張克雄，毛偉志，陳 好，賈 媛

（1．森松（江蘇）海油工程裝備有限公司，上海201323；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

PIPENET水力分析在曹妃甸改造項(xiàng)目中的應(yīng)用研究

張克雄1，毛偉志2，陳 好2，賈 媛2

（1．森松（江蘇）海油工程裝備有限公司，上海201323；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

針對海上平臺消防系統(tǒng)水力分析的特點(diǎn)，本文以實(shí)際工程曹妃甸項(xiàng)目為例，簡要介紹了曹妃甸改造項(xiàng)目的消防水系統(tǒng)以及PIPENET水力分析軟件的應(yīng)用背景，重點(diǎn)論述了PIPENET在實(shí)際工程項(xiàng)目中消防水系統(tǒng)水力分析方面的應(yīng)用，并對其應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，并提出了建議。

海上平臺；PIPENET；水力分析；消防水系統(tǒng)

曹妃甸油田位于中國渤海灣西部，西距天津新港90 km，東北距唐山港60 km，所處水域水深約20m。曹妃甸油田分三期開發(fā)：一期由WGPA和WHPA兩座井口平臺和一座SPM單點(diǎn)以及一艘15萬t級的海洋石油112號浮式生產(chǎn)儲存缺貨裝置（FPSO）等設(shè)施組成，于2004年7月投產(chǎn)；二期2005年7月WHPC無人值守井口平臺投產(chǎn)；三期2006年9月WHPD井口平臺投產(chǎn)，10月WHPE和WHPF兩座無人值守井口平臺相繼投產(chǎn)，標(biāo)志著該油田完成工程建設(shè)［1］。

1 海上油田固定消防水系統(tǒng)簡介

平臺水消防系統(tǒng)主要是由消防泵、消防主管網(wǎng)、軟管站、消防泡、消防栓、噴淋閥、水噴淋系統(tǒng)等幾部分組成［2］，廣義而言還包括泡沫系統(tǒng)和生活樓水噴淋系統(tǒng)（如圖1所示）。消防水系統(tǒng)是海上生產(chǎn)設(shè)施中非常復(fù)雜的一個系統(tǒng)，它涉及的用戶多，工況復(fù)雜，如何確保消防泵的性能和管網(wǎng)的性能同時滿足各種用戶在各種工況下的工作需求，并且讓消防水系統(tǒng)配置最經(jīng)濟(jì)合理，是消防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中必須考慮的問題。因而需要進(jìn)行水力分析，在實(shí)際工程中常把消防水系統(tǒng)分成消防主環(huán)網(wǎng)和閥后噴淋系統(tǒng)兩部分進(jìn)行分別建模。

圖1 消防水系統(tǒng)示意圖

2 PIPENET軟件說明

PIPENET軟件廣泛服務(wù)于石油、天然氣、造船、化工以及電力工業(yè)等領(lǐng)域，用以進(jìn)行管網(wǎng)系統(tǒng)計(jì)算和優(yōu)化、設(shè)備選型以及事故公開水力分析，有利于提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全性，降低事故發(fā)生率，并能有效降低維護(hù)成本。PIPENET軟件包括3個 計(jì) 算 模 塊 ，Standard Module、Spray／Sprinkler Moudule和Transient Module。

本文利用了PIPENET軟件的Spray／Sprinkler Moudule模塊進(jìn)行曹妃甸WHPD平臺改造項(xiàng)目的水力分析計(jì)算。

3 曹妃甸某平臺改造項(xiàng)目的PIPENET水力計(jì)算分析

曹妃甸該平臺改造項(xiàng)目的消防水系統(tǒng)只包括消防主管網(wǎng)、軟管站、消防栓、噴淋閥、水噴淋系統(tǒng)等幾部分，由老平臺的消防泵供水。因此對于泵的校核和管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)要求較高，這就更體現(xiàn)出了做水力分析的必要性。

3．1 建模

建模依據(jù)是總圖、水消防系統(tǒng)PID、消防管網(wǎng)規(guī)劃圖或ISO圖、管道詳細(xì)參數(shù)和廠家提供的設(shè)備參數(shù)等。首先根據(jù)項(xiàng)目要求完成管道材質(zhì)、噴頭類型、泵曲線等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的輸入，然后依據(jù)PID圖和立體圖完成整個系統(tǒng)的建模。PID圖是模型搭建的主要依據(jù)，過程需要結(jié)合消防管網(wǎng)規(guī)劃圖或ISO圖確定管線的具體走向、管路附件的數(shù)量等。在完成管網(wǎng)的整體模型搭建后，需要進(jìn)行系統(tǒng)組件的建模，計(jì)算軟件一般會帶有噴頭、閥門、孔板等設(shè)備的模型。本項(xiàng)目對主環(huán)網(wǎng)和閥后噴淋系統(tǒng)進(jìn)行分別建模（如圖2、圖3）。

