自升式鉆井平臺(tái)燃燒臂的應(yīng)用與熱輻射分析

王柏和， 魯 建 ， 郭艷欣 ， 王 磊

(1.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部， 天津 300280；2.上海外高橋造船海洋工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 200137)

自升式鉆井平臺(tái)燃燒臂的應(yīng)用與熱輻射分析

王柏和1， 魯 建2， 郭艷欣1， 王 磊2

(1.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部， 天津 300280；2.上海外高橋造船海洋工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 200137)

燃燒臂是用于鉆井平臺(tái)試油作業(yè)時(shí)燃燒油(氣)層經(jīng)試油設(shè)備分離出來(lái)的伴生氣或油氣混合物，燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱輻射，對(duì)人、設(shè)備和平臺(tái)造成傷害，因此，鉆井平臺(tái)需設(shè)立相應(yīng)的防護(hù)措施。針對(duì)JU2000E自升式鉆井平臺(tái)，介紹配置燃燒臂的技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)組成、性能特點(diǎn)、工作原理、熱輻射危害，并對(duì)熱輻射和水幕防護(hù)進(jìn)行理論計(jì)算和分析，為今后鉆井平臺(tái)建造或升級(jí)時(shí)的燃燒臂選型和防熱輻射分析提供參考。

燃燒臂；熱輻射；水幕系統(tǒng)；自升式鉆井平臺(tái)

0 引言

燃燒臂是鉆井平臺(tái)用于海上石油勘探過(guò)程中試油作業(yè)時(shí)的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于燃燒油(氣)層經(jīng)試油設(shè)備分離出來(lái)的伴生氣(通常指與石油共生的天然氣)或油氣混合物。試油作業(yè)期間，燃燒臂燃燒會(huì)產(chǎn)生熱輻射，對(duì)人、設(shè)備和平臺(tái)造成傷害。因此，鉆井平臺(tái)的燃燒臂必須布置在安全的地方，如遠(yuǎn)離平臺(tái)結(jié)構(gòu)和工作的區(qū)域，或者對(duì)平臺(tái)設(shè)立相應(yīng)的防護(hù)措施。

中油海16平臺(tái)為JU2000E自升式鉆井平臺(tái)，配置了2套完整的“天津誠(chéng)海石油”試油作業(yè)燃燒臂，分別安裝于平臺(tái)左、右舷艉部，試油作業(yè)時(shí)向外伸展遠(yuǎn)離平臺(tái)主船體。該文以中油海16平臺(tái)為基礎(chǔ)，介紹燃燒臂的結(jié)構(gòu)組成、性能參數(shù)、工作原理、熱輻射危害，并對(duì)熱輻射和水幕防護(hù)進(jìn)行了理論計(jì)算和分析。

1 燃燒臂選型

1.1 技術(shù)參數(shù)

服務(wù)介質(zhì)：原油、天然氣(含H2S)；燃燒頭工作壓力：1 440 psi(1 psi=1.895 kPa)；燃燒頭數(shù)量：原油燃燒頭3 個(gè)，天然氣頭1 個(gè)；原油處理能力：12 000 桶/天，天然氣處理能力：220 萬(wàn)立方米/天；作業(yè)環(huán)境溫度： -20℃ ～ 45℃；點(diǎn)火系統(tǒng)電氣要求：220 V，60 Hz；熱輻射要求：操作人員在連續(xù)暴露的任一地點(diǎn)熱輻射強(qiáng)度≤6.3 kW/m2；燃燒臂總長(zhǎng)26 m,總重8.5 t。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

平臺(tái)燃燒臂主要由燃燒器撬塊、棧橋、工作管線(xiàn)、高壓點(diǎn)火系統(tǒng)、安裝基座、存放托架撬塊、提升滑輪總成和索具等組成，如圖1所示。燃燒器撬塊由燃燒器框架、燃燒頭、防火罩、噴淋水環(huán)、原油、天然氣、海水、柴油、高壓空氣、低壓空氣和液化氣管線(xiàn)等組成, 其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 燃燒臂結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 燃燒器撬塊結(jié)構(gòu)示意圖

配置工作管線(xiàn)的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工作管線(xiàn)參數(shù)[1]

1.3 工作原理

燃燒臂通過(guò)高壓點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生高壓脈沖電流, 使高壓點(diǎn)火棒產(chǎn)生高能火花, 點(diǎn)燃天然氣、霧化柴油或液化氣噴射管系噴出的可燃?xì)怏w。當(dāng)進(jìn)行天然氣處理時(shí)，天然氣直接點(diǎn)燃燃燒。當(dāng)進(jìn)行原油處理時(shí)，從試油設(shè)備分離出的原油與高壓壓縮空氣在燃燒頭內(nèi)充分混合并霧化,高壓油氣混合物從燃燒頭噴出時(shí)被點(diǎn)燃, 完成燃燒處理。當(dāng)進(jìn)行稠油燃燒處理時(shí), 需先使柴油和低壓壓縮空氣輔助燃燒系統(tǒng)工作, 才能保證稠油完全燃燒，燃燒臂原理流程如圖3所示。

