海上石油生產(chǎn)平臺上部組塊總圖設(shè)計

劉 飛

中海石油（中國）有限公司北京研究中心，北京 100028

總圖作為海洋工程中諸多專業(yè)之一，在工程方案研究及工程設(shè)計中發(fā)揮著重要的作用。海上石油平臺上部組塊總圖設(shè)計是將一座海洋平臺的所有組成設(shè)施，包括工藝及機械設(shè)備、配管、電氣、儀表、海工結(jié)構(gòu)、立管、生活樓、鉆完井設(shè)施等，通過合理的方案設(shè)計和空間布置，有機地組成一個整體[1]。總圖設(shè)計的好壞，關(guān)系到海洋工程設(shè)計生產(chǎn)操作的安全性、建造安裝的可實施性、結(jié)構(gòu)在位的可靠性、生產(chǎn)操作的便捷性、建設(shè)投資的經(jīng)濟(jì)性等諸多方面，優(yōu)秀的平臺總圖設(shè)計是海工項目成功的重要指標(biāo)之一。

東方13-2氣田群開發(fā)工程新建一座中心處理平臺CEPB（以下簡稱DF13-2 CEPB），該平臺集鉆井、天然氣及凝析油處理、產(chǎn)品外輸、生活、動力等功能于一體，是南海西部海域第一個采用浮托法安裝的大型綜合平臺。筆者結(jié)合自己的設(shè)計經(jīng)驗，對平臺上部組塊總圖設(shè)計的基本原則、方法、思路進(jìn)行了比較全面的分析總結(jié)，對主要設(shè)計界面及一些重點關(guān)注的問題進(jìn)行了分析，結(jié)合DF13-2 CEPB平臺對若干問題進(jìn)行了舉例說明，以期對今后的海洋工程開發(fā)項目總圖設(shè)計提供一定的借鑒。

1 設(shè)計原則

總圖設(shè)計原則可以概括如下。

（1）以人為本，滿足安全、消防、防火和人員逃生救生的需要[1-2]。

（2）滿足生產(chǎn)作業(yè)與設(shè)備操作維修的需要。

（3）滿足結(jié)構(gòu)合理性與海上施工的需要。

（4）力求空間利用合理、投資經(jīng)濟(jì)。

（5）結(jié)合地質(zhì)油藏特點考慮分期建設(shè)、后期發(fā)展的可能性，合理預(yù)留空間。如：考慮后期新建平臺的位置、預(yù)留甲板面積、預(yù)留井槽等。

2 設(shè)計基礎(chǔ)

風(fēng)向和流向是確定平臺方位[3]和上部組塊設(shè)備布置的重要基礎(chǔ)。風(fēng)向影響可燃油氣的擴散方向，需要保證生活樓位于常上風(fēng)向，油氣區(qū)位于常下風(fēng)向[2]；流向影響供應(yīng)船、艉輸油輪及救生艇筏的操作和方向。風(fēng)玫瑰圖、流玫瑰圖可以真實、貼切地反映一個地區(qū)的氣流情況及海流情況，圖1為DF13-2CEPB平臺所在海域的風(fēng)玫瑰圖，圖2為平臺所在海域流玫瑰圖。其中16個方向的放射扇形表示來自該方向的風(fēng)、流的頻率，放射扇形越長，表示一年當(dāng)中來自該方向的風(fēng)頻率越大、去往該方向的流頻率越大。東方13-2氣田群海域處于季風(fēng)特征顯著的氣候區(qū)，盛行風(fēng)向主要受季風(fēng)制約。冬季以偏北風(fēng)為主，夏季以偏南風(fēng)為主，從風(fēng)、流玫瑰圖可以看出，東方13-2氣田海域主風(fēng)向為NNE、SSE，主流向為NNW、SSE。

圖1 風(fēng)玫瑰圖

圖2 流玫瑰圖

機械設(shè)備表、工藝流程圖（PFD）、管道及儀表流程圖（PID）也是平臺總圖設(shè)計的重要設(shè)計基礎(chǔ)。機械設(shè)備表提供了所有工藝、機械設(shè)備的長、寬、高尺寸，設(shè)計參數(shù)，設(shè)備類型等；設(shè)備布置需考慮將同類設(shè)備集中布置，工藝設(shè)備盡可能按照工藝流程的順序依次布置，以減少設(shè)備間的配管長度；依據(jù)工藝PID，判斷設(shè)備周邊管道、閥門占用的配管空間。

