張俊杰

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

“海洋石油981”號半潛鉆井平臺的建造、投產(chǎn)提升了我國自主設計、研發(fā)深水油氣勘探開發(fā)裝備的能力，大大提升了我國海上鉆井的能力，為我國開拓海外海上石油開發(fā)市場提供了有力保障，具有明顯的經(jīng)濟效益。

半潛式鉆井平臺完全不同于普通的船舶。其機械設備繁多，與危險區(qū)緊鄰，設計難度較高，對安全的要求也較高。平臺上機械處所對于通風系統(tǒng)的要求極為嚴苛。本文將以“海洋石油981”號的機艙通風設計為例，借助AIRPAK軟件，采用CFD方法對本平臺機艙通風初擬的幾種方案進行模擬比較，以找到最優(yōu)化的機艙通風方案。

CFD利用計算機求解流體流動的各種守恒控制偏微分方程組，這其中涉及流體力學、計算方法、數(shù)值傳熱學乃至計算機圖形處理技術等。對于空調(diào)通風領域內(nèi)的流動問題，多為流速在10 m/s以下的低速流動，可視為不可壓縮流體。另外，空調(diào)通風領域內(nèi)的流體流動多為湍流流動，由于某些湍流現(xiàn)象至今無法通過實驗來完全解決，因此，目前HVAC的一些湍流現(xiàn)象主要依靠理論和數(shù)值分析來解決，這也是CFD軟件在HVAC領域得到應用并快速發(fā)展的原因之一。

應用成熟的商業(yè)軟件，對復雜的熱環(huán)境進行模擬設計，特別是對那些難以預測其運行效果，在施工后又比較難以修改、糾正的系統(tǒng)設計，在設計初亦無法用實體模型進行模擬預測的場合，采用CFD軟件進行動態(tài)模擬來預測運行效果是經(jīng)濟、合理的最佳選擇。

深海半潛式鉆井平臺因設備眾多而占地擁擠。其通風要求較高，故風管和通風設備的布置較困難。該平臺原型由F&G設計，定位系統(tǒng)為DP2，現(xiàn)改為DP3后，機艙由2個分隔為4個，并且加大了主機功率，使得風機和風管布置更為困難。在機艙通風能滿足柴油發(fā)電機正常運行的條件下，需要最簡化、最合理的布置通風系統(tǒng)。因此，我們在設計初提出了幾個通風方案，并用AIRPAK軟件模擬了機艙通風的效果，作為進一步設計的依據(jù)。

1 模擬方法

本平臺共有4個主機艙，每個機艙內(nèi)安裝2臺柴油發(fā)電機組及相關設備。為保證艙內(nèi)設備的正常運行，設有送風機和排風機各2臺，每臺送風機的風量為100 000 m3/h，每臺排風機的風量為65 000 m3/h。根據(jù)建造規(guī)格書的要求，在外部環(huán)境氣溫38℃時，主機艙內(nèi)的平均環(huán)境溫度應在49℃以下。

原規(guī)格書和總圖分別給出了兩個不同的通風方案，以方案1和方案2分別命名后進行模擬，通過比較機艙平均溫度來考量兩種通風方案。

方案1：進風機設在機艙后部，單臺風機的風量為100 000 m3/h，排風機位于機艙前部，單臺風機風量為65 000 m3/h。

方案2：排風機設在機艙后部，單臺風機風量為65 000 m3/h，送風機設在機艙前部，單臺風機風量為100 000 m3/h，即和方案一的送排風機位置互換。

1.1 計算條件

（1）外部環(huán)境參數(shù)

計算的外部邊界條件：溫度38℃ ，相對濕度86% ，大氣壓力100 573 Pa。

（2）內(nèi)部發(fā)熱量（每個機艙主要設備）柴油機：180 kW，2臺；發(fā)電機：90 kW，2臺。

（3）四周艙壁假定為絕熱，并忽略非主要設備的發(fā)熱量。

1.2 模型的建立

建立模型的過程中，在AIRPAK中對機艙的實際布置作了適當簡化，如：簡化了柴油機、發(fā)電機等設備的外形，用比較簡單的幾何外形的塊（Block）來代替，而各個進排風風口則用軟件中的Opening模型建模。模型中所有的熱量都按主機100%運行時的工況數(shù)據(jù)設定，為最不利工況。由于4個機艙的幾何尺寸、內(nèi)部設備基本一樣，所以選取一個機艙作為模型空間。

機艙里布置有兩臺柴油機，柴油機用Block模型建模，每臺發(fā)熱量180 kW；機艙內(nèi)共有兩臺發(fā)電機，每臺發(fā)熱量90 kW；發(fā)電機尾部按照機艙布置圖搭設了平臺，平臺上放有油柜，油柜同樣用Block建模，油柜發(fā)熱忽略不計。

