海上平臺(tái)高溫?zé)煔鈹U(kuò)散危害分析及緩解措施探討

劉國(guó)恒 郝靜敏 張海娟 王魁濤 李忠濤 王紅紅

(中海油研究總院 北京 100028)

海上平臺(tái)高溫?zé)煔鈹U(kuò)散危害分析及緩解措施探討

劉國(guó)恒 郝靜敏 張海娟 王魁濤 李忠濤 王紅紅

(中海油研究總院 北京 100028)

基于海上某平臺(tái)原排煙設(shè)計(jì)方案中存在的問(wèn)題，進(jìn)行了排煙設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。采用CFD軟件對(duì)優(yōu)化后平臺(tái)高溫?zé)煔鈹U(kuò)散及不同環(huán)境條件的運(yùn)行工況進(jìn)行了模擬仿真，分析了煙氣溫度及有害氣體濃度的分布范圍，結(jié)合CAP 437規(guī)范及人體接觸有害氣體限值，計(jì)算了溫度升高導(dǎo)致直升機(jī)起降的不可使用概率和有害氣體濃度危害程度及概率，最后探討了緩解高溫?zé)煔馕：Φ拇胧┘芭艧熢O(shè)計(jì)建議。本文研究結(jié)果可為海上平臺(tái)高溫排煙設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

海上平臺(tái)；高溫?zé)煔?；排煙設(shè)計(jì)；擴(kuò)散分析；有害氣體；直升機(jī)升降；人員健康；緩解措施

在海洋石油開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為保證整個(gè)區(qū)域的電力需求，大功率發(fā)電機(jī)組的配置越來(lái)越多，由此帶來(lái)大量高溫?zé)煔獾呐欧?，如海洋石油平臺(tái)上的透平機(jī)組、壓縮機(jī)或模塊鉆機(jī)電站等，排煙溫度可達(dá)300～700℃[1]。高溫?zé)煔饪赡軙?huì)對(duì)直升機(jī)起降、平臺(tái)人員工作場(chǎng)所、平臺(tái)結(jié)構(gòu)等造成安全隱患，高溫?zé)煔庵械挠泻怏w組分會(huì)對(duì)生活樓、平臺(tái)人員健康產(chǎn)生危害[2]。目前關(guān)于海洋石油平臺(tái)高溫?zé)煔鈹U(kuò)散問(wèn)題，DNV(挪威船級(jí)社)、BV(法國(guó)船級(jí)社)以及英國(guó)勞氏船級(jí)社等第三方咨詢(xún)服務(wù)公司均參與過(guò)相關(guān)的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析。近年來(lái)高溫?zé)煔夥治龇椒ㄒ灿啥S單一排放源的擴(kuò)散仿真模擬逐步轉(zhuǎn)向三維多點(diǎn)排放源的擴(kuò)散仿真模擬，極大地提高了分析精度[3]，但目前針對(duì)高溫?zé)煔鈹U(kuò)散分析還沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范或推薦做法，也缺少相關(guān)量化判別依據(jù)。目前海洋石油平臺(tái)高溫?zé)煔怙L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估多針對(duì)高溫?zé)煔庖瓠h(huán)境溫度升高對(duì)直升機(jī)起降的影響，而對(duì)于有害氣體濃度的影響、煙塵影響以及高溫?zé)煔鈱?duì)生活樓、中控室等人員健康影響則很少涉及；另一方面，目前分析煙氣擴(kuò)散所選取的組合工況往往是基于總體布置及排煙布置而確定的少數(shù)風(fēng)向，忽略了因平臺(tái)對(duì)流場(chǎng)的阻礙作用造成渦旋效應(yīng)而導(dǎo)致高溫?zé)煔饣亓鞯挠绊憽?/p>

