海洋平臺主機煙氣排放對直升機影響數(shù)值分析

高銘志

（海洋石油工程股份有限公司設計公司，天津 300451）

為保證海上油氣田生產的電力需求，中心處理平臺會配備大功率發(fā)電機，由透平或往復式主機驅動，特點是排煙量大、廢氣溫度高，最高可達500 ℃[1-2]。因平臺空間緊湊氣體流通性差，煙管與直升機甲板距離近，大量高溫煙氣在海洋季風作用下可能會對直升飛機起降產生如下影響[3-4]：直升機甲板上方及周圍環(huán)境溫度升高，空氣相對密度減小，作用于直升機轉軸的升力減??；直升機甲板上方及周圍形成湍流區(qū)，直升機飛入會形成類似高速飛行時產生的激波，影響正常推力，造成動力下降。

關于直升機甲板上方溫升和湍流變化，英國民航局標準CAP 437提出的安全判定原則[5-6]如下：在直升機甲板上方直升機起飛和降落的區(qū)域，大氣溫度升高的最大值要小于大氣環(huán)境溫度2 ℃，氣體速度在豎直方向上分量的標準差要小于1.75 m/s。

為了平臺直升機的安全起降，有必要評估主機煙管排煙對直升機起降的全年影響概率，從而優(yōu)化主機煙管和直升機甲板的位置，降低直升機全年不可用概率。文中利用數(shù)值分析CFD的方法[7-9]，分析模擬了A鉆采平臺主機高溫煙氣在直升機甲板上方及周圍空間的流動、溫升及湍流分布規(guī)律，計算得出煙管所排放高溫煙氣對直升機起降影響年概率，為評定煙管及直升機甲板布置的可行性提供理論支撐，為平臺實際安全操作提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值計算模型

海上平臺高溫煙氣擴散屬于典型無化學組分傳輸過程，同時包括大氣運動非定常湍流運動。根據(jù)該特點建立氣體多組分熱傳輸及湍流模型。在模型求解過程中，其控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量守恒方程及組分守恒方程[5,11]。標準 k-ε湍流模型用于研究煙氣擴散對直升操作影響，該模型為工業(yè)流場主要應用模型適合高大空間內的擴散問題。其表達式為k-ε模型問題[5,10,17]：

式中：

方程引入了三個系數(shù)c1, c2, cμ和三個常數(shù)Tσ，這6個經驗常數(shù)一般分別取為1.44，1.92，0.09和 1.0，1.3，0.9～1.0。

2 模擬分析參數(shù)設定

2.1 幾何模型

基于南海 A平臺構建幾何模型，如圖 1所示。上層甲板布置了四臺原油發(fā)電主機，主機煙管位于上層甲板東南側，生活樓頂部設置直升機甲板。上層甲板大型特征物，如結構、吊機、煙管及其他設備等以實體對象明確表示。煙管排煙口到直升機甲板之間區(qū)域為重點關注區(qū)，細化幾何模型[4,8-9]。上層甲板計算網(wǎng)格將比下層區(qū)細化，重點區(qū)域細化加密，下層甲板特征物（如管道、樓梯及容器等）劃分為次級網(wǎng)格，以多孔滲透介質表示[2-4]。

2.2 煙氣參數(shù)

A平臺主機煙管排放口布置位置如圖2所示，從左至右依次 A，B，C，D與機組編號對應，其中機組A和B為雙燃料機組，C和D為三燃料機組。機組排放煙氣流速和溫度見表1，因機型差異，排放參數(shù)有所不同，C和D機組煙氣流速大于A和B機組，C和D機組煙氣溫度小于A和B機組。煙氣組分以氣體體積占比形式給出，N2為主，占76.3%，其次為氧氣，占15.8%，見表2。在模擬計算中遵循了如下假設：海上的大氣風速和大氣環(huán)境溫度均勻分布；煙氣和大氣按照理想狀態(tài)方程考慮。

