海上平台高温烟气扩散数值模拟分析

王魁涛

(中海油研究总院，北京100028)

海上平台高温烟气扩散数值模拟分析

王魁涛

(中海油研究总院，北京100028)

以渤海某油田新建中心平台25 MW燃气透平发电机组排放的高温烟气为研究对象,参考英国标准CAP437的环境判定参数,运用KFX软件对直升机起降影响进行CFD数值模拟。根据模拟结果分析直升机甲板周围温升、湍流的分布情况对直升机起降的影响,得到直升机甲板年不可用概率值。依据计算结果验证工程方案的可行性。

海上平台;高温烟气扩散;直升机甲板;数值模拟

目前国内烟气扩散的研究工作主要针对火灾所引起的烟气扩散,且只分析火灾时高温烟气聚集的区域,用于指导人员应急疏散［1-3］,而海上平台高温烟气扩散影响的安全分析研究则较少。海上平台大功率燃气透平排烟流量大、废气温度高,可达200～500℃,很有可能成为影响直升机安全起降的隐患。由于海上平台排烟设备的操作工况和海洋环境相对复杂,影响因素较多,包括气体排放速度、气体组分、温度、风向及附近障碍物等,因此有必要对高温烟气的扩散影响进行分析。

以渤海某油田新建中心平台在国内自营油田首次应用的25 MW透平发电机组为研究对象,采用计算流体力学(CFD)方法分析燃气透平排放的高温烟气对直升机起降的影响,模拟高温烟气在平台直升机甲板及周围空间的流动及分布规律,验证目前平台总体设计方案的可行性,供排烟管设计、平台上部的总体优化布置及直升机起降飞行管理参考。

1 海上直升机甲板环境影响因素

影响海上直升机安全起降的主要环境因素包括高温烟气和湍流两部分。

平台上排放的高温烟气造成周围环境温度升高,空气相对密度减小,使作用于直升机旋翼的升力和拉力降低。空气密度下降,进入发动机的空气量也随之减少,造成发动机供气不足,输出功率下降,进一步降低旋翼的升力和拉力［4］。当空气温度为80℃时,空气密度较空气温度为15℃时下降约20%,旋翼拉力也下降约20%,从而造成直升机迅速下降［5］。急剧的温度变化还会导致发动机喘振,致使压缩机停转或熄火。

直升机甲板一般位于生活楼顶部,气流流过生活楼时会形成尾涡湍流,当直升机飞入尾涡区域时会形成激波,影响正常推力,造成动力下降。

2 相关安全判定标准

目前国内外安全管理部门及第三方科研咨询机构在直升机作业安全方面都制定有相应的规范和标准。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》,在设计环境条件方面只对风速和能见度进行了要求,但未对温度和湍流进行限定。

挪威规范NORSOK C-004规定直升机甲板周围温升不能超过环境温度3℃,未见直升机甲板周围湍流的限定条件［6］。

美国APIRP 2L中只提到了空气湍流影响,限定没有具体量化［7］。

英国CAA(Civil Aviation Authority)制定的直升机甲板安全设计规范CAP437则对环境条件的判定标准相对明确,并且制定了与CAP437配套的相关研究报告和推荐做法如CAA PAPER-99004、CAAPAPER2008/03等,用于指导海上直升机甲板的设计［8-11］。

对比国内外相关规范标准,CAP437的实用性和可操作性更强。模拟选用CAP437作为直升机甲板受环境条件影响分析的首选标准。根据CAP437的判定准则,在直升机甲板上部区域,烟气温度和湍流应满足以下条件。

1)烟气温度的限定。在直升机起降的区域(直升机安全起降所需甲板上方净空高度范围,应满足9.1 m加直升机轮子到旋翼的高度再加上一个旋翼的直径)内,平均3 s时间间隔内的最大温升不能超过环境温度2℃;

2)湍流的限定。在直升机起降的区域内,垂直方向速度的标准方差不能超过1.75 m/s;

如果不满足上述标准,则需要对直升机飞行进行操作限制。

3 计算基础条件

新建中心平台位于渤海南部海域,该平台为渤南油田群区域电力组网中心,为保证油田群新建平台供电及区域电网平衡,在平台上层甲板布置有3台25 MW天然气透平驱动的发电机组和废热回收装置,同时上层甲板生活楼顶部设置有直升机甲板。上层甲板的设备布置见图1。

