煙氣擴(kuò)散定性分析指導(dǎo)余熱回收裝置的選型設(shè)計(jì)

邱波，李東芳，賀相軍，刁素仿

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院，天津，300072）

余熱回收裝置作為熱站是海洋石油平臺(tái)上經(jīng)常使用的重要設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)油田節(jié)能減排的關(guān)鍵設(shè)備，是為平臺(tái)生產(chǎn)系統(tǒng)和公用系統(tǒng)加熱的熱源。余熱回收裝置的型式不僅影響設(shè)備的采辦和平臺(tái)的布置規(guī)劃方案，其排出的煙氣還可能影響平臺(tái)直升飛機(jī)的起降，因此余熱回收裝置的選型設(shè)計(jì)是海洋石油開采項(xiàng)目在運(yùn)行初期階段需要進(jìn)行的一項(xiàng)極其重要的工作。

渤海油田某項(xiàng)目的中心平臺(tái)上層甲板安裝有三臺(tái)25MW燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組，其中兩臺(tái)機(jī)組排煙出口分別安裝有一臺(tái)余熱回收裝置，用于回收機(jī)組排煙中剩余的熱量，第三臺(tái)機(jī)組的煙氣則直接排入大氣。兩臺(tái)余熱回收裝置布置在發(fā)電機(jī)組上方的二層操維平臺(tái)上。余熱回收裝置的型式有立式和臥式兩種，裝置的具體型式?jīng)Q定著主機(jī)和余熱回收裝置煙管的布置方案，而機(jī)組的排煙對(duì)平臺(tái)直升機(jī)甲板上飛機(jī)的起降可能產(chǎn)生較大影響。因此評(píng)估機(jī)組排煙對(duì)直升機(jī)甲板的影響是確定平臺(tái)余熱回收裝置型式和煙管布置方案的關(guān)鍵因素。

海洋石油平臺(tái)的煙氣擴(kuò)散分析通常需要先建立平臺(tái)三維模型，包括生活樓和直升機(jī)甲板、燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組、余熱回收裝置及其煙管，以及上層甲板機(jī)組附近的設(shè)備和附屬結(jié)構(gòu)件的三維模型，在細(xì)化模型后，采用氣體多組分流動(dòng)及傳熱數(shù)學(xué)模型，利用三維數(shù)值模擬FLUENT軟件，對(duì)平臺(tái)多點(diǎn)排放源組合工況的煙氣擴(kuò)散問題進(jìn)行數(shù)值模擬研究，可以得出各種煙氣排放工況下的直升飛機(jī)操作的年不可用概率。采用這種定量的模擬分析方法得出的結(jié)果比較精確，但模型建立以及計(jì)算過程耗時(shí)相當(dāng)長，每一種煙氣排放工況模型的搭建及計(jì)算過程都需要耗時(shí)一至兩個(gè)月左右。而項(xiàng)目運(yùn)行初期進(jìn)行余熱回收裝置選型設(shè)計(jì)時(shí)缺少充足的時(shí)間進(jìn)行平臺(tái)模型搭建并采用定量分析的方法對(duì)各種煙氣排放工況進(jìn)行模擬計(jì)算，因此采用煙氣擴(kuò)散定性分析的方法對(duì)各種煙氣排放工況中煙氣對(duì)平臺(tái)直升機(jī)甲板的影響進(jìn)行初步估算，能夠簡單、快速、有效地得出估算結(jié)果，并可根據(jù)估算結(jié)果指導(dǎo)余熱回收裝置的選型設(shè)計(jì)。

本文利用煙氣擴(kuò)散定性分析方法，分別估算了采用兩種不同型式的余熱回收裝置時(shí)由于機(jī)組排煙對(duì)平臺(tái)直升機(jī)甲板的影響所導(dǎo)致的直升飛機(jī)操作年不可用概率，從選擇估算概率較小方案的原則最終確定了本項(xiàng)目余熱回收裝置采用臥式型式。