本文以受煙氣影響比較嚴(yán)重的海上某平臺(tái)為例，結(jié)合優(yōu)化排煙設(shè)計(jì)后的總體布置、機(jī)組運(yùn)行工況及風(fēng)頻聯(lián)合分布，分析高溫?zé)煔鈹U(kuò)散規(guī)律、濃度及溫度分布情況，評(píng)估優(yōu)化后高溫?zé)煔鈱?duì)直升機(jī)起降安全的影響以及高溫?zé)煔庥泻怏w組分濃度對(duì)平臺(tái)人員健康的影響等，從而為海上平臺(tái)高溫排煙的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 計(jì)算模型及模擬工況

1.1 幾何模型

該平臺(tái)下層甲板東側(cè)共設(shè)置有3臺(tái)燃?xì)馔钙诫娬?，排煙方式為橫排；上層甲板設(shè)置有3臺(tái)壓縮機(jī)，排煙方向?yàn)橄蛏现迸?。平臺(tái)原排煙設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

由于該平臺(tái)電站3個(gè)排煙管都集中在下層甲板，而且布置相對(duì)集中，煙氣對(duì)平臺(tái)的危害很大，高溫?zé)煔鈱?dǎo)致直升機(jī)甲板上方溫度升高，造成直升機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足起降要求。另外，平臺(tái)甲板及中控室常有刺激性氣味存在，經(jīng)檢測(cè)為氮氧化物超標(biāo)。

鑒于該平臺(tái)電站無(wú)法進(jìn)行重新布置，因此在綜合考慮機(jī)組要求、風(fēng)頻聯(lián)合分布及煙氣的擴(kuò)散規(guī)律后，通過(guò)改變排煙方向的方式來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行分析，以評(píng)估其效果。優(yōu)化后的電站排煙設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖1 海上某平臺(tái)原電站排煙設(shè)計(jì)方案Fig.1 The original exhaust design of power station in one offshore platform

圖2 海上某平臺(tái)優(yōu)化后的電站排煙設(shè)計(jì)方案Fig.2 The optimized exhaust design of power station in one offshore platform

1.2 模擬工況

該平臺(tái)電站(單臺(tái))及壓縮機(jī)(單臺(tái))排煙參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)排煙方向及高溫?zé)煔獾奶匦?，透平電站排煙高溫?zé)熡饡?huì)上升，同時(shí)考慮渦流效應(yīng)，在平臺(tái)北側(cè)等處，風(fēng)會(huì)在排煙一側(cè)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，因此應(yīng)基于環(huán)境條件對(duì)平臺(tái)所在海域風(fēng)頻年聯(lián)合分布情況(表2)進(jìn)行綜合研究。

表1 海上某平臺(tái)電站及壓縮機(jī)排煙參數(shù)Table 1 The exhaust parameters of generator turbine and compressor turbine in one offshore platform

表2 海上某平臺(tái)所在海域風(fēng)頻年聯(lián)合分布Table 2 Wind frequency under different directions and velocities in the located sea of one offshore platform

注：風(fēng)速單位為m/s。

2 高溫?zé)煔鈹U(kuò)散危害分析

2.1 高溫?zé)煔鈱?duì)直升機(jī)起降的影響

挪威相關(guān)規(guī)范NORSOK C-004中規(guī)定影響直升機(jī)起降的量化標(biāo)準(zhǔn)為煙氣導(dǎo)致直升機(jī)甲板上方溫度超過(guò)環(huán)境溫度2 ℃，但對(duì)湍流未做限定；美國(guó)相關(guān)規(guī)范API RP 2L中對(duì)湍流的影響有提及，但未做具體的量化分析；英國(guó)CAA(Civil Aviation Authority)制定的CAP 437規(guī)范中對(duì)溫度及湍流等都有明確的規(guī)定[4-7]。因此，本文以CAP 437規(guī)范作為判定準(zhǔn)則。根據(jù)CAP 437的要求，直升機(jī)甲板上方的分析區(qū)域與直升機(jī)尺寸有關(guān)。該平臺(tái)所用的直升機(jī)型號(hào)為西科斯基S92，機(jī)身長(zhǎng)20.85 m，旋翼直徑17.71 m，機(jī)身高度6.45 m。依據(jù)CAP 437規(guī)范計(jì)算，直升機(jī)甲板上方的分析區(qū)域?yàn)?3.3 m，保守考慮取35 m。

