“海洋石油981”号半潜钻井平台机舱通风的优化设计

张俊杰

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

“海洋石油981”号半潜钻井平台的建造、投产提升了我国自主设计、研发深水油气勘探开发装备的能力，大大提升了我国海上钻井的能力，为我国开拓海外海上石油开发市场提供了有力保障，具有明显的经济效益。

半潜式钻井平台完全不同于普通的船舶。其机械设备繁多，与危险区紧邻，设计难度较高，对安全的要求也较高。平台上机械处所对于通风系统的要求极为严苛。本文将以“海洋石油981”号的机舱通风设计为例，借助AIRPAK软件，采用CFD方法对本平台机舱通风初拟的几种方案进行模拟比较，以找到最优化的机舱通风方案。

CFD利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组，这其中涉及流体力学、计算方法、数值传热学乃至计算机图形处理技术等。对于空调通风领域内的流动问题，多为流速在10 m/s以下的低速流动，可视为不可压缩流体。另外，空调通风领域内的流体流动多为湍流流动，由于某些湍流现象至今无法通过实验来完全解决，因此，目前HVAC的一些湍流现象主要依靠理论和数值分析来解决，这也是CFD软件在HVAC领域得到应用并快速发展的原因之一。

应用成熟的商业软件，对复杂的热环境进行模拟设计，特别是对那些难以预测其运行效果，在施工后又比较难以修改、纠正的系统设计，在设计初亦无法用实体模型进行模拟预测的场合，采用CFD软件进行动态模拟来预测运行效果是经济、合理的最佳选择。

深海半潜式钻井平台因设备众多而占地拥挤。其通风要求较高，故风管和通风设备的布置较困难。该平台原型由F&G设计，定位系统为DP2，现改为DP3后，机舱由2个分隔为4个，并且加大了主机功率，使得风机和风管布置更为困难。在机舱通风能满足柴油发电机正常运行的条件下，需要最简化、最合理的布置通风系统。因此，我们在设计初提出了几个通风方案，并用AIRPAK软件模拟了机舱通风的效果，作为进一步设计的依据。

1 模拟方法

本平台共有4个主机舱，每个机舱内安装2台柴油发电机组及相关设备。为保证舱内设备的正常运行，设有送风机和排风机各2台，每台送风机的风量为100 000 m3/h，每台排风机的风量为65 000 m3/h。根据建造规格书的要求，在外部环境气温38℃时，主机舱内的平均环境温度应在49℃以下。

原规格书和总图分别给出了两个不同的通风方案，以方案1和方案2分别命名后进行模拟，通过比较机舱平均温度来考量两种通风方案。

方案1：进风机设在机舱后部，单台风机的风量为100 000 m3/h，排风机位于机舱前部，单台风机风量为65 000 m3/h。

方案2：排风机设在机舱后部，单台风机风量为65 000 m3/h，送风机设在机舱前部，单台风机风量为100 000 m3/h，即和方案一的送排风机位置互换。

1.1 计算条件

（1）外部环境参数

计算的外部边界条件：温度38℃ ，相对湿度86% ，大气压力100 573 Pa。

（2）内部发热量（每个机舱主要设备）柴油机：180 kW，2台；发电机：90 kW，2台。

（3）四周舱壁假定为绝热，并忽略非主要设备的发热量。

1.2 模型的建立

建立模型的过程中，在AIRPAK中对机舱的实际布置作了适当简化，如：简化了柴油机、发电机等设备的外形，用比较简单的几何外形的块（Block）来代替，而各个进排风风口则用软件中的Opening模型建模。模型中所有的热量都按主机100%运行时的工况数据设定，为最不利工况。由于4个机舱的几何尺寸、内部设备基本一样，所以选取一个机舱作为模型空间。

机舱里布置有两台柴油机，柴油机用Block模型建模，每台发热量180 kW；机舱内共有两台发电机，每台发热量90 kW；发电机尾部按照机舱布置图搭设了平台，平台上放有油柜，油柜同样用Block建模，油柜发热忽略不计。

