海洋石油固定平台大气放空系统研究范文

摘要：大气放空作为海洋石油平台最常见的系统之一，有诸多工程实践应用。以固定式海洋石油平台为例，大气放空主要有少量间歇性气体大气排放、事故工况排放两种形式。安全生产是工程实践中的首要准则，大气放空系统在环境法规允许的前提下可直接将含有少量烃类的蒸气安全排放至大气中。为实现大气放空系统设计最优化，本文针对两种排放形式，以安全生产为主，结合工程实践经验，定性分析排放管系设计的影响因素；同时结合PHAST软件的应用，定量分析计算事故工况排放的放空管线设计，为大气放空系统设计提供参考。

关键词：海洋石油固定式平台；安全生产；大气放空；间歇性排放；事故工况排放；PHAST

引言

海洋石油平台（OffshorePlatforms）是用于海上开采、处理、储存石油天然气的大型钢结构物，按其结构特性和工作状态，可分为固定式、活动式和半固定式三大类。中国海洋石油工业发展始于1957年对莺歌海的油气探索，依托1982年成立的中国海洋石油总公司，至今已建立完善的上下游全产业链。其中固定式平台作为主力产品，在海洋石油工业中占据重要地位。本文以海洋石油固定平台为主要研究对象，从设计理念、安全生产、人员防护等方面，深入分析和研究大气放空系统，旨在实现大气放空系统设计最优化。

1大气放空系统分类

与陆地采油/化工厂不同，海洋石油平台钻采生产及处理流程相对简化，但空间狭小有限，类似孤岛型设施，具有技术复杂、投资高、风险大等特点，安全生产是首要准则。不同于将可燃性气体燃烧的火炬系统，大气放空系统在环境法规允许的前提下可直接将含少量烃类蒸气安全排放至大气中。根据国内外海上油气设计经验，大气放空系统主要分为两种类型：（1）少量间歇性排放气体的大气排放。（2）事故工况排放，不采用火炬燃烧的形式，而采用冷放空臂形式。这两种大气放空系统形式在海洋油气田工程中均得到不同程度的应用，其中第一种形式由于其设计简单、经济，广泛应用于各类固定平台；第二种形式设计相对复杂，需借助专业的软件进行定量分析计算，用于锁定设计方案。

2间歇性排放

少量间歇性排放的大气放空系统，主要取决于放空管线路由，设计时需综合考虑和分析下列因素：气体的速度和温度；气体相对分子质量和泄放量；主导风向；附近布置的设施情况；排放物进入大气的高度。通常，大气放空管线的设计尺寸应使排放速率达到500ft/s（约150m/s），从而形成紊流与空气混合，达到稀释的效果，使放空管高度或长度要使某一点的最大可燃气体浓度在可燃低限的10%~50%范围内。APIRP520中规定，典型烃类气体被稀释到可燃极限下限的高度或长度，出现在排放管轴线距离排放管末端120倍管直径处。而烃类气体被空气稀释到质量含量约为3%后，形成的混合物浓度将达到或低于可燃极限下限。不同于陆地石油化工，海洋平台空间十分有限，设备布置集中。为避免含有可燃气的放空气体影响安全生产，主导风向也是放空管线路由设计的重点考虑因素。主导风向是海洋平台场址处，风频最大的风向角的范围。风向角的范围一般在连续45°左右，对于以16方位角表示的风向，主导风向一般是指连续2~3个风向角的范围[1]。主导风向是海洋平台设计基础中水文气象条件的一部分，影响平台总体布置，通常以“风玫瑰”的形式标示于平面布置图上，用于设备及管线布置的参考。含有可燃气的放空管线，原则上应布置于平台主导风向的下风向，且尽量位于平台外边缘，以避免可燃气被风吹回平台内部而成为安全隐患。通常，海洋平台上设置的冷放空管，至少要与放空排出点的高度相同的所有结构物或设备相距15m的水平间隔，以防止可燃气体到达高结构物。此外，针对海洋平台孤岛型设施的特点，根据放空管内介质的危害性，由高至低可分为可燃气、有毒、有异味三个等级。海洋平台常见设备大气放空管线内介质及其危害性分析，如表1所示。在实际工程实践中，安全生产为首要目标，既包括设施设备的安全，又包括人员的安全；此外，有异味作为人员的主观感受，也应充分得到考虑。工程设计中应依据上述设计原则，并结合表1的介质分析，合理设计放空管线路由，确保安全生产及操作维修顺利进行。

