劉 飛

中海石油（中國）有限公司北京研究中心，北京 100028

總圖作為海洋工程中諸多專業(yè)之一，在工程方案研究及工程設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要的作用。海上石油平臺(tái)上部組塊總圖設(shè)計(jì)是將一座海洋平臺(tái)的所有組成設(shè)施，包括工藝及機(jī)械設(shè)備、配管、電氣、儀表、海工結(jié)構(gòu)、立管、生活樓、鉆完井設(shè)施等，通過合理的方案設(shè)計(jì)和空間布置，有機(jī)地組成一個(gè)整體[1]?？倛D設(shè)計(jì)的好壞，關(guān)系到海洋工程設(shè)計(jì)生產(chǎn)操作的安全性、建造安裝的可實(shí)施性、結(jié)構(gòu)在位的可靠性、生產(chǎn)操作的便捷性、建設(shè)投資的經(jīng)濟(jì)性等諸多方面，優(yōu)秀的平臺(tái)總圖設(shè)計(jì)是海工項(xiàng)目成功的重要指標(biāo)之一。

東方13-2氣田群開發(fā)工程新建一座中心處理平臺(tái)CEPB（以下簡稱DF13-2 CEPB），該平臺(tái)集鉆井、天然氣及凝析油處理、產(chǎn)品外輸、生活、動(dòng)力等功能于一體，是南海西部海域第一個(gè)采用浮托法安裝的大型綜合平臺(tái)。筆者結(jié)合自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)平臺(tái)上部組塊總圖設(shè)計(jì)的基本原則、方法、思路進(jìn)行了比較全面的分析總結(jié)，對(duì)主要設(shè)計(jì)界面及一些重點(diǎn)關(guān)注的問題進(jìn)行了分析，結(jié)合DF13-2 CEPB平臺(tái)對(duì)若干問題進(jìn)行了舉例說明，以期對(duì)今后的海洋工程開發(fā)項(xiàng)目總圖設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

1 設(shè)計(jì)原則

總圖設(shè)計(jì)原則可以概括如下。

（1）以人為本，滿足安全、消防、防火和人員逃生救生的需要[1-2]。

（2）滿足生產(chǎn)作業(yè)與設(shè)備操作維修的需要。

（3）滿足結(jié)構(gòu)合理性與海上施工的需要。

（4）力求空間利用合理、投資經(jīng)濟(jì)。

（5）結(jié)合地質(zhì)油藏特點(diǎn)考慮分期建設(shè)、后期發(fā)展的可能性，合理預(yù)留空間。如：考慮后期新建平臺(tái)的位置、預(yù)留甲板面積、預(yù)留井槽等。

2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

風(fēng)向和流向是確定平臺(tái)方位[3]和上部組塊設(shè)備布置的重要基礎(chǔ)。風(fēng)向影響可燃油氣的擴(kuò)散方向，需要保證生活樓位于常上風(fēng)向，油氣區(qū)位于常下風(fēng)向[2]；流向影響供應(yīng)船、艉輸油輪及救生艇筏的操作和方向。風(fēng)玫瑰圖、流玫瑰圖可以真實(shí)、貼切地反映一個(gè)地區(qū)的氣流情況及海流情況，圖1為DF13-2CEPB平臺(tái)所在海域的風(fēng)玫瑰圖，圖2為平臺(tái)所在海域流玫瑰圖。其中16個(gè)方向的放射扇形表示來自該方向的風(fēng)、流的頻率，放射扇形越長，表示一年當(dāng)中來自該方向的風(fēng)頻率越大、去往該方向的流頻率越大。東方13-2氣田群海域處于季風(fēng)特征顯著的氣候區(qū)，盛行風(fēng)向主要受季風(fēng)制約。冬季以偏北風(fēng)為主，夏季以偏南風(fēng)為主，從風(fēng)、流玫瑰圖可以看出，東方13-2氣田海域主風(fēng)向?yàn)镹NE、SSE，主流向?yàn)镹NW、SSE。

圖1 風(fēng)玫瑰圖

圖2 流玫瑰圖

機(jī)械設(shè)備表、工藝流程圖（PFD）、管道及儀表流程圖（PID）也是平臺(tái)總圖設(shè)計(jì)的重要設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。機(jī)械設(shè)備表提供了所有工藝、機(jī)械設(shè)備的長、寬、高尺寸，設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)備類型等；設(shè)備布置需考慮將同類設(shè)備集中布置，工藝設(shè)備盡可能按照工藝流程的順序依次布置，以減少設(shè)備間的配管長度；依據(jù)工藝PID，判斷設(shè)備周邊管道、閥門占用的配管空間。

