唐曾艷， 周中良

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司， 上海 200125)

0 引 言

鉆井系統(tǒng)的核心設(shè)備之一是高壓泥漿泵。在鉆井作業(yè)成本中，泥漿費(fèi)用高昂。泥槳屬于稀缺資源，大都循環(huán)利用。因此，鉆井平臺配置低壓泥漿凈化處理系統(tǒng)，回收利用井下返回的泥漿，用以降低作業(yè)成本，減小對海洋環(huán)境的影響[1-2]。

從海底返回的泥漿帶有大量泥沙、巖屑甚至油氣，需經(jīng)過處理才能返回泥漿池循環(huán)使用。在海底鉆探過程中，隨著巖層被鉆頭刺穿，原本貯藏在海底的各種可燃?xì)怏w和有毒氣體跟隨鉆井液回到鉆井平臺，對懸臂梁和井上的工作人員的安全構(gòu)成巨大的威脅，必須將其有效分離，并集中在安全區(qū)域排放。通常泥漿處理設(shè)備集中在鉆井平臺的懸臂梁上、下甲板的泥漿處理區(qū)域，因此該區(qū)域的通風(fēng)系統(tǒng)尤為重要。

以上海振華重工股份有限公司某型號自升式海洋鉆井平臺泥漿處理區(qū)域的通風(fēng)系統(tǒng)為研究對象，采用流體動力學(xué)方法對低壓泥漿處理區(qū)域的兩套排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行效能分析。對比兩種方案的排風(fēng)管通風(fēng)效果，擇優(yōu)選取設(shè)計(jì)方案，并提出在確定方案時(shí)應(yīng)考慮的技術(shù)因素[3-4]。

1 泥漿處理區(qū)域的排風(fēng)管CFD數(shù)學(xué)模型

1.1 CFD模型的初始/邊界條件

該海洋鉆井平臺的泥漿處理區(qū)域通風(fēng)邊界條件和初始條件如下：

泥漿處理區(qū)域上甲板艙室溫度：55 ℃；

外部大氣環(huán)境溫度：40 ℃；

泥漿處理設(shè)備排風(fēng)管入口溫度：100 ℃；

泥漿處理設(shè)備排風(fēng)管入口風(fēng)速：4.2 m/s；

泥漿處理區(qū)域排風(fēng)管入口風(fēng)速：4.2 m/s；

風(fēng)管材質(zhì)：316 LSS；

風(fēng)管厚度：3.5 mm；

在55 ℃環(huán)境溫度下，316 LSS不銹鋼的密度取7 870 kg/m3，比熱容為 455 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為72.1 W/(m·K)。

1.2 CFD數(shù)學(xué)模型

懸臂梁泥漿處理區(qū)域通風(fēng)布置有兩套方案，需擇優(yōu)選取。

方案1：泥漿處理區(qū)域的8個(gè)入風(fēng)口均以4.2 m/s的速度從懸臂梁泥漿處理設(shè)備口以垂直于風(fēng)口截面法線的方向抽出100 ℃(373 K)的流體，經(jīng)過風(fēng)管豎直向下引出至懸臂梁與主甲板之間，外界環(huán)境溫度為45 ℃(318 K)。幾何模型考慮風(fēng)管內(nèi)的實(shí)際流道走向、懸臂梁甲板下表面的T型材、楔三角支撐、泥漿回流槽、懸臂梁軌道及支撐等模型。為了控制計(jì)算量，基于上述模型向x、y、z方向均延展4 m以模擬外界大氣環(huán)境。

方案2：泥漿處理區(qū)域的排風(fēng)管從8個(gè)入風(fēng)口以4.2 m/s的速度從泥漿處理設(shè)備口抽出100 ℃(373 K)的流體，經(jīng)過風(fēng)管水平穿艙進(jìn)入鉆臺區(qū)域，避開與防噴器(Blow-Out Preventer， BOP)設(shè)備的干涉，向井架、月池區(qū)域擴(kuò)散排放至大氣。

該平臺的低壓泥漿處理系統(tǒng)包括1臺刮泥器、4臺振動篩、1臺泥漿清潔器、2臺除氣器、1臺除泥器、1臺除砂器、2臺離心機(jī)(未來安裝)、2臺除泥/除砂泵、2臺計(jì)量泵、2臺離心機(jī)供液泵(未來安裝)、1臺隔膜泵和1臺巖屑甩干機(jī)[1-4]。該系統(tǒng)通過去除從井眼返回泥漿中的天然氣和巖屑而循環(huán)輸回泥漿池,并提高鉆井效率，在建模時(shí)忽略其他設(shè)備等次要因素，主要考慮排放流體的流場和溫度、危險(xiǎn)區(qū)域的防爆等級、H2S毒氣不可聚集的要求以及室內(nèi)氣動噪聲分貝控制等問題。圖1為兩種方案的幾何模型。

