原油发电机排烟喷射装置研制与应用

朱 沫，叶作霖，欧宇钧，张 军，黎 昵，吴 伟

（1.中海油能源发展装备技术有限公司深圳分公司，深圳，518054；2.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，深圳，518054）

0 引 言

原油发电机在工作过程中会产生大量烟气，若排气方案设置不当，在无风或风速较小的情况下，烟气可能弥漫在起居场所，即使烟气排放满足排放标准，如果人员长期吸入，依旧会对人体身心健康产生影响；同时由于烟气弥漫在海洋平台周围，可能影响海上吊机、直升机平台等正常工作，给海上施工带来安全隐患［1-3］。因此，需要对烟管进行适应性改造，在满足主机工况的条件下，尽可能地减少烟气对平台的影响。

在前期设计阶段，一般将烟管出口布置在平台所在区域的下风向，有利于使烟气远离平台［4］。某些海洋平台则根据环境风向和烟气特点，采用不同排烟方向的布置，当海洋风向发生变化时，适当调节排烟方向，保证烟气不会被海风吹回平台，对平台环境产生影响［5］。

为了减小烟雾对平台的影响，在平台改造阶段，最常见的方式是延长烟管，但烟管长度会受到平台结构的限制，不一定可延长至舷外，因此某些平台在排烟管尾部安装喷淋系统，以对烟雾进行压制、降温和清洁［6］，但喷淋系统在使用过程中容易出现喷口堵塞，后期维护保养相对困难的问题且易形成结晶体。

通过对排烟喷射装置进行设计和研制，并进行陆地试验和海上安装使用，提供一种既操作维护简单，又可使烟气喷射远离平台的设备，在无风或海上风速较小的情况下，保障海上人员健康和安全生产。

1 排烟喷射装置工作原理

在排烟管尾部安装独立的尾气喷射系统。喷射装置中的风机产生强气流与发电机组产生的尾气在烟道前端混合，高速喷射至平台外侧一定距离的区域。在强气流与尾气混合过程中，尾气的浓度和温度也随之降低，同时烟气也可排放至较远距离，可有效减少烟气飘回平台区域的机会，工作图如图1所示。

图1 排烟喷射装置工作图Fig.1 Working drawing of exhaust smoke injection device

2 方案设计

2.1 总体方案

如图2所示，排烟喷射装置由进气段、风扇段和引射排烟段组成。百叶窗为进气段，设置挡雨板以满足海上平台防雨要求；风扇段作为整个排烟装置的喷射介质动力源，应满足风量、流速等要求；引射排烟段由内筒和外筒构成，组成引射排烟段内涵道和外涵道，其中外筒出口处采用锥形收口，可提高流速并降低压力；在外筒收口前部设置排水孔。设备需要耐高温，主机50%负荷时，排烟温度为360～379℃，排烟管出口直径为1 016 mm×10 mm，同时由于受安装空间限制，喷射装置最大外径小于1.5 m，同时烟雾喷射需喷射距平台15.0 m以上距离。

图2 总体方案图Fig.2 Drawing of general design

2.2 流道设计

通过对流道进行优化和数值模拟分析，模拟喷射装置的喷射效果。在计算过程中，为了便于绘制网格和提高计算效率，简化对于计算影响较小的法兰和内部撑板等结构，建立网格计算模型，如图3所示。

图3 排烟喷射装置网格图Fig.3 Grid diagram of exhaust smoke injection device

在主机负荷为25%、50%、75%、100%的工况下，分别对排烟喷射装置进行数值计算，结果表明在内筒直径保持与排烟管一致，外筒直径扩充大限定值为1.5 m时，可满足15～30 m喷射距离的要求，同时排出的烟气能保持较好的集束效果。

同时针对侧风影响的问题，在6级侧风影响的情况下，在远场由于喷射气流的速度衰减，喷射距离为7.0 m左右后，气流的整体走向被侧风主导，在有限空间内，不会喷射至更远的距离。

2.3 风机选型

风机选型应考虑安装位置、流量大小、认证要求等。考虑到喷射装置最大外径为1.5 m，为便于2个管道直角对接安装，风机管道直径应不大于1.5 m，结合风机产品系列直径，选用1.2 m直径风机。流量大小则以流道优化设计分析结果为依据，按风机流量需求进行选型，在主机25%工作状态下16.0 m/s的风扇入口速度为最大速度，换算成流量需求为65 111 m3/h，风机从获得中国船级社（CCS）认证的风机产品中选取。

