海上平臺(tái)高溫?zé)煔鈹U(kuò)散數(shù)值模擬分析

王魁濤

(中海油研究總院，北京100028)

海上平臺(tái)高溫?zé)煔鈹U(kuò)散數(shù)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(tái)25 MW燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組排放的高溫?zé)煔鉃檠芯繉?duì)象,參考英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)CAP437的環(huán)境判定參數(shù),運(yùn)用KFX軟件對(duì)直升機(jī)起降影響進(jìn)行CFD數(shù)值模擬。根據(jù)模擬結(jié)果分析直升機(jī)甲板周圍溫升、湍流的分布情況對(duì)直升機(jī)起降的影響,得到直升機(jī)甲板年不可用概率值。依據(jù)計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證工程方案的可行性。

海上平臺(tái);高溫?zé)煔鈹U(kuò)散;直升機(jī)甲板;數(shù)值模擬

目前國(guó)內(nèi)煙氣擴(kuò)散的研究工作主要針對(duì)火災(zāi)所引起的煙氣擴(kuò)散,且只分析火災(zāi)時(shí)高溫?zé)煔饩奂膮^(qū)域,用于指導(dǎo)人員應(yīng)急疏散［1-3］,而海上平臺(tái)高溫?zé)煔鈹U(kuò)散影響的安全分析研究則較少。海上平臺(tái)大功率燃?xì)馔钙脚艧熈髁看?、廢氣溫度高,可達(dá)200～500℃,很有可能成為影響直升機(jī)安全起降的隱患。由于海上平臺(tái)排煙設(shè)備的操作工況和海洋環(huán)境相對(duì)復(fù)雜,影響因素較多,包括氣體排放速度、氣體組分、溫度、風(fēng)向及附近障礙物等,因此有必要對(duì)高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散影響進(jìn)行分析。

以渤海某油田新建中心平臺(tái)在國(guó)內(nèi)自營(yíng)油田首次應(yīng)用的25 MW透平發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象,采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法分析燃?xì)馔钙脚欧诺母邷責(zé)煔鈱?duì)直升機(jī)起降的影響,模擬高溫?zé)煔庠谄脚_(tái)直升機(jī)甲板及周圍空間的流動(dòng)及分布規(guī)律,驗(yàn)證目前平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案的可行性,供排煙管設(shè)計(jì)、平臺(tái)上部的總體優(yōu)化布置及直升機(jī)起降飛行管理參考。

1 海上直升機(jī)甲板環(huán)境影響因素

影響海上直升機(jī)安全起降的主要環(huán)境因素包括高溫?zé)煔夂屯牧鲀刹糠帧?/p>

平臺(tái)上排放的高溫?zé)煔庠斐芍車h(huán)境溫度升高,空氣相對(duì)密度減小,使作用于直升機(jī)旋翼的升力和拉力降低?？諝饷芏认陆?進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量也隨之減少,造成發(fā)動(dòng)機(jī)供氣不足,輸出功率下降,進(jìn)一步降低旋翼的升力和拉力［4］。當(dāng)空氣溫度為80℃時(shí),空氣密度較空氣溫度為15℃時(shí)下降約20%,旋翼拉力也下降約20%,從而造成直升機(jī)迅速下降［5］。急劇的溫度變化還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)喘振,致使壓縮機(jī)停轉(zhuǎn)或熄火。

直升機(jī)甲板一般位于生活樓頂部,氣流流過(guò)生活樓時(shí)會(huì)形成尾渦湍流,當(dāng)直升機(jī)飛入尾渦區(qū)域時(shí)會(huì)形成激波,影響正常推力,造成動(dòng)力下降。

2 相關(guān)安全判定標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)內(nèi)外安全管理部門及第三方科研咨詢機(jī)構(gòu)在直升機(jī)作業(yè)安全方面都制定有相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)對(duì)直升機(jī)甲板的設(shè)計(jì)主要依據(jù)《民用直升機(jī)海上平臺(tái)運(yùn)行規(guī)定》,在設(shè)計(jì)環(huán)境條件方面只對(duì)風(fēng)速和能見度進(jìn)行了要求,但未對(duì)溫度和湍流進(jìn)行限定。

