数值研究海洋平台高温烟气流动特性及影响直升机起降的安全性评估

沈志恒，王会峰，张慧芳，李东芳

(海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津 塘沽300451)

0 引言

在海洋油(气)田开发中，海洋平台上作业人员的安全性越来越受到重视，而平台上排烟设备所排放的高温烟气的扩散是影响安全的重要因素。其会造成周围环境温度的升高，从而使直升飞机操作的危险性增大。因此，分析烟气流动特性以及烟气扩散是否对直升飞机的起飞和降落产生影响可以对海洋采油(气)平台上的排烟设备在正常运行时所排放的高温烟气的安全性进行分析评估，为直升飞机驾驶人员提供风险资料，以降低高温烟气对直升飞机操作安全的影响。还可通过回收高温烟气的热量，降低海洋平台上排放烟气的温度，达到节能减排的作用，符合国家的能源发展战略［1-3］。目前，国内对烟气流动的研究工作主要是针对火灾所引起的烟气扩散进行分析［4-7］，且只分析研究了当火灾出现时高温烟气聚集的区域，以确定人员疏散时的安全。而对于海洋平台上烟气扩散的安全性分析评估的研究几乎没有报道。国外对平台上烟气扩散的研究都是针对具体项目，其得到的分析结果都是保密的。在已发表的文献中也没有见过类似报道。同时，由于海洋平台上排烟设备的操作工况及海上天气情况相对比较复杂，烟气温度影响区域范围较大，因此，对海洋平台上的排烟设备所排放的烟气的扩散进行实验研究是不现实的。而随着计算流体力学(CFD)技术的飞速发展，对于这种无法进行实验研究而采用理论分析的方法已成为一种重要研究手段。本文以某海洋平台上排烟设备所排放的高温烟气为研究对象，应用单相多组分流动及传热数学模型，基于重整化k-e湍流模型模拟烟气的湍流流动，数值研究海洋平台上烟气的流动及传热特性以及烟气扩散对直升飞机起飞和降落的影响。计算结果为今后分析平台上排烟设备以及直升飞机甲板的优化布置提供理论依据。

1 数学模型

本文以海洋平台上排烟设备所排放的烟气为研究对象，以FLUENT商业软件为模拟计算平台，通过建立气体多组分流动及传热数学模型模拟烟气的流动及传热特性。烟气流动及传热基本方程应满足质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及组分守恒方程。

1.1 质量守恒方程

式中ug——气相速度;

ρg——气相密度。

1.2 动量守恒方程

式中pg——气相压力;

g——重力加速度;

τg——气相应力张量。

其表达式为

式中 μg=μ+μt;

μ——气相层流粘性系数;

μt——气相湍流粘性系数;

I——单位向量。

用重整化k-e湍流模型［8］，目的是解决海洋平台上烟气流动可能出现的流线高度弯曲的流动、快速变形的流动、过渡流、绕流、尾流和漩涡流等流动方式，以获得更为准确地计算结果。

同时，对于气相还要满足组分守恒方程，其表达式为

式中Dgi——气体组分i的扩散系数;

Ygi——气体组分i的体积分数;

S c——Schmidt数 μg/ρgDgi。

1.3 能量守恒方程

式中Eg——气体能量;

Hg——气体焓值;

Tg——气体温度/℃。

2 计算边界条件及直升飞机起降的安全性判定标准

2.1 计算边界条件

以某海洋平台为基础建立了三维几何模型，为了能够更好的反映出平台上排放的烟气流动及传热特性，同时不影响模拟研究烟气扩散的准确性，对海洋平台适当的进行了简化处理。只保留了上层平台上的排烟设备、直升飞机甲板、生活楼以及大型撬装设备等机械设备。图1为海洋平台的几何结构简图。同时，本文在模拟计算中进行如下假设:(1)海上的大气风速和大气环境温度均匀分布;(2)模拟计算中机械设备的辐射换热对烟气流动影响很小，可以忽略。海上自由空间大小根据COST ACTION 732的推荐做法［9］来确定，其长、宽和高分别为238 m×356 m×150 m。海洋平台上排放的烟气的主要成分为CO2、O2、Ar和N2，其 分 别 取值为2.46%、16.8%、0.95%和79.79%。

