FPSO鍋爐煙氣對直升機起降的影響分析

李金英

(瀚辰海洋科技(天津)有限公司 天津300457)

隨著海洋石油行業的不斷發展，海上施工作業的安全性越來越受到人們的重視。直升機是海上作業的一種重要交通工具。由于鍋爐排放的高溫煙氣能夠造成周圍環境溫度的升高，使空氣相對密度減小，從而使作用于直升機旋翼的升力和拉力降低；快速的溫度變化也會導致發動機喘振，甚至壓縮機停轉或熄火，從而使直升機操作的危險性增大。因此，在直升機操作時需要避免進入高溫煙氣區域，或者事先預見到會出現比周圍環境溫度高的情況，進而采取措施減少直升機操作的危險系數[1-2]。

本文以某FPSO上鍋爐高溫煙氣為研究對象，運用 FLUENT軟件進行數值模擬，分析了其擴散對直升機起降的影響。

1 計算模型及模擬工況

1.1 幾何模型

該 FPSO通過艏部外轉塔系泊(具有風向標效應)。左舷有1個鍋爐撬，其上安裝2臺鍋爐，鍋爐煙囪中心與直升機甲板中心在船中方向相差 10m。由于該鍋爐為一用一備，本文只選取其中1臺的煙囪來進行模擬。在每個煙囪的頂部有 1個橢圓形導流板，與水平面成 45°夾角，以使煙氣朝舷外排放，如圖1所示。

1.2 邊界條件及輸入參數

1.2.1 大氣入口邊界條件

大氣采用速度入口邊界條件，輸入大氣環境溫度(35℃)和風速，同時入口處設定湍流計算參數。該FPSO所處海域風速分布情況如表1所示。本文分別選擇以下幾個風速進行模擬：2、2.5、8、14m/s。

圖1 鍋爐撬側視圖(朝船尾看)Fig.1 Section view of boiler skid(looking aft)

表1 風速概率統計表Tab.1 Distribution of wind velocity frequency

1.2.2 煙氣入口邊界條件

煙氣采用質量流量入口邊界條件；鍋爐煙氣排量為36.839kg/s，溫度為455℃，煙氣組分見表2。

表2 煙氣組分表Tab.2 Exhaust gas composition

1.2.3 出口邊界條件

選擇壓力出口邊界條件，壓力設定為常壓。

1.2.4 壁面邊界條件

煙囪壁面為無滑移光滑壁面，給定煙囪壁面密度、傳熱系數等。

2 判定標準

鑒于國內目前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的規定：在直升機起降的區域，溫度升高的最大值不能超過2℃。該區域所需要的高度應滿足9.144m加上輪子到旋翼的高度，再加上一個旋翼的直徑[3-4]。該FPSO選用的直升機型號為超級美洲豹AS332L2。經計算，該直升機起降所需高度約為 30m，即 37℃煙氣包絡面(大氣環境溫度為 35℃)與直升機甲板間的距離至少要30m。

3 計算結果與分析

圖2給出了鍋爐煙氣37℃包絡面在各風速下的分布情況。該包絡面與直升機甲板間的距離如表3所示。

圖2 不同風速下鍋爐煙氣37 ℃包絡面分布情況Fig.2 37℃isothermal surface profile under different wind velocities

由以上模擬結果可知：①風速為 2、2.5m/s時，高溫煙氣向上方擴散，并未侵入到直升機起降區域內，37℃煙氣包絡面與直升機甲板間距離大于30m，滿足規范要求。②風速為 8、14m/s時，37℃煙氣包絡面與直升機甲板間距離小于 30m，但由于鍋爐位于左舷(煙囪中心與直升機甲板中心在船中方向相差10m)，加之煙囪出口處導流板的存在，該包絡面位于左舷，并未侵入直升機甲板上方，故不會對起降產生影響。③當風速介于 2.5～8m/s之間時，37℃煙氣包絡面會侵入直升機起降區域內，將影響直升機起降操作。

表3 37℃煙氣包絡面與直升機甲板間距離Tab.3 Dispersion distances between 37℃ isothermal surface and helideck

4 結 論

隨著大氣風速的增大，高溫煙氣擴散高度逐漸降低、擴散區域逐漸變小。鑒于目前這種設計方案，風速介于2.5～8m/s之間時，鍋爐煙氣會影響直升機起降，因此需要對設計方案進行改進優化。

①加大直升機甲板與煙囪出口之間的高度差，即可以適當增加鍋爐煙囪高度和(或)降低直升機甲板高度。②將煙氣引導至直升機起降區域外，即避開直升機甲板上方空間。因為風速介于 2.5～8m/s之間時，從俯視圖上看，37℃煙氣包絡面侵入直升機起降區域的范圍不大，可通過加大排煙口與直升機甲板間沿船寬方向的距離來實現，比如將直升機甲板盡量往右舷偏移，同時(或者)將鍋爐橇盡量往左舷移動，使煙氣擴散范圍遠離直升機甲板上方空間。