渤海海域海上平臺擋風墻高度計算模型研究

曹 楊 王紅紅 陳坤亮 張夢夢 王魁濤 張 悅

1. 中海油研究總院有限責任公司工程研究設計院, 北京 100028;2. 中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院, 北京 102249

0 前言

中國渤海海域冬季氣溫低、海風大,冷風吹入會造成海上平臺甲板內溫度低,嚴重影響設備正常運轉,也嚴重影響作業人員操作效率和可靠性[1-2]。擋風墻是一種冬季安裝于中國渤海海域海上平臺四周的硬質圍擋結構,可有效緩解冬季嚴寒低溫,但安裝擋風墻增加了平臺甲板的封閉性,易造成油氣局部積聚,增加平臺的危險性[3]。

目前,因通風問題而引發的海上平臺風險增加集中在主機房[4]、原油發電機房[5]、電氣間[6-7]、變壓間[8]、化驗室[9-10]、油漆間[11]、生活樓[12-13]等地方,以及海上平臺暖通的設計參數選擇方面[14-15]。關于因擋風墻安裝而引起的海上平臺通風分析方面的研究較少。

擋風墻高度是擋風墻設計的關鍵參數之一,同時也是直接影響海上平臺擋風保暖和封閉性的關鍵因素。當前,未查閱到國家標準、行業標準對海上平臺擋風墻高度設計及計算方法的具體規定。SY/T 6958—2013《低溫石油鉆機和修井機》中規定[16]:鉆臺面四周擋風墻高度為3～6 m,二層臺人行通道的擋風墻高度為2～3 m。鉆臺面以下保溫棚要設置帶百葉窗的排風扇,以控制有害氣體不超過20%。但該標準未對擋風墻高度選取依據進行說明。中國海油發布的Q/HS 3015—2005《渤海海域平臺擋風墻設計規定》[17]中，以增加擋風墻后海上平臺是否為封閉區域提出一種粗略估算擋風墻高度的方法,這種方法并未考慮加裝擋風墻后海上平臺是否滿足充分通風要求。一旦海上平臺內部通風不充分,會增加油氣聚集風險。

關于區域充分通風的要求,SY/T 6671—2017《石油設施電氣設備安裝區域一級、0區、1區和2區區域劃分推薦作法》[18](以下簡稱SY/T 6671—2017)中規定:對于1類、2類危險區域,在正常生產狀況下其內部的通風換氣次數不能少于12次/h和6次/h。海上平臺,尤其是工藝區屬于1類危險區,安裝擋風墻后形成了封閉空間,其內部通風換氣次數應不少于12次/h。因此,海上平臺增加擋風墻,必須進行計算和核實,以確保海上平臺甲板內部符合通風安全的要求[19]。

基于以上分析可見,針對半敞開多層結構特點的海上平臺,在計算擋風墻高度時,應該考慮因增設擋風墻帶來的甲板空間封閉性區域性質變化問題,有必要開展科學定量的計算。本文以渤海海域某海上平臺為例,通過定性和定量相結合的方法,初步估算擋風墻安裝高度,判斷海上平臺的封閉性。通過運用數值模擬手段,對海上平臺進行通風模擬分析,以平臺區域內通風換氣次數符合不少于12次/h來確定擋風墻臨界高度,提出擋風墻高度計算模型,可為海上平臺擋風墻設計提供參考。

1 擋風墻高度計算模型

1.1 定義

在進行擋風墻高度計算之前,需要引入兩個相關概念,以方便后續計算說明:一是臨界通風換氣次數,指某一空間區域滿足充分通風要求時,通風換氣次數的最小值;二是擋風墻臨界高度,指某一空間區域滿足臨界通風換氣次數要求時,對應的擋風墻高度值。

