FPSO锅炉烟气对直升机起降的影响分析

李金英

(瀚辰海洋科技(天津)有限公司 天津300457)

随着海洋石油行业的不断发展，海上施工作业的安全性越来越受到人们的重视。直升机是海上作业的一种重要交通工具。由于锅炉排放的高温烟气能够造成周围环境温度的升高，使空气相对密度减小，从而使作用于直升机旋翼的升力和拉力降低；快速的温度变化也会导致发动机喘振，甚至压缩机停转或熄火，从而使直升机操作的危险性增大。因此，在直升机操作时需要避免进入高温烟气区域，或者事先预见到会出现比周围环境温度高的情况，进而采取措施减少直升机操作的危险系数[1-2]。

本文以某FPSO上锅炉高温烟气为研究对象，运用 FLUENT软件进行数值模拟，分析了其扩散对直升机起降的影响。

1 计算模型及模拟工况

1.1 几何模型

该 FPSO通过艏部外转塔系泊(具有风向标效应)。左舷有1个锅炉撬，其上安装2台锅炉，锅炉烟囱中心与直升机甲板中心在船中方向相差 10m。由于该锅炉为一用一备，本文只选取其中1台的烟囱来进行模拟。在每个烟囱的顶部有 1个椭圆形导流板，与水平面成 45°夹角，以使烟气朝舷外排放，如图1所示。

1.2 边界条件及输入参数

1.2.1 大气入口边界条件

大气采用速度入口边界条件，输入大气环境温度(35℃)和风速，同时入口处设定湍流计算参数。该FPSO所处海域风速分布情况如表1所示。本文分别选择以下几个风速进行模拟：2、2.5、8、14m/s。

图1 锅炉撬侧视图(朝船尾看)Fig.1 Section view of boiler skid(looking aft)

表1 风速概率统计表Tab.1 Distribution of wind velocity frequency

1.2.2 烟气入口边界条件

烟气采用质量流量入口边界条件；锅炉烟气排量为36.839kg/s，温度为455℃，烟气组分见表2。

表2 烟气组分表Tab.2 Exhaust gas composition

1.2.3 出口边界条件

选择压力出口边界条件，压力设定为常压。

1.2.4 壁面边界条件

烟囱壁面为无滑移光滑壁面，给定烟囱壁面密度、传热系数等。

2 判定标准

鉴于国内目前没有针对烟气扩散对直升机起降影响的分析判定标准，故参考国外相关评判标准，如英国CAA(Civil Aviation Authority)的CAP 437的规定：在直升机起降的区域，温度升高的最大值不能超过2℃。该区域所需要的高度应满足9.144m加上轮子到旋翼的高度，再加上一个旋翼的直径[3-4]。该FPSO选用的直升机型号为超级美洲豹AS332L2。经计算，该直升机起降所需高度约为 30m，即 37℃烟气包络面(大气环境温度为 35℃)与直升机甲板间的距离至少要30m。

3 计算结果与分析

图2给出了锅炉烟气37℃包络面在各风速下的分布情况。该包络面与直升机甲板间的距离如表3所示。

图2 不同风速下锅炉烟气37 ℃包络面分布情况Fig.2 37℃isothermal surface profile under different wind velocities

由以上模拟结果可知：①风速为 2、2.5m/s时，高温烟气向上方扩散，并未侵入到直升机起降区域内，37℃烟气包络面与直升机甲板间距离大于30m，满足规范要求。②风速为 8、14m/s时，37℃烟气包络面与直升机甲板间距离小于 30m，但由于锅炉位于左舷(烟囱中心与直升机甲板中心在船中方向相差10m)，加之烟囱出口处导流板的存在，该包络面位于左舷，并未侵入直升机甲板上方，故不会对起降产生影响。③当风速介于 2.5～8m/s之间时，37℃烟气包络面会侵入直升机起降区域内，将影响直升机起降操作。

表3 37℃烟气包络面与直升机甲板间距离Tab.3 Dispersion distances between 37℃ isothermal surface and helideck

4 结 论

随着大气风速的增大，高温烟气扩散高度逐渐降低、扩散区域逐渐变小。鉴于目前这种设计方案，风速介于2.5～8m/s之间时，锅炉烟气会影响直升机起降，因此需要对设计方案进行改进优化。

①加大直升机甲板与烟囱出口之间的高度差，即可以适当增加锅炉烟囱高度和(或)降低直升机甲板高度。②将烟气引导至直升机起降区域外，即避开直升机甲板上方空间。因为风速介于 2.5～8m/s之间时，从俯视图上看，37℃烟气包络面侵入直升机起降区域的范围不大，可通过加大排烟口与直升机甲板间沿船宽方向的距离来实现，比如将直升机甲板尽量往右舷偏移，同时(或者)将锅炉橇尽量往左舷移动，使烟气扩散范围远离直升机甲板上方空间。