圖3 燃燒臂原理流程示意圖

1.4 性能特點(diǎn)

燃燒臂有以下特點(diǎn)：(1) 采用的是高效的美國(guó)EXPRO燃燒頭，能使燃油和壓縮空氣混合更充分，可將介質(zhì)完全燃燒，達(dá)到綠色環(huán)保要求；(2) 在天然氣、原油、柴油、空氣管線(xiàn)的控制閥之前均安裝單向閥, 防止燃燒器在工作時(shí)發(fā)生回火現(xiàn)象, 保證試油時(shí)設(shè)備和操作人員的安全；(3)燃燒器撬塊設(shè)計(jì)了防火罩和海水噴淋系統(tǒng)。由泥漿泵泵出的高壓海水在燃燒器撬塊形成2道水幕, 大大減輕其熱輻射,保證操作人員和設(shè)備的安全。

2 熱輻射分析

2.1 熱輻射的危害

燃燒臂在燃燒時(shí)，對(duì)人、設(shè)備和平臺(tái)可能會(huì)造成熱輻射傷害。表2是熱輻射對(duì)設(shè)備設(shè)施的破壞準(zhǔn)則，由表2可以看出，足夠多的熱輻射可以破壞設(shè)備或鋼結(jié)構(gòu)。表3是熱輻射對(duì)人體的影響，由表3可以看出，熱輻射越強(qiáng)，人達(dá)到疼痛的時(shí)間越短。允許的熱輻射是持續(xù)暴露時(shí)間的函數(shù)，需要考慮人的反應(yīng)時(shí)間。在緊急放空時(shí)，設(shè)想反應(yīng)時(shí)間為3 s ～5 s，每個(gè)人找到遮蔽或逃離現(xiàn)場(chǎng)需要5s，這樣總暴露時(shí)間8 s ～10 s。應(yīng)急情況下，個(gè)別人員由于思考會(huì)需要更多時(shí)間來(lái)離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)。結(jié)合表4，按照API 521標(biāo)準(zhǔn)中熱輻射準(zhǔn)則，為了保證人免受傷害，需要保證在指定地點(diǎn)的連續(xù)輻射強(qiáng)度不超過(guò)6.31 kW/m2。

表2 熱輻射對(duì)設(shè)備設(shè)施的破壞準(zhǔn)則[1]

表3 熱輻射讓人達(dá)到痛覺(jué)限值所需暴露時(shí)間[2]

表4 對(duì)人的熱輻射推薦設(shè)計(jì)[3]

注：適當(dāng)服裝包括硬的安全帽、有護(hù)腕按鈕的長(zhǎng)袖衣服、工作手套、長(zhǎng)腿褲子、工作鞋。適當(dāng)?shù)姆b能減少皮膚直接暴露在熱輻射下。

2.2 熱輻射計(jì)算

以中油海16鉆井平臺(tái)和燃燒臂試油作業(yè)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，平臺(tái)及燃燒臂工況參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 平臺(tái)及燃燒臂工況參數(shù)

(1) 計(jì)算燃燒臂火焰直徑d

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)API 521有

式中：Mach為馬赫數(shù)，取Mach=0.8；W為介質(zhì)流量，kg/h；P2為管線(xiàn)出口絕對(duì)壓力，kPa；z為氣體壓縮系數(shù), z=1；T 為絕對(duì)溫度，K；Mw為氣體相對(duì)分子量, Mw=300。

