Естественная вентиляция морской буровой установки

Денис Хитрых, ЗАО «EMT Р»

Одним из наиболее очевидных источни­ков опасности для персонала морских платформ является возможность взры­вов и пожаров в результате утечки газа или выделения паров, способных обра­зовывать с воздухом пожаро- и взрыво­опасные смеси. Даже незначительная разгерметизация трубопроводов или хранилища газа может привести к катас­трофическим последствиям. За счет при­менения систем вентиляции снижается вероятность возникновения взрывоопас­ной ситуации: либо горючие газы и пары просто удаляются, либо их концентра­ция в воздухе снижается до безопасного уровня.

Введение

При всем многообразии систем вентиляции их можно классифицировать по следующим харак­терным признакам: по назначению (вытяжные и приточные), зоне действия (местные и общеоб­менные), способу побуждения (естественные и механические).

Перемещение воздуха в механических системах происходит под действием давления, создаваемого вентилятором. Эти системы могут осуществлять воздухообмен в заданных точках (например, в застойных зонах), в требуемом ко­личестве и независимо от изменяющихся усло­вий окружающей среды.

Естественная вентиляция создается с по­мощью различных отверстий в стенах, полу и потолке конструкции. Размеры и взаимное расположение этих отверстий оказывают опре­деленное влияние на перемещение воздушных потоков. Главным недостатком систем естест­венной вентиляции является их зависимость от метеорологических условий (температуры воз­духа, направления и скорости воздуха), а также небольшое располагаемое давление. Тем не менее естественная вентиляция морских добы­вающих платформ предпочтительнее, чем при­нудительная (механическая), — она функциони­рует при любых условиях и не зависит от работы оборудования.

Перемещение воздуха при естественной вентиляции происходит в результате воздей­ствия на платформу ветра или давления, возни­кающего из-за разницы температур наружного воздуха и воздуха в помещении. При неблаго­приятном направлении ветра или во время без­ветренной погоды скорость воздуха в некоторых помещениях может оказаться недостаточной, вследствие чего начнут формироваться застой­ные или слабовентилируемые зоны — потенци­альные места накопления газа до взрывоопас­ных концентраций.

Рис. 1

Для изучения работы системы естествен­ной вентиляции и моделирования неблагопри­ятных сценариев утечки газа на платформе специалисты Health and Safety Laboratory (Шеф­филд, Англия) применили гибридный подход, сочетающий экспериментальные исследования и методы численного моделирования (CFD). В качестве объекта исследований была выбрана стационарная морская платформа модульной конструкции. Измерялись скорость ветра и его направление. На двух модулях для оценки крат­ности воздухообмена был использован метод индикаторного газа.

Затем полученные экспериментальные замеры применялись для верификации и уточ­нения математической модели вентиляционных течений на одном из модулей платформы. Далее эта модель была использована для изучения пе­ремещений воздушных потоков в помещениях модуля и на открытых пространствах при раз­личных направлениях и скоростях ветра.

Для моделирования утечки газа в уравне­ния были введены дополнительные источники, соответствующие реальным выбросам газа в эксперименте. Кроме того, компьютерное моде­лирование вентиляции платформы позволило локализовать застойные участки на платформе и предложить меры по доработке местных вы­тяжных систем вентиляции.

Экспериментальные замеры

Конфигурация морской буровой установки по­казана на рис. 1: синим цветом выделен жилой модуль, красным — эксплутационный (буро­вой). Выбор бурового модуля в качестве объек­та исследований объясняется закрытостью его конструкций (с трех сторон он окружен соседни­ми модулями).

Основные замеры производились на ниж­ней палубе бурового модуля, площадь которой составляет 30,25×36,7 м², а общая высота мо­дуля — 9,8 м. Дополнительные замеры были выполнены и на промежуточной палубе, распо­ложенной приблизительно на половине высоты нижней палубы.

