沈志恒，王會峰，張慧芳，李東芳

(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計公司，天津 塘沽300451)

0 引言

在海洋油(氣)田開發(fā)中，海洋平臺上作業(yè)人員的安全性越來越受到重視，而平臺上排煙設(shè)備所排放的高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散是影響安全的重要因素。其會造成周圍環(huán)境溫度的升高，從而使直升飛機(jī)操作的危險性增大。因此，分析煙氣流動特性以及煙氣擴(kuò)散是否對直升飛機(jī)的起飛和降落產(chǎn)生影響可以對海洋采油(氣)平臺上的排煙設(shè)備在正常運(yùn)行時所排放的高溫?zé)煔獾陌踩赃M(jìn)行分析評估，為直升飛機(jī)駕駛?cè)藛T提供風(fēng)險資料，以降低高溫?zé)煔鈱χ鄙w機(jī)操作安全的影響。還可通過回收高溫?zé)煔獾臒崃?，降低海洋平臺上排放煙氣的溫度，達(dá)到節(jié)能減排的作用，符合國家的能源發(fā)展戰(zhàn)略［1-3］。目前，國內(nèi)對煙氣流動的研究工作主要是針對火災(zāi)所引起的煙氣擴(kuò)散進(jìn)行分析［4-7］，且只分析研究了當(dāng)火災(zāi)出現(xiàn)時高溫?zé)煔饩奂膮^(qū)域，以確定人員疏散時的安全。而對于海洋平臺上煙氣擴(kuò)散的安全性分析評估的研究幾乎沒有報道。國外對平臺上煙氣擴(kuò)散的研究都是針對具體項目，其得到的分析結(jié)果都是保密的。在已發(fā)表的文獻(xiàn)中也沒有見過類似報道。同時，由于海洋平臺上排煙設(shè)備的操作工況及海上天氣情況相對比較復(fù)雜，煙氣溫度影響區(qū)域范圍較大，因此，對海洋平臺上的排煙設(shè)備所排放的煙氣的擴(kuò)散進(jìn)行實驗研究是不現(xiàn)實的。而隨著計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的飛速發(fā)展，對于這種無法進(jìn)行實驗研究而采用理論分析的方法已成為一種重要研究手段。本文以某海洋平臺上排煙設(shè)備所排放的高溫?zé)煔鉃檠芯繉ο?，?yīng)用單相多組分流動及傳熱數(shù)學(xué)模型，基于重整化k-e湍流模型模擬煙氣的湍流流動，數(shù)值研究海洋平臺上煙氣的流動及傳熱特性以及煙氣擴(kuò)散對直升飛機(jī)起飛和降落的影響。計算結(jié)果為今后分析平臺上排煙設(shè)備以及直升飛機(jī)甲板的優(yōu)化布置提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

本文以海洋平臺上排煙設(shè)備所排放的煙氣為研究對象，以FLUENT商業(yè)軟件為模擬計算平臺，通過建立氣體多組分流動及傳熱數(shù)學(xué)模型模擬煙氣的流動及傳熱特性。煙氣流動及傳熱基本方程應(yīng)滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及組分守恒方程。

1.1 質(zhì)量守恒方程

式中ug——氣相速度;

ρg——氣相密度。

1.2 動量守恒方程

式中pg——氣相壓力;

g——重力加速度;

τg——氣相應(yīng)力張量。

其表達(dá)式為

式中 μg=μ+μt;

μ——氣相層流粘性系數(shù);

μt——氣相湍流粘性系數(shù);

I——單位向量。

用重整化k-e湍流模型［8］，目的是解決海洋平臺上煙氣流動可能出現(xiàn)的流線高度彎曲的流動、快速變形的流動、過渡流、繞流、尾流和漩渦流等流動方式，以獲得更為準(zhǔn)確地計算結(jié)果。

同時，對于氣相還要滿足組分守恒方程，其表達(dá)式為

式中Dgi——氣體組分i的擴(kuò)散系數(shù);

Ygi——氣體組分i的體積分?jǐn)?shù);

S c——Schmidt數(shù) μg/ρgDgi。

1.3 能量守恒方程

式中Eg——氣體能量;

Hg——氣體焓值;

Tg——氣體溫度/℃。

2 計算邊界條件及直升飛機(jī)起降的安全性判定標(biāo)準(zhǔn)

