高銘志

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津 300451）

為保證海上油氣田生產(chǎn)的電力需求，中心處理平臺(tái)會(huì)配備大功率發(fā)電機(jī)，由透平或往復(fù)式主機(jī)驅(qū)動(dòng)，特點(diǎn)是排煙量大、廢氣溫度高，最高可達(dá)500 ℃[1-2]。因平臺(tái)空間緊湊氣體流通性差，煙管與直升機(jī)甲板距離近，大量高溫?zé)煔庠诤Ｑ蠹撅L(fēng)作用下可能會(huì)對(duì)直升飛機(jī)起降產(chǎn)生如下影響[3-4]：直升機(jī)甲板上方及周圍環(huán)境溫度升高，空氣相對(duì)密度減小，作用于直升機(jī)轉(zhuǎn)軸的升力減??；直升機(jī)甲板上方及周圍形成湍流區(qū)，直升機(jī)飛入會(huì)形成類似高速飛行時(shí)產(chǎn)生的激波，影響正常推力，造成動(dòng)力下降。

關(guān)于直升機(jī)甲板上方溫升和湍流變化，英國民航局標(biāo)準(zhǔn)CAP 437提出的安全判定原則[5-6]如下：在直升機(jī)甲板上方直升機(jī)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(biāo)準(zhǔn)差要小于1.75 m/s。

為了平臺(tái)直升機(jī)的安全起降，有必要評(píng)估主機(jī)煙管排煙對(duì)直升機(jī)起降的全年影響概率，從而優(yōu)化主機(jī)煙管和直升機(jī)甲板的位置，降低直升機(jī)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(tái)主機(jī)高溫?zé)煔庠谥鄙龣C(jī)甲板上方及周圍空間的流動(dòng)、溫升及湍流分布規(guī)律，計(jì)算得出煙管所排放高溫?zé)煔鈱?duì)直升機(jī)起降影響年概率，為評(píng)定煙管及直升機(jī)甲板布置的可行性提供理論支撐，為平臺(tái)實(shí)際安全操作提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算模型

海上平臺(tái)高溫?zé)煔鈹U(kuò)散屬于典型無化學(xué)組分傳輸過程，同時(shí)包括大氣運(yùn)動(dòng)非定常湍流運(yùn)動(dòng)。根據(jù)該特點(diǎn)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(dòng)量方程、能量守恒方程及組分守恒方程[5,11]。標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型用于研究煙氣擴(kuò)散對(duì)直升操作影響，該模型為工業(yè)流場(chǎng)主要應(yīng)用模型適合高大空間內(nèi)的擴(kuò)散問題。其表達(dá)式為k-ε模型問題[5,10,17]：

式中：

方程引入了三個(gè)系數(shù)c1, c2, cμ和三個(gè)常數(shù)Tσ，這6個(gè)經(jīng)驗(yàn)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(shè)定

2.1 幾何模型

基于南海 A平臺(tái)構(gòu)建幾何模型，如圖 1所示。上層甲板布置了四臺(tái)原油發(fā)電主機(jī)，主機(jī)煙管位于上層甲板東南側(cè)，生活樓頂部設(shè)置直升機(jī)甲板。上層甲板大型特征物，如結(jié)構(gòu)、吊機(jī)、煙管及其他設(shè)備等以實(shí)體對(duì)象明確表示。煙管排煙口到直升機(jī)甲板之間區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)關(guān)注區(qū)，細(xì)化幾何模型[4,8-9]。上層甲板計(jì)算網(wǎng)格將比下層區(qū)細(xì)化，重點(diǎn)區(qū)域細(xì)化加密，下層甲板特征物（如管道、樓梯及容器等）劃分為次級(jí)網(wǎng)格，以多孔滲透介質(zhì)表示[2-4]。

2.2 煙氣參數(shù)

A平臺(tái)主機(jī)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(jī)組編號(hào)對(duì)應(yīng)，其中機(jī)組A和B為雙燃料機(jī)組，C和D為三燃料機(jī)組。機(jī)組排放煙氣流速和溫度見表1，因機(jī)型差異，排放參數(shù)有所不同，C和D機(jī)組煙氣流速大于A和B機(jī)組，C和D機(jī)組煙氣溫度小于A和B機(jī)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(jì)算中遵循了如下假設(shè)：海上的大氣風(fēng)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(tái)風(fēng)向圖

