火炬泄放对半潜式平台总体布置方案的影响

梅华东， 刘 晶， 张振友， 李 豫， 马邦勇， 陈 静

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

0 引 言

在海洋平台石油天然气生产过程中，通常会放空天然气至火炬燃烧，以避免天然气直接排入大气对环境造成影响。天然气在燃烧过程中会产生热辐射，热辐射水平过高对人员操作和平台设施都有危害[1-2]。因此，在平台总体布置过程中，需要充分考虑火炬朝向、主风向等影响因素，确定火炬方位，然后根据平台的总体布置要求，核实哪些设施需远离火炬布置，哪些可以就近布置。对于无法避免的近距离布置设施，应进行详细的火炬热辐射分析，以确定设施抗热辐射和高温的能力，同时也应考虑人员操作时热辐射和高温的影响。以陵水17-2深水半潜式平台总体布置为例，重点研究火炬热辐射和高温对半潜式平台设施布置的影响，并提供几种避免热辐射问题的应对措施。

1 海洋平台火炬长度确定

1.1 泄放工况选取

对于半潜式平台，最小化火炬长度对平台重量、重心控制具有重要意义。天然气在泄放和燃烧过程中会产生噪声和热辐射，过高的噪声和热辐射水平对人员操作和平台设施都有危害。泄放流体中含有少量硫化氢，其在燃烧过程中产生的二氧化硫等有害气体随燃烧气体扩散，都要求火炬头保持对平台足够的安全距离。火炬长度和角度计算需要考虑上述影响因素，以选取最优平台位置和火炬臂长度。

陵水项目为高压气田，火炬系统设置高压声速火炬和低压管式火炬两个火炬头，满足不同压力泄放源的需求。火炬燃烧泄放按照连续泄放和紧急泄放工况分别计算。连续工况选取闪蒸气压缩机维护或故障情况下，一级分离器连续放空天然气至高压火炬燃烧，二级、三级分离器连续放空天然气至低压火炬燃烧。紧急工况选取生产甲板火灾情况下，生产甲板上高操作压力设施泄压阀(Blowdown Valve,BDV)泄放、主甲板高操作压力设施BDV延时5 min泄放工况。BDV泄放计算原则为15 min将高压设施泄压至设计压力一半或泄压至690 kPa。15 min后，设备压力降低，泄放至火炬系统的天然气量将大幅减少。根据流程设备上BDV、压力安全阀(Pressure Safety Valve,PSV)泄放计算，火炬系统紧急工况最大泄放量为3.1×105m3/h，火炬系统连续工况最大泄放量为15 905 m3/h。

1.2 感受点选取

火炬臂长度计算采用Flaresim 5.0软件，根据半潜式平台上人员活动范围及软件中计算感受点三维定位方法，选取7个分析感受点，感受点及其相对位置坐标如下：

感受点R1。火炬臂根部，坐标(北：0 m，东：0 m，高度：2.0 m)。

感受点R2。外输滚筒顶部，坐标(北：0 m，东：16.0 m，高度：11.0 m)。

感受点R3。起重机操作室，坐标(北：-36.3 m，东：-30.0 m，高度：15.6 m)。

感受点R4。乙二醇脱盐再生模块顶甲板，坐标(北：-1.7 m，东：0 m，高度：29.0 m)。

感受点R5。西侧救生艇，坐标(北：0 m，东：-10.0 m，高度：2.0 m)。

感受点R6。漂浮软管，坐标(北：49.5 m，东：0 m，高度：-30.0 m)。

感受点R7。穿梭油船，坐标(北：100.0 m，东：0 m，高度：-20.0 m)。

部分感受点及火炬系统在组块总图上位置如图1所示。

图1 火炬头与各感受点相对位置

1.3 环境参数

陵水海域环境空气温度为11.0 ℃～38.2 ℃，空气湿度为14%～100%。选择环境温度为38.2 ℃、空气湿度为14%进行计算。同时，计算结果还考虑叠加中国南海海域太阳辐射强度为0.79 kW/m2和环境噪声为60 dB。

风对燃烧过程中火焰方向和长度影响较大，计算覆盖组块上作业人员活动的风速范围，分别选取风速为1 m/s、10 m/s和15 m/s等3个工况。

1.4 计算方法

海洋平台火炬系统的热辐射计算主要包括点源和扩散源两种原理，广泛应用Flaresim API，Strict API和Mixed等3种模型[3-6]。

Flaresim API采用基于火焰形状的矢量方法，可以定义单个或多个火焰点进行模拟，多点计算更加精确[7-8]。

Stric API 基于曲线绘图方法来寻找火焰等效点，仅适用于垂直火炬头，依据规范API RP 521，可用Hajek和Ludwing经验公式进行计算：

(1)

