠(yuǎn)

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

船舶在航行時(shí)，位于羅經(jīng)甲板的桅桿安裝有雷達(dá)和信號(hào)燈等設(shè)備，會(huì)遭遇來(lái)自不同方向的氣流，在某些條件下，煙囪排放的主機(jī)/輔機(jī)鍋爐高溫?zé)煔鈺?huì)被吹至桅桿上，導(dǎo)致設(shè)備工作環(huán)境溫度升高，從而影響設(shè)備正常工作甚至損壞設(shè)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(tái)在不同工況下，主發(fā)電機(jī)排煙管排出的高溫?zé)煔鈱?duì)對(duì)主/副井口人員作業(yè)區(qū)域、隔水管門(mén)式吊車(chē)運(yùn)行及固定區(qū)域、直升機(jī)平臺(tái)及主發(fā)電機(jī)吸入口的影響，從而更好地指導(dǎo)主發(fā)電機(jī)排煙管、通風(fēng)系統(tǒng)及消防系統(tǒng)的布置。

1 數(shù)學(xué)模型和計(jì)算設(shè)置

3D CFD Fluidyn多物理場(chǎng)軟件，考慮黏性不可壓縮流體的運(yùn)動(dòng)遵循連續(xù)性、動(dòng)量守恒及能量守恒等原則，基于Boussinesq假設(shè)：對(duì)于密度變化不是很大的變密度流動(dòng)，假設(shè)除密度外的其他無(wú)因次系數(shù)均為常數(shù)，密度僅考慮動(dòng)量方程中與體積力相關(guān)的項(xiàng)，即熱浮力其余各項(xiàng)中的密度僅作為常數(shù)，認(rèn)為密度差僅與溫度變化相關(guān)。

2 計(jì)算設(shè)置

本平臺(tái)是由2個(gè)浮箱、4個(gè)立柱和1個(gè)箱型上船體構(gòu)成的半潛式鉆井平臺(tái)。平臺(tái)中央左舷位置和右舷位置布置2個(gè)用于鉆井、鉆桿和套管作業(yè)的月池。平臺(tái)主尺度見(jiàn)表1。

表1 平臺(tái)主尺度及相關(guān)參數(shù)

在發(fā)電機(jī)房布置4臺(tái)額定總有功功率為12 800 kW，額定轉(zhuǎn)速為720 r/min的柴油發(fā)電機(jī)組，由柴油發(fā)電機(jī)提供鉆井作業(yè)所需的電源。柴油發(fā)電機(jī)的排煙口尺寸為DN600，排煙溫度為350 ℃，排煙質(zhì)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(jī)模塊的影響，4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)100%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)會(huì)有最大的排煙量，且排煙溫度最高，故以4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)100%負(fù)荷運(yùn)行工況下的煙氣參數(shù)為分析基礎(chǔ)。主柴油發(fā)電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2。平臺(tái)CFD三維模型見(jiàn)圖1。

表2 主柴油發(fā)電機(jī)組參數(shù)

圖1 該鉆井平臺(tái)CFD模型

根據(jù)COST ACTION 732推薦的處理方法，以最大吃水線(=24 m)為基準(zhǔn)線，平臺(tái)高度=80 m，主發(fā)電機(jī)排煙管距離主甲板9 m為依據(jù)，海上自由空間取長(zhǎng)方體，平臺(tái)長(zhǎng)邊方向(長(zhǎng))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(gè)船體視為絕熱固壁邊界，來(lái)風(fēng)面和排煙管出口均采用速度入口邊界條件。對(duì)模型進(jìn)行3層嵌套式網(wǎng)格劃分：區(qū)域0、區(qū)域1和區(qū)域2，并在發(fā)電機(jī)排煙管出口區(qū)域加密以精捕獲煙氣軌跡和流場(chǎng)空間溫度分布，整個(gè)計(jì)算區(qū)域共計(jì)4 592 455個(gè)網(wǎng)格。采用三維定常耦合求解器，假設(shè)煙氣為單一的理想氣體，采用-湍流模型。

3 計(jì)算工況

3.1 氣象及閾值要求

基于該鉆井平臺(tái)運(yùn)行所在區(qū)域的風(fēng)玫瑰(見(jiàn)圖2)、NFPA 59A規(guī)定的天氣條件和Pas-quill-Gifford大氣穩(wěn)定度，計(jì)算工況見(jiàn)表3。

