火炬泄放對半潛式平臺總體布置方案的影響

梅華東， 劉 晶， 張振友， 李 豫， 馬邦勇， 陳 靜

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

0 引 言

在海洋平臺石油天然氣生產(chǎn)過程中，通常會放空天然氣至火炬燃燒，以避免天然氣直接排入大氣對環(huán)境造成影響。天然氣在燃燒過程中會產(chǎn)生熱輻射，熱輻射水平過高對人員操作和平臺設(shè)施都有危害[1-2]。因此，在平臺總體布置過程中，需要充分考慮火炬朝向、主風向等影響因素，確定火炬方位，然后根據(jù)平臺的總體布置要求，核實哪些設(shè)施需遠離火炬布置，哪些可以就近布置。對于無法避免的近距離布置設(shè)施，應(yīng)進行詳細的火炬熱輻射分析，以確定設(shè)施抗熱輻射和高溫的能力，同時也應(yīng)考慮人員操作時熱輻射和高溫的影響。以陵水17-2深水半潛式平臺總體布置為例，重點研究火炬熱輻射和高溫對半潛式平臺設(shè)施布置的影響，并提供幾種避免熱輻射問題的應(yīng)對措施。

1 海洋平臺火炬長度確定

1.1 泄放工況選取

對于半潛式平臺，最小化火炬長度對平臺重量、重心控制具有重要意義。天然氣在泄放和燃燒過程中會產(chǎn)生噪聲和熱輻射，過高的噪聲和熱輻射水平對人員操作和平臺設(shè)施都有危害。泄放流體中含有少量硫化氫，其在燃燒過程中產(chǎn)生的二氧化硫等有害氣體隨燃燒氣體擴散，都要求火炬頭保持對平臺足夠的安全距離。火炬長度和角度計算需要考慮上述影響因素，以選取最優(yōu)平臺位置和火炬臂長度。

陵水項目為高壓氣田，火炬系統(tǒng)設(shè)置高壓聲速火炬和低壓管式火炬兩個火炬頭，滿足不同壓力泄放源的需求?；鹁嫒紵狗虐凑者B續(xù)泄放和緊急泄放工況分別計算。連續(xù)工況選取閃蒸氣壓縮機維護或故障情況下，一級分離器連續(xù)放空天然氣至高壓火炬燃燒，二級、三級分離器連續(xù)放空天然氣至低壓火炬燃燒。緊急工況選取生產(chǎn)甲板火災(zāi)情況下，生產(chǎn)甲板上高操作壓力設(shè)施泄壓閥(Blowdown Valve,BDV)泄放、主甲板高操作壓力設(shè)施BDV延時5 min泄放工況。BDV泄放計算原則為15 min將高壓設(shè)施泄壓至設(shè)計壓力一半或泄壓至690 kPa。15 min后，設(shè)備壓力降低，泄放至火炬系統(tǒng)的天然氣量將大幅減少。根據(jù)流程設(shè)備上BDV、壓力安全閥(Pressure Safety Valve,PSV)泄放計算，火炬系統(tǒng)緊急工況最大泄放量為3.1×105m3/h，火炬系統(tǒng)連續(xù)工況最大泄放量為15 905 m3/h。

1.2 感受點選取

火炬臂長度計算采用Flaresim 5.0軟件，根據(jù)半潛式平臺上人員活動范圍及軟件中計算感受點三維定位方法，選取7個分析感受點，感受點及其相對位置坐標如下：

感受點R1?；鹁姹鄹?，坐標(北：0 m，東：0 m，高度：2.0 m)。

感受點R2。外輸滾筒頂部，坐標(北：0 m，東：16.0 m，高度：11.0 m)。

感受點R3。起重機操作室，坐標(北：-36.3 m，東：-30.0 m，高度：15.6 m)。

感受點R4。乙二醇脫鹽再生模塊頂甲板，坐標(北：-1.7 m，東：0 m，高度：29.0 m)。

感受點R5。西側(cè)救生艇，坐標(北：0 m，東：-10.0 m，高度：2.0 m)。

感受點R6。漂浮軟管，坐標(北：49.5 m，東：0 m，高度：-30.0 m)。

感受點R7。穿梭油船，坐標(北：100.0 m，東：0 m，高度：-20.0 m)。

部分感受點及火炬系統(tǒng)在組塊總圖上位置如圖1所示。

圖1 火炬頭與各感受點相對位置

1.3 環(huán)境參數(shù)