除此之外，總圖設(shè)計(jì)還應(yīng)針對(duì)一些生產(chǎn)需求，征求生產(chǎn)方意見，如：生產(chǎn)物資和藥劑存儲(chǔ)、現(xiàn)場工作間（實(shí)驗(yàn)室、機(jī)修間、電/儀間等）的設(shè)置、供應(yīng)船操作習(xí)慣以及吊機(jī)的操作需求等。

3 設(shè)計(jì)界面

總圖設(shè)計(jì)成果是多專業(yè)設(shè)計(jì)成果的集中體現(xiàn)，如何處理好多專業(yè)的設(shè)計(jì)需求，并將其融合成一個(gè)有機(jī)的整體，是總圖工程師的一項(xiàng)基本專業(yè)要求?？倛D諸多設(shè)計(jì)界面的確定需要多輪反復(fù)的工作，掌握一定的相關(guān)專業(yè)知識(shí)，并與相關(guān)專業(yè)形成良好的專業(yè)互動(dòng)，是做好界面管理和界面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。總圖設(shè)計(jì)的主要相關(guān)專業(yè)界面內(nèi)容總結(jié)如表1所示。

表1 總圖相關(guān)專業(yè)界面內(nèi)容

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 平臺(tái)主尺度的確定

平臺(tái)上層甲板布置如圖3所示。

圖3 DF13-2CEPB上層甲板

平臺(tái)上部組塊的安裝方式及一些主要設(shè)施的布置決定了平臺(tái)的甲板主尺度，如：井口區(qū)、模塊鉆機(jī)、電站、生活樓等大型設(shè)備設(shè)施在總圖設(shè)計(jì)中需要優(yōu)先進(jìn)行考慮。以DF13-2 CEPB平臺(tái)為例，其上部組塊包括模塊鉆機(jī)、生活樓及火炬臂等設(shè)施，擬整體采用HYSY229駁船進(jìn)行浮托安裝，其進(jìn)船方向槽口寬度要求為48 m，可選擇在導(dǎo)管架工作點(diǎn)A、B軸之間或?qū)Ч芗芄ぷ鼽c(diǎn)2、3軸之間兩個(gè)方向進(jìn)船，結(jié)合DF13-2CEPB平臺(tái)所在海域水深及導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)推薦采用2、3軸之間進(jìn)船，并推薦導(dǎo)管架1、2、3、4軸之間的間距分別為12、48、12 m。

平臺(tái)上層甲板空間不受甲板層高的限制，通常用于布置大型設(shè)備或設(shè)施，如：模塊鉆機(jī)、電站、生活樓等。DF13-2 CEPB平臺(tái)設(shè)計(jì)有24個(gè)井槽，由模塊鉆機(jī)進(jìn)行鉆完井和修井作業(yè)，平臺(tái)電力由3臺(tái)大功率燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)提供，并設(shè)有一座120人的生活樓。因此平臺(tái)上層甲板需要考慮位于井口區(qū)上方的模塊鉆機(jī)（DES）、支持模塊（DSM）、透平電站、生活樓的布置空間，除此之外，上層甲板需考慮為后期預(yù)留的天然氣壓縮機(jī)預(yù)留空間。因此，位于上層甲板DES、DSM、電站、生活樓及天然氣壓縮機(jī)的總體布置就基本決定了整個(gè)平臺(tái)的主體尺度?？紤]井口區(qū)的井槽排列及合理的甲板外延，并綜合考慮平臺(tái)組塊偏心，最終確定上層甲板的總體布置，導(dǎo)管架工作點(diǎn)間距推薦為（12 m+48 m+12 m）×22 m。

4.2 設(shè)備分區(qū)

