海上石油平台热介质锅炉烟羽影响分析

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(湛江南海西部石油勘察设计有限公司,湛江 524057)

热介质锅炉的主要工作原理是：热介质油经循环泵加压，进入锅炉盘管后被加热，然后输送至换热器，通过换热器与原油进行热能传递；换热后，冷的热介质油回流至热油膨胀罐，如此反复循环，提供稳定的热源[1]。为了保证热介质锅炉持续运转，热介质锅炉一般都采用双燃料形式，柴油/天然气或柴油/原油。燃料在加热炉炉膛内燃烧，产生热量，并分别以辐射和对流形式将热量传递给作为中间载热体的热介质油[2]。热介质锅炉燃烧产生的废气可能会对作业环境和操作人员带来一定的风险，有必要对烟气排放做专题研究，并根据研究结果调整烟气排放路径。

以WZ12-1PUQB平台热介质锅炉烟羽分析为例，介绍一种热介质锅炉烟羽影响分析的方法和步骤。

1 项目情况介绍

WZ12-1PUQB下层甲板东侧布置2台1万kW的热介质锅炉用来加热主工艺流程中的导热油，燃烧介质为天然气和柴油。烟气排放考虑引到甲板东侧舷边，并向下扎入至MSF甲板以下，距离甲板面5 430 mm。

2 分析方法

通过计算流体力学(CFD)的方法对不同工况下烟羽扩散状态进行模拟计算，分析其对周边设施的影响，并提出建议措施。方法一般步骤如下。

1)采集资料，包括设计资料和图纸，相关烟气参数。

2)分析评估标准的选取。

3)几何模型的建立。

4)确定计算区域的边界条件。

5)利用CFD软件进行各种工况下烟羽二维模拟计算，进行初步分析。

6)利用CFD软件进行各种工况下烟羽三维模拟计算，进行精确分析。

2.1 收集资料

收集相关工艺流程图、PID、环境资料、设备布置图和烟气相关参数。烟气排放量最大时相关参数见表1，烟气组分见表2。

表1 烟气参数

表2 烟气组分

注：N·m3，是指在0摄氏度1个标准大气压下的气体体积。

2.2 分析评估标准

2.2.1 烟气溶度影响

由于热介质锅炉燃烧介质为天然气和柴油，对烟气排放污染物的影响评估主要考虑到二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳和氧气的浓度，下面对污染物进行分析。

根据表2烟气组分表可知，二氧化硫和氮氧化物的溶度太低，表中没有体现，可忽略不计。

对于二氧化碳，根据《美国采暖制冷与空调工程师学会手册》，二氧化碳浓度与人体健康关系如下。

1)二氧化碳浓度低于0.06%(体积百分比)，对人无影响。

2)二氧化碳浓度在0.06%～0.10%(体积百分比)，对人的影响为头痛、昏睡、闷热。

3)二氧化碳浓度高于0.10% (体积百分比)，对人的影响为头痛、昏睡、闷热频繁。

另根据相关行业标准，CO2的浓度限制值为0.50%(体积百分比)。

对于氧气，根据《美国采暖制冷与空调工程师学会手册》，氧气浓度与人体健康关系见表3。

表3 氧气浓度与人体健康关系

2.2.2 温度的影响

锅炉烟囱附近温度的影响，主要表现在高温强辐射环境对人体健康的影响，根据文献[3]以及相关极端环境对人体健康影响的研究，人体可接受的热暴露极限时间是：体温为38～38.2 ℃时，容忍80～85 min；体温为39 ℃时，容忍40～45 min；在热极端环境下，会出现体温升高，心率加快，注意力降低等一系列生理反应。

