海上平台高温烟气扩散危害分析及缓解措施探讨

刘国恒 郝静敏 张海娟 王魁涛 李忠涛 王红红

(中海油研究总院 北京 100028)

海上平台高温烟气扩散危害分析及缓解措施探讨

刘国恒 郝静敏 张海娟 王魁涛 李忠涛 王红红

(中海油研究总院 北京 100028)

基于海上某平台原排烟设计方案中存在的问题，进行了排烟设计方案优化。采用CFD软件对优化后平台高温烟气扩散及不同环境条件的运行工况进行了模拟仿真，分析了烟气温度及有害气体浓度的分布范围，结合CAP 437规范及人体接触有害气体限值，计算了温度升高导致直升机起降的不可使用概率和有害气体浓度危害程度及概率，最后探讨了缓解高温烟气危害的措施及排烟设计建议。本文研究结果可为海上平台高温排烟设计提供参考依据。

海上平台；高温烟气；排烟设计；扩散分析；有害气体；直升机升降；人员健康；缓解措施

在海洋石油开发过程中，为保证整个区域的电力需求，大功率发电机组的配置越来越多，由此带来大量高温烟气的排放，如海洋石油平台上的透平机组、压缩机或模块钻机电站等，排烟温度可达300～700℃[1]。高温烟气可能会对直升机起降、平台人员工作场所、平台结构等造成安全隐患，高温烟气中的有害气体组分会对生活楼、平台人员健康产生危害[2]。目前关于海洋石油平台高温烟气扩散问题，DNV(挪威船级社)、BV(法国船级社)以及英国劳氏船级社等第三方咨询服务公司均参与过相关的定量风险评估分析。近年来高温烟气分析方法也由二维单一排放源的扩散仿真模拟逐步转向三维多点排放源的扩散仿真模拟，极大地提高了分析精度[3]，但目前针对高温烟气扩散分析还没有统一的规范或推荐做法，也缺少相关量化判别依据。目前海洋石油平台高温烟气风险评估多针对高温烟气引起环境温度升高对直升机起降的影响，而对于有害气体浓度的影响、烟尘影响以及高温烟气对生活楼、中控室等人员健康影响则很少涉及；另一方面，目前分析烟气扩散所选取的组合工况往往是基于总体布置及排烟布置而确定的少数风向，忽略了因平台对流场的阻碍作用造成涡旋效应而导致高温烟气回流的影响。

本文以受烟气影响比较严重的海上某平台为例，结合优化排烟设计后的总体布置、机组运行工况及风频联合分布，分析高温烟气扩散规律、浓度及温度分布情况，评估优化后高温烟气对直升机起降安全的影响以及高温烟气有害气体组分浓度对平台人员健康的影响等，从而为海上平台高温排烟的优化设计提供参考依据。

1 计算模型及模拟工况

1.1 几何模型

该平台下层甲板东侧共设置有3台燃气透平电站，排烟方式为横排；上层甲板设置有3台压缩机，排烟方向为向上直排。平台原排烟设计方案如图1所示。

由于该平台电站3个排烟管都集中在下层甲板，而且布置相对集中，烟气对平台的危害很大，高温烟气导致直升机甲板上方温度升高，造成直升机无法满足起降要求。另外，平台甲板及中控室常有刺激性气味存在，经检测为氮氧化物超标。

鉴于该平台电站无法进行重新布置，因此在综合考虑机组要求、风频联合分布及烟气的扩散规律后，通过改变排烟方向的方式来进行优化，并对优化后的模型进行分析，以评估其效果。优化后的电站排烟设计方案如图2所示。

图1 海上某平台原电站排烟设计方案Fig.1 The original exhaust design of power station in one offshore platform

图2 海上某平台优化后的电站排烟设计方案Fig.2 The optimized exhaust design of power station in one offshore platform

1.2 模拟工况

该平台电站(单台)及压缩机(单台)排烟参数见表1。根据排烟方向及高温烟气的特性，透平电站排烟高温烟羽会上升，同时考虑涡流效应，在平台北侧等处，风会在排烟一侧产生涡流效应，因此应基于环境条件对平台所在海域风频年联合分布情况(表2)进行综合研究。

表1 海上某平台电站及压缩机排烟参数Table 1 The exhaust parameters of generator turbine and compressor turbine in one offshore platform

表2 海上某平台所在海域风频年联合分布Table 2 Wind frequency under different directions and velocities in the located sea of one offshore platform

