海上平臺(tái)冷放空系統(tǒng)在低放空量下的安全分析

靜玉曉， 衣華磊， 張 明， 陳紹凱

(中海油研究總院 ， 北京 100027)

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海上平臺(tái)冷放空系統(tǒng)在低放空量下的安全分析

靜玉曉， 衣華磊， 張 明， 陳紹凱

(中海油研究總院 ， 北京 100027)

在海洋石油平臺(tái)冷放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選擇泄放管徑時(shí)一般以平臺(tái)最大泄放量為基準(zhǔn)，使放空口流速達(dá)到150 m/s。若平臺(tái)實(shí)際放空量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)放空量，則放空口的氣體流速難以達(dá)到設(shè)計(jì)值，此時(shí)可燃?xì)怏w的稀釋效果有待驗(yàn)證，冷放空系統(tǒng)的安全性需重新評(píng)估。利用FLUENT軟件，通過數(shù)值模擬的方式，驗(yàn)證了海上平臺(tái)冷放空系統(tǒng)在低放空量下的安全性，并對(duì)冷放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了建議。

冷放空；可燃?xì)怏w；數(shù)值模擬；低放空量

0 引言

冷放空即冷態(tài)放空，是指把連續(xù)放空物直接釋放到一個(gè)未燃燒的火炬處所[1]，在海洋石油平臺(tái)生產(chǎn)過程中，如果環(huán)境法規(guī)允許，可以對(duì)事故狀態(tài)下的烴類蒸汽進(jìn)行冷放空處理[2]。

在冷放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，目前的習(xí)慣做法是以平臺(tái)最大泄放量為基礎(chǔ)，選取合適的泄放管徑尺寸以使放空口的氣體流速達(dá)到150 m/s[3]，實(shí)現(xiàn)噴射稀釋，然后利用數(shù)值模擬方法評(píng)估可燃?xì)怏w擴(kuò)散情況，確保爆炸極限范圍遠(yuǎn)離平臺(tái)，未提及其他泄放工況[4,5]。若平臺(tái)出現(xiàn)低量放空工況，例如套管放氣工況，放空量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)泄放量，在既有放空管尺寸條件下，放空口的氣體流速難以達(dá)到設(shè)計(jì)值，此時(shí)需要重新評(píng)估可燃?xì)怏w擴(kuò)散是否滿足安全要求?！缎箟汉蜏p壓系統(tǒng)指南》中認(rèn)為[3]，對(duì)于泄放速度超過30 m/s的場(chǎng)合，噴射沖力稀釋效果相同，而在多數(shù)情況下，甚至在25%的額定釋放量時(shí)，放空速度仍大于30 m/s，但是該規(guī)范并未提及放空速度小于30 m/s的工況，因此該文將以某海上平臺(tái)為例，采用數(shù)值模擬方法，研究冷放空系統(tǒng)在低放空量下的安全性。

1 計(jì)算模型及基礎(chǔ)參數(shù)

某海上平臺(tái)的三維模型如圖1所示，主要設(shè)備有冷放空管、修井機(jī)、吊機(jī)操作臺(tái)和直升機(jī)坪等，冷放空管直徑為6 in，高度為15 m，放空口與平臺(tái)設(shè)備的水平間隔為20 m。選擇計(jì)算區(qū)域?yàn)?00 m×100 m×100 m，利用GAMBIT軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體，數(shù)量為47.7萬。冷放空管設(shè)為速度入口邊界，六面體計(jì)算區(qū)域的左側(cè)為進(jìn)風(fēng)面，設(shè)為速度入口邊界，其他五個(gè)面設(shè)為壓力出口邊界。

數(shù)值模擬軟件選擇FLUENT，采用k-epsilon湍流模型和組分傳輸模型，選用SIMPLE算法進(jìn)行求解，在模擬中，假設(shè)風(fēng)始終吹向平臺(tái)且風(fēng)速保持穩(wěn)定。圖1為平臺(tái)物理模型示意圖，圖2為網(wǎng)格劃分示意圖。

圖1 平臺(tái)物理模型 圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

放空氣體組分和爆炸極限見表1，混合氣體的爆炸下限Lc可由式(1)計(jì)算得出[6]。

式中：L1,L2…Ln是各可燃?xì)怏w組分的爆炸下限；V1,V2…Vn是各可燃?xì)怏w組分的體積分?jǐn)?shù)，即摩爾分?jǐn)?shù)。經(jīng)過計(jì)算，混合可燃?xì)怏w的爆炸下限為3.16%。

上述海上平臺(tái)冷放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)放空流速為150m/s，為了研究該系統(tǒng)在低放空量下的可靠性，該文選取放空流速1m/s和10m/s作為典型工況，選取風(fēng)速1m/s、5m/s和10m/s作為典型工況。

表1 放空氣體組分和爆炸極限

續(xù)表1 放空氣體組分和爆炸極限

2 模擬結(jié)果對(duì)比分析

在評(píng)估可燃?xì)怏w擴(kuò)散效果時(shí)，以混合可燃?xì)怏w爆炸下限的20%，即0.632%作為爆炸極限區(qū)域邊界，根據(jù)可燃?xì)怏w泄放源3 m半徑區(qū)域?yàn)槎悈^(qū)域的準(zhǔn)則[7]，將爆炸極限區(qū)域邊界距離平臺(tái)的安全距離定為3 m。

