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海上直升机甲板降低烟气扩散影响的工程优化措施分析

更新时间:2009-03-28

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在海上油气田开发领域,海上固定平台或海上浮式生产设施的透平电站和热站等排烟设备排放的高温烟气,对海上人员的生活、施工作业及直升机起降等方面均有较大影响。在工程设计前期,这一问题逐步受到重视。国内对于该问题的重视起源于荔湾3-1气田中心平台建设时遇到的直升机甲板受烟气扩散严重影响的工程问题[1]

近两年来,涉及透平机组及热站的国内海上开发项目,基本都开展了烟气扩散对直升机安全起降影响的评估[2-3]。在开展数值分析评估的过程中,发现中国部分海域海上项目的风向风速概率分布较分散,经常遇到直升机飞行年不可用概率较高的情况。因此,如何对直升机甲板的布置进行有效的工程优化成为了关键问题。

荔湾3-1项目针对直升机甲板受烟气扩散的影响进行了深入研究,并尝试了多种工程设计优化,将直升机飞行年不可用概率降低到可接受的范围内。本文旨在介绍荔湾3-1项目在工程设计阶段的优化措施,并进行可行性分析,为其他项目直升机飞行年不可用概率较高情况下的工程优化提供参考。

1 工程优化措施分析

为满足深水区开发规模的处理能力,荔湾3-1项目中心处理平台(CEP平台)是目前国内海上油气处理规模最大的一个单体工程。该平台上层甲板布置有透平发电机和透平驱动离心压缩机,总共15台机组。平台的生活楼及直升机甲板也布置于上层甲板。上层甲板布置如图1所示。图中编号为排烟管编号。

  

图1 上层甲板布置图Fig.1 Layout of the upper deck

在有限的同层甲板区域内,透平排烟对直升机起降的影响是不可避免的[4]。将透平排烟的影响尽可能降到最低,是该项目进行海上直升机甲板受烟气扩散影响定量分析评估的最终目标,而对直升机甲板方案进行工程优化是保证分析评估工作顺利开展的关键环节。根据CAA Paper 2008/03提出的推荐做法[4],这里将针对该问题做出的工程优化措施进行深入分析。

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进行烟气扩散影响定量分析的一般过程为: 首先通过数值模拟分析直升机甲板上部烟温和湍流的情况,然后将不符合CAP 437标准[5]的计算结果体现在项目所给的风向及风速联合分布概率表中,最终得到某布置方案的直升机飞行年不可用概率。通过直升机年不可用概率来判定方案的可行性[1]

1.1 增加排烟口与直升机甲板间水平间距

1.1.1 调整直升机甲板水平位置

调整排烟口水平位置,将排烟管最大限度地引离直升机甲板,也就是将紧邻生活楼三台主机的烟囱引至离直升机甲板尽量远处。由于上层甲板布置紧凑,烟管只能引至MRU模块上部。具体方案(方案B)如图4所示。分析表明,当排烟管引至距透平机组15m时,相对方案A,排烟对直升机甲板的影响风向减少一个WSW,如图5所示,影响概率(直升机飞行年不可用概率)降为4.67%。

保证农产品质量安全是农产品质量安全预警的主要目的。农产品检测预警法的主要检测对象是农产品,预警指标为生物性危害物和化学性危害物等,通过标准数据库,针对每个目标界定不同的预警指标,并以此为中心建构不同目标的农产品质量安全预警表,基于此来开展农产品预警分析。

  

图2 直升机甲板布置方案AFig.2 Helideck layout A

  

图3 风向图AFig.3 Wind pattern A

从表3可以看出,模型的F值为5.48,表明该模型显著,P值为0.078,表明模型因素水平项显著。该模型的R12=0.9080,Radj2=0.7424,表明实验方法可靠,各因素之间设计合理,可用该回归模型代替实验点来优化工艺参数。

调整直升机甲板水平位置的做法是将直升机甲板布置于平台东北角,并尽可能向平台外部延伸。具体方案(方案A)如图2所示。该方案不仅增加了结构设计的难度,而且要求直升机甲板采用轻型结构设计,尽量减少结构支撑的重量。使用轻型结构钢材,将导致工程费用增加。同时,如图3所示,分析排烟对直升机甲板的影响,排烟对直升机甲板的影响风向为W,WSW,WNW,NW,总的影响概率(直升机飞行年不可用概率)为8.01%。

1.1.2 调整排烟口水平位置

  

图4 直升机甲板布置方案BFig.4 Helideck layout B

  

图5 风向图BFig.5 Wind pattern B

基于CAA Paper 2008/03的推荐做法,排烟管出口距直升机甲板要有20~30m的高差[4]。抬高排烟管出口的高度,需考虑两方面的影响: 一方面,排烟管需做结构支撑。随着烟管高度的增加,结构支撑强度需成倍增加,导致支撑重量大幅增加,对平台重控不利。另一方面,排烟管加高会增大燃气轮机的背压,尤其是对于配有余热回收装置的机组,会影响机组的运行。因此,抬升排烟口的高度并不可行。

1.2 增加排烟口与直升机甲板间相对高度

1.2.1 降低直升机甲板高度

  