2.1 計算邊界條件

以某海洋平臺為基礎(chǔ)建立了三維幾何模型，為了能夠更好的反映出平臺上排放的煙氣流動及傳熱特性，同時不影響模擬研究煙氣擴(kuò)散的準(zhǔn)確性，對海洋平臺適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行了簡化處理。只保留了上層平臺上的排煙設(shè)備、直升飛機(jī)甲板、生活樓以及大型撬裝設(shè)備等機(jī)械設(shè)備。圖1為海洋平臺的幾何結(jié)構(gòu)簡圖。同時，本文在模擬計算中進(jìn)行如下假設(shè):(1)海上的大氣風(fēng)速和大氣環(huán)境溫度均勻分布;(2)模擬計算中機(jī)械設(shè)備的輻射換熱對煙氣流動影響很小，可以忽略。海上自由空間大小根據(jù)COST ACTION 732的推薦做法［9］來確定，其長、寬和高分別為238 m×356 m×150 m。海洋平臺上排放的煙氣的主要成分為CO2、O2、Ar和N2，其 分 別 取值為2.46%、16.8%、0.95%和79.79%。

圖1 海洋平臺的幾何結(jié)構(gòu)簡圖

模擬中所涉及到的排煙設(shè)備所排放的煙氣流量和煙氣溫度等參數(shù)詳見表1。其中，一些排煙設(shè)備布置了防雨帽，本文通過在排煙口設(shè)定一個向四周水平運(yùn)動的分量來考慮防雨帽對煙氣流動特性的影響。直升飛機(jī)甲板的高度距海平面56.6 m，煙囪高度距海平面74 m。大氣環(huán)境溫度為36℃，即夏季的平均溫度。在模擬計算中，只分析了排煙設(shè)備3、5、7和8關(guān)閉而其他排煙設(shè)備全部正常運(yùn)行時的煙氣流動及傳熱特性。

表1 模擬計算參數(shù)

計算邊界條件為:

(1)入口邊界條件入口邊界條件包括大氣入口邊界條件和煙氣入口邊界條件，均采用速度入口邊界條件。同時入口邊界需設(shè)定湍流參數(shù)，采用湍流強(qiáng)度和水力直徑計算。

(2)出口邊界條件

除大氣風(fēng)向外的自由空間的各個方向均設(shè)定為壓力出口邊界條件。壓力設(shè)定為常壓。

(3)壁面邊界條件

海洋平臺上的機(jī)械設(shè)備、直升飛機(jī)甲板以及海平面設(shè)定為壁面邊界條件，且給定壁面溫度。同時壁面采用無滑移邊界條件。

為了保持足夠的統(tǒng)計穩(wěn)定性及精確性，計算網(wǎng)格為150萬左右，模擬時間為80 s。在模擬計算采用二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散，同時，采用SIMPLE計算方法對壓力和速度之間進(jìn)行修正。

2.2 直升飛機(jī)起降的安全性判定標(biāo)準(zhǔn)

由于海洋平臺上排放的高溫?zé)煔饽軌蛟斐芍鄙w機(jī)操作時主旋翼上的回轉(zhuǎn)軸升力減小，同時，快速的溫度變化也會導(dǎo)致直升飛機(jī)的發(fā)動機(jī)出現(xiàn)喘振等現(xiàn)象，從而增大直升飛機(jī)操作的危險性。為了確保海上作業(yè)人員的安全性，根據(jù)英國CAA(Civil Aviation Authority)制定的直升飛機(jī)甲板安全設(shè)計規(guī)范CAP437［10］描述，對直升飛機(jī)起飛和降落的安全性分析評估主要包括湍流和溫升兩部分判定標(biāo)準(zhǔn):(1)湍流的判定標(biāo)準(zhǔn)是指在直升飛機(jī)甲板上方直升飛機(jī)起飛和降落的飛行區(qū)域，氣流速度在垂直方向上的分量的標(biāo)準(zhǔn)偏差不能超過1.75 m/s。(2)溫升的判定標(biāo)準(zhǔn)是指在直升飛機(jī)甲板上方直升飛機(jī)起飛和降落的飛行區(qū)域，氣體溫度升高的最大值不能超過大氣環(huán)境溫度2℃。如果不滿足上述標(biāo)準(zhǔn)，則需要對直升飛機(jī)采取適當(dāng)?shù)牟僮飨拗?。本文主要分析了海洋平臺上排放煙氣的溫度變化對直升飛機(jī)起飛和降落的影響。