3事故工况排放

对于事故工况排放的大气放空系统设计，放空管线需依托专门设计的放空臂，通常伸出平台外缘，并与水平方向呈一定角度向上抬起。此类放空臂的设计相对复杂，需借助专业的软件计算作为支持，用以锁定设计方案。本文以广泛应用于海洋工程设计的DNVPHAST软件为例，介绍此类放空臂的设计方法如下。PHAST软件，全称ProcessHazardAnalysisSoftwareTool，即工艺危险源分析软件工具。其主要功能是通过软件中的数学模型模拟和预测油气田产生的安全事故危险及后果和影响，这其中包括闪火、喷火、池火、火球、爆炸、气体扩散等。冷放空臂设计相关的计算，主要使用其气体扩散模拟功能得出可燃气体扩散曲线（轮廓），核算不同工况下（工况组合详见下述步骤2，具体可根据项目需求与甲方协商确定）可燃气体扩散对海洋平台（包括直升机甲板、位于平台危险区内的感受点/探测点等）的影响，以最终确定放空臂角度和长度，以及冷放空管线末端朝向。基本计算步骤简要介绍如下。（1）根据项目工艺设计基础、管径计算原则等，计算出放空管线管径。（2）根据项目需求，以燃烧上限（如20%LFL、100%LFL，也可根据项目要求提高要求，如10%LFL）、风速（如2m/s、5m/s、9m/s等）、工况（如正常放空、紧急泄放、吹扫泄放等）、放空管线末端朝向（如与水平成90°、60°、45°、30°等，可根据放空管线路由自行选取若干数值）四个因素，组合出若干计算工况，如20%LFL+2m/s+正常放空+90°、100%LFL+9m/s+吹扫泄放+30°等。（3）选取步骤2中的一个工况，从HYSYS软件模拟中提取放空管线工艺参数作为PHAST软件的输入，主要包括：流量；气体排出速度（马赫）；摩尔质量；化学成分。（4）将该工况下放空管线各项参数输入至PHAST软件，经过计算模拟，得出可燃气体扩散曲线（轮廓），如图1示例。选取其他工况，重复步骤（3）及步骤（4），得出多组可燃气体扩散曲线（轮廓）。根据平台结构预先假定的放空臂长度及竖直方向抬起角度，核实所有工况组合下，可燃气体扩散对平台的影响是否在可接受的范围内（注释1）。临界点的选取，至少应包括直升机甲板、距离放空管线末端距离较近的若干感受点、平台顶层甲板上的最高点等。通常以项目安全原理或甲方特定要求为准；如项目无特殊要求，则需至少满足相关标准规范要求，如APIRP500、APIRP521、CAP437等（注释2）。如预先假定的放空臂长度及角度无法满足要求，则依据计算结果，重新假定长度和角度，依据前述步骤，进行计算。最终锁定放空臂长度及竖直方向抬起角度，和放空管线末端朝向，完成设计。为便于管支架设计，优先考虑放空管线末端竖直向上。注释1：PHAST模拟结果为二维曲线，不考虑风向影响。故扩散方向需按苛刻工况考虑，即扩散方向为朝向直升机甲板/平台内可燃气体感受点及探测点。注释2：通常项目安全原理或甲方特定要求的优先级别及其要求均高过标准规范要求，如项目无特殊要求，则至少应满足下述要求[2]：直升机甲板工作区域可燃气体浓度不得＞10%LFL；危险区可燃气体浓度不得＞25%LFL；危险区应设置可燃气体探测系统，在可燃气浓度达到20%LFL时发起报警。

4结语

通常海洋石油工程中，上述两种类型大气放空系统均有所涉及。本文结合工程实践，定性、定量的分析了两种大气放空系统的设计指导原则及推荐做法。具体工程实践应用中，项目合同要求为首要准则及最高优先级，同时可综合参考标准规范及推荐做法，以实现安全生产为根本目标。

参考文献：

[1]环境保护部.环境影响评价技术导则.大气环境，HJ2.2-2008：北京，2008.

作者：李硕存 陈静 程久欢 张涛 杜国强 单位：海洋石油工程股份有限公司