海上石油平臺熱介質鍋爐煙羽影響分析

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(湛江南海西部石油勘察設計有限公司,湛江 524057)

熱介質鍋爐的主要工作原理是：熱介質油經循環泵加壓，進入鍋爐盤管后被加熱，然后輸送至換熱器，通過換熱器與原油進行熱能傳遞；換熱后，冷的熱介質油回流至熱油膨脹罐，如此反復循環，提供穩定的熱源[1]。為了保證熱介質鍋爐持續運轉，熱介質鍋爐一般都采用雙燃料形式，柴油/天然氣或柴油/原油。燃料在加熱爐爐膛內燃燒，產生熱量，并分別以輻射和對流形式將熱量傳遞給作為中間載熱體的熱介質油[2]。熱介質鍋爐燃燒產生的廢氣可能會對作業環境和操作人員帶來一定的風險，有必要對煙氣排放做專題研究，并根據研究結果調整煙氣排放路徑。

以WZ12-1PUQB平臺熱介質鍋爐煙羽分析為例，介紹一種熱介質鍋爐煙羽影響分析的方法和步驟。

1 項目情況介紹

WZ12-1PUQB下層甲板東側布置2臺1萬kW的熱介質鍋爐用來加熱主工藝流程中的導熱油，燃燒介質為天然氣和柴油。煙氣排放考慮引到甲板東側舷邊，并向下扎入至MSF甲板以下，距離甲板面5 430 mm。

2 分析方法

通過計算流體力學(CFD)的方法對不同工況下煙羽擴散狀態進行模擬計算，分析其對周邊設施的影響，并提出建議措施。方法一般步驟如下。

1)采集資料，包括設計資料和圖紙，相關煙氣參數。

2)分析評估標準的選取。

3)幾何模型的建立。

4)確定計算區域的邊界條件。

5)利用CFD軟件進行各種工況下煙羽二維模擬計算，進行初步分析。

6)利用CFD軟件進行各種工況下煙羽三維模擬計算，進行精確分析。

2.1 收集資料

收集相關工藝流程圖、PID、環境資料、設備布置圖和煙氣相關參數。煙氣排放量最大時相關參數見表1，煙氣組分見表2。

表1 煙氣參數

表2 煙氣組分

注：N·m3，是指在0攝氏度1個標準大氣壓下的氣體體積。

2.2 分析評估標準

2.2.1 煙氣溶度影響

由于熱介質鍋爐燃燒介質為天然氣和柴油，對煙氣排放污染物的影響評估主要考慮到二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳和氧氣的濃度，下面對污染物進行分析。

根據表2煙氣組分表可知，二氧化硫和氮氧化物的溶度太低，表中沒有體現，可忽略不計。

對于二氧化碳，根據《美國采暖制冷與空調工程師學會手冊》，二氧化碳濃度與人體健康關系如下。

1)二氧化碳濃度低于0.06%(體積百分比)，對人無影響。

2)二氧化碳濃度在0.06%～0.10%(體積百分比)，對人的影響為頭痛、昏睡、悶熱。

3)二氧化碳濃度高于0.10% (體積百分比)，對人的影響為頭痛、昏睡、悶熱頻繁。

另根據相關行業標準，CO2的濃度限制值為0.50%(體積百分比)。

對于氧氣，根據《美國采暖制冷與空調工程師學會手冊》，氧氣濃度與人體健康關系見表3。

表3 氧氣濃度與人體健康關系

2.2.2 溫度的影響

鍋爐煙囪附近溫度的影響，主要表現在高溫強輻射環境對人體健康的影響，根據文獻[3]以及相關極端環境對人體健康影響的研究，人體可接受的熱暴露極限時間是：體溫為38～38.2 ℃時，容忍80～85 min；體溫為39 ℃時，容忍40～45 min；在熱極端環境下，會出現體溫升高，心率加快，注意力降低等一系列生理反應。

