南海某平台泥浆泵高温烟气风险评估

2022-03-23 07:44陈保川蔡鹏冯猛
化工管理 2022年7期
关键词:排烟口吊机风速

陈保川,蔡鹏,冯猛

(1.中海石油(中国)有限公司湛江分公司,广东 湛江 524057; 2.中海油安全技术服务有限公司湛江分公司,广东 湛江 524057)

0 引言

结合南海某平台泥浆泵柴油机设计与运行资料,通过有限元软件建立平台泥浆泵柴油机高温排烟场景的物理模型和数学模型[1-3],基于软件内置的湍流模型、对流换热、热辐射和能量模型,计算得到3台泥浆泵柴油机同时运行状态下产生的高温烟气排放在周围区域形成的氧气浓度场和温度场分布,根据相应的伤害判定准则[4-11],评估平台泥浆泵柴油机高温烟气是否会对吊机驾驶室区域造成安全隐患。

1 泥浆泵柴油机尾气扩散模型建立

结合平台上部甲板平面布置图及泥浆泵柴油机的设计参数,为简化计算,提高分析效率,主要针对位于上部甲板的3台泥浆泵柴油机及排烟管、吊机底座进行实体建模。并划分网格,建立泥浆泵柴油机排烟管的物理模型和网格模型,建立相应的数学计算模型。平台上部甲板上的其他设备以及周围其他设施对计算结果的影响在模型中可以忽略。为确保软件模拟结果的网格无关性和准确性,通过多次试算并对比分析关键参数的差异,并综合考虑计算负荷与计算结果可靠性之间的平衡,最终选定的整个计算域尺寸为120 m×100 m×80 m,对3台泥浆泵柴油机排烟口附近区域进行局部加密,以捕捉计算参数的快速变化,网格单元总数为2 232 956。

模型采用自适应网格划分和局部网格加密对仿真模型进行网格划分。网格类型选择为四面体非结构化网格。对柴油机排烟管和柴油机排烟口处的网格进行加密,从而保证仿真过程中柴油机排烟口处的尾气扩散精度。由于影响计算精度的因素是网格质量,而不是网格数量。因此,网格划分过程中需保证网格质量。当网格质量中的Orthogonal Quality大于0.2和Skewness小于0.8时,网格质量较好,计算精度较高。

2 泥浆泵柴油机尾气扩散数值模拟

2.1 参数设置

经过现场调研,收集了平台平面布置图、所在区域的气象参数及泥浆泵柴油机的运行参数等信息,在极端工况下柴油机有害尾气排气量为4 067.11 kg/h,计算过程中的柴油机尾气流量为1.13 kg/s。在柴油机尾气排放过程中,从柴油机排气口排出的尾气温度高达300 ℃,而环境温度在32 ℃左右。因此,仿真过程需要借助能量方程计算尾气的能量传递及热交换。柴油机尾气在风的作用下做不规则运动,有垂直于出口方向的分速度产生。因此,柴油机尾气扩散为湍流流动。仿真选择应用最为广泛的k-epsilon湍流模型,气体扩散模型选择组分运输模型。主要针对尾气中的有害气体扩散进行研究,尾气主要包含二氧化碳和氮气,两者占比95%以上,其他气体对气体扩散规律影响较小,因此气体的主要组分为二氧化碳和氮气为主。尾气入口采用流量入口边界;出口采用压力出口边界;风向入口采用速度入口边界。

由于主要考虑高温烟气对吊机顶部驾驶室的影响,因此,简化并确定了数值模拟所用的基本参数,如表1所示。

表1 环境气相和高温烟气参数

为了验证网格收敛性,通过对风速分别为1 m/s、4 m/s和7 m/s时的工况进行仿真,观察其残差大小。为了得到准确的残差曲线,在稳态下进行仿真模拟。网格的收敛性主要依据连续性曲线残差值的大小。当连续性曲线的残差值低于10-3时,网格的收敛性较好。在仿真迭代到700次以后,连续性曲线的残差值小于10-3;当仿真迭代到1 000次时,连续性曲线的残差值接近10-4。

2.2 流体理论

液相流动问题都必须满足质量守恒方程、动量守恒方程、能力守恒方程。因此,质量守恒方程,即连续性方程如式(1)所示:

式中:ρ、t、u分别表示液相密度、时间以及液相速度。

动量守恒方程如式(2):

式中:f为单位质量力;ui表示i(x,y,z)方向的速度;μ为动量黏度;P为微元体上的压力。

能力守恒方程如式(3):

