臧 戈 王 碩 熊炳旭 穆建樹 姜福洪

（大連船舶重工集團有限公司 大連 116037）

引 言

內轉塔式浮式生產儲油卸油裝置（Floating Production Storage Offloading，FPSO）是目前常用的海上油田開發(fā)手段，內轉塔是整個FPSO最核心的部分。內轉塔區(qū)域通常為危險區(qū)，為避免危險氣體聚集，保障人員安全，需要采用通風進行空氣置換、稀釋驅散異味和CO濃度，保持區(qū)域防火等級完整性，改善人員和設備的工作環(huán)境，因此該區(qū)域在FPSO通風設計中往往需要重點關注。

現代船舶的通風設計已經不僅僅停留在傳統(tǒng)的換氣率計算及風管設計與布置，隨著計算流體動力學（Computational Fluid Dynamic，CFD）數值模擬技術的發(fā)展與應用，該項技術越來越廣泛應用于船舶通風設計中。CFD模擬預測氣流分布特征，驗證通風效果，檢驗通風口布置的合理性，在一定程度上彌補了通風系統(tǒng)設計中單憑經驗設計造成的不足，減少建造時的修改，為通風設計提供了參考依據，對于優(yōu)化通風布置，改善通風環(huán)境具有指導意義。

本文以某型FPSO內轉塔通風系統(tǒng)為研究目標進行分析，創(chuàng)新性地提出一種FPSO內轉塔通風系統(tǒng)的設計方案，同時采用計算流體動力學方法對設計的通風效果進行數值模擬，通過數值模擬得到的流場分布情況，分析轉塔內部的通風狀況，檢驗通風系統(tǒng)是否滿足內轉塔運行需要。

1 FPSO內轉塔概況

本文所研究的目標FPSO內轉塔為船體集成頂部嵌入型永久單點系泊式，主體是圓柱形鋼結構，通過主軸承和下軸承與船體相連，下部由系泊系統(tǒng)連接海底，使FPSO可以繞內轉塔旋轉。整個內轉塔由系泊層、下軸承、塔筒、錨鏈甲板、主軸承甲板、塔架、管匯系統(tǒng)和滑環(huán)堆棧等組成。主軸承為分布式雙排軸向滾輪軸承，配合徑向滾輪軸承和剎車系統(tǒng)，直徑為25 m。下軸承為滑動軸承，浸沒在海水中，采用自潤滑設計。圖1為內轉塔總布置圖。

圖1 內轉塔總布置圖

2 內轉塔通風系統(tǒng)設計

正常工況下，內轉塔的系泊層、下軸承、塔筒和錨鏈甲板等浸沒在海水中，無需通風系統(tǒng)。塔架、管匯系統(tǒng)、滑環(huán)等處于室外環(huán)境，也無需通風系統(tǒng)。因此，目標內轉塔需要通風的區(qū)域為主軸承甲板區(qū)域，圖2中陰影區(qū)域為內轉塔通風區(qū)域。

圖2 內轉塔通風區(qū)域圖

內轉塔的主軸承由110對滾輪組成。主軸承甲板被滾輪分為外軸承區(qū)域和內軸承區(qū)域，中間由滾輪空隙連通。滾輪直徑為0.6 m，滾輪空隙總面積約為5.4 m。圖3為主軸承甲板模型，圖4為主軸承滾輪細節(jié)圖。

圖3 主軸承甲板模型

圖4 雙排滾輪細節(jié)圖

目標FPSO內轉塔室外空氣溫度為21~35℃，室內無較大的散熱設備，該區(qū)域通風系統(tǒng)主要用于維修人員進入內轉塔之前稀釋驅散危險氣體，改善維修人員的工作環(huán)境。

該區(qū)域通風原理為機械供風和自然排風，通風系統(tǒng)設計創(chuàng)新性地利用軸承滾輪空隙和內轉塔自身開口。供風風管布置在內轉塔外部，6個供風口均勻環(huán)繞布置在外軸承區(qū)域，空氣流入外軸承區(qū)域并通過滾輪空隙進入內軸承區(qū)域。主軸承甲板頂部與船體主甲板之間的環(huán)形空隙作為外軸承區(qū)域排風口，主軸承甲板內部6個錨鏈艙口和塔筒進出口作為內軸承區(qū)域排風口。另外，主軸承甲板底部與船體月池之間的空隙導致少量空氣流入下方區(qū)域，此下方區(qū)域無通風要求。圖5為通風系統(tǒng)布置圖。

圖5 通風系統(tǒng)布置圖

內轉塔通過滾輪相對船體旋轉，供風口相對外軸承區(qū)域固定，相對內軸承區(qū)域旋轉。但本文通風系統(tǒng)主要工作于海況良好時人員進入內轉塔之前，該工況內轉塔相對旋轉速率很低，可以忽略不計，內外軸承區(qū)域視為固定狀態(tài)。

