海洋平臺泄放系統(tǒng)與FLARENET模擬應(yīng)用

趙晨，胡得朋，劉維維

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）

由于海洋平臺采油方式的特殊性及局限性，無法像陸地采油廠那樣對可燃和可燃有毒氣體進(jìn)行大量回收及再加工，因此泄放系統(tǒng)成為海洋生產(chǎn)平臺上必不可少的安全保障，是安全生產(chǎn)、減少環(huán)境污染的重要手段之一。

具體而言，泄放系統(tǒng)和火炬在海上生產(chǎn)設(shè)施中有如下用途：

（1）在工藝過程中時(shí)而會(huì)發(fā)生非正常狀態(tài)，為調(diào)節(jié)這一非正常狀態(tài)需對某一環(huán)節(jié)（容器）或設(shè)備（壓縮機(jī)）在正常工作開始以前，將產(chǎn)生的氣體進(jìn)行處理。

（2）處理無法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利用的多余伴生氣。

（3）處理緊急條件下的氣體，如海洋生產(chǎn)平臺設(shè)施在高壓非工作狀態(tài)或低壓故障狀態(tài)下由泄壓閥為保證設(shè)備設(shè)施的安全釋放出來的氣體。

（4）處理容器、設(shè)備和管線的放空氣體。

設(shè)計(jì)火炬系統(tǒng)就是將石油鉆完井等開發(fā)過程中釋放出來的多余氣態(tài)或液態(tài)物質(zhì)通過管線輸送和引導(dǎo)到一個(gè)安全位置上燃燒，以達(dá)到減少平臺設(shè)備設(shè)施數(shù)量，節(jié)約作業(yè)空間，并保證平臺安全的目的。

1 MODEC項(xiàng)目泄放工況分析

1.1 堵塞

（1）一級分離器出口斷開。（2）氣體壓縮系統(tǒng)斷開。

根據(jù)關(guān)斷等級分析圖（BHPB關(guān)斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理），會(huì)引發(fā)PSD，關(guān)斷油工藝系統(tǒng)、氣工藝系統(tǒng)。

1.2 外部火災(zāi)

（1）氣系統(tǒng)。（2）油系統(tǒng)。

火災(zāi)面積定義在某一個(gè)模塊以內(nèi)，不是根據(jù)API 521中規(guī)定的230m2。對于氣系統(tǒng)的火災(zāi)，根據(jù)關(guān)斷等級分析圖，會(huì)引發(fā)公用氣/儀表氣等系統(tǒng)的突然中斷，此時(shí)需要打開相應(yīng)模塊的BDV。對于油工藝系統(tǒng)的火災(zāi)，會(huì)引發(fā)原油系統(tǒng)等生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的突然中斷。

1.3 主電斷開

根據(jù)關(guān)斷分析圖，關(guān)斷氣系統(tǒng)、油系統(tǒng)、海水系統(tǒng)、淡水系統(tǒng)、乙二醇再生系統(tǒng)。油氣工藝系統(tǒng)不泄放，但是為了保護(hù)高壓氣系統(tǒng)，二、三級壓縮機(jī)的BDV打開。

1.4 儀表氣中斷

根據(jù)關(guān)斷等級分析圖可知，儀表氣中斷會(huì)引發(fā)氣系統(tǒng)的突然中斷，氣系統(tǒng)關(guān)斷，系統(tǒng)內(nèi)的BDV打開泄放。同時(shí)還會(huì)關(guān)斷乙二醇（MEG）再生系統(tǒng)、海水（WS）系統(tǒng)、淡水（WF）系統(tǒng)、原油（CR）工藝生產(chǎn)系統(tǒng)。

1.5 緊急泄放

多相分離器、計(jì)量分離器、氣體壓縮系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)BDV打開泄放。計(jì)算出各種工況下系統(tǒng)的泄放量，確定控制工況，作為火炬分液罐以及火炬頭尺寸計(jì)算基礎(chǔ)。

