海上稠油熱采平臺(tái)生活樓防爆墻抗爆值設(shè)計(jì)

邱波 王樹達(dá) 邵海龍 王志祥 蘆紅威

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津，300451）

（2.中海油天津分公司，天津，300452）

引言

近年來(lái)，渤海油田稠油熱采開發(fā)步伐明顯加快，考慮到綜合開發(fā)的成本優(yōu)勢(shì)，設(shè)置有生活樓、蒸汽鍋爐、熱采井口區(qū)、工藝和公用系統(tǒng)設(shè)施的海上綜合油氣處理平臺(tái)開發(fā)方案成為了海上稠油熱采開發(fā)項(xiàng)目?jī)?yōu)先推薦的總體開發(fā)方案。

蒸汽鍋爐是海上稠油熱采開發(fā)的核心設(shè)備，平臺(tái)將海水或水源井水處理成合格的蒸汽鍋爐入口水源，通過(guò)蒸汽鍋爐加熱后成為高干度蒸汽或過(guò)熱蒸汽，蒸汽注入井下加熱原油，再經(jīng)過(guò)燜井、放噴、下泵開采等工藝流程，將原油輸送至平臺(tái)上各工藝處理設(shè)備進(jìn)行處理。與陸地油田不同，受投資費(fèi)用所限，海洋平臺(tái)的面積有限，各設(shè)備、設(shè)施布置緊湊，空間狹小，而蒸汽鍋爐屬于特種設(shè)備，正常工作時(shí)爐體內(nèi)存在大量高溫、高壓蒸汽，一旦蒸汽鍋爐發(fā)生爆炸，將給平臺(tái)上的生產(chǎn)操作人員帶來(lái)極大的人身安全隱患。

海洋平臺(tái)的生活樓是生產(chǎn)操作人員主要棲息場(chǎng)所，在日常生產(chǎn)時(shí)，除了去往平臺(tái)其它區(qū)域的少部分生產(chǎn)巡檢人員和操作維護(hù)人員外，其他人員基本都在生活樓休息和調(diào)整。因此，為最大限度確保生產(chǎn)操作人員的人身安全，生活樓在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上必須能夠抵御蒸汽鍋爐爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊破壞。此時(shí)，處于生活樓和蒸汽鍋爐之間的，緊貼著生活樓結(jié)構(gòu)外墻設(shè)置的防爆墻至關(guān)重要，該防爆墻將是抵御蒸汽鍋爐爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊，確保生活樓不被破壞，確保生產(chǎn)操作人員安全的最重要屏障。防爆墻的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度取決于蒸汽鍋爐爆炸時(shí)沖擊波傳遞到墻體的作用力，即防爆墻的抗爆值大小。而抗爆值大小的主要影響因素為蒸汽鍋爐爆炸時(shí)的能量和蒸汽鍋爐與防爆墻之間的距離。

本文基于渤海油田某稠油熱采開發(fā)項(xiàng)目，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際的蒸汽鍋爐配置情況、蒸汽鍋爐與生活樓總體布置情況，開展蒸汽鍋爐爆炸分析，并依據(jù)爆炸分析結(jié)果確定防爆墻的抗爆值，可為后續(xù)稠油熱采開發(fā)項(xiàng)目綜合油氣處理平臺(tái)生活樓防爆墻的抗爆值設(shè)計(jì)提供了非常有價(jià)值的參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 平臺(tái)總體概況

本項(xiàng)目油田位于渤海遼東灣海域，原油密度為0.964～0.973t/m3，地層平均原油粘度為627mPa·S，常規(guī)開發(fā)產(chǎn)能較低，需要進(jìn)行注熱開發(fā)。該油田采用前期蒸汽吞吐后期轉(zhuǎn)化學(xué)輔助蒸汽驅(qū)的方式開發(fā)。本項(xiàng)目總體開發(fā)方案為新建一座綜合油氣處理平臺(tái)CEPA，采用海上浮托安裝，平臺(tái)上主要設(shè)置有生活樓、蒸汽鍋爐、熱采井口區(qū)、公用/工藝系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施等。圖1-1所示為該項(xiàng)目CEPA平臺(tái)上層甲板總體布置圖，在平臺(tái)西側(cè)布置有一座80人生活樓，東側(cè)布置有熱采井口區(qū)，中部布置有3臺(tái)蒸汽鍋爐，生活樓面向蒸汽鍋爐一側(cè)的墻皮外側(cè)設(shè)置有一面防爆墻。由于平臺(tái)總體尺寸、浮托重量限制，生活樓已經(jīng)位于平臺(tái)最西側(cè)位置，蒸汽鍋爐己盡可能遠(yuǎn)離生活樓布置。在此方案中，防爆墻與最西側(cè)一臺(tái)蒸汽鍋爐設(shè)備邊緣間距為30米。

