大型天然氣平臺火炬系統(tǒng)設(shè)計新思路

王彥瑞，趙喜峰，陳文峰，李豫

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

大型天然氣平臺火炬系統(tǒng)設(shè)計新思路

王彥瑞，趙喜峰，陳文峰，李豫

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

在南海某區(qū)域大型天然氣處理平臺的火炬系統(tǒng)設(shè)計中，火災(zāi)時BDV泄放為控制工況。若考慮火災(zāi)時平臺全部BDV同時泄放，泄放量將達112萬m3/h，火炬臂長度為104 m，如此長的火炬臂將對于平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計造成較大影響。為此提出采用了分層分火區(qū)延時泄放和BDV采用備用儀表氣瓶等方法，將火炬泄放能力由常規(guī)設(shè)計的112萬m3/h降低至81萬m3/h，火炬臂的長度由104 m縮短至90 m的設(shè)計思路。數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，該方案可行。

大型天然氣平臺；火炬系統(tǒng)；分層分火區(qū)延時泄放；設(shè)計

0 引言

在海上天然氣田開發(fā)過程中，通常伴隨有部分不可回收的天然氣產(chǎn)生。這些氣體是可燃、有毒或具腐蝕性的烴類氣體，如果不及時將這些氣體處理掉而直接排放至大氣中，可能會造成火災(zāi)和嚴重的污染事故。設(shè)計火炬系統(tǒng)的目的就是將天然氣平臺生產(chǎn)出來的不可回收的天然氣或者生產(chǎn)設(shè)施中泄放出來的氣體輸送至安全的位置燃燒，以確保平臺的安全[1]。

火炬泄放量是指在某種事故狀態(tài)下，所有單體設(shè)備安全泄放裝置泄放量的總和。目前，國內(nèi)外推薦的設(shè)計方法主要以API RP 521為依據(jù)，對于單體設(shè)備通常需考慮的事故工況有：堵塞、火災(zāi)、氣竄、應(yīng)急釋放、儀表氣故障等[2-3]。但在確定火炬系統(tǒng)的泄放量時，不僅要分析采用何種工況，還要考慮設(shè)備在平臺上的實際布置情況。平臺設(shè)施在甲板上的布置是按照不同的安全區(qū)域來劃分的，在考慮某系統(tǒng)或設(shè)備在某種事故狀態(tài)下的泄放量時，不僅要考慮事故系統(tǒng)或設(shè)備本身的泄放量，還要考慮與其位于同一區(qū)域內(nèi)的其他設(shè)備的影響[1]。

1 火炬泄放量計算方法

南海某平臺為南海區(qū)域中心平臺，其特點為：處理能力大、工藝設(shè)備多、操作壓力高。當全平臺的生產(chǎn)達到120億m3/a的設(shè)計工況時，外輸壓力高達22.7MPa。同時運行的設(shè)備有：4臺段塞流捕集器、3臺干濕換熱器、3臺脫水塔、4套干氣壓縮機、1臺凝析油分離器、2臺凝析油聚結(jié)濾器、1臺凝析油緩沖罐、1臺燃料氣儲罐、4條上平臺的海管和1條去陸上終端的海管。經(jīng)過事故工況比較分析計算，確定該平臺火炬泄放能力由火災(zāi)下的BDV泄放工況控制。按照常規(guī)項目設(shè)計，當遇到火災(zāi)時BDV將同時打開泄放，泄放量高達112萬m3/h，泄放速率見圖1。

圖1 全平臺BDV同時打開的泄放速率

1.1 常規(guī)計算方法

火炬臂的長度通常由輻射熱強度決定，API RP521規(guī)范中推薦的火炬輻射熱設(shè)計強度見表1。

表1 火炬輻射熱容許的設(shè)計級別

考慮到火災(zāi)下的BDV泄放為緊急工況，本項目采用輻射熱強度6.31 kW/m2作為校核條件。為了準確計算中心平臺的火炬，采用Flaresim軟件進行設(shè)計和校核。在此泄放量下計算得出：火炬長度為104 m、與平臺角度為45°時，火炬到平臺的輻射熱強度能滿足要求。

較詳細的模擬計算結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 臂長104 m火炬輻射強度圖

圖3 臂長104 m火炬3D圖

經(jīng)火炬結(jié)構(gòu)方面校核，104 m長度的火炬臂對于平臺的結(jié)構(gòu)和組塊拖航將造成較大的影響。為了盡量減輕對平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，合理降低火炬的設(shè)計能力顯得十分重要。

1.2 分層分火區(qū)延時泄放計算方法

通過參考殼牌規(guī)范分級泄壓要求，并經(jīng)過HAZOP分析及第三方ABS論證，確定采用分層分火區(qū)延時泄放[4]的方法來降低平臺的泄放量，具體步驟如下：