通過(guò)模擬16個(gè)風(fēng)向的煙氣擴(kuò)散過(guò)程，提取該平臺(tái)直升機(jī)甲板上方35m范圍內(nèi)溫度升高超過(guò)環(huán)境溫度2 ℃的風(fēng)頻統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如表3所示(灰色標(biāo)注部分代表煙氣導(dǎo)致溫度升高超過(guò)2 ℃)。

表3 海上某平臺(tái)直升機(jī)甲板上方35 m范圍內(nèi)溫度升高超過(guò)環(huán)境溫度2 ℃的風(fēng)頻統(tǒng)計(jì)Table 3 The wind statistics of 2 ℃ rising over the environment temperature by exhaust above 35 m scope of the helicopter deck in one offshore platform

注：風(fēng)速單位為m/s。

由表3可以看出，高溫?zé)煔鈱?duì)該平臺(tái)直升機(jī)起降影響的風(fēng)向主要是SW、WSW、W、WNW、NW等，以小于8 m/s的中小風(fēng)速為主。結(jié)合溫度升高2 ℃的區(qū)域分布情況(圖3)，認(rèn)為造成這種情況的主要原因是此類(lèi)風(fēng)速下位于上層甲板的壓縮機(jī)煙氣擴(kuò)散至直升機(jī)甲板上方，導(dǎo)致溫度升高超過(guò)環(huán)境溫度2 ℃，而位于下層甲板的透平機(jī)組的排煙方向向下，在外界風(fēng)速的作用下基本不會(huì)進(jìn)入直升機(jī)起降區(qū)域。

根據(jù)表3模擬統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出該平臺(tái)電站排煙設(shè)計(jì)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)后直升機(jī)的不可使用概率為6.9%。關(guān)于直升機(jī)的不可使用概率目前沒(méi)有嚴(yán)格的定量判定依據(jù)。一般將直升機(jī)的不可使用概率控制在10%以?xún)?nèi)，則認(rèn)為高溫?zé)煔獾脑O(shè)置是較為合理的。此外，參考表3數(shù)據(jù)在對(duì)該平臺(tái)直升機(jī)起降進(jìn)行管理時(shí)，也可以根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速的影響，提前告知直升機(jī)操作員可能存在的溫度升高情況，便于直升機(jī)駕駛員提前進(jìn)行預(yù)判和操作，避免出現(xiàn)直升機(jī)失控事件。

圖3 海上某平臺(tái)在不同風(fēng)向及風(fēng)速下高溫?zé)煔鈱?dǎo)致溫度升高超過(guò)環(huán)境溫度2 ℃的包絡(luò)面分布Fig.3 The isosurface of 2 ℃ temperature rises over the environment temperature in the conditions of different wind directions and wind velocities

另外，通過(guò)對(duì)16個(gè)風(fēng)向不同風(fēng)速的煙氣模擬，提取該平臺(tái)直升機(jī)甲板上方垂直方向速度的標(biāo)準(zhǔn)方差超過(guò)1.75 m/s[6]的范圍，分析湍流是否影響直升機(jī)甲板上方35 m的范圍，結(jié)果表明湍流動(dòng)能的影響非常小，其原因主要是平臺(tái)直升機(jī)甲板高度范圍內(nèi)沒(méi)有其他設(shè)備，流場(chǎng)受擾動(dòng)比較小。

