陳 希

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300451)

海洋平臺受尺寸限制，各類設(shè)備布置十分緊湊。對于設(shè)置主機的海洋平臺，為了保證鉆井設(shè)備的正常工作，需要將主機與直升機甲板布置在同一側(cè)。這就導(dǎo)致排煙管布置距離生活樓以及直升機甲板較近，機組排放的高溫?zé)煔饪赡軙χ鄙龣C起降產(chǎn)生影響。以往平臺設(shè)計常用 CFE軟件對透平機組排煙擴散進(jìn)行定性仿真分析評估，用于確定煙管布置的合理性，但是缺少高溫?zé)煔鈱χ鄙龣C甲板潛在影響的量化分析和安全分析評估，其報告較為繁瑣，并且對實際的飛行運營而言缺乏可靠性和指導(dǎo)性。本文在 CFE模擬基礎(chǔ)上，首次對煙氣影響進(jìn)行數(shù)據(jù)量化，并第一次完成渤海直升機起降控制表編制，可以直接指導(dǎo)后續(xù)直升機安全運行，同時對后續(xù)平臺設(shè)計方案有借鑒意義。

1 分析目標(biāo)

應(yīng)用 CFD仿真技術(shù)，以 CAP 437《直升機甲板安全規(guī)定》作為主要參考標(biāo)準(zhǔn)[1-3]，通過模擬透平機組排煙的擴散情況，評估溫升所導(dǎo)致的直升機甲板起落環(huán)境風(fēng)險。同時分析吊機周圍區(qū)域的煙氣溫度分布情況，以評估煙氣對吊機作業(yè)的影響，由此來優(yōu)化煙管布置方案。具體內(nèi)容包括:

① 給出煙氣擴散對直升機影響的概率值；②給出煙氣溫升對直升機起降影響的風(fēng)向風(fēng)速限制條件；③編制煙氣溫升區(qū)域直升機起降控制表，用于指導(dǎo)正常運營時的飛行控制。

1.1 煙氣溫升判定的要求

目前，國內(nèi)沒有針對煙氣擴散對直升機起降影響的分析判定標(biāo)準(zhǔn)，故參考國外相關(guān)評判標(biāo)準(zhǔn)，如英國CAA(Civil Aviation Authority)的CAP 437(Offshore Helicopter landing areas-guidance on standards):“在煙氣溫度超過環(huán)境溫度 2 ℃時，需要盡早咨詢直升機運營商，以便采取合適的操作限制。通過說明直升機甲板上方溫度升高情況，直升機運營商將會獲得使直升機處于安全狀態(tài)所需的信息?！?/p>

直升機甲板上方的分析區(qū)域與直升機尺寸有關(guān)。依據(jù) CAP 437，分析的區(qū)域高度為:30英尺(9.144m)加上直升機輪子至旋翼高度再加上一個旋翼的直徑。

本次計算選取貝爾-212機型，主要參數(shù)見表1。

表1 直升機類型及標(biāo)準(zhǔn)尺寸參考表Tab.1 Type and standard size of helicopter

1.2 渤海海域適應(yīng)性的判定準(zhǔn)則

針對不同海域直升機運營公司對直升機飛行操作要求的不同，渤海地區(qū)海直運營公司參照 CAP437標(biāo)準(zhǔn)，提出了適用于本海域煙溫對直升機起降影響的分析判定準(zhǔn)則:

①夏季微風(fēng)工況為直升機飛行最惡劣工況；②在直徑為 D18m直升機起降區(qū)域內(nèi)，煙溫超過環(huán)境溫度 2℃的影響區(qū)域，其高度在距直升機甲板面 15m以下為直升機完全不可用概率評判區(qū)域；③考慮直升機在甲板周圍區(qū)域的起降過程，將直升機甲板向外圍區(qū)域延伸。當(dāng)在 D18m直升機起降圓形區(qū)域且距直升機甲板面 15～28.6m 高度范圍內(nèi)，當(dāng)煙溫高于環(huán)境溫度 2℃時，在該外圍延伸區(qū)域內(nèi)，直升機飛行人員可通過調(diào)整靠近甲板中心處的飛行路徑來避開煙溫的影響。④針對 D18m 直升機起降圓形區(qū)域內(nèi)的陰影區(qū)，如煙溫高于環(huán)境溫度2℃的煙氣覆蓋到陰影區(qū)，在高于直升機甲板 15m 高度內(nèi)，可忽略該部分煙氣對直升機起降的影響。

2 輸入條件

2.1 煙氣參數(shù)

依照渤海平臺常見設(shè)置四臺透平發(fā)電機組考慮，模擬機組采用 Solar Titain130機組，單臺功率為10MW(37.8℃)。平臺透平發(fā)電機組的運行情況及其排煙參數(shù)見表2。

