王彥瑞，趙喜峰，陳文峰，李豫

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

大型天然氣平臺(tái)火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)新思路

王彥瑞，趙喜峰，陳文峰，李豫

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

在南海某區(qū)域大型天然氣處理平臺(tái)的火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，火災(zāi)時(shí)BDV泄放為控制工況。若考慮火災(zāi)時(shí)平臺(tái)全部BDV同時(shí)泄放，泄放量將達(dá)112萬(wàn)m3/h，火炬臂長(zhǎng)度為104 m，如此長(zhǎng)的火炬臂將對(duì)于平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成較大影響。為此提出采用了分層分火區(qū)延時(shí)泄放和BDV采用備用儀表氣瓶等方法，將火炬泄放能力由常規(guī)設(shè)計(jì)的112萬(wàn)m3/h降低至81萬(wàn)m3/h，火炬臂的長(zhǎng)度由104 m縮短至90 m的設(shè)計(jì)思路。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，該方案可行。

大型天然氣平臺(tái)；火炬系統(tǒng)；分層分火區(qū)延時(shí)泄放；設(shè)計(jì)

0 引言

在海上天然氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通常伴隨有部分不可回收的天然氣產(chǎn)生。這些氣體是可燃、有毒或具腐蝕性的烴類(lèi)氣體，如果不及時(shí)將這些氣體處理掉而直接排放至大氣中，可能會(huì)造成火災(zāi)和嚴(yán)重的污染事故。設(shè)計(jì)火炬系統(tǒng)的目的就是將天然氣平臺(tái)生產(chǎn)出來(lái)的不可回收的天然氣或者生產(chǎn)設(shè)施中泄放出來(lái)的氣體輸送至安全的位置燃燒，以確保平臺(tái)的安全[1]。

火炬泄放量是指在某種事故狀態(tài)下，所有單體設(shè)備安全泄放裝置泄放量的總和。目前，國(guó)內(nèi)外推薦的設(shè)計(jì)方法主要以API RP 521為依據(jù)，對(duì)于單體設(shè)備通常需考慮的事故工況有：堵塞、火災(zāi)、氣竄、應(yīng)急釋放、儀表氣故障等[2-3]。但在確定火炬系統(tǒng)的泄放量時(shí)，不僅要分析采用何種工況，還要考慮設(shè)備在平臺(tái)上的實(shí)際布置情況。平臺(tái)設(shè)施在甲板上的布置是按照不同的安全區(qū)域來(lái)劃分的，在考慮某系統(tǒng)或設(shè)備在某種事故狀態(tài)下的泄放量時(shí)，不僅要考慮事故系統(tǒng)或設(shè)備本身的泄放量，還要考慮與其位于同一區(qū)域內(nèi)的其他設(shè)備的影響[1]。

1 火炬泄放量計(jì)算方法

南海某平臺(tái)為南海區(qū)域中心平臺(tái)，其特點(diǎn)為：處理能力大、工藝設(shè)備多、操作壓力高。當(dāng)全平臺(tái)的生產(chǎn)達(dá)到120億m3/a的設(shè)計(jì)工況時(shí)，外輸壓力高達(dá)22.7MPa。同時(shí)運(yùn)行的設(shè)備有：4臺(tái)段塞流捕集器、3臺(tái)干濕換熱器、3臺(tái)脫水塔、4套干氣壓縮機(jī)、1臺(tái)凝析油分離器、2臺(tái)凝析油聚結(jié)濾器、1臺(tái)凝析油緩沖罐、1臺(tái)燃料氣儲(chǔ)罐、4條上平臺(tái)的海管和1條去陸上終端的海管。經(jīng)過(guò)事故工況比較分析計(jì)算，確定該平臺(tái)火炬泄放能力由火災(zāi)下的BDV泄放工況控制。按照常規(guī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，當(dāng)遇到火災(zāi)時(shí)BDV將同時(shí)打開(kāi)泄放，泄放量高達(dá)112萬(wàn)m3/h，泄放速率見(jiàn)圖1。

圖1 全平臺(tái)BDV同時(shí)打開(kāi)的泄放速率

1.1 常規(guī)計(jì)算方法

火炬臂的長(zhǎng)度通常由輻射熱強(qiáng)度決定，API RP521規(guī)范中推薦的火炬輻射熱設(shè)計(jì)強(qiáng)度見(jiàn)表1。

表1 火炬輻射熱容許的設(shè)計(jì)級(jí)別

考慮到火災(zāi)下的BDV泄放為緊急工況，本項(xiàng)目采用輻射熱強(qiáng)度6.31 kW/m2作為校核條件。為了準(zhǔn)確計(jì)算中心平臺(tái)的火炬，采用Flaresim軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。在此泄放量下計(jì)算得出：火炬長(zhǎng)度為104 m、與平臺(tái)角度為45°時(shí)，火炬到平臺(tái)的輻射熱強(qiáng)度能滿(mǎn)足要求。

較詳細(xì)的模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 臂長(zhǎng)104 m火炬輻射強(qiáng)度圖

圖3 臂長(zhǎng)104 m火炬3D圖

經(jīng)火炬結(jié)構(gòu)方面校核，104 m長(zhǎng)度的火炬臂對(duì)于平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和組塊拖航將造成較大的影響。為了盡量減輕對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，合理降低火炬的設(shè)計(jì)能力顯得十分重要。

1.2 分層分火區(qū)延時(shí)泄放計(jì)算方法

通過(guò)參考?xì)づ埔?guī)范分級(jí)泄壓要求，并經(jīng)過(guò)HAZOP分析及第三方ABS論證，確定采用分層分火區(qū)延時(shí)泄放[4]的方法來(lái)降低平臺(tái)的泄放量，具體步驟如下：

