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摘要：大氣放空作為海洋石油平臺最常見的系統(tǒng)之一，有諸多工程實踐應(yīng)用。以固定式海洋石油平臺為例，大氣放空主要有少量間歇性氣體大氣排放、事故工況排放兩種形式。安全生產(chǎn)是工程實踐中的首要準則，大氣放空系統(tǒng)在環(huán)境法規(guī)允許的前提下可直接將含有少量烴類的蒸氣安全排放至大氣中。為實現(xiàn)大氣放空系統(tǒng)設(shè)計最優(yōu)化，本文針對兩種排放形式，以安全生產(chǎn)為主，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，定性分析排放管系設(shè)計的影響因素；同時結(jié)合PHAST軟件的應(yīng)用，定量分析計算事故工況排放的放空管線設(shè)計，為大氣放空系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：海洋石油固定式平臺；安全生產(chǎn)；大氣放空；間歇性排放；事故工況排放；PHAST

引言

海洋石油平臺（OffshorePlatforms）是用于海上開采、處理、儲存石油天然氣的大型鋼結(jié)構(gòu)物，按其結(jié)構(gòu)特性和工作狀態(tài)，可分為固定式、活動式和半固定式三大類。中國海洋石油工業(yè)發(fā)展始于1957年對鶯歌海的油氣探索，依托1982年成立的中國海洋石油總公司，至今已建立完善的上下游全產(chǎn)業(yè)鏈。其中固定式平臺作為主力產(chǎn)品，在海洋石油工業(yè)中占據(jù)重要地位。本文以海洋石油固定平臺為主要研究對象，從設(shè)計理念、安全生產(chǎn)、人員防護等方面，深入分析和研究大氣放空系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)大氣放空系統(tǒng)設(shè)計最優(yōu)化。

1大氣放空系統(tǒng)分類

與陸地采油/化工廠不同，海洋石油平臺鉆采生產(chǎn)及處理流程相對簡化，但空間狹小有限，類似孤島型設(shè)施，具有技術(shù)復(fù)雜、投資高、風險大等特點，安全生產(chǎn)是首要準則。不同于將可燃性氣體燃燒的火炬系統(tǒng)，大氣放空系統(tǒng)在環(huán)境法規(guī)允許的前提下可直接將含少量烴類蒸氣安全排放至大氣中。根據(jù)國內(nèi)外海上油氣設(shè)計經(jīng)驗，大氣放空系統(tǒng)主要分為兩種類型：（1）少量間歇性排放氣體的大氣排放。（2）事故工況排放，不采用火炬燃燒的形式，而采用冷放空臂形式。這兩種大氣放空系統(tǒng)形式在海洋油氣田工程中均得到不同程度的應(yīng)用，其中第一種形式由于其設(shè)計簡單、經(jīng)濟，廣泛應(yīng)用于各類固定平臺；第二種形式設(shè)計相對復(fù)雜，需借助專業(yè)的軟件進行定量分析計算，用于鎖定設(shè)計方案。

2間歇性排放

少量間歇性排放的大氣放空系統(tǒng)，主要取決于放空管線路由，設(shè)計時需綜合考慮和分析下列因素：氣體的速度和溫度；氣體相對分子質(zhì)量和泄放量；主導(dǎo)風向；附近布置的設(shè)施情況；排放物進入大氣的高度。通常，大氣放空管線的設(shè)計尺寸應(yīng)使排放速率達到500ft/s（約150m/s），從而形成紊流與空氣混合，達到稀釋的效果，使放空管高度或長度要使某一點的最大可燃氣體濃度在可燃低限的10%~50%范圍內(nèi)。APIRP520中規(guī)定，典型烴類氣體被稀釋到可燃極限下限的高度或長度，出現(xiàn)在排放管軸線距離排放管末端120倍管直徑處。而烴類氣體被空氣稀釋到質(zhì)量含量約為3%后，形成的混合物濃度將達到或低于可燃極限下限。不同于陸地石油化工，海洋平臺空間十分有限，設(shè)備布置集中。為避免含有可燃氣的放空氣體影響安全生產(chǎn)，主導(dǎo)風向也是放空管線路由設(shè)計的重點考慮因素。主導(dǎo)風向是海洋平臺場址處，風頻最大的風向角的范圍。風向角的范圍一般在連續(xù)45°左右，對于以16方位角表示的風向，主導(dǎo)風向一般是指連續(xù)2~3個風向角的范圍[1]。主導(dǎo)風向是海洋平臺設(shè)計基礎(chǔ)中水文氣象條件的一部分，影響平臺總體布置，通常以“風玫瑰”的形式標示于平面布置圖上，用于設(shè)備及管線布置的參考。含有可燃氣的放空管線，原則上應(yīng)布置于平臺主導(dǎo)風向的下風向，且盡量位于平臺外邊緣，以避免可燃氣被風吹回平臺內(nèi)部而成為安全隱患。通常，海洋平臺上設(shè)置的冷放空管，至少要與放空排出點的高度相同的所有結(jié)構(gòu)物或設(shè)備相距15m的水平間隔，以防止可燃氣體到達高結(jié)構(gòu)物。此外，針對海洋平臺孤島型設(shè)施的特點，根據(jù)放空管內(nèi)介質(zhì)的危害性，由高至低可分為可燃氣、有毒、有異味三個等級。海洋平臺常見設(shè)備大氣放空管線內(nèi)介質(zhì)及其危害性分析，如表1所示。在實際工程實踐中，安全生產(chǎn)為首要目標，既包括設(shè)施設(shè)備的安全，又包括人員的安全；此外，有異味作為人員的主觀感受，也應(yīng)充分得到考慮。工程設(shè)計中應(yīng)依據(jù)上述設(shè)計原則，并結(jié)合表1的介質(zhì)分析，合理設(shè)計放空管線路由，確保安全生產(chǎn)及操作維修順利進行。

