半潜式钻井平台主发电机排烟管烟气流场扩散分析

2022-04-29李萌刘洪亮乐小龙周毅朱崇远

船海工程 2022年2期

李萌，刘洪亮，乐小龙，周毅，朱崇远

(1.中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452；2.上海船舶研究设计院，上海 201203)

船舶在航行时，位于罗经甲板的桅杆安装有雷达和信号灯等设备，会遭遇来自不同方向的气流，在某些条件下，烟囱排放的主机/辅机锅炉高温烟气会被吹至桅杆上，导致设备工作环境温度升高，从而影响设备正常工作甚至损坏设备。为此，采用3D CFD Fluidyn软件，模拟一座安全、可靠、高效的半潜式钻井平台在不同工况下，主发电机排烟管排出的高温烟气对对主/副井口人员作业区域、隔水管门式吊车运行及固定区域、直升机平台及主发电机吸入口的影响，从而更好地指导主发电机排烟管、通风系统及消防系统的布置。

1 数学模型和计算设置

3D CFD Fluidyn多物理场软件，考虑黏性不可压缩流体的运动遵循连续性、动量守恒及能量守恒等原则，基于Boussinesq假设：对于密度变化不是很大的变密度流动，假设除密度外的其他无因次系数均为常数，密度仅考虑动量方程中与体积力相关的项，即热浮力其余各项中的密度仅作为常数，认为密度差仅与温度变化相关。

2 计算设置

本平台是由2个浮箱、4个立柱和1个箱型上船体构成的半潜式钻井平台。平台中央左舷位置和右舷位置布置2个用于钻井、钻杆和套管作业的月池。平台主尺度见表1。

表1 平台主尺度及相关参数

在发电机房布置4台额定总有功功率为12 800 kW，额定转速为720 r/min的柴油发电机组，由柴油发电机提供钻井作业所需的电源。柴油发电机的排烟口尺寸为DN600，排烟温度为350 ℃，排烟质量流速为6.3 kg/s，排烟背压为5.0 kPa，排烟口排烟速度为35 m/s。不考虑钻机模块的影响，4台柴油发电机100%负荷运行时会有最大的排烟量，且排烟温度最高，故以4台柴油发电机100%负荷运行工况下的烟气参数为分析基础。主柴油发电机参数见表2。平台CFD三维模型见图1。

表2 主柴油发电机组参数

图1 该钻井平台CFD模型

根据COST ACTION 732推荐的处理方法，以最大吃水线(=24 m)为基准线，平台高度=80 m，主发电机排烟管距离主甲板9 m为依据，海上自由空间取长方体，平台长边方向(长)取10，水平方向(宽)取10，竖直方向(高)取6。且底部水面视为固壁边界，整个船体视为绝热固壁边界，来风面和排烟管出口均采用速度入口边界条件。对模型进行3层嵌套式网格划分：区域0、区域1和区域2，并在发电机排烟管出口区域加密以精捕获烟气轨迹和流场空间温度分布，整个计算区域共计4 592 455个网格。采用三维定常耦合求解器，假设烟气为单一的理想气体，采用-湍流模型。

3 计算工况

3.1 气象及阈值要求

基于该钻井平台运行所在区域的风玫瑰(见图2)、NFPA 59A规定的天气条件和Pas-quill-Gifford大气稳定度，计算工况见表3。

表3 选取的气相条件

图2 钻井平台所在地风玫瑰

风向考虑最坏风向，即风吹向平台方向；火灾持续时间为3 600 s。

考虑到高温烟气引起的环境温度升高通常会影响直升机起降。并且，主发电机排烟管的烟气扩散也会对主/ 副井口工作区域、隔水管门式吊车、主发电机吸入口造成影响。另一方面，平台对流场的阻碍作用而造成的尾涡湍流效应对高温烟气回流、直升机安全操作也会产生一定的影响。

结合该钻井平台主发电机的排烟管位置、发电机机组运行工况及风频联合分布，从以下3点开展分析。

1)直升机升降的影响分析。

2)有害气体(NO,CO)浓度分布。

3)隔水管门式吊车温度分布。

报告以英国CAA (Civil Aviation Authority) CAP 437《Offshore Helicopter Landing Areas-Guidance》规范作为直升机起降影响分析的判定准则。根据CAP 437的判定标准。

1)直升机升降区域，30 ft加上直升机轮子至旋翼高度再加上1个旋翼的直径。

2)环境温度的限定，在平均3 s的时间间隔内，直升机起降区域内的最大温升不能超过环境温度2 °C。

3)湍流的限定，在直升机起降区域，竖直方向速度的标准方差不能超过2.4 m/s。

该平台所用的最大直升机型号为MI-8，依据CAP 437规范计算，对直升机分析的区域高度为：直升机甲板上方的分析区域为35.2 m，保守考虑取38.0 m。

从该平台电站及压缩机排烟数据表可看出，对人员可能产生影响的气体组分主要有NO、CO和碳氢化合物等。GBZ2-1—2007《工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素》标准中的规定“烟气扩散有害气体分析以短时间为评判依据，NO接触限值为10 mg/m；CO接触限值为9 000 mg/m。