挪威規(guī)范NORSOK C-004規(guī)定直升機(jī)甲板周圍溫升不能超過(guò)環(huán)境溫度3℃,未見直升機(jī)甲板周圍湍流的限定條件［6］。

美國(guó)APIRP 2L中只提到了空氣湍流影響,限定沒(méi)有具體量化［7］。

英國(guó)CAA(Civil Aviation Authority)制定的直升機(jī)甲板安全設(shè)計(jì)規(guī)范CAP437則對(duì)環(huán)境條件的判定標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)明確,并且制定了與CAP437配套的相關(guān)研究報(bào)告和推薦做法如CAA PAPER-99004、CAAPAPER2008/03等,用于指導(dǎo)海上直升機(jī)甲板的設(shè)計(jì)［8-11］。

對(duì)比國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),CAP437的實(shí)用性和可操作性更強(qiáng)。模擬選用CAP437作為直升機(jī)甲板受環(huán)境條件影響分析的首選標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)CAP437的判定準(zhǔn)則,在直升機(jī)甲板上部區(qū)域,煙氣溫度和湍流應(yīng)滿足以下條件。

1)煙氣溫度的限定。在直升機(jī)起降的區(qū)域(直升機(jī)安全起降所需甲板上方凈空高度范圍,應(yīng)滿足9.1 m加直升機(jī)輪子到旋翼的高度再加上一個(gè)旋翼的直徑)內(nèi),平均3 s時(shí)間間隔內(nèi)的最大溫升不能超過(guò)環(huán)境溫度2℃;

2)湍流的限定。在直升機(jī)起降的區(qū)域內(nèi),垂直方向速度的標(biāo)準(zhǔn)方差不能超過(guò)1.75 m/s;

如果不滿足上述標(biāo)準(zhǔn),則需要對(duì)直升機(jī)飛行進(jìn)行操作限制。

3 計(jì)算基礎(chǔ)條件

新建中心平臺(tái)位于渤海南部海域,該平臺(tái)為渤南油田群區(qū)域電力組網(wǎng)中心,為保證油田群新建平臺(tái)供電及區(qū)域電網(wǎng)平衡,在平臺(tái)上層甲板布置有3臺(tái)25 MW天然氣透平驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)組和廢熱回收裝置,同時(shí)上層甲板生活樓頂部設(shè)置有直升機(jī)甲板。上層甲板的設(shè)備布置見圖1。

圖1 平臺(tái)上層甲板布置示意

模擬計(jì)算假設(shè):海上大氣風(fēng)速和環(huán)境溫度均勻分布,由于透平排煙與環(huán)境溫度有關(guān),為簡(jiǎn)化計(jì)算,環(huán)境溫度采用年平均溫度15℃;模擬分析選取海平面為0 m。計(jì)算域z方向的下邊界為0,其他方向的計(jì)算域?yàn)?.0～1.5倍平臺(tái)長(zhǎng)度。上層甲板距離海平面31.5 m,直升機(jī)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(wǎng)格,在排放點(diǎn)附近將網(wǎng)格適當(dāng)加密以提高計(jì)算精度。在直升機(jī)甲板上方及甲板周圍,采用1×1×1 m網(wǎng)格,在平臺(tái)內(nèi)部保證網(wǎng)格足夠小以獲得足夠精確的計(jì)算結(jié)果,在平臺(tái)外部將網(wǎng)格適當(dāng)拉伸。模擬中網(wǎng)格數(shù)約為140萬(wàn)。

由于廢熱回收裝置為一用一備,計(jì)算工況為一臺(tái)透平帶廢熱排煙,一臺(tái)透平不經(jīng)廢熱回收直接排放。排煙設(shè)備所排放的煙氣參數(shù)見表1。

表1 排煙參數(shù)