图1 海洋平台的几何结构简图

模拟中所涉及到的排烟设备所排放的烟气流量和烟气温度等参数详见表1。其中，一些排烟设备布置了防雨帽，本文通过在排烟口设定一个向四周水平运动的分量来考虑防雨帽对烟气流动特性的影响。直升飞机甲板的高度距海平面56.6 m，烟囱高度距海平面74 m。大气环境温度为36℃，即夏季的平均温度。在模拟计算中，只分析了排烟设备3、5、7和8关闭而其他排烟设备全部正常运行时的烟气流动及传热特性。

表1 模拟计算参数

计算边界条件为:

(1)入口边界条件入口边界条件包括大气入口边界条件和烟气入口边界条件，均采用速度入口边界条件。同时入口边界需设定湍流参数，采用湍流强度和水力直径计算。

(2)出口边界条件

除大气风向外的自由空间的各个方向均设定为压力出口边界条件。压力设定为常压。

(3)壁面边界条件

海洋平台上的机械设备、直升飞机甲板以及海平面设定为壁面边界条件，且给定壁面温度。同时壁面采用无滑移边界条件。

为了保持足够的统计稳定性及精确性，计算网格为150万左右，模拟时间为80 s。在模拟计算采用二阶迎风差分格式进行离散，同时，采用SIMPLE计算方法对压力和速度之间进行修正。

2.2 直升飞机起降的安全性判定标准

由于海洋平台上排放的高温烟气能够造成直升飞机操作时主旋翼上的回转轴升力减小，同时，快速的温度变化也会导致直升飞机的发动机出现喘振等现象，从而增大直升飞机操作的危险性。为了确保海上作业人员的安全性，根据英国CAA(Civil Aviation Authority)制定的直升飞机甲板安全设计规范CAP437［10］描述，对直升飞机起飞和降落的安全性分析评估主要包括湍流和温升两部分判定标准:(1)湍流的判定标准是指在直升飞机甲板上方直升飞机起飞和降落的飞行区域，气流速度在垂直方向上的分量的标准偏差不能超过1.75 m/s。(2)温升的判定标准是指在直升飞机甲板上方直升飞机起飞和降落的飞行区域，气体温度升高的最大值不能超过大气环境温度2℃。如果不满足上述标准，则需要对直升飞机采取适当的操作限制。本文主要分析了海洋平台上排放烟气的温度变化对直升飞机起飞和降落的影响。

对于直升飞机甲板上方直升飞机起飞和降落时所需要的高度，CAP437安全设计规范描述为9.1 m加上轮子到飞机回转轴的高度，再加上一个回转轴的直径。经计算分析直升飞机起飞和降落所需高度为33.5 m。因此，在模拟计算中只需要确定直升飞机甲板及其上方33.5 m之间的烟气温度变化规律。

3 计算结果和分析

图2表示大气风向为平台迎风面时，不同大气风速下直升飞机甲板中心沿xz面上的烟气温度分布。结合图2中的(a)和(b)可以看出，当大气风速为3 m/s时，烟气温度较高的区域较大;而大气风速为9 m/s时，烟气温度较高的区域变小，这主要是由于随着大气风速的增大，烟气扩散速度变快，从而使得烟气分布的范围增大，进而造成高温烟气中心区域的温度变小。同时，从图2中的(b)中可以看出，烟气由于受到气流的影响逐渐向平台东侧扩散，沿x方向，烟气温度逐渐降低;沿z方向，高温烟气呈现中心区域温度较高，两侧温度较低的正态分布特性。其与高斯扩散规律［11］相一致。