陵水海域環(huán)境空氣溫度為11.0 ℃～38.2 ℃，空氣濕度為14%～100%。選擇環(huán)境溫度為38.2 ℃、空氣濕度為14%進行計算。同時，計算結(jié)果還考慮疊加中國南海海域太陽輻射強度為0.79 kW/m2和環(huán)境噪聲為60 dB。

風對燃燒過程中火焰方向和長度影響較大，計算覆蓋組塊上作業(yè)人員活動的風速范圍，分別選取風速為1 m/s、10 m/s和15 m/s等3個工況。

1.4 計算方法

海洋平臺火炬系統(tǒng)的熱輻射計算主要包括點源和擴散源兩種原理，廣泛應(yīng)用Flaresim API，Strict API和Mixed等3種模型[3-6]。

Flaresim API采用基于火焰形狀的矢量方法，可以定義單個或多個火焰點進行模擬，多點計算更加精確[7-8]。

Stric API 基于曲線繪圖方法來尋找火焰等效點，僅適用于垂直火炬頭，依據(jù)規(guī)范API RP 521，可用Hajek和Ludwing經(jīng)驗公式進行計算：

(1)

式中：D為從火炬中心至感受點之間的最小距離，m；τ為熱強度傳導(dǎo)因數(shù)；F為熱輻射因數(shù)；Q為釋放熱量(低熱值)，kW；K為允許的熱輻射，kW/m2。

Mixed方法結(jié)合點源與擴散源兩種原理，在遠近距離區(qū)域的輻射模擬都比較精確，為常用的計算方法，熱輻射計算公式為

Kims=aKips+(1-a)Kids

(2)

式中：Kims、Kips、Kids分別為Mixed方法、點源法、擴散源法的熱輻射值；a為經(jīng)驗常數(shù)。

在陵水項目計算中，選擇25個火焰點個數(shù)的Flaresim API和Mixed兩種方法，模擬火焰形狀和火炬輻射強度計算。

根據(jù)陵水項目結(jié)構(gòu)特點，選取火炬臂與主甲板呈45°外伸，在上述泄放量、感受點位置、環(huán)境參數(shù)和計算方法下，計算火炬臂長度為70 m。15 m/s風速下的緊急工況最大泄放量工況是計算火炬臂長度的控制工況。在控制工況下熱輻射6.31 kW/m2等強度半徑如圖2所示。

圖2 緊急工況最大泄放量在15 m/s風速下熱輻射強度

2 火炬泄放影響分析

根據(jù)API STD 521規(guī)范[9]，人員長時間工作可接受熱輻射強度為1.58 kW/m2，人員穿戴適宜的勞保用品，在緊急情況下2～3 min內(nèi)可承受熱輻射強度為4.73 kW/m2，30 s內(nèi)可承受熱輻射強度為6.31 kW/m2，在任何情況下人可到達的地方熱輻射強度不可超過9.46 kW/m2，可接受的噪聲標準為115 dB。在Flaresim軟件中計算的感受點處溫度為鋼材表面溫度，對于計算溫度過高超過設(shè)備耐受溫度的，需要根據(jù)設(shè)備實際材料物性計算設(shè)備表面溫度和設(shè)備內(nèi)部溫度。

