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(jī)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(jī)安全起降受環(huán)境影響的相關(guān)要求，認(rèn)為英國標(biāo)準(zhǔn)CAP437及其推薦做法更適用于海上平臺直升機(jī)甲板受環(huán)境影響的分析評估。結(jié)合CAP437提出的指導(dǎo)性建議，應(yīng)用CFD方法研究了荔灣3－1氣田中心平臺直升機(jī)甲板布置的不同方案，模擬計(jì)算了直升機(jī)甲板上部空間煙溫和湍流的分布情況，得出了直升機(jī)飛行的年不可用概率，最終確定了直升機(jī)甲板布置的最優(yōu)方案。

海上平臺 直升機(jī)甲板 布置方案 環(huán)境影響 標(biāo)準(zhǔn)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(shè)施排煙對直升機(jī)甲板安全操作的影響問題日益突出。上個(gè)世紀(jì)90年代，在英國北海海域發(fā)生的海上直升機(jī)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(jī)構(gòu)聯(lián)合開展對海上直升機(jī)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(lǐng)域的進(jìn)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(jī)甲板的安全操作問題也成為了工程設(shè)計(jì)所關(guān)注的焦點(diǎn)。由于目前國內(nèi)對海上平臺直升機(jī)甲板布置設(shè)計(jì)時(shí)考慮環(huán)境影響的研究還不深入，對相關(guān)的判定標(biāo)準(zhǔn)并沒有應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)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(jī)甲板受透平排煙影響的案例，對海上平臺直升機(jī)甲板受環(huán)境影響的安全分析評估相關(guān)問題進(jìn)行探討。

1 環(huán)境因素對海上平臺直升機(jī)甲板的影響分析

直升機(jī)在靠近整個(gè)平臺的過程中，其環(huán)境影響因素主要?dú)w結(jié)為3個(gè)方面（圖1）：①環(huán)境氣流流過整個(gè)平臺，干擾平臺周邊的流場，形成的湍流流動對直升機(jī)安全操作產(chǎn)生影響；②平臺上層甲板高大設(shè)備后形成的尾渦湍流對直升機(jī)安全操作產(chǎn)生影響；③燃?xì)馔钙郊盎鹁娴刃纬傻臒釤煔鈱χ鄙龣C(jī)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(jī)甲板的綜合影響[1]

以上環(huán)境因素對直升機(jī)安全操作的影響主要體現(xiàn)在以下兩方面：①當(dāng)直升機(jī)飛入尾渦區(qū)域時(shí)，會形成類似高速飛行時(shí)產(chǎn)生的激波，影響飛機(jī)的正常推力，造成動力下降。②平臺上排放的高溫?zé)煔鈺斐芍車h(huán)境溫度的升高，空氣相對密度小，作用于直升機(jī)轉(zhuǎn)軸本身的升力減小。同時(shí)，直升機(jī)發(fā)動機(jī)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(dǎo)致發(fā)動機(jī)喘振，甚至使壓縮機(jī)停轉(zhuǎn)或熄火。這兩方面都會使直升飛機(jī)操作的危險(xiǎn)性增大。因此，影響直升機(jī)安全起降的主要危險(xiǎn)源可歸結(jié)為兩大類，即高溫?zé)煔夂屯牧鳌?/p>

2 海上平臺直升機(jī)作業(yè)安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

關(guān)于海上平臺直升機(jī)甲板的設(shè)計(jì)，國內(nèi)外的安全管理部門和第三方科研咨詢機(jī)構(gòu)開展了大量的研究和驗(yàn)證工作。目前，挪威、美國和英國在直升機(jī)作業(yè)安全方面都制定了相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[2－4]。國內(nèi)對直升機(jī)甲板的設(shè)計(jì)主要依據(jù)《民用直升機(jī)海上平臺運(yùn)行規(guī)定》1），同時(shí)《海洋石油安全管理細(xì)則》2）對直升機(jī)起降的管理也作出了相關(guān)的規(guī)定，但在環(huán)境影響方面，只提到了風(fēng)速和能見度的要求，并沒有提出對高溫?zé)煔夂屯牧髁鲃拥南薅l件。

