海上平臺高溫煙氣擴散數值模擬分析

王魁濤

(中海油研究總院，北京100028)

海上平臺高溫煙氣擴散數值模擬分析

王魁濤

(中海油研究總院，北京100028)

以渤海某油田新建中心平臺25 MW燃氣透平發電機組排放的高溫煙氣為研究對象,參考英國標準CAP437的環境判定參數,運用KFX軟件對直升機起降影響進行CFD數值模擬。根據模擬結果分析直升機甲板周圍溫升、湍流的分布情況對直升機起降的影響,得到直升機甲板年不可用概率值。依據計算結果驗證工程方案的可行性。

海上平臺;高溫煙氣擴散;直升機甲板;數值模擬

目前國內煙氣擴散的研究工作主要針對火災所引起的煙氣擴散,且只分析火災時高溫煙氣聚集的區域,用于指導人員應急疏散［1-3］,而海上平臺高溫煙氣擴散影響的安全分析研究則較少。海上平臺大功率燃氣透平排煙流量大、廢氣溫度高,可達200～500℃,很有可能成為影響直升機安全起降的隱患。由于海上平臺排煙設備的操作工況和海洋環境相對復雜,影響因素較多,包括氣體排放速度、氣體組分、溫度、風向及附近障礙物等,因此有必要對高溫煙氣的擴散影響進行分析。

以渤海某油田新建中心平臺在國內自營油田首次應用的25 MW透平發電機組為研究對象,采用計算流體力學(CFD)方法分析燃氣透平排放的高溫煙氣對直升機起降的影響,模擬高溫煙氣在平臺直升機甲板及周圍空間的流動及分布規律,驗證目前平臺總體設計方案的可行性,供排煙管設計、平臺上部的總體優化布置及直升機起降飛行管理參考。

1 海上直升機甲板環境影響因素

影響海上直升機安全起降的主要環境因素包括高溫煙氣和湍流兩部分。

平臺上排放的高溫煙氣造成周圍環境溫度升高,空氣相對密度減小,使作用于直升機旋翼的升力和拉力降低。空氣密度下降,進入發動機的空氣量也隨之減少,造成發動機供氣不足,輸出功率下降,進一步降低旋翼的升力和拉力［4］。當空氣溫度為80℃時,空氣密度較空氣溫度為15℃時下降約20%,旋翼拉力也下降約20%,從而造成直升機迅速下降［5］。急劇的溫度變化還會導致發動機喘振,致使壓縮機停轉或熄火。

直升機甲板一般位于生活樓頂部,氣流流過生活樓時會形成尾渦湍流,當直升機飛入尾渦區域時會形成激波,影響正常推力,造成動力下降。

2 相關安全判定標準

目前國內外安全管理部門及第三方科研咨詢機構在直升機作業安全方面都制定有相應的規范和標準。國內對直升機甲板的設計主要依據《民用直升機海上平臺運行規定》,在設計環境條件方面只對風速和能見度進行了要求,但未對溫度和湍流進行限定。

挪威規范NORSOK C-004規定直升機甲板周圍溫升不能超過環境溫度3℃,未見直升機甲板周圍湍流的限定條件［6］。

美國APIRP 2L中只提到了空氣湍流影響,限定沒有具體量化［7］。

英國CAA(Civil Aviation Authority)制定的直升機甲板安全設計規范CAP437則對環境條件的判定標準相對明確,并且制定了與CAP437配套的相關研究報告和推薦做法如CAA PAPER-99004、CAAPAPER2008/03等,用于指導海上直升機甲板的設計［8-11］。

對比國內外相關規范標準,CAP437的實用性和可操作性更強。模擬選用CAP437作為直升機甲板受環境條件影響分析的首選標準。根據CAP437的判定準則,在直升機甲板上部區域,煙氣溫度和湍流應滿足以下條件。

1)煙氣溫度的限定。在直升機起降的區域(直升機安全起降所需甲板上方凈空高度范圍,應滿足9.1 m加直升機輪子到旋翼的高度再加上一個旋翼的直徑)內,平均3 s時間間隔內的最大溫升不能超過環境溫度2℃;

2)湍流的限定。在直升機起降的區域內,垂直方向速度的標準方差不能超過1.75 m/s;

如果不滿足上述標準,則需要對直升機飛行進行操作限制。

3 計算基礎條件

新建中心平臺位于渤海南部海域,該平臺為渤南油田群區域電力組網中心,為保證油田群新建平臺供電及區域電網平衡,在平臺上層甲板布置有3臺25 MW天然氣透平驅動的發電機組和廢熱回收裝置,同時上層甲板生活樓頂部設置有直升機甲板。上層甲板的設備布置見圖1。