圖1-1 CEPA平臺(tái)上層甲板總體布置圖

1.2 蒸汽鍋爐配置情況

本項(xiàng)目蒸汽吞吐開采階段所需的注熱蒸汽溫度為356 °C，蒸汽壓力為15.9MPaG，蒸汽干度為過(guò)熱10°C；蒸汽驅(qū)階段所需的注熱蒸汽溫度為327°C，蒸汽壓力為12.4 MPaG，蒸汽干度為1。根據(jù)項(xiàng)目總體注熱需求，平臺(tái)設(shè)置有3臺(tái)蒸汽鍋爐，均為臥式，每臺(tái)鍋爐均配置有球形汽水分離器，以實(shí)現(xiàn)過(guò)熱蒸汽輸出。每臺(tái)蒸汽鍋爐的設(shè)計(jì)能力為30t/h，一臺(tái)鍋爐運(yùn)行即可滿足兩口注熱井同時(shí)注入的蒸汽耗量需求。

1.3 生活樓概況

本項(xiàng)目生活樓主體結(jié)構(gòu)采用板殼式，主體尺寸為28m x 11.5m，分為3層，每層層高3.5米，直升飛機(jī)甲板位于生活樓頂層，與生活樓頂層保留4.0米的空間。生活樓能夠容納80人的居住處所及有關(guān)的公共處所。生活樓內(nèi)主要包括：居住用房、公共用房、衛(wèi)生用房、辦公用房、炊事用房、醫(yī)療用房等。

2 蒸汽鍋爐爆炸分析

2.1 分析目標(biāo)

蒸汽鍋爐爆炸的主要原因是鍋爐中容納水及水蒸氣較多的大型部件發(fā)生破裂導(dǎo)致，如爐筒和汽水分離器等。在正常工作時(shí)，容器內(nèi)部處于水汽兩相共存的飽和狀態(tài)，或是充滿了飽和水。此時(shí)容器內(nèi)的壓力等于或接近于鍋爐的工作壓力，水的溫度則是該壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度。一旦容器破裂，容器內(nèi)液面上的壓力瞬間下降為大氣壓，容器內(nèi)的絕大部分飽和水瞬時(shí)汽化，體積驟然膨脹許多倍，在空間形成爆炸。

本項(xiàng)目每臺(tái)蒸汽鍋爐均配置了汽水分離器，汽水分離器布置在蒸汽鍋爐設(shè)備的一端，如圖1-1所示。相比于爐筒內(nèi)的爐管，汽水分離器由于容積較大，含有較多的高溫高壓水蒸汽和液態(tài)水，聚集了大量能量，若發(fā)生破裂，能量將瞬間釋放而產(chǎn)生巨大破壞力。因而汽水分離器爆炸是蒸汽鍋爐爆炸的主要危險(xiǎn)來(lái)源，但考慮到3臺(tái)蒸汽鍋爐汽水分離器在同一時(shí)刻發(fā)生爆炸的機(jī)率非常低，因此，在進(jìn)行蒸汽鍋爐爆炸分析時(shí)，僅考慮3臺(tái)蒸汽鍋爐中布置得離生活樓最近的一臺(tái)。以此開展汽水分離器爆炸定量計(jì)算，即汽水分離器爆裂超壓的大小及影響范圍，進(jìn)而確定生活樓防爆墻抗爆值。

2.2 分析計(jì)算假設(shè)

為簡(jiǎn)化分析模型，在蒸汽鍋爐爆炸分析過(guò)程中，由于爆炸發(fā)生在瞬間，高溫高壓飽和水轉(zhuǎn)化為等溫等壓飽和蒸汽過(guò)程中高溫高壓飽和水體積膨脹對(duì)外做功，可認(rèn)為該過(guò)程飽和水蒸汽溫度和壓力均不降低；同時(shí)，不考慮平臺(tái)上生活樓與蒸汽鍋爐之間布置的其它結(jié)構(gòu)和設(shè)備對(duì)沖擊波阻擋的影響，認(rèn)為爆炸超壓直接作用于生活樓防爆墻。