對于直升飛機(jī)甲板上方直升飛機(jī)起飛和降落時所需要的高度，CAP437安全設(shè)計規(guī)范描述為9.1 m加上輪子到飛機(jī)回轉(zhuǎn)軸的高度，再加上一個回轉(zhuǎn)軸的直徑。經(jīng)計算分析直升飛機(jī)起飛和降落所需高度為33.5 m。因此，在模擬計算中只需要確定直升飛機(jī)甲板及其上方33.5 m之間的煙氣溫度變化規(guī)律。

3 計算結(jié)果和分析

圖2表示大氣風(fēng)向為平臺迎風(fēng)面時，不同大氣風(fēng)速下直升飛機(jī)甲板中心沿xz面上的煙氣溫度分布。結(jié)合圖2中的(a)和(b)可以看出，當(dāng)大氣風(fēng)速為3 m/s時，煙氣溫度較高的區(qū)域較大;而大氣風(fēng)速為9 m/s時，煙氣溫度較高的區(qū)域變小，這主要是由于隨著大氣風(fēng)速的增大，煙氣擴(kuò)散速度變快，從而使得煙氣分布的范圍增大，進(jìn)而造成高溫?zé)煔庵行膮^(qū)域的溫度變小。同時，從圖2中的(b)中可以看出，煙氣由于受到氣流的影響逐漸向平臺東側(cè)擴(kuò)散，沿x方向，煙氣溫度逐漸降低;沿z方向，高溫?zé)煔獬尸F(xiàn)中心區(qū)域溫度較高，兩側(cè)溫度較低的正態(tài)分布特性。其與高斯擴(kuò)散規(guī)律［11］相一致。

圖2 大氣風(fēng)向為平臺迎風(fēng)面時直升飛機(jī)甲板中心沿xz面上的煙氣溫度分布

圖3是大氣風(fēng)向為平臺迎風(fēng)面時，不同大氣風(fēng)速下海洋平臺上排煙設(shè)備排放的高溫?zé)煔夥植记闆r。圖中致圖以深淺表示大于環(huán)境溫度2℃的煙氣分布區(qū)域。從圖3的(a)和(b)可以看出，當(dāng)大氣風(fēng)速為3 m/s時，高溫?zé)煔庀蛏戏綌U(kuò)散，其沒有擴(kuò)散到直升飛機(jī)甲板上方，因此，直升飛機(jī)甲板及其上方33.5 m之間的煙氣溫度小于大氣環(huán)境溫度2℃。當(dāng)大氣風(fēng)速為9 m/s時，在直升飛機(jī)甲板及其上方33.5 mm之間，煙氣溫度大于大氣環(huán)境溫度2℃。計算結(jié)果表明，大氣風(fēng)向為平臺迎風(fēng)面，大氣風(fēng)速小于3 m/s時，高溫?zé)煔獠粫χ鄙w機(jī)起飛和降落造成影響，而大氣風(fēng)速大于3 m/s時，煙氣擴(kuò)散影響到直升飛機(jī)的起飛和降落。同時，由圖可見，排煙設(shè)備1、2和8～11所排放的高溫?zé)煔獾呐欧鸥叨鹊陀谄渌艧熢O(shè)備所排放的高溫?zé)煔獾呐欧鸥叨?。這主要是由于排煙設(shè)備1、2和8～11增加了余熱回收裝置，其煙囪布置的防雨帽使得煙氣向上運(yùn)動時沖擊防雨帽從而產(chǎn)生水平的動量所造成的。結(jié)合圖3的(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散規(guī)律與大氣風(fēng)速有關(guān)，大氣風(fēng)速越大，煙氣向東側(cè)擴(kuò)散越遠(yuǎn)，高溫?zé)煔庀蛳逻\(yùn)動的趨勢越強(qiáng)，從而造成高溫?zé)煔鈱χ鄙w機(jī)起飛和降落的影響越大。