式中:cP为热熔;T为温度;k为流体的传热系数;ST为内热源及由于粘性作用流体机械能转化为内能部分。

3 计算结果与分析

3.1 烟气扩散范围和窒息区域

3.1.1 风速条件:1.0 m/s

根据吊机和3台泥浆泵柴油机排烟口的平面布局和相对位置,从最不利的角度考虑,选定最危险工况进行模拟研究,即风从排烟口吹向吊机位置,风速为1.0 m/s时,泥浆泵柴油机排烟口高温烟气的扩散方向即为吊机区域。通过三维数值模拟计算,分析其排出的高温烟气在下风向形成的空间扩散区域和烟气浓度场分布、氧气浓度场分布规律以及影响范围,评估是否会在吊机驾驶室位置形成窒息区域。根据GB/T 50493—2019,环境氧气的过氧报警值为23.5%VOL,环境欠氧报警值为19.5%VOL。因此将高温烟气形成的窒息区域以空间中氧气浓度低于19.5%VOL作为界定标准。如图1所示,是风速条件为1.0 m/s工况下3台泥浆泵柴油机排烟口排出的高温烟气形成的氧气浓度为19.5%的空间包络面。包络面内部区域氧气浓度均低于19.5%,属于潜在窒息区域,根据计算结果可知,潜在窒息区域从排烟口延伸至平台外侧约12 m,下风向延伸距离约为7.9 m,空间体积约为22.5 m3。根据上述分析和计算结果,该工况下3台泥浆泵柴油机排烟口排出的高温烟气形成的潜在窒息区域均为平台外部区域,在平台内部区域和吊机顶部驾驶室区域不会形成潜在窒息区域。

图1 风速1.0 m/s,氧气浓度19.5%

3.1.2 风速条件:4.0 m/s

当风速为4.0 m/s时,泥浆泵柴油机排烟口高温烟气的扩散方向仍为吊机区域,同样将高温烟气形成的窒息区域以空间中氧气浓度低于19.5%VOL作为界定标准。如图2所示,是风速条件为4.0 m/s工况下3台泥浆泵柴油机排烟口排出的高温烟气形成的氧气浓度为19.5%的空间包络面。包络面内部区域氧气浓度均低于19.5%,属于潜在窒息区域,根据计算结果,潜在窒息区域从排烟口延伸至平台外侧约4.2 m,下风向延伸距离约为6.4 m,空间体积约为13.5 m3。根据上述分析和计算结果,该工况下3台泥浆泵柴油机排烟口排出的高温烟气形成的潜在窒息区域均为平台外部区域,在平台内部区域和吊机顶部驾驶室区域不会形成潜在窒息区域。

图2 风速4.0 m/s,氧气浓度19.5%

3.1.3 风速条件:7.0 m/s

当风速为7.0 m/s时,泥浆泵柴油机排烟口高温烟气的扩散方向仍为吊机区域。同样将高温烟气形成的窒息区域以空间中氧气浓度低于19.5%VOL作为界定标准。如图3所示,是风速条件为7.0 m/s工况下3台泥浆泵柴油机排烟口排出的高温烟气形成的氧气浓度为19.5%的空间包络面。包络面内部区域氧气浓度均低于19.5%,属于潜在窒息区域,根据计算结果,潜在窒息区域从排烟口延伸至平台外侧约3.5 m,下风向延伸距离约为5.1 m,空间体积约为4.5 m3。根据上述分析和计算结果,该工况下3台泥浆泵柴油机排烟口排出的高温烟气形成的潜在窒息区域均为平台外部区域,在平台内部区域和吊机顶部驾驶室区域不会形成潜在窒息区域。

图3 风速7.0 m/s,氧气浓度19.5%

3.2 烟气温度分布和影响范围

3.2.1 风速条件:1.0 m/s

根据吊机和3台泥浆泵柴油机排烟口的平面布局和相对位置,从最不利的角度考虑,选定最危险工况进行模拟研究,即风从排烟口吹向吊机位置,风速为1.0 m/s时,泥浆泵柴油机排烟口高温烟气的扩散方向为吊机区域。通过三维数值模拟计算,分析其排出的高温烟气在下风向形成的空间扩散区域和烟气温度场分布规律以及影响范围,评估是否会在吊机驾驶室位置形成高温不适区域。参考英国CAA(Civil Aviation Authority)制定的直升机甲板安全设计规范CAP437对环境条件的判定标准,关于烟气温度的限定,在直升机起降的区域,平均3 s时间间隔内的最大温升不能超过环境温度2 ℃。本项目环境温度设定为32 ℃,因此将高温烟气形成的潜在高温不适区域以环境温度超过34 ℃为界定标准。