1 平臺(tái)概況

本項(xiàng)目平臺(tái)為八腿中心處理平臺(tái)，承擔(dān)周邊井口平臺(tái)的原油和生產(chǎn)水的處理及相應(yīng)的外輸和回注功能。平臺(tái)設(shè)置有三臺(tái)單臺(tái)功率為25MW的燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組，不僅為本平臺(tái)的生產(chǎn)負(fù)荷和公用負(fù)荷供電，還為周邊井口平臺(tái)的用電負(fù)荷供電，并且與區(qū)域油田其它平臺(tái)的電站機(jī)組進(jìn)行組網(wǎng)，為整個(gè)油田群的各平臺(tái)供電。平臺(tái)設(shè)置有兩臺(tái)單臺(tái)功率為12000kW的余熱回收裝置，為本平臺(tái)各生產(chǎn)熱用戶和公用熱用戶提供加熱熱源。

平臺(tái)設(shè)置有直升機(jī)甲板、上層甲板、中層甲板、下層甲板以及工作甲板等幾個(gè)不同標(biāo)高的甲板。三臺(tái)燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組設(shè)置在上層甲板，標(biāo)高為EL+31.5m，單臺(tái)機(jī)組首尾東西向布置，其中機(jī)組進(jìn)氣濾器朝向平臺(tái)西側(cè)，機(jī)組尾部朝向平臺(tái)東側(cè)，機(jī)組排煙口位于機(jī)組中間位置，三臺(tái)機(jī)組由北向南依次排開。由于機(jī)組排煙口位于機(jī)組中間位置，并且排煙口朝上，因此為保證余熱回收裝置的安裝，需在三臺(tái)燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組上部設(shè)置一個(gè)二層操維平臺(tái)，并且將兩臺(tái)余熱回收裝置設(shè)置在二層操維平臺(tái)上，二層操維平臺(tái)的標(biāo)高為EL+41.5m。三臺(tái)主機(jī)中靠南側(cè)布置的兩臺(tái)主機(jī)排煙口處分別安裝有一臺(tái)余熱回收裝置。最北側(cè)的一臺(tái)主機(jī)排煙出口安裝煙管并將煙氣直接排放入大氣，煙管也布置在二層操維平臺(tái)上。煙管的走向和布置方式需與余熱回收裝置及其煙管的布置方式統(tǒng)籌考慮。

在燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組與余熱回收裝置的西南側(cè)設(shè)置有生活樓和直升機(jī)甲板，直升機(jī)甲板標(biāo)高為EL+54m。由于三臺(tái)燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組及余熱回收裝置的排煙管離生活樓和直升機(jī)甲板的水平距離非常近，因此如何將機(jī)組排煙對(duì)生活樓和直升機(jī)甲板的影響降至最低將是機(jī)組排煙系統(tǒng)布置方案確定的最關(guān)鍵要素。并且，由于余熱回收裝置的型式對(duì)機(jī)組排煙系統(tǒng)的布置方案有直接影響，因此采用不同型式的余熱回收裝置將形成不同的排煙系統(tǒng)布置方案，而研究各種布置方案中由于煙氣擴(kuò)散影響導(dǎo)致的直升飛機(jī)操作的年不可用概率是確定余熱回收裝置型式的有效手段。

2 方案描述

三臺(tái)燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組并排布置在上層甲板西側(cè)靠近生活樓和直升機(jī)甲板的區(qū)域，其中南側(cè)兩臺(tái)主機(jī)排煙出口處分別安裝一臺(tái)余熱回收裝置，最北側(cè)一臺(tái)主機(jī)的煙氣直接排放入大氣。

根據(jù)煙管的布置方式和余熱回收裝置的兩種不同型式設(shè)計(jì)了三套主機(jī)和余熱回收裝置的煙管布置方案，分別為立式余熱回收裝置煙管獨(dú)立布置方案、立式余熱回收裝置煙管集中布置方案和臥式余熱回收裝置煙管集中布置方案。