2 MODEC項(xiàng)目中BDV、PSV計(jì)算

2.1 火災(zāi)工況下BDV計(jì)算

計(jì)算容器中油氣水所占的體積（相關(guān)管線中可以考慮1.1的系數(shù)）。（1）通過HYSYS模擬將設(shè)備入口介質(zhì)分成油、氣、水三股介質(zhì)。（2）修改油氣水三介質(zhì)的體積流量使之等于容器中各自的體積。（3）將這三項(xiàng)介質(zhì)混合。

2.2 火災(zāi)工況下PSV計(jì)算

圖1

PSV泄放量計(jì)算中，習(xí)慣做法為通過HYSYS模擬，首先定義操作條件下的需要泄放的介質(zhì)，隨著不斷吸收熱量，模擬過渡到閥的設(shè)定條件，同樣再到閥的釋放條件。然后通過多級閃蒸模擬閥的泄放量。假定每次閃蒸之間的溫差為3～5℃，一般來說，溫差越小，計(jì)算出的釋放量越精確，但相應(yīng)閃蒸次數(shù)會(huì)增多，為了減少閃蒸次數(shù)，溫差取5℃。

而MODEC項(xiàng)目的做法是根據(jù)API 521中的公式Q=21000FA0.82計(jì)算暴露于明火中的容器的吸熱量，通過模擬得到在閥釋放條件下物流的汽化潛熱q。閥門的泄放量W＝Q/q。一般來說PSV不需要備用。如果有例外情況需要得到BHPB批準(zhǔn)。

圖2

3 FLARENET模擬

3.1 在進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計(jì)之前，必須對要處理的流體的成分進(jìn)行確定。用戶可以用組分?jǐn)?shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)，也可以自己定義組分（虛擬組分）。經(jīng)常用的是從HYSYS中導(dǎo)入流體組分。

圖3

3.2 建立不同的泄放工況，對整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)來說，一個(gè)工況就定義了一組源的狀態(tài)（泄放源的數(shù)量、泄放的流量、壓力和溫度）?；鹁嫦到y(tǒng)的設(shè)計(jì)是由許多工況組成。MODEC項(xiàng)目考慮了堵塞、火災(zāi)、主電斷開、儀表氣供應(yīng)中斷、緊急泄放等工況。

輸入釋放管匯的限制條件：這些條件包括馬赫數(shù)，氣體流速，液體流速，噪聲等。比如說，對一般釋放，馬赫數(shù)可以限制在0.3以內(nèi)；在管網(wǎng)的緊急釋放時(shí)，系統(tǒng)中可能會(huì)出現(xiàn)最高流量，因此馬赫數(shù)可以限制在0.5或更高的值。

圖4

圖5

3.3 根據(jù)ISO圖建模

圖6

輸入管線的參數(shù)，直徑，壁厚，長度、高差以及相應(yīng)的管件。

釋放源的數(shù)據(jù)：

圖7

需要注意的是：對于PSV出口管線應(yīng)該在管線編輯中選中TAIL PIPE。

圖8

3.4 計(jì)算

計(jì)算結(jié)果中紅色字體表示某些數(shù)據(jù)（一般是背壓、馬赫數(shù)）超出設(shè)計(jì)限制條件。表明此段管線的尺寸設(shè)計(jì)的不合理。應(yīng)該手動(dòng)修改管線尺寸（不推薦用軟件的去瓶頸計(jì)算）。

圖9

4 結(jié)束語

隨著國家對環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高以及對人身安全的日益重視，生產(chǎn)平臺泄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性以及可靠性研究顯得十分重要。目前，國內(nèi)外推崇的設(shè)計(jì)計(jì)算方式主要是以API RP 521為基礎(chǔ)，但其主要側(cè)重于陸地大型化工廠或煉油廠內(nèi)的泄放系統(tǒng)。海洋平臺的生產(chǎn)地點(diǎn)與工藝流程都有其特殊性，因而在設(shè)計(jì)海洋平臺泄放系統(tǒng)時(shí)需有不同的思路。尤其是當(dāng)今海洋平臺不單單是采油，大型的海上氣田開發(fā)前景更為廣闊，需要更為有效且創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念。

◆參考文獻(xiàn)

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