海上中心平臺生活樓防火墻防爆設計

侯辰光，吳 磊，薛春芳，梁建斌，王偉銘

[1.中海石油（中國）有限公司天津分公司工程建設中心 天津 300459；2.海洋石油工程股份有限公司設計院 天津 300452]

0 引 言

某海上油氣田有一個中心處理平臺，為8 腿導管架平臺，平臺有3 層甲板：上層甲板、中層甲板和下層甲板。上層甲板西側布置了三甘醇再生撬、三甘醇脫水塔、入口氣過濾器和分離器、濕氣壓縮機、甲醇罐和甲醇注入泵等設備；甲板中間區域布置了濕氣壓縮機入口冷卻器、濕氣壓縮機后冷卻器、入口冷卻器、入口洗滌器、排放洗滌器和生活水罐等設備；上層甲板最東側是容納80 人的生活樓；平臺設有火炬臂，布置在上層甲板西南側。中層甲板布置了一級分離器、二級分離器、閃蒸氣壓縮機、閃蒸氣壓縮機增壓泵、化學藥劑注入撬和化學藥劑注入系統撬等設備。下層甲板布置了原油外輸泵、清管球發射/接收器、冷卻水循環泵、冷卻水循環泵過濾器、冷卻水交換器、開排罐和閉排罐等設備。

生活樓是海上油氣田作業人員的主要生活居住場所，在生活樓一層舷外側布置了2 艘救生艇，作業人員在緊急情況下可乘坐救生艇撤離平臺；生活樓樓頂設置有直升機甲板，條件允許的情況下，可以乘坐直升機撤離。因此，生活樓的安全性是保證平臺作業人員生命安全的關鍵，生活樓的安全是平臺設計的重點，要求在平臺工藝設備及管線里的油氣泄漏遇到明火發生火災爆炸時，應保證生活樓的完整性。在項目可研階段，生活樓面向工藝設備一側設置了H60 防火墻。在設計階段，通過火災爆炸分析，計算出H60 防火墻面向工藝設備一側的爆炸超壓，以確定防火墻是否需要防爆及防爆壓力設計取值。

1 火災爆炸分析方法

火災爆炸分析用于識別和評估火災熱輻射和爆炸超壓對評估區域的風險，可以確保設施設備在合理可行的情況下消除事故升級的可能性。火災爆炸分析主要包括定性分析和定量分析。定性分析是對火災爆炸發生的原因、過程及后果等進行分析；定量分析是計算火災爆炸發生的頻率及后果，將結果與標準規范進行對比，判斷事故后果的可接受程度，并采取一些合理措施降低風險。

火災爆炸分析著重解決以下4 個問題：①設備發生泄漏的頻率；②火災爆炸發生的頻率；③火災爆炸后果的嚴重性；④降低火災爆炸后果的建議措施。

火災爆炸發生的頻率與設備發生泄漏的頻率和泄漏后點火頻率有關，通過對火災爆炸發生的頻率和后果進行定量計算，并將計算出的結果與評定標準相比較，判斷出火災爆炸的可接受性，從而提出降低風險的措施和建議。

2 爆炸危害及評定準則

海上平臺甲板面積和層高有限，工藝設備、電氣房間、生活樓等布置比較緊湊。海上平臺的主要功能是處理從地層采出的原油和天然氣等易燃易爆物質，平臺上安裝有大量的電氣設備，原油和天然氣如果發生泄漏，則其遇到點火源可能會發生爆炸。發生爆炸時，能量在向外釋放時以沖擊波、碎片和容器殘余變形能量這3 種形式表現出來，其中空氣沖擊波占絕大部分，是爆炸的主要危害因素。爆炸超壓對建筑物的危害作用主要參照《化工企業定量風險評價導則》（AQ/T 3046—2013）表H.3。

3 火災爆炸定量分析

3.1 氣象條件

中心處理平臺所處海域最高氣溫為36.0 ℃，最低氣溫為-16.0 ℃，通過算術平均計算，可得平均氣溫為10.0 ℃，選取該特征氣溫作為火災爆炸分析的輸入條件。該海域以S、SSW、SW、SSE 和SE 等偏南風向及NE、NW、NNW 和ENE 等偏北風向為主，平均風速約為6.7 m/s，大氣穩定度等級選為D 級（D 級表示氣象條件的穩定性介于穩定和不穩定之間）。

3.2 危險源辨識

中心平臺工藝處理的介質為天然氣和凝析油，也是主要危險物質。天然氣在空氣中濃度為5%～15%的范圍內遇明火即可發生爆炸，這個濃度范圍即為天然氣的爆炸極限［1］。凝析油的閃點比較低，容易揮發，遇明火而發生爆燃，它比原油的危險系數更高。