2.3 等效能量計(jì)算

熱采蒸汽鍋爐汽水分離器中存在氣液兩相，即存在高溫高壓飽和液態(tài)水和高溫高壓飽和蒸汽。汽水分離器爆炸能量主要來(lái)自兩部分，高溫飽和水和高溫飽和蒸汽。高溫飽和水突然失壓迅速汽化為蒸汽并形成壓力波，和高溫飽和蒸汽因突然失壓形成的壓力波一并向空間傳遞，如圖2-1所示。

圖2-1 汽水分離器爆裂過(guò)程

分析過(guò)程采用Bleve blast模型對(duì)汽水分離器爆裂的后果進(jìn)行計(jì)算分析，主要過(guò)程是：1）高溫高壓飽和水轉(zhuǎn)化為等溫等壓飽和蒸汽，在此過(guò)程中，高溫高壓飽和水轉(zhuǎn)化成等溫等壓的飽和蒸汽，其體積發(fā)生膨脹；2）高溫高壓蒸汽形成壓力波向外傳遞。

2.4分析計(jì)算基礎(chǔ)

汽水分離器完全破裂發(fā)生頻率參考GB/T37243《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》附錄C中表C.2 “固定的帶壓容器和儲(chǔ)罐泄漏頻率值”，按帶壓容器取完全破裂頻率6x10-6/年。

采用定量風(fēng)險(xiǎn)分析軟件 DNV GL Safeti中的Bleve blast 模型計(jì)算汽水分離器爆炸引發(fā)的超壓，計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2-1所示。

表2-1 汽水分離器爆炸分析計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.5 分析計(jì)算結(jié)果

通過(guò)分析計(jì)算，可以得到如表2-2所示的汽水分離器爆裂超壓計(jì)算結(jié)果，爆炸超壓值為距離汽水分離器中心點(diǎn)相應(yīng)距離處的爆炸沖擊波壓力值。由于數(shù)據(jù)較多，表2-2僅體現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)。同時(shí)，通過(guò)數(shù)值擬合可以得到如圖2-2所示的汽水分離器爆炸超壓值與距離對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖。

表2-2 汽水分離器爆裂超壓計(jì)算結(jié)果

圖2-2 汽水分離器爆炸超壓值與距離對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖

從圖2-2可知，汽水分離器爆炸超壓值與距離并不是線性關(guān)系，距離越近，爆炸超壓值越大，曲線越陡峭；當(dāng)距離增加到一定數(shù)值之后，數(shù)值變化率較小，爆炸超壓值曲線變得較為平緩；當(dāng)距離繼續(xù)增加后，爆炸超壓值趨近于零。

根據(jù)本項(xiàng)目CEPA平臺(tái)總體布置情況，生活樓防爆墻與最西側(cè)一臺(tái)蒸汽鍋爐設(shè)備邊緣間距為30米，汽水分離器中心與鍋爐橇邊緣間距為1.55米，故生活樓防爆墻與汽水分離器爆炸中心點(diǎn)距離為31.55米。通過(guò)查詢圖2-2擬合曲線，距離31.55米對(duì)應(yīng)的爆炸超壓值為0.998bar。即最西側(cè)一臺(tái)蒸汽鍋爐的汽水分離器爆炸產(chǎn)生的沖擊波作用在生活樓防爆墻上的壓力值為0.998bar，此數(shù)值即為本項(xiàng)目生活樓防爆墻的抗爆壓力值。

3 結(jié)論

在稠油熱采開發(fā)綜合處理平臺(tái)上，由于設(shè)置有多臺(tái)蒸汽鍋爐，為確保生活樓結(jié)構(gòu)安全，需要在生活樓面向蒸汽鍋爐的一側(cè)設(shè)置防爆墻，該防爆墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重要輸入數(shù)據(jù)為抗爆值，而抗爆值的確定需要通過(guò)搭建蒸汽鍋爐爆炸分析模型計(jì)算得出。但有一點(diǎn)值得注意，抗爆值越高，防爆墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度越大，材料采辦和施工成本越高，通常在出現(xiàn)超過(guò)1.5bar的抗爆值時(shí)便不推薦按此抗爆值開展防爆墻設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)而建議調(diào)整平臺(tái)總體布局，增大生活樓與蒸汽鍋爐的距離以降低抗爆值。因此，在平臺(tái)總體布置時(shí)，在條件允許的情況下，要盡可能將生活樓遠(yuǎn)離蒸汽鍋爐布置，一方面降低防爆墻設(shè)計(jì)難度，另一方面從空間布置上盡可能提高生活樓本質(zhì)安全，降低人員傷害風(fēng)險(xiǎn)。