陳保川，蔡鵬，馮猛

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057； 2.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

結(jié)合南海某平臺泥漿泵柴油機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行資料，通過有限元軟件建立平臺泥漿泵柴油機(jī)高溫排煙場景的物理模型和數(shù)學(xué)模型[1-3]，基于軟件內(nèi)置的湍流模型、對流換熱、熱輻射和能量模型，計(jì)算得到3臺泥漿泵柴油機(jī)同時(shí)運(yùn)行狀態(tài)下產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀欧旁谥車鷧^(qū)域形成的氧氣濃度場和溫度場分布，根據(jù)相應(yīng)的傷害判定準(zhǔn)則[4-11]，評估平臺泥漿泵柴油機(jī)高溫?zé)煔馐欠駮Φ鯔C(jī)駕駛室區(qū)域造成安全隱患。

1 泥漿泵柴油機(jī)尾氣擴(kuò)散模型建立

結(jié)合平臺上部甲板平面布置圖及泥漿泵柴油機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，為簡化計(jì)算，提高分析效率，主要針對位于上部甲板的3臺泥漿泵柴油機(jī)及排煙管、吊機(jī)底座進(jìn)行實(shí)體建模。并劃分網(wǎng)格，建立泥漿泵柴油機(jī)排煙管的物理模型和網(wǎng)格模型，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。平臺上部甲板上的其他設(shè)備以及周圍其他設(shè)施對計(jì)算結(jié)果的影響在模型中可以忽略。為確保軟件模擬結(jié)果的網(wǎng)格無關(guān)性和準(zhǔn)確性，通過多次試算并對比分析關(guān)鍵參數(shù)的差異，并綜合考慮計(jì)算負(fù)荷與計(jì)算結(jié)果可靠性之間的平衡，最終選定的整個(gè)計(jì)算域尺寸為120 m×100 m×80 m，對3臺泥漿泵柴油機(jī)排煙口附近區(qū)域進(jìn)行局部加密，以捕捉計(jì)算參數(shù)的快速變化，網(wǎng)格單元總數(shù)為2 232 956。

模型采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和局部網(wǎng)格加密對仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型選擇為四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對柴油機(jī)排煙管和柴油機(jī)排煙口處的網(wǎng)格進(jìn)行加密，從而保證仿真過程中柴油機(jī)排煙口處的尾氣擴(kuò)散精度。由于影響計(jì)算精度的因素是網(wǎng)格質(zhì)量，而不是網(wǎng)格數(shù)量。因此，網(wǎng)格劃分過程中需保證網(wǎng)格質(zhì)量。當(dāng)網(wǎng)格質(zhì)量中的Orthogonal Quality大于0.2和Skewness小于0.8時(shí)，網(wǎng)格質(zhì)量較好，計(jì)算精度較高。

2 泥漿泵柴油機(jī)尾氣擴(kuò)散數(shù)值模擬

2.1 參數(shù)設(shè)置

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，收集了平臺平面布置圖、所在區(qū)域的氣象參數(shù)及泥漿泵柴油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)等信息，在極端工況下柴油機(jī)有害尾氣排氣量為4 067.11 kg/h，計(jì)算過程中的柴油機(jī)尾氣流量為1.13 kg/s。在柴油機(jī)尾氣排放過程中，從柴油機(jī)排氣口排出的尾氣溫度高達(dá)300 ℃，而環(huán)境溫度在32 ℃左右。因此，仿真過程需要借助能量方程計(jì)算尾氣的能量傳遞及熱交換。柴油機(jī)尾氣在風(fēng)的作用下做不規(guī)則運(yùn)動，有垂直于出口方向的分速度產(chǎn)生。因此，柴油機(jī)尾氣擴(kuò)散為湍流流動。仿真選擇應(yīng)用最為廣泛的k-epsilon湍流模型，氣體擴(kuò)散模型選擇組分運(yùn)輸模型。主要針對尾氣中的有害氣體擴(kuò)散進(jìn)行研究，尾氣主要包含二氧化碳和氮?dú)猓瑑烧哒急?5%以上，其他氣體對氣體擴(kuò)散規(guī)律影響較小，因此氣體的主要組分為二氧化碳和氮?dú)鉃橹?。尾氣入口采用流量入口邊界；出口采用壓力出口邊界；風(fēng)向入口采用速度入口邊界。

由于主要考慮高溫?zé)煔鈱Φ鯔C(jī)頂部駕駛室的影響，因此，簡化并確定了數(shù)值模擬所用的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 環(huán)境氣相和高溫?zé)煔鈪?shù)