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

4 計(jì)算結(jié)果

本次分析中新建平臺(tái)的北向按照地理正北向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)67.5°,該新建平臺(tái)所在海域風(fēng)玫瑰圖見圖2,根據(jù)對(duì)排煙煙囪和直升機(jī)甲板的相對(duì)位置和朝向,其中NW(-45°)、NNW(-22.5°)、N(0°)、NNE(22.5°)4種風(fēng)向條件下煙氣會(huì)吹向直升機(jī)甲板,其他風(fēng)向下不會(huì)對(duì)直升機(jī)有影響。

圖2 油田海域風(fēng)玫瑰圖

對(duì)不同風(fēng)向和風(fēng)速情況下直升機(jī)甲板溫升和湍流的分布情況進(jìn)行CFD計(jì)算,以NNW風(fēng)向?yàn)槔M(jìn)行分析。圖3為NNW風(fēng)向下,不同風(fēng)速條件下煙氣溫度超過(guò)17℃的包絡(luò)面圖。可以直觀地判斷出在該風(fēng)向及風(fēng)速下直升機(jī)甲板30 m范圍內(nèi)存在超過(guò)環(huán)境溫度2℃的煙氣分布區(qū)域情況。通過(guò)溫度包絡(luò)面可見,隨著風(fēng)速的增加,煙羽整體向下移動(dòng)。同時(shí)由于風(fēng)的稀釋作用,煙羽擴(kuò)散變快,隨著風(fēng)速增加煙羽影響范圍縮小?？傮w來(lái)說(shuō),對(duì)于風(fēng)向NNW,風(fēng)速增大使直升機(jī)甲板受影響程度升高,對(duì)直升機(jī)起落環(huán)境的影響增加。

圖4則為在風(fēng)向NNW,風(fēng)速9 m/s條件下,直升機(jī)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(jī)甲板為基準(zhǔn)點(diǎn),分析了直升機(jī)甲板及其上方30 m之間的溫度變化規(guī)律。在9 m/s風(fēng)速條件下,直升機(jī)甲板上方5 m范圍內(nèi)沒(méi)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(jī)甲板上方影響范圍也越來(lái)越大。

圖3 NNW風(fēng)向不同風(fēng)速下煙氣溫度高于17℃煙氣分布情況

圖4 直升機(jī)甲板上部不同高度煙溫超過(guò)17℃的等值線圖(風(fēng)向NNW、風(fēng)速9 m/s)

統(tǒng)計(jì)不同風(fēng)向風(fēng)速條件下直升機(jī)甲板上方5～30 m高度范圍內(nèi)的溫升見表2,其中NNW風(fēng)向?qū)χ鄙龣C(jī)甲板的影響最大,風(fēng)速超過(guò)5 m/s時(shí),直升機(jī)起降區(qū)域內(nèi)溫升均存在超過(guò)40℃的情況,最高溫升達(dá)到92℃;其次為NW風(fēng)向,風(fēng)速超過(guò)5 m/s時(shí),溫升基本大于30℃,最高達(dá)到52℃。根據(jù)直升機(jī)Bell-212操作手冊(cè),其運(yùn)行溫度在-40～35℃之間。從表2可以看出,在 NW、NNW、N 3個(gè)方向,直升機(jī)甲板上方溫度大部分風(fēng)速條件下將超過(guò)直升機(jī)運(yùn)行要求,基本處于禁止飛行狀態(tài)。因此平臺(tái)業(yè)主應(yīng)加強(qiáng)對(duì)平臺(tái)海域風(fēng)向的監(jiān)測(cè),并及時(shí)告知直升機(jī)運(yùn)營(yíng)方,通過(guò)采取降落其他平臺(tái)等措施規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

圖5為風(fēng)向NNW,風(fēng)速15 m/s條件下,湍流能的分布情況,當(dāng)風(fēng)流經(jīng)過(guò)修井機(jī)、透平發(fā)電機(jī)和生活樓之后,有一部分氣流升至直升機(jī)甲板上方空間,使得該處湍流對(duì)直升機(jī)的影響增加,使直升機(jī)甲板上部影響高度范圍內(nèi)垂直速度的標(biāo)準(zhǔn)方差超過(guò)1.75 m/s。經(jīng)查閱風(fēng)向和風(fēng)速概率分布表,該風(fēng)向及風(fēng)速條件下的概率為1.8%。