當探測到火災(zāi)信號后，所在火區(qū)的BDV優(yōu)先釋放，其他火區(qū)依次延時5min泄放。泄放的次序為：若上層甲板著火，依次為中層、下層泄放；若中層著火，依次為上層、下層泄放；若下層著火，依次為中層、上層泄放。若存在穿甲板或跨火區(qū)的設(shè)備（如三甘醇脫水塔和干氣壓縮機等）或同一系統(tǒng)設(shè)備分處不同火區(qū)，中間關(guān)斷閥形成分隔的，則在計算相應(yīng)的火區(qū)泄放量時也應(yīng)考慮該設(shè)備的泄放量。具體火炬泄放順序見表2。

表2 分層分火區(qū)延時泄放順序

當平臺上層甲板先著火時，平臺火炬泄放速率見圖4。

圖4 上層甲板先著火時火炬泄放速率

當中層甲板先著火時，平臺火炬的泄放速率見圖5。

圖5 中層甲板先著火時火炬泄放速率

當下層甲板先著火時，平臺火炬的泄放速率見圖6。

圖6 下層甲板先著火時火炬泄放速率

分析圖4~6可知，當上層甲板著火經(jīng)過5 min后，中層甲板上的BDV開始泄放，此時火炬的泄放能力最大，為81萬m3/h。經(jīng)過Flaresim模擬計算，火炬臂長度可縮短至90 m。計算結(jié)果見圖7和圖8。

1.3 BDV增加備用氣瓶

由于BDV為儀表氣驅(qū)動的控制閥，因此在常規(guī)項目設(shè)計中，當儀表氣失氣時，BDV閥將自動打開，此時火炬泄放量將與火災(zāi)工況下BDV同時打開的泄放量基本相同。由于本項目已采用分層分火區(qū)延時泄放，因此為了避免該BDV因儀表氣失氣而同時打開的工況，在每個BDV的儀表氣供氣管道的入口設(shè)置了一個備用儀表氣瓶，再在儀表氣瓶的上游管道設(shè)置一個單向閥，當儀表氣供氣關(guān)停的時候，備用的儀表氣瓶要滿足打開BDV閥3次的儲氣量。設(shè)置方法見圖9和圖10。

圖7 臂長90 m火炬輻射強度圖

圖8 臂長90 m火炬3 D圖

圖9 常規(guī)BDV閥示意

圖10 本項目BDV閥示意

2 結(jié)束語

南海某區(qū)域大型天然氣處理平臺的火炬泄放量通過采用火災(zāi)時BDV分層分火區(qū)延時泄放，BDV供氣管道上采用增加止回閥以及備用儀表氣瓶等方法，將火炬泄放能力由常規(guī)設(shè)計的112萬m3/h，降低到81萬m3/h，火炬臂的長度由104 m降低到90 m，火炬臂質(zhì)量減輕約40 t，這對于提高平臺安全性、減少投資、降低結(jié)構(gòu)的重量、節(jié)能減排等具有重要意義。同時該項目采用的火炬泄放能力優(yōu)化設(shè)計原則可為今后大型天然氣平臺火炬系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒。

[1]周守為，安維杰.海洋石油工程設(shè)計指南[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006.

[2]張鳳久，姜偉，孫福街，等.泄壓和減壓系統(tǒng)指南[J].中國工程科學，2011，13（5）:28-33.

[3]ANSI/API STANDARD 521-2007，Pressure-relieving and depressuring systems，F(xiàn)ifth Edition[S].

[4]DEP 80.45.10.10-1996，Pressure Relief，Emergency depressuring，flare and vent systems[S].

New DesignIdealonFlare SystemofLarge NaturalGas Platform

Wang Yanrui，Zhao Xifeng，ChenWenfeng，LiYu
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin300451，China

In the design of the flare system of a large natural gas treatment platform built in South China Sea，the control design case is BDV relief in fire disaster.If the all BDVs relive at the same time，the relief capacity is 1.12 Mm3/h，and the flare boom length needs to be 104 m，that will be a big challenge for the structure design.So，two optimized methods（i.e.adopting the delay relief at different decks with different fire zones and the spare instrument air cylinder for each BDV），are adopted to reduce the flare capacity from 1.12 Mm3/h to 0.81 Mm3/h and the flare boom length from 104 m to 90 m.The numerical simulation predicts the optimized methods are reliable.

large natural gas treatment platform；flare system；delay relief at different decks with different fire zones; design

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.03.003

王彥瑞（1981-），男，黑龍江蘭西人，工程師，2005年畢業(yè)于長江大學油氣儲運專業(yè)，現(xiàn)從事海洋石油平臺及海底管道的工藝設(shè)計工作。

2014-08-25