海上平台直升机甲板受环境影响的安全分析评估＊

陈 欣 孙 旭 李东芳 张艳春 沈志恒

（1.海洋石油工程股份有限公司； 2.中海石油（中国）有限公司深圳分公司）

海上平台直升机甲板受环境影响的安全分析评估＊

陈 欣1孙 旭2李东芳1张艳春1沈志恒1

（1.海洋石油工程股份有限公司； 2.中海石油（中国）有限公司深圳分公司）

通过对比分析国内外规范中对直升机安全起降受环境影响的相关要求，认为英国标准CAP437及其推荐做法更适用于海上平台直升机甲板受环境影响的分析评估。结合CAP437提出的指导性建议，应用CFD方法研究了荔湾3－1气田中心平台直升机甲板布置的不同方案，模拟计算了直升机甲板上部空间烟温和湍流的分布情况，得出了直升机飞行的年不可用概率，最终确定了直升机甲板布置的最优方案。

海上平台 直升机甲板 布置方案 环境影响 标准规范 安全分析评估 荔湾3－1气田中心平台

目前海上油气田开发规模越来越大，海上生产设施排烟对直升机甲板安全操作的影响问题日益突出。上个世纪90年代，在英国北海海域发生的海上直升机事故引起了英国民航局CAA（Civil Aviation Authority）及健康安全执行委员会 HSE（Health and Safety Executive）的高度重视，两机构联合开展对海上直升机事故的分析研究工作。

随着国内海洋石油行业向深水领域的进军，海上平台处理规模增加，因此而带来的海上平台直升机甲板的安全操作问题也成为了工程设计所关注的焦点。由于目前国内对海上平台直升机甲板布置设计时考虑环境影响的研究还不深入，对相关的判定标准并没有应用的经验和深入的了解，如DNV使用的CAP437[1]。本文结合荔湾3－1气田中心平台直升机甲板受透平排烟影响的案例，对海上平台直升机甲板受环境影响的安全分析评估相关问题进行探讨。

1 环境因素对海上平台直升机甲板的影响分析

直升机在靠近整个平台的过程中，其环境影响因素主要归结为3个方面（图1）：①环境气流流过整个平台，干扰平台周边的流场，形成的湍流流动对直升机安全操作产生影响；②平台上层甲板高大设备后形成的尾涡湍流对直升机安全操作产生影响；③燃气透平及火炬等形成的热烟气对直升机甲板的热影响及湍流流动的影响。

图1 海上环境因素对直升机甲板的综合影响[1]

以上环境因素对直升机安全操作的影响主要体现在以下两方面：①当直升机飞入尾涡区域时，会形成类似高速飞行时产生的激波，影响飞机的正常推力，造成动力下降。②平台上排放的高温烟气会造成周围环境温度的升高，空气相对密度小，作用于直升机转轴本身的升力减小。同时，直升机发动机吸入的空气与油混和后燃烧不充分，造成功率下降；快速的温度变化也会导致发动机喘振，甚至使压缩机停转或熄火。这两方面都会使直升飞机操作的危险性增大。因此，影响直升机安全起降的主要危险源可归结为两大类，即高温烟气和湍流。

2 海上平台直升机作业安全相关标准规范

关于海上平台直升机甲板的设计，国内外的安全管理部门和第三方科研咨询机构开展了大量的研究和验证工作。目前，挪威、美国和英国在直升机作业安全方面都制定了相关的规范标准[2－4]。国内对直升机甲板的设计主要依据《民用直升机海上平台运行规定》1），同时《海洋石油安全管理细则》2）对直升机起降的管理也作出了相关的规定，但在环境影响方面，只提到了风速和能见度的要求，并没有提出对高温烟气和湍流流动的限定条件。

相对而言，英国的标准CAP437对环境影响直升机安全操作的判定标准更加清晰和明确，并制定了与CAP437配套的相关推荐做法，如CAA PAPER 99004[5]，CAA PAPER 2004/03[6]，CAA PAPER2008/03[2]等，主要用于指导海上平台直升机甲板的前期设计。

CAP437作为评估分析直升机甲板安全操作比较权威的标准规范，其对直升机甲板周围的湍流及高温烟气进行了条件限定。根据CAP437的判定准则，在直升机甲板上部区域，湍流和烟气温度应满足如下条件：①湍流的限定。在直升机起飞和降落区域内，竖直方向速度的标准方差不能超过1.75 m/s。②烟温的限定。在平均3 s的时间间隔内，直升机起飞和降落区域（即供直升机安全起降所需的甲板上方净空高度范围，应满足30英尺加直升机轮子到旋翼的高度再加上一个旋翼的直径）内的最大温升不能超过环境温度2℃。

