煙氣擴散對直升機甲板影響的安全定量分析研究

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，各類設備布置十分緊湊。對于設置主機的海洋平臺，為了保證鉆井設備的正常工作，需要將主機與直升機甲板布置在同一側。這就導致排煙管布置距離生活樓以及直升機甲板較近，機組排放的高溫煙氣可能會對直升機起降產生影響。以往平臺設計常用 CFE軟件對透平機組排煙擴散進行定性仿真分析評估，用于確定煙管布置的合理性，但是缺少高溫煙氣對直升機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性。本文在 CFE模擬基礎上，首次對煙氣影響進行數據量化，并第一次完成渤海直升機起降控制表編制，可以直接指導后續(xù)直升機安全運行，同時對后續(xù)平臺設計方案有借鑒意義。

1 分析目標

應用 CFD仿真技術，以 CAP 437《直升機甲板安全規(guī)定》作為主要參考標準[1-3]，通過模擬透平機組排煙的擴散情況，評估溫升所導致的直升機甲板起落環(huán)境風險。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向風速限制條件；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，國內沒有針對煙氣擴散對直升機起降影響的分析判定標準，故參考國外相關評判標準，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。”

直升機甲板上方的分析區(qū)域與直升機尺寸有關。依據 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，主要參數見表1。

表1 直升機類型及標準尺寸參考表Tab.1 Type and standard size of helicopter

1.2 渤海海域適應性的判定準則

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標準，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則:

①夏季微風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，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，當煙溫高于環(huán)境溫度 2℃時，在該外圍延伸區(qū)域內，直升機飛行人員可通過調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，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

依照渤海平臺常見設置四臺透平發(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Tab.2 Power and smoke discharge parameters

2.2 風頻數據

風頻數據見表3(數據來源為旅大 16-3/21-2項目ODP報告)。

表3 風速-風向頻率分布(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

考慮燃氣透平的進排氣口布置于平臺的南北兩側，若燃氣透平產生的煙氣向平臺兩側排放，將會影響機組的進氣要求。綜合考慮環(huán)境風向、生活樓及直升機甲板位置、上層甲板設備布置等諸多因素，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。由于平臺周圍風場主要受到大型物體的影響，建模只考慮主要結構物和大型設備的布置，小型的單元和結構對計算結果影響很小。在不影響煙氣擴散分析準確性的前提下，為便于劃分網格及計算，對平臺進行簡化處理。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行整體簡化。建模的坐標如下:上層甲板表面 Z＝0m。直升機甲板標高 Z＝15.5m，煙囪出口高度Z＝28m。

3.3 計算假設及邊界條件

參考相關研究[4-9]，設定模型計算的假設及邊界條件。

3.3.1 模擬計算假設

① 海上的大氣風速和大氣環(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，通過進行加密網格，控制局部網格尺寸為 2m，在外圍區(qū)域最大網格尺寸為5m，網格總數約為1080000個單元[11]。

3.5 計算工況的選定

選定主要影響風向為 WNW，NW，W，WSW 作為計算工況，考慮 NNW 風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。最終確定計算風向為 WNW，NW，W，WSW，NNW，如圖 3所示。其他風向下，煙氣不會經過直升機甲板上方，因此不再考慮。

4 計算結果與分析

4.1 煙氣擴散分布初步計算

4.1.1NWW風向

在低風速 3m/s的工況下，高于環(huán)境溫度 2℃的煙羽(煙氣等溫包絡面)傾向于豎直向上排放。隨著風速的增加，煙羽高度降低，煙羽輪廓變小。結合11m/s的計算結果可知，該風速下煙溫對直升機甲板的影響范圍較大。由此判定其他風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風向

W 風向下煙羽影響范圍仍較大，分析結果與NWW風向類似，該風向的影響僅次于NWW風向。

4.1.3WSW風向

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

4.1.4NW風向

NW風向的情況與WSW風向類似。

4.1.5NNW風向

通過模擬分析可知，在該風向和 5m/s風速下，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 煙氣擴散計算結果

經過對多個計算工況計算結果的分析，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℃的煙羽已經進入距直升機甲板15m以下的空間。

4.3 受影響工況下的應對措施

在受煙氣影響工況下，如果能夠短時間內降低煙氣排放，可以有效降低對直升機甲板的影響。NW 風向下，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

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

表4 風向-風速概率分布表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，需要對照結合當地風速、風向，查表4進行對照，確認當時所處飛行環(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%)。對應的禁飛環(huán)境工況為:W和WNW風向，風速6.0m/s＜V≤18.0m/s；WSW風向下，風速8m/s＜V≤12m/s；NW 風向下，風速 8m/s＜V≤14m/s。

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

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

5 結 論

目前，國內外對于直升機起降條件不可用概率沒有量化的判定標準。本文結合實際與經驗數據，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，方便地進行飛行作業(yè)的安全調控。該成果已經開展相關專利申報工作。

在實際直升機運營過程中，平臺和直升機需要及時溝通，并根據表4所示禁飛和可操控區(qū)域的風向、風速情況，密切關注飛行過程風向、風速的變化。一旦出現(xiàn)不利的風速和風向條件，可采取對應的調整平臺機組負載、調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。