劉國恒 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)

海上平臺高溫?zé)煔鈹U(kuò)散危害分析及緩解措施探討

劉國恒 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)

基于海上某平臺原排煙設(shè)計方案中存在的問題，進(jìn)行了排煙設(shè)計方案優(yōu)化。采用CFD軟件對優(yōu)化后平臺高溫?zé)煔鈹U(kuò)散及不同環(huán)境條件的運行工況進(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)計建議。本文研究結(jié)果可為海上平臺高溫排煙設(shè)計提供參考依據(jù)。

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

在海洋石油開發(fā)過程中，為保證整個區(qū)域的電力需求，大功率發(fā)電機(jī)組的配置越來越多，由此帶來大量高溫?zé)煔獾呐欧牛绾Ｑ笫推脚_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χ鄙龣C(jī)起降、平臺人員工作場所、平臺結(jié)構(gòu)等造成安全隱患，高溫?zé)煔庵械挠泻怏w組分會對生活樓、平臺人員健康產(chǎn)生危害[2]。目前關(guān)于海洋石油平臺高溫?zé)煔鈹U(kuò)散問題，DNV(挪威船級社)、BV(法國船級社)以及英國勞氏船級社等第三方咨詢服務(wù)公司均參與過相關(guān)的定量風(fēng)險評估分析。近年來高溫?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]，但目前針對高溫?zé)煔鈹U(kuò)散分析還沒有統(tǒng)一的規(guī)范或推薦做法，也缺少相關(guān)量化判別依據(jù)。目前海洋石油平臺高溫?zé)煔怙L(fēng)險評估多針對高溫?zé)煔庖瓠h(huán)境溫度升高對直升機(jī)起降的影響，而對于有害氣體濃度的影響、煙塵影響以及高溫?zé)煔鈱ι顦?、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，忽略了因平臺對流場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)重的海上某平臺為例，結(jié)合優(yōu)化排煙設(shè)計后的總體布置、機(jī)組運行工況及風(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，評估優(yōu)化后高溫?zé)煔鈱χ鄙龣C(jī)起降安全的影響以及高溫?zé)煔庥泻怏w組分濃度對平臺人員健康的影響等，從而為海上平臺高溫排煙的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 計算模型及模擬工況

1.1 幾何模型

該平臺下層甲板東側(cè)共設(shè)置有3臺燃?xì)馔钙诫娬?，排煙方式為橫排；上層甲板設(shè)置有3臺壓縮機(jī)，排煙方向為向上直排。平臺原排煙設(shè)計方案如圖1所示。

由于該平臺電站3個排煙管都集中在下層甲板，而且布置相對集中，煙氣對平臺的危害很大，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)無法滿足起降要求。另外，平臺甲板及中控室常有刺激性氣味存在，經(jīng)檢測為氮氧化物超標(biāo)。

鑒于該平臺電站無法進(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，通過改變排煙方向的方式來進(jìn)行優(yōu)化，并對優(yōu)化后的模型進(jìn)行分析，以評估其效果。優(yōu)化后的電站排煙設(shè)計方案如圖2所示。

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

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

1.2 模擬工況

該平臺電站(單臺)及壓縮機(jī)(單臺)排煙參數(shù)見表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仙?，同時考慮渦流效應(yīng)，在平臺北側(cè)等處，風(fēng)會在排煙一側(cè)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，因此應(yīng)基于環(huán)境條件對平臺所在海域風(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χ鄙龣C(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)甲板上方溫度超過環(huán)境溫度2 ℃，但對湍流未做限定；美國相關(guān)規(guī)范API RP 2L中對湍流的影響有提及，但未做具體的量化分析；英國CAA(Civil Aviation Authority)制定的CAP 437規(guī)范中對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)。該平臺所用的直升機(jī)型號為西科斯基S92，機(jī)身長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)范計算，直升機(jī)甲板上方的分析區(qū)域為33.3 m，保守考慮取35 m。

通過模擬16個風(fēng)向的煙氣擴(kuò)散過程，提取該平臺直升機(jī)甲板上方35m范圍內(nèi)溫度升高超過環(huán)境溫度2 ℃的風(fēng)頻統(tǒng)計數(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2 ℃)。

表3 海上某平臺直升機(jī)甲板上方35 m范圍內(nèi)溫度升高超過環(huán)境溫度2 ℃的風(fēng)頻統(tǒng)計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υ撈脚_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進(jìn)入直升機(jī)起降區(qū)域。

根據(jù)表3模擬統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可計算出該平臺電站排煙設(shè)計方案優(yōu)化設(shè)計后直升機(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%以內(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)在對該平臺直升機(jī)起降進(jìn)行管理時，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 海上某平臺在不同風(fēng)向及風(fēng)速下高溫?zé)煔鈱?dǎo)致溫度升高超過環(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，通過對16個風(fēng)向不同風(fēng)速的煙氣模擬，提取該平臺直升機(jī)甲板上方垂直方向速度的標(biāo)準(zhǔn)方差超過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)果表明湍流動能的影響非常小，其原因主要是平臺直升機(jī)甲板高度范圍內(nèi)沒有其他設(shè)備，流場受擾動比較小。