3事故工況排放

對于事故工況排放的大氣放空系統(tǒng)設(shè)計，放空管線需依托專門設(shè)計的放空臂，通常伸出平臺外緣，并與水平方向呈一定角度向上抬起。此類放空臂的設(shè)計相對復(fù)雜，需借助專業(yè)的軟件計算作為支持，用以鎖定設(shè)計方案。本文以廣泛應(yīng)用于海洋工程設(shè)計的DNVPHAST軟件為例，介紹此類放空臂的設(shè)計方法如下。PHAST軟件，全稱ProcessHazardAnalysisSoftwareTool，即工藝危險源分析軟件工具。其主要功能是通過軟件中的數(shù)學(xué)模型模擬和預(yù)測油氣田產(chǎn)生的安全事故危險及后果和影響，這其中包括閃火、噴火、池火、火球、爆炸、氣體擴散等。冷放空臂設(shè)計相關(guān)的計算，主要使用其氣體擴散模擬功能得出可燃氣體擴散曲線（輪廓），核算不同工況下（工況組合詳見下述步驟2，具體可根據(jù)項目需求與甲方協(xié)商確定）可燃氣體擴散對海洋平臺（包括直升機甲板、位于平臺危險區(qū)內(nèi)的感受點/探測點等）的影響，以最終確定放空臂角度和長度，以及冷放空管線末端朝向。基本計算步驟簡要介紹如下。（1）根據(jù)項目工藝設(shè)計基礎(chǔ)、管徑計算原則等，計算出放空管線管徑。（2）根據(jù)項目需求，以燃燒上限（如20%LFL、100%LFL，也可根據(jù)項目要求提高要求，如10%LFL）、風速（如2m/s、5m/s、9m/s等）、工況（如正常放空、緊急泄放、吹掃泄放等）、放空管線末端朝向（如與水平成90°、60°、45°、30°等，可根據(jù)放空管線路由自行選取若干數(shù)值）四個因素，組合出若干計算工況，如20%LFL+2m/s+正常放空+90°、100%LFL+9m/s+吹掃泄放+30°等。（3）選取步驟2中的一個工況，從HYSYS軟件模擬中提取放空管線工藝參數(shù)作為PHAST軟件的輸入，主要包括：流量；氣體排出速度（馬赫）；摩爾質(zhì)量；化學(xué)成分。（4）將該工況下放空管線各項參數(shù)輸入至PHAST軟件，經(jīng)過計算模擬，得出可燃氣體擴散曲線（輪廓），如圖1示例。選取其他工況，重復(fù)步驟（3）及步驟（4），得出多組可燃氣體擴散曲線（輪廓）。根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)預(yù)先假定的放空臂長度及豎直方向抬起角度，核實所有工況組合下，可燃氣體擴散對平臺的影響是否在可接受的范圍內(nèi)（注釋1）。臨界點的選取，至少應(yīng)包括直升機甲板、距離放空管線末端距離較近的若干感受點、平臺頂層甲板上的最高點等。通常以項目安全原理或甲方特定要求為準；如項目無特殊要求，則需至少滿足相關(guān)標準規(guī)范要求，如APIRP500、APIRP521、CAP437等（注釋2）。如預(yù)先假定的放空臂長度及角度無法滿足要求，則依據(jù)計算結(jié)果，重新假定長度和角度，依據(jù)前述步驟，進行計算。最終鎖定放空臂長度及豎直方向抬起角度，和放空管線末端朝向，完成設(shè)計。為便于管支架設(shè)計，優(yōu)先考慮放空管線末端豎直向上。注釋1：PHAST模擬結(jié)果為二維曲線，不考慮風向影響。故擴散方向需按苛刻工況考慮，即擴散方向為朝向直升機甲板/平臺內(nèi)可燃氣體感受點及探測點。注釋2：通常項目安全原理或甲方特定要求的優(yōu)先級別及其要求均高過標準規(guī)范要求，如項目無特殊要求，則至少應(yīng)滿足下述要求[2]：直升機甲板工作區(qū)域可燃氣體濃度不得＞10%LFL；危險區(qū)可燃氣體濃度不得＞25%LFL；危險區(qū)應(yīng)設(shè)置可燃氣體探測系統(tǒng)，在可燃氣濃度達到20%LFL時發(fā)起報警。

4結(jié)語

通常海洋石油工程中，上述兩種類型大氣放空系統(tǒng)均有所涉及。本文結(jié)合工程實踐，定性、定量的分析了兩種大氣放空系統(tǒng)的設(shè)計指導(dǎo)原則及推薦做法。具體工程實踐應(yīng)用中，項目合同要求為首要準則及最高優(yōu)先級，同時可綜合參考標準規(guī)范及推薦做法，以實現(xiàn)安全生產(chǎn)為根本目標。

參考文獻：

[1]環(huán)境保護部.環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則.大氣環(huán)境，HJ2.2-2008：北京，2008.

作者：李碩存 陳靜 程久歡 張濤 杜國強 單位：海洋石油工程股份有限公司