相對而言，英國的標(biāo)準(zhǔn)CAP437對環(huán)境影響直升機(jī)安全操作的判定標(biāo)準(zhǔn)更加清晰和明確，并制定了與CAP437配套的相關(guān)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(dǎo)海上平臺直升機(jī)甲板的前期設(shè)計(jì)。

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

同時(shí)，CAA2008/03給出了更為具體的指導(dǎo)性建議：

（1）增大透平煙囪與直升機(jī)甲板之間的水平距離。根據(jù)高斯擴(kuò)散模型和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)排放煙氣溫度為500℃，煙氣流量為50～100 kg/s時(shí)，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?xì)廨啓C(jī)，煙氣出口溫度大約為250℃，則其對應(yīng)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(jī)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(shè)計(jì)出在任何條件下都能符合CAP437對溫升所做要求的直升機(jī)甲板。這樣，海上平臺直升機(jī)甲板設(shè)計(jì)的目標(biāo)就變成了減小直升機(jī)甲板上方一定區(qū)域內(nèi)存在高溫?zé)煔獾目赡苄?，而不是完全消除這種可能性。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)排放高溫?zé)煔鈹U(kuò)散示意圖[1]

（2）增加直升機(jī)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?zé)煔鈹U(kuò)散的區(qū)域高于直升機(jī)飛行的路徑。為了達(dá)到這一目標(biāo)，在考慮到煙氣溫度和流量的前提下，高溫?zé)煔獾呐欧趴谥辽僖哂谥鄙龣C(jī)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。考慮到在風(fēng)速較小的時(shí)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(yīng)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(gè)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(jī)和天然氣壓縮機(jī)，總共15臺機(jī)組，機(jī)組布置相當(dāng)緊湊。同時(shí)，上部設(shè)有直升機(jī)甲板的生活樓也布置于該層甲板。按照項(xiàng)目前期確定的平臺總體布置（圖3），通過定量風(fēng)險(xiǎn)分析（QRA），并依據(jù)英國規(guī)范CAP437的相關(guān)判定標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)上層甲板多臺透平排煙對直升機(jī)的起飛和降落有一定的影響，因此，要對中心平臺直升機(jī)甲板布置優(yōu)化問題進(jìn)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(jī)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(jī)甲板之間的水平距離

（1）直升機(jī)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(shè)計(jì)的難度，不僅進(jìn)一步增加了平臺的重量，而且對項(xiàng)目嚴(yán)峻的重控要求不利。

（2）將煙囪最大限度地引離直升機(jī)甲板方向，具體做法是將緊鄰生活樓3臺主機(jī)的煙囪引至離直升機(jī)甲板盡量遠(yuǎn)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(jī)甲板與煙囪頂端之間的相對高差

（1）降低直升機(jī)甲板的高度，將直升機(jī)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(jī)甲板與煙囪頂端之間的相對高差，但這將意味著直升機(jī)甲板遠(yuǎn)低于周圍高大設(shè)備和生活樓。當(dāng)直升機(jī)甲板位于高大設(shè)備或生活樓下風(fēng)向時(shí)，其后方易形成較強(qiáng)烈的湍流區(qū)域，直升機(jī)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(jī)的影響問題，而且還要注意煙囪加高對燃?xì)廨啓C(jī)增加的背壓，尤其是對于配有余熱回收裝置的機(jī)組。通過充分論證，認(rèn)為適當(dāng)增加煙囪的高度是可以實(shí)現(xiàn)的。

（3）降低生活樓的高度，將直升機(jī)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(jī)甲板的高度，達(dá)到了增加直升機(jī)甲板與煙囪頂端之間的相對高差的目的。

綜上所述，適當(dāng)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(jī)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(biāo)高為EL.（＋）74000 mm，生活樓高為5層，直升機(jī)甲板標(biāo)高為EL.（＋）63500 mm。

