海上平臺直升機甲板受環(huán)境影響的安全分析評估＊

陳 欣 孫 旭 李東芳 張艷春 沈志恒

（1.海洋石油工程股份有限公司； 2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司）

海上平臺直升機甲板受環(huán)境影響的安全分析評估＊

陳 欣1孫 旭2李東芳1張艷春1沈志恒1

（1.海洋石油工程股份有限公司； 2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司）

通過對比分析國內(nèi)外規(guī)范中對直升機安全起降受環(huán)境影響的相關要求，認為英國標準CAP437及其推薦做法更適用于海上平臺直升機甲板受環(huán)境影響的分析評估。結(jié)合CAP437提出的指導性建議，應用CFD方法研究了荔灣3－1氣田中心平臺直升機甲板布置的不同方案，模擬計算了直升機甲板上部空間煙溫和湍流的分布情況，得出了直升機飛行的年不可用概率，最終確定了直升機甲板布置的最優(yōu)方案。

海上平臺 直升機甲板 布置方案 環(huán)境影響 標準規(guī)范 安全分析評估 荔灣3－1氣田中心平臺

目前海上油氣田開發(fā)規(guī)模越來越大，海上生產(chǎn)設施排煙對直升機甲板安全操作的影響問題日益突出。上個世紀90年代，在英國北海海域發(fā)生的海上直升機事故引起了英國民航局CAA（Civil Aviation Authority）及健康安全執(zhí)行委員會 HSE（Health and Safety Executive）的高度重視，兩機構(gòu)聯(lián)合開展對海上直升機事故的分析研究工作。

隨著國內(nèi)海洋石油行業(yè)向深水領域的進軍，海上平臺處理規(guī)模增加，因此而帶來的海上平臺直升機甲板的安全操作問題也成為了工程設計所關注的焦點。由于目前國內(nèi)對海上平臺直升機甲板布置設計時考慮環(huán)境影響的研究還不深入，對相關的判定標準并沒有應用的經(jīng)驗和深入的了解，如DNV使用的CAP437[1]。本文結(jié)合荔灣3－1氣田中心平臺直升機甲板受透平排煙影響的案例，對海上平臺直升機甲板受環(huán)境影響的安全分析評估相關問題進行探討。

1 環(huán)境因素對海上平臺直升機甲板的影響分析

直升機在靠近整個平臺的過程中，其環(huán)境影響因素主要歸結(jié)為3個方面（圖1）：①環(huán)境氣流流過整個平臺，干擾平臺周邊的流場，形成的湍流流動對直升機安全操作產(chǎn)生影響；②平臺上層甲板高大設備后形成的尾渦湍流對直升機安全操作產(chǎn)生影響；③燃氣透平及火炬等形成的熱煙氣對直升機甲板的熱影響及湍流流動的影響。

圖1 海上環(huán)境因素對直升機甲板的綜合影響[1]

以上環(huán)境因素對直升機安全操作的影響主要體現(xiàn)在以下兩方面：①當直升機飛入尾渦區(qū)域時，會形成類似高速飛行時產(chǎn)生的激波，影響飛機的正常推力，造成動力下降。②平臺上排放的高溫煙氣會造成周圍環(huán)境溫度的升高，空氣相對密度小，作用于直升機轉(zhuǎn)軸本身的升力減小。同時，直升機發(fā)動機吸入的空氣與油混和后燃燒不充分，造成功率下降；快速的溫度變化也會導致發(fā)動機喘振，甚至使壓縮機停轉(zhuǎn)或熄火。這兩方面都會使直升飛機操作的危險性增大。因此，影響直升機安全起降的主要危險源可歸結(jié)為兩大類，即高溫煙氣和湍流。

2 海上平臺直升機作業(yè)安全相關標準規(guī)范

關于海上平臺直升機甲板的設計，國內(nèi)外的安全管理部門和第三方科研咨詢機構(gòu)開展了大量的研究和驗證工作。目前，挪威、美國和英國在直升機作業(yè)安全方面都制定了相關的規(guī)范標準[2－4]。國內(nèi)對直升機甲板的設計主要依據(jù)《民用直升機海上平臺運行規(guī)定》1），同時《海洋石油安全管理細則》2）對直升機起降的管理也作出了相關的規(guī)定，但在環(huán)境影響方面，只提到了風速和能見度的要求，并沒有提出對高溫煙氣和湍流流動的限定條件。