图6 降低直升机甲板高度示意图Fig.6 Schematic of lowering the helideck

1.2.2 抬升排烟口的高度

直升机甲板仍布置在生活楼顶部,将五层的生活楼分成高度各为三层的生活楼A和生活楼B两部分,如图8所示。该方案显著降低了直升机甲板的高度,达到增加直升机甲板与烟囱顶端之间相对高差的目的。

  

图7 降低直升机甲板高度后的烟气扩散分析图Fig.7 Smoke diffusion analysis with the helideck lowered

该方案直升机甲板的布置如图6所示,将直升机甲板高度从生活楼顶部下移到上层甲板。此方案降低直升机甲板的高度,增加了排烟口与直升机甲板间的相对高差。但由于直升机甲板远低于周围高大设备和生活楼,当直升机甲板位于高大设备或生活楼下风向时,其后方易形成较强烈的湍流。根据CAP 437,湍流对直升机甲板影响的限定条件为: 在直升机起飞和降落区域内,竖直方向速度的标准方差不能超过1.75m/s[5]

但该方案在烟管布置上存在较大的问题。由图4可知,该方案对于预留机组烟管(图1中编号15)做水平延伸,工程设计施工存在较大的困难。同时,烟囱水平延伸布置及烟管支撑会增重约95t,这对平台重控极为不利。

1.2.3 降低生活楼的高度

通过数值模拟分析,得到直升机甲板区域的烟气扩散速度分布矢量图,如图7所示。直升机甲板上方的湍动能的接受标准为不超过4.59m2/s2。经计算得出该方案直升机甲板上方的最大实际湍动能可达到8.46m2/s2,超出规范的要求值。由于在几乎50%的方向都受到影响,该方案的不可用概率非常高,不能满足直升机起降要求。

冻融对黄土的影响也反映在含水率方面,研究含水率的影响机理发现,含水率的高低对水分迁移率的影响以正比例形式展现,迁移率随其升高而加大。这一发现充分证明,含水率的高低决定了冻融作用影响程度。

  

图8 优化后的直升机甲板布置方案Fig.8 Optimized helideck layout

通过数值模拟可计算出该方案的直升机年不可用概率为2.8%[1]。通过计算可以证实降低生活楼高度的优化措施可行,并最终确定透平排烟管与直升机甲板之间的相对高度差为14.5m。

综上分析,单纯地依靠增加排烟管与直升机甲板水平间距来降低排烟影响,工程实施的难度较大,并且烟管延伸及结构支撑增加的重量对于平台重控也有非常不利的影响。依靠增大排烟管与直升机甲板相对高差的做法,需权衡结构支撑强度要求及重量增加的可接受度,在适当高度范围内加高烟管;在平台布置空间允许的条件下,降低生活楼高度的方案相对较优。

可见,本文构建的注浆扩散理论模型和数值分析结果吻合较好,均合理地描述了速凝类浆液沿倾斜裂隙流动的扩散过程,表明本文构建的注浆理论模型是有效的、合理的,为深入探讨倾斜裂隙下的浆液扩散机制提供了理论基础。

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降低烟气扩散对直升机甲板的影响,主要可从增大排烟管与直升机甲板的水平间距和相对高差两个方面进行优化,最终应综合数值模拟分析评估结果来判断优化方案是否可行。根据本文的分析,通过降低生活楼高度来增加排烟口与直升机甲板之间相对高差,可以较为有效地降低平台排烟对直升机起降的影响。

所谓“传统或常规”的实验教学内容、类型或方法,因其理论成熟、科学合理、实践实战应用效果好,且具有不可替代的作用。故应不断总结、修正完善并继续坚持实施。磁性粉显现在普通纸张上的新鲜或较新鲜的汗液指印、石膏制模法提取立体足迹、模拟犯罪现场勘查等实验教学内容,经典验证性、设计性、演示性、启发性等实验教学类型或方法等均属此列。对此类传统或常规的教学内容和方法,学生在校期间若能扎实掌握并运用自如,便是具备了未来入警所需的实践、实战能力基本功。

参考文献

[1]陈欣,孙旭,李东芳,等.海上平台直升机甲板受环境条件影响的相关研究[J].中国海上油气,2012,24(1): 60.

Chen Xin, Sun Xu, Li Dong-fang, et al. Safety assessment of the environmental impact on helideck of offshore platform [J]. China Offshore Oil and Gas, 2012,24(1): 60.

[2]高华,李东芳,于国杰,等.海上直升机甲板受环境条件影响安全评估的研究综述[J].中国海洋平台,2012,27(1): 4.

Gao Hua, Li Dong-fang, Yu Guo-jie, et al. Review of risk assessment for the environmental effects on the offshore helideck [J]. China Offshore Platform, 2012,27(1): 4.

[3]高铭志.海洋平台主机烟气排放对直升机影响数值分析[J].装备环境工程,2018,15(6): 103.

Gao Ming-zhi. Numerical analysis on influences of exhaust emissions from main engine for takeoff and landing of helicopter on offshore platform [J]. Equipment Environmental Engineering, 2018,15(6): 103.

[4]UK Civil Aviation Authority. CAA Paper 2008/03. Helideck design considerations: environmental effects [S]. 2009.

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

 
陈欣,李东芳
《海洋工程装备与技术》2018年第06期文献

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