2.2 有害氣體成分對(duì)平臺(tái)人員影響

從該平臺(tái)電站及壓縮機(jī)排煙數(shù)據(jù)(表1)可以看出，對(duì)人員可能產(chǎn)生影響的氣體組分主要有NOx、CO、CO2及碳?xì)浠衔锏?。結(jié)合上述煙氣擴(kuò)散結(jié)果及《GBZ 2.1—2007 工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分：化學(xué)有害因素》標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定“煙氣擴(kuò)散有害氣體分析以短時(shí)間為評(píng)判依據(jù)，以NOx為例，其接觸限值為10 mg/m3”[8]，分析NOx的濃度分布以及對(duì)平臺(tái)人員的危害。通過(guò)對(duì)16個(gè)風(fēng)向、不同風(fēng)速的模擬分析，得出該平臺(tái)NOx超標(biāo)的風(fēng)頻統(tǒng)計(jì)如表4所示(黃色標(biāo)注部分代表NOx有影響，紅色標(biāo)注部分代表NOx影響嚴(yán)重)以及不同風(fēng)向、不同風(fēng)速下NOx濃度分布(圖4～7)。

可以看出：在W風(fēng)向下，由于平臺(tái)的阻擋作用，會(huì)在平臺(tái)東側(cè)產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致煙氣被反吹向生活樓。在風(fēng)速小于9 m/s時(shí)這種渦流效應(yīng)更加明顯，NOx會(huì)在渦流作用下進(jìn)入平臺(tái)范圍(圖4a)；但隨著風(fēng)速的增加，其影響逐漸減弱。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)11 m/s時(shí)，風(fēng)速的影響占主導(dǎo)作用，煙氣被吹離平臺(tái)(圖4b)。

表4 海上某平臺(tái) NOx超標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 4 The statistics of excessive NOx in one offshore platform

注：風(fēng)速單位為m/s。

圖4 海上某平臺(tái)W風(fēng)向,9、11 m/s風(fēng)速下NOx濃度為10 mg/m3的包絡(luò)面分布Fig.4 10 mg/m3 isosurface of NOx concentration in the condition of 9 m/s and 11 m/s wind velocities under the W wind direction in one offshore platform

圖5 海上某平臺(tái)E風(fēng)向，7、1 m/s風(fēng)速下NOx濃度為10 mg/m3的包絡(luò)面分布Fig.5 10 mg/m3 isosurface distribution of NOx concentration in the condition of 7 m/s and 1 m/s wind velocities under the E wind direction in one offshore platform

圖7 海上某平臺(tái)S、SSW風(fēng)向，1 m/s 風(fēng)速下NOx濃度為10 mg/m3的包絡(luò)面分布Fig.7 10 mg/m3 isosurface distribution of NOx concentration in the condition of 1 m/s wind velocities under the S and SSW wind directions in one offshore platform

E風(fēng)向下,其情況與W風(fēng)向下類(lèi)似，即由于平臺(tái)阻擋作用會(huì)在平臺(tái)西側(cè)產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致煙氣反吹向平臺(tái)西側(cè)工藝區(qū)，造成平臺(tái)西側(cè)NOx超標(biāo)。當(dāng)風(fēng)速大于7 m/s時(shí)，煙氣擴(kuò)散以風(fēng)速影響為主，煙氣被吹離平臺(tái)(圖5a)，隨著風(fēng)速的降低，渦流的影響逐漸占據(jù)主導(dǎo)作用，當(dāng)風(fēng)速減弱至1 m/s時(shí)，NOx對(duì)平臺(tái)的影響比較嚴(yán)重(圖5b)。

N風(fēng)向下，透平機(jī)組排煙被吹離平臺(tái)，對(duì)平臺(tái)不會(huì)產(chǎn)生影響。但當(dāng)風(fēng)速超過(guò)7 m/s時(shí)壓縮機(jī)排煙直接吹向吊機(jī)位置，可能存在駕駛室NOx超標(biāo)的情況(圖6a)。隨著風(fēng)速的降低，煙氣受高溫影響呈現(xiàn)明顯的上浮特性，壓縮機(jī)排煙不會(huì)影響平臺(tái)范圍(圖6b)。

S以及SSW風(fēng)向下，煙氣受高溫及風(fēng)速的雙重影響，在約1 m/s微小風(fēng)速時(shí)，含NOx的煙氣集聚進(jìn)入平臺(tái)范圍(圖7)。ESE、WSW、NW、SW、SE、SSE等風(fēng)向下亦有相似的結(jié)論。