按照第1節(jié)所述方法和軟件進行分析，7個感受點控制工況下的熱輻射、噪聲和溫度結(jié)果如表1和表2所示。

表1 連續(xù)工況下各感受點熱輻射、噪聲和溫度分析結(jié)果

表2 緊急工況下各感受點熱輻射、噪聲和溫度分析結(jié)果

續(xù)表2 緊急工況下各感受點熱輻射、噪聲和溫度分析結(jié)果

由于緊急泄放量比連續(xù)泄放量增加約20倍，由表1和表2可知：在緊急泄放工況下火炬燃燒產(chǎn)生的熱輻射、噪聲和溫度水平都比連續(xù)泄放下各指標有較大提高，但并未按比例提高；在同一泄放工況下噪聲水平僅與感受點距離相關(guān)；在同一泄放工況下溫度水平對風速非常敏感，在風速增大情況下感受點溫度快速降低。

3 火炬泄放對平臺布置的影響

3.1 火炬泄放對設(shè)備操作的影響

距離火炬鄰近的設(shè)備如起重機由于人員操作頻繁，需重點考慮火炬泄放對設(shè)備暴露區(qū)域人員操作的影響。將起重機駕駛室設(shè)置為感受點R3進行輻射強度分析。從分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：起重機駕駛室滿足連續(xù)工況熱輻射要求，溫度偏高，最高為66.23 ℃；在緊急泄放工況下，熱輻射和溫度都較大，人員需盡快撤離。由于起重機駕駛室內(nèi)設(shè)置空調(diào)，且連續(xù)工況為閃蒸氣壓縮機故障切換期間，為非正常生產(chǎn)工況，不影響平臺的正常吊裝作業(yè)。

乙二醇脫鹽再生模塊頂部設(shè)置船體船艙放空操作平臺，用于放置船艙透氣閥組。作業(yè)者需要定期登操作平臺進行透氣閥組的維護。此處接近火炬的最高位置，將放空操作平臺設(shè)置為感受點R4進行輻射強度分析。由表1可知，在連續(xù)工況下，在此感受點處熱輻射強度超出標準要求，金屬表面在輻射影響下溫度也較高，但此處僅為作業(yè)者長周期的巡檢。當閃蒸氣壓縮機故障后，作業(yè)者需及時撤離此操作平臺。在正常巡檢登操作平臺時，需要觀察火炬燃燒情況，并與中控確認火炬系統(tǒng)泄放量及其他操作參數(shù)。

緊急工況下平臺R1感受點處的溫度和噪聲數(shù)值如圖3和圖4所示。從圖3的溫度的等溫半徑顯示情況可以確定距離火炬頭一定距離及高程的鋼結(jié)構(gòu)表面溫度區(qū)間，采用就高原則評價與鋼結(jié)構(gòu)直接連接的設(shè)施耐高溫技術(shù)要求。圖4顯示的是距離火炬頭不同距離即高程的外場噪聲情況，參考規(guī)范要求，對超過噪聲標準的區(qū)域采取人員防護措施。

圖3 緊急工況感受點溫度計算

圖4 緊急工況感受點噪聲強度計算

3.2 火炬泄放對外輸系統(tǒng)的影響

陵水半潛式平臺為立柱儲油平臺，處理的合格凝析油通過動力定位穿梭油船定期外輸，主甲板設(shè)置一個凝析油外輸系統(tǒng)，內(nèi)含外輸滾筒、液壓動力單元(Hydraulic Power Unit,HPU)、1條215 m 雙骨架層外輸漂浮軟管(含軟管側(cè)閥門)、系泊滾筒和系泊纜、控制系統(tǒng)等。

火炬與外輸滾筒都位于平臺西北側(cè)，在正常和事故工況下，存在火炬熱輻射影響軟管使用壽命風險；外輸滾筒需要人員通過甲板通道進入滾筒旁操作室操作，存在火炬熱輻射影響人員操作風險。在正常生產(chǎn)時，外輸滾筒纏繞在滾筒上，最高點距主甲板11 m，即感受點R2，可以發(fā)現(xiàn)：該處連續(xù)泄放最大達1.671 kW/m2，超過人的長時間耐受值，在閃蒸壓縮機故障啟停期間，人員不能長時間操作；在緊急泄放時最大熱輻射為4.099 kW/m2，如人員在附近作業(yè)應(yīng)在2～3 min內(nèi)離開。