同时，CAA2008/03给出了更为具体的指导性建议：

（1）增大透平烟囱与直升机甲板之间的水平距离。根据高斯扩散模型和风洞试验结果，当燃气轮机排放烟气温度为500℃，烟气流量为50～100 kg/s时，避免烟气温度超过环境温度2℃的最短水平距离是130～190 m（图2）。配有余热回收系统的燃气轮机，烟气出口温度大约为250℃，则其对应的避免烟温超过环境温度2℃的最短水平距离是90～130 m。除了非常大的平台，这意味着总是存在使直升机甲板上方一定区域内的温升超过环境温度2℃的情况。因此，对于固定式海上平台，不可能设计出在任何条件下都能符合CAP437对温升所做要求的直升机甲板。这样，海上平台直升机甲板设计的目标就变成了减小直升机甲板上方一定区域内存在高温烟气的可能性，而不是完全消除这种可能性。

图2 燃气轮机排放高温烟气扩散示意图[1]

（2）增加直升机甲板与烟囱顶端之间的相对高度。在可行的情况下，尽量增加烟囱高度，以保证高温烟气扩散的区域高于直升机飞行的路径。为了达到这一目标，在考虑到烟气温度和流量的前提下，高温烟气的排放口至少要高于直升机甲板面20～30 m。

（3）在平台上安装朝下排放的烟道，以使烟气向海面方向排出。考虑到在风速较小的时候烟气会从下方升上来，因此不推荐该做法。

3 CAP437规范及推荐做法在荔湾3－1气田中心平台中的应用

荔湾3－1气田开发工程中心平台是目前国内海上天然气开发规模最大的一个工程[7]。为保证中心平台大规模的天然气处理能力，上层甲板需布置天然气透平驱动的发电机和天然气压缩机，总共15台机组，机组布置相当紧凑。同时，上部设有直升机甲板的生活楼也布置于该层甲板。按照项目前期确定的平台总体布置（图3），通过定量风险分析（QRA），并依据英国规范CAP437的相关判定标准，发现上层甲板多台透平排烟对直升机的起飞和降落有一定的影响，因此，要对中心平台直升机甲板布置优化问题进行研究。

图3 荔湾3－1气田中心平台总体布置图

3.1 直升机甲板布置优化措施的可行性分析

3.1.1 增大透平烟囱与直升机甲板之间的水平距离

（1）直升机甲板采用轻型结构，并尽量向平台外部延伸，但这种方案增加了结构设计的难度，不仅进一步增加了平台的重量，而且对项目严峻的重控要求不利。

（2）将烟囱最大限度地引离直升机甲板方向，具体做法是将紧邻生活楼3台主机的烟囱引至离直升机甲板尽量远处，但需考虑烟囱支撑的做法与增加平台重量方面的问题，其效果并不显著。

3.1.2 增加直升机甲板与烟囱顶端之间的相对高差

（1）降低直升机甲板的高度，将直升机甲板从生活楼顶层直接移到上层甲板。这种做法虽然增加了直升机甲板与烟囱顶端之间的相对高差，但这将意味着直升机甲板远低于周围高大设备和生活楼。当直升机甲板位于高大设备或生活楼下风向时，其后方易形成较强烈的湍流区域，直升机甲板则会受到湍流的显著影响。

（2）抬升烟囱的高度。加高烟囱出口的高度，需考虑烟囱的支撑问题及对吊机的影响问题，而且还要注意烟囱加高对燃气轮机增加的背压，尤其是对于配有余热回收装置的机组。通过充分论证，认为适当增加烟囱的高度是可以实现的。

（3）降低生活楼的高度，将直升机甲板仍放置于生活楼之上，具体做法是将高为5层的生活楼拆分成高为3层和高为2层的A和B两部分。该方案显著地降低了直升机甲板的高度，达到了增加直升机甲板与烟囱顶端之间的相对高差的目的。

综上所述，适当抬升烟囱的高度及降低生活楼的高度，对于降低排烟的影响是可行的，据此确定选取如下2种直升机甲板布置优化方案：

方案一：只提升烟囱高度，烟囱顶端出口标高为EL.（＋）74000 mm，生活楼高为5层，直升机甲板标高为EL.（＋）63500 mm。

方案二：提升烟囱高度，烟囱顶端出口标高为EL.（＋）74000 mm。同时生活楼分成2部分，高度降为3层，直升机甲板标高为EL.（＋）56500 mm。

3.2 根据“直升机飞行的年不可用概率”概念确定最优方案

CAA2008/03中提出的直升机甲板布置分析评估方法主要是风洞试验和数值计算流体力学（CFD）2种。用这2种方法可以对不同的直升机甲板布置方案进行分析和验证，最终通过判断直升机飞行的年不可用概率（该概念的提出源于CAA2008/03）是否可接受，来决定直升机甲板的布置是否合理，确定出最优方案。