選定直升機甲板中心點處，模型計算中定義上層甲板上表面 Z＝0m。直升機甲板標(biāo)高為 Z＝15.5m，煙管高度為高出直升機甲板12.5m，即Z＝28m。

表2 機組功率及排煙參數(shù)Tab.2 Power and smoke discharge parameters

2.2 風(fēng)頻數(shù)據(jù)

風(fēng)頻數(shù)據(jù)見表3(數(shù)據(jù)來源為旅大 16-3/21-2項目ODP報告)。

表3 風(fēng)速-風(fēng)向頻率分布(年)Tab.3 Distribution of wind velocity-direction frequency(a)

3 幾何模型及邊界條件

3.1 煙管布置方案

3.1.1 排煙方式

考慮燃?xì)馔钙降倪M(jìn)排氣口布置于平臺的南北兩側(cè)，若燃?xì)馔钙疆a(chǎn)生的煙氣向平臺兩側(cè)排放，將會影響機組的進(jìn)氣要求。綜合考慮環(huán)境風(fēng)向、生活樓及直升機甲板位置、上層甲板設(shè)備布置等諸多因素，本平臺選擇豎直向上的排煙方式。

3.1.2 煙管布置方案

上層甲板高度為 EL(＋)28.0m，直升機甲板高度為 EL(＋)47.5m，將煙管集中布置，形成不同煙管布置方案:煙管集中布置于四臺機組中間通道位置，沿東西方向成一排，見圖1。

圖1 透平機組布置示意圖Fig.1 Layout of turbine

3.2 幾何模型

在 ANSYS Workbench中建立平臺三維幾何模型。由于平臺周圍風(fēng)場主要受到大型物體的影響，建模只考慮主要結(jié)構(gòu)物和大型設(shè)備的布置，小型的單元和結(jié)構(gòu)對計算結(jié)果影響很小。在不影響煙氣擴散分析準(zhǔn)確性的前提下，為便于劃分網(wǎng)格及計算，對平臺進(jìn)行簡化處理。上層平臺保留透平機組及廢熱帶操作平臺、直升飛機甲板、生活樓以及鉆機模塊，中層平臺及以下部分進(jìn)行整體簡化。建模的坐標(biāo)如下:上層甲板表面 Z＝0m。直升機甲板標(biāo)高 Z＝15.5m，煙囪出口高度Z＝28m。

3.3 計算假設(shè)及邊界條件

參考相關(guān)研究[4-9]，設(shè)定模型計算的假設(shè)及邊界條件。

3.3.1 模擬計算假設(shè)

① 海上的大氣風(fēng)速和大氣環(huán)境溫度均勻分布；②煙氣和大氣遵循理想氣體狀態(tài)方程；③模擬計算中機械設(shè)備的輻射換熱對煙氣流動影響很小，可略。

3.3.2模擬計算中的邊界條件

① 排煙管出口處為速度入口邊界；考慮 4臺機組同時運行工況下的排煙最惡劣工況；②環(huán)境風(fēng)的主流方向入口為速度入口邊界，出口為壓力出口邊界；③底面為海平面，設(shè)置為壁面邊界，其余邊界為對稱邊界。

3.4 分析計算域的選取

為準(zhǔn)確研究煙氣擴散規(guī)律，消除計算時計算域尺寸對于計算結(jié)果的影響，以海平面作為流體域的下底面，其他方向計算區(qū)域自由空間根據(jù)COST ACTION 732(Quality Assurance and Improvement of Microscale“Meteorological”Models)的推薦做法選取計算域大小[10]。在煙管出口區(qū)域，通過進(jìn)行加密網(wǎng)格，控制局部網(wǎng)格尺寸為 2m，在外圍區(qū)域最大網(wǎng)格尺寸為5m，網(wǎng)格總數(shù)約為1080000個單元[11]。

3.5 計算工況的選定

選定主要影響風(fēng)向為 WNW，NW，W，WSW 作為計算工況，考慮 NNW 風(fēng)向比較靠近影響范圍，所以本次計算也將NNW選定為計算工況。最終確定計算風(fēng)向為 WNW，NW，W，WSW，NNW，如圖 3所示。其他風(fēng)向下，煙氣不會經(jīng)過直升機甲板上方，因此不再考慮。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 煙氣擴散分布初步計算

4.1.1NWW風(fēng)向

在低風(fēng)速 3m/s的工況下，高于環(huán)境溫度 2℃的煙羽(煙氣等溫包絡(luò)面)傾向于豎直向上排放。隨著風(fēng)速的增加，煙羽高度降低，煙羽輪廓變小。結(jié)合11m/s的計算結(jié)果可知，該風(fēng)速下煙溫對直升機甲板的影響范圍較大。由此判定其他風(fēng)速下煙溫均會影響直升機甲板上方區(qū)域。