表3 選取的氣相條件

圖2 鉆井平臺(tái)所在地風(fēng)玫瑰

風(fēng)向考慮最壞風(fēng)向，即風(fēng)吹向平臺(tái)方向；火災(zāi)持續(xù)時(shí)間為3 600 s。

考慮到高溫?zé)煔庖鸬沫h(huán)境溫度升高通常會(huì)影響直升機(jī)起降。并且，主發(fā)電機(jī)排煙管的煙氣擴(kuò)散也會(huì)對(duì)主/ 副井口工作區(qū)域、隔水管門(mén)式吊車(chē)、主發(fā)電機(jī)吸入口造成影響。另一方面，平臺(tái)對(duì)流場(chǎng)的阻礙作用而造成的尾渦湍流效應(yīng)對(duì)高溫?zé)煔饣亓?、直升機(jī)安全操作也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

結(jié)合該鉆井平臺(tái)主發(fā)電機(jī)的排煙管位置、發(fā)電機(jī)機(jī)組運(yùn)行工況及風(fēng)頻聯(lián)合分布，從以下3點(diǎn)開(kāi)展分析。

1)直升機(jī)升降的影響分析。

2)有害氣體(NO,CO)濃度分布。

3)隔水管門(mén)式吊車(chē)溫度分布。

報(bào)告以英國(guó)CAA (Civil Aviation Authority) CAP 437《Offshore Helicopter Landing Areas-Guidance》規(guī)范作為直升機(jī)起降影響分析的判定準(zhǔn)則。根據(jù)CAP 437的判定標(biāo)準(zhǔn)。

1)直升機(jī)升降區(qū)域，30 ft加上直升機(jī)輪子至旋翼高度再加上1個(gè)旋翼的直徑。

2)環(huán)境溫度的限定，在平均3 s的時(shí)間間隔內(nèi)，直升機(jī)起降區(qū)域內(nèi)的最大溫升不能超過(guò)環(huán)境溫度2 °C。

3)湍流的限定，在直升機(jī)起降區(qū)域，豎直方向速度的標(biāo)準(zhǔn)方差不能超過(guò)2.4 m/s。

該平臺(tái)所用的最大直升機(jī)型號(hào)為MI-8，依據(jù)CAP 437規(guī)范計(jì)算，對(duì)直升機(jī)分析的區(qū)域高度為：直升機(jī)甲板上方的分析區(qū)域?yàn)?5.2 m，保守考慮取38.0 m。

從該平臺(tái)電站及壓縮機(jī)排煙數(shù)據(jù)表可看出，對(duì)人員可能產(chǎn)生影響的氣體組分主要有NO、CO和碳?xì)浠衔锏取BZ2-1—2007《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值第1部分：化學(xué)有害因素》標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定“煙氣擴(kuò)散有害氣體分析以短時(shí)間為評(píng)判依據(jù)，NO接觸限值為10 mg/m；CO接觸限值為9 000 mg/m。

3.2 監(jiān)測(cè)面

根據(jù)該平臺(tái)的主尺度和主要關(guān)注點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測(cè)面，見(jiàn)表4。

表4 監(jiān)測(cè)面設(shè)置

4 結(jié)果分析

4.1 直升機(jī)起降影響分析

對(duì)4個(gè)氣象條件(0/F,3/D,5/D,23.7/D)W風(fēng)向下的計(jì)算工況開(kāi)展3D數(shù)值模擬，結(jié)果見(jiàn)圖3～5。根據(jù)模擬結(jié)果，分析直升機(jī)甲板上方38 m高度范圍內(nèi)溫度升高超過(guò)環(huán)境溫度2 ℃的影響。

圖3 0/F下直升機(jī)甲板溫度變化范圍

圖4 3/D,W風(fēng)向下直升機(jī)甲板溫度變化范圍

圖5 5/D,W風(fēng)向下直升機(jī)甲板溫度變化范圍

由圖3～5可以看出：

1)風(fēng)速0 m/s，直升機(jī)平臺(tái)上方0～38 m區(qū)域，溫升不超過(guò)環(huán)境溫度2 ℃，對(duì)直升機(jī)起降無(wú)影響。

2)3/D氣象W風(fēng)向下，煙氣2 ℃的溫升區(qū)影響到直升機(jī)平臺(tái)上方15～38 m的范圍；建議調(diào)整排煙口出口方向?yàn)槁韵蛏?0°方向。

3)5/D氣象W風(fēng)向下，直升機(jī)平臺(tái)上方0～38 m區(qū)域，溫升不超過(guò)環(huán)境溫度2 ℃，對(duì)直升機(jī)起降無(wú)影響。

4)參考5 m/s的溫度場(chǎng)影響范圍，可以預(yù)見(jiàn)在23.7 m/s的風(fēng)速下，由于煙氣高溫對(duì)直升機(jī)甲板上方38 m高度范圍內(nèi)溫升超過(guò)環(huán)境溫度2 ℃的影響非常有限。考慮極端天氣，平臺(tái)會(huì)限制直升機(jī)的起降，因此，不考慮23.7 m/s的風(fēng)速下的起降影響。

