葉作霖，歐宇鈞，蔣健，朱沫，林海英，張建飛

(1．中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518054；2．中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518054；3．北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

原油發(fā)電機(jī)在工作中會產(chǎn)生的大量煙氣，在無風(fēng)或風(fēng)速較小的情況下彌漫在平臺周圍，在一定程度上對生活區(qū)和飛行甲板造成影響，同時會影響人員健康。為使煙氣盡可能遠(yuǎn)離平臺，目前一般采取延長排煙管或使用水噴淋的方法。延長排煙管可能增加主機(jī)背壓，水噴淋系統(tǒng)在高溫下易出現(xiàn)海水結(jié)晶，維護(hù)保養(yǎng)困難。而排煙噴射裝置因結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)，在降低煙霧對海洋平臺的影響中起到了至關(guān)重要的作用。噴射系統(tǒng)安裝在主機(jī)排煙管尾部，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)氣流與發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的尾氣在煙道前端混合后，高速噴射至平臺外側(cè)，流道設(shè)計是整個裝置的核心?？紤]用數(shù)值模擬的方法，對噴射裝置煙道進(jìn)行模擬，分析主要影響因素，調(diào)整噴射裝置的設(shè)計參數(shù)，為排煙噴射裝置設(shè)計制供根據(jù)。

1 研究對象

以原油發(fā)電機(jī)的排煙噴射裝置為基礎(chǔ)模型，為了便于網(wǎng)格繪制和數(shù)值計算，對整個裝置流道進(jìn)行簡化，取消法蘭接口和內(nèi)部短小支撐板，三維模型見圖1。

圖1 簡化后的排煙噴射裝置模型

2 物理模型及數(shù)值計算

2.1 計算模型及網(wǎng)格劃分

繪制簡化模型管道內(nèi)流場的混合網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約500萬量級，模型表面網(wǎng)格見圖2。

圖2 模型表面網(wǎng)格示意

遠(yuǎn)場網(wǎng)格見圖3，為了更好地捕捉噴射流場特性和提高計算的精度，對遠(yuǎn)場網(wǎng)格的中心流動區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)加密，周圍區(qū)域網(wǎng)格逐漸由密到疏逐漸展開，以期在滿足計算精度的情況下減少數(shù)值計算的時間。

圖3 遠(yuǎn)場網(wǎng)格示意

2.2 數(shù)值計算及邊界條件設(shè)置

使用Ansys Fluent軟件進(jìn)行計算，選擇3D模型，氣體采用理想氣體，湍流格式選擇S-A方程，速度入口，壓力出口，無滑移絕熱壁面。以試驗記錄參數(shù)為設(shè)置基準(zhǔn)，簡化入口邊界條件，以不同的入口速度等效風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下流量輸入，分別模擬在25%、50%、75%和100%主機(jī)負(fù)荷狀態(tài)下的流場特性，初始方案輸入條件見表1。

表1 初始方案輸入條件

3 初始方案計算分析

分別提取出口體積流量、出口平均速度和出口溫度參數(shù)作為輸出數(shù)據(jù)。主機(jī)在不同負(fù)荷下數(shù)值模擬結(jié)果見表2。

表2 初始方案數(shù)值模擬結(jié)果(出口處)

對比出口速度可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果較試驗測試數(shù)據(jù)整體偏小，分析認(rèn)為偏差主要有以下幾個原因。

1)計算模型簡化。減少了部分非重要的細(xì)節(jié)，計算模型管壁為無滑移絕熱壁面，不參與熱傳導(dǎo)；而真實情況下，煙道金屬壁面存在熱交換和擴(kuò)散，影響不同區(qū)域氣體溫度和氣體密度，從而帶來結(jié)果偏差。

2)輸入條件簡化。試驗中風(fēng)機(jī)入口的真實流場為非定常有旋流，而計算時采用勻速的速度入口，僅用環(huán)境溫度和入口速度模擬風(fēng)機(jī)真實氣流，入口環(huán)境的不同對出口流場特性會對模擬結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響。

3)試驗數(shù)據(jù)偏差。數(shù)值模擬狀態(tài)下，可以準(zhǔn)確計算空間流域中每個截面的平均速度，溫度變化。而試驗狀態(tài)下，主要對某些位置的數(shù)據(jù)點進(jìn)行測量，通過對采集點的數(shù)據(jù)平均得到速度、溫度、壓力的試驗參數(shù)，由于測量點位置選取的不同和數(shù)據(jù)讀取偏差，無法得到真實的截面平均速度。