由于僅是定性分析煙氣擴(kuò)散對(duì)直升機(jī)甲板的影響，并且在此方法中煙氣擴(kuò)散對(duì)直升機(jī)甲板的影響程度只受制于幾個(gè)煙管的布置方式及煙管與直升機(jī)甲板的水平距離和相對(duì)位置，煙管的高度對(duì)煙氣擴(kuò)散的實(shí)際影響需要通過定量的模擬分析進(jìn)行評(píng)估和確定，因而煙管的高度對(duì)煙氣擴(kuò)散的實(shí)際影響不在本文討論范圍之內(nèi)。

2.1 立式余熱回收裝置煙管獨(dú)立布置方案

兩臺(tái)余熱回收裝置型式為立式，分別安裝于南側(cè)兩臺(tái)主機(jī)排煙出口，并布置于主機(jī)二層操維平臺(tái)上，最北側(cè)一臺(tái)主機(jī)的煙管和南側(cè)兩臺(tái)余熱回收裝置的煙管均分別獨(dú)立布置，煙管支撐于主機(jī)二層操維平臺(tái)上，排煙口朝上。主機(jī)和余熱回收裝置及其煙管的整體布置如圖1所示。

在這一基本戰(zhàn)略判斷下，美國戰(zhàn)略界對(duì)“一帶一路”倡議的認(rèn)知負(fù)面遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于正面。綜合起來，美國戰(zhàn)略界對(duì)“一帶一路”倡議的認(rèn)知或擔(dān)憂，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

圖1 立式余熱回收裝置煙管獨(dú)立布置方案平面圖和立面圖

2.2 立式余熱回收裝置煙管集中布置方案

兩臺(tái)余熱回收裝置型式為立式，分別安裝于南側(cè)兩臺(tái)主機(jī)排煙出口，并布置于主機(jī)二層操維平臺(tái)上，最北側(cè)一臺(tái)主機(jī)和最南側(cè)一臺(tái)余熱回收裝置的煙管靠近中間一臺(tái)主機(jī)的煙管集中并排布置，煙管支撐于主機(jī)二層操維平臺(tái)上，排煙口朝上。與前一個(gè)方案所不同的是，立式余熱回收裝置煙管集中布置方案中將主機(jī)煙管和余熱回收裝置的煙管進(jìn)行了集中布置。主機(jī)和余熱回收裝置及其煙管的整體布置如圖2所示。

圖2 立式余熱回收裝置煙管集中布置方案平面圖和立面圖

2.3 臥式余熱回收裝置煙管集中布置方案

兩臺(tái)余熱回收裝置型式為臥式，分別安裝于南側(cè)兩臺(tái)主機(jī)排煙出口，并布置于主機(jī)二層操維平臺(tái)上，最北側(cè)一臺(tái)主機(jī)和最南側(cè)一臺(tái)余熱回收裝置的煙管靠近中間一臺(tái)主機(jī)的煙管集中并排布置，煙管支撐于主機(jī)二層操維平臺(tái)上，排煙口朝上。主機(jī)和余熱回收裝置及其煙管的整體布置如圖3所示。

圖3 臥式余熱回收裝置煙管集中布置方案平面圖和立面圖

3 煙氣擴(kuò)散定性分析

平臺(tái)風(fēng)向風(fēng)速概率分布如表1所示。根據(jù)主機(jī)和余熱回收裝置及其排煙管的總體布置以及直升機(jī)甲板的相對(duì)位置，分析上述三個(gè)方案中主機(jī)及余熱回收裝置排煙對(duì)直升機(jī)甲板的影響，具體分析結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。圖中斜線部分為可對(duì)直升機(jī)甲板產(chǎn)生影響的環(huán)境風(fēng)向范圍。從平臺(tái)常年風(fēng)向概率分布表中可以查到這些產(chǎn)生影響的風(fēng)向范圍所對(duì)應(yīng)的概率值，將這些概率值相加后所得的總和即是某一方案采用煙氣擴(kuò)散定性分析后得出的由于機(jī)組排煙對(duì)直升機(jī)甲板的影響導(dǎo)致直升飛機(jī)操作的年不可用概率。