图1 平台上层甲板布置示意

模拟计算假设:海上大气风速和环境温度均匀分布,由于透平排烟与环境温度有关,为简化计算,环境温度采用年平均温度15℃;模拟分析选取海平面为0 m。计算域z方向的下边界为0,其他方向的计算域为1.0～1.5倍平台长度。上层甲板距离海平面31.5 m,直升机甲板距离海平面高度54.5 m,烟囱高度距离海平面57.5 m。采用非均匀网格,在排放点附近将网格适当加密以提高计算精度。在直升机甲板上方及甲板周围,采用1×1×1 m网格,在平台内部保证网格足够小以获得足够精确的计算结果,在平台外部将网格适当拉伸。模拟中网格数约为140万。

由于废热回收装置为一用一备,计算工况为一台透平带废热排烟,一台透平不经废热回收直接排放。排烟设备所排放的烟气参数见表1。

表1 排烟参数

拟采用贝尔212飞机,根据CAP437要求,直升机起降所需高度为27.8 m,模拟确定直升机甲板及其上方30 m之间的烟气温度变化规律。

4 计算结果

本次分析中新建平台的北向按照地理正北向逆时针旋转67.5°,该新建平台所在海域风玫瑰图见图2,根据对排烟烟囱和直升机甲板的相对位置和朝向,其中NW(-45°)、NNW(-22.5°)、N(0°)、NNE(22.5°)4种风向条件下烟气会吹向直升机甲板,其他风向下不会对直升机有影响。

图2 油田海域风玫瑰图

对不同风向和风速情况下直升机甲板温升和湍流的分布情况进行CFD计算,以NNW风向为例进行分析。图3为NNW风向下,不同风速条件下烟气温度超过17℃的包络面图。可以直观地判断出在该风向及风速下直升机甲板30 m范围内存在超过环境温度2℃的烟气分布区域情况。通过温度包络面可见,随着风速的增加,烟羽整体向下移动。同时由于风的稀释作用,烟羽扩散变快,随着风速增加烟羽影响范围缩小。总体来说,对于风向NNW,风速增大使直升机甲板受影响程度升高,对直升机起落环境的影响增加。

图4则为在风向NNW,风速9 m/s条件下,直升机甲板上方0～25 m不同水平高度截面(xy面)的温度等值线图。图中以直升机甲板为基准点,分析了直升机甲板及其上方30 m之间的温度变化规律。在9 m/s风速条件下,直升机甲板上方5 m范围内没有受到烟气影响,随着高度的增加,烟气中心温度逐渐增加,直升机甲板上方影响范围也越来越大。

图3 NNW风向不同风速下烟气温度高于17℃烟气分布情况

图4 直升机甲板上部不同高度烟温超过17℃的等值线图(风向NNW、风速9 m/s)

统计不同风向风速条件下直升机甲板上方5～30 m高度范围内的温升见表2,其中NNW风向对直升机甲板的影响最大,风速超过5 m/s时,直升机起降区域内温升均存在超过40℃的情况,最高温升达到92℃;其次为NW风向,风速超过5 m/s时,温升基本大于30℃,最高达到52℃。根据直升机Bell-212操作手册,其运行温度在-40～35℃之间。从表2可以看出,在 NW、NNW、N 3个方向,直升机甲板上方温度大部分风速条件下将超过直升机运行要求,基本处于禁止飞行状态。因此平台业主应加强对平台海域风向的监测,并及时告知直升机运营方,通过采取降落其他平台等措施规避风险。

图5为风向NNW,风速15 m/s条件下,湍流能的分布情况,当风流经过修井机、透平发电机和生活楼之后,有一部分气流升至直升机甲板上方空间,使得该处湍流对直升机的影响增加,使直升机甲板上部影响高度范围内垂直速度的标准方差超过1.75 m/s。经查阅风向和风速概率分布表,该风向及风速条件下的概率为1.8%。

根据分析不同风向及风速下温升计算结果,将不符合CAP437规范的风向和风速的环境条件工况体现在风向和风速联合分布概率表中(表3),最终可得出目前设计方案下的直升机年不可用概率为12.7%。

通过工程设计方、直升机操作方和业主3方间的沟通,考虑到目前采用风频统计偏保守的情况,参考国内外类似项目,直升机甲板年不可接受概率值控制在10%以内可以接受。目前设计方案中的12.7%的概率偏高,设计方案需要优化。

表2 各风向风速条件下直升机甲板上方各高度温升统计表

图5 直升机甲板上部空间湍流的等值线(风向NNW，风速15 m/s)