随着高温烟气的持续排放,受风向影响,高温烟气将形成处于动态稳定状态、并向下风方向严重倾斜的烟羽状分布。高温烟气在风力影响下快速向下风方向扩散的同时,由于热量总是自发地由高温物体向低温物体传递,促使高温烟气介质本身携带的大量热量与温度偏低的周围空气之间进行持续热交换、热传递,因此导致随着下风向距离的增大,烟气温度逐渐降低。如图4所示,是风速条件为1.0 m/s工况下3台泥浆泵柴油机排烟口排出的高温烟气形成的环境温度为34 ℃的空间包络面。包络面内部区域环境温度均高于34 ℃,属于潜在高温不适区域,根据计算结果,潜在高温不适区域从排烟口延伸至平台外侧约13.8 m,下风向延伸距离约为37 m,空间体积约为500 m3。根据上述分析和计算结果,该工况下3台泥浆泵柴油机排烟口排出的高温烟气形成的潜在高温不适区域均为平台外部区域,在平台内部区域和吊机顶部驾驶室区域不会形成潜在高温不适区域。

图4 风速1.0 m/s,环境温度34 ℃

3.2.2 风速条件:4.0 m/s

当风速为4.0 m/s时,泥浆泵柴油机排烟口高温烟气的扩散方向仍为吊机区域。同样将高温烟气形成的潜在高温不适区域以环境温度超过34 ℃为界定标准。如图5所示,是风速条件为4.0 m/s工况下3台泥浆泵柴油机排烟口排出的高温烟气形成的环境温度为34 ℃的空间包络面。包络面内部区域环境温度均高于34 ℃,属于潜在高温不适区域,根据计算结果,潜在高温不适区域从排烟口延伸至平台外侧约1.1 m,下风向延伸距离约为30 m,空间体积约为195 m3。根据上述分析和计算结果,该工况下3台泥浆泵柴油机排烟口排出的高温烟气形成的潜在高温不适区域主要集中在排烟口下风向的平台边沿区域,包围了与排烟口高度相近的吊机区域,但是在吊机顶部驾驶室区域不会形成潜在高温不适区域。

图5 风速4.0 m/s,环境温度34 ℃

3.2.3 风速条件:7.0 m/s

当风速为7.0 m/s时,泥浆泵柴油机排烟口高温烟气的扩散方向仍为吊机区域。同样将高温烟气形成的潜在高温不适区域以环境温度超过34 ℃为界定标准。如图6所示,是风速条件为7.0 m/s工况下3台泥浆泵柴油机排烟口排出的高温烟气形成的环境温度为34 ℃的空间包络面。包络面内部区域环境温度均高于34 ℃,属于潜在高温不适区域,根据计算结果,潜在高温不适区域从排烟口延伸至平台外侧约0.8 m,下风向延伸距离约为23.2 m,空间体积约为60 m3。根据上述分析和计算结果,该工况下3台泥浆泵柴油机排烟口排出的高温烟气形成的潜在高温不适区域主要集中在排烟口下风向的平台边沿区域,包围了与排烟口高度相近的吊机区域,但是在吊机顶部驾驶室区域不会形成潜在高温不适区域。

图6 风速7.0 m/s,环境温度34 ℃

4 结语

通过不同风速条件下的模拟计算结果可见,由于风的稀释作用,随着风速的增加,泥浆泵柴油机排烟口排出的高温烟气形成的烟羽扩散速度变快,烟羽影响范围缩小,即高温烟气形成的潜在窒息区域和潜在高温不适区域缩小。

通过不同风速条件下的模拟计算结果可见,不同风速条件下(1.0 m/s、4.0 m/s和7.0 m/s),泥浆泵柴油机排烟口排出的高温烟气形成的潜在窒息区域均为平台外部区域,在平台内部区域和吊机顶部驾驶室区域不会形成潜在窒息区域。

通过不同风速条件下的模拟计算结果可见,不同风速条件下(1.0 m/s、4.0 m/s和7.0 m/s),泥浆泵柴油机排烟口排出的高温烟气形成的潜在高温不适区域主要集中在排烟口下风向的平台边沿区域,可能包围与排烟口高度相近的吊机区域,但是在吊机顶部驾驶室区域不会形成潜在高温不适区域。

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