表1 平臺(tái)常年風(fēng)向風(fēng)速概率分布表

圖4 立式余熱回收裝置煙管獨(dú)立布置方案的影響風(fēng)向范圍

圖5 立式余熱回收裝置煙管集中布置方案的影響風(fēng)向范圍

圖6 臥式余熱回收裝置煙管集中布置方案的影響風(fēng)向范圍

根據(jù)圖4、圖5和圖6所示的三個(gè)方案中主機(jī)和余熱回收裝置排煙對(duì)直升機(jī)甲板產(chǎn)生影響的環(huán)境風(fēng)向范圍，并參照表1中平臺(tái)風(fēng)向風(fēng)速概率分布的數(shù)據(jù)，可得煙氣擴(kuò)散定性分析的結(jié)果如下：

立式余熱回收裝置煙管獨(dú)立布置方案和立式余熱回收裝置煙管集中布置方案中機(jī)組排煙對(duì)直升機(jī)甲板產(chǎn)生影響的風(fēng)向均為四個(gè)，分別是N、NNW、NW和WWN四個(gè)風(fēng)向，四個(gè)風(fēng)向的概率統(tǒng)計(jì)之和為17.4%。

臥式余熱回收裝置煙管集中布置方案由于煙管布置的離直升機(jī)甲板較遠(yuǎn)，因此有影響的風(fēng)向只有三個(gè)，分別是N、NNW、NW三個(gè)風(fēng)向，三個(gè)風(fēng)向的概率統(tǒng)計(jì)之和為12.6%。

因此，從煙氣擴(kuò)散定性分析的結(jié)果來看，無論是立式余熱回收裝置煙管獨(dú)立布置方案還是立式余熱回收裝置煙管集中布置方案，其機(jī)組排煙對(duì)直升機(jī)甲板的影響概率均比臥式余熱回收裝置煙管集中布置方案高出約5%。

根據(jù)煙氣擴(kuò)散定性分析的結(jié)果，為盡量減小由于機(jī)組煙氣擴(kuò)散對(duì)平臺(tái)直升機(jī)甲板的影響而導(dǎo)致的直升飛機(jī)操作的年不可用概率，在上述三個(gè)方案中優(yōu)先選用臥式余熱回收裝置煙管集中布置方案，因此本項(xiàng)目余熱回收裝置型式確定為臥式。

4 結(jié)論

由于涉及到直升機(jī)起降的安全問題，因此煙氣擴(kuò)散對(duì)直升機(jī)甲板的影響分析已經(jīng)是海洋石油平臺(tái)在設(shè)計(jì)初期階段需要開展的工作之一。采用三維軟件對(duì)平臺(tái)及設(shè)備進(jìn)行建模，并利用流體分析軟件進(jìn)行煙氣擴(kuò)散的定量分析是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作。利用軟件分析的結(jié)果受到三維模型網(wǎng)格劃分的精度和分析人員的經(jīng)驗(yàn)等因素的影響，并且由于煙管的高度對(duì)煙氣擴(kuò)散的影響起著決定性的作用，因此煙管的實(shí)際高度也是進(jìn)行軟件分析時(shí)必須要考慮的因素之一。而本文所述的煙氣擴(kuò)散的定性分析方法，不需要建立復(fù)雜的三維模型，僅需要以設(shè)備和煙管的布置方案作為基礎(chǔ)，并利用平臺(tái)常年風(fēng)向風(fēng)速概率分布表，便可估算得出各個(gè)設(shè)備和煙管的布置方案下由于煙氣擴(kuò)散對(duì)直升機(jī)甲板的影響導(dǎo)致的直升飛機(jī)操作的年不可用概率，方法簡單、快速和有效。根據(jù)估算得出的結(jié)果，可優(yōu)先選用影響概率較小的設(shè)備和煙管的布置方案。

余熱回收裝置的型式及其煙管的布置方案對(duì)煙氣擴(kuò)散的定性分析結(jié)果有著直接影響，因此在盡可能降低煙氣擴(kuò)散對(duì)平臺(tái)直升機(jī)甲板影響的目標(biāo)下利用煙氣擴(kuò)散定性分析的結(jié)果來指導(dǎo)余熱回收裝置的選型設(shè)計(jì)是非常有意義的，值得在海洋石油開采項(xiàng)目中推廣和運(yùn)用。

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