本文采用CFD方法对直升机甲板的布置方案进行模拟分析。通过对环境影响因素的分析，可推知温度和湍流的分布情况与环境风向是直接相关的。针对主机等排烟设备的布置、运行情况及直升机甲板所处的相对位置，可以选定代表性的风向进行分析，其结果分别如图4和图5所示（图中圆圈中的标号为排烟设备烟囱的编号，箭头所指方向0°为从平台北方向吹来的风，按顺时针角度递增，180°为从平台南方向吹来的风）。

对不同风向和风速工况下直升机甲板周围温升和湍流的分布情况进行CFD模拟计算。图6和图7分别为从平台西南方向（225°）吹来的风向、风速为9 m/s工况下，方案二中直升机甲板上部空间烟温和湍流的分布图。由图6可直观地判断出，在该风向及风速下，直升机甲板上方区域，即从直升机甲板高度处到图中红线（直升机安全起降最小高度）之间的区域内存在烟温超过环境温度2℃的情况。由图7可知，当风流经主机与生活楼之间的狭长通道后，有一部分气流会爬升到直升机甲板上部空间，这样使得该处的湍流影响增加，从而使直升机甲板上部影响高度范围内竖直速度的标准偏差超过1.75 m/s。查风向及风速概率分布表可知，该风向及风速出现的概率为0.1%。

图6 荔湾3－1气田中心平台直升机甲板上部空间烟温超过2℃的等值线图（方案二，风向225°、风速9 m/s）

图7 荔湾3－1气田中心平台直升机甲板上方水平面内湍流的等值线云图（方案二，风向225°、风速9m/s）

通过分析不同风向及风速下烟温和湍流的计算结果，将不符合CAP437规范的风向及风速的环境工况（即直升机甲板上部空间不符合直升机安全起降的环境条件）体现在项目所给的风向及风速联合分布概率表中（表1和表2中的灰色部分），最终计算得出2种方案的直升机年不可用概率分别为7.3%和2.8%。

表1 荔湾3－1气田中心平台直升机飞行年不可用概率统计表（方案一）

表2 荔湾3－1气田中心平台直升机飞行年不可用概率统计表（方案二）

通过判断直升机飞行的年不可用概率是否可接受，来决定直升机甲板的布置是否合理。如果直升机的年不可用概率在工程中可以接受，那么说明直升机甲板的布置合理，可以开展下一阶段的工程设计。如果直升机飞行的年不可用概率不能接受，则需提出相关的优化推荐方案，并进行相关的分析验证，最终得到直升机甲板合理的布置方案。

通过对国外相关设计项目调研，认为将直升机飞行的年不可用概率控制在8%范围内的直升机甲板布置是合理的。本项目最终选用直升机飞行年不可用概率较小的方案二，即降低生活楼高度的方案。

4 结论与建议

（1）随着我国海上油气田开发力度的加大，直升机安全操作问题将面临更大的挑战。因此，对直升机甲板的布置优化问题应在整个工程设计前期给予足够的重视。

（2）通过对比分析国内外规范对直升机安全起降受环境影响，本文推荐英国规范CAP437及其推荐做法作为今后分析评估直升机甲板受透平排烟影响的首选标准。

（3）通过分析对比荔湾3－1气田中心平台直升机甲板布置的不同优化措施，认为增大透平烟囱与直升机甲板之间水平距离的方案在尺寸有限的海上平台上不易实现，不推荐使用；但通过增加直升机甲板与烟囱顶端之间相对高差的方案可以有效地降低排烟的影响。

（4）直升机甲板年不可用概率值是否可接受，CAP437及相关的推荐做法并没给出具体的推荐值，需要工程设计方、直升机操作方、业主特别是海上油气田的操作方共同研究，同时应考虑不同的海域特点以及所采用的直升机类型。建议我国相关部门应当尽快开展相关标准的编制工作，使我国海上油气田开发工程更加安全和科学。

[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，李达，马巍巍，等.南海超大型组块浮托安装总体设计与关键技术[J].中国海上油气，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”国家科技重大专项“南海深水油气田开发示范工程——南海北部陆坡（荔湾3－1及周边）深水油气田工程设计、安装”（编号：2011ZX05056－003－001）部分研究成果。

陈欣，男，高级工程师，1995年毕业于哈尔滨建筑大学暖通空调及燃气专业，现主要从事海洋石油工程机械及相关专业的设计工作。地址：天津市塘沽区丹江路108号616信箱海工大厦（邮编：300451）。E－mail：chenxin＠mail.cooec.com.cn。

1）中国民用航空总局令第67号公布.CCAR－94FS－Ⅳ，民用直升机海上平台运行规范.1997.

2）国家安全生产监督管理局令（第25号）.海洋石油安全管理细则，2009.

2011－09－29改回日期：2011－10－18

（编辑：叶秋敏）