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(fēng)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(shí)哪些設(shè)施需遠(yuǎn)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(jìn)行詳細(xì)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(shí)也應(yīng)考慮人員操作時(shí)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(diǎn)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(kuò)散，都要求火炬頭保持對平臺足夠的安全距離?；鹁骈L度和角度計(jì)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(xiàng)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(gè)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(jì)算。連續(xù)工況選取閃蒸氣壓縮機(jī)維護(hù)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(shí)5 min泄放工況。BDV泄放計(jì)算原則為15 min將高壓設(shè)施泄壓至設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)選取

火炬臂長度計(jì)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(jì)算感受點(diǎn)三維定位方法，選取7個(gè)分析感受點(diǎn)，感受點(diǎn)及其相對位置坐標(biāo)如下：

感受點(diǎn)R1。火炬臂根部，坐標(biāo)(北：0 m，東：0 m，高度：2.0 m)。

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

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

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

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

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

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

部分感受點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果還考慮疊加中國南海海域太陽輻射強(qiáng)度為0.79 kW/m2和環(huán)境噪聲為60 dB。

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

1.4 計(jì)算方法

海洋平臺火炬系統(tǒng)的熱輻射計(jì)算主要包括點(diǎn)源和擴(kuò)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(gè)或多個(gè)火焰點(diǎn)進(jìn)行模擬，多點(diǎn)計(jì)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(diǎn)，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(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：D為從火炬中心至感受點(diǎn)之間的最小距離，m；τ為熱強(qiáng)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(diǎn)源與擴(kuò)散源兩種原理，在遠(yuǎn)近距離區(qū)域的輻射模擬都比較精確，為常用的計(jì)算方法，熱輻射計(jì)算公式為

Kims=aKips+(1-a)Kids

(2)

式中：Kims、Kips、Kids分別為Mixed方法、點(diǎn)源法、擴(kuò)散源法的熱輻射值；a為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

在陵水項(xiàng)目計(jì)算中，選擇25個(gè)火焰點(diǎn)個(gè)數(shù)的Flaresim API和Mixed兩種方法，模擬火焰形狀和火炬輻射強(qiáng)度計(jì)算。

根據(jù)陵水項(xiàng)目結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取火炬臂與主甲板呈45°外伸，在上述泄放量、感受點(diǎn)位置、環(huán)境參數(shù)和計(jì)算方法下，計(jì)算火炬臂長度為70 m。15 m/s風(fēng)速下的緊急工況最大泄放量工況是計(jì)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(qiáng)度半徑如圖2所示。

圖2 緊急工況最大泄放量在15 m/s風(fēng)速下熱輻射強(qiáng)度

2 火炬泄放影響分析

根據(jù)API STD 521規(guī)范[9]，人員長時(shí)間工作可接受熱輻射強(qiáng)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(qiáng)度為4.73 kW/m2，30 s內(nèi)可承受熱輻射強(qiáng)度為6.31 kW/m2，在任何情況下人可到達(dá)的地方熱輻射強(qiáng)度不可超過9.46 kW/m2，可接受的噪聲標(biāo)準(zhǔn)為115 dB。在Flaresim軟件中計(jì)算的感受點(diǎn)處溫度為鋼材表面溫度，對于計(jì)算溫度過高超過設(shè)備耐受溫度的，需要根據(jù)設(shè)備實(shí)際材料物性計(jì)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(jìn)行分析，7個(gè)感受點(diǎn)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(diǎn)熱輻射、噪聲和溫度分析結(jié)果

表2 緊急工況下各感受點(diǎn)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(diǎn)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(biāo)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(diǎn)距離相關(guān)；在同一泄放工況下溫度水平對風(fēng)速非常敏感，在風(fēng)速增大情況下感受點(diǎn)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(jī)由于人員操作頻繁，需重點(diǎn)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(jī)駕駛室設(shè)置為感受點(diǎn)R3進(jìn)行輻射強(qiáng)度分析。從分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：起重機(jī)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(jī)駕駛室內(nèi)設(shè)置空調(diào)，且連續(xù)工況為閃蒸氣壓縮機(jī)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(jìn)行透氣閥組的維護(hù)。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(diǎn)R4進(jìn)行輻射強(qiáng)度分析。由表1可知，在連續(xù)工況下，在此感受點(diǎn)處熱輻射強(qiáng)度超出標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)閃蒸氣壓縮機(jī)故障后，作業(yè)者需及時(shí)撤離此操作平臺。在正常巡檢登操作平臺時(shí)，需要觀察火炬燃燒情況，并與中控確認(rèn)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(diǎn)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(jià)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(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域采取人員防護(hù)措施。

圖3 緊急工況感受點(diǎn)溫度計(jì)算

圖4 緊急工況感受點(diǎn)噪聲強(qiáng)度計(jì)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(gè)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(fēng)險(xiǎn)；外輸滾筒需要人員通過甲板通道進(jìn)入滾筒旁操作室操作，存在火炬熱輻射影響人員操作風(fēng)險(xiǎn)。在正常生產(chǎn)時(shí)，外輸滾筒纏繞在滾筒上，最高點(diǎn)距主甲板11 m，即感受點(diǎn)R2，可以發(fā)現(xiàn)：該處連續(xù)泄放最大達(dá)1.671 kW/m2，超過人的長時(shí)間耐受值，在閃蒸壓縮機(jī)故障啟停期間，人員不能長時(shí)間操作；在緊急泄放時(shí)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(diǎn)處的輻射強(qiáng)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(fēng)速且閃蒸壓縮機(jī)故障，滾筒位置溫度為74.4 ℃，操作間與人員走廊輻射強(qiáng)度滿足要求；(2) 1 m/s風(fēng)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(dá)130 ℃時(shí)半小時(shí)內(nèi)不會影響軟管設(shè)計(jì)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(yuǎn)離火炬正下方，綜合考慮往外側(cè)進(jìn)行平移，同時(shí)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(jì)算后，軟管表面溫度可滿足要求。經(jīng)過設(shè)計(jì)調(diào)整，外輸滾筒及系纜點(diǎn)北移后，軟管的溫度滿足要求。

在外輸作業(yè)時(shí)，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(jìn)行輸油作業(yè)，外輸軟管按感受點(diǎn)R6進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)，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(diǎn)R5)。在緊急情況下，如平臺觸發(fā)逃生指令，同時(shí)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(jìn)行逃生。

火炬在緊急泄放時(shí)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(shí)間耐受輻射強(qiáng)度和溫度。為滿足人員逃生時(shí)30 min的集合時(shí)間，需要采取一定防護(hù)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(zhǔn)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(hù)網(wǎng)，在緊急逃生情況下人員快速進(jìn)入該區(qū)域，避免熱輻射灼傷，防護(hù)網(wǎng)也可對人員進(jìn)行高溫隔離保護(hù)，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(hù)三維示例

圖7 熱輻射防護(hù)設(shè)施

4 結(jié) 論

半潛式油氣平臺總體布置是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作，各個(gè)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(jì)階段進(jìn)行詳細(xì)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(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，特別是在數(shù)小時(shí)連續(xù)泄放的工況下，需明確操作需求并落實(shí)具體措施；

(3) 對溫度敏感的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行重點(diǎn)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。