除此之外，總圖設(shè)計還應(yīng)針對一些生產(chǎn)需求，征求生產(chǎn)方意見，如：生產(chǎn)物資和藥劑存儲、現(xiàn)場工作間（實驗室、機修間、電/儀間等）的設(shè)置、供應(yīng)船操作習(xí)慣以及吊機的操作需求等。

3 設(shè)計界面

總圖設(shè)計成果是多專業(yè)設(shè)計成果的集中體現(xiàn)，如何處理好多專業(yè)的設(shè)計需求，并將其融合成一個有機的整體，是總圖工程師的一項基本專業(yè)要求。總圖諸多設(shè)計界面的確定需要多輪反復(fù)的工作，掌握一定的相關(guān)專業(yè)知識，并與相關(guān)專業(yè)形成良好的專業(yè)互動，是做好界面管理和界面設(shè)計的關(guān)鍵。總圖設(shè)計的主要相關(guān)專業(yè)界面內(nèi)容總結(jié)如表1所示。

表1 總圖相關(guān)專業(yè)界面內(nèi)容

4 設(shè)計要點

4.1 平臺主尺度的確定

平臺上層甲板布置如圖3所示。

圖3 DF13-2CEPB上層甲板

平臺上部組塊的安裝方式及一些主要設(shè)施的布置決定了平臺的甲板主尺度，如：井口區(qū)、模塊鉆機、電站、生活樓等大型設(shè)備設(shè)施在總圖設(shè)計中需要優(yōu)先進(jìn)行考慮。以DF13-2 CEPB平臺為例，其上部組塊包括模塊鉆機、生活樓及火炬臂等設(shè)施，擬整體采用HYSY229駁船進(jìn)行浮托安裝，其進(jìn)船方向槽口寬度要求為48 m，可選擇在導(dǎo)管架工作點A、B軸之間或?qū)Ч芗芄ぷ鼽c2、3軸之間兩個方向進(jìn)船，結(jié)合DF13-2CEPB平臺所在海域水深及導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計，平臺結(jié)構(gòu)推薦采用2、3軸之間進(jìn)船，并推薦導(dǎo)管架1、2、3、4軸之間的間距分別為12、48、12 m。

平臺上層甲板空間不受甲板層高的限制，通常用于布置大型設(shè)備或設(shè)施，如：模塊鉆機、電站、生活樓等。DF13-2 CEPB平臺設(shè)計有24個井槽，由模塊鉆機進(jìn)行鉆完井和修井作業(yè)，平臺電力由3臺大功率燃?xì)馔钙桨l(fā)電機提供，并設(shè)有一座120人的生活樓。因此平臺上層甲板需要考慮位于井口區(qū)上方的模塊鉆機（DES）、支持模塊（DSM）、透平電站、生活樓的布置空間，除此之外，上層甲板需考慮為后期預(yù)留的天然氣壓縮機預(yù)留空間。因此，位于上層甲板DES、DSM、電站、生活樓及天然氣壓縮機的總體布置就基本決定了整個平臺的主體尺度。考慮井口區(qū)的井槽排列及合理的甲板外延，并綜合考慮平臺組塊偏心，最終確定上層甲板的總體布置，導(dǎo)管架工作點間距推薦為（12 m+48 m+12 m）×22 m。

4.2 設(shè)備分區(qū)

海上油氣田生產(chǎn)的油氣屬于易燃、易爆物質(zhì)，為確保生產(chǎn)安全，平臺設(shè)備布置時應(yīng)將有限的甲板劃分為危險區(qū)和非危險區(qū)，將井口區(qū)、油氣生產(chǎn)處理區(qū)、含有易燃、易爆物質(zhì)的危險設(shè)備布置在危險區(qū)，將公用設(shè)備和生活區(qū)布置在非危險區(qū)，在危險區(qū)和非危險區(qū)之間設(shè)置防火墻或防爆墻進(jìn)行分隔。在設(shè)備分區(qū)布置時，常年主導(dǎo)風(fēng)向是非常重要的因素，通常根據(jù)常年主導(dǎo)風(fēng)向?qū)踩珔^(qū)布置在上風(fēng)向；將危險區(qū)布置在下風(fēng)向。

