海上平台冷放空系统在低放空量下的安全分析

静玉晓， 衣华磊， 张 明， 陈绍凯

(中海油研究总院 ， 北京 100027)



海上平台冷放空系统在低放空量下的安全分析

静玉晓， 衣华磊， 张 明， 陈绍凯

(中海油研究总院 ， 北京 100027)

在海洋石油平台冷放空系统的设计中，选择泄放管径时一般以平台最大泄放量为基准，使放空口流速达到150 m/s。若平台实际放空量远小于设计放空量，则放空口的气体流速难以达到设计值，此时可燃气体的稀释效果有待验证，冷放空系统的安全性需重新评估。利用FLUENT软件，通过数值模拟的方式，验证了海上平台冷放空系统在低放空量下的安全性，并对冷放空系统的设计提出了建议。

冷放空；可燃气体；数值模拟；低放空量

0 引言

冷放空即冷态放空，是指把连续放空物直接释放到一个未燃烧的火炬处所[1]，在海洋石油平台生产过程中，如果环境法规允许，可以对事故状态下的烃类蒸汽进行冷放空处理[2]。

在冷放空系统设计中，目前的习惯做法是以平台最大泄放量为基础，选取合适的泄放管径尺寸以使放空口的气体流速达到150 m/s[3]，实现喷射稀释，然后利用数值模拟方法评估可燃气体扩散情况，确保爆炸极限范围远离平台，未提及其他泄放工况[4,5]。若平台出现低量放空工况，例如套管放气工况，放空量远小于设计泄放量，在既有放空管尺寸条件下，放空口的气体流速难以达到设计值，此时需要重新评估可燃气体扩散是否满足安全要求。《泄压和减压系统指南》中认为[3]，对于泄放速度超过30 m/s的场合，喷射冲力稀释效果相同，而在多数情况下，甚至在25%的额定释放量时，放空速度仍大于30 m/s，但是该规范并未提及放空速度小于30 m/s的工况，因此该文将以某海上平台为例，采用数值模拟方法，研究冷放空系统在低放空量下的安全性。

1 计算模型及基础参数

某海上平台的三维模型如图1所示，主要设备有冷放空管、修井机、吊机操作台和直升机坪等，冷放空管直径为6 in，高度为15 m，放空口与平台设备的水平间隔为20 m。选择计算区域为100 m×100 m×100 m，利用GAMBIT软件进行建模和网格划分，网格类型为四面体，数量为47.7万。冷放空管设为速度入口边界，六面体计算区域的左侧为进风面，设为速度入口边界，其他五个面设为压力出口边界。

数值模拟软件选择FLUENT，采用k-epsilon湍流模型和组分传输模型，选用SIMPLE算法进行求解，在模拟中，假设风始终吹向平台且风速保持稳定。图1为平台物理模型示意图，图2为网格划分示意图。

图1 平台物理模型 图2 网格划分示意图

放空气体组分和爆炸极限见表1，混合气体的爆炸下限Lc可由式(1)计算得出[6]。

式中：L1,L2…Ln是各可燃气体组分的爆炸下限；V1,V2…Vn是各可燃气体组分的体积分数，即摩尔分数。经过计算，混合可燃气体的爆炸下限为3.16%。

上述海上平台冷放空系统的设计放空流速为150m/s，为了研究该系统在低放空量下的可靠性，该文选取放空流速1m/s和10m/s作为典型工况，选取风速1m/s、5m/s和10m/s作为典型工况。

表1 放空气体组分和爆炸极限

续表1 放空气体组分和爆炸极限

2 模拟结果对比分析

在评估可燃气体扩散效果时，以混合可燃气体爆炸下限的20%，即0.632%作为爆炸极限区域边界，根据可燃气体泄放源3 m半径区域为二类区域的准则[7]，将爆炸极限区域边界距离平台的安全距离定为3 m。

2.1 放空流速为150 m/s时的可燃气体浓度分布

图3为150 m/s放空流速时，不同风速下的可燃气体摩尔浓度分布图，各工况下爆炸极限区域边界与平台的距离均满足安全要求。风速较低时，可燃气体喷向平台外侧，随着风速的提高，可燃气体开始飘向平台，飘散距离在10 m左右，但飘散范围在风速较高时有所减小。

图3 泄放口气体流速为150 m/s，不同风速下可燃气体摩尔浓度分布图

2.2 放空流速为10 m/s时的可燃气体浓度分布

图4 泄放口气体流速为10 m/s，不同风速下可燃气体摩尔浓度分布图

图4为10 m/s放空流速时，不同风速下的可燃气体摩尔浓度分布图，与设计泄放速度相比，此时可燃气体的扩散范围明显缩小，各工况下爆炸极限区域边界与平台的距离均满足安全要求。当风速较低时，因泄放速度同样较低，可燃气体不再大量吹向平台外侧，而是飘向平台，飘散距离在5 m～7 m左右，而随着风速的提高，可燃气体的飘散距离有所减小，飘散距离在2 m～4 m左右。

2.3 放空流速为1m/s时的可燃气体浓度分布

图5 泄放口气体流速为1 m/s，不同风速下可燃气体摩尔浓度分布图

图5为1 m/s放空流速时，不同风速下的可燃气体摩尔浓度分布图，各工况下爆炸极限区域边界与平台的距离均满足安全要求。图5中可燃气体的扩散趋势与图4基本相同，只是当放空气体速度降低时，在同等风速下，可燃气体飘向平台的范围和距离进一步减小，此时风的吹散稀释作用在可燃气体的扩散过程中占主导地位。

3 结论

综上所述，可燃气体在低放空量下的扩散能满足安全要求，但受风的影响较大，尤其是在低放空量和低风速叠加的工况下，可燃气体随风反向飘散的程度会加重，此时泄放流体的喷射稀释作用减弱。因此,建议在设计海上平台冷放空系统时，基于最大泄放量工况选取冷放空管径后，深入分析平台有无低量放空工况，并核算泄放口的最低流速是否低于30 m/s，当泄放口流速接近甚至低于风速时，应重点进行安全性评估，必要时可适当缩小泄放管径，以确保在各种放空工况下，可燃气体爆炸极限区域边界距离平台结构物3 m以上。

[1] 中华人民共和国国家经济贸易委员会.海上固定平台安全规则[S]. 2000.

[2] 《海洋石油工程设计指南》编委会. 海洋石油工程设计概念与工艺设计(海洋石油工程设计指南第1册)[M]. 北京：石油工业出版社，2007.

[3] 中华人民共和国国家经济贸易委员会.泄压和减压系统指南[M]. 北京：石油工业出版社, 2002.

[4] 张明, 王春升, 衣华磊,等. 海上平台冷放空可燃气体扩散的数值模拟研究[J]. 中国海洋平台，2011, 26(5): 11-16.

[5] 衣华磊, 周晓红, 朱海山,等. 海上平台冷放空气体扩散模拟计算与分析研究[J]. 中国海洋平台，2012, 27(3): 37-42.

[6] 段常贵. 燃气输配[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2001.

[7] 中华人民共和国国家经济贸易委员会.石油设施电气设备安装一级一类和二类区域划分的推荐作法[M]. 北京：石油工业出版社, 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

静玉晓(1985-)，男，工程师。

1001-4500(2015)03-0073-04

X932

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