從分析結(jié)論來(lái)看，排煙設(shè)計(jì)方案優(yōu)化后NOx的影響仍舊存在，但結(jié)合風(fēng)頻統(tǒng)計(jì)情況，年影響比較嚴(yán)重的概率僅為5.2%。同時(shí)，由于NOx超標(biāo)濃度會(huì)覆蓋中控室、生活樓等人員密集區(qū)域，通過(guò)提取中控室的NOx濃度，發(fā)現(xiàn)最大超標(biāo)量為184.46 mg/m3，出現(xiàn)在W風(fēng)向小風(fēng)速工況下，因此還須考慮緩解措施，以消除NOx的影響。

3 緩解措施探討

3.1 緩解高溫?zé)煔鈱?duì)直升機(jī)影響的措施

1) 改變排煙位置或排煙方向。通過(guò)大量的模擬分析以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)改造情況的調(diào)研，改變排煙位置或排煙方向的措施對(duì)于排煙管在上層布置的效果相對(duì)較好。因?yàn)榕艧熆谒欧诺臒煔饩哂幸欢ǖ乃俣?，同時(shí)高溫?zé)煔饩哂猩细〉奶匦?，煙氣不?huì)進(jìn)入到平臺(tái)范圍內(nèi)。因此上層甲板的排煙方向選擇向上排放要比橫排及向下排放更具有優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于排煙設(shè)備布置在中層甲板或下層甲板的情況，從優(yōu)化設(shè)計(jì)的驗(yàn)證分析結(jié)果來(lái)看，可在一定程度上減小高溫?zé)煔獾奈：?，但由于煙氣靠近平臺(tái)，且煙羽在溫度影響下上浮，同時(shí)平臺(tái)對(duì)流場(chǎng)的阻礙作用而導(dǎo)致流場(chǎng)產(chǎn)生渦旋，因此這種方式并不能完全消除煙氣的影響。

2) 延長(zhǎng)排煙管，使排放出的煙氣盡量遠(yuǎn)離平臺(tái)。這種措施在一定程度上可以減少高溫?zé)煔獾挠绊?，但過(guò)分延長(zhǎng)煙管會(huì)影響機(jī)組背壓，導(dǎo)致機(jī)組出力降低，不能滿(mǎn)足用電需求。此外，伸出平臺(tái)舷外的煙管在支撐結(jié)構(gòu)上難以操作，對(duì)靠船也會(huì)有一定的影響。

3) 水噴淋。通過(guò)在排煙口增加水噴淋的方式來(lái)降低煙氣的溫度，吸收其中水溶性的有害氣體成分，對(duì)煙氣的擴(kuò)散也有一定減弱作用[9]。但在經(jīng)改造增加水噴淋的平臺(tái)上發(fā)現(xiàn)，噴淋口在高溫下易出現(xiàn)海水結(jié)晶問(wèn)題，造成噴淋口堵塞，而噴淋口一般都是在排煙口附近，處于舷外，維護(hù)保養(yǎng)非常困難。此外，水噴淋的水直接排向大海，會(huì)導(dǎo)致煙氣中含有的油污成分也隨之排向海面，造成海面環(huán)境污染。因此，除非在特殊情況下，一般不建議采用水噴淋的方法來(lái)降低煙氣危害。

4) 設(shè)置不同排煙方向。根據(jù)環(huán)境風(fēng)向以及煙氣排放的特點(diǎn)，設(shè)置2個(gè)排煙方向，從而根據(jù)不同的環(huán)境風(fēng)向，適時(shí)調(diào)節(jié)排煙的方向，以保證煙氣不會(huì)影響平臺(tái)范圍。這種措施能較有效地減弱高溫?zé)煔鈱?duì)平臺(tái)的影響，但須在設(shè)計(jì)初期結(jié)合平臺(tái)總體布置，合理規(guī)劃排煙布置和方向。