机舱后部设置围壁风管，风管也使用Block建模。风管上面布有16个1.0 m×0.5 m的风口，风口用Opening建模，出口风速为8 m/s。按照布置图设置舱顶排风，共有6个2.0 m×1.0 m的风口（Opening），出口风速设定为3.2 m/s。柴油机的吸气口按照布置图设置，吸气口同样也是Opening建模。根据布置，共有4个直径为0.86 m的进风口（Opening），每个进风口风速为1.2 m/s。

整个模拟过程中，所有进风口的送风温度均为38℃，柴油机吸口为机舱内计算区域温度，由软件计算所得。

在整个模型的建立过程中，对一些设备的外形作了简化。由于外形的微小差异对于整个机舱的流场影响很小，并且柴油机、主机的发热量按照轮机专业给定的数据进行了设置，因此作这种简化对于整个机舱内的流场、热流分布的影响不大，可以认为模型与实际情况是吻合的。

对整个模型进行网格划分，每个网格为六边形，最大尺寸设为默认的0.8 m×0.3 m×0.5 m，划分完毕后可以准备开始计算。

由于整个计算模型较大，通常大空间的计算方程选用k-ε方程。利用此方程对模型进行计算，当流量的差值、动能和扩散计算差值均小于1×10-3，并且能量差值小于1×10-6时，认为计算收敛。

整个模型构建如图1所示。

图1 模型构建图

模型中以机舱长度方向为X正方向，通过在工作区域内取多个平面，考察其温度场分布，来比较各个方案的通风效果。

考虑到机舱前部为人员巡视的主要区域，因此选取截面主要为机舱前部。模型的各个截面位置如图2所示。

图2 模型截面位置图

基于此模型，对上述2个方案分别进行计算，得出如下页图3所示结果。

方案1中，在X=12 m平面处，最高温度集中在机舱内平台下方一台发电机附近，该位置离风口较远，又靠近高温源，故有如此温度分布，而其余各处的温度均较低；在X=15 m平面处，平台上下部分明显有2℃左右的温差，整个温度场分布较为均匀，温度也较低，通风效果良好；在X=17 m平面处，温度场分布与X=15 m处较为相近，温度分布均匀，温度较低，通风效果良好。通过模拟计算，整个工作区域的平均温度为43.45℃。

图3 两方案温度场对比

方案2中，在X=12 m处，有3处出现较高的温度集中分布，最高温均达到了70℃左右，平台上下较大区域内温度也均在55℃左右，通风效果不理想；在X=15 m处，平台上部工作区域的温度场分布较均匀，温度在45℃左右，平台下方温度较高，通风效果不如前述方案；在X=17 m处，温度场分布类似X=15 m处，通风效果不甚理想。通过模拟计算，整个工作区域的平均温度为48.51℃。

对比上述两个方案，由典型截面处的温度分布可以很容易的发现，方案1通风效果较好，主机附近温度相对较低、整个舱室中温度较高的区域明显少于方案2，并且，最终的舱室平均温度在两个方案中也是最低的。尽管上述两方案的平均温度均满足规格书要求，但在工作平台处的温度值，方案1明显低于方案2，对巡视人员的工作环境有较大的改善。因此，方案1是较为优化的一个方案。

2 结 论

应用CFD模拟显示，在相同的系统风量、设备发热量情况下，经过优化布置的通风系统可以使得整个环境的平均温度较低，提供确保设备安全运行和工作人员的环境条件。通风系统在优化设计后，提高了排热效率，达到了系统节能的目的。

深海半潜式钻井平台项目HVAC系统设计相对于陆用、船用来说，无论规模、数量和历史都要小和短，因此，需要不断地学习、总结经验，采用先进的设计手段，如CFD动态模拟仿真等等。在此项目完成后的使用过程中，机舱内风量充足，设备运行正常，舱内温度满足使用要求，达到了预期的效果，证明采用CFD模拟手段指导设计的机舱通风方案切实可行。