為了驗(yàn)證網(wǎng)格收斂性，通過對風(fēng)速分別為1 m/s、4 m/s和7 m/s時(shí)的工況進(jìn)行仿真，觀察其殘差大小。為了得到準(zhǔn)確的殘差曲線，在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行仿真模擬。網(wǎng)格的收斂性主要依據(jù)連續(xù)性曲線殘差值的大小。當(dāng)連續(xù)性曲線的殘差值低于10-3時(shí)，網(wǎng)格的收斂性較好。在仿真迭代到700次以后，連續(xù)性曲線的殘差值小于10-3；當(dāng)仿真迭代到1 000次時(shí)，連續(xù)性曲線的殘差值接近10-4。

2.2 流體理論

液相流動問題都必須滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能力守恒方程。因此，質(zhì)量守恒方程，即連續(xù)性方程如式(1)所示：

式中：ρ、t、u分別表示液相密度、時(shí)間以及液相速度。

動量守恒方程如式(2)：

式中：f為單位質(zhì)量力；ui表示i(x,y,z)方向的速度；μ為動量黏度；P為微元體上的壓力。

能力守恒方程如式(3)：

式中：cP為熱熔；T為溫度；k為流體的傳熱系數(shù)；ST為內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能部分。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 煙氣擴(kuò)散范圍和窒息區(qū)域

3.1.1 風(fēng)速條件：1.0 m/s

根據(jù)吊機(jī)和3臺泥漿泵柴油機(jī)排煙口的平面布局和相對位置，從最不利的角度考慮，選定最危險(xiǎn)工況進(jìn)行模擬研究，即風(fēng)從排煙口吹向吊機(jī)位置，風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)，泥漿泵柴油機(jī)排煙口高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散方向即為吊機(jī)區(qū)域。通過三維數(shù)值模擬計(jì)算，分析其排出的高溫?zé)煔庠谙嘛L(fēng)向形成的空間擴(kuò)散區(qū)域和煙氣濃度場分布、氧氣濃度場分布規(guī)律以及影響范圍，評估是否會在吊機(jī)駕駛室位置形成窒息區(qū)域。根據(jù)GB/T 50493—2019，環(huán)境氧氣的過氧報(bào)警值為23.5%VOL，環(huán)境欠氧報(bào)警值為19.5%VOL。因此將高溫?zé)煔庑纬傻闹舷^(qū)域以空間中氧氣濃度低于19.5%VOL作為界定標(biāo)準(zhǔn)。如圖1所示，是風(fēng)速條件為1.0 m/s工況下3臺泥漿泵柴油機(jī)排煙口排出的高溫?zé)煔庑纬傻难鯕鉂舛葹?9.5%的空間包絡(luò)面。包絡(luò)面內(nèi)部區(qū)域氧氣濃度均低于19.5%，屬于潛在窒息區(qū)域，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，潛在窒息區(qū)域從排煙口延伸至平臺外側(cè)約12 m，下風(fēng)向延伸距離約為7.9 m，空間體積約為22.5 m3。根據(jù)上述分析和計(jì)算結(jié)果，該工況下3臺泥漿泵柴油機(jī)排煙口排出的高溫?zé)煔庑纬傻臐撛谥舷^(qū)域均為平臺外部區(qū)域，在平臺內(nèi)部區(qū)域和吊機(jī)頂部駕駛室區(qū)域不會形成潛在窒息區(qū)域。

圖1 風(fēng)速1.0 m/s，氧氣濃度19.5%

3.1.2 風(fēng)速條件：4.0 m/s

當(dāng)風(fēng)速為4.0 m/s時(shí)，泥漿泵柴油機(jī)排煙口高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散方向仍為吊機(jī)區(qū)域，同樣將高溫?zé)煔庑纬傻闹舷^(qū)域以空間中氧氣濃度低于19.5%VOL作為界定標(biāo)準(zhǔn)。如圖2所示，是風(fēng)速條件為4.0 m/s工況下3臺泥漿泵柴油機(jī)排煙口排出的高溫?zé)煔庑纬傻难鯕鉂舛葹?9.5%的空間包絡(luò)面。包絡(luò)面內(nèi)部區(qū)域氧氣濃度均低于19.5%，屬于潛在窒息區(qū)域，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，潛在窒息區(qū)域從排煙口延伸至平臺外側(cè)約4.2 m，下風(fēng)向延伸距離約為6.4 m，空間體積約為13.5 m3。根據(jù)上述分析和計(jì)算結(jié)果，該工況下3臺泥漿泵柴油機(jī)排煙口排出的高溫?zé)煔庑纬傻臐撛谥舷^(qū)域均為平臺外部區(qū)域，在平臺內(nèi)部區(qū)域和吊機(jī)頂部駕駛室區(qū)域不會形成潛在窒息區(qū)域。