1998年，翟桂芝從供銷(xiāo)社下崗后，自己開(kāi)始做生意，賣(mài)蔬菜、種子、農(nóng)藥和農(nóng)膜。翟大姐做生意一向都是誠(chéng)信經(jīng)營(yíng)，進(jìn)貨都進(jìn)最好的，賣(mài)最好的，這樣老百姓用著效果好，久而久之大家都很信任她。很多街坊鄰居都跟她說(shuō)：“翟大姐，我們就信你賣(mài)的東西，既然你都賣(mài)了種子、農(nóng)藥、農(nóng)膜，你也賣(mài)賣(mài)化肥吧，省得我們還得去別處買(mǎi)。”

對(duì)4個(gè)氣象條件(0/F,3/D,5/D,23.7/D)W風(fēng)向下的計(jì)算工況開(kāi)展3D數(shù)值模擬，分析直升機(jī)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(jī)甲板上方38 m的范圍，結(jié)果見(jiàn)圖6～8。

圖6 0/F下直升機(jī)甲板上方垂直方向速度變化

圖7 3/D,W風(fēng)向下直升機(jī)甲板上方垂直方向速度變化

圖8 5/D,W風(fēng)向下直升機(jī)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(fēng)速下，直升機(jī)平臺(tái)上方豎直風(fēng)0～0.76 m/s對(duì)直升機(jī)起降無(wú)影響。

2)3/D氣象W風(fēng)向下，直升機(jī)平臺(tái)上方局部出現(xiàn)1.71 m/s的豎直風(fēng)對(duì)直升機(jī)起降無(wú)影響。

3)5/D氣象W風(fēng)向下，直升機(jī)平臺(tái)上方局部出現(xiàn)1.53 m/s的豎直風(fēng)，對(duì)直升機(jī)起降無(wú)影響。

4)參考5 m/s的溫度場(chǎng)影響范圍，可以預(yù)見(jiàn)在23.7 m/s的風(fēng)速下，由于排煙造成的湍流非常有限，直升機(jī)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(tái)會(huì)限制直升機(jī)的起降，因此，不考慮23.7 m/s風(fēng)速的影響。

4.2 NOx質(zhì)量濃度分析

對(duì)4個(gè)氣象條件(0/F,3/D,5/D,23.7/D)W風(fēng)向下的計(jì)算工況開(kāi)展3D數(shù)值模擬，分析該平臺(tái)NO接觸限值的影響范圍，結(jié)果見(jiàn)圖9～12。

圖9 0/F下NO2接觸限值的影響范圍

圖10 3/D,W風(fēng)向下NO2接觸限值的影響范圍

圖11 5/D,W風(fēng)向下NO2接觸限值的影響范圍

圖12 23.7/D,W風(fēng)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(guò)接觸允許濃度值10 mg/m的區(qū)域一直在平臺(tái)范圍以外，對(duì)主/ 副井口、隔水管門(mén)式吊車(chē)、主發(fā)電機(jī)吸入口、直升機(jī)平臺(tái)區(qū)域均無(wú)影響。

2)在3/D氣象W風(fēng)向下，隔水管門(mén)式吊車(chē)及直升機(jī)平臺(tái)某一高度以上區(qū)域，NO濃度超過(guò)接觸允許質(zhì)量濃度值10 mg/m；主/副井口和主發(fā)電機(jī)吸入口區(qū)域NO質(zhì)量濃度未超過(guò)該值。

3)在3/D氣象W風(fēng)向下，=17.5 m NO質(zhì)量濃度超過(guò)接觸允許濃度值10 mg/m的區(qū)域在平臺(tái)范圍以外，對(duì)主/副井口、主發(fā)電機(jī)吸入口無(wú)影響；=25 m下，隔水管門(mén)式吊車(chē)操作室區(qū)域(主要是左舷)，NO質(zhì)量濃度超過(guò)接觸允許質(zhì)量濃度值10 mg/m，但主/副井口及直升機(jī)平臺(tái)區(qū)域NO質(zhì)量濃度該值；=28.2 m，左舷隔水管門(mén)式吊車(chē)操作室區(qū)域，NO質(zhì)量濃度超過(guò)接觸允許質(zhì)量濃度值10 mg/m，但主/副井口及直升機(jī)平臺(tái)區(qū)域NO質(zhì)量濃度該值。

4)在5/D氣象W風(fēng)向下，隔水管門(mén)式吊車(chē)及直升機(jī)平臺(tái)某一高度以上區(qū)域，NO質(zhì)量濃度超過(guò)接觸允許質(zhì)量濃度值10 mg/m；主/副井口和主發(fā)電機(jī)吸入口區(qū)域NO質(zhì)量濃度未超該值。

