海上無人井口平臺開閉排系統優化研究

劉人瑋，郝 蘊，萬宇飛，楊天宇

1.中海油研究總院，北京 100028

2.中海石油（中國） 有限公司天津分公司，天津 300459

隨著常規油氣資源不斷開發，如何高效經濟地開發邊際油田成為目前急需攻克的難題。無人平臺由于其工藝流程簡單、平臺結構簡易、建造成本和操作費用低，在海上中小規模油氣田開發中發揮著越來越重要的作用。

目前，無人平臺在我國海上油氣田開發中得到一定范圍的應用。但由于油氣田規模、周邊依托設施、管理作業習慣等差異，無人平臺設計尚未實現標準化。對于一些系統和設備是否應該簡化，可以簡化到何種程度尚存在爭論。因此，有必要對已建無人平臺進行分析，結合具體特點開展優化研究，為今后設計提供參考。

本文主要對開式排放系統和閉式排放系統（以下簡稱“開閉排系統”） 開展系統性研究，總結已建平臺的開閉排系統設置情況，并結合南堡某油田實際特點，提出一種滿足安全要求的簡化開閉排流程。

1 已建無人平臺開閉排設計

我國海上在役無人井口平臺開閉排（不包含井口保護架） 設置情況見表1。

表1 國內海上在役無人井口平臺開閉排設置情況

從表1 可以看出，所有平臺均設有開排系統，這主要是由于環保部門對排海水質要求日趨嚴格，而無人平臺即使不設置任何油氣處理設施，也會因為危險區閥門內漏和維修操作使甲板存在一些油污，開排系統可以接收并分離帶有油污的雨水，因此不建議刪減開排系統。

另外，所有平臺均設置了放空或火炬系統，使可燃氣體可通過火炬臂或冷放空管泄放到安全高度，根據API RP 500 規定[1]：排放氣體爆炸下限的20%所在位置應距離平臺至少3 m。相對簡易的SZ36-1 WHPJ 平臺雖然沒有設置閉排罐或火炬分液罐，但設置了直徑32 in、長2.5 m 的圓管用于接收烴的排放，并進行氣液分離。大多數平臺都采用閉排兼冷放空罐和開排的組合設計[2]。從以往的設計經驗來看，尚沒有只設置開排、不設置閉排或火炬分液罐的先例。

2 工程實例分析

南堡某油田一座無人井口平臺采用全壓設計，平臺所產油、氣、水利用電潛泵，通過直徑6 in海底管道直接混輸到中心平臺進行油、氣、水分離處理。該無人井口平臺具有設備少以及正常生產、維修、事故工況下泄放量小的特點[3]。

南堡某油田無人平臺泄放量見表2。液體泄放方面：正常工況下幾乎沒有液體泄放；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 南堡某油田無人平臺泄放量

按照通常做法[6-7]，開排中的液體應由開排泵泵入閉排罐，閉排液體再由閉排泵泵回流程或海底管道[2]。而該平臺采用全壓設計，具有泄放量小、平臺空間緊湊的特點，因此將開閉排工藝流程進行簡化，簡化后的流程如圖1 所示。閉排罐接收維修和緊急工況帶壓泄放，閉排操作壓力設置為120 kPa，該壓力有利于氣體通過閉排全部閃蒸并放空。閉排內液體達到一定液位后通過重力自流進入開排槽，開排槽中的液體達到一定液位后再由開排泵輸送至海底管道。該流程可節省兩臺閉排泵和相應占地空間。

圖1 開閉排簡化工藝流程

2.1 冷放空泄放分析

為了分析以上簡化能否滿足安全要求，利用Fluent 軟件進行建模分析[8-9]。該平臺的冷放空管高度為10 m，垂直于平臺，簡化后的平臺三維幾何模型和冷放空擴散計算域網格劃分如圖2 所示。

圖2 平臺三維計算模型

模擬計算不同風速下的冷放空擴散情況，結果如圖3 ～4 所示，分別為0 m/s 和10 m/s 風速下可燃氣體云圖，可以看到在不同風速下，排放氣體爆炸下限的20%所在位置距離平臺均大于3 m，滿足API RP 500 規范，因此冷放空無安全風險。另外，從結果中也能看出，若不設置閉排兼冷放空系統，氣體直接由開排排放，則存在較大安全風險。

圖3 0m/s風速時可燃氣體風險區域

圖4 10m/s風速時可燃氣體風險區域

2.2 開排閃蒸氣風險分析

簡化后的開閉排流程中，開排槽位于閉排罐下游，閉排罐液體達到一定液位后開啟液位調節閥，液體通過重力自流進入開排。由于開排槽是敞口容器，因此需要計算進入開排的液體閃蒸產生的氣量，分析安全風險[10]。

利用HYSYS 軟件進行物料平衡計算，根據前面的分析，堵塞工況PSV 的液烴排放量最大，為2.8 m3。圖5 為液烴先經過閉排低壓（120 kPa）閃蒸再進入開排的流程：閉排液位達到一定高度時開啟液位控制閥，使液體進入開排，此時液烴已基本穩定。可以看到開排閃蒸的氣流量非常小，只有0.09 m3/h。因此，該流程不會帶來安全隱患，風險可控。

圖5 液烴先進閉排后進開排流程

而當不設置閉排，液烴直接進入開排時（如圖6 所示），開排閃蒸氣流量達到70.67 m3/h，該計算結果也表明設置閉排的必要性。通過物料平衡分析，可知“閉排液相進開排”流程閃蒸氣量很小，核實了流程的安全性。

圖6 液烴直接進入開排流程

2.3 開排溢油風險分析

該平臺正常生產時，無液體排放，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，開排槽容量3 m3。開排槽泵兩臺，共計4.8 m3/h 排量。下游液相接收能力遠大于排放量，且開排槽沒有設置溢油排海管道，因此無溢油風險。

3 結論

（1） 對于無人平臺，有必要設置閉排兼冷放空分液罐或火炬分液罐，以實現氣體的安全泄放。

（2） 對于全壓設計的無人井口平臺，如果液相泄放量確實較小，可以簡化開閉排流程，將開排槽設置在閉排罐下游，使閉排罐液體可以通過重力自流進入開排，節省閉排泵和相應占地空間。

（3） 開閉排流程的優化需基于全面的安全分析與校核，分別對冷放空氣體擴散、開排閃蒸氣和開排槽溢油風險進行分析。