當(dāng)探測(cè)到火災(zāi)信號(hào)后，所在火區(qū)的BDV優(yōu)先釋放，其他火區(qū)依次延時(shí)5min泄放。泄放的次序?yàn)椋喝羯蠈蛹装逯穑来螢橹袑?、下層泄放；若中層著火，依次為上層、下層泄放；若下層著火，依次為中層、上層泄放。若存在穿甲板或跨火區(qū)的設(shè)備（如三甘醇脫水塔和干氣壓縮機(jī)等）或同一系統(tǒng)設(shè)備分處不同火區(qū)，中間關(guān)斷閥形成分隔的，則在計(jì)算相應(yīng)的火區(qū)泄放量時(shí)也應(yīng)考慮該設(shè)備的泄放量。具體火炬泄放順序見(jiàn)表2。

表2 分層分火區(qū)延時(shí)泄放順序

當(dāng)平臺(tái)上層甲板先著火時(shí)，平臺(tái)火炬泄放速率見(jiàn)圖4。

圖4 上層甲板先著火時(shí)火炬泄放速率

當(dāng)中層甲板先著火時(shí)，平臺(tái)火炬的泄放速率見(jiàn)圖5。

圖5 中層甲板先著火時(shí)火炬泄放速率

當(dāng)下層甲板先著火時(shí)，平臺(tái)火炬的泄放速率見(jiàn)圖6。

圖6 下層甲板先著火時(shí)火炬泄放速率

分析圖4~6可知，當(dāng)上層甲板著火經(jīng)過(guò)5 min后，中層甲板上的BDV開(kāi)始泄放，此時(shí)火炬的泄放能力最大，為81萬(wàn)m3/h。經(jīng)過(guò)Flaresim模擬計(jì)算，火炬臂長(zhǎng)度可縮短至90 m。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8。

1.3 BDV增加備用氣瓶

由于BDV為儀表氣驅(qū)動(dòng)的控制閥，因此在常規(guī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，當(dāng)儀表氣失氣時(shí)，BDV閥將自動(dòng)打開(kāi)，此時(shí)火炬泄放量將與火災(zāi)工況下BDV同時(shí)打開(kāi)的泄放量基本相同。由于本項(xiàng)目已采用分層分火區(qū)延時(shí)泄放，因此為了避免該BDV因儀表氣失氣而同時(shí)打開(kāi)的工況，在每個(gè)BDV的儀表氣供氣管道的入口設(shè)置了一個(gè)備用儀表氣瓶，再在儀表氣瓶的上游管道設(shè)置一個(gè)單向閥，當(dāng)儀表氣供氣關(guān)停的時(shí)候，備用的儀表氣瓶要滿(mǎn)足打開(kāi)BDV閥3次的儲(chǔ)氣量。設(shè)置方法見(jiàn)圖9和圖10。

圖7 臂長(zhǎng)90 m火炬輻射強(qiáng)度圖

圖8 臂長(zhǎng)90 m火炬3 D圖

圖9 常規(guī)BDV閥示意

圖10 本項(xiàng)目BDV閥示意

2 結(jié)束語(yǔ)

南海某區(qū)域大型天然氣處理平臺(tái)的火炬泄放量通過(guò)采用火災(zāi)時(shí)BDV分層分火區(qū)延時(shí)泄放，BDV供氣管道上采用增加止回閥以及備用儀表氣瓶等方法，將火炬泄放能力由常規(guī)設(shè)計(jì)的112萬(wàn)m3/h，降低到81萬(wàn)m3/h，火炬臂的長(zhǎng)度由104 m降低到90 m，火炬臂質(zhì)量減輕約40 t，這對(duì)于提高平臺(tái)安全性、減少投資、降低結(jié)構(gòu)的重量、節(jié)能減排等具有重要意義。同時(shí)該項(xiàng)目采用的火炬泄放能力優(yōu)化設(shè)計(jì)原則可為今后大型天然氣平臺(tái)火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

[1]周守為，安維杰.海洋石油工程設(shè)計(jì)指南[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006.

[2]張鳳久，姜偉，孫福街，等.泄壓和減壓系統(tǒng)指南[J].中國(guó)工程科學(xué)，2011，13（5）:28-33.

[3]ANSI/API STANDARD 521-2007，Pressure-relieving and depressuring systems，F(xiàn)ifth Edition[S].

[4]DEP 80.45.10.10-1996，Pressure Relief，Emergency depressuring，flare and vent systems[S].

New DesignIdealonFlare SystemofLarge NaturalGas Platform

Wang Yanrui，Zhao Xifeng，ChenWenfeng，LiYu
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin300451，China

In the design of the flare system of a large natural gas treatment platform built in South China Sea，the control design case is BDV relief in fire disaster.If the all BDVs relive at the same time，the relief capacity is 1.12 Mm3/h，and the flare boom length needs to be 104 m，that will be a big challenge for the structure design.So，two optimized methods（i.e.adopting the delay relief at different decks with different fire zones and the spare instrument air cylinder for each BDV），are adopted to reduce the flare capacity from 1.12 Mm3/h to 0.81 Mm3/h and the flare boom length from 104 m to 90 m.The numerical simulation predicts the optimized methods are reliable.

large natural gas treatment platform；flare system；delay relief at different decks with different fire zones; design

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.03.003

王彥瑞（1981-），男，黑龍江蘭西人，工程師，2005年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事海洋石油平臺(tái)及海底管道的工藝設(shè)計(jì)工作。

2014-08-25