某海外項(xiàng)目應(yīng)急機(jī)排煙擴(kuò)散對直升機(jī)起降影響分析

王亞瑩，李東芳，高鵬

（海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計公司，天津 300451）

海上油（氣）田工程項(xiàng)目中有燃?xì)馔钙健㈠仩t和應(yīng)急機(jī)等排煙設(shè)備與直升飛機(jī)甲板共存時，海洋平臺上排煙設(shè)備排放的高溫?zé)煔鈺χ鄙w機(jī)的起降造成影響。尤其是海洋平臺上主機(jī)電站、燃?xì)馔钙揭约板仩t等排煙設(shè)備排放的高溫?zé)煔猓爸車笮蜋C(jī)械設(shè)備的布置對直升飛機(jī)安全起飛和降落存在潛在的危害。因此，在海洋平臺前期設(shè)計中，需要對海洋平臺上直升飛機(jī)甲板的布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使其滿足海洋平臺在正常施工作業(yè)時的安全性以及可靠性。目前國內(nèi)外海洋平臺直升機(jī)甲板周圍流場及溫度場的研究方法主要采用CFD進(jìn)行模擬研究，這已經(jīng)成為國內(nèi)外海洋平臺煙氣擴(kuò)散對直升機(jī)起落影響研究的主要手段[1-4]。

1 國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

關(guān)于海洋平臺上直升飛機(jī)甲板設(shè)計的研究，國內(nèi)外的安全管理當(dāng)局和第三方科研/咨詢機(jī)構(gòu)開展了大量的研究和驗(yàn)證工作。目前，中國、英國、挪威和美國等在直升飛機(jī)作業(yè)安全方面都制定了相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

從表1可以看出，中國、美國的標(biāo)準(zhǔn)并沒有給出具體量化指標(biāo)，而挪威制定的標(biāo)準(zhǔn)只對直升機(jī)甲板周圍溫度提出了量化指標(biāo)，只有英國的標(biāo)準(zhǔn) CAP 437對環(huán)境條件給出了判定標(biāo)準(zhǔn)，同時給出湍流流場及溫度的量化指標(biāo)，并制定了與CAP 437相輔相成的相關(guān)推薦做法，如 CAA PAPER 99004、CAA PAPER 2004/03、CAA PAPER 2008/03[9-11]等。CAP 437 作為分析直升飛機(jī)起落安全評估比較權(quán)威性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對直升飛機(jī)甲板周圍的湍流流場及高溫氣流進(jìn)行條件限定，在國內(nèi)外項(xiàng)目得到了廣泛的推廣應(yīng)用。本項(xiàng)目為某一中東海外海上平臺項(xiàng)目，根據(jù)業(yè)主要求同樣采用CAP 437標(biāo)準(zhǔn)對直升機(jī)甲板進(jìn)行量化分析，同時采用CFD軟件對直升機(jī)起落進(jìn)行模擬研究。

表1 各國對直升機(jī)起降的標(biāo)準(zhǔn)要求

通過上述分析，針對直升機(jī)甲板模擬分析的標(biāo)準(zhǔn)，以CAP 437為準(zhǔn)，主要評估檢查了以下兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，用以評估直升機(jī)在直升機(jī)甲板起降的潛在風(fēng)險，主要量化指標(biāo)為：在直升機(jī)起降區(qū)域附近，3 s內(nèi)的最高溫升不得超過 2 ℃；垂直湍流（垂直氣流速度與平均垂直速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差）不得超過1.75 m/s。

2 基礎(chǔ)輸入條件

2.1 數(shù)值模型

煙氣擴(kuò)散模擬屬于典型的高溫?zé)o化學(xué)組分傳熱過程，同時包含空氣及強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動。根據(jù)此特點(diǎn)，建立氣體多組分熱傳輸及湍流模型。在模型求解過程中，包含連續(xù)性方程、動量方程、能量守恒方程。采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型用于研究煙氣及空調(diào)排氣對直升機(jī)起降的影響，該模型為工業(yè)流場主要應(yīng)用模型，適合高大空間內(nèi)的擴(kuò)散問題，公式為[12]：

式中：ηt=cuρk2/ε，cu=cu′cD。

方程引入了三個系數(shù)c1、c2、cu和三個常數(shù)σk、σε、σT，這 6個經(jīng)驗(yàn)常數(shù)一般分別取為 1.44、1.92、0.09 和 1.0、1.3、0.9～1.0。

2.2 空間布置

圖1顯示了直升機(jī)甲板在平臺上的位置，以及備用柴油應(yīng)急發(fā)電機(jī)的排氣位置，HVAC冷凝單元的風(fēng)扇出口。值得注意的是，備用柴油發(fā)電機(jī)的排氣位置可根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，圖 1位置為初步規(guī)劃位置，需評此估方案的可行性。

圖1 直升機(jī)甲板及熱源位置

2.3 幾何尺寸

直升機(jī)甲板區(qū)域空間的評估高度以“30英尺加上輪子到螺旋槳的高度加上一個螺旋槳的直徑”[6]。本海洋平臺根據(jù)業(yè)主要求，采用阿古斯塔·韋斯特蘭AW139直升機(jī)（如圖2所示），計算出直升機(jī)甲板進(jìn)行評估的空間高度為高于直升機(jī)坪26.98 m，見表2，直升機(jī)甲板的模擬評估飛行空間詳見圖3。

