海上無(wú)人井口平臺(tái)開(kāi)閉排系統(tǒng)優(yōu)化研究

劉人瑋，郝 蘊(yùn)，萬(wàn)宇飛，楊天宇

1.中海油研究總院，北京 100028

2.中海石油（中國(guó)） 有限公司天津分公司，天津 300459

隨著常規(guī)油氣資源不斷開(kāi)發(fā)，如何高效經(jīng)濟(jì)地開(kāi)發(fā)邊際油田成為目前急需攻克的難題。無(wú)人平臺(tái)由于其工藝流程簡(jiǎn)單、平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、建造成本和操作費(fèi)用低，在海上中小規(guī)模油氣田開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

目前，無(wú)人平臺(tái)在我國(guó)海上油氣田開(kāi)發(fā)中得到一定范圍的應(yīng)用。但由于油氣田規(guī)模、周邊依托設(shè)施、管理作業(yè)習(xí)慣等差異，無(wú)人平臺(tái)設(shè)計(jì)尚未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)于一些系統(tǒng)和設(shè)備是否應(yīng)該簡(jiǎn)化，可以簡(jiǎn)化到何種程度尚存在爭(zhēng)論。因此，有必要對(duì)已建無(wú)人平臺(tái)進(jìn)行分析，結(jié)合具體特點(diǎn)開(kāi)展優(yōu)化研究，為今后設(shè)計(jì)提供參考。

本文主要對(duì)開(kāi)式排放系統(tǒng)和閉式排放系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“開(kāi)閉排系統(tǒng)”） 開(kāi)展系統(tǒng)性研究，總結(jié)已建平臺(tái)的開(kāi)閉排系統(tǒng)設(shè)置情況，并結(jié)合南堡某油田實(shí)際特點(diǎn)，提出一種滿(mǎn)足安全要求的簡(jiǎn)化開(kāi)閉排流程。

1 已建無(wú)人平臺(tái)開(kāi)閉排設(shè)計(jì)

我國(guó)海上在役無(wú)人井口平臺(tái)開(kāi)閉排（不包含井口保護(hù)架） 設(shè)置情況見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)海上在役無(wú)人井口平臺(tái)開(kāi)閉排設(shè)置情況

從表1 可以看出，所有平臺(tái)均設(shè)有開(kāi)排系統(tǒng)，這主要是由于環(huán)保部門(mén)對(duì)排海水質(zhì)要求日趨嚴(yán)格，而無(wú)人平臺(tái)即使不設(shè)置任何油氣處理設(shè)施，也會(huì)因?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)閥門(mén)內(nèi)漏和維修操作使甲板存在一些油污，開(kāi)排系統(tǒng)可以接收并分離帶有油污的雨水，因此不建議刪減開(kāi)排系統(tǒng)。

另外，所有平臺(tái)均設(shè)置了放空或火炬系統(tǒng)，使可燃?xì)怏w可通過(guò)火炬臂或冷放空管泄放到安全高度，根據(jù)API RP 500 規(guī)定[1]：排放氣體爆炸下限的20%所在位置應(yīng)距離平臺(tái)至少3 m。相對(duì)簡(jiǎn)易的SZ36-1 WHPJ 平臺(tái)雖然沒(méi)有設(shè)置閉排罐或火炬分液罐，但設(shè)置了直徑32 in、長(zhǎng)2.5 m 的圓管用于接收烴的排放，并進(jìn)行氣液分離。大多數(shù)平臺(tái)都采用閉排兼冷放空罐和開(kāi)排的組合設(shè)計(jì)[2]。從以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，尚沒(méi)有只設(shè)置開(kāi)排、不設(shè)置閉排或火炬分液罐的先例。

2 工程實(shí)例分析

南堡某油田一座無(wú)人井口平臺(tái)采用全壓設(shè)計(jì)，平臺(tái)所產(chǎn)油、氣、水利用電潛泵，通過(guò)直徑6 in海底管道直接混輸?shù)街行钠脚_(tái)進(jìn)行油、氣、水分離處理。該無(wú)人井口平臺(tái)具有設(shè)備少以及正常生產(chǎn)、維修、事故工況下泄放量小的特點(diǎn)[3]。

南堡某油田無(wú)人平臺(tái)泄放量見(jiàn)表2。液體泄放方面：正常工況下幾乎沒(méi)有液體泄放；緊急和維修工況下液相的最大堵塞工況壓力安全閥（PSV） 最大泄放量為2.8 m3。氣體泄放方面：只有火災(zāi)工況下存在大量氣體泄放，最大泄放量為10 522 m3/d[4-5]。