2.4 结构设计

结构设计以结构工艺简单、安装方便为原则，同时考虑各部件功能尽量独立，设置工艺分离面及安装对接面。

排烟喷射装置由百叶窗总成、轴流风机、排烟道总成组成，三部分通过对接法兰实现连接，增强了紧固件之间的连接强度，提高了安装的可适应性，各部分结构组成如图4所示。

图4 结构组成图Fig.4 Drawing of structural composition

（1）百叶窗总成由百叶窗外框、连接法兰、内部挡雨板、内部进气结构、吊耳、固定支座组成，其中挡雨板、防雨格栅与百叶窗外框采用螺栓连接，其余结构均采用焊接连接。

（2）轴流风机采用防爆、无火花型成品风机，风机筒身焊接吊装耳片及固定支座。

（3）排烟道总成由内风管、外风管、外锥管、内支撑板、导风板、垂直进气道、连接法兰、固定支座、吊装耳片组成，各组件采用焊接连接。

3 设备的其他性能要求

3.1 设备振动分析

整个排烟设备固定点共11处，整机不会产生大的振动，对于设备连接的烟管也不会产生较大影响。可能的振动源为轴流风机，轴流风机在出厂前应进行动平衡校核，以减少风机在运行中的振动，根据一般离心式/轴流式通风机振动判别标准（JBTQ334—87），振动值≤5.0 mm/s为良好。

若在实际运行过程中设备产生的振动对排烟管道产生影响，考虑振动主要为轴流风机所致，可在风机段与百叶窗段、排烟装置段法兰连接处增加聚氨酯减振垫，也可在风机固定点增加聚氨酯减振垫隔离风机振动。

3.2 设备对主机背压影响

在流道设计时通过对流道进行优化设计，选取了跟原排烟管直径一致的内管流道，理论上在轴流风机不运行时对主机工作无影响，设备安装前应对整个排烟系统进行背压计算校核，满足要求后才可进行设计制造。

4 排烟喷射装置制造及检验要求

基于海上环境复杂，易对结构产生腐蚀，设备主体结构采用316L不锈钢进行制造。主体结构采用焊接完成，焊接工艺应满足管道及相关结构设施的焊接标准，法兰等部位则采用不锈钢螺栓连接。

对排烟喷射装置进行检验核查，以满足基本的外观和结构设计，主要包含如下内容：

（1）对设备进行外观检查，检查是否有明显的变形、擦伤、破损等［7］。

（2）测量设备尺寸与设计文件是否一致，尺寸偏差是否满足设计要求。

（3）对设备的水平度进行测量，保证流道的水平度。

如检验不合格，需要对装置进行整改，直到满足制造和设计要求，才可进行现场试验。

5 现场试验

5.1 陆地试验

对排烟喷射装置进行陆地试验时需要测量设备的振动、噪声、风速以及喷射烟雾的距离，以检验组装试用后是否满足设计要求。

百叶窗总成安装在钢制底座上，设备整体采用支架支撑，均通过螺栓与支座连接。组装完成后，应保证排烟道基本水平，陆地试验安装如图5所示。

图5 陆地试验安装图Fig.5 Assembly picture of terrestrial test

以烟饼燃烧产生的烟雾模拟主机空载情况下的烟雾喷射效果，试验结果表明，在环境风速为1.0 m/s左右时，烟雾可喷射20.0 m左右，噪声最大为90 dB，振动为2.0 mm/s以下。试验表明，在无风或风速较小条件下，喷射系统能将烟气喷射出15.0m或以上距离的要求，现场试验如图6所示。在陆地试验过程中，当侧向来风大于6级时，整个烟雾易被侧风引导。

图6 陆地试验图Fig.6 Photo of terrestrial test

5.2 海上试验

试验时注意风机先启后停，在主机停止后，风机继续运转以降低烟雾的高温对风机和电机的损害（延迟关停），也可以手动停止。由于试验时处于冬季，受季风影响较大，在侧向来风为5级时，主机在空载工况下的喷射距离为6～7 m，喷射效果如图7所示；但当侧向来风大于6级时，烟雾基本被侧向来风主导，与陆地试验基本一致，设备整体振动在3.0 mm/s以下。因此在后续优化过程中，可适当提高设备抵抗侧向来风的能力。

图7 主机空载喷射效果图（风速为20 kn）Fig.7 Effect of no-load injection of main engine（at a wind speed of 20 knots）

6 结 语

设计和研制的排烟喷射装置满足在无风或风速较小条件下烟气排放到15 m以上的设计要求，有利于烟气迅速远离平台，保障了平台安全生产和人员健康。通过对喷射装置进行研制和试验，为改善平台工作环境提供了一种方案和设备。在后续推广过程中，在前期分析时可对流道进行进一步优化，以增强烟雾集束效果，增强风压，可适当增强对侧风的抵抗力。