為便于設(shè)備分區(qū)，可以將平臺上的諸多設(shè)備歸納為燃料源和點火源[4]兩類，典型的燃料源與點火源見表2。通過防火爆炸分析研究可以進(jìn)一步得出防火/防爆墻的抗壓值，并對防火/防爆墻的布置提出合理建議。

表2 典型的燃料源與點火源

以DF13-2 CEPB中層甲板設(shè)備分區(qū)為例。如圖4所示，其中層甲板分別在2軸和3軸西側(cè)設(shè)置有2道防火墻，其中3軸西的防火墻用于將安全區(qū)和危險區(qū)隔離開，2軸防火墻將危險區(qū)又細(xì)分為井口區(qū)和生產(chǎn)區(qū)，在2軸設(shè)置防火墻將危險區(qū)一分為二，可以減小最大火區(qū)的面積，從而降低消防泵的排量。另外，在井口區(qū)或者生產(chǎn)區(qū)某一處發(fā)生火災(zāi)的情況下，2軸防火墻均可以有效降低火災(zāi)的蔓延速度，從而增加滅火反應(yīng)時間，降低事故等級。安全區(qū)的設(shè)施主要包括電氣房間和公用設(shè)備兩大類，電氣房間中的電氣設(shè)備以及電纜屬于點火源，將公用設(shè)備如淡水、柴油、公用風(fēng)/儀表風(fēng)橇等設(shè)施布置在燃料源（生產(chǎn)區(qū)）和點火源（電氣房間）之間可以起到較好安全緩沖過渡作用。另外，公用設(shè)備及配套的淡水泵、柴油泵等機電設(shè)備位于安全區(qū)，可以無需防爆，從而降低設(shè)備成本。

圖4 DF13-2CEPB中層甲板

4.3 設(shè)備操作維修

在總圖設(shè)計中需要考慮平臺上的設(shè)備設(shè)施具有較強的可操作性，如在供應(yīng)船靠船、吊機配置及布置位置、卸貨甲板設(shè)置、設(shè)備操作維修空間、預(yù)留設(shè)備的安裝等方面是否滿足設(shè)計要求。海洋平臺設(shè)備布置需要考慮設(shè)備之間及設(shè)備上方是否留有足夠的操作維修空間，以滿足設(shè)備的正常維護(hù)運轉(zhuǎn)及配件更換需要，并考慮大型設(shè)備及備件的轉(zhuǎn)運通道。平臺上層甲板的設(shè)備維修和物資轉(zhuǎn)運主要依靠平臺吊機；中層、下層甲板由于吊機無法直接覆蓋，設(shè)備維修和物質(zhì)轉(zhuǎn)運則主要依靠設(shè)置滑軌天車（monorail）、臨時電動或手動葫蘆等方式，將設(shè)備或維修部件轉(zhuǎn)運至該層甲板的卸貨區(qū)，再通過平臺吊機轉(zhuǎn)運至供應(yīng)船或其他甲板。

另外，有時中層甲板或下層甲板也可以采用在設(shè)備上方設(shè)置維修窗口的方式，來解決層高不足或無法使用吊機的問題。如:某平臺海水提升泵布置在下層甲板，在海水提升泵上方的中層甲板和上層甲板均設(shè)置維修窗口，海水提升泵的維修就可以直接使用平臺吊機進(jìn)行提泵作業(yè)；某平臺在中層甲板清管球發(fā)射器的尾部設(shè)置維修窗口，可以使用吊機來輔助進(jìn)行發(fā)球作業(yè)，在清管球發(fā)射器前的管道緊急關(guān)斷閥上方設(shè)置維修窗口，可以使用吊機來進(jìn)行大型閥門的維修作業(yè)。