根據(jù)分析不同風(fēng)向及風(fēng)速下溫升計(jì)算結(jié)果,將不符合CAP437規(guī)范的風(fēng)向和風(fēng)速的環(huán)境條件工況體現(xiàn)在風(fēng)向和風(fēng)速聯(lián)合分布概率表中(表3),最終可得出目前設(shè)計(jì)方案下的直升機(jī)年不可用概率為12.7%。

通過(guò)工程設(shè)計(jì)方、直升機(jī)操作方和業(yè)主3方間的溝通,考慮到目前采用風(fēng)頻統(tǒng)計(jì)偏保守的情況,參考國(guó)內(nèi)外類似項(xiàng)目,直升機(jī)甲板年不可接受概率值控制在10%以內(nèi)可以接受。目前設(shè)計(jì)方案中的12.7%的概率偏高,設(shè)計(jì)方案需要優(yōu)化。

表2 各風(fēng)向風(fēng)速條件下直升機(jī)甲板上方各高度溫升統(tǒng)計(jì)表

圖5 直升機(jī)甲板上部空間湍流的等值線(風(fēng)向NNW，風(fēng)速15 m/s)

表3 中心平臺(tái)直升機(jī)年不可用概率統(tǒng)計(jì)

設(shè)計(jì)方案中平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸已經(jīng)確定,增大廢熱煙囪與直升機(jī)甲板之間的水平距離存在難度;增加直升機(jī)甲板與煙囪頂端之間的相對(duì)高度具有可行性。升高煙囪高度相當(dāng)于將煙羽影響范圍整體向上平移,從而增大煙羽與直升機(jī)甲板之間的距離。經(jīng)計(jì)算,在現(xiàn)有基礎(chǔ)上煙囪升高6、11、20m,年不可用概率對(duì)應(yīng)下降至9.8%、8.4%、4.0%。

綜合上述分析,建議在現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上增大煙囪高度6 m,滿足直升機(jī)甲板年不可用概率控制在10%之內(nèi)的要求。此舉還需要綜合考慮煙囪的支撐結(jié)構(gòu)、吊機(jī)干涉以及燃?xì)馔钙奖硥涸黾雍蛷U熱裝置的重新選型等問(wèn)題。

5 結(jié)論

1)該項(xiàng)目影響直升機(jī)起降的風(fēng)向是NW、NNW、N、NNE。這4個(gè)風(fēng)向,在風(fēng)速大于3 m/s時(shí),直升機(jī)甲板上方起降的飛行區(qū)域內(nèi)溫升均超過(guò)大氣溫度2℃以上,不滿足直升機(jī)起降要求。根據(jù)風(fēng)向及風(fēng)速下溫升計(jì)算結(jié)果和風(fēng)向風(fēng)速聯(lián)合分布概率,直升機(jī)甲板的全年不可用概率值達(dá)到12.7%,需要對(duì)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

2)在現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上煙囪升高6 m,直升機(jī)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(jié)構(gòu)、吊機(jī)干涉以及燃?xì)馔钙奖硥涸黾雍蛷U熱裝置的重新選型等因素。

3)煙囪升高6 m后,在NNW、N、NW風(fēng)向下,直升機(jī)甲板上方由于高溫?zé)煔鈱?dǎo)致的溫升仍較高,局部溫升超過(guò)20℃,超過(guò)了直升機(jī)安全運(yùn)行要求。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)平臺(tái)海域風(fēng)向的監(jiān)測(cè),并及時(shí)告知直升機(jī)運(yùn)營(yíng)方,遇到危險(xiǎn)風(fēng)向風(fēng)速時(shí),通過(guò)采取取消飛行或降落其他平臺(tái)等措施消除影響。

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［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(xiàng)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