對比數(shù)值模擬結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)可以看出，計算數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，不同的入口條件下，出口的計算結(jié)果差量穩(wěn)定，一方面說明該計算模型的數(shù)值模擬結(jié)果可以反映出試驗條件下不同入口條件下的管道流場變化特性；另一方面說明在初始方案的基礎(chǔ)上，可以使用該計算模型對初始方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

對管道內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到管道內(nèi)流剖面的速度云圖、溫度云圖和空間流線圖，見圖4、5。

從圖4、5可見，煙道內(nèi)、溫度、速度基本不變，但在煙道出口處，由于煙氣與風(fēng)機(jī)入口來風(fēng)混合，前端速度明顯增大。

圖4 管道縱剖面速度云圖和流線圖

圖5 管道縱剖面溫度云圖和壓力云圖

4 方案設(shè)計優(yōu)化

4.1 方案設(shè)計

在初始方案基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有外形尺寸的約束，對管道方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并針對不同方案的噴射效果進(jìn)行數(shù)值模擬，對比分析管道內(nèi)流場特性及遠(yuǎn)場流場變化。

如圖6中圓圈區(qū)域所示，初始方案在該處形成死水區(qū)，造成入口能量的消耗，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)功率消耗，且該處結(jié)構(gòu)冗余，增加了不必要的結(jié)構(gòu)重量。

圖6 初始方案管道內(nèi)流場

對初始方案的氣流流道進(jìn)行平滑處理，減少流道內(nèi)直角和死水區(qū)的存在，盡量避免因氣體在流動過程中形成漩渦而導(dǎo)致能量損失，改善高速氣流流通環(huán)境，形成3種設(shè)計方案，見圖7。

圖7 優(yōu)化方案模型

方案一，考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造成本，將轉(zhuǎn)角部分簡化為直線轉(zhuǎn)角，同時考慮到海上安裝空間等因素，將排煙道的外部管道直徑縮減為1.4 m，內(nèi)部煙道直徑相應(yīng)縮減為0.85 m。

方案二，保留初始方案中煙道直徑1.016 m，僅對引射排煙段的管道外壁進(jìn)行相應(yīng)壓縮。相比方案一，對管道出口直徑有相應(yīng)的放大。

方案三，考慮到現(xiàn)場安裝情況及主機(jī)背壓，將管道可用外徑擴(kuò)充至1.5 m，內(nèi)部煙道直徑仍為1.016 m。

4.2 數(shù)值計算及對比

3個方案煙道入口條件與初始方案相同，考慮所選用的國產(chǎn)風(fēng)機(jī)可用能力增強(qiáng)，對風(fēng)扇入口條件進(jìn)行適當(dāng)修改，增加風(fēng)機(jī)功率，以期能夠得到更好的噴射效果，結(jié)合裝置使用區(qū)域環(huán)境溫度范圍，對外場的環(huán)境溫度進(jìn)行修改，由原始的15.0 ℃改為24.0 ℃，輸入條件見表3。

表3 優(yōu)化方案輸入條件

3個方案各狀態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果見表4。

表4 優(yōu)化方案數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計出口處

從表4可見，方案一的出口速度最大，主要原因在于出口截面積的減小，使得在相同流量的情況下，出口平均速度更大，噴射距離也更遠(yuǎn)。數(shù)值模擬中的輸入條件為速度入口，即入口流量各方案均相同，在方案一出口面積相對方案二在縮小近40%的情況下，相同出口流量時，出口平均速度平均增加接近60%。

方案二和方案三的出口速度和體積流量相近，數(shù)據(jù)偏差較小。這主要是因為管道中氣流速度較小，屬于低速氣流，流體可視為不可壓縮流，且這兩個方案的入口條件相同，出口截面積也相同，僅有外壁尺寸的差異，故方案二和方案三最終得到的數(shù)值模擬出口數(shù)據(jù)平均值相差不大。

4.3 無風(fēng)條件下噴射效果

分析速度云圖和管道噴射流線，對比遠(yuǎn)場速度分布和流線的擴(kuò)散范圍，對應(yīng)解釋噴射后氣體可能噴射的距離和影響范圍。后處理過程中分別對初始方案與3個方案主機(jī)75%運(yùn)行工作狀態(tài)的空間流場速度云圖和噴射流線剖面進(jìn)行提取見圖8、9。