在海洋平臺設(shè)計的后期，應(yīng)當(dāng)出具詳細(xì)的設(shè)備維修報告，明確主要設(shè)備的維修及備品備件更換吊裝方案和更換路徑。

海洋平臺主要設(shè)備操作維修空間及起重要求如表3所示。

大型壓縮機組、燃?xì)馔钙匠诵枰紤]設(shè)備的操作維修以外，還須考慮設(shè)備振動和噪音的問題，振動設(shè)備盡可能布置在導(dǎo)管架工作點以內(nèi)，以減少振動對結(jié)構(gòu)的影響；同時，也盡可能遠(yuǎn)離生活樓，以減少噪音影響。

5 設(shè)備擁塞程度

近年來，國際油價急劇下跌，海工設(shè)計對成本控制更加嚴(yán)格，控制海上平臺甲板尺度成為總圖設(shè)計的一項重要任務(wù)。但總圖設(shè)計過于緊湊，設(shè)備擁塞程度過高，容易導(dǎo)致可燃?xì)怏w積聚，增大火災(zāi)爆炸風(fēng)險，并且當(dāng)爆炸發(fā)生時，由于爆炸壓力沒有足夠的空間予以釋放，會對平臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的破壞，對平臺人員的人身安全造成較大的威脅。因此，總圖設(shè)計除了嚴(yán)格遵循安全規(guī)范以外，在設(shè)計階段還需要進(jìn)行火災(zāi)爆炸分析（FEA）、危險源識別（HAZID）、危險與可操作性分析（HAZOP）、氣體擴散分析、落物分析等安全分析，通過定性或定量的安全分析手段，對平臺可能存在的風(fēng)險進(jìn)行分析識別[5-7]，并給出指導(dǎo)意見，對總圖設(shè)計的安全風(fēng)險是否在可接受范圍內(nèi)進(jìn)行驗證和檢查。

表3 典型設(shè)備操作空間和維修要求

另外，國內(nèi)亟需開展一系列模擬研究或利用多個實際生產(chǎn)項目定量類比研究等，探索并總結(jié)一套簡單易用的設(shè)備擁塞度定性判斷標(biāo)準(zhǔn)，用于早期設(shè)計階段對平臺的安全風(fēng)險進(jìn)行定性評估，以指導(dǎo)早期設(shè)計的合理性，如：界定某區(qū)域設(shè)備所占面積占該區(qū)域總甲板面積的比值上限、界定單位面積設(shè)備重量與配管重量之和的上限，在設(shè)計早期不具備進(jìn)行FEA等安全分析的條件時，通過計算這些參數(shù)是否在界定的范圍之內(nèi)，來定性判別設(shè)備布置的擁塞程度和平臺的火災(zāi)爆炸風(fēng)險，從而指導(dǎo)總圖設(shè)計。

某國外知名海洋工程設(shè)計公司的擁塞度判定標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）設(shè)備所占面積與甲板總面積或所在區(qū)域的甲板面積比值：靜設(shè)備不大于28%，轉(zhuǎn)動設(shè)備不大于20%。

（2）設(shè)備重量與配管重量之和與甲板總面積的比值：不大于6 kN/m2。

上述擁塞度判定方法為經(jīng)驗方法，不同類別的項目可能存在較大差異，應(yīng)當(dāng)具體情況具體分析，該方法僅可用于設(shè)計參考，不能作為設(shè)計依據(jù)。

6 結(jié)束語

總圖設(shè)計的目標(biāo)是在滿足安全、生產(chǎn)操作方便、結(jié)構(gòu)安裝可行的前提下，力求投資經(jīng)濟(jì)。海上平臺甲板面積寸土寸金，投資巨大，總圖設(shè)計應(yīng)當(dāng)充分利用甲板面積，做到設(shè)備布置緊湊有序；同時又必須滿足安全、生產(chǎn)操作的需求。在當(dāng)前低油價形勢下大力開展降本增效工作的同時，也亟需建立健全一些安全標(biāo)準(zhǔn)和推薦做法并嚴(yán)格遵循，進(jìn)一步提高設(shè)計質(zhì)量，降低安全風(fēng)險。