2.2 有害氣體成分對平臺人員影響

從該平臺電站及壓縮機(jī)排煙數(shù)據(jù)(表1)可以看出，對人員可能產(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間為評判依據(jù)，以NOx為例，其接觸限值為10 mg/m3”[8]，分析NOx的濃度分布以及對平臺人員的危害。通過對16個風(fēng)向、不同風(fēng)速的模擬分析，得出該平臺NOx超標(biāo)的風(fēng)頻統(tǒng)計如表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，由于平臺的阻擋作用，會在平臺東側(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時這種渦流效應(yīng)更加明顯，NOx會在渦流作用下進(jìn)入平臺范圍(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11 m/s時，風(fēng)速的影響占主導(dǎo)作用，煙氣被吹離平臺(圖4b)。

表4 海上某平臺 NOx超標(biāo)統(tǒng)計數(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)向下類似，即由于平臺阻擋作用會在平臺西側(cè)產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致煙氣反吹向平臺西側(cè)工藝區(qū)，造成平臺西側(cè)NOx超標(biāo)。當(dāng)風(fēng)速大于7 m/s時，煙氣擴(kuò)散以風(fēng)速影響為主，煙氣被吹離平臺(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，NOx對平臺的影響比較嚴(yán)重(圖5b)。

N風(fēng)向下，透平機(jī)組排煙被吹離平臺，對平臺不會產(chǎn)生影響。但當(dāng)風(fēng)速超過7 m/s時壓縮機(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)排煙不會影響平臺范圍(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，含NOx的煙氣集聚進(jìn)入平臺范圍(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)論來看，排煙設(shè)計方案優(yōu)化后NOx的影響仍舊存在，但結(jié)合風(fēng)頻統(tǒng)計情況，年影響比較嚴(yán)重的概率僅為5.2%。同時，由于NOx超標(biāo)濃度會覆蓋中控室、生活樓等人員密集區(qū)域，通過提取中控室的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χ鄙龣C(jī)影響的措施

1) 改變排煙位置或排煙方向。通過大量的模擬分析以及對現(xiàn)場改造情況的調(diào)研，改變排煙位置或排煙方向的措施對于排煙管在上層布置的效果相對較好。因為排煙口所排放的煙氣具有一定的速度，同時高溫?zé)煔饩哂猩细〉奶匦裕瑹煔獠粫M(jìn)入到平臺范圍內(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。而對于排煙設(shè)備布置在中層甲板或下層甲板的情況，從優(yōu)化設(shè)計的驗證分析結(jié)果來看，可在一定程度上減小高溫?zé)煔獾奈：?，但由于煙氣靠近平臺，且煙羽在溫度影響下上浮，同時平臺對流場的阻礙作用而導(dǎo)致流場產(chǎn)生渦旋，因此這種方式并不能完全消除煙氣的影響。

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

3) 水噴淋。通過在排煙口增加水噴淋的方式來降低煙氣的溫度，吸收其中水溶性的有害氣體成分，對煙氣的擴(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上發(fā)現(xiàn)，噴淋口在高溫下易出現(xiàn)海水結(jié)晶問題，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，設(shè)置2個排煙方向，從而根據(jù)不同的環(huán)境風(fēng)向，適時調(diào)節(jié)排煙的方向，以保證煙氣不會影響平臺范圍。這種措施能較有效地減弱高溫?zé)煔鈱ζ脚_的影響，但須在設(shè)計初期結(jié)合平臺總體布置，合理規(guī)劃排煙布置和方向。

3.2 緩解有害氣體成分對平臺人員危害的措施

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，以保證煙氣不會對平臺生活樓及人員產(chǎn)生危害。但增加燃料氣處理裝置會增加項目投資，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，無法直接判斷影響風(fēng)向與風(fēng)速，在平臺的阻擋作用下流場形成的渦旋經(jīng)常會將煙氣反吹向平臺，因此海上平臺排煙設(shè)計方案優(yōu)化中對風(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)散趨勢進(jìn)行逐一排除。

2) 有害氣體組分的濃度分布會對平臺中控室等電器房間、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)行煙氣分析過程中無法完全避免煙氣影響時，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

劉國恒，男，工程師，2012年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)安全技術(shù)及工程專業(yè)并獲碩士學(xué)位，主要從事海洋石油定量風(fēng)險分析工作。地址：北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號院(郵編：100028)。E-mail：liugh6@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)01-0150-08

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.01.022

劉國恒,郝靜敏,張海娟，等.海上平臺高溫?zé)煔鈹U(kuò)散危害分析及緩解措施探討[J].中國海上油氣，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