圖2 主環(huán)網(wǎng)水力計(jì)算模型

圖3 閥后噴淋系統(tǒng)水力計(jì)算模型

3．2 水力分析結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算得到，當(dāng)經(jīng)過改造加入2個泄露后泵14-P-8610A可以提供5．62×105Pa的壓力，泵14-P-8610B可以提供9．29×105Pa的壓力。閥后噴淋系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果見表1。

而14-X-8640C噴淋閥后的壓力需要6．84×105Pa， 但是泵14-P-8610A只能提供5．62×105Pa的壓力，不能滿足設(shè)計(jì)要求，因此需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化可以提高泵14-P-8610A的出口壓力，也可以降低噴淋閥后的壓力。根據(jù)泵14-P-8610A的特性曲線（如圖4）可得，減小流量可以使泵出口壓力提高。

表1 閥后噴淋系統(tǒng)水力計(jì)算表

圖4 泵14-P-8610A的特性曲線

管道的特性方程［3］如下：

因而閥后的壓力主要是由最不利點(diǎn)的流量以及沿程的摩阻決定的，所以主要從這兩方面調(diào)整優(yōu)化。但是設(shè)備的噴淋管線都是已經(jīng)存在的，所以優(yōu)化應(yīng)當(dāng)盡量少的更改管線。因而就考慮到改變最不利點(diǎn)噴頭的流量。噴頭流量的計(jì)算公式如下［4］：

式中：Q——噴頭的流量；

K——噴頭的K系數(shù)（廠家提供）；

P——Q流量下的噴頭壓力。

由上述公式可得，當(dāng)噴頭的K系數(shù)減小時，噴頭的流量就會相應(yīng)減少，根據(jù)廠家資料，N4W的K值為54．9，而N2W的K值為24．2，因而考慮把原設(shè)計(jì)的部分N4W的噴頭更換為N2W型號后，然后進(jìn)行建模計(jì)算，如圖5所示，計(jì)算結(jié)果見表2。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的閥后噴淋系統(tǒng)模型

計(jì)算結(jié)果表明，14-X-8640C噴淋閥后的壓力需求為5．5×105Pa，這樣泵14-P-8610A和泵14-P-8610B都能滿足設(shè)計(jì)要求。而且把N4W型號的噴頭換成N2W后水量也能滿足要求。通過上述水力分析計(jì)算達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

4 結(jié)論和建議

（1）PIPENET水力分析軟件具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價值和指導(dǎo)性，并已經(jīng)在實(shí)際項(xiàng)目中得到了應(yīng)用和推廣。

（2）從實(shí)際方案建立模型，進(jìn)行水力計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和對比，進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)際設(shè)計(jì)方案，是水力分析的總體思路。

（3）借助于PIPENET進(jìn)行水力分析，能夠較準(zhǔn)確模擬出消防系統(tǒng)的水力關(guān)系，但前提是系統(tǒng)建模的準(zhǔn)確性。

（4）建議主要依據(jù)各專業(yè)提供的資料，針對實(shí)際的流程和設(shè)備特點(diǎn)靈活建立子系統(tǒng)、組件模型是整個系統(tǒng)模型準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

表2 優(yōu)化后的閥后噴淋系統(tǒng)水力計(jì)算表

［1］ 趙軍凱，張曉冬，等．Q4 Safety在海洋石油安全管理中的應(yīng)用［J］．安全與環(huán)境工程，2008，（12）：87-91．

［2］ 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會．海洋石油工程設(shè)計(jì)概論與工藝設(shè)計(jì) ［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2007．345-351．

［3］ 姚玉英，等．化工原理［M］．天津：天津大學(xué)出版社，2003．102-103．

Application of Pipenet Hydraulic Analysis in CFD Platform

ZHANG Ke-xiong1，MAO Wei-zhi2，CHEN Hao2，JIA Yuan2
（1．Morimatsu（Jiangsu）Offshore Oil Engineering＆Equipment Co．，Ltd．，Shanghai 201323，China；2．Offshore Oil Engineering Co．，Ltd．，Tianjin 300451，China）

According to the particularity of hydraulic analysis of offshore platform，the application background of PIPENET hydraulic analysis software was introduced．The application on fire water system hydraulic analysis of PIPENET was mainly discussed．The application of PIPENET was analyzed．Suggestions were supplied．

offshore platform；PIPENET；hydraulic analysis；fire water system

TU 998.1

B

1671-9905（2011）05-0050-03

張克雄，男，高級工程師，1988年畢業(yè)于西南石油學(xué)院油氣儲運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)從事油氣水處理設(shè)備研制工作

2011-02-22