5)在5/D氣象W風(fēng)向下，=17.5 m，NO質(zhì)量濃度超過(guò)接觸允許質(zhì)量濃度值10 mg/m的區(qū)域在平臺(tái)范圍以外，對(duì)主/副井口無(wú)影響；=25 m下，直升機(jī)平臺(tái)區(qū)域NO質(zhì)量濃度未超過(guò)允許值10 mg/m；=28.2 m，隔水管門(mén)式吊車(chē)操作室區(qū)域，NO質(zhì)量濃度超過(guò)允許值10 mg/m，但主/副井口及直升機(jī)平臺(tái)區(qū)域NO質(zhì)量濃度未超過(guò)該值。

6)在23.7/D氣象W風(fēng)向下，隔水管門(mén)式吊車(chē)操作室區(qū)域、主/副井口、主發(fā)電機(jī)吸入口區(qū)域及直升機(jī)平臺(tái)NO質(zhì)量濃度未超過(guò)允許值10 mg/m。

4.3 CO2質(zhì)量濃度分析

對(duì)4個(gè)氣象條件(0/F,3/D,5/D,23.7/D)W風(fēng)向下的計(jì)算工況開(kāi)展3D數(shù)值模擬，分析該平臺(tái)CO接觸限值的影響范圍，結(jié)果見(jiàn)圖13～16。

圖13 0/F下CO2接觸限值的影響范圍

圖14 3/D,W風(fēng)向下CO2接觸限值的影響范圍

圖15 5/D,W風(fēng)向下CO2接觸限值的影響范圍

圖16 23.7/D,W風(fēng)向下CO2接觸限值的影響范圍

由圖13～16可以看出：

1)由于溫差的影響，在0 m/s的氣象條件下，CO質(zhì)量濃度超過(guò)接觸允許質(zhì)量濃度值9 000 mg/m的區(qū)域一直在平臺(tái)范圍以外，對(duì)主/副井口、隔水管門(mén)式吊車(chē)、主發(fā)電機(jī)吸入口、直升機(jī)平臺(tái)區(qū)域均無(wú)影響。

2)在3/D氣象W風(fēng)向下，CO質(zhì)量濃度超過(guò)接觸允許質(zhì)量濃度值9 000 mg/m的區(qū)域未在平臺(tái)范圍內(nèi)，對(duì)平臺(tái)設(shè)備及工作人員無(wú)影響。

3)在5/D氣象W風(fēng)向下，CO質(zhì)量濃度超過(guò)接觸允許質(zhì)量濃度值9 000 mg/m的區(qū)域未在平臺(tái)范圍內(nèi)，對(duì)平臺(tái)設(shè)備及工作人員無(wú)影響。

4)在23.7/D氣象W風(fēng)向下，CO質(zhì)量濃度超過(guò)接觸允許質(zhì)量濃度值9 000 mg/m的區(qū)域未在平臺(tái)范圍內(nèi)，對(duì)平臺(tái)設(shè)備及工作人員無(wú)影響。

4.4 隔水管門(mén)式吊車(chē)溫度分析

考慮到隔水管門(mén)式吊車(chē)溫度不能超過(guò)極限值55 ℃，對(duì)4個(gè)氣象條件(0/F,3/D,5/D,23.7/D)W風(fēng)向開(kāi)展3D數(shù)值模擬，結(jié)果見(jiàn)圖17～20。

圖17 0/F下隔水管門(mén)式吊車(chē)溫度分布范圍

圖18 3/D,W風(fēng)向下隔水管門(mén)式吊車(chē)溫度分布范圍

圖19 5/D,W風(fēng)向下隔水管門(mén)式吊車(chē)溫度分布范圍

圖20 23.7/D,W風(fēng)向下隔水管門(mén)式吊車(chē)溫度分布范圍

由圖17～20可以看出：

1)在0 m/s的氣象條件下，隔水管門(mén)式吊車(chē)操作室附近的溫度約為45 ℃。

2)在3/D氣象W風(fēng)向下，隔水管門(mén)式吊車(chē)操作室附近的溫度大約在53 ℃～54 ℃。

3)在5/D氣象W風(fēng)向下，隔水管門(mén)式吊車(chē)操作室附近的溫度大約在64 ℃～66 ℃。

4)在23.7/D氣象W風(fēng)向下，隔水管門(mén)式吊車(chē)操作室附近的溫度大約在46 ℃～47 ℃。

5 結(jié)論

該平臺(tái)在固定作業(yè)前，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)睾Ｓ蚬r和具體風(fēng)頻分布，對(duì)主發(fā)電機(jī)排煙管進(jìn)行方向調(diào)整，一定程度可以調(diào)整降低煙氣對(duì)直升機(jī)起降的影響概率。條件允許的情況下，調(diào)整排煙口出口方向?yàn)槁韵蛏?0°方向。