原油發(fā)電機(jī)排煙噴射裝置的數(shù)值模擬與應(yīng)用

葉作霖，歐宇鈞，蔣健，朱沫，林海英，張建飛

(1．中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518054；2．中海石油(中國(guó))有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518054；3．北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

原油發(fā)電機(jī)在工作中會(huì)產(chǎn)生的大量煙氣，在無(wú)風(fēng)或風(fēng)速較小的情況下彌漫在平臺(tái)周?chē)?，在一定程度上?duì)生活區(qū)和飛行甲板造成影響，同時(shí)會(huì)影響人員健康。為使煙氣盡可能遠(yuǎn)離平臺(tái)，目前一般采取延長(zhǎng)排煙管或使用水噴淋的方法。延長(zhǎng)排煙管可能增加主機(jī)背壓，水噴淋系統(tǒng)在高溫下易出現(xiàn)海水結(jié)晶，維護(hù)保養(yǎng)困難。而排煙噴射裝置因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)，在降低煙霧對(duì)海洋平臺(tái)的影響中起到了至關(guān)重要的作用。噴射系統(tǒng)安裝在主機(jī)排煙管尾部，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)氣流與發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的尾氣在煙道前端混合后，高速噴射至平臺(tái)外側(cè)，流道設(shè)計(jì)是整個(gè)裝置的核心?？紤]用數(shù)值模擬的方法，對(duì)噴射裝置煙道進(jìn)行模擬，分析主要影響因素，調(diào)整噴射裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)，為排煙噴射裝置設(shè)計(jì)制供根據(jù)。

1 研究對(duì)象

以原油發(fā)電機(jī)的排煙噴射裝置為基礎(chǔ)模型，為了便于網(wǎng)格繪制和數(shù)值計(jì)算，對(duì)整個(gè)裝置流道進(jìn)行簡(jiǎn)化，取消法蘭接口和內(nèi)部短小支撐板，三維模型見(jiàn)圖1。

圖1 簡(jiǎn)化后的排煙噴射裝置模型

2 物理模型及數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

繪制簡(jiǎn)化模型管道內(nèi)流場(chǎng)的混合網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約500萬(wàn)量級(jí)，模型表面網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

圖2 模型表面網(wǎng)格示意

遠(yuǎn)場(chǎng)網(wǎng)格見(jiàn)圖3，為了更好地捕捉噴射流場(chǎng)特性和提高計(jì)算的精度，對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)網(wǎng)格的中心流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)加密，周?chē)鷧^(qū)域網(wǎng)格逐漸由密到疏逐漸展開(kāi)，以期在滿足計(jì)算精度的情況下減少數(shù)值計(jì)算的時(shí)間。

圖3 遠(yuǎn)場(chǎng)網(wǎng)格示意

2.2 數(shù)值計(jì)算及邊界條件設(shè)置

使用Ansys Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算，選擇3D模型，氣體采用理想氣體，湍流格式選擇S-A方程，速度入口，壓力出口，無(wú)滑移絕熱壁面。以試驗(yàn)記錄參數(shù)為設(shè)置基準(zhǔn)，簡(jiǎn)化入口邊界條件，以不同的入口速度等效風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下流量輸入，分別模擬在25%、50%、75%和100%主機(jī)負(fù)荷狀態(tài)下的流場(chǎng)特性，初始方案輸入條件見(jiàn)表1。

表1 初始方案輸入條件

3 初始方案計(jì)算分析

分別提取出口體積流量、出口平均速度和出口溫度參數(shù)作為輸出數(shù)據(jù)。主機(jī)在不同負(fù)荷下數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 初始方案數(shù)值模擬結(jié)果(出口處)

對(duì)比出口速度可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果較試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)整體偏小，分析認(rèn)為偏差主要有以下幾個(gè)原因。

1)計(jì)算模型簡(jiǎn)化。減少了部分非重要的細(xì)節(jié)，計(jì)算模型管壁為無(wú)滑移絕熱壁面，不參與熱傳導(dǎo)；而真實(shí)情況下，煙道金屬壁面存在熱交換和擴(kuò)散，影響不同區(qū)域氣體溫度和氣體密度，從而帶來(lái)結(jié)果偏差。

2)輸入條件簡(jiǎn)化。試驗(yàn)中風(fēng)機(jī)入口的真實(shí)流場(chǎng)為非定常有旋流，而計(jì)算時(shí)采用勻速的速度入口，僅用環(huán)境溫度和入口速度模擬風(fēng)機(jī)真實(shí)氣流，入口環(huán)境的不同對(duì)出口流場(chǎng)特性會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響。

3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差。數(shù)值模擬狀態(tài)下，可以準(zhǔn)確計(jì)算空間流域中每個(gè)截面的平均速度，溫度變化。而試驗(yàn)狀態(tài)下，主要對(duì)某些位置的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)平均得到速度、溫度、壓力的試驗(yàn)參數(shù)，由于測(cè)量點(diǎn)位置選取的不同和數(shù)據(jù)讀取偏差，無(wú)法得到真實(shí)的截面平均速度。