相對而言，英國的標準CAP437對環(huán)境影響直升機安全操作的判定標準更加清晰和明確，并制定了與CAP437配套的相關推薦做法，如CAA PAPER 99004[5]，CAA PAPER 2004/03[6]，CAA PAPER2008/03[2]等，主要用于指導海上平臺直升機甲板的前期設計。

CAP437作為評估分析直升機甲板安全操作比較權(quán)威的標準規(guī)范，其對直升機甲板周圍的湍流及高溫煙氣進行了條件限定。根據(jù)CAP437的判定準則，在直升機甲板上部區(qū)域，湍流和煙氣溫度應滿足如下條件：①湍流的限定。在直升機起飛和降落區(qū)域內(nèi)，豎直方向速度的標準方差不能超過1.75 m/s。②煙溫的限定。在平均3 s的時間間隔內(nèi)，直升機起飛和降落區(qū)域（即供直升機安全起降所需的甲板上方凈空高度范圍，應滿足30英尺加直升機輪子到旋翼的高度再加上一個旋翼的直徑）內(nèi)的最大溫升不能超過環(huán)境溫度2℃。

同時，CAA2008/03給出了更為具體的指導性建議：

（1）增大透平煙囪與直升機甲板之間的水平距離。根據(jù)高斯擴散模型和風洞試驗結(jié)果，當燃氣輪機排放煙氣溫度為500℃，煙氣流量為50～100 kg/s時，避免煙氣溫度超過環(huán)境溫度2℃的最短水平距離是130～190 m（圖2）。配有余熱回收系統(tǒng)的燃氣輪機，煙氣出口溫度大約為250℃，則其對應的避免煙溫超過環(huán)境溫度2℃的最短水平距離是90～130 m。除了非常大的平臺，這意味著總是存在使直升機甲板上方一定區(qū)域內(nèi)的溫升超過環(huán)境溫度2℃的情況。因此，對于固定式海上平臺，不可能設計出在任何條件下都能符合CAP437對溫升所做要求的直升機甲板。這樣，海上平臺直升機甲板設計的目標就變成了減小直升機甲板上方一定區(qū)域內(nèi)存在高溫煙氣的可能性，而不是完全消除這種可能性。

圖2 燃氣輪機排放高溫煙氣擴散示意圖[1]

（2）增加直升機甲板與煙囪頂端之間的相對高度。在可行的情況下，盡量增加煙囪高度，以保證高溫煙氣擴散的區(qū)域高于直升機飛行的路徑。為了達到這一目標，在考慮到煙氣溫度和流量的前提下，高溫煙氣的排放口至少要高于直升機甲板面20～30 m。

（3）在平臺上安裝朝下排放的煙道，以使煙氣向海面方向排出?？紤]到在風速較小的時候煙氣會從下方升上來，因此不推薦該做法。

3 CAP437規(guī)范及推薦做法在荔灣3－1氣田中心平臺中的應用

荔灣3－1氣田開發(fā)工程中心平臺是目前國內(nèi)海上天然氣開發(fā)規(guī)模最大的一個工程[7]。為保證中心平臺大規(guī)模的天然氣處理能力，上層甲板需布置天然氣透平驅(qū)動的發(fā)電機和天然氣壓縮機，總共15臺機組，機組布置相當緊湊。同時，上部設有直升機甲板的生活樓也布置于該層甲板。按照項目前期確定的平臺總體布置（圖3），通過定量風險分析（QRA），并依據(jù)英國規(guī)范CAP437的相關判定標準，發(fā)現(xiàn)上層甲板多臺透平排煙對直升機的起飛和降落有一定的影響，因此，要對中心平臺直升機甲板布置優(yōu)化問題進行研究。

圖3 荔灣3－1氣田中心平臺總體布置圖

3.1 直升機甲板布置優(yōu)化措施的可行性分析

3.1.1 增大透平煙囪與直升機甲板之間的水平距離

（1）直升機甲板采用輕型結(jié)構(gòu)，并盡量向平臺外部延伸，但這種方案增加了結(jié)構(gòu)設計的難度，不僅進一步增加了平臺的重量，而且對項目嚴峻的重控要求不利。

（2）將煙囪最大限度地引離直升機甲板方向，具體做法是將緊鄰生活樓3臺主機的煙囪引至離直升機甲板盡量遠處，但需考慮煙囪支撐的做法與增加平臺重量方面的問題，其效果并不顯著。