表1 煙氣流速與煙氣溫度

表2 煙氣組分

2.3 平臺風向圖

A平臺風向分布如圖3所示，圖中0°方向為平臺真北方向，即平臺正北方向正西方向旋轉45°。圖中5%，10%，…代表概率。粗實線為各風向概率，形成360°閉合區(qū)域。從圖 3 可知，45°～67.5°風向概率較大，為主方向。

風速概率統(tǒng)計表見圖4，橫向為風向，縱向為風速，從表3可得到不同風向下各風速概率，還可知各風速年概率及風向年概率。從表3讀取45°風向年概率為 20.58%，67.5°風向年概率為 20.54%，45°～67.5°風向年概率為41.12%。

2.4 發(fā)電機操作模式

發(fā)電機有兩種操作模式：

1）操作模式1（M1）。啟動兩臺雙燃料機組，A和B機組運行，C和D備用；

2）操作模式2（M2）。啟動三臺機組，A、B和C機組運行，D機組備用。

2.5 數(shù)值分析邊界條件

數(shù)值分析邊界條件包括：壁面邊界條件設置為無滑移光滑壁面[3,9]；海平面粗糙度取值為 0.02，無滑移邊界[5,9]；大氣入口邊界條件，采用速度入口邊界條件，設定大氣環(huán)境溫度為 36 ℃（夏季最高環(huán)境溫度），同時入口處設定湍流計算參數(shù)速度[6-7]；煙氣入口邊界參數(shù)，按照2.2節(jié)煙氣參數(shù)設置煙氣流速、溫度和組分。

3 模擬計算分析

3.1 湍流分析

平臺上方大氣湍流模擬按照納維-斯托克斯方程進行[4,6]，模擬過程選取了2個典型風速和16個等距風向（0°，22.5°，…），設定了 6個高度區(qū)間。計算得到各高度區(qū)間不同風速、不同風向下的氣流垂直方向標準偏差，并依據(jù)線性計算推算出湍流影響概率。

1）高度區(qū)間設定。依CAP 437標準推薦，直升機甲板上方從0～30 m高度范圍內按照5 m間隔設定5，10，15，20，25，30 m 區(qū)間。

2）典型風速選取。典型風速主要參照超越概率圖選取，該分析選取超越概率50%和5%的風速值。

風速超越概率曲線根據(jù)圖 4風速概率值插值計算并繪制，如圖5所示。從圖5可知，6.1 m/s風速超越概率為50%，即大于等于6.1 m/s風速出現(xiàn)的概率為50%。13.5 m/s風速超越概率5%，即大于等于13.5 m/s風速出現(xiàn)的概率為5%。

湍流模擬計算結果如圖6所示，圖中橫坐標為風向，縱坐標為氣流垂直方向標準偏差，虛線為 CA 437評判標準偏差值（1.75 m/s），其他曲線分別代表5，10，15，20，25，30 m高度區(qū)間。從圖 6a可以看出，當風速為13.5 m/s、距離甲板高度為5 m、風向為135°時，氣流垂直方向標準偏差最大，為3.0 m/s大于評判值。從圖6b可以看出，當風速為6.1 m/s、距離甲板高度為5 m、風向為135°時，氣流垂直方向標準偏差最大，為 1.4 m/s，小于評判值。從分析可知，距離直升機甲板越低，氣流垂直方向標準偏差越大。綜合圖6對比分析可知，風速越大，氣流垂直方向標準偏差越大，135°風向為最不利風向。

從圖6綜合比較還可以看出，相同高度不同風速下標準偏差值曲線具有相似性，因此其他不同風速工況下，氣流垂直方向標準偏差值可采用線性插值近似計算得出。選取所有超出評判值1.75 m/s的數(shù)據(jù)，按照風向和風速繪制湍流影響分布圖，如圖7所示。圖7中 0，5，10，15，20代表風速，周向代表風向，所得陰影部分區(qū)域代表湍流影響分布區(qū)，根據(jù)風向概率表可以計算發(fā)生概率。

3.2 煙氣溫升分析

溫升模擬針對兩種操作模式 M1和 M2進行計算，大氣風速選取值為：1，2，3，7，13 m/s，大氣風向選擇覆蓋直升機甲板角度內風向，直升機飛入?yún)^(qū)按照CAP 437標注界定為直升機甲板直徑22.2 m、高度33.4 m范圍。