3 通風效果數值模擬

3.1 數值模型

將主軸承甲板內空氣流動視為一般室內氣流組織的模型進行研究。作如下假設：

（1）低流速下可認定氣體為不可壓縮流體；（2）空間密閉性良好，模擬計算區(qū)域內的送排風平衡；

k

ω

通過對9個注水系統(tǒng)分析，查找出存在問題，并提出了相應的節(jié)能技術措施，通過評價分析，采取相應節(jié)能技術措施后，9個系統(tǒng)年可節(jié)電量為424.77×104kWh。

3.2 幾何模型的建立和簡化

主軸承甲板設備眾多、結構復雜，需要對模型進行適當簡化。

本文中的模型主要進行了以下簡化：

（1）模型中省略了滾輪部分，采用等面積梯形孔代替滾輪空隙；

（2）模型中轉塔主體結構采用光滑壁面代替實際結構，對轉塔內結構遮蔽效應采用等效方法進行簡化；

（3）對通風系統(tǒng)的簡化主要是省略了風機與進出風管模型，采用速度入口和壓力出口邊界條件進行數值模擬。

最終建立數值模型及表面網格分布見圖6。

圖6 數值模型及表面網格

3.3 邊界條件的設定

出口邊界：設定排風口為壓力出口邊界條件，壓力為標準大氣壓。

3.4 模擬結果及分析

圖7是氣流速度場矢量圖，圖8是氣流速度場流線圖，下頁圖9是氣流通過滾輪空隙矢量圖。通過這3張圖可以看到氣流自外向內傳播并排出的過程。供風口出來的氣流速度較大， 氣流沖擊滾輪后，部分氣流通過空隙進入內軸承區(qū)域，其余部分折回到外軸承區(qū)域，經過擴散速度逐漸變小，在氣壓作用下循環(huán)流動直至從環(huán)形空隙排出。內軸承區(qū)域的氣流通過空隙后繼續(xù)高速向前流動，直到沖擊中心塔筒后折回，經過擴散速度逐漸變小，在氣壓作用下循環(huán)流動直至從錨鏈艙口和塔筒進出口排出。少量空氣流入主軸承甲板下方區(qū)域。外軸承區(qū)域和內軸承區(qū)域氣流平穩(wěn)、分布均勻，通風效果較好。為了優(yōu)化通風效果，供風口高度調整到與滾輪空隙高度一致，便于空氣通過空隙。

圖7 氣流速度場矢量圖

圖8 氣流速度場流線圖

圖9 氣流通過滾輪空隙矢量圖

圖10 ~ 13是不同高度截面的氣流速度場分布圖。從圖中可以看出，由于供風口較低，速度場隨著高度的方向逐漸減小。在雙排滾輪維修高度（1 m）、人員高度（1.8 m）、剎車系統(tǒng)維修高度（2.25 m）、徑向滾輪軸承維修高度（5 m），除少量渦流存在外，氣流速度分布較均勻，能有效改善維修人員的工作環(huán)境。模擬計算出空氣流量約60%進入內軸承區(qū)域，約40%留在外軸承區(qū)域，氣流場的分布可實現目標區(qū)域有效的通風?？諝饬魍ㄐЧ己?，通風換氣目的達到。

圖10 1 m處氣流速度場分布云圖

雙排滾輪周圍區(qū)域個別處氣流流速較低，主要是離供風口較遠和供風量較低所致。為了優(yōu)化通風效果，可以考慮增加供風口數量，對供風口位置進行調整，使其更均勻地環(huán)繞外軸承區(qū)域分布；增加供風量，增大供風口尺寸。

圖11 1.8 m處氣流速度場分布云圖

圖12 2.25 m處氣流速度場分布云圖

圖13 5 m處氣流速度場分布云圖

4 結 語

FPSO內轉塔結構型式很多，通風區(qū)域及技術要求各有不同，本文就某一型式內轉塔的通風系統(tǒng)進行分析，提出一種FPSO內轉塔通風系統(tǒng)的設計方案，并進行計算流體動力學（CFD）數值模擬。主要結論如下：

（1）通風系統(tǒng)設計創(chuàng)新性地利用軸承滾輪空隙和內轉塔自身開口。供風風管布置在內轉塔外部，供風口僅布置在外軸承區(qū)域，內轉塔主軸承滾輪之間空隙較大，氣流可以通過空隙進入內軸承區(qū)域。排風口采用內轉塔自帶環(huán)形空隙、錨鏈艙口和塔筒進出口。內轉塔區(qū)域無需通風風管和通風設備，通風系統(tǒng)不占用內轉塔空間。

（2）供風口均勻環(huán)繞布置在外軸承區(qū)域，高度與滾輪空隙高度一致。

（3）為了優(yōu)化通風效果，可以考慮增加供風口數量，從而增加供風量。

目前少數國外公司掌握了內轉塔的大部分技術和專利，對國內長期進行技術封鎖。本文邊界條件設定的設計風量基于項目需要，CFD數值模擬所獲得的結論與常規(guī)應用的偏差需要進一步研究。本文創(chuàng)新提出一種FPSO內轉塔通風系統(tǒng)的設計方案，并進行CFD數值模擬，提供設計思路和工程解決方案，對于未來中國自主設計FPSO內轉塔有重要意義并積累了寶貴經驗。