式中：D为从火炬中心至感受点之间的最小距离，m；τ为热强度传导因数；F为热辐射因数；Q为释放热量(低热值)，kW；K为允许的热辐射，kW/m2。

Mixed方法结合点源与扩散源两种原理，在远近距离区域的辐射模拟都比较精确，为常用的计算方法，热辐射计算公式为

Kims=aKips+(1-a)Kids

(2)

式中：Kims、Kips、Kids分别为Mixed方法、点源法、扩散源法的热辐射值；a为经验常数。

在陵水项目计算中，选择25个火焰点个数的Flaresim API和Mixed两种方法，模拟火焰形状和火炬辐射强度计算。

根据陵水项目结构特点，选取火炬臂与主甲板呈45°外伸，在上述泄放量、感受点位置、环境参数和计算方法下，计算火炬臂长度为70 m。15 m/s风速下的紧急工况最大泄放量工况是计算火炬臂长度的控制工况。在控制工况下热辐射6.31 kW/m2等强度半径如图2所示。

图2 紧急工况最大泄放量在15 m/s风速下热辐射强度

2 火炬泄放影响分析

根据API STD 521规范[9]，人员长时间工作可接受热辐射强度为1.58 kW/m2，人员穿戴适宜的劳保用品，在紧急情况下2～3 min内可承受热辐射强度为4.73 kW/m2，30 s内可承受热辐射强度为6.31 kW/m2，在任何情况下人可到达的地方热辐射强度不可超过9.46 kW/m2，可接受的噪声标准为115 dB。在Flaresim软件中计算的感受点处温度为钢材表面温度，对于计算温度过高超过设备耐受温度的，需要根据设备实际材料物性计算设备表面温度和设备内部温度。

按照第1节所述方法和软件进行分析，7个感受点控制工况下的热辐射、噪声和温度结果如表1和表2所示。

表1 连续工况下各感受点热辐射、噪声和温度分析结果

表2 紧急工况下各感受点热辐射、噪声和温度分析结果

续表2 紧急工况下各感受点热辐射、噪声和温度分析结果

由于紧急泄放量比连续泄放量增加约20倍，由表1和表2可知：在紧急泄放工况下火炬燃烧产生的热辐射、噪声和温度水平都比连续泄放下各指标有较大提高，但并未按比例提高；在同一泄放工况下噪声水平仅与感受点距离相关；在同一泄放工况下温度水平对风速非常敏感，在风速增大情况下感受点温度快速降低。

3 火炬泄放对平台布置的影响

3.1 火炬泄放对设备操作的影响

距离火炬邻近的设备如起重机由于人员操作频繁，需重点考虑火炬泄放对设备暴露区域人员操作的影响。将起重机驾驶室设置为感受点R3进行辐射强度分析。从分析结果可以发现：起重机驾驶室满足连续工况热辐射要求，温度偏高，最高为66.23 ℃；在紧急泄放工况下，热辐射和温度都较大，人员需尽快撤离。由于起重机驾驶室内设置空调，且连续工况为闪蒸气压缩机故障切换期间，为非正常生产工况，不影响平台的正常吊装作业。

乙二醇脱盐再生模块顶部设置船体船舱放空操作平台，用于放置船舱透气阀组。作业者需要定期登操作平台进行透气阀组的维护。此处接近火炬的最高位置，将放空操作平台设置为感受点R4进行辐射强度分析。由表1可知，在连续工况下，在此感受点处热辐射强度超出标准要求，金属表面在辐射影响下温度也较高，但此处仅为作业者长周期的巡检。当闪蒸气压缩机故障后，作业者需及时撤离此操作平台。在正常巡检登操作平台时，需要观察火炬燃烧情况，并与中控确认火炬系统泄放量及其他操作参数。

紧急工况下平台R1感受点处的温度和噪声数值如图3和图4所示。从图3的温度的等温半径显示情况可以确定距离火炬头一定距离及高程的钢结构表面温度区间，采用就高原则评价与钢结构直接连接的设施耐高温技术要求。图4显示的是距离火炬头不同距离即高程的外场噪声情况，参考规范要求，对超过噪声标准的区域采取人员防护措施。