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

3.2 根據(jù)“直升機(jī)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(jī)甲板布置分析評估方法主要是風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算流體力學(xué)（CFD）2種。用這2種方法可以對不同的直升機(jī)甲板布置方案進(jìn)行分析和驗(yàn)證，最終通過判斷直升機(jī)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(jī)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(jī)甲板的布置方案進(jìn)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(fēng)向是直接相關(guān)的。針對主機(jī)等排煙設(shè)備的布置、運(yùn)行情況及直升機(jī)甲板所處的相對位置，可以選定代表性的風(fēng)向進(jìn)行分析，其結(jié)果分別如圖4和圖5所示（圖中圓圈中的標(biāo)號為排煙設(shè)備煙囪的編號，箭頭所指方向0°為從平臺北方向吹來的風(fēng)，按順時(shí)針角度遞增，180°為從平臺南方向吹來的風(fēng)）。

對不同風(fēng)向和風(fēng)速工況下直升機(jī)甲板周圍溫升和湍流的分布情況進(jìn)行CFD模擬計(jì)算。圖6和圖7分別為從平臺西南方向（225°）吹來的風(fēng)向、風(fēng)速為9 m/s工況下，方案二中直升機(jī)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(fēng)向及風(fēng)速下，直升機(jī)甲板上方區(qū)域，即從直升機(jī)甲板高度處到圖中紅線（直升機(jī)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(dāng)風(fēng)流經(jīng)主機(jī)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(jī)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(jī)甲板上部影響高度范圍內(nèi)豎直速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差超過1.75 m/s。查風(fēng)向及風(fēng)速概率分布表可知，該風(fēng)向及風(fēng)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(jī)甲板上部空間煙溫超過2℃的等值線圖（方案二，風(fēng)向225°、風(fēng)速9 m/s）

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

通過分析不同風(fēng)向及風(fēng)速下煙溫和湍流的計(jì)算結(jié)果，將不符合CAP437規(guī)范的風(fēng)向及風(fēng)速的環(huán)境工況（即直升機(jī)甲板上部空間不符合直升機(jī)安全起降的環(huán)境條件）體現(xiàn)在項(xiàng)目所給的風(fēng)向及風(fēng)速聯(lián)合分布概率表中（表1和表2中的灰色部分），最終計(jì)算得出2種方案的直升機(jī)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(jī)飛行年不可用概率統(tǒng)計(jì)表（方案一）

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

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

通過對國外相關(guān)設(shè)計(jì)項(xiàng)目調(diào)研，認(rèn)為將直升機(jī)飛行的年不可用概率控制在8%范圍內(nèi)的直升機(jī)甲板布置是合理的。本項(xiàng)目最終選用直升機(jī)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(jī)安全操作問題將面臨更大的挑戰(zhàn)。因此，對直升機(jī)甲板的布置優(yōu)化問題應(yīng)在整個(gè)工程設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)甲板受透平排煙影響的首選標(biāo)準(zhǔn)。

（3）通過分析對比荔灣3－1氣田中心平臺直升機(jī)甲板布置的不同優(yōu)化措施，認(rèn)為增大透平煙囪與直升機(jī)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(shí)現(xiàn)，不推薦使用；但通過增加直升機(jī)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(jī)甲板年不可用概率值是否可接受，CAP437及相關(guān)的推薦做法并沒給出具體的推薦值，需要工程設(shè)計(jì)方、直升機(jī)操作方、業(yè)主特別是海上油氣田的操作方共同研究，同時(shí)應(yīng)考慮不同的海域特點(diǎn)以及所采用的直升機(jī)類型。建議我國相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)盡快開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(xué)。

[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(dá)，馬巍巍，等.南海超大型組塊浮托安裝總體設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)[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(xiàng)“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(shè)計(jì)、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(xué)暖通空調(diào)及燃?xì)鈱I(yè)，現(xiàn)主要從事海洋石油工程機(jī)械及相關(guān)專業(yè)的設(shè)計(jì)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(jī)海上平臺運(yùn)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(xì)則，2009.

2011－09－29改回日期：2011－10－18

（編輯：葉秋敏）