图2 大气风向为平台迎风面时直升飞机甲板中心沿xz面上的烟气温度分布

图3是大气风向为平台迎风面时，不同大气风速下海洋平台上排烟设备排放的高温烟气分布情况。图中致图以深浅表示大于环境温度2℃的烟气分布区域。从图3的(a)和(b)可以看出，当大气风速为3 m/s时，高温烟气向上方扩散，其没有扩散到直升飞机甲板上方，因此，直升飞机甲板及其上方33.5 m之间的烟气温度小于大气环境温度2℃。当大气风速为9 m/s时，在直升飞机甲板及其上方33.5 mm之间，烟气温度大于大气环境温度2℃。计算结果表明，大气风向为平台迎风面，大气风速小于3 m/s时，高温烟气不会对直升飞机起飞和降落造成影响，而大气风速大于3 m/s时，烟气扩散影响到直升飞机的起飞和降落。同时，由图可见，排烟设备1、2和8～11所排放的高温烟气的排放高度低于其他排烟设备所排放的高温烟气的排放高度。这主要是由于排烟设备1、2和8～11增加了余热回收装置，其烟囱布置的防雨帽使得烟气向上运动时冲击防雨帽从而产生水平的动量所造成的。结合图3的(a)和(b)可以发现，高温烟气的扩散规律与大气风速有关，大气风速越大，烟气向东侧扩散越远，高温烟气向下运动的趋势越强，从而造成高温烟气对直升飞机起飞和降落的影响越大。

图3 气风向为平台迎风面时海洋平台上的高温烟气分布情况

图4是大气风向为平台迎风面时，不同大气风速下烟气温度随高度的变化。图中以直升飞机甲板为基准点，分析了直升飞机甲板及其上方33.5 m之间的温度变化规律。从图中可以看出，当大气风速为3 m/s时，烟气温度均为0℃，表明高温烟气没有扩散到直升飞机起飞和降落的区域。随着大气风速的增大，高温烟气逐渐扩散到直升飞机甲板上方，使得直升飞机甲板上方的烟气温度大于大气环境温度2℃，从而对直升飞机的起飞和降落产生影响。同时，随着高度的增大，烟气温度逐渐增大。另外，从图中还可以看出，大气速度越大，烟气温度越高。图4还给出了由FLACS软件得到的计算结果，通过比较可以发现，应用FLUENT商业软件得到的烟气温度随高度的变化与应用FLACS商业软件得到的计算结果基本一致，但两者之间的计算结果有一定的差异。出现差异的原因可能是计算网格大小不同，从而导致模拟计算精度上的差异;或者是本文对平台上的一些机械设备的几何形状采用不同大小的箱体结构进行建模，使得大气在流经机械设备时产生湍流的变化，从而造成烟气分布的不同，最终导致烟气温度的差异。计算结果表明应用FLUENT商业软件得到的模拟计算结果符合烟气流动的变化规律，其模拟结果具有一定的正确性和可靠性。

图4 大气风向为平台迎风面时烟气温度随高度的变化

4 结论

基于气相多组分流动及传热数学模型，气体湍流流动采用重整化k-ε湍流模型模拟，理论研究了海洋平台上排烟设备所排放烟气的流动及传热特性，并分析了高温烟气对直升飞机起飞和降落的影响。计算结果表明:

(1)烟气温度沿高度方向呈现中心区域较高，两侧烟气温度较低的正态分布特性，其与高斯扩散规律基本一致。同时，随着大气风速的增大，烟气受到大气的作用逐渐增强，使得烟气逐渐向下运动，加大了高温烟气对直升飞机的起飞和降落的影响。

(2)大气风向为平台迎风面和平台侧风面，在直升飞机甲板上方直升飞机起飞和降落的飞行区域，当大气风速小于3 m/s时，烟气温度小于大气环境温度2℃，高温烟气不会对直升飞机的起飞和降落产生影响;当大气风速大于3 m/s时，烟气温度大于大气环境温度2℃。从而影响到直升飞机的起飞和降落。

(3)由于防雨帽的作用，布置防雨帽的排烟设备所排放烟气的排放高度低于其它排烟设备所排放烟气的排放高度。

(4)当大气风向为平台迎风面时，在影响直升飞机起飞和降落的高度内，烟气温度具有随着高度增大而逐渐增大的变化规律;当大气风向为平台侧风面时，在影响直升飞机起飞和降落的高度内，烟气温度随着高度的增大，具有先增大再逐渐减小的变化规律。

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