2.3 几何模型的建立

通过UG NX 4.0建立三维几何模型，轴测图和主视图分别见图1和图2。

图1 锅炉的轴测图

图2 锅炉的主视图

2.4 边界条件及周围影响区域的确定

考虑长×宽×高：160 m×160 m×100 m影响区域，影响区域及边界条件见图3。

图3 影响区域及边界条件

考虑并简化烟囱附件区域和生活楼模块，见图4。

图4 烟囱附近影响区域简化示意

2.5 二维数值模拟计算及分析

分析利用流体力学分析软件FLUENT进行模拟计算。采用结构化网格，在锅炉壁面、烟囱壁面和海平面附近加密，网格数大小为15 732。结构化网格划分见图5。

图5 二维网格结构划分

根据热介质锅炉布置情况，结合平台风向分布,分别选取计算算例为东风2、25 m/s，西风2、25 m/s共4种情况进行分析。

以东风2 m/s算例分析为例，分别进行温度场模拟、RO2浓度场模拟，烟气溶度场模拟、氧气溶度场模拟，得出温度分布图、RO2浓度分布图、烟气浓度分布图、氧气浓度分布图、烟囱附近流体流动图,见图6～10。

图6 温度分布

图7 RO2溶度分布

图8 烟气浓度分布

图9 氧气浓度分布

图10 烟囱附近流体流动分布

东风2、25 m/s，西风2、25 m/s的计算结果统计见表4～7。

表4 东风(2 m/s)算例结算结果统计

表5 东风(25 m/s)算例结算结果统计

表6 西风(2 m/s)算例结算结果统计

表7 西风(25 m/s)算例结算结果统计表

通过以上二维模拟计算结果分析，可以得出以下几点结论。

1)东风对操作平台和住人平台的影响远大于同样风速的西风对操作平台和住人平台的影响，即东风情况下，操作平台和住人平台的温度较高，烟气浓度和RO2浓度较高，氧气浓度较低。

2)微风对于操作平台和住人平台的影响大于同样风向的强风对操作平台和住人平台的影响。即相对于强风，微风情况下，操作平台和住人平台的温度较高，烟气浓度和RO2浓度较高，氧气浓度较低。

3)东风(2 m/s)时，操作平台4个测量点温度、二氧化碳溶度，以及氧气溶度均超出规范规定值，对操作人员的健康带来危害。尤其是Pc1测量点，温度高达94 ℃，二氧化碳溶度高达2.61%，氧气溶度低至15.41%。因此，有必要进行三维数值模拟精确计算分析。

2.6 三维数值模拟计算及分析

通过FLUENT软件模拟，网格数量拟定为502 602，采用非结构化网格，网格锅炉壁面、烟囱壁面和海平面附近加密。三维非结构网格见图11～13。

图11 三维结构的x-z网格划分

图12 三维结构的y-z网格划分

图13 三维结构的x-y-z网格划分

通过二维模拟计算结果可知，东风对操作平台和住人平台的影响远大于同样风速的西风对操作平台和住人平台的影响。因此，将对分别选取计算算例为东风2、25 m/s、0.2 m/s共3种情况进行三维模拟计算分析。

以东风2 m/s分析为例，温度场计算在两个锅炉的中心截面进行切片，切片云图见图14。烟气浓度场计算在2个锅炉的中心截面进行切片，切片云图见图15。

图14 三维结构的温度切片云

抽取锅炉boiler1和boiler2烟囱中心截面(y=3.2 m或y=-3.2 m) 计算结果，温度分布图、RO2浓度分布图、烟气浓度分布图、氧气浓度分布见图18～21。

图16 (y=3.2 m或y=-3.2 m)温度分布

图17 (y=3.2 m或y=-3.2 m)RO2浓度分布分布

抽取两台锅炉boiler1和boiler2之间中心截面(y=0 m) 计算结果，温度分布图、RO2浓度分布图、烟气浓度分布图、氧气浓度分布图分别见图20～23。

东风2 m/s时，锅炉boiler1和boiler2烟囱中心截面(y=3.2 m或y=-3.2 m)计算结果见表8，boiler1和boiler2之间中心截面(y=0 m截面)计算结果见表9。

图18 (y=3.2 m或y=-3.2 m)烟气浓度分布

图19 (y=3.2 m或y=-3.2 m) 氧气浓度分布

图20 (y=0 m)温度分布

图21 (y=0 m)RO2浓度分布分布

图22 (y=0 m) 烟气浓度分布

图23 (y=0 m) 氧气浓度分布

区域点名称x/my/mz/mt/℃RO2/%GasE/%O2/%操作平台P1c4.26-3.2-12.6340.00.202.0820.56P2c10.96-3.2-7.1338.10.121.2320.74P3c18.01-3.2-7.1338.10.131.3620.71P4c18.01-3.2-1.9735.40021.00住人平台X1c21.22-3.2 19.1735.40021.00X2c33.00-3.2 19.1735.40021.00X3c21.22-3.2 30.6935.40021.00X4c33.00-3.2 30.6935.40021.00

