海洋石油固定平臺大氣放空系統研究范文

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摘要：大氣放空作為海洋石油平臺最常見的系統之一，有諸多工程實踐應用。以固定式海洋石油平臺為例，大氣放空主要有少量間歇性氣體大氣排放、事故工況排放兩種形式。安全生產是工程實踐中的首要準則，大氣放空系統在環境法規允許的前提下可直接將含有少量烴類的蒸氣安全排放至大氣中。為實現大氣放空系統設計最優化，本文針對兩種排放形式，以安全生產為主，結合工程實踐經驗，定性分析排放管系設計的影響因素；同時結合PHAST軟件的應用，定量分析計算事故工況排放的放空管線設計，為大氣放空系統設計提供參考。

關鍵詞：海洋石油固定式平臺；安全生產；大氣放空；間歇性排放；事故工況排放；PHAST

引言

海洋石油平臺（OffshorePlatforms）是用于海上開采、處理、儲存石油天然氣的大型鋼結構物，按其結構特性和工作狀態，可分為固定式、活動式和半固定式三大類。中國海洋石油工業發展始于1957年對鶯歌海的油氣探索，依托1982年成立的中國海洋石油總公司，至今已建立完善的上下游全產業鏈。其中固定式平臺作為主力產品，在海洋石油工業中占據重要地位。本文以海洋石油固定平臺為主要研究對象，從設計理念、安全生產、人員防護等方面，深入分析和研究大氣放空系統，旨在實現大氣放空系統設計最優化。

1大氣放空系統分類

與陸地采油/化工廠不同，海洋石油平臺鉆采生產及處理流程相對簡化，但空間狹小有限，類似孤島型設施，具有技術復雜、投資高、風險大等特點，安全生產是首要準則。不同于將可燃性氣體燃燒的火炬系統，大氣放空系統在環境法規允許的前提下可直接將含少量烴類蒸氣安全排放至大氣中。根據國內外海上油氣設計經驗，大氣放空系統主要分為兩種類型：（1）少量間歇性排放氣體的大氣排放。（2）事故工況排放，不采用火炬燃燒的形式，而采用冷放空臂形式。這兩種大氣放空系統形式在海洋油氣田工程中均得到不同程度的應用，其中第一種形式由于其設計簡單、經濟，廣泛應用于各類固定平臺；第二種形式設計相對復雜，需借助專業的軟件進行定量分析計算，用于鎖定設計方案。

2間歇性排放

少量間歇性排放的大氣放空系統，主要取決于放空管線路由，設計時需綜合考慮和分析下列因素：氣體的速度和溫度；氣體相對分子質量和泄放量；主導風向；附近布置的設施情況；排放物進入大氣的高度。通常，大氣放空管線的設計尺寸應使排放速率達到500ft/s（約150m/s），從而形成紊流與空氣混合，達到稀釋的效果，使放空管高度或長度要使某一點的最大可燃氣體濃度在可燃低限的10%~50%范圍內。APIRP520中規定，典型烴類氣體被稀釋到可燃極限下限的高度或長度，出現在排放管軸線距離排放管末端120倍管直徑處。而烴類氣體被空氣稀釋到質量含量約為3%后，形成的混合物濃度將達到或低于可燃極限下限。不同于陸地石油化工，海洋平臺空間十分有限，設備布置集中。為避免含有可燃氣的放空氣體影響安全生產，主導風向也是放空管線路由設計的重點考慮因素。主導風向是海洋平臺場址處，風頻最大的風向角的范圍。風向角的范圍一般在連續45°左右，對于以16方位角表示的風向，主導風向一般是指連續2~3個風向角的范圍[1]。主導風向是海洋平臺設計基礎中水文氣象條件的一部分，影響平臺總體布置，通常以“風玫瑰”的形式標示于平面布置圖上，用于設備及管線布置的參考。含有可燃氣的放空管線，原則上應布置于平臺主導風向的下風向，且盡量位于平臺外邊緣，以避免可燃氣被風吹回平臺內部而成為安全隱患。通常，海洋平臺上設置的冷放空管，至少要與放空排出點的高度相同的所有結構物或設備相距15m的水平間隔，以防止可燃氣體到達高結構物。此外，針對海洋平臺孤島型設施的特點，根據放空管內介質的危害性，由高至低可分為可燃氣、有毒、有異味三個等級。海洋平臺常見設備大氣放空管線內介質及其危害性分析，如表1所示。在實際工程實踐中，安全生產為首要目標，既包括設施設備的安全，又包括人員的安全；此外，有異味作為人員的主觀感受，也應充分得到考慮。工程設計中應依據上述設計原則，并結合表1的介質分析，合理設計放空管線路由，確保安全生產及操作維修順利進行。