圖3 氣風(fēng)向為平臺迎風(fēng)面時海洋平臺上的高溫?zé)煔夥植记闆r

圖4是大氣風(fēng)向為平臺迎風(fēng)面時，不同大氣風(fēng)速下煙氣溫度隨高度的變化。圖中以直升飛機(jī)甲板為基準(zhǔn)點，分析了直升飛機(jī)甲板及其上方33.5 m之間的溫度變化規(guī)律。從圖中可以看出，當(dāng)大氣風(fēng)速為3 m/s時，煙氣溫度均為0℃，表明高溫?zé)煔鉀]有擴(kuò)散到直升飛機(jī)起飛和降落的區(qū)域。隨著大氣風(fēng)速的增大，高溫?zé)煔庵饾u擴(kuò)散到直升飛機(jī)甲板上方，使得直升飛機(jī)甲板上方的煙氣溫度大于大氣環(huán)境溫度2℃，從而對直升飛機(jī)的起飛和降落產(chǎn)生影響。同時，隨著高度的增大，煙氣溫度逐漸增大。另外，從圖中還可以看出，大氣速度越大，煙氣溫度越高。圖4還給出了由FLACS軟件得到的計算結(jié)果，通過比較可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用FLUENT商業(yè)軟件得到的煙氣溫度隨高度的變化與應(yīng)用FLACS商業(yè)軟件得到的計算結(jié)果基本一致，但兩者之間的計算結(jié)果有一定的差異。出現(xiàn)差異的原因可能是計算網(wǎng)格大小不同，從而導(dǎo)致模擬計算精度上的差異;或者是本文對平臺上的一些機(jī)械設(shè)備的幾何形狀采用不同大小的箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，使得大氣在流經(jīng)機(jī)械設(shè)備時產(chǎn)生湍流的變化，從而造成煙氣分布的不同，最終導(dǎo)致煙氣溫度的差異。計算結(jié)果表明應(yīng)用FLUENT商業(yè)軟件得到的模擬計算結(jié)果符合煙氣流動的變化規(guī)律，其模擬結(jié)果具有一定的正確性和可靠性。

圖4 大氣風(fēng)向為平臺迎風(fēng)面時煙氣溫度隨高度的變化

4 結(jié)論

基于氣相多組分流動及傳熱數(shù)學(xué)模型，氣體湍流流動采用重整化k-ε湍流模型模擬，理論研究了海洋平臺上排煙設(shè)備所排放煙氣的流動及傳熱特性，并分析了高溫?zé)煔鈱χ鄙w機(jī)起飛和降落的影響。計算結(jié)果表明:

(1)煙氣溫度沿高度方向呈現(xiàn)中心區(qū)域較高，兩側(cè)煙氣溫度較低的正態(tài)分布特性，其與高斯擴(kuò)散規(guī)律基本一致。同時，隨著大氣風(fēng)速的增大，煙氣受到大氣的作用逐漸增強(qiáng)，使得煙氣逐漸向下運(yùn)動，加大了高溫?zé)煔鈱χ鄙w機(jī)的起飛和降落的影響。

(2)大氣風(fēng)向為平臺迎風(fēng)面和平臺側(cè)風(fēng)面，在直升飛機(jī)甲板上方直升飛機(jī)起飛和降落的飛行區(qū)域，當(dāng)大氣風(fēng)速小于3 m/s時，煙氣溫度小于大氣環(huán)境溫度2℃，高溫?zé)煔獠粫χ鄙w機(jī)的起飛和降落產(chǎn)生影響;當(dāng)大氣風(fēng)速大于3 m/s時，煙氣溫度大于大氣環(huán)境溫度2℃。從而影響到直升飛機(jī)的起飛和降落。

(3)由于防雨帽的作用，布置防雨帽的排煙設(shè)備所排放煙氣的排放高度低于其它排煙設(shè)備所排放煙氣的排放高度。

(4)當(dāng)大氣風(fēng)向為平臺迎風(fēng)面時，在影響直升飛機(jī)起飛和降落的高度內(nèi)，煙氣溫度具有隨著高度增大而逐漸增大的變化規(guī)律;當(dāng)大氣風(fēng)向為平臺側(cè)風(fēng)面時，在影響直升飛機(jī)起飛和降落的高度內(nèi)，煙氣溫度隨著高度的增大，具有先增大再逐漸減小的變化規(guī)律。

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