圖1 平臺上層甲板布置示意

模擬計算假設:海上大氣風速和環境溫度均勻分布,由于透平排煙與環境溫度有關,為簡化計算,環境溫度采用年平均溫度15℃;模擬分析選取海平面為0 m。計算域z方向的下邊界為0,其他方向的計算域為1.0～1.5倍平臺長度。上層甲板距離海平面31.5 m,直升機甲板距離海平面高度54.5 m,煙囪高度距離海平面57.5 m。采用非均勻網格,在排放點附近將網格適當加密以提高計算精度。在直升機甲板上方及甲板周圍,采用1×1×1 m網格,在平臺內部保證網格足夠小以獲得足夠精確的計算結果,在平臺外部將網格適當拉伸。模擬中網格數約為140萬。

由于廢熱回收裝置為一用一備,計算工況為一臺透平帶廢熱排煙,一臺透平不經廢熱回收直接排放。排煙設備所排放的煙氣參數見表1。

表1 排煙參數

擬采用貝爾212飛機,根據CAP437要求,直升機起降所需高度為27.8 m,模擬確定直升機甲板及其上方30 m之間的煙氣溫度變化規律。

4 計算結果

本次分析中新建平臺的北向按照地理正北向逆時針旋轉67.5°,該新建平臺所在海域風玫瑰圖見圖2,根據對排煙煙囪和直升機甲板的相對位置和朝向,其中NW(-45°)、NNW(-22.5°)、N(0°)、NNE(22.5°)4種風向條件下煙氣會吹向直升機甲板,其他風向下不會對直升機有影響。

圖2 油田海域風玫瑰圖

對不同風向和風速情況下直升機甲板溫升和湍流的分布情況進行CFD計算,以NNW風向為例進行分析。圖3為NNW風向下,不同風速條件下煙氣溫度超過17℃的包絡面圖。可以直觀地判斷出在該風向及風速下直升機甲板30 m范圍內存在超過環境溫度2℃的煙氣分布區域情況。通過溫度包絡面可見,隨著風速的增加,煙羽整體向下移動。同時由于風的稀釋作用,煙羽擴散變快,隨著風速增加煙羽影響范圍縮小。總體來說,對于風向NNW,風速增大使直升機甲板受影響程度升高,對直升機起落環境的影響增加。

圖4則為在風向NNW,風速9 m/s條件下,直升機甲板上方0～25 m不同水平高度截面(xy面)的溫度等值線圖。圖中以直升機甲板為基準點,分析了直升機甲板及其上方30 m之間的溫度變化規律。在9 m/s風速條件下,直升機甲板上方5 m范圍內沒有受到煙氣影響,隨著高度的增加,煙氣中心溫度逐漸增加,直升機甲板上方影響范圍也越來越大。

圖3 NNW風向不同風速下煙氣溫度高于17℃煙氣分布情況

圖4 直升機甲板上部不同高度煙溫超過17℃的等值線圖(風向NNW、風速9 m/s)

統計不同風向風速條件下直升機甲板上方5～30 m高度范圍內的溫升見表2,其中NNW風向對直升機甲板的影響最大,風速超過5 m/s時,直升機起降區域內溫升均存在超過40℃的情況,最高溫升達到92℃;其次為NW風向,風速超過5 m/s時,溫升基本大于30℃,最高達到52℃。根據直升機Bell-212操作手冊,其運行溫度在-40～35℃之間。從表2可以看出,在 NW、NNW、N 3個方向,直升機甲板上方溫度大部分風速條件下將超過直升機運行要求,基本處于禁止飛行狀態。因此平臺業主應加強對平臺海域風向的監測,并及時告知直升機運營方,通過采取降落其他平臺等措施規避風險。

圖5為風向NNW,風速15 m/s條件下,湍流能的分布情況,當風流經過修井機、透平發電機和生活樓之后,有一部分氣流升至直升機甲板上方空間,使得該處湍流對直升機的影響增加,使直升機甲板上部影響高度范圍內垂直速度的標準方差超過1.75 m/s。經查閱風向和風速概率分布表,該風向及風速條件下的概率為1.8%。

根據分析不同風向及風速下溫升計算結果,將不符合CAP437規范的風向和風速的環境條件工況體現在風向和風速聯合分布概率表中(表3),最終可得出目前設計方案下的直升機年不可用概率為12.7%。

通過工程設計方、直升機操作方和業主3方間的溝通,考慮到目前采用風頻統計偏保守的情況,參考國內外類似項目,直升機甲板年不可接受概率值控制在10%以內可以接受。目前設計方案中的12.7%的概率偏高,設計方案需要優化。

