海上平臺(tái)冷放空防引燃仿真計(jì)算研究

王新軍

（中國(guó)海洋石油有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司，天津 300457）

冷放空系統(tǒng)是海洋生產(chǎn)平臺(tái)生產(chǎn)設(shè)施中非常重要的安全系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)是否合理，將直接影響平臺(tái)的生產(chǎn)和安全[1]。如果冷放空排出的易燃?xì)怏w被火炬引燃，將對(duì)海上油氣生產(chǎn)造成重大安全隱患，甚至造成嚴(yán)重的火災(zāi)爆炸的后果。關(guān)于冷放空的設(shè)計(jì)有很多學(xué)者進(jìn)行了研究討論。

魏利軍等提出了k-spsilon模型和Simple算法，并對(duì)氣體擴(kuò)散做出研究，模擬其運(yùn)動(dòng)過(guò)程[2]；張明等采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法對(duì)海上平臺(tái)冷放空可燃?xì)怏w擴(kuò)散進(jìn)行計(jì)算分析不同風(fēng)向、風(fēng)速、泄放量、泄放口朝向等因素對(duì)可燃?xì)怏w擴(kuò)散的影響，還對(duì)海上平臺(tái)可燃?xì)怏w的擴(kuò)散影響進(jìn)行分析，利用Fluent和Flaresim軟件進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算[3-4]；王濤等在較新的研究中利用DNV的Phast軟件進(jìn)行計(jì)算，在冷放空不點(diǎn)燃的情況下可燃?xì)怏w擴(kuò)散和極端天氣下雷擊引燃的后產(chǎn)生的危害后果等幾個(gè)方面進(jìn)行詳盡分析[5]。陳文峰等通過(guò)Phast軟件對(duì)硫化氫擴(kuò)散邊界進(jìn)行仿真計(jì)算對(duì)冷放空的計(jì)算提出要求[6]。衣華磊等以整個(gè)海上平臺(tái)進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，通過(guò)Fluent軟件對(duì)冷放空氣體進(jìn)行仿真模擬計(jì)算以分析有害氣體對(duì)平臺(tái)的影響范圍，對(duì)平臺(tái)冷放空設(shè)計(jì)提供依據(jù)[7]。

本文選擇較為經(jīng)典的Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，以發(fā)生過(guò)火炬點(diǎn)燃冷放空事件的某海洋石油生產(chǎn)平臺(tái)為例，以可燃?xì)怏w擴(kuò)散數(shù)據(jù)為依據(jù)，提出改變冷放空放空口和位置的改造方案，并進(jìn)行模擬計(jì)算驗(yàn)證可行性。本文研究結(jié)果可以為海洋石油生產(chǎn)平臺(tái)冷放空改造提供技術(shù)指導(dǎo)，有助于提升平臺(tái)人員及設(shè)備本質(zhì)安全水平。

1 實(shí)驗(yàn)背景和條件

冷放空的排氣原理是來(lái)自污油罐、污水罐和注水緩沖罐的微正壓、低濃度碳?xì)浠衔镞M(jìn)入冷放空系統(tǒng)，釋放至大氣中。間斷排放，罐內(nèi)壓力低于設(shè)定值時(shí)補(bǔ)氣（進(jìn)氣），高于設(shè)定值時(shí)排氣。冷放空排出的易燃?xì)怏w在空氣中擴(kuò)散，如果擴(kuò)散至火炬火焰仍能達(dá)到燃爆濃度范圍，則會(huì)發(fā)生引燃引爆。