圖2 計算工況示意圖Fig.2 Work condition calculation

4.1.2W風(fēng)向

W 風(fēng)向下煙羽影響范圍仍較大，分析結(jié)果與NWW風(fēng)向類似，該風(fēng)向的影響僅次于NWW風(fēng)向。

4.1.3WSW風(fēng)向

在 5m/s風(fēng)速下，煙羽的輪廓范圍較大，已進(jìn)入直升機甲板上方影響范圍內(nèi)。在15m/s風(fēng)速下，煙羽輪廓減小。但由于其高度被壓低，煙羽仍會進(jìn)入直升機甲板上方影響區(qū)域內(nèi)。

4.1.4NW風(fēng)向

NW風(fēng)向的情況與WSW風(fēng)向類似。

4.1.5NNW風(fēng)向

通過模擬分析可知，在該風(fēng)向和 5m/s風(fēng)速下，煙羽不會覆蓋到直升機甲板影響區(qū)域。因此，考慮在其他風(fēng)速下，煙氣將不會對直升機起降區(qū)域造成影響。

4.2 煙氣擴散計算結(jié)果

經(jīng)過對多個計算工況計算結(jié)果的分析，歸納得出:NWW-7m/s，WWS-9m/s，NW-9m/s 3 種工況下，高于環(huán)境溫度 2℃的煙羽已經(jīng)進(jìn)入距直升機甲板15m以下的空間。

4.3 受影響工況下的應(yīng)對措施

在受煙氣影響工況下，如果能夠短時間內(nèi)降低煙氣排放，可以有效降低對直升機甲板的影響。NW 風(fēng)向下，4臺機組同時運行工況，高于環(huán)境溫度 2℃的煙羽覆蓋直升機甲板圓形區(qū)域的面積相對較大；3臺機組運行工況下，煙羽覆蓋面積可視為對直升機甲板沒有影響。所以，在 NW 風(fēng)向工況下，可以通過限制E4排煙來降低煙溫對直升機甲板的影響。

4.4 飛行控制表編制

根據(jù)計算結(jié)果將不同風(fēng)向、風(fēng)速下，高于環(huán)境溫度 2℃的煙羽對直升機甲板影響的情況，匯總在風(fēng)向-風(fēng)速概率分布表中，如表4所示。

表4 風(fēng)向-風(fēng)速概率分布表Tab.4 Distribution of wind direction-velocity probabilities

4.5 飛行控制表的使用說明

飛行控制過程中，需要對照結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)速、風(fēng)向，查表4進(jìn)行對照，確認(rèn)當(dāng)時所處飛行環(huán)境工況。

① 白色部分:對飛行無影響。

② 深灰色部分:直升機甲板完全不可用(概率為7.19%)。對應(yīng)的禁飛環(huán)境工況為:W和WNW風(fēng)向，風(fēng)速6.0m/s＜V≤18.0m/s；WSW風(fēng)向下，風(fēng)速8m/s＜V≤12m/s；NW 風(fēng)向下，風(fēng)速 8m/s＜V≤14m/s。

③ 淺灰色部分:不需要限制透平機組運行下，需要調(diào)整直升機飛行路徑(概率為 8.7%)。對應(yīng)的飛行環(huán)境工況為:WNW 和 W 風(fēng)向下，風(fēng)速 4.0m/s＜V≤6.0m/s；WSW 和 NW 風(fēng)向下，風(fēng)速 4.0m/s＜V≤8.0m/s。

④ 黑色部分:需要限制機組運行，限制南或北最外側(cè)排煙管排煙(概率為0.24%)。對應(yīng)飛行環(huán)境工況:WSW 風(fēng)向下，風(fēng)速 12.0m/s＜V≤14.0m/s，限制4號煙管排煙；NW 風(fēng)向下，風(fēng)速 14.0m/s＜V≤18.0m/s，限制E3煙管排煙。

5 結(jié) 論

目前，國內(nèi)外對于直升機起降條件不可用概率沒有量化的判定標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合實際與經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并通過模擬計算，第一次量化了適用于渤海海域的煙溫對直升機起降概率，并且編制可用于實際飛行管理的飛行控制表。直升機運營人員可利用模擬得出的煙羽分布圖和飛行控制表，方便地進(jìn)行飛行作業(yè)的安全調(diào)控。該成果已經(jīng)開展相關(guān)專利申報工作。

在實際直升機運營過程中，平臺和直升機需要及時溝通，并根據(jù)表4所示禁飛和可操控區(qū)域的風(fēng)向、風(fēng)速情況，密切關(guān)注飛行過程風(fēng)向、風(fēng)速的變化。一旦出現(xiàn)不利的風(fēng)速和風(fēng)向條件，可采取對應(yīng)的調(diào)整平臺機組負(fù)載、調(diào)整飛行路徑或限制飛行等措施，實現(xiàn)直升機起降過程的安全可控。