3.1.2 增加直升機甲板與煙囪頂端之間的相對高差

（1）降低直升機甲板的高度，將直升機甲板從生活樓頂層直接移到上層甲板。這種做法雖然增加了直升機甲板與煙囪頂端之間的相對高差，但這將意味著直升機甲板遠低于周圍高大設備和生活樓。當直升機甲板位于高大設備或生活樓下風向時，其后方易形成較強烈的湍流區(qū)域，直升機甲板則會受到湍流的顯著影響。

（2）抬升煙囪的高度。加高煙囪出口的高度，需考慮煙囪的支撐問題及對吊機的影響問題，而且還要注意煙囪加高對燃氣輪機增加的背壓，尤其是對于配有余熱回收裝置的機組。通過充分論證，認為適當增加煙囪的高度是可以實現(xiàn)的。

（3）降低生活樓的高度，將直升機甲板仍放置于生活樓之上，具體做法是將高為5層的生活樓拆分成高為3層和高為2層的A和B兩部分。該方案顯著地降低了直升機甲板的高度，達到了增加直升機甲板與煙囪頂端之間的相對高差的目的。

綜上所述，適當抬升煙囪的高度及降低生活樓的高度，對于降低排煙的影響是可行的，據(jù)此確定選取如下2種直升機甲板布置優(yōu)化方案：

方案一：只提升煙囪高度，煙囪頂端出口標高為EL.（＋）74000 mm，生活樓高為5層，直升機甲板標高為EL.（＋）63500 mm。

方案二：提升煙囪高度，煙囪頂端出口標高為EL.（＋）74000 mm。同時生活樓分成2部分，高度降為3層，直升機甲板標高為EL.（＋）56500 mm。

3.2 根據(jù)“直升機飛行的年不可用概率”概念確定最優(yōu)方案

CAA2008/03中提出的直升機甲板布置分析評估方法主要是風洞試驗和數(shù)值計算流體力學（CFD）2種。用這2種方法可以對不同的直升機甲板布置方案進行分析和驗證，最終通過判斷直升機飛行的年不可用概率（該概念的提出源于CAA2008/03）是否可接受，來決定直升機甲板的布置是否合理，確定出最優(yōu)方案。

本文采用CFD方法對直升機甲板的布置方案進行模擬分析。通過對環(huán)境影響因素的分析，可推知溫度和湍流的分布情況與環(huán)境風向是直接相關的。針對主機等排煙設備的布置、運行情況及直升機甲板所處的相對位置，可以選定代表性的風向進行分析，其結(jié)果分別如圖4和圖5所示（圖中圓圈中的標號為排煙設備煙囪的編號，箭頭所指方向0°為從平臺北方向吹來的風，按順時針角度遞增，180°為從平臺南方向吹來的風）。

對不同風向和風速工況下直升機甲板周圍溫升和湍流的分布情況進行CFD模擬計算。圖6和圖7分別為從平臺西南方向（225°）吹來的風向、風速為9 m/s工況下，方案二中直升機甲板上部空間煙溫和湍流的分布圖。由圖6可直觀地判斷出，在該風向及風速下，直升機甲板上方區(qū)域，即從直升機甲板高度處到圖中紅線（直升機安全起降最小高度）之間的區(qū)域內(nèi)存在煙溫超過環(huán)境溫度2℃的情況。由圖7可知，當風流經(jīng)主機與生活樓之間的狹長通道后，有一部分氣流會爬升到直升機甲板上部空間，這樣使得該處的湍流影響增加，從而使直升機甲板上部影響高度范圍內(nèi)豎直速度的標準偏差超過1.75 m/s。查風向及風速概率分布表可知，該風向及風速出現(xiàn)的概率為0.1%。

圖6 荔灣3－1氣田中心平臺直升機甲板上部空間煙溫超過2℃的等值線圖（方案二，風向225°、風速9 m/s）

圖7 荔灣3－1氣田中心平臺直升機甲板上方水平面內(nèi)湍流的等值線云圖（方案二，風向225°、風速9m/s）

通過分析不同風向及風速下煙溫和湍流的計算結(jié)果，將不符合CAP437規(guī)范的風向及風速的環(huán)境工況（即直升機甲板上部空間不符合直升機安全起降的環(huán)境條件）體現(xiàn)在項目所給的風向及風速聯(lián)合分布概率表中（表1和表2中的灰色部分），最終計算得出2種方案的直升機年不可用概率分別為7.3%和2.8%。