A平臺(tái)風(fēng)向分布如圖3所示，圖中0°方向?yàn)槠脚_(tái)真北方向，即平臺(tái)正北方向正西方向旋轉(zhuǎn)45°。圖中5%，10%，…代表概率。粗實(shí)線為各風(fēng)向概率，形成360°閉合區(qū)域。從圖 3 可知，45°～67.5°風(fēng)向概率較大，為主方向。

風(fēng)速概率統(tǒng)計(jì)表見圖4，橫向?yàn)轱L(fēng)向，縱向?yàn)轱L(fēng)速，從表3可得到不同風(fēng)向下各風(fēng)速概率，還可知各風(fēng)速年概率及風(fēng)向年概率。從表3讀取45°風(fēng)向年概率為 20.58%，67.5°風(fēng)向年概率為 20.54%，45°～67.5°風(fēng)向年概率為41.12%。

2.4 發(fā)電機(jī)操作模式

發(fā)電機(jī)有兩種操作模式：

1）操作模式1（M1）。啟動(dòng)兩臺(tái)雙燃料機(jī)組，A和B機(jī)組運(yùn)行，C和D備用；

2）操作模式2（M2）。啟動(dòng)三臺(tái)機(jī)組，A、B和C機(jī)組運(yùn)行，D機(jī)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(shè)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(shè)定大氣環(huán)境溫度為 36 ℃（夏季最高環(huán)境溫度），同時(shí)入口處設(shè)定湍流計(jì)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(shè)置煙氣流速、溫度和組分。

3 模擬計(jì)算分析

3.1 湍流分析

平臺(tái)上方大氣湍流模擬按照納維-斯托克斯方程進(jìn)行[4,6]，模擬過程選取了2個(gè)典型風(fēng)速和16個(gè)等距風(fēng)向（0°，22.5°，…），設(shè)定了 6個(gè)高度區(qū)間。計(jì)算得到各高度區(qū)間不同風(fēng)速、不同風(fēng)向下的氣流垂直方向標(biāo)準(zhǔn)偏差，并依據(jù)線性計(jì)算推算出湍流影響概率。

1）高度區(qū)間設(shè)定。依CAP 437標(biāo)準(zhǔn)推薦，直升機(jī)甲板上方從0～30 m高度范圍內(nèi)按照5 m間隔設(shè)定5，10，15，20，25，30 m 區(qū)間。

2）典型風(fēng)速選取。典型風(fēng)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(fēng)速值。

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

湍流模擬計(jì)算結(jié)果如圖6所示，圖中橫坐標(biāo)為風(fēng)向，縱坐標(biāo)為氣流垂直方向標(biāo)準(zhǔn)偏差，虛線為 CA 437評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)風(fēng)速為13.5 m/s、距離甲板高度為5 m、風(fēng)向?yàn)?35°時(shí)，氣流垂直方向標(biāo)準(zhǔn)偏差最大，為3.0 m/s大于評(píng)判值。從圖6b可以看出，當(dāng)風(fēng)速為6.1 m/s、距離甲板高度為5 m、風(fēng)向?yàn)?35°時(shí)，氣流垂直方向標(biāo)準(zhǔn)偏差最大，為 1.4 m/s，小于評(píng)判值。從分析可知，距離直升機(jī)甲板越低，氣流垂直方向標(biāo)準(zhǔn)偏差越大。綜合圖6對(duì)比分析可知，風(fēng)速越大，氣流垂直方向標(biāo)準(zhǔn)偏差越大，135°風(fēng)向?yàn)樽畈焕L(fēng)向。

從圖6綜合比較還可以看出，相同高度不同風(fēng)速下標(biāo)準(zhǔn)偏差值曲線具有相似性，因此其他不同風(fēng)速工況下，氣流垂直方向標(biāo)準(zhǔn)偏差值可采用線性插值近似計(jì)算得出。選取所有超出評(píng)判值1.75 m/s的數(shù)據(jù)，按照風(fēng)向和風(fēng)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(fēng)速，周向代表風(fēng)向，所得陰影部分區(qū)域代表湍流影響分布區(qū)，根據(jù)風(fēng)向概率表可以計(jì)算發(fā)生概率。

3.2 煙氣溫升分析

溫升模擬針對(duì)兩種操作模式 M1和 M2進(jìn)行計(jì)算，大氣風(fēng)速選取值為：1，2，3，7，13 m/s，大氣風(fēng)向選擇覆蓋直升機(jī)甲板角度內(nèi)風(fēng)向，直升機(jī)飛入?yún)^(qū)按照CAP 437標(biāo)注界定為直升機(jī)甲板直徑22.2 m、高度33.4 m范圍。