表2 南堡某油田無(wú)人平臺(tái)泄放量

按照通常做法[6-7]，開(kāi)排中的液體應(yīng)由開(kāi)排泵泵入閉排罐，閉排液體再由閉排泵泵回流程或海底管道[2]。而該平臺(tái)采用全壓設(shè)計(jì)，具有泄放量小、平臺(tái)空間緊湊的特點(diǎn)，因此將開(kāi)閉排工藝流程進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的流程如圖1 所示。閉排罐接收維修和緊急工況帶壓泄放，閉排操作壓力設(shè)置為120 kPa，該壓力有利于氣體通過(guò)閉排全部閃蒸并放空。閉排內(nèi)液體達(dá)到一定液位后通過(guò)重力自流進(jìn)入開(kāi)排槽，開(kāi)排槽中的液體達(dá)到一定液位后再由開(kāi)排泵輸送至海底管道。該流程可節(jié)省兩臺(tái)閉排泵和相應(yīng)占地空間。

圖1 開(kāi)閉排簡(jiǎn)化工藝流程

2.1 冷放空泄放分析

為了分析以上簡(jiǎn)化能否滿(mǎn)足安全要求，利用Fluent 軟件進(jìn)行建模分析[8-9]。該平臺(tái)的冷放空管高度為10 m，垂直于平臺(tái)，簡(jiǎn)化后的平臺(tái)三維幾何模型和冷放空擴(kuò)散計(jì)算域網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖2 平臺(tái)三維計(jì)算模型

模擬計(jì)算不同風(fēng)速下的冷放空擴(kuò)散情況，結(jié)果如圖3 ～4 所示，分別為0 m/s 和10 m/s 風(fēng)速下可燃?xì)怏w云圖，可以看到在不同風(fēng)速下，排放氣體爆炸下限的20%所在位置距離平臺(tái)均大于3 m，滿(mǎn)足API RP 500 規(guī)范，因此冷放空無(wú)安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，從結(jié)果中也能看出，若不設(shè)置閉排兼冷放空系統(tǒng)，氣體直接由開(kāi)排排放，則存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 0m/s風(fēng)速時(shí)可燃?xì)怏w風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域

圖4 10m/s風(fēng)速時(shí)可燃?xì)怏w風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域

2.2 開(kāi)排閃蒸氣風(fēng)險(xiǎn)分析

簡(jiǎn)化后的開(kāi)閉排流程中，開(kāi)排槽位于閉排罐下游，閉排罐液體達(dá)到一定液位后開(kāi)啟液位調(diào)節(jié)閥，液體通過(guò)重力自流進(jìn)入開(kāi)排。由于開(kāi)排槽是敞口容器，因此需要計(jì)算進(jìn)入開(kāi)排的液體閃蒸產(chǎn)生的氣量，分析安全風(fēng)險(xiǎn)[10]。

利用HYSYS 軟件進(jìn)行物料平衡計(jì)算，根據(jù)前面的分析，堵塞工況PSV 的液烴排放量最大，為2.8 m3。圖5 為液烴先經(jīng)過(guò)閉排低壓（120 kPa）閃蒸再進(jìn)入開(kāi)排的流程：閉排液位達(dá)到一定高度時(shí)開(kāi)啟液位控制閥，使液體進(jìn)入開(kāi)排，此時(shí)液烴已基本穩(wěn)定。可以看到開(kāi)排閃蒸的氣流量非常小，只有0.09 m3/h。因此，該流程不會(huì)帶來(lái)安全隱患，風(fēng)險(xiǎn)可控。

圖5 液烴先進(jìn)閉排后進(jìn)開(kāi)排流程

而當(dāng)不設(shè)置閉排，液烴直接進(jìn)入開(kāi)排時(shí)（如圖6 所示），開(kāi)排閃蒸氣流量達(dá)到70.67 m3/h，該計(jì)算結(jié)果也表明設(shè)置閉排的必要性。通過(guò)物料平衡分析，可知“閉排液相進(jìn)開(kāi)排”流程閃蒸氣量很小，核實(shí)了流程的安全性。

圖6 液烴直接進(jìn)入開(kāi)排流程

2.3 開(kāi)排溢油風(fēng)險(xiǎn)分析

該平臺(tái)正常生產(chǎn)時(shí)，無(wú)液體排放，僅在緊急工況和檢修工況下有少量液體排放。烴液最大排放量2.8 m3，而閉排有效容積約3 m3，開(kāi)排槽容量3 m3。開(kāi)排槽泵兩臺(tái)，共計(jì)4.8 m3/h 排量。下游液相接收能力遠(yuǎn)大于排放量，且開(kāi)排槽沒(méi)有設(shè)置溢油排海管道，因此無(wú)溢油風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

（1） 對(duì)于無(wú)人平臺(tái)，有必要設(shè)置閉排兼冷放空分液罐或火炬分液罐，以實(shí)現(xiàn)氣體的安全泄放。

（2） 對(duì)于全壓設(shè)計(jì)的無(wú)人井口平臺(tái)，如果液相泄放量確實(shí)較小，可以簡(jiǎn)化開(kāi)閉排流程，將開(kāi)排槽設(shè)置在閉排罐下游，使閉排罐液體可以通過(guò)重力自流進(jìn)入開(kāi)排，節(jié)省閉排泵和相應(yīng)占地空間。

（3） 開(kāi)閉排流程的優(yōu)化需基于全面的安全分析與校核，分別對(duì)冷放空氣體擴(kuò)散、開(kāi)排閃蒸氣和開(kāi)排槽溢油風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。