表9 东风2 m/s，锅炉boiler1和boiler2之间中心截面(y=0截面) 计算结果统计

东风25 m/s时，锅炉boiler1和boiler2烟囱中心截面(y=3.2 m或y=-3.2 m)计算结果见表10，boiler1和boiler2之间中心截面(y=0 m截面)计算结果见表11。

东风0.2 m/s时，锅炉boiler1和boiler2烟囱中心截面(y=3.2 m或y=-3.2 m)计算结果见表12，boiler1和boiler2之间中心截面(y=0 m截面)计算结果见表13。

表10 东风25 m/s，锅炉boiler1和boiler2烟囱中心截面(y=3.2 m或-3.2 m)计算结果统计

表11 东风25 m/s，锅炉boiler1和boiler2之间中心截面(y=0截面) 计算结果统计)计算结果统计

表12 东风0.2 m/s，锅炉boiler1和boiler2烟囱中心截面(y=3.2 m或-3.2 m)计算结果统计

表13 东风0.2 m/s，锅炉boiler1和boiler2之间中心截面(y=0截面) 计算结果统计

通过以上三维模拟计算以及对比二维模拟计算结果，可以得出以下几点结论。

1)所有算例中，烟气对生活楼模块几乎没有影响。

2)所有算例中，烟气对操作平台影响较小。对操作平台影响最大的情况为接近于无风情况下(东风0.2 m/s)，此时，操作平台区域中，P2c点温度最高，为46 ℃，烟气浓度、RO2浓度和氧气浓度分别为4.42%，0.43%和20.07%。

3)根据GB/T4200-2008，当操作平台区域温度大于40 ℃，需要注意高温防护措施；当操作平台的RO2浓度大于0.06%时，需要注意工作时间。所有算例的RO2浓度均小于0.5%，满足CO2的浓度限制值要求。

4)相对于其它截面，两台锅炉的中心截面处(y=3.2 m或-3.2 m) 温度、烟气浓度和RO2浓度值最高，氧气浓度最小。

5)增加流体的耗散有利于降低烟气的温度，减小烟气和RO2的浓度提高氧气的浓度。因此需要保证烟囱排放口附近流体畅通，减小流动阻力。

6)周围框架结构对烟气的耗散有一定的影响，因此，烟囱附近区域流体的实际温度、烟气浓度、RO2浓度将略高于计算结果，而实际氧气浓度略小于计算结果。

7)二维数值计算温度、烟气浓度和RO2浓度值大于相应的三维数值计算结果，氧气浓度小于相应的三维数值计算结果。如东风2 m/s时，二维数值计算P1c点的温度、烟气浓度、RO2浓度和氧气浓度分别为94 ℃，26.62%，2.61%和15.41%，而相应的三维数值计算P1c点(y=3.2 m或-3.2 m)的温度、烟气浓度、RO2浓度和氧气浓度分别为40 ℃，2.08%，0.2%和20.56%。

3 结论

1)二维数值模拟计算是初步分析，不能得出较准确的数值。但可以预测流体趋势，也可以为三维数值模拟计算提供参考，减少了不必要的计算。

2)二维数值模拟计算结果较三维数值模拟计算结果保守，如果二维数值模拟计算结果满足规范要求，可以不进行三维数值模拟计算。但是如果需要得出较准确的数值，需进行三维数值模拟计算。

所以，一般利用CFD方法进行烟羽影响分析，先进行二维数值模拟计算，根据二维数值模拟计算结果以及项目具体情况再决定是否进行三维数值模拟计算。本项目通过计算流体力学的方法对WZ12-1PUQB平台热介质锅炉的烟羽进行了详尽的分析，保证了平台操作人员和设备运行的安全，也可为类似项目烟羽分析提供借鉴和参考。

[1] 唐德佳.热介质锅炉故障检修和保养方法研究[J].中国石油和化工标准与质量,2011，31(6)：106.

[2] 董海杰.海上油田热介质锅炉常见故障浅析[J].设备管理与维修,2011，16(12)：32-33.