1）風(fēng)速影響確定。風(fēng)速影響分析首先假設(shè)煙氣溫度大于環(huán)境溫度 2 ℃區(qū)域水平投影覆蓋直升機(jī)甲板，然后根據(jù)假設(shè)選取溫升影響最大的風(fēng)向230°進(jìn)行不同風(fēng)速模擬計(jì)算。圖8a，b分別為M1工況條件下1 m/s和2 m/s風(fēng)速時(shí)直升機(jī)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(fēng)速時(shí)直升機(jī)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(shí)線為直升機(jī)飛入?yún)^(qū)上下邊界。當(dāng)風(fēng)速為1 m/s時(shí)，煙氣溫升影響區(qū)域未進(jìn)入直升機(jī)起降區(qū)，對(duì)直升機(jī)起降無影響；當(dāng)風(fēng)速為2 m/s時(shí)，煙氣溫升影響區(qū)域進(jìn)入直升機(jī)起降區(qū)，對(duì)直升機(jī)產(chǎn)生影響。綜合對(duì)比分析，當(dāng)風(fēng)速增大，煙氣溫升影響區(qū)下降。分析結(jié)果說明在風(fēng)向影響覆蓋區(qū)當(dāng)風(fēng)速大于2 m/s時(shí)煙氣溫升對(duì)直升機(jī)起降產(chǎn)生影響。

2）風(fēng)向影響區(qū)域確定。以排煙口為中心，直升機(jī)甲板按直徑22 m畫圓所得區(qū)域?yàn)榻?，繪制煙氣輻射區(qū)。初步判斷當(dāng)風(fēng)向在 200°～250°范圍內(nèi)煙氣有可能擴(kuò)散到直升機(jī)甲板區(qū)域，因此選風(fēng)向 200°和 250°進(jìn)行邊界模擬計(jì)算，模擬結(jié)果如圖9所示。圖9a為200°風(fēng)向時(shí)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(jī)甲板起降操作邊界區(qū)域約6°，經(jīng)角度差值計(jì)算，影響直升機(jī)甲板溫升的上界線為＞206°。圖 9b為 246°風(fēng)向時(shí)煙氣溫度擴(kuò)散圖，正好超出直升機(jī)甲板起降操作邊界區(qū)域約10°，因此影響直升機(jī)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(jì)算分析可知，在 206°～240°風(fēng)向范圍內(nèi)，風(fēng)速大于等于2 m/s時(shí)，煙氣溫升將會(huì)對(duì)直升機(jī)起降產(chǎn)生影響。據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制M1和M2工況煙氣溫升對(duì)直升機(jī)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(fēng)速，陰影部分區(qū)域?yàn)闊煔鉁厣龑?duì)直升機(jī)升降影響區(qū)，對(duì)應(yīng)風(fēng)速風(fēng)向下將不滿足直升機(jī)正常操作要求，需要采取相應(yīng)規(guī)避措施，結(jié)合風(fēng)速概率表可計(jì)算出煙氣溫升影響概率。

3.3 計(jì)算結(jié)果及建議

計(jì)算得出M1和M2兩種工況下直升機(jī)因溫升和湍流影響不可操作時(shí)間比例和相對(duì)應(yīng)不可操作天數(shù)。

1）超出湍流評(píng)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(píng)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(duì)直升機(jī)操作影響天數(shù)占比可接受，同時(shí)考慮通過在一定范圍內(nèi)提升煙管高度、調(diào)整排煙口與直升機(jī)相對(duì)位置等措施不會(huì)顯著減小直升機(jī)不可操作概率，建議維持現(xiàn)布置方案。同時(shí)建議根據(jù)分析結(jié)果編制直升機(jī)可行性操作指導(dǎo)手冊(cè)，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)營方，遇到危險(xiǎn)風(fēng)向風(fēng)速時(shí)采取應(yīng)急解決措施。

4 結(jié)論

1）模擬分析計(jì)算結(jié)果已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證，表明采用文中模擬計(jì)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(tái)主機(jī)煙管和直升機(jī)甲板相對(duì)位置布置優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算依據(jù)。

3）對(duì)海上平臺(tái)直升機(jī)安全起降操作具有一定的指導(dǎo)意義。

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