CFD在海上平台方位设计中的应用

CFD在海上平台方位设计中的应用

由于海洋石油开发的特殊性，自开发至今，安全始终是至关重要的前提。海上石油平台大多地理位置偏远，造价成本高，含多种工艺和操作风险，最大程度地减少人员和设备设施风险是十分重要的。可以通过本质安全设计，运用技术手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，使事故发生的可能性降到最低。平台方位设计是本质安全的一个重要方面，良好的方位设计可以从根本上限制不利影响事件的发生。传统上，平台方向的确定一般是根据工程师以往工程项目的经验。虽然这种方法似乎是可以节省资金和时间成本，但是它可能会导致一个非理想的设计方案，因此可能会增加事故发生的可能性，从而增加后续设计阶段中安全成本的投入。

优化参数

海上平台方位设计优化研究所考虑的参数如下：

• 自然通风影响，它可以减少有毒和易燃气体的潜在聚集积累，降低潜在的蒸气云爆炸后果发生的可能性。

• 直升机甲板影响，平台发电机废气排放将影响直升机起降操作安全。

• 风寒影响，会影响人员在平台上工作的舒适性，特别是在寒冷的气候和极端恶劣的天气条件下。

• 救生艇漂移方向，在紧急情况下影响船员的安全。

自然通风

通风率是评价自然通风的主要指标。一旦放生可燃气体泄漏，较高的通风率可以有效的降低平台上可燃气体的残留，降低可燃气云的尺寸。因此，通风率这一指标越大越好。

高温废气排放

根据CAP437海上直升机甲板设计规范中的规定“在直升飞机起降的飞行区域，温度升高的最大值不能超过2℃。”

对于许多海上设施，特别是在极端天气地区，直升机作为主要交通工具和紧急疏散工具。因此，直升机可用于通过尽可能多预期的天气条件。此外，高温废气排放还应尽量减少对钻井架，起重机等的影响。因此，高温废气对直升机甲板的影响越小越好。

风寒影响

根据NORSOK S-002，风寒效应是指暴露在风中的皮肤，会感受到比当时气温更冷的效应。风寒会影响操作设施所需人员的数目。在某些情况下，恶略的自然环境，将增加操作员误操作的可能。为了给工作人员提供可接受的工作环境，并最大限度地提高安全性，风寒的影响是要尽量减少的。值得注意的是，这一优化目标与自然通风是相互矛盾的。因此，优化方法的目的之一是找到这两个潜在的相对应目标之间的平衡点。

救生艇漂移

如果在紧急情况下部署救生艇，必须通过限制潜在危险的暴露可能来最大限度地提高救生艇的生存潜力。救生艇可能会发生动力失效，从而可能会暴露风险之中。为了最大限度地提高生存能力，救生艇应尽可能地漂移远离平台。因此，应尽量最小化逆流漂移，长时间到达安全区域以及潜在的漂移返回平台的可能。

为什么使用CFD？

良好的判断力是解决任何工程问题的基础。然而，CFD数值模拟可以有效的辅助完成一个优化的设计。在石油和天然气行业，有关平台方位的确定，通常只根据以前的经验做定性的判断，这可能会导致最终的设计方案并非最优。本研究的目的是提高专家的预测精度，通过使用数值工具，以满足以下设计目标：

• 最优的平台通风效果

• 降低直升机甲板受排烟的影响

• 降低风寒影响

• 降低救生艇漂移
  

当然，使用CFD解决海上平台相关的问题存在一些挑战：

• 首先，从技术的角度来看，海上平台非常大，有极其复杂的几何形状，这就需要付出相对较大的时间成本和硬件资源。

• 其次，从项目管理的角度来看，项目的执行时间是非常紧迫的，每一天的延误将会造成高昂的成本损失。

• 此外，平台定位是项目设计最前期需要确定的设计之一。然而，在这一阶段项目的信息是相对不全面的，很多信息是不确定的，比如设备设施的布置位置等。

• 最后，健康和安全的预算分配通常是项目总成本的1%左右，这大大限制了技术安全对最终设计的影响。

进行排烟CFD计算所采用的物理参数如下：

• 稳态计算

• realizable k-epsilon湍流模型

• 多组分气体模型

• 考虑重力及浮力驱动流

CFD分析步骤

CFD计算分析主要按照以下步骤进行：

步骤1：模拟工况包括16组方向和2组风速

步骤2：计算直升机甲板每种工况的排烟影响

步骤3：计算经过平台的平均风速

步骤4：计算平台上的风寒

步骤5：确定救生艇漂移碰撞概率

步骤6：将所有的计算结果与风和海流的概率分布相结合，综合各项优化设计指标，折衷得出最佳平台方位。

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