注：风速单位为m/s。

2 高温烟气扩散危害分析

2.1 高温烟气对直升机起降的影响

挪威相关规范NORSOK C-004中规定影响直升机起降的量化标准为烟气导致直升机甲板上方温度超过环境温度2 ℃，但对湍流未做限定；美国相关规范API RP 2L中对湍流的影响有提及，但未做具体的量化分析；英国CAA(Civil Aviation Authority)制定的CAP 437规范中对温度及湍流等都有明确的规定[4-7]。因此，本文以CAP 437规范作为判定准则。根据CAP 437的要求，直升机甲板上方的分析区域与直升机尺寸有关。该平台所用的直升机型号为西科斯基S92，机身长20.85 m，旋翼直径17.71 m，机身高度6.45 m。依据CAP 437规范计算，直升机甲板上方的分析区域为33.3 m，保守考虑取35 m。

通过模拟16个风向的烟气扩散过程，提取该平台直升机甲板上方35m范围内温度升高超过环境温度2 ℃的风频统计数据，如表3所示(灰色标注部分代表烟气导致温度升高超过2 ℃)。

表3 海上某平台直升机甲板上方35 m范围内温度升高超过环境温度2 ℃的风频统计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：风速单位为m/s。

由表3可以看出，高温烟气对该平台直升机起降影响的风向主要是SW、WSW、W、WNW、NW等，以小于8 m/s的中小风速为主。结合温度升高2 ℃的区域分布情况(图3)，认为造成这种情况的主要原因是此类风速下位于上层甲板的压缩机烟气扩散至直升机甲板上方，导致温度升高超过环境温度2 ℃，而位于下层甲板的透平机组的排烟方向向下，在外界风速的作用下基本不会进入直升机起降区域。

根据表3模拟统计数据，可计算出该平台电站排烟设计方案优化设计后直升机的不可使用概率为6.9%。关于直升机的不可使用概率目前没有严格的定量判定依据。一般将直升机的不可使用概率控制在10%以内，则认为高温烟气的设置是较为合理的。此外，参考表3数据在对该平台直升机起降进行管理时，也可以根据风向和风速的影响，提前告知直升机操作员可能存在的温度升高情况，便于直升机驾驶员提前进行预判和操作，避免出现直升机失控事件。

图3 海上某平台在不同风向及风速下高温烟气导致温度升高超过环境温度2 ℃的包络面分布Fig.3 The isosurface of 2 ℃ temperature rises over the environment temperature in the conditions of different wind directions and wind velocities

另外，通过对16个风向不同风速的烟气模拟，提取该平台直升机甲板上方垂直方向速度的标准方差超过1.75 m/s[6]的范围，分析湍流是否影响直升机甲板上方35 m的范围，结果表明湍流动能的影响非常小，其原因主要是平台直升机甲板高度范围内没有其他设备，流场受扰动比较小。

2.2 有害气体成分对平台人员影响

从该平台电站及压缩机排烟数据(表1)可以看出，对人员可能产生影响的气体组分主要有NOx、CO、CO2及碳氢化合物等。结合上述烟气扩散结果及《GBZ 2.1—2007 工作场所有害因素职业接触限值 第1部分：化学有害因素》标准中的规定“烟气扩散有害气体分析以短时间为评判依据，以NOx为例，其接触限值为10 mg/m3”[8]，分析NOx的浓度分布以及对平台人员的危害。通过对16个风向、不同风速的模拟分析，得出该平台NOx超标的风频统计如表4所示(黄色标注部分代表NOx有影响，红色标注部分代表NOx影响严重)以及不同风向、不同风速下NOx浓度分布(图4～7)。

可以看出：在W风向下，由于平台的阻挡作用，会在平台东侧产生涡流，导致烟气被反吹向生活楼。在风速小于9 m/s时这种涡流效应更加明显，NOx会在涡流作用下进入平台范围(图4a)；但随着风速的增加，其影响逐渐减弱。当风速超过11 m/s时，风速的影响占主导作用，烟气被吹离平台(图4b)。

表4 海上某平台 NOx超标统计数据Table 4 The statistics of excessive NOx in one offshore platform

注：风速单位为m/s。

图4 海上某平台W风向,9、11 m/s风速下NOx浓度为10 mg/m3的包络面分布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

图5 海上某平台E风向，7、1 m/s风速下NOx浓度为10 mg/m3的包络面分布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

图7 海上某平台S、SSW风向，1 m/s 风速下NOx浓度为10 mg/m3的包络面分布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风向下,其情况与W风向下类似，即由于平台阻挡作用会在平台西侧产生涡流，导致烟气反吹向平台西侧工艺区，造成平台西侧NOx超标。当风速大于7 m/s时，烟气扩散以风速影响为主，烟气被吹离平台(图5a)，随着风速的降低，涡流的影响逐渐占据主导作用，当风速减弱至1 m/s时，NOx对平台的影响比较严重(图5b)。