2.3 幾何模型的建立

通過UG NX 4.0建立三維幾何模型，軸測圖和主視圖分別見圖1和圖2。

圖1 鍋爐的軸測圖

圖2 鍋爐的主視圖

2.4 邊界條件及周圍影響區域的確定

考慮長×寬×高：160 m×160 m×100 m影響區域，影響區域及邊界條件見圖3。

圖3 影響區域及邊界條件

考慮并簡化煙囪附件區域和生活樓模塊，見圖4。

圖4 煙囪附近影響區域簡化示意

2.5 二維數值模擬計算及分析

分析利用流體力學分析軟件FLUENT進行模擬計算。采用結構化網格，在鍋爐壁面、煙囪壁面和海平面附近加密，網格數大小為15 732。結構化網格劃分見圖5。

圖5 二維網格結構劃分

根據熱介質鍋爐布置情況，結合平臺風向分布,分別選取計算算例為東風2、25 m/s，西風2、25 m/s共4種情況進行分析。

以東風2 m/s算例分析為例，分別進行溫度場模擬、RO2濃度場模擬，煙氣溶度場模擬、氧氣溶度場模擬，得出溫度分布圖、RO2濃度分布圖、煙氣濃度分布圖、氧氣濃度分布圖、煙囪附近流體流動圖,見圖6～10。

圖6 溫度分布

圖7 RO2溶度分布

圖8 煙氣濃度分布

圖9 氧氣濃度分布

圖10 煙囪附近流體流動分布

東風2、25 m/s，西風2、25 m/s的計算結果統計見表4～7。

表4 東風(2 m/s)算例結算結果統計

表5 東風(25 m/s)算例結算結果統計

表6 西風(2 m/s)算例結算結果統計

表7 西風(25 m/s)算例結算結果統計表

通過以上二維模擬計算結果分析，可以得出以下幾點結論。

1)東風對操作平臺和住人平臺的影響遠大于同樣風速的西風對操作平臺和住人平臺的影響，即東風情況下，操作平臺和住人平臺的溫度較高，煙氣濃度和RO2濃度較高，氧氣濃度較低。

2)微風對于操作平臺和住人平臺的影響大于同樣風向的強風對操作平臺和住人平臺的影響。即相對于強風，微風情況下，操作平臺和住人平臺的溫度較高，煙氣濃度和RO2濃度較高，氧氣濃度較低。

3)東風(2 m/s)時，操作平臺4個測量點溫度、二氧化碳溶度，以及氧氣溶度均超出規范規定值，對操作人員的健康帶來危害。尤其是Pc1測量點，溫度高達94 ℃，二氧化碳溶度高達2.61%，氧氣溶度低至15.41%。因此，有必要進行三維數值模擬精確計算分析。

2.6 三維數值模擬計算及分析

通過FLUENT軟件模擬，網格數量擬定為502 602，采用非結構化網格，網格鍋爐壁面、煙囪壁面和海平面附近加密。三維非結構網格見圖11～13。

圖11 三維結構的x-z網格劃分

圖12 三維結構的y-z網格劃分

圖13 三維結構的x-y-z網格劃分

通過二維模擬計算結果可知，東風對操作平臺和住人平臺的影響遠大于同樣風速的西風對操作平臺和住人平臺的影響。因此，將對分別選取計算算例為東風2、25 m/s、0.2 m/s共3種情況進行三維模擬計算分析。

以東風2 m/s分析為例，溫度場計算在兩個鍋爐的中心截面進行切片，切片云圖見圖14。煙氣濃度場計算在2個鍋爐的中心截面進行切片，切片云圖見圖15。

圖14 三維結構的溫度切片云

抽取鍋爐boiler1和boiler2煙囪中心截面(y=3.2 m或y=-3.2 m) 計算結果，溫度分布圖、RO2濃度分布圖、煙氣濃度分布圖、氧氣濃度分布見圖18～21。

圖16 (y=3.2 m或y=-3.2 m)溫度分布

圖17 (y=3.2 m或y=-3.2 m)RO2濃度分布分布

抽取兩臺鍋爐boiler1和boiler2之間中心截面(y=0 m) 計算結果，溫度分布圖、RO2濃度分布圖、煙氣濃度分布圖、氧氣濃度分布圖分別見圖20～23。

東風2 m/s時，鍋爐boiler1和boiler2煙囪中心截面(y=3.2 m或y=-3.2 m)計算結果見表8，boiler1和boiler2之間中心截面(y=0 m截面)計算結果見表9。

圖18 (y=3.2 m或y=-3.2 m)煙氣濃度分布

圖19 (y=3.2 m或y=-3.2 m) 氧氣濃度分布

圖20 (y=0 m)溫度分布

圖21 (y=0 m)RO2濃度分布分布

圖22 (y=0 m) 煙氣濃度分布

圖23 (y=0 m) 氧氣濃度分布

區域點名稱x/my/mz/mt/℃RO2/%GasE/%O2/%操作平臺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住人平臺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 東風2 m/s，鍋爐boiler1和boiler2之間中心截面(y=0截面) 計算結果統計