3.2 监测面

根据该平台的主尺度和主要关注点设置监测面，见表4。

表4 监测面设置

4 结果分析

4.1 直升机起降影响分析

对4个气象条件(0/F,3/D,5/D,23.7/D)W风向下的计算工况开展3D数值模拟，结果见图3～5。根据模拟结果，分析直升机甲板上方38 m高度范围内温度升高超过环境温度2 ℃的影响。

图3 0/F下直升机甲板温度变化范围

图4 3/D,W风向下直升机甲板温度变化范围

图5 5/D,W风向下直升机甲板温度变化范围

由图3～5可以看出：

1)风速0 m/s，直升机平台上方0～38 m区域，温升不超过环境温度2 ℃，对直升机起降无影响。

2)3/D气象W风向下，烟气2 ℃的温升区影响到直升机平台上方15～38 m的范围；建议调整排烟口出口方向为略向上30°方向。

3)5/D气象W风向下，直升机平台上方0～38 m区域，温升不超过环境温度2 ℃，对直升机起降无影响。

4)参考5 m/s的温度场影响范围，可以预见在23.7 m/s的风速下，由于烟气高温对直升机甲板上方38 m高度范围内温升超过环境温度2 ℃的影响非常有限。考虑极端天气，平台会限制直升机的起降，因此，不考虑23.7 m/s的风速下的起降影响。

1998年，翟桂芝从供销社下岗后，自己开始做生意，卖蔬菜、种子、农药和农膜。翟大姐做生意一向都是诚信经营，进货都进最好的，卖最好的，这样老百姓用着效果好，久而久之大家都很信任她。很多街坊邻居都跟她说：“翟大姐，我们就信你卖的东西，既然你都卖了种子、农药、农膜，你也卖卖化肥吧，省得我们还得去别处买。”

对4个气象条件(0/F,3/D,5/D,23.7/D)W风向下的计算工况开展3D数值模拟，分析直升机甲板上方38 m高度上方垂直方向速度的变化，分析湍流是否影响直升机甲板上方38 m的范围，结果见图6～8。

图6 0/F下直升机甲板上方垂直方向速度变化

图7 3/D,W风向下直升机甲板上方垂直方向速度变化

图8 5/D,W风向下直升机甲板上方垂直方向速度变化

由图6～8可以看出：

1)在0 m/s风速下，直升机平台上方竖直风0～0.76 m/s对直升机起降无影响。

2)3/D气象W风向下，直升机平台上方局部出现1.71 m/s的竖直风对直升机起降无影响。

3)5/D气象W风向下，直升机平台上方局部出现1.53 m/s的竖直风，对直升机起降无影响。

4)参考5 m/s的温度场影响范围，可以预见在23.7 m/s的风速下，由于排烟造成的湍流非常有限，直升机甲板上方垂直方向速度>2.4 m/s可能性不大。另外，在极端天气下，平台会限制直升机的起降，因此，不考虑23.7 m/s风速的影响。

4.2 NOx质量浓度分析

对4个气象条件(0/F,3/D,5/D,23.7/D)W风向下的计算工况开展3D数值模拟，分析该平台NO接触限值的影响范围，结果见图9～12。

图9 0/F下NO2接触限值的影响范围

图10 3/D,W风向下NO2接触限值的影响范围

图11 5/D,W风向下NO2接触限值的影响范围

图12 23.7/D,W风向下NO2接触限值的影响范围

1)由于温差的影响，在0 m/s的气象条件下，NO浓度超过接触允许浓度值10 mg/m的区域一直在平台范围以外，对主/ 副井口、隔水管门式吊车、主发电机吸入口、直升机平台区域均无影响。

2)在3/D气象W风向下，隔水管门式吊车及直升机平台某一高度以上区域，NO浓度超过接触允许质量浓度值10 mg/m；主/副井口和主发电机吸入口区域NO质量浓度未超过该值。

3)在3/D气象W风向下，=17.5 m NO质量浓度超过接触允许浓度值10 mg/m的区域在平台范围以外，对主/副井口、主发电机吸入口无影响；=25 m下，隔水管门式吊车操作室区域(主要是左舷)，NO质量浓度超过接触允许质量浓度值10 mg/m，但主/副井口及直升机平台区域NO质量浓度该值；=28.2 m，左舷隔水管门式吊车操作室区域，NO质量浓度超过接触允许质量浓度值10 mg/m，但主/副井口及直升机平台区域NO质量浓度该值。

4)在5/D气象W风向下，隔水管门式吊车及直升机平台某一高度以上区域，NO质量浓度超过接触允许质量浓度值10 mg/m；主/副井口和主发电机吸入口区域NO质量浓度未超该值。

5)在5/D气象W风向下，=17.5 m，NO质量浓度超过接触允许质量浓度值10 mg/m的区域在平台范围以外，对主/副井口无影响；=25 m下，直升机平台区域NO质量浓度未超过允许值10 mg/m；=28.2 m，隔水管门式吊车操作室区域，NO质量浓度超过允许值10 mg/m，但主/副井口及直升机平台区域NO质量浓度未超过该值。

6)在23.7/D气象W风向下，隔水管门式吊车操作室区域、主/副井口、主发电机吸入口区域及直升机平台NO质量浓度未超过允许值10 mg/m。