表2 各風向風速條件下直升機甲板上方各高度溫升統計表

圖5 直升機甲板上部空間湍流的等值線(風向NNW，風速15 m/s)

表3 中心平臺直升機年不可用概率統計

設計方案中平臺結構尺寸已經確定,增大廢熱煙囪與直升機甲板之間的水平距離存在難度;增加直升機甲板與煙囪頂端之間的相對高度具有可行性。升高煙囪高度相當于將煙羽影響范圍整體向上平移,從而增大煙羽與直升機甲板之間的距離。經計算,在現有基礎上煙囪升高6、11、20m,年不可用概率對應下降至9.8%、8.4%、4.0%。

綜合上述分析,建議在現有設計方案基礎上增大煙囪高度6 m,滿足直升機甲板年不可用概率控制在10%之內的要求。此舉還需要綜合考慮煙囪的支撐結構、吊機干涉以及燃氣透平背壓增加和廢熱裝置的重新選型等問題。

5 結論

1)該項目影響直升機起降的風向是NW、NNW、N、NNE。這4個風向,在風速大于3 m/s時,直升機甲板上方起降的飛行區域內溫升均超過大氣溫度2℃以上,不滿足直升機起降要求。根據風向及風速下溫升計算結果和風向風速聯合分布概率,直升機甲板的全年不可用概率值達到12.7%,需要對工程設計方案進行優化。

2)在現有工程設計方案基礎上煙囪升高6 m,直升機甲板年不可用概率值可下降至9.8%。增加煙囪出口高度,需要綜合考慮煙囪的支撐結構、吊機干涉以及燃氣透平背壓增加和廢熱裝置的重新選型等因素。

3)煙囪升高6 m后,在NNW、N、NW風向下,直升機甲板上方由于高溫煙氣導致的溫升仍較高,局部溫升超過20℃,超過了直升機安全運行要求。應加強對平臺海域風向的監測,并及時告知直升機運營方,遇到危險風向風速時,通過采取取消飛行或降落其他平臺等措施消除影響。

［1］曲志明,李 正,周心權.室內火災煙氣流動的三維大渦數值模擬［J］.重慶建筑大學學報,2008,30(1): 119-124.

［2］趙蘭英,王圣翔.地鐵換乘站火災煙氣蔓延數值模擬與分析［J］.消防科學與技術,2013,32(4):373-376.

［3］周 汝,何嘉鵬,蔣軍成,等.高層建筑火災時煙氣在橫向疏散通道內的擴散［J］.南京航空航天大學學報,2007,39(3):412-416.

［4］張彩生,汪東林,蔣曉彥,等.環境溫度對直升機的影響及測試數據處理方法研究［J］.裝備環境工程. 2006,3(4):45-49.

［5］周雄武,趙瑞賢.高溫煙火導致直升機墜毀分析［J］.裝備環境工程.2007,4(6):41-43.

［6］Norwegian Petroleum Industry.NORSOK C-004 Helicopter deck on offshore installations［S］.2004.

［7］American Petroleum Institute.APIRP 2L Recommended practice for planning,designing,and constructing heliports for fixed offshore platforms［S］.1996.

［8］UK Civil Aviation Authority.CAP 437 Offshore helicopter landing areas-guidance on standards［S］.2010.

［9］UK Civil Aviation Authority.CAA PAPER 2008/03 Helideck design considerations-environmental effects［S］. 2009.

［10］UK Civil Aviation Authority.CAA PAPER 99004 Research on offshore helideck environmental issues［S］. 2000.

［11］UK Civil Aviation Authority.CAA PAPER 2004/03 Helieopter turbulence criteria for operations to offshore platforms［S］.2004.

Analysis of Simulation for High-Temperature Exhausted Gas on the Offshore Platform

WANG Kui-tao
(CNOOC Research Institute,Beijing 100028,China)

By taking the high-temperature exhausted gas from 25 MW gas turbines on new center platform located in Bohai sea as the research object,the British standard CAP437 is adopted for the criterion of environmental impacts to simulate the effects of helicopter's takeoff and landing by flow of high-temperature exhausted gas.The numerical calculation and analysis of the exhaust temperature rise and turbulence distribution above the helicopter deck are performed in KFX software,and the annual helicopter deck downtime probability is obtained.Analysis of the simulation results shows that the technical schedule is feasible.

offshore platform;high-temperature exhausted gas diffusion;helicopter deck;numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.023

TE48

A

1671-7953(2015)03-0095-05

2014-12-24

修回日期:2015-01-06

中海油研究總院項目(2013BD-006)

王魁濤(1981-),男,碩士,工程師

研究方向:海洋工程安全分析

E-mail:wangkt@cnooc.com.cn