烟气扩散定性分析指导余热回收装置的选型设计

邱波，李东芳，贺相军，刁素仿

（海洋石油工程股份有限公司设计院，天津，300072）

余热回收装置作为热站是海洋石油平台上经常使用的重要设备，是实现油田节能减排的关键设备，是为平台生产系统和公用系统加热的热源。余热回收装置的型式不仅影响设备的采办和平台的布置规划方案，其排出的烟气还可能影响平台直升飞机的起降，因此余热回收装置的选型设计是海洋石油开采项目在运行初期阶段需要进行的一项极其重要的工作。

渤海油田某项目的中心平台上层甲板安装有三台25MW燃气透平发电机组，其中两台机组排烟出口分别安装有一台余热回收装置，用于回收机组排烟中剩余的热量，第三台机组的烟气则直接排入大气。两台余热回收装置布置在发电机组上方的二层操维平台上。余热回收装置的型式有立式和卧式两种，装置的具体型式决定着主机和余热回收装置烟管的布置方案，而机组的排烟对平台直升机甲板上飞机的起降可能产生较大影响。因此评估机组排烟对直升机甲板的影响是确定平台余热回收装置型式和烟管布置方案的关键因素。

海洋石油平台的烟气扩散分析通常需要先建立平台三维模型，包括生活楼和直升机甲板、燃气透平发电机组、余热回收装置及其烟管，以及上层甲板机组附近的设备和附属结构件的三维模型，在细化模型后，采用气体多组分流动及传热数学模型，利用三维数值模拟FLUENT软件，对平台多点排放源组合工况的烟气扩散问题进行数值模拟研究，可以得出各种烟气排放工况下的直升飞机操作的年不可用概率。采用这种定量的模拟分析方法得出的结果比较精确，但模型建立以及计算过程耗时相当长，每一种烟气排放工况模型的搭建及计算过程都需要耗时一至两个月左右。而项目运行初期进行余热回收装置选型设计时缺少充足的时间进行平台模型搭建并采用定量分析的方法对各种烟气排放工况进行模拟计算，因此采用烟气扩散定性分析的方法对各种烟气排放工况中烟气对平台直升机甲板的影响进行初步估算，能够简单、快速、有效地得出估算结果，并可根据估算结果指导余热回收装置的选型设计。

本文利用烟气扩散定性分析方法，分别估算了采用两种不同型式的余热回收装置时由于机组排烟对平台直升机甲板的影响所导致的直升飞机操作年不可用概率，从选择估算概率较小方案的原则最终确定了本项目余热回收装置采用卧式型式。

1 平台概况

本项目平台为八腿中心处理平台，承担周边井口平台的原油和生产水的处理及相应的外输和回注功能。平台设置有三台单台功率为25MW的燃气透平发电机组，不仅为本平台的生产负荷和公用负荷供电，还为周边井口平台的用电负荷供电，并且与区域油田其它平台的电站机组进行组网，为整个油田群的各平台供电。平台设置有两台单台功率为12000kW的余热回收装置，为本平台各生产热用户和公用热用户提供加热热源。

平台设置有直升机甲板、上层甲板、中层甲板、下层甲板以及工作甲板等几个不同标高的甲板。三台燃气透平发电机组设置在上层甲板，标高为EL+31.5m，单台机组首尾东西向布置，其中机组进气滤器朝向平台西侧，机组尾部朝向平台东侧，机组排烟口位于机组中间位置，三台机组由北向南依次排开。由于机组排烟口位于机组中间位置，并且排烟口朝上，因此为保证余热回收装置的安装，需在三台燃气透平发电机组上部设置一个二层操维平台，并且将两台余热回收装置设置在二层操维平台上，二层操维平台的标高为EL+41.5m。三台主机中靠南侧布置的两台主机排烟口处分别安装有一台余热回收装置。最北侧的一台主机排烟出口安装烟管并将烟气直接排放入大气，烟管也布置在二层操维平台上。烟管的走向和布置方式需与余热回收装置及其烟管的布置方式统筹考虑。

在燃气透平发电机组与余热回收装置的西南侧设置有生活楼和直升机甲板，直升机甲板标高为EL+54m。由于三台燃气透平发电机组及余热回收装置的排烟管离生活楼和直升机甲板的水平距离非常近，因此如何将机组排烟对生活楼和直升机甲板的影响降至最低将是机组排烟系统布置方案确定的最关键要素。并且，由于余热回收装置的型式对机组排烟系统的布置方案有直接影响，因此采用不同型式的余热回收装置将形成不同的排烟系统布置方案，而研究各种布置方案中由于烟气扩散影响导致的直升飞机操作的年不可用概率是确定余热回收装置型式的有效手段。

2 方案描述

三台燃气透平发电机组并排布置在上层甲板西侧靠近生活楼和直升机甲板的区域，其中南侧两台主机排烟出口处分别安装一台余热回收装置，最北侧一台主机的烟气直接排放入大气。

根据烟管的布置方式和余热回收装置的两种不同型式设计了三套主机和余热回收装置的烟管布置方案，分别为立式余热回收装置烟管独立布置方案、立式余热回收装置烟管集中布置方案和卧式余热回收装置烟管集中布置方案。