圖2 風(fēng)速4.0 m/s，氧氣濃度19.5%

3.1.3 風(fēng)速條件：7.0 m/s

當(dāng)風(fēng)速為7.0 m/s時(shí)，泥漿泵柴油機(jī)排煙口高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散方向仍為吊機(jī)區(qū)域。同樣將高溫?zé)煔庑纬傻闹舷^(qū)域以空間中氧氣濃度低于19.5%VOL作為界定標(biāo)準(zhǔn)。如圖3所示，是風(fēng)速條件為7.0 m/s工況下3臺泥漿泵柴油機(jī)排煙口排出的高溫?zé)煔庑纬傻难鯕鉂舛葹?9.5%的空間包絡(luò)面。包絡(luò)面內(nèi)部區(qū)域氧氣濃度均低于19.5%，屬于潛在窒息區(qū)域，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，潛在窒息區(qū)域從排煙口延伸至平臺外側(cè)約3.5 m，下風(fēng)向延伸距離約為5.1 m，空間體積約為4.5 m3。根據(jù)上述分析和計(jì)算結(jié)果，該工況下3臺泥漿泵柴油機(jī)排煙口排出的高溫?zé)煔庑纬傻臐撛谥舷^(qū)域均為平臺外部區(qū)域，在平臺內(nèi)部區(qū)域和吊機(jī)頂部駕駛室區(qū)域不會形成潛在窒息區(qū)域。

圖3 風(fēng)速7.0 m/s，氧氣濃度19.5%

3.2 煙氣溫度分布和影響范圍

3.2.1 風(fēng)速條件：1.0 m/s

根據(jù)吊機(jī)和3臺泥漿泵柴油機(jī)排煙口的平面布局和相對位置，從最不利的角度考慮，選定最危險(xiǎn)工況進(jìn)行模擬研究，即風(fēng)從排煙口吹向吊機(jī)位置，風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)，泥漿泵柴油機(jī)排煙口高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散方向?yàn)榈鯔C(jī)區(qū)域。通過三維數(shù)值模擬計(jì)算，分析其排出的高溫?zé)煔庠谙嘛L(fēng)向形成的空間擴(kuò)散區(qū)域和煙氣溫度場分布規(guī)律以及影響范圍，評估是否會在吊機(jī)駕駛室位置形成高溫不適區(qū)域。參考英國CAA(Civil Aviation Authority)制定的直升機(jī)甲板安全設(shè)計(jì)規(guī)范CAP437對環(huán)境條件的判定標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于煙氣溫度的限定，在直升機(jī)起降的區(qū)域，平均3 s時(shí)間間隔內(nèi)的最大溫升不能超過環(huán)境溫度2 ℃。本項(xiàng)目環(huán)境溫度設(shè)定為32 ℃，因此將高溫?zé)煔庑纬傻臐撛诟邷夭贿m區(qū)域以環(huán)境溫度超過34 ℃為界定標(biāo)準(zhǔn)。

隨著高溫?zé)煔獾某掷m(xù)排放，受風(fēng)向影響，高溫?zé)煔鈱⑿纬商幱趧討B(tài)穩(wěn)定狀態(tài)、并向下風(fēng)方向嚴(yán)重傾斜的煙羽狀分布。高溫?zé)煔庠陲L(fēng)力影響下快速向下風(fēng)方向擴(kuò)散的同時(shí)，由于熱量總是自發(fā)地由高溫物體向低溫物體傳遞，促使高溫?zé)煔饨橘|(zhì)本身攜帶的大量熱量與溫度偏低的周圍空氣之間進(jìn)行持續(xù)熱交換、熱傳遞，因此導(dǎo)致隨著下風(fēng)向距離的增大，煙氣溫度逐漸降低。如圖4所示，是風(fēng)速條件為1.0 m/s工況下3臺泥漿泵柴油機(jī)排煙口排出的高溫?zé)煔庑纬傻沫h(huán)境溫度為34 ℃的空間包絡(luò)面。包絡(luò)面內(nèi)部區(qū)域環(huán)境溫度均高于34 ℃，屬于潛在高溫不適區(qū)域，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，潛在高溫不適區(qū)域從排煙口延伸至平臺外側(cè)約13.8 m，下風(fēng)向延伸距離約為37 m，空間體積約為500 m3。根據(jù)上述分析和計(jì)算結(jié)果，該工況下3臺泥漿泵柴油機(jī)排煙口排出的高溫?zé)煔庑纬傻臐撛诟邷夭贿m區(qū)域均為平臺外部區(qū)域，在平臺內(nèi)部區(qū)域和吊機(jī)頂部駕駛室區(qū)域不會形成潛在高溫不適區(qū)域。