機艙后部設置圍壁風管，風管也使用Block建模。風管上面布有16個1.0 m×0.5 m的風口，風口用Opening建模，出口風速為8 m/s。按照布置圖設置艙頂排風，共有6個2.0 m×1.0 m的風口（Opening），出口風速設定為3.2 m/s。柴油機的吸氣口按照布置圖設置，吸氣口同樣也是Opening建模。根據(jù)布置，共有4個直徑為0.86 m的進風口（Opening），每個進風口風速為1.2 m/s。

整個模擬過程中，所有進風口的送風溫度均為38℃，柴油機吸口為機艙內(nèi)計算區(qū)域溫度，由軟件計算所得。

在整個模型的建立過程中，對一些設備的外形作了簡化。由于外形的微小差異對于整個機艙的流場影響很小，并且柴油機、主機的發(fā)熱量按照輪機專業(yè)給定的數(shù)據(jù)進行了設置，因此作這種簡化對于整個機艙內(nèi)的流場、熱流分布的影響不大，可以認為模型與實際情況是吻合的。

對整個模型進行網(wǎng)格劃分，每個網(wǎng)格為六邊形，最大尺寸設為默認的0.8 m×0.3 m×0.5 m，劃分完畢后可以準備開始計算。

由于整個計算模型較大，通常大空間的計算方程選用k-ε方程。利用此方程對模型進行計算，當流量的差值、動能和擴散計算差值均小于1×10-3，并且能量差值小于1×10-6時，認為計算收斂。

整個模型構建如圖1所示。

圖1 模型構建圖

模型中以機艙長度方向為X正方向，通過在工作區(qū)域內(nèi)取多個平面，考察其溫度場分布，來比較各個方案的通風效果。

考慮到機艙前部為人員巡視的主要區(qū)域，因此選取截面主要為機艙前部。模型的各個截面位置如圖2所示。

圖2 模型截面位置圖

基于此模型，對上述2個方案分別進行計算，得出如下頁圖3所示結果。

方案1中，在X=12 m平面處，最高溫度集中在機艙內(nèi)平臺下方一臺發(fā)電機附近，該位置離風口較遠，又靠近高溫源，故有如此溫度分布，而其余各處的溫度均較低；在X=15 m平面處，平臺上下部分明顯有2℃左右的溫差，整個溫度場分布較為均勻，溫度也較低，通風效果良好；在X=17 m平面處，溫度場分布與X=15 m處較為相近，溫度分布均勻，溫度較低，通風效果良好。通過模擬計算，整個工作區(qū)域的平均溫度為43.45℃。

圖3 兩方案溫度場對比

方案2中，在X=12 m處，有3處出現(xiàn)較高的溫度集中分布，最高溫均達到了70℃左右，平臺上下較大區(qū)域內(nèi)溫度也均在55℃左右，通風效果不理想；在X=15 m處，平臺上部工作區(qū)域的溫度場分布較均勻，溫度在45℃左右，平臺下方溫度較高，通風效果不如前述方案；在X=17 m處，溫度場分布類似X=15 m處，通風效果不甚理想。通過模擬計算，整個工作區(qū)域的平均溫度為48.51℃。

對比上述兩個方案，由典型截面處的溫度分布可以很容易的發(fā)現(xiàn)，方案1通風效果較好，主機附近溫度相對較低、整個艙室中溫度較高的區(qū)域明顯少于方案2，并且，最終的艙室平均溫度在兩個方案中也是最低的。盡管上述兩方案的平均溫度均滿足規(guī)格書要求，但在工作平臺處的溫度值，方案1明顯低于方案2，對巡視人員的工作環(huán)境有較大的改善。因此，方案1是較為優(yōu)化的一個方案。

2 結 論

應用CFD模擬顯示，在相同的系統(tǒng)風量、設備發(fā)熱量情況下，經(jīng)過優(yōu)化布置的通風系統(tǒng)可以使得整個環(huán)境的平均溫度較低，提供確保設備安全運行和工作人員的環(huán)境條件。通風系統(tǒng)在優(yōu)化設計后，提高了排熱效率，達到了系統(tǒng)節(jié)能的目的。

深海半潛式鉆井平臺項目HVAC系統(tǒng)設計相對于陸用、船用來說，無論規(guī)模、數(shù)量和歷史都要小和短，因此，需要不斷地學習、總結經(jīng)驗，采用先進的設計手段，如CFD動態(tài)模擬仿真等等。在此項目完成后的使用過程中，機艙內(nèi)風量充足，設備運行正常，艙內(nèi)溫度滿足使用要求，達到了預期的效果，證明采用CFD模擬手段指導設計的機艙通風方案切實可行。