東風25 m/s時，鍋爐boiler1和boiler2煙囪中心截面(y=3.2 m或y=-3.2 m)計算結果見表10，boiler1和boiler2之間中心截面(y=0 m截面)計算結果見表11。

東風0.2 m/s時，鍋爐boiler1和boiler2煙囪中心截面(y=3.2 m或y=-3.2 m)計算結果見表12，boiler1和boiler2之間中心截面(y=0 m截面)計算結果見表13。

表10 東風25 m/s，鍋爐boiler1和boiler2煙囪中心截面(y=3.2 m或-3.2 m)計算結果統計

表11 東風25 m/s，鍋爐boiler1和boiler2之間中心截面(y=0截面) 計算結果統計)計算結果統計

表12 東風0.2 m/s，鍋爐boiler1和boiler2煙囪中心截面(y=3.2 m或-3.2 m)計算結果統計

表13 東風0.2 m/s，鍋爐boiler1和boiler2之間中心截面(y=0截面) 計算結果統計

通過以上三維模擬計算以及對比二維模擬計算結果，可以得出以下幾點結論。

1)所有算例中，煙氣對生活樓模塊幾乎沒有影響。

2)所有算例中，煙氣對操作平臺影響較小。對操作平臺影響最大的情況為接近于無風情況下(東風0.2 m/s)，此時，操作平臺區域中，P2c點溫度最高，為46 ℃，煙氣濃度、RO2濃度和氧氣濃度分別為4.42%，0.43%和20.07%。

3)根據GB/T4200-2008，當操作平臺區域溫度大于40 ℃，需要注意高溫防護措施；當操作平臺的RO2濃度大于0.06%時，需要注意工作時間。所有算例的RO2濃度均小于0.5%，滿足CO2的濃度限制值要求。

4)相對于其它截面，兩臺鍋爐的中心截面處(y=3.2 m或-3.2 m) 溫度、煙氣濃度和RO2濃度值最高，氧氣濃度最小。

5)增加流體的耗散有利于降低煙氣的溫度，減小煙氣和RO2的濃度提高氧氣的濃度。因此需要保證煙囪排放口附近流體暢通，減小流動阻力。

6)周圍框架結構對煙氣的耗散有一定的影響，因此，煙囪附近區域流體的實際溫度、煙氣濃度、RO2濃度將略高于計算結果，而實際氧氣濃度略小于計算結果。

7)二維數值計算溫度、煙氣濃度和RO2濃度值大于相應的三維數值計算結果，氧氣濃度小于相應的三維數值計算結果。如東風2 m/s時，二維數值計算P1c點的溫度、煙氣濃度、RO2濃度和氧氣濃度分別為94 ℃，26.62%，2.61%和15.41%，而相應的三維數值計算P1c點(y=3.2 m或-3.2 m)的溫度、煙氣濃度、RO2濃度和氧氣濃度分別為40 ℃，2.08%，0.2%和20.56%。

3 結論

1)二維數值模擬計算是初步分析，不能得出較準確的數值。但可以預測流體趨勢，也可以為三維數值模擬計算提供參考，減少了不必要的計算。

2)二維數值模擬計算結果較三維數值模擬計算結果保守，如果二維數值模擬計算結果滿足規范要求，可以不進行三維數值模擬計算。但是如果需要得出較準確的數值，需進行三維數值模擬計算。

所以，一般利用CFD方法進行煙羽影響分析，先進行二維數值模擬計算，根據二維數值模擬計算結果以及項目具體情況再決定是否進行三維數值模擬計算。本項目通過計算流體力學的方法對WZ12-1PUQB平臺熱介質鍋爐的煙羽進行了詳盡的分析，保證了平臺操作人員和設備運行的安全，也可為類似項目煙羽分析提供借鑒和參考。

[1] 唐德佳.熱介質鍋爐故障檢修和保養方法研究[J].中國石油和化工標準與質量,2011，31(6)：106.

[2] 董海杰.海上油田熱介質鍋爐常見故障淺析[J].設備管理與維修,2011，16(12)：32-33.