計(jì)算出火焰直徑：d=0.093 m。

(2) 確定火焰長(zhǎng)度L

燃燒臂釋放的熱量和噴頭數(shù)量及燃燒物的熱值有關(guān)，考慮三個(gè)噴頭同時(shí)工作，有：

計(jì)算出燃燒臂釋放的熱量： Q=777 333 kW

圖4 火炬長(zhǎng)度和熱量釋放的關(guān)系

結(jié)合圖4 火炬長(zhǎng)度和熱量釋放的關(guān)系圖，可查出火焰的長(zhǎng)度L=58 m。

(3) 計(jì)算由風(fēng)速引起的火焰偏距

蒸汽流量Flow計(jì)算公式為

計(jì)算出蒸汽流量：Flow=0.512 2 m3/s。

燃燒臂出口速度Uj和蒸汽流量的關(guān)系為

圖5 由于側(cè)向風(fēng)作用在噴射速度上火焰離開(kāi)火炬筒體的近似偏距

(4) 計(jì)算熱輻射距離與強(qiáng)度分布

熱輻射距離計(jì)算公式為

式中: D 為從火焰震中到考慮的物體的最小距離；τ為通過(guò)大氣傳遞的熱量輻射分?jǐn)?shù)，取1.0；F為熱輻射分?jǐn)?shù)，取0.3；Q 為熱量釋放，kW；K為輻射的熱量強(qiáng)度，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)K取25 kW/m2，對(duì)應(yīng)的輻射半徑計(jì)算得D1=27.3 m。對(duì)于非鋼結(jié)構(gòu)K取12.5 kW/m2，對(duì)應(yīng)的輻射半徑計(jì)算得D2=38.5 m。對(duì)于人取API 521規(guī)定的輻射強(qiáng)度6.31 kW/m2,對(duì)應(yīng)的輻射半徑計(jì)算得D3=54.2 m。

把計(jì)算得到的熱輻射范圍D1，D2和D3值以火焰偏距中心(xc,yc)繪于中油海16自升式鉆井平臺(tái)總圖上，如圖6所示(考慮風(fēng)向垂直于噴頭方向，此工況是試油的最?lèi)毫庸r)。

圖6 中油海16鉆井平臺(tái)在風(fēng)速36m/s時(shí)熱輻射強(qiáng)度分布圖

(5) 結(jié)論分析

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)破壞的輻射強(qiáng)度25 kW/m2對(duì)應(yīng)的輻射半徑是27.3 m，在風(fēng)速36 m/s時(shí)，燃燒臂的熱輻射輻射不到平臺(tái)主船體結(jié)構(gòu)。

對(duì)工藝設(shè)備破壞的輻射強(qiáng)度12.5 kW/m2對(duì)應(yīng)的輻射半徑是38.5 m,在36 m/s風(fēng)向吹向生活樓時(shí)，燃燒臂的熱輻射可輻射到平臺(tái)左右舷的部分區(qū)域。如圖6所示，左右舷艉部的錨機(jī)、升降電機(jī)、升降基礎(chǔ)玻璃鋼格柵、裝載站軟管和逃生繩梯等會(huì)受到高溫輻射而老化，進(jìn)而影響效用。所以需要對(duì)平臺(tái)主甲板左右舷受輻射區(qū)域采取防熱輻射保護(hù)措施。一般選用水幕噴淋系統(tǒng)防護(hù)。

對(duì)有人員工作的場(chǎng)所需要保護(hù)的熱輻射強(qiáng)度是6.31 kW/m2，高于6.31 kW/m2就有可能造成人員傷害，該輻射半徑為54.2 m。當(dāng)風(fēng)向吹向生活樓時(shí)，受輻射區(qū)域最大，為主甲板的左右舷大部分區(qū)域。為了人員的安全，在不影響平臺(tái)正常工作的情況下，平臺(tái)左右舷兩舷側(cè)需要有防熱輻射的保護(hù)措施，一般選用水幕噴淋系統(tǒng)防護(hù)。

3 防熱輻射研究

3.1 防熱輻射措施

自升式鉆井平臺(tái)上防熱輻射的措施：(1)從布置上，將燃燒臂架高或者伸展遠(yuǎn)離平臺(tái)結(jié)構(gòu)，特別是工作區(qū)和生活區(qū)；(2)鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)水幕系統(tǒng)，減輕對(duì)人、設(shè)備和平臺(tái)的熱輻射危害；(3)平臺(tái)配置特殊的防護(hù)裝備；(4)在需要工作區(qū)域，設(shè)計(jì)遮蔽防護(hù)。

3.2 水幕防護(hù)系統(tǒng)

3.2.1 簡(jiǎn)介

水幕系統(tǒng)是將水經(jīng)過(guò)噴頭噴灑成幕簾狀，用以冷卻簡(jiǎn)易防火分隔物、提高其耐火性能的一種阻火隔熱水消防系統(tǒng)。鉆井平臺(tái)配置的水幕噴淋系統(tǒng)是由噴嘴噴水產(chǎn)生的細(xì)水霧系統(tǒng)。研究表明：細(xì)水霧霧滴對(duì)火焰熱輻射有著較強(qiáng)的衰減作用。霧滴直徑小，與同體積的水相比其表面積劇增，從而加強(qiáng)了熱交換，起到降溫和阻斷熱輻射傳遞的效果。圖7為霧粒徑對(duì)細(xì)冰霧阻隔熱輻射效率的影響[4]。

圖7 霧粒徑對(duì)細(xì)水霧阻隔熱輻射效率的影響[4]