图3 紧急工况感受点温度计算

图4 紧急工况感受点噪声强度计算

3.2 火炬泄放对外输系统的影响

陵水半潜式平台为立柱储油平台，处理的合格凝析油通过动力定位穿梭油船定期外输，主甲板设置一个凝析油外输系统，内含外输滚筒、液压动力单元(Hydraulic Power Unit,HPU)、1条215 m 双骨架层外输漂浮软管(含软管侧阀门)、系泊滚筒和系泊缆、控制系统等。

火炬与外输滚筒都位于平台西北侧，在正常和事故工况下，存在火炬热辐射影响软管使用寿命风险；外输滚筒需要人员通过甲板通道进入滚筒旁操作室操作，存在火炬热辐射影响人员操作风险。在正常生产时，外输滚筒缠绕在滚筒上，最高点距主甲板11 m，即感受点R2，可以发现：该处连续泄放最大达1.671 kW/m2，超过人的长时间耐受值，在闪蒸压缩机故障启停期间，人员不能长时间操作；在紧急泄放时最大热辐射为4.099 kW/m2，如人员在附近作业应在2～3 min内离开。

在连续工况和紧急工况下平台各感受点处的辐射强度如表1和表2所示。

根据热辐射分析结果：(1) 1 m/s风速且闪蒸压缩机故障，滚筒位置温度为74.4 ℃，操作间与人员走廊辐射强度满足要求；(2) 1 m/s风速且应急泄放，滚筒位置温度为125.4 ℃。

外输软管外层为橡胶层，可在75 ℃环境工作3 a、 120 ℃下工作数周，温度高达130 ℃时半小时内不会影响软管设计寿命。

根据温度分析结果，R2处钢材表面温度较高，因此，外输滚筒应尽可能远离火炬正下方，综合考虑往外侧进行平移，同时考虑到橡胶本身的吸热和传热效率低，在更换材质参数重新计算后，软管表面温度可满足要求。经过设计调整，外输滚筒及系缆点北移后，软管的温度满足要求。

在外输作业时，穿梭油船安全区间角为0°～225°，半潜式平台和动力定位油船间距为110 m，外输软管漂浮在海面上进行输油作业，外输软管按感受点R6进行评估。由表1和表2可知，R6的热辐射和温度都小于R2，布置方案满足要求。外输作业半潜式平台与动力定位油船的位置如图5所示。

图5 外输工况下漂浮软管相对位置

3.3 火炬热辐射对应急逃救生设施布置的影响

陵水半潜式平台组块南北两侧未完全覆盖浮箱，处于立柱内侧，救生艇下放存在无法驶离的风险，因此总体布置考虑东西侧设置救生艇，火炬正下方偏南设有集合区及救生艇甲板(感受点R5)。在紧急情况下，如平台触发逃生指令，同时平台东侧救生艇不能正常下放，作业人员使用平台西侧救生艇进行逃生。

火炬在紧急泄放时西侧集合区热辐射为3.591 kW/m2， 钢材表面温度为116.3 ℃，超过人员长时间耐受辐射强度和温度。为满足人员逃生时30 min的集合时间，需要采取一定防护措施。为减少对整体方案的影响，经综合评估设置整体热辐射缓解设施，用于人员集合逃生准备。具体构成如图6和 图7所示，设置钢结构，防火隔热棉及防护网，在紧急逃生情况下人员快速进入该区域，避免热辐射灼伤，防护网也可对人员进行高温隔离保护，其出口与登艇口距离约6 m，人员穿戴合适劳保满足热辐射暴露登艇需求。

图6 热辐射防护三维示例

图7 热辐射防护设施

4 结 论

半潜式油气平台总体布置是一项系统性的工作，各个设施的布置需综合考虑各种因素，其中火炬的长度、位置的确定非常关键，对平台设备的操作、设施安全、人员逃救生都有重要影响，在设计阶段进行详细评估非常重要，具体如下：

(1) 确定火炬分区泄放原则，合理减少火炬泄放量；

(2) 对火炬下方操作频繁的设备进行重点关注，特别是在数小时连续泄放的工况下，需明确操作需求并落实具体措施；

(3) 对温度敏感的设备设施进行重点评估，避免设施快速老化及出现安全隐患；

(4) 充分考虑火炬设置产生高温、热辐射对人员逃救生的影响。