表3 中心平台直升机年不可用概率统计

设计方案中平台结构尺寸已经确定,增大废热烟囱与直升机甲板之间的水平距离存在难度;增加直升机甲板与烟囱顶端之间的相对高度具有可行性。升高烟囱高度相当于将烟羽影响范围整体向上平移,从而增大烟羽与直升机甲板之间的距离。经计算,在现有基础上烟囱升高6、11、20m,年不可用概率对应下降至9.8%、8.4%、4.0%。

综合上述分析,建议在现有设计方案基础上增大烟囱高度6 m,满足直升机甲板年不可用概率控制在10%之内的要求。此举还需要综合考虑烟囱的支撑结构、吊机干涉以及燃气透平背压增加和废热装置的重新选型等问题。

5 结论

1)该项目影响直升机起降的风向是NW、NNW、N、NNE。这4个风向,在风速大于3 m/s时,直升机甲板上方起降的飞行区域内温升均超过大气温度2℃以上,不满足直升机起降要求。根据风向及风速下温升计算结果和风向风速联合分布概率,直升机甲板的全年不可用概率值达到12.7%,需要对工程设计方案进行优化。

2)在现有工程设计方案基础上烟囱升高6 m,直升机甲板年不可用概率值可下降至9.8%。增加烟囱出口高度,需要综合考虑烟囱的支撑结构、吊机干涉以及燃气透平背压增加和废热装置的重新选型等因素。

3)烟囱升高6 m后,在NNW、N、NW风向下,直升机甲板上方由于高温烟气导致的温升仍较高,局部温升超过20℃,超过了直升机安全运行要求。应加强对平台海域风向的监测,并及时告知直升机运营方,遇到危险风向风速时,通过采取取消飞行或降落其他平台等措施消除影响。

［1］曲志明,李 正,周心权.室内火灾烟气流动的三维大涡数值模拟［J］.重庆建筑大学学报,2008,30(1): 119-124.

［2］赵兰英,王圣翔.地铁换乘站火灾烟气蔓延数值模拟与分析［J］.消防科学与技术,2013,32(4):373-376.

［3］周 汝,何嘉鹏,蒋军成,等.高层建筑火灾时烟气在横向疏散通道内的扩散［J］.南京航空航天大学学报,2007,39(3):412-416.

［4］张彩生,汪东林,蒋晓彦,等.环境温度对直升机的影响及测试数据处理方法研究［J］.装备环境工程. 2006,3(4):45-49.

［5］周雄武,赵瑞贤.高温烟火导致直升机坠毁分析［J］.装备环境工程.2007,4(6):41-43.

［6］Norwegian Petroleum Industry.NORSOK C-004 Helicopter deck on offshore installations［S］.2004.

［7］American Petroleum Institute.APIRP 2L Recommended practice for planning,designing,and constructing heliports for fixed offshore platforms［S］.1996.

［8］UK Civil Aviation Authority.CAP 437 Offshore helicopter landing areas-guidance on standards［S］.2010.

［9］UK Civil Aviation Authority.CAA PAPER 2008/03 Helideck design considerations-environmental effects［S］. 2009.

［10］UK Civil Aviation Authority.CAA PAPER 99004 Research on offshore helideck environmental issues［S］. 2000.

［11］UK Civil Aviation Authority.CAA PAPER 2004/03 Helieopter turbulence criteria for operations to offshore platforms［S］.2004.

Analysis of Simulation for High-Temperature Exhausted Gas on the Offshore Platform

WANG Kui-tao
(CNOOC Research Institute,Beijing 100028,China)

By taking the high-temperature exhausted gas from 25 MW gas turbines on new center platform located in Bohai sea as the research object,the British standard CAP437 is adopted for the criterion of environmental impacts to simulate the effects of helicopter's takeoff and landing by flow of high-temperature exhausted gas.The numerical calculation and analysis of the exhaust temperature rise and turbulence distribution above the helicopter deck are performed in KFX software,and the annual helicopter deck downtime probability is obtained.Analysis of the simulation results shows that the technical schedule is feasible.

offshore platform;high-temperature exhausted gas diffusion;helicopter deck;numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.023

TE48

A

1671-7953(2015)03-0095-05

2014-12-24

修回日期:2015-01-06

中海油研究总院项目(2013BD-006)

王魁涛(1981-),男,硕士,工程师

研究方向:海洋工程安全分析

E-mail:wangkt@cnooc.com.cn