對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致，不同的入口條件下，出口的計(jì)算結(jié)果差量穩(wěn)定，一方面說(shuō)明該計(jì)算模型的數(shù)值模擬結(jié)果可以反映出試驗(yàn)條件下不同入口條件下的管道流場(chǎng)變化特性；另一方面說(shuō)明在初始方案的基礎(chǔ)上，可以使用該計(jì)算模型對(duì)初始方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

對(duì)管道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到管道內(nèi)流剖面的速度云圖、溫度云圖和空間流線圖，見(jiàn)圖4、5。

從圖4、5可見(jiàn)，煙道內(nèi)、溫度、速度基本不變，但在煙道出口處，由于煙氣與風(fēng)機(jī)入口來(lái)風(fēng)混合，前端速度明顯增大。

圖4 管道縱剖面速度云圖和流線圖

圖5 管道縱剖面溫度云圖和壓力云圖

4 方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 方案設(shè)計(jì)

在初始方案基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有外形尺寸的約束，對(duì)管道方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并針對(duì)不同方案的噴射效果進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析管道內(nèi)流場(chǎng)特性及遠(yuǎn)場(chǎng)流場(chǎng)變化。

如圖6中圓圈區(qū)域所示，初始方案在該處形成死水區(qū)，造成入口能量的消耗，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)功率消耗，且該處結(jié)構(gòu)冗余，增加了不必要的結(jié)構(gòu)重量。

圖6 初始方案管道內(nèi)流場(chǎng)

對(duì)初始方案的氣流流道進(jìn)行平滑處理，減少流道內(nèi)直角和死水區(qū)的存在，盡量避免因氣體在流動(dòng)過(guò)程中形成漩渦而導(dǎo)致能量損失，改善高速氣流流通環(huán)境，形成3種設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)圖7。

圖7 優(yōu)化方案模型

方案一，考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造成本，將轉(zhuǎn)角部分簡(jiǎn)化為直線轉(zhuǎn)角，同時(shí)考慮到海上安裝空間等因素，將排煙道的外部管道直徑縮減為1.4 m，內(nèi)部煙道直徑相應(yīng)縮減為0.85 m。

方案二，保留初始方案中煙道直徑1.016 m，僅對(duì)引射排煙段的管道外壁進(jìn)行相應(yīng)壓縮。相比方案一，對(duì)管道出口直徑有相應(yīng)的放大。

方案三，考慮到現(xiàn)場(chǎng)安裝情況及主機(jī)背壓，將管道可用外徑擴(kuò)充至1.5 m，內(nèi)部煙道直徑仍為1.016 m。

4.2 數(shù)值計(jì)算及對(duì)比

3個(gè)方案煙道入口條件與初始方案相同，考慮所選用的國(guó)產(chǎn)風(fēng)機(jī)可用能力增強(qiáng)，對(duì)風(fēng)扇入口條件進(jìn)行適當(dāng)修改，增加風(fēng)機(jī)功率，以期能夠得到更好的噴射效果，結(jié)合裝置使用區(qū)域環(huán)境溫度范圍，對(duì)外場(chǎng)的環(huán)境溫度進(jìn)行修改，由原始的15.0 ℃改為24.0 ℃，輸入條件見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化方案輸入條件

3個(gè)方案各狀態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 優(yōu)化方案數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)出口處

從表4可見(jiàn)，方案一的出口速度最大，主要原因在于出口截面積的減小，使得在相同流量的情況下，出口平均速度更大，噴射距離也更遠(yuǎn)。數(shù)值模擬中的輸入條件為速度入口，即入口流量各方案均相同，在方案一出口面積相對(duì)方案二在縮小近40%的情況下，相同出口流量時(shí)，出口平均速度平均增加接近60%。

方案二和方案三的出口速度和體積流量相近，數(shù)據(jù)偏差較小。這主要是因?yàn)楣艿乐袣饬魉俣容^小，屬于低速氣流，流體可視為不可壓縮流，且這兩個(gè)方案的入口條件相同，出口截面積也相同，僅有外壁尺寸的差異，故方案二和方案三最終得到的數(shù)值模擬出口數(shù)據(jù)平均值相差不大。

4.3 無(wú)風(fēng)條件下噴射效果

分析速度云圖和管道噴射流線，對(duì)比遠(yuǎn)場(chǎng)速度分布和流線的擴(kuò)散范圍，對(duì)應(yīng)解釋噴射后氣體可能?chē)娚涞木嚯x和影響范圍。后處理過(guò)程中分別對(duì)初始方案與3個(gè)方案主機(jī)75%運(yùn)行工作狀態(tài)的空間流場(chǎng)速度云圖和噴射流線剖面進(jìn)行提取見(jiàn)圖8、9。