2.1 放空流速為150 m/s時(shí)的可燃?xì)怏w濃度分布

圖3為150 m/s放空流速時(shí)，不同風(fēng)速下的可燃?xì)怏w摩爾濃度分布圖，各工況下爆炸極限區(qū)域邊界與平臺(tái)的距離均滿足安全要求。風(fēng)速較低時(shí)，可燃?xì)怏w噴向平臺(tái)外側(cè)，隨著風(fēng)速的提高，可燃?xì)怏w開始飄向平臺(tái)，飄散距離在10 m左右，但飄散范圍在風(fēng)速較高時(shí)有所減小。

圖3 泄放口氣體流速為150 m/s，不同風(fēng)速下可燃?xì)怏w摩爾濃度分布圖

2.2 放空流速為10 m/s時(shí)的可燃?xì)怏w濃度分布

圖4 泄放口氣體流速為10 m/s，不同風(fēng)速下可燃?xì)怏w摩爾濃度分布圖

圖4為10 m/s放空流速時(shí)，不同風(fēng)速下的可燃?xì)怏w摩爾濃度分布圖，與設(shè)計(jì)泄放速度相比，此時(shí)可燃?xì)怏w的擴(kuò)散范圍明顯縮小，各工況下爆炸極限區(qū)域邊界與平臺(tái)的距離均滿足安全要求。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，因泄放速度同樣較低，可燃?xì)怏w不再大量吹向平臺(tái)外側(cè)，而是飄向平臺(tái)，飄散距離在5 m～7 m左右，而隨著風(fēng)速的提高，可燃?xì)怏w的飄散距離有所減小，飄散距離在2 m～4 m左右。

2.3 放空流速為1m/s時(shí)的可燃?xì)怏w濃度分布

圖5 泄放口氣體流速為1 m/s，不同風(fēng)速下可燃?xì)怏w摩爾濃度分布圖

圖5為1 m/s放空流速時(shí)，不同風(fēng)速下的可燃?xì)怏w摩爾濃度分布圖，各工況下爆炸極限區(qū)域邊界與平臺(tái)的距離均滿足安全要求。圖5中可燃?xì)怏w的擴(kuò)散趨勢(shì)與圖4基本相同，只是當(dāng)放空氣體速度降低時(shí)，在同等風(fēng)速下，可燃?xì)怏w飄向平臺(tái)的范圍和距離進(jìn)一步減小，此時(shí)風(fēng)的吹散稀釋作用在可燃?xì)怏w的擴(kuò)散過程中占主導(dǎo)地位。

3 結(jié)論

綜上所述，可燃?xì)怏w在低放空量下的擴(kuò)散能滿足安全要求，但受風(fēng)的影響較大，尤其是在低放空量和低風(fēng)速疊加的工況下，可燃?xì)怏w隨風(fēng)反向飄散的程度會(huì)加重，此時(shí)泄放流體的噴射稀釋作用減弱。因此,建議在設(shè)計(jì)海上平臺(tái)冷放空系統(tǒng)時(shí)，基于最大泄放量工況選取冷放空管徑后，深入分析平臺(tái)有無低量放空工況，并核算泄放口的最低流速是否低于30 m/s，當(dāng)泄放口流速接近甚至低于風(fēng)速時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行安全性評(píng)估，必要時(shí)可適當(dāng)縮小泄放管徑，以確保在各種放空工況下，可燃?xì)怏w爆炸極限區(qū)域邊界距離平臺(tái)結(jié)構(gòu)物3 m以上。

[1] 中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).海上固定平臺(tái)安全規(guī)則[S]. 2000.

[2] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì). 海洋石油工程設(shè)計(jì)概念與工藝設(shè)計(jì)(海洋石油工程設(shè)計(jì)指南第1冊(cè))[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[3] 中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).泄壓和減壓系統(tǒng)指南[M]. 北京：石油工業(yè)出版社, 2002.

[4] 張明, 王春升, 衣華磊,等. 海上平臺(tái)冷放空可燃?xì)怏w擴(kuò)散的數(shù)值模擬研究[J]. 中國海洋平臺(tái)，2011, 26(5): 11-16.

[5] 衣華磊, 周曉紅, 朱海山,等. 海上平臺(tái)冷放空氣體擴(kuò)散模擬計(jì)算與分析研究[J]. 中國海洋平臺(tái)，2012, 27(3): 37-42.

[6] 段常貴. 燃?xì)廨斉鋄M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[7] 中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).石油設(shè)施電氣設(shè)備安裝一級(jí)一類和二類區(qū)域劃分的推薦作法[M]. 北京：石油工業(yè)出版社, 2002.

Safety Analyze of Cold Vent System on Offshore Oil Platform in
Low Venting amount Case

JING Yu-xiao， YI Hua-lei， ZHANG Ming， CHEN Shao-kai

(CNOOC Research Institute, Beijing, 100027， China)

In the design of cold vent system on offshore oil platform, the discharge pipe diameter is normally determined by the maximum vent flow rate, while the vent gas velocity is up to 150m/s. But if the actual venting amount is far less than the designed value, the vent gas velocity will be much smaller than 150m/s. In that case, the combustible gas diffusion effect and safety of the cold vent system should be evaluated over again. The safety of offshore platform cold vent system in low venting amount case was analyzed by numerical simulation method with the FLUENT software and some suggestions on the design of cold vent system was proposed.

cold vent; combustible gas; numerical simulation; low venting amount

2014-08-04

靜玉曉(1985-)，男，工程師。

1001-4500(2015)03-0073-04

X932

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