某海洋油氣生產(chǎn)平臺(tái)位于渤海南部海域，平均水深約17m，年平均氣溫11.1℃，海域常風(fēng)向?yàn)镾、NE；冷放空設(shè)計(jì)處理量：正常情況1 300Sm3/h（0.4185kg/s），緊急情況4 900Sm3/h （1.577kg/s）氣體出口速度29.877m/s，7.927m/s；冷放空頭壓降＜2kPa；排放氣體的壓力范圍：微正壓，0.5～1kPa；火炬設(shè)計(jì)處理量：正常情況2 400Sm3/h（0.772 5kg/s），最大瞬時(shí)處理量14 400Sm3/h（4.635kg/s）；排放氣體主要是天然氣，相對(duì)空氣密度0.898 3。天然氣爆炸極限5%～15%，燃點(diǎn)270～540℃（仿真計(jì)算取270℃=543K）。

某日，本平臺(tái)發(fā)生火炬引燃冷放空事件。當(dāng)時(shí)冷放空排氣量約氣量約3萬(wàn)m3/d（1 250Sm3/h），天氣晴，風(fēng)速7m/s。仿真計(jì)算將改變冷放空位置、放空口形狀、放空口朝向以及處理量幾種條件，分析火炬是否能點(diǎn)燃冷放空排出的可燃?xì)怏w，進(jìn)而提出合理的改造方案。

2 仿真計(jì)算分析

2.1 改造前冷放空仿真計(jì)算

計(jì)算時(shí)取風(fēng)速為7m/s，風(fēng)向從火炬吹向平臺(tái)。在放空口豎直向上、彎折朝向火炬、彎折朝向平臺(tái)三種情況下分別按緊急情況最大瞬時(shí)處理量和正常情況設(shè)計(jì)處理量排放用Fluent軟件模擬計(jì)算5%濃度天然氣分布和543K火焰分布，放空口形態(tài)見(jiàn)圖1，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2～3。

無(wú)論冷放空口朝向何方，其排出的可燃?xì)怏w在正常情況和最大瞬時(shí)處理量時(shí)都能被火炬引燃。由此推斷，5%濃度的擴(kuò)散氣體邊界在當(dāng)前條件下容易接觸火炬火焰，導(dǎo)致引燃。如果將冷放空下移一段距離，可能會(huì)解決火炬引燃冷放空口的問(wèn)題，以此提出改造方案，將冷放空口下移至火炬臂中間 位置。

圖1 放空口形態(tài)

圖2 最大瞬時(shí)處理量時(shí)5%濃度天然氣分布和543K火焰分布

圖3 正常設(shè)計(jì)處理量時(shí)5%濃度天然氣分布和543K火焰分布

2.2 冷放空改造后仿真計(jì)算

冷放空、火炬排放量都按正常情況處理量計(jì)算，風(fēng)速取7m/s，從火炬吹向平臺(tái)。改變放空口朝向分別為朝向火炬和豎直向上。用Fluent軟件模擬5%濃度天然氣分布和543K的火焰分布，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 改造后5%濃度天然氣分布和543K火焰分布

將冷放空位置下移后18m，仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)冷放空氣體不會(huì)被火炬引燃。因此將冷放空沿火炬臂下移，放置在火炬臂中部比較合理，證明改造方案合理可行。

3 結(jié)論

仿真計(jì)算時(shí)只在火炬處設(shè)置點(diǎn)火，通過(guò)模擬計(jì)算，冷放空管在各種朝向、緊急情況最大瞬時(shí)處理量、正常處理量各種工況時(shí)冷放空氣體都會(huì)被引燃，因此改變冷放空口朝向并不能防止冷放空氣體被引燃。

改造前冷放空氣體在正常情況和最大瞬時(shí)處理量時(shí)都能被火炬引燃，是由于冷放空當(dāng)前位置偏高、距離火炬太近，冷放空當(dāng)前高度（距離火炬約12.5m）容易被火炬引燃，若將冷放空位置下移至火炬臂中部18m，通過(guò)仿真計(jì)算，得出冷放空氣體不會(huì)被火炬引燃。因此將冷放空沿火炬臂下移，放置在火炬臂中部比較合理，該研究與分析為現(xiàn)場(chǎng)冷放空改造提供理論依據(jù)和借鑒思路。