渤海海域海上平臺擋風(fēng)墻高度計算模型研究

曹 楊 王紅紅 陳坤亮 張夢夢 王魁濤 張 悅

1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司工程研究設(shè)計院, 北京 100028;2. 中國石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院, 北京 102249

0 前言

中國渤海海域冬季氣溫低、海風(fēng)大,冷風(fēng)吹入會造成海上平臺甲板內(nèi)溫度低,嚴(yán)重影響設(shè)備正常運轉(zhuǎn),也嚴(yán)重影響作業(yè)人員操作效率和可靠性[1-2]。擋風(fēng)墻是一種冬季安裝于中國渤海海域海上平臺四周的硬質(zhì)圍擋結(jié)構(gòu),可有效緩解冬季嚴(yán)寒低溫,但安裝擋風(fēng)墻增加了平臺甲板的封閉性,易造成油氣局部積聚,增加平臺的危險性[3]。

目前,因通風(fēng)問題而引發(fā)的海上平臺風(fēng)險增加集中在主機房[4]、原油發(fā)電機房[5]、電氣間[6-7]、變壓間[8]、化驗室[9-10]、油漆間[11]、生活樓[12-13]等地方,以及海上平臺暖通的設(shè)計參數(shù)選擇方面[14-15]。關(guān)于因擋風(fēng)墻安裝而引起的海上平臺通風(fēng)分析方面的研究較少。

擋風(fēng)墻高度是擋風(fēng)墻設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)之一,同時也是直接影響海上平臺擋風(fēng)保暖和封閉性的關(guān)鍵因素。當(dāng)前,未查閱到國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對海上平臺擋風(fēng)墻高度設(shè)計及計算方法的具體規(guī)定。SY/T 6958—2013《低溫石油鉆機和修井機》中規(guī)定[16]:鉆臺面四周擋風(fēng)墻高度為3～6 m,二層臺人行通道的擋風(fēng)墻高度為2～3 m。鉆臺面以下保溫棚要設(shè)置帶百葉窗的排風(fēng)扇,以控制有害氣體不超過20%。但該標(biāo)準(zhǔn)未對擋風(fēng)墻高度選取依據(jù)進行說明。中國海油發(fā)布的Q/HS 3015—2005《渤海海域平臺擋風(fēng)墻設(shè)計規(guī)定》[17]中，以增加擋風(fēng)墻后海上平臺是否為封閉區(qū)域提出一種粗略估算擋風(fēng)墻高度的方法,這種方法并未考慮加裝擋風(fēng)墻后海上平臺是否滿足充分通風(fēng)要求。一旦海上平臺內(nèi)部通風(fēng)不充分,會增加油氣聚集風(fēng)險。

關(guān)于區(qū)域充分通風(fēng)的要求,SY/T 6671—2017《石油設(shè)施電氣設(shè)備安裝區(qū)域一級、0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)區(qū)域劃分推薦作法》[18](以下簡稱SY/T 6671—2017)中規(guī)定:對于1類、2類危險區(qū)域,在正常生產(chǎn)狀況下其內(nèi)部的通風(fēng)換氣次數(shù)不能少于12次/h和6次/h。海上平臺,尤其是工藝區(qū)屬于1類危險區(qū),安裝擋風(fēng)墻后形成了封閉空間,其內(nèi)部通風(fēng)換氣次數(shù)應(yīng)不少于12次/h。因此,海上平臺增加擋風(fēng)墻,必須進行計算和核實,以確保海上平臺甲板內(nèi)部符合通風(fēng)安全的要求[19]。

基于以上分析可見,針對半敞開多層結(jié)構(gòu)特點的海上平臺,在計算擋風(fēng)墻高度時,應(yīng)該考慮因增設(shè)擋風(fēng)墻帶來的甲板空間封閉性區(qū)域性質(zhì)變化問題,有必要開展科學(xué)定量的計算。本文以渤海海域某海上平臺為例,通過定性和定量相結(jié)合的方法,初步估算擋風(fēng)墻安裝高度,判斷海上平臺的封閉性。通過運用數(shù)值模擬手段,對海上平臺進行通風(fēng)模擬分析,以平臺區(qū)域內(nèi)通風(fēng)換氣次數(shù)符合不少于12次/h來確定擋風(fēng)墻臨界高度,提出擋風(fēng)墻高度計算模型,可為海上平臺擋風(fēng)墻設(shè)計提供參考。

1 擋風(fēng)墻高度計算模型

1.1 定義

在進行擋風(fēng)墻高度計算之前,需要引入兩個相關(guān)概念,以方便后續(xù)計算說明:一是臨界通風(fēng)換氣次數(shù),指某一空間區(qū)域滿足充分通風(fēng)要求時,通風(fēng)換氣次數(shù)的最小值;二是擋風(fēng)墻臨界高度,指某一空間區(qū)域滿足臨界通風(fēng)換氣次數(shù)要求時,對應(yīng)的擋風(fēng)墻高度值。

