朱 沫，葉作霖，歐宇鈞，張 軍，黎 昵，吳 偉

（1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司深圳分公司，深圳，518054；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，深圳，518054）

0 引 言

原油發(fā)電機(jī)在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量煙氣，若排氣方案設(shè)置不當(dāng)，在無風(fēng)或風(fēng)速較小的情況下，煙氣可能彌漫在起居場(chǎng)所，即使煙氣排放滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，如果人員長(zhǎng)期吸入，依舊會(huì)對(duì)人體身心健康產(chǎn)生影響；同時(shí)由于煙氣彌漫在海洋平臺(tái)周圍，可能影響海上吊機(jī)、直升機(jī)平臺(tái)等正常工作，給海上施工帶來安全隱患［1-3］。因此，需要對(duì)煙管進(jìn)行適應(yīng)性改造，在滿足主機(jī)工況的條件下，盡可能地減少煙氣對(duì)平臺(tái)的影響。

在前期設(shè)計(jì)階段，一般將煙管出口布置在平臺(tái)所在區(qū)域的下風(fēng)向，有利于使煙氣遠(yuǎn)離平臺(tái)［4］。某些海洋平臺(tái)則根據(jù)環(huán)境風(fēng)向和煙氣特點(diǎn)，采用不同排煙方向的布置，當(dāng)海洋風(fēng)向發(fā)生變化時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)排煙方向，保證煙氣不會(huì)被海風(fēng)吹回平臺(tái)，對(duì)平臺(tái)環(huán)境產(chǎn)生影響［5］。

為了減小煙霧對(duì)平臺(tái)的影響，在平臺(tái)改造階段，最常見的方式是延長(zhǎng)煙管，但煙管長(zhǎng)度會(huì)受到平臺(tái)結(jié)構(gòu)的限制，不一定可延長(zhǎng)至舷外，因此某些平臺(tái)在排煙管尾部安裝噴淋系統(tǒng)，以對(duì)煙霧進(jìn)行壓制、降溫和清潔［6］，但噴淋系統(tǒng)在使用過程中容易出現(xiàn)噴口堵塞，后期維護(hù)保養(yǎng)相對(duì)困難的問題且易形成結(jié)晶體。

通過對(duì)排煙噴射裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)和研制，并進(jìn)行陸地試驗(yàn)和海上安裝使用，提供一種既操作維護(hù)簡(jiǎn)單，又可使煙氣噴射遠(yuǎn)離平臺(tái)的設(shè)備，在無風(fēng)或海上風(fēng)速較小的情況下，保障海上人員健康和安全生產(chǎn)。

1 排煙噴射裝置工作原理

在排煙管尾部安裝獨(dú)立的尾氣噴射系統(tǒng)。噴射裝置中的風(fēng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)氣流與發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的尾氣在煙道前端混合，高速噴射至平臺(tái)外側(cè)一定距離的區(qū)域。在強(qiáng)氣流與尾氣混合過程中，尾氣的濃度和溫度也隨之降低，同時(shí)煙氣也可排放至較遠(yuǎn)距離，可有效減少煙氣飄回平臺(tái)區(qū)域的機(jī)會(huì)，工作圖如圖1所示。

圖1 排煙噴射裝置工作圖Fig.1 Working drawing of exhaust smoke injection device

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

如圖2所示，排煙噴射裝置由進(jìn)氣段、風(fēng)扇段和引射排煙段組成。百葉窗為進(jìn)氣段，設(shè)置擋雨板以滿足海上平臺(tái)防雨要求；風(fēng)扇段作為整個(gè)排煙裝置的噴射介質(zhì)動(dòng)力源，應(yīng)滿足風(fēng)量、流速等要求；引射排煙段由內(nèi)筒和外筒構(gòu)成，組成引射排煙段內(nèi)涵道和外涵道，其中外筒出口處采用錐形收口，可提高流速并降低壓力；在外筒收口前部設(shè)置排水孔。設(shè)備需要耐高溫，主機(jī)50%負(fù)荷時(shí)，排煙溫度為360～379℃，排煙管出口直徑為1 016 mm×10 mm，同時(shí)由于受安裝空間限制，噴射裝置最大外徑小于1.5 m，同時(shí)煙霧噴射需噴射距平臺(tái)15.0 m以上距離。

圖2 總體方案圖Fig.2 Drawing of general design

2.2 流道設(shè)計(jì)

通過對(duì)流道進(jìn)行優(yōu)化和數(shù)值模擬分析，模擬噴射裝置的噴射效果。在計(jì)算過程中，為了便于繪制網(wǎng)格和提高計(jì)算效率，簡(jiǎn)化對(duì)于計(jì)算影響較小的法蘭和內(nèi)部撐板等結(jié)構(gòu)，建立網(wǎng)格計(jì)算模型，如圖3所示。