圖8 不同方案數(shù)值模擬結(jié)果速度云

如圖8所示，初始方案及3個方案在30.0 m的距離，均能保持1.0 m/s以上的速度趨勢，所以單以噴射距離來看，各方案都基本可以滿足15.0 m以上噴射距離的要求。但在相同的距離位置，方案一氣體的流動速度>方案二/方案三>初始方案，這與4個方案出口的平均速度變化趨勢一致。

從圖9可見：方案一的煙道集束效果最好，能夠在較遠(yuǎn)的距離依然保持較小的煙氣擴(kuò)散半徑。方案二和方案三的空間速度場雖然有較大的“開叉”，但整體煙流的擴(kuò)散趨勢和擴(kuò)散范圍并不大，方案三略優(yōu)于方案二。

圖9 不同方案數(shù)值模擬結(jié)果流線

4.4 側(cè)風(fēng)6級噴射效果

按6級側(cè)風(fēng)對3個方案進(jìn)行側(cè)風(fēng)影響的計算。6級風(fēng)的風(fēng)速范圍約為10.8～13.8 m/s，計算中選取中間值12.0 m/s作為計算輸入條件，其余輸入條件見表5。

表5 側(cè)風(fēng)6級輸入條件

計算結(jié)果見表6，與表4相比，側(cè)風(fēng)對煙道出口的體積流量、速度和溫度影響都較小，對排煙的速率的影響不明顯。

表6 側(cè)風(fēng)6級數(shù)值模擬結(jié)果(出口處)

6級側(cè)風(fēng)下，空間流場剖面的速度云圖見圖10。從煙道遠(yuǎn)場的速度云圖可以看出，由于遠(yuǎn)場噴射氣流的速度衰減，在側(cè)風(fēng)的影響下，當(dāng)噴射距離達(dá)到10.0 m左右后，氣流的整體走向被側(cè)風(fēng)主導(dǎo)，在有限空間內(nèi)，不會達(dá)到更遠(yuǎn)的距離。

圖10 6級側(cè)風(fēng)不同方案數(shù)值模擬結(jié)果速度

5 現(xiàn)場試驗驗證

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合主機(jī)背壓要求和現(xiàn)場安裝空間大小，在滿足噴射效果的情況下，采取方案三進(jìn)行設(shè)備制造、陸地和海上安裝試驗。

陸地試驗過程中，在環(huán)境風(fēng)速為1.0 m/s左右，主機(jī)空載情況時，打開噴射裝置，煙霧噴射距離為20.0 m左右，出口速度為18.0 m/s左右，測試速度較計算結(jié)果偏小，但仍可滿足噴射距離要求。

在海上進(jìn)行試驗，由于海上季風(fēng)，試驗未能在無風(fēng)條件下進(jìn)行。5級側(cè)向時，主機(jī)空載時噴射距離為6.0～7.0 m，但當(dāng)側(cè)向來風(fēng)大于6級時，煙霧基本被側(cè)向來風(fēng)主導(dǎo)，與計算趨勢基本一致。

6 結(jié)論

1)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)風(fēng)量一定，引射排煙段內(nèi)筒管徑縮小40%時，出口噴射速度平均增加接近60%，內(nèi)筒直徑對出口噴射速度影響顯著，而外筒直徑大小對出口噴射速度的影響不明顯。理論上認(rèn)為可通過減小內(nèi)筒直徑以提高噴射效果，但需要考慮到內(nèi)筒直徑減小后對主機(jī)背壓的影響。

2)在6級側(cè)風(fēng)，主機(jī)75%運(yùn)行狀態(tài)下，側(cè)風(fēng)對排煙的出口速度產(chǎn)生明顯的影響較小，但當(dāng)噴射距離達(dá)到10.0 m左右之后，氣流的整體走向開始被側(cè)風(fēng)主導(dǎo)，在有限空間內(nèi)，不會噴射達(dá)到更遠(yuǎn)的距離。與現(xiàn)場試驗趨勢基本一致，說明側(cè)風(fēng)是影響噴射距離的主要因素，但當(dāng)風(fēng)速較大時，煙霧也隨之被吹散。

3)海洋平臺的主機(jī)數(shù)一般為3～6臺，排煙管較多。在設(shè)計時，如何做到統(tǒng)籌規(guī)劃，實現(xiàn)以最少的裝置解決所有排煙管道煙氣問題是研究的重點。