С трех сторон на палубе были установле­ны защитные экраны с зазорами 1,0 и 0,35 м в верхней и нижней частях соответственно, а четвертая сторона закрыта от ветра полностью. Пол палубы и потолочные перекрытия — сплош­ные. Общая площадь открытого пространства составляла порядка 20%.

На нижней палубе эксплуатационной плат­формы было выбрано от 22 до 28 точек для за­меров, а на уровне промежуточной палубы — 16 точек. В каждой подобной точке скорость измерялась на разной высоте от пола палубы: 1,0; 2,0 и 2,75 (2,82) м. Замеры проводились с помощью ультразвуковых анемометров, обла­дающих погрешностью в 1,5% в диапазоне ско­рости от 0 до 20 м/c и далее ±3% при скоростях больших 20 м/с. Вследствие высокой точности измерения ультразвуковые анемометры могут использоваться для безынерционных измере­ний в условиях шквального ветра, достигающе­го максимальных значений.

C помощью программного обеспечения замеренные значения скорости осреднялись за определенный интервал времени. Типичные данные для скорости показаны на рис. 2 (отдель­ные компоненты скорости (u, v, w ) выделены на рисунке разными цветами).

Для оценки интенсивности воздухооб­мена на платформе использовался метод растворения индикаторного газа. Основная идея этого метода заключается в следующем: вентилируемое помещение заполняется ин­дикаторным газом и с помощью газоанализа­тора измеряется его начальная концентрация.

Рис. 2

Через некоторый промежуток времени изме­рения повторяют. В дальнейшем полученная разница концентраций газа используется для определения кратности воздухообмена в дан­ном помещении.

Как правило, для выполнения такого рода исследований используют уменьшенную копию модели, которая помещается в аэродинамичес­кую трубу.

Тем не менее сейчас многие западные проектные и исследовательские организации в качестве альтернативы широко используют для этих целей и методы вычислительной гидроди­намики, в том числе HSL.

Численное моделирование

Очевидно, что достоверность замеров, выпол­ненных на платформах, ограничивается теми погодными условиями, которые наблюдаются в день их проведения. Поэтому подобные экспери­менты не могут дать полную картину процессов, происходящих на платформе в текущий момент времени.

Дополнительным преимуществом числен­ного моделирования является то, что его можно использовать для принятия практических мер по совершенствованию системы вентиляции плат­формы задолго до начала строительства этого сложного гидротехнического сооружения.

Моделирование проводилось в два этапа. Сначала был выполнен расчет внешнего обтека­ния платформы, где в качестве исходных данных использовалась местная роза ветров (статис­тический график повторяемости направления ветра). Было выбрано несколько преобладаю­щих направлений: восточное (В), юго-восточное (ЮВ) и др.

Далее полученное поле давлений в окрест­ности эксплуатационной платформы использо­валось в качестве граничного условия для моде­лирования течения внутри этой платформы.

Для расчета внешнего течения была пост­роена неструктурированная сетка, содержащая приблизительно 59 тыс. элементов. Вблизи экс­плуатационной платформы сетка была локально загущена, что позволило уловить тончайшие де­тали ее обтекания. Различные мелкие объекты, формирующие внутреннее пространство плат­формы, в расчете не учитывались, так как их влияние на распределение давления в районе платформы очень незначительно и не искажает картину обтекания платформы.

Размеры расчетной области были следую­щими: 720 м в длину, 360 м в ширину и 360 м в высоту. На рис. 3 показан внешний вид поверх­ностной сетки.

Рис. 3

Было принято, что поток, обтекающий установку, имеет логарифмический профиль — это хорошо согласуется с результатами замеров скорости ветра на высоте 5 и 10 м от уровня моря. При этом сама установка каждый раз ори­ентировалась перпендикулярно направлению ветра.

По бокам модели были заданы симметрич­ные граничные условия. Поверхность моря рас­сматривалась как стенка с условной шерохова­тостью 0,5 мм.