3.3 泄漏場景選擇

泄漏場景的分類主要參照《化工企業定量風險評價導則》（AQ/T 3046—2013），有代表性的泄漏孔徑見表1［2］。

表1 典型泄漏場景Tab.1 Typical leakage scenarios

3.4 泄漏關斷時間

泄漏關斷時間對泄漏單元的泄漏時間和泄漏量有著重要影響，它與泄漏位置、泄漏孔徑、探測器布置、安全系統的響應時間和可靠性有關。本項目假設小孔泄漏、中孔泄漏、較大孔泄漏、大孔泄漏等不同泄漏場景的泄漏關斷時間為60 s［3］。

3.5 泄漏頻率計算

泄漏頻率計算主要依據國際石油與天然氣生產協會出版的工藝泄漏頻率報告，以對工藝儀表流程圖進行部件統計的方式來計算。部件統計的基本原則是統計工藝系統中所有能夠接觸到危險介質并承載壓力的部件。部件統計涉及的主要設備類型包括鋼制工藝管道、法蘭、手動閥門、驅動閥門、儀表、泵、壓縮機、容器和換熱器。中心平臺上層甲板泄露頻率計算結果見表2。

表2 上層甲板泄露頻率計算結果Tab.2 Calculation results of leakage frequency on upper deck

3.6 爆炸定量后果計算

3.6.1 分析中的一些假設

由于泄漏方向與風向一致時影響距離最遠，基于保守考慮，分析時假設泄漏方向與風向一致，所以只考慮人員合規操作和按照規章制度良好保護下的風險。緊急關斷閥門能有效隔離管道和設施中可燃介質流動。爆炸采用TNO Multi-Energy模型。

3.6.2 爆炸后果模擬

爆炸后果模擬目的是模擬帶壓設備泄漏后發生爆炸所造成的超壓影響，本次爆炸模擬采用三維模擬，主要分析平臺上層甲板危險介質發生爆炸事故對生活樓H60 防火墻的影響程度。上層甲板的所有設備中，排放洗滌器壓力最大（達6.1 MPa）且溫度較高。一旦發生泄漏，在較高壓力的作用下，其發生火災爆炸的可能性較大。在選擇排放洗滌器氣相出口管線泄漏場景進行爆炸三維模擬，考慮其爆炸事故后果對生活樓防火墻的影響。由于氣體泄漏擴散是火災爆炸的前提條件，在模擬爆炸后果時，須先確定泄漏場景，并將其作為爆炸的輸入條件。

采用軟件計算上層平臺的可燃氣體擴散情況，經計算，上層平臺泄漏擴散后在擁塞區域氣云量為282.62 m3，上層甲板可燃氣體泄漏擴散三維模擬圖見圖1。

圖1 上層甲板可燃氣體泄漏擴散三維模擬圖Fig.1 3D simulation diagram of combustible gas leakage and diffusion on upper deck

上層甲板排放洗滌器出口管線大量可燃氣體泄漏遇引火源達到爆炸條件，為觀測爆炸場景的影響，在生活樓防火墻上按3 m×3 m 的尺寸均布132 個觀測板。爆炸場景模擬結果見圖2。

圖2 上層甲板爆炸場景三維模擬圖Fig.2 3D simulation diagram of upper deck explosion scene

從上述爆炸分析中可以看出，當泄漏孔徑為25 mm時，上層甲板爆炸沖擊波對生活樓防火墻最大影響為0.32 kPa，介于0.28～0.69 kPa之間，參照《化工企業定量風險評價導則》（AQ/T 3046—2013）表H.3 可以看出，爆炸超壓作用于防火墻上的壓力較小，對生活樓的H60 防火墻危害較小。

4 結 語

該項目處于初步設計階段，無法確定平臺的管道布置高度、走向和雜物布置，所以三維建模時并未考慮管道及雜物對泄漏可燃氣體進一步阻塞的情況。平臺實際運行過程中，設備間由于管道及附件的布置，阻塞區域進一步增加，可能會導致爆炸后果加劇。因此，在詳細設計階段，應再做一次火災爆炸分析，以確保中心平臺生活樓的安全。同時，在平臺投產后，重點對氣液接收和分離系統、閃蒸氣壓縮和凝析氣回收系統制定完善的維修維護計劃，定期對法蘭、閥門和管道等容易泄漏的位置進行檢查，以便及時發現可能出現的小孔泄漏，防患于未然。■