1.2 計算過程

擋風(fēng)墻高度是決定擋風(fēng)墻能否起到防寒保暖作用的關(guān)鍵參數(shù)之一。然而,海上平臺在增設(shè)擋風(fēng)墻后會增加甲板空間封閉性,可能造成海上平臺從敞開空間變成封閉空間,增加油氣聚集風(fēng)險。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),海上平臺尤其是工藝區(qū)必須充分通風(fēng),以保證可燃?xì)怏w濃度低于火氣探頭的報警值。因此,擋風(fēng)墻高度的確定需要綜合考慮冬季防寒保暖、通風(fēng)安全以及火氣監(jiān)測管理等多方面因素。在擋風(fēng)墻高度確定過程中,擋風(fēng)墻高度設(shè)計值需要滿足以下條件。

1)根據(jù)海上平臺所在海域冬季風(fēng)向、海上平臺安裝朝向,確定擋風(fēng)墻布置方位和長度范圍。

2)根據(jù)確定的海上平臺擋風(fēng)墻參數(shù),依據(jù)擋風(fēng)墻圍擋面積不超過平臺四周可封閉最大面積50%的要求,可初步確定擋風(fēng)墻高度H1。

如果由擋風(fēng)墻圍擋組成的墻壁、屋頂和地板的投影面積不超過總投影面積三分之二,則擋風(fēng)墻圍擋區(qū)域不是封閉區(qū)域,此時擋風(fēng)墻高度H1可作為擋風(fēng)墻高度的最終設(shè)計值；如果擋風(fēng)墻圍欄組成的墻壁、屋頂和地板的投影面積超過總投影面積的三分之二，則擋風(fēng)墻圍擋區(qū)域是封閉區(qū)域,需要開展進一步的通風(fēng)定量評價,以確定是否滿足充分通風(fēng)的要求以及擋風(fēng)墻臨界高度,具體步驟如下。

1)確定海上平臺封閉區(qū)域及其參數(shù)。

2)計算海上平臺封閉區(qū)域的體積空間。

3)計算海上平臺封閉區(qū)域的通風(fēng)量。

6)當(dāng)不滿足充分通風(fēng)的要求時,需要降低擋風(fēng)墻高度(建議每次可以降低0.5 m),通過試算的方法,重新進行海上平臺的通風(fēng)數(shù)值模擬計算,再次獲取通風(fēng)量,計算通風(fēng)換氣次數(shù),直至確定通風(fēng)換氣次數(shù)滿足SY/T 6671—2017的要求。此時，擋風(fēng)墻高度即為擋風(fēng)墻臨界高度Hc。海上平臺擋風(fēng)墻高度計算流程見圖1。

2 擋風(fēng)墻高度計算算例

2.1 工程背景

本文以渤海海域某海上平臺為工程背景,選取該海上平臺下層甲板為研究對象進行幾何建模,甲板內(nèi)布置控制間、電氣間、采油樹、計量罐等設(shè)施。

2.2 擋風(fēng)墻高度H1的確定

2.2.1 海上平臺及擋風(fēng)墻尺寸

計算海上平臺四周圍擋面積,首先要確定平臺下層甲板、左側(cè)房間以及擋風(fēng)墻等關(guān)鍵尺寸參數(shù)：房間到平臺上側(cè)邊緣距離W1為3 m,房間到平臺下側(cè)邊緣距離W2為 2.9 m,平臺寬度W為30.9 m,房間長度D1為25 m，平臺長度L為38.8 m,房間寬度D2為4 m,房間西墻到平臺兩側(cè)邊緣距離L1為2.2 m，平臺北側(cè)擋風(fēng)墻長度A為30.6 m,平臺東側(cè)擋風(fēng)墻長度B為28.6 m，上下甲板距離h為8 m,見圖2。

2.2.2 海上平臺圍擋面積計算

要想確定海上平臺擋風(fēng)墻高度的初步值,需要確定以下參數(shù)。

1)除去海上平臺左側(cè)房間的影響,海上平臺四周可封閉最大面積S封max為:

S封max=[2×(W+L-L1)-D2]×h

=[2×(30.9+38.8-2.2)-4]×8

(1)

2)根據(jù)擋風(fēng)墻圍擋面積不大于海上平臺四周可封閉最大面積的50%，計算海上平臺四周可圍擋最大面積S擋max為:

S擋max=50%×S封max

=50%×1 048

(2)

S擋實際=S擋max-D1×h

=524-25×8

(3)

4)根據(jù)渤海海域的環(huán)境條件資料,冬季主風(fēng)向為NE,在平臺北面和東面設(shè)置擋風(fēng)墻。根據(jù)擋風(fēng)墻圍擋面積不超過海上平臺四周可封閉面積最大值的50%,計算得到擋風(fēng)墻高度H1為:

H1=S擋實際÷(A+B)

=324÷(30.6+28.6)

≈5.5m

(4)

因此,當(dāng)該海上平臺在北面和東面增設(shè)擋風(fēng)墻時,可得到擋風(fēng)墻高度H1為5.5 m。

2.3 圍擋空間區(qū)域類型的確定

2.3.1 海上平臺擋風(fēng)墻加裝區(qū)域面積

S=A×B×2+S封max

=30.6×28.6×2+1 048

=2 798.32m2

(5)

