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(yè)的不斷發(fā)展，海上施工作業(yè)的安全性越來越受到人們的重視。直升機(jī)是海上作業(yè)的一種重要交通工具。由于鍋爐排放的高溫?zé)煔饽軌蛟斐芍車h(huán)境溫度的升高，使空氣相對(duì)密度減小，從而使作用于直升機(jī)旋翼的升力和拉力降低；快速的溫度變化也會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)喘振，甚至壓縮機(jī)停轉(zhuǎn)或熄火，從而使直升機(jī)操作的危險(xiǎn)性增大。因此，在直升機(jī)操作時(shí)需要避免進(jìn)入高溫?zé)煔鈪^(qū)域，或者事先預(yù)見到會(huì)出現(xiàn)比周圍環(huán)境溫度高的情況，進(jìn)而采取措施減少直升機(jī)操作的危險(xiǎn)系數(shù)[1-2]。

本文以某FPSO上鍋爐高溫?zé)煔鉃檠芯繉?duì)象，運(yùn)用 FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了其擴(kuò)散對(duì)直升機(jī)起降的影響。

1 計(jì)算模型及模擬工況

1.1 幾何模型

該 FPSO通過艏部外轉(zhuǎn)塔系泊(具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng))。左舷有1個(gè)鍋爐撬，其上安裝2臺(tái)鍋爐，鍋爐煙囪中心與直升機(jī)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(tái)的煙囪來進(jìn)行模擬。在每個(gè)煙囪的頂部有 1個(gè)橢圓形導(dǎo)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?yún)?shù)

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(huán)境溫度(35℃)和風(fēng)速，同時(shí)入口處設(shè)定湍流計(jì)算參數(shù)。該FPSO所處海域風(fēng)速分布情況如表1所示。本文分別選擇以下幾個(gè)風(fēng)速進(jìn)行模擬：2、2.5、8、14m/s。

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

表1 風(fēng)速概率統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Distribution of wind velocity frequency

1.2.2 煙氣入口邊界條件

煙氣采用質(zhì)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(shè)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(shù)等。

2 判定標(biāo)準(zhǔn)

鑒于國內(nèi)目前沒有針對(duì)煙氣擴(kuò)散對(duì)直升機(jī)起降影響的分析判定標(biāo)準(zhǔn)，故參考國外相關(guān)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，如英國CAA(Civil Aviation Authority)的CAP 437的規(guī)定：在直升機(jī)起降的區(qū)域，溫度升高的最大值不能超過2℃。該區(qū)域所需要的高度應(yīng)滿足9.144m加上輪子到旋翼的高度，再加上一個(gè)旋翼的直徑[3-4]。該FPSO選用的直升機(jī)型號(hào)為超級(jí)美洲豹AS332L2。經(jīng)計(jì)算，該直升機(jī)起降所需高度約為 30m，即 37℃煙氣包絡(luò)面(大氣環(huán)境溫度為 35℃)與直升機(jī)甲板間的距離至少要30m。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

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

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

由以上模擬結(jié)果可知：①風(fēng)速為 2、2.5m/s時(shí)，高溫?zé)煔庀蛏戏綌U(kuò)散，并未侵入到直升機(jī)起降區(qū)域內(nèi)，37℃煙氣包絡(luò)面與直升機(jī)甲板間距離大于30m，滿足規(guī)范要求。②風(fēng)速為 8、14m/s時(shí)，37℃煙氣包絡(luò)面與直升機(jī)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(jī)甲板中心在船中方向相差10m)，加之煙囪出口處導(dǎo)流板的存在，該包絡(luò)面位于左舷，并未侵入直升機(jī)甲板上方，故不會(huì)對(duì)起降產(chǎn)生影響。③當(dāng)風(fēng)速介于 2.5～8m/s之間時(shí)，37℃煙氣包絡(luò)面會(huì)侵入直升機(jī)起降區(qū)域內(nèi)，將影響直升機(jī)起降操作。

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

4 結(jié) 論

隨著大氣風(fēng)速的增大，高溫?zé)煔鈹U(kuò)散高度逐漸降低、擴(kuò)散區(qū)域逐漸變小。鑒于目前這種設(shè)計(jì)方案，風(fēng)速介于2.5～8m/s之間時(shí)，鍋爐煙氣會(huì)影響直升機(jī)起降，因此需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

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