圖4 風(fēng)速1.0 m/s，環(huán)境溫度34 ℃

3.2.2 風(fēng)速條件：4.0 m/s

當(dāng)風(fēng)速為4.0 m/s時(shí)，泥漿泵柴油機(jī)排煙口高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散方向仍為吊機(jī)區(qū)域。同樣將高溫?zé)煔庑纬傻臐撛诟邷夭贿m區(qū)域以環(huán)境溫度超過34 ℃為界定標(biāo)準(zhǔn)。如圖5所示，是風(fēng)速條件為4.0 m/s工況下3臺泥漿泵柴油機(jī)排煙口排出的高溫?zé)煔庑纬傻沫h(huán)境溫度為34 ℃的空間包絡(luò)面。包絡(luò)面內(nèi)部區(qū)域環(huán)境溫度均高于34 ℃，屬于潛在高溫不適區(qū)域，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，潛在高溫不適區(qū)域從排煙口延伸至平臺外側(cè)約1.1 m，下風(fēng)向延伸距離約為30 m，空間體積約為195 m3。根據(jù)上述分析和計(jì)算結(jié)果，該工況下3臺泥漿泵柴油機(jī)排煙口排出的高溫?zé)煔庑纬傻臐撛诟邷夭贿m區(qū)域主要集中在排煙口下風(fēng)向的平臺邊沿區(qū)域，包圍了與排煙口高度相近的吊機(jī)區(qū)域，但是在吊機(jī)頂部駕駛室區(qū)域不會形成潛在高溫不適區(qū)域。

圖5 風(fēng)速4.0 m/s，環(huán)境溫度34 ℃

3.2.3 風(fēng)速條件：7.0 m/s

當(dāng)風(fēng)速為7.0 m/s時(shí)，泥漿泵柴油機(jī)排煙口高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散方向仍為吊機(jī)區(qū)域。同樣將高溫?zé)煔庑纬傻臐撛诟邷夭贿m區(qū)域以環(huán)境溫度超過34 ℃為界定標(biāo)準(zhǔn)。如圖6所示，是風(fēng)速條件為7.0 m/s工況下3臺泥漿泵柴油機(jī)排煙口排出的高溫?zé)煔庑纬傻沫h(huán)境溫度為34 ℃的空間包絡(luò)面。包絡(luò)面內(nèi)部區(qū)域環(huán)境溫度均高于34 ℃，屬于潛在高溫不適區(qū)域，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，潛在高溫不適區(qū)域從排煙口延伸至平臺外側(cè)約0.8 m，下風(fēng)向延伸距離約為23.2 m，空間體積約為60 m3。根據(jù)上述分析和計(jì)算結(jié)果，該工況下3臺泥漿泵柴油機(jī)排煙口排出的高溫?zé)煔庑纬傻臐撛诟邷夭贿m區(qū)域主要集中在排煙口下風(fēng)向的平臺邊沿區(qū)域，包圍了與排煙口高度相近的吊機(jī)區(qū)域，但是在吊機(jī)頂部駕駛室區(qū)域不會形成潛在高溫不適區(qū)域。

圖6 風(fēng)速7.0 m/s，環(huán)境溫度34 ℃

4 結(jié)語

通過不同風(fēng)速條件下的模擬計(jì)算結(jié)果可見，由于風(fēng)的稀釋作用，隨著風(fēng)速的增加，泥漿泵柴油機(jī)排煙口排出的高溫?zé)煔庑纬傻臒熡饠U(kuò)散速度變快，煙羽影響范圍縮小，即高溫?zé)煔庑纬傻臐撛谥舷^(qū)域和潛在高溫不適區(qū)域縮小。

通過不同風(fēng)速條件下的模擬計(jì)算結(jié)果可見，不同風(fēng)速條件下(1.0 m/s、4.0 m/s和7.0 m/s)，泥漿泵柴油機(jī)排煙口排出的高溫?zé)煔庑纬傻臐撛谥舷^(qū)域均為平臺外部區(qū)域，在平臺內(nèi)部區(qū)域和吊機(jī)頂部駕駛室區(qū)域不會形成潛在窒息區(qū)域。

通過不同風(fēng)速條件下的模擬計(jì)算結(jié)果可見，不同風(fēng)速條件下(1.0 m/s、4.0 m/s和7.0 m/s)，泥漿泵柴油機(jī)排煙口排出的高溫?zé)煔庑纬傻臐撛诟邷夭贿m區(qū)域主要集中在排煙口下風(fēng)向的平臺邊沿區(qū)域，可能包圍與排煙口高度相近的吊機(jī)區(qū)域，但是在吊機(jī)頂部駕駛室區(qū)域不會形成潛在高溫不適區(qū)域。