圖2 阿古斯塔·韋斯特蘭AW139直升機(jī)幾何模型

表2 直升機(jī)甲板評估的高度計算

2.4 模擬條件分析

風(fēng)玫瑰數(shù)據(jù)見表3，本研究采用的環(huán)境溫度為最大設(shè)計空氣溫度（50 ℃）。采用較高的環(huán)境溫度是為了保持研究結(jié)果的保守性，保證直升機(jī)飛行的安全性。因?yàn)榄h(huán)境溫度越高，空氣浮力越大，湍流越嚴(yán)重。若溫度差異較小，則限制熱羽流垂直方向的擴(kuò)散。備用柴油應(yīng)急機(jī)排氣和集中空調(diào)冷凝單元風(fēng)機(jī)出口數(shù)據(jù)見表4。

圖3 直升機(jī)飛行區(qū)域

表3 基于地理正北的風(fēng)速和風(fēng)向百分占比 %

表4 冷、熱源輸入條件

3 模擬結(jié)果

選取三個代表風(fēng)速（基于表3中的風(fēng)玫瑰數(shù)據(jù)）2、5、10 m/s，對直升機(jī)甲板熱擴(kuò)散進(jìn)行模擬研究，湍流模擬是根據(jù)表 3的風(fēng)玫瑰數(shù)據(jù)中所述的風(fēng)況進(jìn)行的。

3.1 湍流評估結(jié)果

垂直湍流的標(biāo)準(zhǔn)差（SD）是指在直升機(jī)飛行區(qū)域內(nèi)，垂直方向氣流速度與平均垂直氣流方向速度的差值。按照CAP437規(guī)定，直升機(jī)甲板空域內(nèi)垂直氣流速度的標(biāo)準(zhǔn)差（SD）不得超過1.75 m/s。直升機(jī)甲板空域內(nèi)監(jiān)測的垂直氣流速度標(biāo)準(zhǔn)差（SD）見表5。對風(fēng)概率小于0.01%的情況，認(rèn)為概率極低，不會發(fā)生，所以此湍流模擬并沒有針對風(fēng)概率小于0.01%的情況。

表5 基于平臺北的垂直氣流速度SD（VSD）和風(fēng)概率

從表5可觀察到，最大的標(biāo)準(zhǔn)差為0.5725 m/s，此時風(fēng)向?yàn)槠脚_東北風(fēng)（NE）。垂直氣流速度標(biāo)準(zhǔn)差如圖 4所示，可以看到，并沒有任何標(biāo)準(zhǔn)偏差超過CAP 437標(biāo)準(zhǔn)所要求的1.75 m/s的規(guī)定上限。因此，可以判斷并沒有因?yàn)橥牧饔绊懚鵁o法使用直升機(jī)甲板，影響直升機(jī)的起降。

圖4 垂直氣流速度標(biāo)準(zhǔn)差

3.2 熱擴(kuò)散評估結(jié)果

本次研究主要考慮的熱源有：應(yīng)急機(jī)排煙尾氣、空調(diào)冷凝單元的風(fēng)機(jī)出口氣流。判定標(biāo)準(zhǔn)是在直升機(jī)起升空間平均3 s時間間隔內(nèi)的最大溫升不能超過環(huán)境溫度2 ℃。

應(yīng)急機(jī)排煙在不同風(fēng)速下超過環(huán)境溫度 2 ℃情況如圖5所示?？梢钥闯?，較高的風(fēng)速會使熱量擴(kuò)散得更快，使排氣熱流中的溫度稀釋得較快，所以，熱量傳輸?shù)木嚯x更近；而風(fēng)速較低時，熱量擴(kuò)散慢，使排氣熱流中的溫度稀釋得較慢，所以，熱量傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)。從模擬結(jié)果看出，備用柴油應(yīng)急機(jī)排煙溫度超過環(huán)境溫度 2 ℃的排氣煙氣對直升機(jī)甲板領(lǐng)空沒有影響，從而判斷備用柴油發(fā)電機(jī)排氣的現(xiàn)有位置被認(rèn)為是合適的。

圖5 應(yīng)急機(jī)排煙在不同風(fēng)速下超過環(huán)境溫度2 ℃情況

空調(diào)冷凝單元排氣在不同風(fēng)速下超過環(huán)境溫度2 ℃情況如圖6所示?？梢钥闯?，空氣從空調(diào)壓縮冷凝機(jī)組風(fēng)機(jī)出口排除，向著直升機(jī)甲板移動，但由于熱量的擴(kuò)散的，氣流溫度變化逐漸減小，最后與環(huán)境溫度差值越來越小，最終低于2 ℃。從而判斷冷凝機(jī)組風(fēng)機(jī)排出的空氣對直升機(jī)甲板領(lǐng)空沒有影響，現(xiàn)有風(fēng)機(jī)排風(fēng)口是合理的。

圖6 空調(diào)排氣在不同風(fēng)速下超過環(huán)境溫度2 ℃情況

4 結(jié)論

文中參考 CAP 437針對直升機(jī)起落空間的兩種驗(yàn)證指標(biāo)進(jìn)行模擬分析評估，根據(jù)模擬結(jié)果分析，CAP437要求的兩種衡量標(biāo)準(zhǔn)對本平臺的直升機(jī)起降均無影響，主要結(jié)果如下：

1）垂直氣流速度的最大標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為0.5725 m/s，小于標(biāo)準(zhǔn)要求的1.75 m/s。

2）不同風(fēng)速情況下，通過對從應(yīng)急機(jī)排煙口及冷凝機(jī)組風(fēng)機(jī)出風(fēng)口出來的氣流進(jìn)行模擬分析，確認(rèn)在直升機(jī)起落區(qū)域內(nèi)不存在超過環(huán)境2 ℃的區(qū)域。

根據(jù)上述兩條結(jié)論評估，確認(rèn)本平臺布置的備用柴油應(yīng)急機(jī)排煙口，及冷凝機(jī)組風(fēng)機(jī)出口的位置布置合理，對直升機(jī)的起降不存在風(fēng)險，直升機(jī)甲板可一直使用。