1）風速影響確定。風速影響分析首先假設煙氣溫度大于環(huán)境溫度 2 ℃區(qū)域水平投影覆蓋直升機甲板，然后根據(jù)假設選取溫升影響最大的風向230°進行不同風速模擬計算。圖8a，b分別為M1工況條件下1 m/s和2 m/s風速時直升機甲板上方的溫升情況，圖8c，d為M2工況條件下1 m/s和2 m/s風速時直升機甲板上方溫升情況。 圖中深色區(qū)域表示煙氣溫度大于環(huán)境溫度2 ℃區(qū)域，兩實線為直升機飛入?yún)^(qū)上下邊界。當風速為1 m/s時，煙氣溫升影響區(qū)域未進入直升機起降區(qū)，對直升機起降無影響；當風速為2 m/s時，煙氣溫升影響區(qū)域進入直升機起降區(qū)，對直升機產生影響。綜合對比分析，當風速增大，煙氣溫升影響區(qū)下降。分析結果說明在風向影響覆蓋區(qū)當風速大于2 m/s時煙氣溫升對直升機起降產生影響。

2）風向影響區(qū)域確定。以排煙口為中心，直升機甲板按直徑22 m畫圓所得區(qū)域為界，繪制煙氣輻射區(qū)。初步判斷當風向在 200°～250°范圍內煙氣有可能擴散到直升機甲板區(qū)域，因此選風向 200°和 250°進行邊界模擬計算，模擬結果如圖9所示。圖9a為200°風向時煙氣溫升圖，圖中深色區(qū)域（煙氣溫升超過環(huán)境溫度2 ℃）剛好超出直升機甲板起降操作邊界區(qū)域約6°，經角度差值計算，影響直升機甲板溫升的上界線為＞206°。圖 9b為 246°風向時煙氣溫度擴散圖，正好超出直升機甲板起降操作邊界區(qū)域約10°，因此影響直升機甲板溫升的下界線為＜240°。

3）溫升影響區(qū)域。根據(jù)上述模擬計算分析可知，在 206°～240°風向范圍內，風速大于等于2 m/s時，煙氣溫升將會對直升機起降產生影響。據(jù)計算結果繪制M1和M2工況煙氣溫升對直升機起降影響區(qū)域分布圖，如圖10所示。圖中0，5，10，15代表不同的風速，陰影部分區(qū)域為煙氣溫升對直升機升降影響區(qū)，對應風速風向下將不滿足直升機正常操作要求，需要采取相應規(guī)避措施，結合風速概率表可計算出煙氣溫升影響概率。

3.3 計算結果及建議

計算得出M1和M2兩種工況下直升機因溫升和湍流影響不可操作時間比例和相對應不可操作天數(shù)。

1）超出湍流評判值的不可操作天數(shù)占比僅大約1%，即每年3天。

2）超出溫升評判值的不可操作天數(shù)占比：操作模式1是7%，即每年26天；操作模式2是8%，即每年29天。

3）總不可操作天數(shù)占比：操作模式1是8%（29天）；操作模式2是9%（33天）。

鑒于湍流和溫升對直升機操作影響天數(shù)占比可接受，同時考慮通過在一定范圍內提升煙管高度、調整排煙口與直升機相對位置等措施不會顯著減小直升機不可操作概率，建議維持現(xiàn)布置方案。同時建議根據(jù)分析結果編制直升機可行性操作指導手冊，加強對平臺海域風向的監(jiān)測，并及時告知直升機運營方，遇到危險風向風速時采取應急解決措施。

4 結論

1）模擬分析計算結果已經在實際應用中驗證，表明采用文中模擬計算方法所得數(shù)據(jù)具有一定的正確性和可靠性。

2）為海上平臺主機煙管和直升機甲板相對位置布置優(yōu)化設計提供理論計算依據(jù)。

3）對海上平臺直升機安全起降操作具有一定的指導意義。

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