圖1 泥漿處理區(qū)域的排風(fēng)幾何模型

2 計(jì)算結(jié)果的分析與討論

2.1 通風(fēng)方案流場對比

在方案1中，在鉆井作業(yè)工況下，懸臂梁滑移出主甲板，除了鄰近主甲板的鉆井點(diǎn)的排風(fēng)口受主甲板干涉外，其余鉆井點(diǎn)均可直接排放廢氣至大氣，故方案1重點(diǎn)模擬受干涉的鉆井點(diǎn)的排風(fēng)效果和數(shù)據(jù)。風(fēng)管出口界面速度場的分布結(jié)果(見圖2)表明，風(fēng)管收集的高溫氣體大部分從懸臂梁底部以2 m/s的速度擴(kuò)散，在船首尾方向產(chǎn)生回流。該回流現(xiàn)象是模擬空間只向外延展4 m造成的。在實(shí)際工況下，廢氣可擴(kuò)散至無限外部環(huán)境。因此，該方案的H2S等廢氣不會在懸臂梁與主甲板之間產(chǎn)生毒氣聚集。

圖2 方案1風(fēng)管出口速度場

在方案2中，從風(fēng)管排出的高溫廢氣能否順利排出至外部大氣，是否在BOP房間產(chǎn)生紊流導(dǎo)致聚集不散，需重點(diǎn)關(guān)注。模擬結(jié)果給出關(guān)鍵區(qū)域的速度矢量圖，箭頭方向表示流體速度方向，箭頭大小表示該單元速度的相對大小。

圖3是BOP和鉆臺井架區(qū)域的流場分布圖。圖3表明：大部分廢氣順著排風(fēng)管出口向鉆臺區(qū)域擴(kuò)散，但由于左舷BOP與風(fēng)管出口存在干涉，BOP房間左舷區(qū)域廢氣存在紊流，這與該方案設(shè)計(jì)之初的預(yù)期結(jié)果一致。

圖4是井架及月池區(qū)域的流場分布圖。圖4表明：穿過BOP房間的廢氣以2.2～4.5 m/s的速度進(jìn)入鉆臺區(qū)域，與壁面發(fā)生碰撞后分別向月池和井架空間擴(kuò)散至大氣。月池和桁架兩個(gè)區(qū)域存在紊流，廢氣出現(xiàn)聚集。

與方案2對比，方案1無明顯廢氣回流聚集現(xiàn)象，更易于泥漿處理區(qū)域的廢氣排入大氣。

圖3 方案2BOP及鉆臺區(qū)域流場分布

圖4 方案2井架及月池區(qū)域流場分布

2.2 通風(fēng)方案溫度場對比

圖5為方案1的溫度場分布。整體溫度分布云圖表明，排風(fēng)管內(nèi)的廢氣溫度為100 ℃，排風(fēng)口局部廢氣溫度較高，達(dá)到90 ℃，然后迅速向大氣擴(kuò)散驟降，主甲板與懸臂梁之間區(qū)域的廢氣溫度在40 ℃左右。排風(fēng)管出口截面溫度分布結(jié)果與整體溫度分布結(jié)果一致。排風(fēng)管出口附近廢氣溫度約90 ℃，擴(kuò)散區(qū)域溫度約47 ℃，接近室外環(huán)境溫度。

圖5 方案1溫度場分布

方案2的整體溫度分布云圖(見圖6)顯示，BOP所在房間左舷局部溫度較月池區(qū)溫度高。這表明高溫氣流因設(shè)備干涉在BOP房間產(chǎn)生聚集，但大部分流體垂直于風(fēng)管出口流出直至月池后壁，上層氣流直接從月池頂部開口流出，下層氣流沿艙壁和甲板回流后從頂部開口流出。

與流場對比結(jié)果一致，方案1更易于泥漿處理區(qū)域的高溫廢氣排入大氣。

圖6 方案2溫度場分布

2.3 通風(fēng)方案室內(nèi)噪聲對比

經(jīng)實(shí)測，在方案1中，BOP房間的噪聲為86.6 dB，主要是泥漿處理區(qū)域設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的機(jī)械噪聲。

在方案2中，BOP房間的噪聲為94.7 dB，除設(shè)備運(yùn)行的機(jī)械噪聲外，還疊加了排氣管內(nèi)外部的氣動噪聲等。

綜合HAB(OS)、IMO和UK HSE.OTR的規(guī)范規(guī)定，方案1的BOP房間噪聲滿足規(guī)范要求。規(guī)范對噪聲的要求及方案1的實(shí)測噪聲如表1所示。

表1 規(guī)范對噪聲的要求及方案1的實(shí)測噪聲

2.4 危險(xiǎn)區(qū)域防爆問題

根據(jù)該項(xiàng)目的危險(xiǎn)區(qū)域防爆等級劃分[5]：鉆臺區(qū)域(包含BOP房間)屬于二類危險(xiǎn)區(qū)域，懸臂梁泥漿處理區(qū)域?qū)儆谝活惙辣瑓^(qū)域。一類防爆區(qū)域的防爆等級和要求均高于二類防爆區(qū)域?；谖ｋU(xiǎn)區(qū)域的防爆問題，兩套方案擇優(yōu)選用方案1，以避免兩類危險(xiǎn)區(qū)域間的穿艙及一類防爆區(qū)域的擴(kuò)大。

3 結(jié) 論

應(yīng)用CFD理論，建立懸臂梁低壓泥漿處理區(qū)設(shè)備排風(fēng)方案的數(shù)值模擬研究，通過模擬通風(fēng)和換熱的耦合效應(yīng)，得出關(guān)鍵區(qū)域的流場和溫度場分布。綜合考慮噪聲控制和危險(xiǎn)區(qū)域防爆等級劃分要求，最終選擇方案1作為泥漿處理區(qū)域排風(fēng)方案。