Использовалась стандартная «k-Ей-модель турбулентности.

Подробнее с результатами расчета внеш­него обтекания морской установки можно ознакомиться в отчете Saunders C. J., Ivings M. J. Natural ventilation of offshore modules / Research report № 402. HSE, 2005.

Моделирование условий внутри самой платформы — весьма непростая задача, по­скольку и ее конструкция, и установленное на ней оборудование имеют довольно сложную геометрию. Наиболее крупные объекты на ниж­ней и промежуточной палубах имитировались расчетной сеткой. Наименьший размер объек­тов, описываемых этой сеткой, составлял 50 см. Поэтому такие участки платформы, как, напри­мер, зоны загромождения трубопроводами, мо­делировались просто стоками импульса. Размер основной расчетной сетки составил приблизи­тельно 214 тыс. узлов. На рис. 4 представлена сетка, моделирующая оборудование платфор­мы и застойные зоны.

Рис. 4

Дополнительно было проведено неболь­шое исследование влияния густоты сетки на результаты расчетов с использованием 328 тыс. узлов. На более мелкой сетке решение не пре­терпело существенных изменений.

Мы уже говорили, что для оценки интенсив­ности воздухообмена на платформе инженеры HSL применили метод растворения индикатор­ного газа. Теперь поведение газа было смоде­лировано с помощью ANSYS CFX для широко­го спектра погодных условий, представленных 16 различными вариантами.

Начальные условия для этих расчетов бра­лись из решения для стационарного течения. Всего для учета влияния ветра было задано 27 граничных условий давления, которые при­кладывались к дверным проемам, промежуткам между ветрозащитными экранами и пр.

Было обнаружено, что результаты расче­тов чрезвычайно чувствительны к рассматрива­емым направлениям ветра.

Для улучшения сходимости сначала при­менялась разностная схема первого порядка, затем полученные результаты использовались в качестве первого приближения при выборе схе­мы более высокого порядка.

Условие входа для индикаторного газа за­давалось нормальным распределением скоро­сти V и концентрации газа Y в пределах круга (место ввода струи газа):

где r — радиальное расстояние; b_Y = 0,126Z; b_V = 0,126Z; Z — осевое расстояние; V_c и Y_c — скорость истечения и концентрация газа на осе­вой линии соответственно.

Рис. 5

На рис. 5 показана картина распростране­ния газа (и выветривания) по платформе для од­ного из режимов ветра.

В данном случае ветер дует с запада со скоростью 6,5 узлов в минуту.

Выводы

Результаты моделирования внешнего обтекания морской установки, а затем и течения воздуха на эксплутационной платформе показали, что самыми неблагоприятными направлениями вет­ра являются восточное и западное. В этом слу­чае скорости движения воздуха на платформе оказываются недостаточными для обеспечения требуемого воздухообмена: затруднена подача воздуха в отдельные зоны платформы, не все вредные выделения могут быть локализованы и удалены и т.д.

Для всех прочих направлений ветра, ду­ющего со скоростью 6,5 узлов, расчетная ско­рость вентилируемого воздуха составляет по­рядка 1 м/с.

При большей скорости ветра скорость воз­духа варьируется по платформе в пределах от 1 до 3 м/с, причем вблизи дверных проемов она значительно выше.

Интересно отметить, что при восточном ветре общее направление течения воздуха че­рез платформу отклоняется к югу на 24°. Этот прогноз хорошо согласуется с результатами экс­периментальных замеров, которые были выпол­нены на платформе ранее.

Анализ данных, представленных в упомяну­том выше отчете, показывает, что общая структура течения воздуха через модуль очень неравномер­на. Например, существует много областей с за­вихрениями и противотоком. Кроме того, характер течения воздуха сильно изменяется по высоте.

Опыт инженеров HSL показал, что комби­нация натурных экспериментов и использования средств вычислительной гидродинамики явля­ется бесценным инструментом для определения эффективности систем вентиляции морских со­оружений.