海上油氣田生產(chǎn)的油氣屬于易燃、易爆物質(zhì)，為確保生產(chǎn)安全，平臺(tái)設(shè)備布置時(shí)應(yīng)將有限的甲板劃分為危險(xiǎn)區(qū)和非危險(xiǎn)區(qū)，將井口區(qū)、油氣生產(chǎn)處理區(qū)、含有易燃、易爆物質(zhì)的危險(xiǎn)設(shè)備布置在危險(xiǎn)區(qū)，將公用設(shè)備和生活區(qū)布置在非危險(xiǎn)區(qū)，在危險(xiǎn)區(qū)和非危險(xiǎn)區(qū)之間設(shè)置防火墻或防爆墻進(jìn)行分隔。在設(shè)備分區(qū)布置時(shí)，常年主導(dǎo)風(fēng)向是非常重要的因素，通常根據(jù)常年主導(dǎo)風(fēng)向?qū)踩珔^(qū)布置在上風(fēng)向；將危險(xiǎn)區(qū)布置在下風(fēng)向。

為便于設(shè)備分區(qū)，可以將平臺(tái)上的諸多設(shè)備歸納為燃料源和點(diǎn)火源[4]兩類，典型的燃料源與點(diǎn)火源見表2。通過防火爆炸分析研究可以進(jìn)一步得出防火/防爆墻的抗壓值，并對(duì)防火/防爆墻的布置提出合理建議。

表2 典型的燃料源與點(diǎn)火源

以DF13-2 CEPB中層甲板設(shè)備分區(qū)為例。如圖4所示，其中層甲板分別在2軸和3軸西側(cè)設(shè)置有2道防火墻，其中3軸西的防火墻用于將安全區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)隔離開，2軸防火墻將危險(xiǎn)區(qū)又細(xì)分為井口區(qū)和生產(chǎn)區(qū)，在2軸設(shè)置防火墻將危險(xiǎn)區(qū)一分為二，可以減小最大火區(qū)的面積，從而降低消防泵的排量。另外，在井口區(qū)或者生產(chǎn)區(qū)某一處發(fā)生火災(zāi)的情況下，2軸防火墻均可以有效降低火災(zāi)的蔓延速度，從而增加滅火反應(yīng)時(shí)間，降低事故等級(jí)。安全區(qū)的設(shè)施主要包括電氣房間和公用設(shè)備兩大類，電氣房間中的電氣設(shè)備以及電纜屬于點(diǎn)火源，將公用設(shè)備如淡水、柴油、公用風(fēng)/儀表風(fēng)橇等設(shè)施布置在燃料源（生產(chǎn)區(qū)）和點(diǎn)火源（電氣房間）之間可以起到較好安全緩沖過渡作用。另外，公用設(shè)備及配套的淡水泵、柴油泵等機(jī)電設(shè)備位于安全區(qū)，可以無需防爆，從而降低設(shè)備成本。

圖4 DF13-2CEPB中層甲板

4.3 設(shè)備操作維修

在總圖設(shè)計(jì)中需要考慮平臺(tái)上的設(shè)備設(shè)施具有較強(qiáng)的可操作性，如在供應(yīng)船靠船、吊機(jī)配置及布置位置、卸貨甲板設(shè)置、設(shè)備操作維修空間、預(yù)留設(shè)備的安裝等方面是否滿足設(shè)計(jì)要求。海洋平臺(tái)設(shè)備布置需要考慮設(shè)備之間及設(shè)備上方是否留有足夠的操作維修空間，以滿足設(shè)備的正常維護(hù)運(yùn)轉(zhuǎn)及配件更換需要，并考慮大型設(shè)備及備件的轉(zhuǎn)運(yùn)通道。平臺(tái)上層甲板的設(shè)備維修和物資轉(zhuǎn)運(yùn)主要依靠平臺(tái)吊機(jī)；中層、下層甲板由于吊機(jī)無法直接覆蓋，設(shè)備維修和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)則主要依靠設(shè)置滑軌天車（monorail）、臨時(shí)電動(dòng)或手動(dòng)葫蘆等方式，將設(shè)備或維修部件轉(zhuǎn)運(yùn)至該層甲板的卸貨區(qū)，再通過平臺(tái)吊機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至供應(yīng)船或其他甲板。

另外，有時(shí)中層甲板或下層甲板也可以采用在設(shè)備上方設(shè)置維修窗口的方式，來解決層高不足或無法使用吊機(jī)的問題。如:某平臺(tái)海水提升泵布置在下層甲板，在海水提升泵上方的中層甲板和上層甲板均設(shè)置維修窗口，海水提升泵的維修就可以直接使用平臺(tái)吊機(jī)進(jìn)行提泵作業(yè)；某平臺(tái)在中層甲板清管球發(fā)射器的尾部設(shè)置維修窗口，可以使用吊機(jī)來輔助進(jìn)行發(fā)球作業(yè)，在清管球發(fā)射器前的管道緊急關(guān)斷閥上方設(shè)置維修窗口，可以使用吊機(jī)來進(jìn)行大型閥門的維修作業(yè)。