1.2 計算過程

擋風墻高度是決定擋風墻能否起到防寒保暖作用的關鍵參數之一。然而,海上平臺在增設擋風墻后會增加甲板空間封閉性,可能造成海上平臺從敞開空間變成封閉空間,增加油氣聚集風險。根據相關標準,海上平臺尤其是工藝區必須充分通風,以保證可燃氣體濃度低于火氣探頭的報警值。因此,擋風墻高度的確定需要綜合考慮冬季防寒保暖、通風安全以及火氣監測管理等多方面因素。在擋風墻高度確定過程中,擋風墻高度設計值需要滿足以下條件。

1)根據海上平臺所在海域冬季風向、海上平臺安裝朝向,確定擋風墻布置方位和長度范圍。

2)根據確定的海上平臺擋風墻參數,依據擋風墻圍擋面積不超過平臺四周可封閉最大面積50%的要求,可初步確定擋風墻高度H1。

如果由擋風墻圍擋組成的墻壁、屋頂和地板的投影面積不超過總投影面積三分之二,則擋風墻圍擋區域不是封閉區域,此時擋風墻高度H1可作為擋風墻高度的最終設計值；如果擋風墻圍欄組成的墻壁、屋頂和地板的投影面積超過總投影面積的三分之二，則擋風墻圍擋區域是封閉區域,需要開展進一步的通風定量評價,以確定是否滿足充分通風的要求以及擋風墻臨界高度,具體步驟如下。

1)確定海上平臺封閉區域及其參數。

2)計算海上平臺封閉區域的體積空間。

3)計算海上平臺封閉區域的通風量。

6)當不滿足充分通風的要求時,需要降低擋風墻高度(建議每次可以降低0.5 m),通過試算的方法,重新進行海上平臺的通風數值模擬計算,再次獲取通風量,計算通風換氣次數,直至確定通風換氣次數滿足SY/T 6671—2017的要求。此時，擋風墻高度即為擋風墻臨界高度Hc。海上平臺擋風墻高度計算流程見圖1。

2 擋風墻高度計算算例

2.1 工程背景

本文以渤海海域某海上平臺為工程背景,選取該海上平臺下層甲板為研究對象進行幾何建模,甲板內布置控制間、電氣間、采油樹、計量罐等設施。

2.2 擋風墻高度H1的確定

2.2.1 海上平臺及擋風墻尺寸

計算海上平臺四周圍擋面積,首先要確定平臺下層甲板、左側房間以及擋風墻等關鍵尺寸參數：房間到平臺上側邊緣距離W1為3 m,房間到平臺下側邊緣距離W2為 2.9 m,平臺寬度W為30.9 m,房間長度D1為25 m，平臺長度L為38.8 m,房間寬度D2為4 m,房間西墻到平臺兩側邊緣距離L1為2.2 m，平臺北側擋風墻長度A為30.6 m,平臺東側擋風墻長度B為28.6 m，上下甲板距離h為8 m,見圖2。

2.2.2 海上平臺圍擋面積計算

要想確定海上平臺擋風墻高度的初步值,需要確定以下參數。

1)除去海上平臺左側房間的影響,海上平臺四周可封閉最大面積S封max為:

S封max=[2×(W+L-L1)-D2]×h

=[2×(30.9+38.8-2.2)-4]×8

(1)

2)根據擋風墻圍擋面積不大于海上平臺四周可封閉最大面積的50%，計算海上平臺四周可圍擋最大面積S擋max為:

S擋max=50%×S封max

=50%×1 048

(2)

S擋實際=S擋max-D1×h

=524-25×8

(3)

4)根據渤海海域的環境條件資料,冬季主風向為NE,在平臺北面和東面設置擋風墻。根據擋風墻圍擋面積不超過海上平臺四周可封閉面積最大值的50%,計算得到擋風墻高度H1為:

H1=S擋實際÷(A+B)

=324÷(30.6+28.6)

≈5.5m

(4)

因此,當該海上平臺在北面和東面增設擋風墻時,可得到擋風墻高度H1為5.5 m。

2.3 圍擋空間區域類型的確定

2.3.1 海上平臺擋風墻加裝區域面積

S=A×B×2+S封max

=30.6×28.6×2+1 048

=2 798.32m2

(5)