圖8 不同方案數(shù)值模擬結(jié)果速度云

如圖8所示，初始方案及3個(gè)方案在30.0 m的距離，均能保持1.0 m/s以上的速度趨勢(shì)，所以單以噴射距離來(lái)看，各方案都基本可以滿足15.0 m以上噴射距離的要求。但在相同的距離位置，方案一氣體的流動(dòng)速度>方案二/方案三>初始方案，這與4個(gè)方案出口的平均速度變化趨勢(shì)一致。

從圖9可見(jiàn)：方案一的煙道集束效果最好，能夠在較遠(yuǎn)的距離依然保持較小的煙氣擴(kuò)散半徑。方案二和方案三的空間速度場(chǎng)雖然有較大的“開(kāi)叉”，但整體煙流的擴(kuò)散趨勢(shì)和擴(kuò)散范圍并不大，方案三略優(yōu)于方案二。

圖9 不同方案數(shù)值模擬結(jié)果流線

4.4 側(cè)風(fēng)6級(jí)噴射效果

按6級(jí)側(cè)風(fēng)對(duì)3個(gè)方案進(jìn)行側(cè)風(fēng)影響的計(jì)算。6級(jí)風(fēng)的風(fēng)速范圍約為10.8～13.8 m/s，計(jì)算中選取中間值12.0 m/s作為計(jì)算輸入條件，其余輸入條件見(jiàn)表5。

表5 側(cè)風(fēng)6級(jí)輸入條件

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，與表4相比，側(cè)風(fēng)對(duì)煙道出口的體積流量、速度和溫度影響都較小，對(duì)排煙的速率的影響不明顯。

表6 側(cè)風(fēng)6級(jí)數(shù)值模擬結(jié)果(出口處)

6級(jí)側(cè)風(fēng)下，空間流場(chǎng)剖面的速度云圖見(jiàn)圖10。從煙道遠(yuǎn)場(chǎng)的速度云圖可以看出，由于遠(yuǎn)場(chǎng)噴射氣流的速度衰減，在側(cè)風(fēng)的影響下，當(dāng)噴射距離達(dá)到10.0 m左右后，氣流的整體走向被側(cè)風(fēng)主導(dǎo)，在有限空間內(nèi)，不會(huì)達(dá)到更遠(yuǎn)的距離。

圖10 6級(jí)側(cè)風(fēng)不同方案數(shù)值模擬結(jié)果速度

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合主機(jī)背壓要求和現(xiàn)場(chǎng)安裝空間大小，在滿足噴射效果的情況下，采取方案三進(jìn)行設(shè)備制造、陸地和海上安裝試驗(yàn)。

陸地試驗(yàn)過(guò)程中，在環(huán)境風(fēng)速為1.0 m/s左右，主機(jī)空載情況時(shí)，打開(kāi)噴射裝置，煙霧噴射距離為20.0 m左右，出口速度為18.0 m/s左右，測(cè)試速度較計(jì)算結(jié)果偏小，但仍可滿足噴射距離要求。

在海上進(jìn)行試驗(yàn)，由于海上季風(fēng)，試驗(yàn)未能在無(wú)風(fēng)條件下進(jìn)行。5級(jí)側(cè)向時(shí)，主機(jī)空載時(shí)噴射距離為6.0～7.0 m，但當(dāng)側(cè)向來(lái)風(fēng)大于6級(jí)時(shí)，煙霧基本被側(cè)向來(lái)風(fēng)主導(dǎo)，與計(jì)算趨勢(shì)基本一致。

6 結(jié)論

1)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)風(fēng)量一定，引射排煙段內(nèi)筒管徑縮小40%時(shí)，出口噴射速度平均增加接近60%，內(nèi)筒直徑對(duì)出口噴射速度影響顯著，而外筒直徑大小對(duì)出口噴射速度的影響不明顯。理論上認(rèn)為可通過(guò)減小內(nèi)筒直徑以提高噴射效果，但需要考慮到內(nèi)筒直徑減小后對(duì)主機(jī)背壓的影響。

2)在6級(jí)側(cè)風(fēng)，主機(jī)75%運(yùn)行狀態(tài)下，側(cè)風(fēng)對(duì)排煙的出口速度產(chǎn)生明顯的影響較小，但當(dāng)噴射距離達(dá)到10.0 m左右之后，氣流的整體走向開(kāi)始被側(cè)風(fēng)主導(dǎo)，在有限空間內(nèi)，不會(huì)噴射達(dá)到更遠(yuǎn)的距離。與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明側(cè)風(fēng)是影響噴射距離的主要因素，但當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，煙霧也隨之被吹散。

3)海洋平臺(tái)的主機(jī)數(shù)一般為3～6臺(tái)，排煙管較多。在設(shè)計(jì)時(shí)，如何做到統(tǒng)籌規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)以最少的裝置解決所有排煙管道煙氣問(wèn)題是研究的重點(diǎn)。