N风向下，透平机组排烟被吹离平台，对平台不会产生影响。但当风速超过7 m/s时压缩机排烟直接吹向吊机位置，可能存在驾驶室NOx超标的情况(图6a)。随着风速的降低，烟气受高温影响呈现明显的上浮特性，压缩机排烟不会影响平台范围(图6b)。

S以及SSW风向下，烟气受高温及风速的双重影响，在约1 m/s微小风速时，含NOx的烟气集聚进入平台范围(图7)。ESE、WSW、NW、SW、SE、SSE等风向下亦有相似的结论。

从分析结论来看，排烟设计方案优化后NOx的影响仍旧存在，但结合风频统计情况，年影响比较严重的概率仅为5.2%。同时，由于NOx超标浓度会覆盖中控室、生活楼等人员密集区域，通过提取中控室的NOx浓度，发现最大超标量为184.46 mg/m3，出现在W风向小风速工况下，因此还须考虑缓解措施，以消除NOx的影响。

3 缓解措施探讨

3.1 缓解高温烟气对直升机影响的措施

1) 改变排烟位置或排烟方向。通过大量的模拟分析以及对现场改造情况的调研，改变排烟位置或排烟方向的措施对于排烟管在上层布置的效果相对较好。因为排烟口所排放的烟气具有一定的速度，同时高温烟气具有上浮的特性，烟气不会进入到平台范围内。因此上层甲板的排烟方向选择向上排放要比横排及向下排放更具有优势。而对于排烟设备布置在中层甲板或下层甲板的情况，从优化设计的验证分析结果来看，可在一定程度上减小高温烟气的危害，但由于烟气靠近平台，且烟羽在温度影响下上浮，同时平台对流场的阻碍作用而导致流场产生涡旋，因此这种方式并不能完全消除烟气的影响。

2) 延长排烟管，使排放出的烟气尽量远离平台。这种措施在一定程度上可以减少高温烟气的影响，但过分延长烟管会影响机组背压，导致机组出力降低，不能满足用电需求。此外，伸出平台舷外的烟管在支撑结构上难以操作，对靠船也会有一定的影响。

3) 水喷淋。通过在排烟口增加水喷淋的方式来降低烟气的温度，吸收其中水溶性的有害气体成分，对烟气的扩散也有一定减弱作用[9]。但在经改造增加水喷淋的平台上发现，喷淋口在高温下易出现海水结晶问题，造成喷淋口堵塞，而喷淋口一般都是在排烟口附近，处于舷外，维护保养非常困难。此外，水喷淋的水直接排向大海，会导致烟气中含有的油污成分也随之排向海面，造成海面环境污染。因此，除非在特殊情况下，一般不建议采用水喷淋的方法来降低烟气危害。

4) 设置不同排烟方向。根据环境风向以及烟气排放的特点，设置2个排烟方向，从而根据不同的环境风向，适时调节排烟的方向，以保证烟气不会影响平台范围。这种措施能较有效地减弱高温烟气对平台的影响，但须在设计初期结合平台总体布置，合理规划排烟布置和方向。

3.2 缓解有害气体成分对平台人员危害的措施

消除烟气中有害气体成分最根本的途径就是控制源头，即通过增加燃料气处理装置，把燃烧产物为有毒有害气体的成分提前进行处理，以保证烟气不会对平台生活楼及人员产生危害。但增加燃料气处理装置会增加项目投资，因此需要综合分析有害气体成分的危害程度以及其他优化排烟布置的效果。此外，如果烟气仅导致部分电气机房或生活楼的有害气体超标，且全年影响的概率又比较小，可以考虑在受影响的房间增加有害气体吸附装置，以达到消除有害气体危害的目的。

4 结论及建议

1) 模拟分析表明，除排烟管布置在上层甲板直接上排的方式外，无法直接判断影响风向与风速，在平台的阻挡作用下流场形成的涡旋经常会将烟气反吹向平台，因此海上平台排烟设计方案优化中对风向与风速的选择应是根据模拟分析结果和烟气扩散趋势进行逐一排除。

2) 有害气体组分的浓度分布会对平台中控室等电器房间、生活楼、甲板上的人员产生危害，因此应根据法规要求的接触限值进行分析，并结合影响浓度的范围、频率以及生产投资综合考虑缓解措施。

3) 缓解烟气扩散影响的措施有多种，在进行烟气分析过程中无法完全避免烟气影响时，应根据具体的排放管布置以及烟气扩散的规律，合理选取缓解措施。

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(编辑：吕欢欢)

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

刘国恒，男，工程师，2012年毕业于中国石油大学(北京)安全技术及工程专业并获硕士学位，主要从事海洋石油定量风险分析工作。地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院(邮编：100028)。E-mail：liugh6@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)01-0150-08

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.01.022

刘国恒,郝静敏,张海娟，等.海上平台高温烟气扩散危害分析及缓解措施探讨[J].中国海上油气，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