2.3.2 增設擋風墻后被封閉的區域

S封閉區=A×B×2+D1×h+(A+B)×H1

=30.6×28.6×2+25×8+(30.6+28.6)×5.5

=2 275.92m2

(6)

由于2 275.92 m2>1 865.55 m2(2 798.32 m2×2/3),可判斷在該海上平臺北面和東面增設5.5 m高的擋風墻后,海上平臺甲板內部空間變成了封閉區域。

根據相關標準規定,對于具有封閉性質的生產空間,必須要保證該空間內部的通風換氣次數不小于12次/h。根據圖1開展通風安全定量評價,通過調整擋風墻高度,來滿足海上平臺甲板空間內部充分通風的要求。

3 通風安全定量評價

3.1 評價流程

海上平臺通風安全定量評價見圖3。

圖3 通風安全定量評價流程圖Fig.3 Flowchart of quantitative ventilation safety assessment

3.2 海上平臺建模

根據渤海海域某海上平臺設計階段圖紙,確定海上平臺主要設備設置的位置及尺寸,以及擋風墻的位置及長度。利用ANSYS中SCDM模塊構建海上平臺下層甲板幾何模型,見圖4。

圖4 海上平臺下層甲板幾何模型圖Fig.4 Geogmetric model of lower deck of offshore platform

3.3 環境條件確定

渤海海域環境條件中冬季主風向和風速分布是最重要的參數,也是開展海上平臺通風模擬計算的關鍵。根據平臺所在渤海海域的氣象資料,獲取冬季主風向為NE,頻率為18.2%,風速分布情況見表1。

表1 渤海海域海上平臺的主風向風頻與風速表

根據表1數據,選取海上平臺通風模擬風向NE,風速為0.5 m/s進行模擬分析。擋風墻高度分別取5.5 m、5.0 m和4.5 m。海上平臺通風模擬工況見表2。

表2 渤海海域海上平臺通風模擬工況表

3.4 通風量模擬計算

以風向為NE、風速0.5 m/s、擋風墻高度4.0 m為例,不同高度z的海上平臺內部通風模擬結果見圖5。

a)z=4.0 m

b)z=5.0 m

c)z=6.0 m

d)z=7.0 m

由于風向為NE,因而海上平臺進風斷面為平臺的北面和東面,通過ANSYS中模塊提取穩態下北面和東面豎直截面上的通風量。

海上平臺甲板內部空間的通風換氣次數的計算公式為[20-21]:

(7)

在不同擋風墻高度下,海上平臺通風量和通風換氣次數計算結果見表3。

表3 渤海海域海上平臺通風換氣次數計算結果表

根據表3可看出,當擋風墻高度為5.5 m時,海上平臺甲板內部的通風換氣次數為10.51次/h,不滿足充分通風的要求；當擋風墻高度下調至5.0 m、4.5 m和4.0 m時,通風換氣次數分別為11.64次/h、12.91次/h 和14.49次/h；當擋風墻高度為 4.5 m 時,通風換氣次數剛好滿足充分通風的要求。因此,可將4.5 m看作擋風墻高度臨界高度。

4 結論

1)為了解決海上平臺擋風墻高度設計中未考慮充分通風要求的問題,提出了一種海上平臺擋風墻高度計算模型,依據充分通風要求,計算平臺區域通風換氣次數,以確定擋風墻高度。

2)通過初步確定擋風墻高度,運用數值模擬手段計算通風量,以通風換氣次數12次/h為依據,通過迭代計算,可確定擋風墻臨界高度。

3)以渤海海域某海上平臺為例,通過計算初步確定擋風墻高度為5.5 m,并確定海上平臺為封閉區域。通過開展多組工況的通風模擬計算,當調整擋風墻臨界高度為4.5 m時,通風換氣次數為12.91次/h,滿足相關標準對充分通風的要求。