在海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)的后期，應(yīng)當(dāng)出具詳細(xì)的設(shè)備維修報(bào)告，明確主要設(shè)備的維修及備品備件更換吊裝方案和更換路徑。

海洋平臺(tái)主要設(shè)備操作維修空間及起重要求如表3所示。

大型壓縮機(jī)組、燃?xì)馔钙匠诵枰紤]設(shè)備的操作維修以外，還須考慮設(shè)備振動(dòng)和噪音的問題，振動(dòng)設(shè)備盡可能布置在導(dǎo)管架工作點(diǎn)以內(nèi)，以減少振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；同時(shí)，也盡可能遠(yuǎn)離生活樓，以減少噪音影響。

5 設(shè)備擁塞程度

近年來，國際油價(jià)急劇下跌，海工設(shè)計(jì)對(duì)成本控制更加嚴(yán)格，控制海上平臺(tái)甲板尺度成為總圖設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要任務(wù)。但總圖設(shè)計(jì)過于緊湊，設(shè)備擁塞程度過高，容易導(dǎo)致可燃?xì)怏w積聚，增大火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)，并且當(dāng)爆炸發(fā)生時(shí)，由于爆炸壓力沒有足夠的空間予以釋放，會(huì)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的破壞，對(duì)平臺(tái)人員的人身安全造成較大的威脅。因此，總圖設(shè)計(jì)除了嚴(yán)格遵循安全規(guī)范以外，在設(shè)計(jì)階段還需要進(jìn)行火災(zāi)爆炸分析（FEA）、危險(xiǎn)源識(shí)別（HAZID）、危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP）、氣體擴(kuò)散分析、落物分析等安全分析，通過定性或定量的安全分析手段，對(duì)平臺(tái)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析識(shí)別[5-7]，并給出指導(dǎo)意見，對(duì)總圖設(shè)計(jì)的安全風(fēng)險(xiǎn)是否在可接受范圍內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證和檢查。

表3 典型設(shè)備操作空間和維修要求

另外，國內(nèi)亟需開展一系列模擬研究或利用多個(gè)實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目定量類比研究等，探索并總結(jié)一套簡單易用的設(shè)備擁塞度定性判斷標(biāo)準(zhǔn)，用于早期設(shè)計(jì)階段對(duì)平臺(tái)的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性評(píng)估，以指導(dǎo)早期設(shè)計(jì)的合理性，如：界定某區(qū)域設(shè)備所占面積占該區(qū)域總甲板面積的比值上限、界定單位面積設(shè)備重量與配管重量之和的上限，在設(shè)計(jì)早期不具備進(jìn)行FEA等安全分析的條件時(shí)，通過計(jì)算這些參數(shù)是否在界定的范圍之內(nèi)，來定性判別設(shè)備布置的擁塞程度和平臺(tái)的火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)，從而指導(dǎo)總圖設(shè)計(jì)。

某國外知名海洋工程設(shè)計(jì)公司的擁塞度判定標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）設(shè)備所占面積與甲板總面積或所在區(qū)域的甲板面積比值：靜設(shè)備不大于28%，轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備不大于20%。

（2）設(shè)備重量與配管重量之和與甲板總面積的比值：不大于6 kN/m2。

上述擁塞度判定方法為經(jīng)驗(yàn)方法，不同類別的項(xiàng)目可能存在較大差異，應(yīng)當(dāng)具體情況具體分析，該方法僅可用于設(shè)計(jì)參考，不能作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

6 結(jié)束語

總圖設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在滿足安全、生產(chǎn)操作方便、結(jié)構(gòu)安裝可行的前提下，力求投資經(jīng)濟(jì)。海上平臺(tái)甲板面積寸土寸金，投資巨大，總圖設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)充分利用甲板面積，做到設(shè)備布置緊湊有序；同時(shí)又必須滿足安全、生產(chǎn)操作的需求。在當(dāng)前低油價(jià)形勢下大力開展降本增效工作的同時(shí)，也亟需建立健全一些安全標(biāo)準(zhǔn)和推薦做法并嚴(yán)格遵循，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。