表1 荔灣3－1氣田中心平臺直升機飛行年不可用概率統(tǒng)計表（方案一）

表2 荔灣3－1氣田中心平臺直升機飛行年不可用概率統(tǒng)計表（方案二）

通過判斷直升機飛行的年不可用概率是否可接受，來決定直升機甲板的布置是否合理。如果直升機的年不可用概率在工程中可以接受，那么說明直升機甲板的布置合理，可以開展下一階段的工程設計。如果直升機飛行的年不可用概率不能接受，則需提出相關的優(yōu)化推薦方案，并進行相關的分析驗證，最終得到直升機甲板合理的布置方案。

通過對國外相關設計項目調(diào)研，認為將直升機飛行的年不可用概率控制在8%范圍內(nèi)的直升機甲板布置是合理的。本項目最終選用直升機飛行年不可用概率較小的方案二，即降低生活樓高度的方案。

4 結(jié)論與建議

（1）隨著我國海上油氣田開發(fā)力度的加大，直升機安全操作問題將面臨更大的挑戰(zhàn)。因此，對直升機甲板的布置優(yōu)化問題應在整個工程設計前期給予足夠的重視。

（2）通過對比分析國內(nèi)外規(guī)范對直升機安全起降受環(huán)境影響，本文推薦英國規(guī)范CAP437及其推薦做法作為今后分析評估直升機甲板受透平排煙影響的首選標準。

（3）通過分析對比荔灣3－1氣田中心平臺直升機甲板布置的不同優(yōu)化措施，認為增大透平煙囪與直升機甲板之間水平距離的方案在尺寸有限的海上平臺上不易實現(xiàn)，不推薦使用；但通過增加直升機甲板與煙囪頂端之間相對高差的方案可以有效地降低排煙的影響。

（4）直升機甲板年不可用概率值是否可接受，CAP437及相關的推薦做法并沒給出具體的推薦值，需要工程設計方、直升機操作方、業(yè)主特別是海上油氣田的操作方共同研究，同時應考慮不同的海域特點以及所采用的直升機類型。建議我國相關部門應當盡快開展相關標準的編制工作，使我國海上油氣田開發(fā)工程更加安全和科學。

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

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

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

[4] American Petroleum Institute.API RP 2L Recommended practice for planning，designing，and constructing heliports for fixed offshore platforms[S].API Publishing Services，1996.

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

[6] UK Civil Aviation Authority.CAA PAPER 2004/03 Helicopter turbulence criteria for operations to offshore platforms[S].London，2004.

[7] 范模，李達，馬巍巍，等.南海超大型組塊浮托安裝總體設計與關鍵技術[J].中國海上油氣，2011，23（4）：267－270.

Safety assessment of the environmental impact on helideck of offshore platform

Chen Xin1Sun Xu2Li Dongfang1Zhang Yanchun1Shen Zhiheng1
（1.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，CNOOC，Tianjin，300451；2.Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.，Guangzhou，518000）

Through comparative analysis of requirements for the helicopter safety takeoff and landing related with environmental impact in domestic and foreign standards，it is considered that the British standard CAP437 and the recommended practice is more suitable for the assessment of environmental impact on helideck of offshore platform.Combined with CAP437 proposed guidelines and using the CFD method，the analysis of the different arrangement of helideck on LW 3－1 gas field center platform was accomplished，the simulation of the exhaust temperature and turbulence distribution above the helideck was performed and the helideck downtime was obtained to ultimately determine the optimal layout of helideck.

offshore platform；helideck；arrangement；environmental impact；standard；safety assessment；LW 3－1 gas field center platform

＊“十二五”國家科技重大專項“南海深水油氣田開發(fā)示范工程——南海北部陸坡（荔灣3－1及周邊）深水油氣田工程設計、安裝”（編號：2011ZX05056－003－001）部分研究成果。

陳欣，男，高級工程師，1995年畢業(yè)于哈爾濱建筑大學暖通空調(diào)及燃氣專業(yè)，現(xiàn)主要從事海洋石油工程機械及相關專業(yè)的設計工作。地址：天津市塘沽區(qū)丹江路108號616信箱海工大廈（郵編：300451）。E－mail：chenxin＠m(xù)ail.cooec.com.cn。

1）中國民用航空總局令第67號公布.CCAR－94FS－Ⅳ，民用直升機海上平臺運行規(guī)范.1997.

2）國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局令（第25號）.海洋石油安全管理細則，2009.

2011－09－29改回日期：2011－10－18

（編輯：葉秋敏）