在連續(xù)工況和緊急工況下平臺各感受點處的輻射強度如表1和表2所示。

根據(jù)熱輻射分析結(jié)果：(1) 1 m/s風速且閃蒸壓縮機故障，滾筒位置溫度為74.4 ℃，操作間與人員走廊輻射強度滿足要求；(2) 1 m/s風速且應(yīng)急泄放，滾筒位置溫度為125.4 ℃。

外輸軟管外層為橡膠層，可在75 ℃環(huán)境工作3 a、 120 ℃下工作數(shù)周，溫度高達130 ℃時半小時內(nèi)不會影響軟管設(shè)計壽命。

根據(jù)溫度分析結(jié)果，R2處鋼材表面溫度較高，因此，外輸滾筒應(yīng)盡可能遠離火炬正下方，綜合考慮往外側(cè)進行平移，同時考慮到橡膠本身的吸熱和傳熱效率低，在更換材質(zhì)參數(shù)重新計算后，軟管表面溫度可滿足要求。經(jīng)過設(shè)計調(diào)整，外輸滾筒及系纜點北移后，軟管的溫度滿足要求。

在外輸作業(yè)時，穿梭油船安全區(qū)間角為0°～225°，半潛式平臺和動力定位油船間距為110 m，外輸軟管漂浮在海面上進行輸油作業(yè)，外輸軟管按感受點R6進行評估。由表1和表2可知，R6的熱輻射和溫度都小于R2，布置方案滿足要求。外輸作業(yè)半潛式平臺與動力定位油船的位置如圖5所示。

圖5 外輸工況下漂浮軟管相對位置

3.3 火炬熱輻射對應(yīng)急逃救生設(shè)施布置的影響

陵水半潛式平臺組塊南北兩側(cè)未完全覆蓋浮箱，處于立柱內(nèi)側(cè)，救生艇下放存在無法駛離的風險，因此總體布置考慮東西側(cè)設(shè)置救生艇，火炬正下方偏南設(shè)有集合區(qū)及救生艇甲板(感受點R5)。在緊急情況下，如平臺觸發(fā)逃生指令，同時平臺東側(cè)救生艇不能正常下放，作業(yè)人員使用平臺西側(cè)救生艇進行逃生。

火炬在緊急泄放時西側(cè)集合區(qū)熱輻射為3.591 kW/m2， 鋼材表面溫度為116.3 ℃，超過人員長時間耐受輻射強度和溫度。為滿足人員逃生時30 min的集合時間，需要采取一定防護措施。為減少對整體方案的影響，經(jīng)綜合評估設(shè)置整體熱輻射緩解設(shè)施，用于人員集合逃生準備。具體構(gòu)成如圖6和 圖7所示，設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)，防火隔熱棉及防護網(wǎng)，在緊急逃生情況下人員快速進入該區(qū)域，避免熱輻射灼傷，防護網(wǎng)也可對人員進行高溫隔離保護，其出口與登艇口距離約6 m，人員穿戴合適勞保滿足熱輻射暴露登艇需求。

圖6 熱輻射防護三維示例

圖7 熱輻射防護設(shè)施

4 結(jié) 論

半潛式油氣平臺總體布置是一項系統(tǒng)性的工作，各個設(shè)施的布置需綜合考慮各種因素，其中火炬的長度、位置的確定非常關(guān)鍵，對平臺設(shè)備的操作、設(shè)施安全、人員逃救生都有重要影響，在設(shè)計階段進行詳細評估非常重要，具體如下：

(1) 確定火炬分區(qū)泄放原則，合理減少火炬泄放量；

(2) 對火炬下方操作頻繁的設(shè)備進行重點關(guān)注，特別是在數(shù)小時連續(xù)泄放的工況下，需明確操作需求并落實具體措施；

(3) 對溫度敏感的設(shè)備設(shè)施進行重點評估，避免設(shè)施快速老化及出現(xiàn)安全隱患；

(4) 充分考慮火炬設(shè)置產(chǎn)生高溫、熱輻射對人員逃救生的影響。