從圖7中可以看出：在相同的霧密度、相同霧場(chǎng)厚度下，對(duì)于相同的火焰輻射，霧滴粒徑越小，衰減作用越強(qiáng)，阻隔效率越高。對(duì)于超細(xì)水霧( Dν50≤ 50 μm)，霧場(chǎng)厚度為1 m時(shí)，60%以上的輻射能量被衰減掉；對(duì)于普通細(xì)水霧( 200 μm≤ Dν50≤300 μm )，相同條件下，約35%～40%的能量被細(xì)水霧衰減掉；對(duì)于大粒徑系統(tǒng)如水噴淋( Dν50≤ 1 000 μm )，相同條件下，只有15%左右的能量被衰減掉。大粒徑系統(tǒng)雖然可通過(guò)增加霧場(chǎng)厚度或霧密度，來(lái)獲得與細(xì)水霧一樣的阻隔熱輻射效果，但會(huì)加大系統(tǒng)的耗水量。具體選用的時(shí)候需要結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和效用性等，綜合考慮霧粒徑、霧密度和霧厚度來(lái)達(dá)到最好的阻熱輻射效果。

3.2.2 設(shè)計(jì)選型

一般鉆井平臺(tái)的水幕噴淋系統(tǒng)都選用海水介質(zhì)，并選擇霧粒直徑大一點(diǎn)的噴頭，可以降低成本。中油海16平臺(tái)單舷需要被保護(hù)區(qū)域的總長(zhǎng)度為87.6 m，保護(hù)結(jié)構(gòu)的高度取3.5 m，被保護(hù)區(qū)域的總面積為306.6 m2。根據(jù)NFPA第15章固定式水霧消防系統(tǒng)的要求，被保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)水量要達(dá)到10.2 (L/min)/m2，則滿(mǎn)足保護(hù)要求所需要的總水量為187.6 m3/h，配置了1臺(tái)250 m3/h的水幕噴淋泵。

3.2.3 噴頭保護(hù)布置

根據(jù)熱輻射的分布范圍及噴頭的流量選型，可以對(duì)保護(hù)區(qū)域進(jìn)行噴頭的布置。噴頭在布置的過(guò)程中需要考慮在拐點(diǎn)處及可能出現(xiàn)覆蓋盲區(qū)的位置，額外增加噴頭，以保證保護(hù)區(qū)域全部覆蓋，具體布置圖如圖8所示。

圖8 水幕噴淋布置圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)燃燒臂的燃燒熱輻射理論分析、熱輻射強(qiáng)度分布、對(duì)水幕阻熱輻射的研究和在中油海16平臺(tái)多次試油作業(yè)的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化的水幕設(shè)計(jì)和合理的布置能夠有效地改善燃燒臂熱輻射的輻射能量強(qiáng)度，能夠較好地降低熱輻射對(duì)平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)/設(shè)備/人的影響。

在自升式鉆井平臺(tái)試油作業(yè)期間，為了保障人員、設(shè)備和平臺(tái)免受傷害，為了生產(chǎn)作業(yè)更安全和環(huán)保，還需不斷地對(duì)燃燒臂、防熱輻射措施和水幕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化研究。

[1] 莊磊,陳國(guó)慶，孫志友，等.大型油罐火災(zāi)的熱輻射危害特性[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2008(4):110-114.

[2] 美國(guó)雪夫龍公司.海上油氣工程設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].第十分冊(cè). 天津:中國(guó)海洋石油總公司翻譯出版，1994.

[3] Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems：API 521[S]. Fifth Edition. 2007.

[4] 叢北華,蔡志剛，陳呂義，等.細(xì)水霧阻隔火焰熱輻射作用的模擬研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005(12) ：69-73.

Application and Thermal Radiation Analysis of Burner Boom on Jack-up Drilling Platform

WANG Bai-he1, LU Jian2, GUO Yan-xin1, WANG Lei2

(1. Drilling Division of CNPC Offshore Engineering Co., Ltd， Tianjin 300280, China；2.Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd，Shanghai 200137,China)

During the well testing procedure, burner boom of the rig is used to burn associated gas or oil and gas mixture which are separated from oil (gas) layer by the well testing equipment. Combustion produces large amounts of heat radiation which can be harmful to people, equipment and platform, so the platform should set up corresponding protective measures. This article takes JU2000E jack-up drilling platform for example, mainly introduces the technical parameters ,configuration composition, structure characteristics, working principle, thermal radiation damage of burner boom, researches and analyzes the thermal radiation and water curtain protection, provides the reference about burner boom design and selection for platform fabrication or upgrade?in the future.

burner boom； thermal radiation； water curtain protection； jack-up drilling platform

1001-4500(2016)06-0048-09

2015-07-12

王柏和(1983-)，男，工程師。

P75

A