由于仅是定性分析烟气扩散对直升机甲板的影响，并且在此方法中烟气扩散对直升机甲板的影响程度只受制于几个烟管的布置方式及烟管与直升机甲板的水平距离和相对位置，烟管的高度对烟气扩散的实际影响需要通过定量的模拟分析进行评估和确定，因而烟管的高度对烟气扩散的实际影响不在本文讨论范围之内。

2.1 立式余热回收装置烟管独立布置方案

两台余热回收装置型式为立式，分别安装于南侧两台主机排烟出口，并布置于主机二层操维平台上，最北侧一台主机的烟管和南侧两台余热回收装置的烟管均分别独立布置，烟管支撑于主机二层操维平台上，排烟口朝上。主机和余热回收装置及其烟管的整体布置如图1所示。

在这一基本战略判断下，美国战略界对“一带一路”倡议的认知负面远远多于正面。综合起来，美国战略界对“一带一路”倡议的认知或担忧，主要体现在如下几个方面。

图1 立式余热回收装置烟管独立布置方案平面图和立面图

2.2 立式余热回收装置烟管集中布置方案

两台余热回收装置型式为立式，分别安装于南侧两台主机排烟出口，并布置于主机二层操维平台上，最北侧一台主机和最南侧一台余热回收装置的烟管靠近中间一台主机的烟管集中并排布置，烟管支撑于主机二层操维平台上，排烟口朝上。与前一个方案所不同的是，立式余热回收装置烟管集中布置方案中将主机烟管和余热回收装置的烟管进行了集中布置。主机和余热回收装置及其烟管的整体布置如图2所示。

图2 立式余热回收装置烟管集中布置方案平面图和立面图

2.3 卧式余热回收装置烟管集中布置方案

两台余热回收装置型式为卧式，分别安装于南侧两台主机排烟出口，并布置于主机二层操维平台上，最北侧一台主机和最南侧一台余热回收装置的烟管靠近中间一台主机的烟管集中并排布置，烟管支撑于主机二层操维平台上，排烟口朝上。主机和余热回收装置及其烟管的整体布置如图3所示。

图3 卧式余热回收装置烟管集中布置方案平面图和立面图

3 烟气扩散定性分析

平台风向风速概率分布如表1所示。根据主机和余热回收装置及其排烟管的总体布置以及直升机甲板的相对位置，分析上述三个方案中主机及余热回收装置排烟对直升机甲板的影响，具体分析结果如图4、图5和图6所示。图中斜线部分为可对直升机甲板产生影响的环境风向范围。从平台常年风向概率分布表中可以查到这些产生影响的风向范围所对应的概率值，将这些概率值相加后所得的总和即是某一方案采用烟气扩散定性分析后得出的由于机组排烟对直升机甲板的影响导致直升飞机操作的年不可用概率。

表1 平台常年风向风速概率分布表

图4 立式余热回收装置烟管独立布置方案的影响风向范围

图5 立式余热回收装置烟管集中布置方案的影响风向范围

图6 卧式余热回收装置烟管集中布置方案的影响风向范围

根据图4、图5和图6所示的三个方案中主机和余热回收装置排烟对直升机甲板产生影响的环境风向范围，并参照表1中平台风向风速概率分布的数据，可得烟气扩散定性分析的结果如下：

立式余热回收装置烟管独立布置方案和立式余热回收装置烟管集中布置方案中机组排烟对直升机甲板产生影响的风向均为四个，分别是N、NNW、NW和WWN四个风向，四个风向的概率统计之和为17.4%。

卧式余热回收装置烟管集中布置方案由于烟管布置的离直升机甲板较远，因此有影响的风向只有三个，分别是N、NNW、NW三个风向，三个风向的概率统计之和为12.6%。

因此，从烟气扩散定性分析的结果来看，无论是立式余热回收装置烟管独立布置方案还是立式余热回收装置烟管集中布置方案，其机组排烟对直升机甲板的影响概率均比卧式余热回收装置烟管集中布置方案高出约5%。

根据烟气扩散定性分析的结果，为尽量减小由于机组烟气扩散对平台直升机甲板的影响而导致的直升飞机操作的年不可用概率，在上述三个方案中优先选用卧式余热回收装置烟管集中布置方案，因此本项目余热回收装置型式确定为卧式。

4 结论

由于涉及到直升机起降的安全问题，因此烟气扩散对直升机甲板的影响分析已经是海洋石油平台在设计初期阶段需要开展的工作之一。采用三维软件对平台及设备进行建模，并利用流体分析软件进行烟气扩散的定量分析是一项较为复杂的工作。利用软件分析的结果受到三维模型网格划分的精度和分析人员的经验等因素的影响，并且由于烟管的高度对烟气扩散的影响起着决定性的作用，因此烟管的实际高度也是进行软件分析时必须要考虑的因素之一。而本文所述的烟气扩散的定性分析方法，不需要建立复杂的三维模型，仅需要以设备和烟管的布置方案作为基础，并利用平台常年风向风速概率分布表，便可估算得出各个设备和烟管的布置方案下由于烟气扩散对直升机甲板的影响导致的直升飞机操作的年不可用概率，方法简单、快速和有效。根据估算得出的结果，可优先选用影响概率较小的设备和烟管的布置方案。

余热回收装置的型式及其烟管的布置方案对烟气扩散的定性分析结果有着直接影响，因此在尽可能降低烟气扩散对平台直升机甲板影响的目标下利用烟气扩散定性分析的结果来指导余热回收装置的选型设计是非常有意义的，值得在海洋石油开采项目中推广和运用。

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