3.2 緩解有害氣體成分對(duì)平臺(tái)人員危害的措施

消除煙氣中有害氣體成分最根本的途徑就是控制源頭，即通過(guò)增加燃料氣處理裝置，把燃燒產(chǎn)物為有毒有害氣體的成分提前進(jìn)行處理，以保證煙氣不會(huì)對(duì)平臺(tái)生活樓及人員產(chǎn)生危害。但增加燃料氣處理裝置會(huì)增加項(xiàng)目投資，因此需要綜合分析有害氣體成分的危害程度以及其他優(yōu)化排煙布置的效果。此外，如果煙氣僅導(dǎo)致部分電氣機(jī)房或生活樓的有害氣體超標(biāo)，且全年影響的概率又比較小，可以考慮在受影響的房間增加有害氣體吸附裝置，以達(dá)到消除有害氣體危害的目的。

4 結(jié)論及建議

1) 模擬分析表明，除排煙管布置在上層甲板直接上排的方式外，無(wú)法直接判斷影響風(fēng)向與風(fēng)速，在平臺(tái)的阻擋作用下流場(chǎng)形成的渦旋經(jīng)常會(huì)將煙氣反吹向平臺(tái)，因此海上平臺(tái)排煙設(shè)計(jì)方案優(yōu)化中對(duì)風(fēng)向與風(fēng)速的選擇應(yīng)是根據(jù)模擬分析結(jié)果和煙氣擴(kuò)散趨勢(shì)進(jìn)行逐一排除。

2) 有害氣體組分的濃度分布會(huì)對(duì)平臺(tái)中控室等電器房間、生活樓、甲板上的人員產(chǎn)生危害，因此應(yīng)根據(jù)法規(guī)要求的接觸限值進(jìn)行分析，并結(jié)合影響濃度的范圍、頻率以及生產(chǎn)投資綜合考慮緩解措施。

3) 緩解煙氣擴(kuò)散影響的措施有多種，在進(jìn)行煙氣分析過(guò)程中無(wú)法完全避免煙氣影響時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的排放管布置以及煙氣擴(kuò)散的規(guī)律，合理選取緩解措施。

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(編輯：呂歡歡)

Hazard analysis and mitigation measures against the diffusion of high temperature exhausted gas on offshore platforms

LIU Guoheng HAO Jingmin ZHANG Haijuan WANG Kuitao LI Zhongtao WANG Honghong

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The smoke exhaust scheme was optimized to solve the problems in the original design of an offshore platform.CFD software is used to analyze the distribution and temperature of the high temperature exhausted gas based on the optimized design, including the combined conditions of the hot exhaust diffusion and different wind directions.The probability of endangering the helicopter takes off and landing and the poisonous gas impact were calculated considering the gas temperature rise and the poisonous gas concentration according to CAP 437 and the limits of human exposure to the harmful gas.Finally the mitigating measures against the high temperature exhausted gas were analyzed and the suggestions for the exhaust design put forward on the base of the aforementioned simulation.The research work here offers a reference for the high temperature exhausted gas design for other offshore platforms.

offshore platform; high temperature exhaust; exhaust design; diffuse analysis; poisonous gas; helicopter takes off and landing; staff health; mitigation measure

劉國(guó)恒，男，工程師，2012年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)安全技術(shù)及工程專(zhuān)業(yè)并獲碩士學(xué)位，主要從事海洋石油定量風(fēng)險(xiǎn)分析工作。地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6號(hào)院(郵編：100028)。E-mail：liugh6@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)01-0150-08

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.01.022

劉國(guó)恒,郝靜敏,張海娟，等.海上平臺(tái)高溫?zé)煔鈹U(kuò)散危害分析及緩解措施探討[J].中國(guó)海上油氣，2017,29(1)：150-157.

LIU Guoheng,HAO Jingmin,ZHANG Haijuan,et al.Hazard analysis and mitigation measures against the diffusion of high temperature exhausted gas on offshore platforms[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(1):150-157.

TE48; O354.7

A

2016-06-01 改回日期：2016-10-10