3事故工況排放

對于事故工況排放的大氣放空系統設計，放空管線需依托專門設計的放空臂，通常伸出平臺外緣，并與水平方向呈一定角度向上抬起。此類放空臂的設計相對復雜，需借助專業的軟件計算作為支持，用以鎖定設計方案。本文以廣泛應用于海洋工程設計的DNVPHAST軟件為例，介紹此類放空臂的設計方法如下。PHAST軟件，全稱ProcessHazardAnalysisSoftwareTool，即工藝危險源分析軟件工具。其主要功能是通過軟件中的數學模型模擬和預測油氣田產生的安全事故危險及后果和影響，這其中包括閃火、噴火、池火、火球、爆炸、氣體擴散等。冷放空臂設計相關的計算，主要使用其氣體擴散模擬功能得出可燃氣體擴散曲線（輪廓），核算不同工況下（工況組合詳見下述步驟2，具體可根據項目需求與甲方協商確定）可燃氣體擴散對海洋平臺（包括直升機甲板、位于平臺危險區內的感受點/探測點等）的影響，以最終確定放空臂角度和長度，以及冷放空管線末端朝向。基本計算步驟簡要介紹如下。（1）根據項目工藝設計基礎、管徑計算原則等，計算出放空管線管徑。（2）根據項目需求，以燃燒上限（如20%LFL、100%LFL，也可根據項目要求提高要求，如10%LFL）、風速（如2m/s、5m/s、9m/s等）、工況（如正常放空、緊急泄放、吹掃泄放等）、放空管線末端朝向（如與水平成90°、60°、45°、30°等，可根據放空管線路由自行選取若干數值）四個因素，組合出若干計算工況，如20%LFL+2m/s+正常放空+90°、100%LFL+9m/s+吹掃泄放+30°等。（3）選取步驟2中的一個工況，從HYSYS軟件模擬中提取放空管線工藝參數作為PHAST軟件的輸入，主要包括：流量；氣體排出速度（馬赫）；摩爾質量；化學成分。（4）將該工況下放空管線各項參數輸入至PHAST軟件，經過計算模擬，得出可燃氣體擴散曲線（輪廓），如圖1示例。選取其他工況，重復步驟（3）及步驟（4），得出多組可燃氣體擴散曲線（輪廓）。根據平臺結構預先假定的放空臂長度及豎直方向抬起角度，核實所有工況組合下，可燃氣體擴散對平臺的影響是否在可接受的范圍內（注釋1）。臨界點的選取，至少應包括直升機甲板、距離放空管線末端距離較近的若干感受點、平臺頂層甲板上的最高點等。通常以項目安全原理或甲方特定要求為準；如項目無特殊要求，則需至少滿足相關標準規范要求，如APIRP500、APIRP521、CAP437等（注釋2）。如預先假定的放空臂長度及角度無法滿足要求，則依據計算結果，重新假定長度和角度，依據前述步驟，進行計算。最終鎖定放空臂長度及豎直方向抬起角度，和放空管線末端朝向，完成設計。為便于管支架設計，優先考慮放空管線末端豎直向上。注釋1：PHAST模擬結果為二維曲線，不考慮風向影響。故擴散方向需按苛刻工況考慮，即擴散方向為朝向直升機甲板/平臺內可燃氣體感受點及探測點。注釋2：通常項目安全原理或甲方特定要求的優先級別及其要求均高過標準規范要求，如項目無特殊要求，則至少應滿足下述要求[2]：直升機甲板工作區域可燃氣體濃度不得＞10%LFL；危險區可燃氣體濃度不得＞25%LFL；危險區應設置可燃氣體探測系統，在可燃氣濃度達到20%LFL時發起報警。

4結語

通常海洋石油工程中，上述兩種類型大氣放空系統均有所涉及。本文結合工程實踐，定性、定量的分析了兩種大氣放空系統的設計指導原則及推薦做法。具體工程實踐應用中，項目合同要求為首要準則及最高優先級，同時可綜合參考標準規范及推薦做法，以實現安全生產為根本目標。

參考文獻：

[1]環境保護部.環境影響評價技術導則.大氣環境，HJ2.2-2008：北京，2008.

作者：李碩存 陳靜 程久歡 張濤 杜國強 單位：海洋石油工程股份有限公司