圖3 排煙噴射裝置網(wǎng)格圖Fig.3 Grid diagram of exhaust smoke injection device

在主機(jī)負(fù)荷為25%、50%、75%、100%的工況下，分別對(duì)排煙噴射裝置進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明在內(nèi)筒直徑保持與排煙管一致，外筒直徑擴(kuò)充大限定值為1.5 m時(shí)，可滿足15～30 m噴射距離的要求，同時(shí)排出的煙氣能保持較好的集束效果。

同時(shí)針對(duì)側(cè)風(fēng)影響的問題，在6級(jí)側(cè)風(fēng)影響的情況下，在遠(yuǎn)場(chǎng)由于噴射氣流的速度衰減，噴射距離為7.0 m左右后，氣流的整體走向被側(cè)風(fēng)主導(dǎo)，在有限空間內(nèi)，不會(huì)噴射至更遠(yuǎn)的距離。

2.3 風(fēng)機(jī)選型

風(fēng)機(jī)選型應(yīng)考慮安裝位置、流量大小、認(rèn)證要求等?？紤]到噴射裝置最大外徑為1.5 m，為便于2個(gè)管道直角對(duì)接安裝，風(fēng)機(jī)管道直徑應(yīng)不大于1.5 m，結(jié)合風(fēng)機(jī)產(chǎn)品系列直徑，選用1.2 m直徑風(fēng)機(jī)。流量大小則以流道優(yōu)化設(shè)計(jì)分析結(jié)果為依據(jù)，按風(fēng)機(jī)流量需求進(jìn)行選型，在主機(jī)25%工作狀態(tài)下16.0 m/s的風(fēng)扇入口速度為最大速度，換算成流量需求為65 111 m3/h，風(fēng)機(jī)從獲得中國船級(jí)社（CCS）認(rèn)證的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品中選取。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單、安裝方便為原則，同時(shí)考慮各部件功能盡量獨(dú)立，設(shè)置工藝分離面及安裝對(duì)接面。

排煙噴射裝置由百葉窗總成、軸流風(fēng)機(jī)、排煙道總成組成，三部分通過對(duì)接法蘭實(shí)現(xiàn)連接，增強(qiáng)了緊固件之間的連接強(qiáng)度，提高了安裝的可適應(yīng)性，各部分結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)組成圖Fig.4 Drawing of structural composition

（1）百葉窗總成由百葉窗外框、連接法蘭、內(nèi)部擋雨板、內(nèi)部進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、吊耳、固定支座組成，其中擋雨板、防雨格柵與百葉窗外框采用螺栓連接，其余結(jié)構(gòu)均采用焊接連接。

（2）軸流風(fēng)機(jī)采用防爆、無火花型成品風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)筒身焊接吊裝耳片及固定支座。

（3）排煙道總成由內(nèi)風(fēng)管、外風(fēng)管、外錐管、內(nèi)支撐板、導(dǎo)風(fēng)板、垂直進(jìn)氣道、連接法蘭、固定支座、吊裝耳片組成，各組件采用焊接連接。

3 設(shè)備的其他性能要求

3.1 設(shè)備振動(dòng)分析

整個(gè)排煙設(shè)備固定點(diǎn)共11處，整機(jī)不會(huì)產(chǎn)生大的振動(dòng)，對(duì)于設(shè)備連接的煙管也不會(huì)產(chǎn)生較大影響?？赡艿恼駝?dòng)源為軸流風(fēng)機(jī)，軸流風(fēng)機(jī)在出廠前應(yīng)進(jìn)行動(dòng)平衡校核，以減少風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中的振動(dòng)，根據(jù)一般離心式/軸流式通風(fēng)機(jī)振動(dòng)判別標(biāo)準(zhǔn)（JBTQ334—87），振動(dòng)值≤5.0 mm/s為良好。

若在實(shí)際運(yùn)行過程中設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)排煙管道產(chǎn)生影響，考慮振動(dòng)主要為軸流風(fēng)機(jī)所致，可在風(fēng)機(jī)段與百葉窗段、排煙裝置段法蘭連接處增加聚氨酯減振墊，也可在風(fēng)機(jī)固定點(diǎn)增加聚氨酯減振墊隔離風(fēng)機(jī)振動(dòng)。

3.2 設(shè)備對(duì)主機(jī)背壓影響

在流道設(shè)計(jì)時(shí)通過對(duì)流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取了跟原排煙管直徑一致的內(nèi)管流道，理論上在軸流風(fēng)機(jī)不運(yùn)行時(shí)對(duì)主機(jī)工作無影響，設(shè)備安裝前應(yīng)對(duì)整個(gè)排煙系統(tǒng)進(jìn)行背壓計(jì)算校核，滿足要求后才可進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。