2.3.2 增設(shè)擋風(fēng)墻后被封閉的區(qū)域

S封閉區(qū)=A×B×2+D1×h+(A+B)×H1

=30.6×28.6×2+25×8+(30.6+28.6)×5.5

=2 275.92m2

(6)

由于2 275.92 m2>1 865.55 m2(2 798.32 m2×2/3),可判斷在該海上平臺北面和東面增設(shè)5.5 m高的擋風(fēng)墻后,海上平臺甲板內(nèi)部空間變成了封閉區(qū)域。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對于具有封閉性質(zhì)的生產(chǎn)空間,必須要保證該空間內(nèi)部的通風(fēng)換氣次數(shù)不小于12次/h。根據(jù)圖1開展通風(fēng)安全定量評價,通過調(diào)整擋風(fēng)墻高度,來滿足海上平臺甲板空間內(nèi)部充分通風(fēng)的要求。

3 通風(fēng)安全定量評價

3.1 評價流程

海上平臺通風(fēng)安全定量評價見圖3。

圖3 通風(fēng)安全定量評價流程圖Fig.3 Flowchart of quantitative ventilation safety assessment

3.2 海上平臺建模

根據(jù)渤海海域某海上平臺設(shè)計階段圖紙,確定海上平臺主要設(shè)備設(shè)置的位置及尺寸,以及擋風(fēng)墻的位置及長度。利用ANSYS中SCDM模塊構(gòu)建海上平臺下層甲板幾何模型,見圖4。

圖4 海上平臺下層甲板幾何模型圖Fig.4 Geogmetric model of lower deck of offshore platform

3.3 環(huán)境條件確定

渤海海域環(huán)境條件中冬季主風(fēng)向和風(fēng)速分布是最重要的參數(shù),也是開展海上平臺通風(fēng)模擬計算的關(guān)鍵。根據(jù)平臺所在渤海海域的氣象資料,獲取冬季主風(fēng)向為NE,頻率為18.2%,風(fēng)速分布情況見表1。

表1 渤海海域海上平臺的主風(fēng)向風(fēng)頻與風(fēng)速表

根據(jù)表1數(shù)據(jù),選取海上平臺通風(fēng)模擬風(fēng)向NE,風(fēng)速為0.5 m/s進行模擬分析。擋風(fēng)墻高度分別取5.5 m、5.0 m和4.5 m。海上平臺通風(fēng)模擬工況見表2。

表2 渤海海域海上平臺通風(fēng)模擬工況表

3.4 通風(fēng)量模擬計算

以風(fēng)向為NE、風(fēng)速0.5 m/s、擋風(fēng)墻高度4.0 m為例,不同高度z的海上平臺內(nèi)部通風(fēng)模擬結(jié)果見圖5。

a)z=4.0 m

b)z=5.0 m

c)z=6.0 m

d)z=7.0 m

由于風(fēng)向為NE,因而海上平臺進風(fēng)斷面為平臺的北面和東面,通過ANSYS中模塊提取穩(wěn)態(tài)下北面和東面豎直截面上的通風(fēng)量。

海上平臺甲板內(nèi)部空間的通風(fēng)換氣次數(shù)的計算公式為[20-21]:

(7)

在不同擋風(fēng)墻高度下,海上平臺通風(fēng)量和通風(fēng)換氣次數(shù)計算結(jié)果見表3。

表3 渤海海域海上平臺通風(fēng)換氣次數(shù)計算結(jié)果表

根據(jù)表3可看出,當(dāng)擋風(fēng)墻高度為5.5 m時,海上平臺甲板內(nèi)部的通風(fēng)換氣次數(shù)為10.51次/h,不滿足充分通風(fēng)的要求；當(dāng)擋風(fēng)墻高度下調(diào)至5.0 m、4.5 m和4.0 m時,通風(fēng)換氣次數(shù)分別為11.64次/h、12.91次/h 和14.49次/h；當(dāng)擋風(fēng)墻高度為 4.5 m 時,通風(fēng)換氣次數(shù)剛好滿足充分通風(fēng)的要求。因此,可將4.5 m看作擋風(fēng)墻高度臨界高度。

4 結(jié)論

1)為了解決海上平臺擋風(fēng)墻高度設(shè)計中未考慮充分通風(fēng)要求的問題,提出了一種海上平臺擋風(fēng)墻高度計算模型,依據(jù)充分通風(fēng)要求,計算平臺區(qū)域通風(fēng)換氣次數(shù),以確定擋風(fēng)墻高度。

2)通過初步確定擋風(fēng)墻高度,運用數(shù)值模擬手段計算通風(fēng)量,以通風(fēng)換氣次數(shù)12次/h為依據(jù),通過迭代計算,可確定擋風(fēng)墻臨界高度。

3)以渤海海域某海上平臺為例,通過計算初步確定擋風(fēng)墻高度為5.5 m,并確定海上平臺為封閉區(qū)域。通過開展多組工況的通風(fēng)模擬計算,當(dāng)調(diào)整擋風(fēng)墻臨界高度為4.5 m時,通風(fēng)換氣次數(shù)為12.91次/h,滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對充分通風(fēng)的要求。