4 排煙噴射裝置制造及檢驗(yàn)要求

基于海上環(huán)境復(fù)雜，易對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕，設(shè)備主體結(jié)構(gòu)采用316L不銹鋼進(jìn)行制造。主體結(jié)構(gòu)采用焊接完成，焊接工藝應(yīng)滿足管道及相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)施的焊接標(biāo)準(zhǔn)，法蘭等部位則采用不銹鋼螺栓連接。

對(duì)排煙噴射裝置進(jìn)行檢驗(yàn)核查，以滿足基本的外觀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包含如下內(nèi)容：

（1）對(duì)設(shè)備進(jìn)行外觀檢查，檢查是否有明顯的變形、擦傷、破損等［7］。

（2）測(cè)量設(shè)備尺寸與設(shè)計(jì)文件是否一致，尺寸偏差是否滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）對(duì)設(shè)備的水平度進(jìn)行測(cè)量，保證流道的水平度。

如檢驗(yàn)不合格，需要對(duì)裝置進(jìn)行整改，直到滿足制造和設(shè)計(jì)要求，才可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

5.1 陸地試驗(yàn)

對(duì)排煙噴射裝置進(jìn)行陸地試驗(yàn)時(shí)需要測(cè)量設(shè)備的振動(dòng)、噪聲、風(fēng)速以及噴射煙霧的距離，以檢驗(yàn)組裝試用后是否滿足設(shè)計(jì)要求。

百葉窗總成安裝在鋼制底座上，設(shè)備整體采用支架支撐，均通過螺栓與支座連接。組裝完成后，應(yīng)保證排煙道基本水平，陸地試驗(yàn)安裝如圖5所示。

圖5 陸地試驗(yàn)安裝圖Fig.5 Assembly picture of terrestrial test

以煙餅燃燒產(chǎn)生的煙霧模擬主機(jī)空載情況下的煙霧噴射效果，試驗(yàn)結(jié)果表明，在環(huán)境風(fēng)速為1.0 m/s左右時(shí)，煙霧可噴射20.0 m左右，噪聲最大為90 dB，振動(dòng)為2.0 mm/s以下。試驗(yàn)表明，在無風(fēng)或風(fēng)速較小條件下，噴射系統(tǒng)能將煙氣噴射出15.0m或以上距離的要求，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖6所示。在陸地試驗(yàn)過程中，當(dāng)側(cè)向來風(fēng)大于6級(jí)時(shí)，整個(gè)煙霧易被側(cè)風(fēng)引導(dǎo)。

圖6 陸地試驗(yàn)圖Fig.6 Photo of terrestrial test

5.2 海上試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)注意風(fēng)機(jī)先啟后停，在主機(jī)停止后，風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)以降低煙霧的高溫對(duì)風(fēng)機(jī)和電機(jī)的損害（延遲關(guān)停），也可以手動(dòng)停止。由于試驗(yàn)時(shí)處于冬季，受季風(fēng)影響較大，在側(cè)向來風(fēng)為5級(jí)時(shí)，主機(jī)在空載工況下的噴射距離為6～7 m，噴射效果如圖7所示；但當(dāng)側(cè)向來風(fēng)大于6級(jí)時(shí)，煙霧基本被側(cè)向來風(fēng)主導(dǎo)，與陸地試驗(yàn)基本一致，設(shè)備整體振動(dòng)在3.0 mm/s以下。因此在后續(xù)優(yōu)化過程中，可適當(dāng)提高設(shè)備抵抗側(cè)向來風(fēng)的能力。

圖7 主機(jī)空載噴射效果圖（風(fēng)速為20 kn）Fig.7 Effect of no-load injection of main engine（at a wind speed of 20 knots）

6 結(jié) 語

設(shè)計(jì)和研制的排煙噴射裝置滿足在無風(fēng)或風(fēng)速較小條件下煙氣排放到15 m以上的設(shè)計(jì)要求，有利于煙氣迅速遠(yuǎn)離平臺(tái)，保障了平臺(tái)安全生產(chǎn)和人員健康。通過對(duì)噴射裝置進(jìn)行研制和試驗(yàn)，為改善平臺(tái)工作環(huán)境提供了一種方案和設(shè)備。在后續(xù)推廣過程中，在前期分析時(shí)可對(duì)流道進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以增強(qiáng)煙霧集束效果，增強(qiáng)風(fēng)壓，可適當(dāng)增強(qiáng)對(duì)側(cè)風(fēng)的抵抗力。