海上石油多臺套大型壓縮機平臺總體布置研究

摘" " 要：在海上平臺建設中，總體布置的設計效果直接影響平臺的運行效率與維護成本，但目前涉及到總體布置尤其是包含多臺壓縮機的布置研究較少。因此，從工藝流程、總圖布置及安全運行等因素考慮，以渤海油田某凝析氣田區塊海上中心處理平臺為例，針對其上部組塊，進行多臺套大型壓縮機的平臺總體布置研究。研究認為，海上平臺壓縮機布置應綜合考慮工藝、安全、結構、操作及環保等因素，合規布置消防設施，并兼顧協同運行的結構穩定特性。該處理平臺壓縮機集中布置在中層甲板中心區域，成橇對稱分布，設有H60防火墻、維修通道、逃生通道及雨淋噴管等，可以實現壓縮機系統生產、安全、環保和操作的最佳平衡。同時，對于空間足夠的平臺，建議在滿足工藝需求前提下，考慮將壓縮機分散和分層錯位布置，以更好地保障設備安全運行，識別和預防潛在危險。

關鍵詞：海上平臺；壓縮機；總體布置；上部組塊；凝析氣田

Overall layout technology for multiple sets of large compressors on offshore oil platforms

YAO Hengyang， LI Tieyang， ZHU Chaoliang， ZHANG Dianchen， WANG Zhenwu

Offshore Oil Engineering Co.， Ltd.， Tianjin 300451， China

Abstract：In the construction of offshore platforms， the design effect of the overall layout directly affects the operational efficiency and maintenance cost of the platforms. However， there is still a lack of research on the overall layout technology， especially the layout for multiple compressors. Therefore， with factors such as process flow， general layout， and safe operation taken into consideration， this paper studies the overall layout technology for multiple sets of large compressors on offshore oil platforms， taking the offshore central processing platform of a condensate field block in Bohai Oilfield as an example and aimed at its topside. Research suggests that the layout of compressors on offshore platforms should comprehensively consider factors such as process， safety， structure， operation， and environmental protection， comply with fire protection measures， and take into account the structural stability characteristics of collaborative operation. For the layout of the aforementioned processing platform， the compressor is centrally arranged in the center of the middle deck with a symmetrically distributed package design， equipped with an H60 firewall， maintenance and escape channels， deluge sprinklers， etc.， which can achieve the best balance among aspects of production， safety， environmental protection and operation of the compressor system. Meanwhile， it is recommended that for platforms with enough space， under the premise of meeting process requirements， the decentralized and staggered layer arrangement of the compressors can be considered to better ensure the safe operation of the equipment， and identify and prevent potential hazards.

Keywords：offshore platform; compressor; overall layout; topside; condensate field

在海上石油平臺建設中，總體布置是一個復雜、關鍵的設計過程，需要綜合考慮生產效率、設備可維護性、人員安全、環境保護等多個因素，旨在確定平臺上各種設備設施、結構和系統的最佳布局和排列方式[1-5]，以滿足生產、安全和環保等要求。

隨著我國海域凝析氣田的不斷開發建設，對壓縮機平臺總體布置提出了更高的要求，特別是對于包含多臺套大型壓縮機平臺的總體布置，亟需解決最優生產效率、設備安全性、環境保護和經濟性之間的矛盾[6-7]。因此，本文以渤海油田某凝析氣田區塊中心平臺上部組塊建設工程項目為例，從工藝、安全及合規角度出發，對壓縮機的空間布局、工藝流程要求、消防安全等方面進行分析，并計算壓縮機系統基于油氣泄漏的點火概率與爆炸概率，由此給出海上石油多臺套大型壓縮機平臺總體布置技術，旨在為工程師、研究人員和決策者提供實用、高效、可持續的技術解決方案，推動海上油氣行業平臺總體布置技術的創新。

1" " 平臺概況

依托渤海油田某凝析氣田區塊油氣開發項目，以氣田區塊新建海上中心處理平臺設計方案為基礎，開展海上石油多臺套大型壓縮機平臺的總體布置研究。

目前該中心處理平臺已設計完成，但仍需為后期氣田開發預留空間，提供開發能力保障，設計的中心處理平臺三維模型示意如圖1所示。

平臺組塊采用AB軸浮托方式安裝，導管架工作點間距為40 m×（16 m+16 m+12 m）。共設有四層甲板，分別是上層甲板、中層甲板、下層甲板、工作甲板。平臺設置有主工藝系統、閃蒸氣壓縮機系統、低壓/中壓/注氣壓縮機系統及公用系統等設備設施。

2" " 工藝流程配置

基于凝析氣田區塊生產基礎數據，以充分利用井口壓力、減少能耗需求為中心處理平臺設計原則，兼顧分期建設預留能力，設計了井口生產來液處理系統工藝流程，其中天然氣處理系統工藝流程如圖2所示。

根據井口壓力大小，井口可分為低低壓、低壓、中壓和高壓井口，針對不同壓力等級井口，平臺分別設計了相應的處理分離器。從圖2可知，高壓井的物流經高壓管匯進入高壓生產分離器后，氣相直接進入TEG系統脫水，液相進入中壓分離器進一步脫氣；中壓井的物流經中壓管匯進入中壓分離器后，氣相進入中壓壓縮機增壓后去TEG脫水，液相進入低壓分離器進一步脫水；低壓井的物流經低壓管匯進入低壓分離器后，氣相進入低壓壓縮機增壓后進入中壓壓縮機，再次壓縮增壓后進入TEG進行脫水處理，液相去一級閃蒸分離器進一步處理；低低壓井的井口物流直接接入閃蒸分離器分離后，氣相經逐級壓縮增壓后進入TEG進行脫水處理，液相處理成飽和蒸氣壓合格的含水原油。

凝析氣田80%的自產氣在中心處理平臺和附近井口平臺進行回注，剩余氣和壓縮增壓過程中產生的凝析油外輸至附近平臺，最終運輸至陸地天然氣和原油處理終端。

根據天然氣處理工藝流程和井口生產數據，壓縮機選型見表1。

3" " 壓縮機總圖布置

3.1" " 布置原則

為了確保平臺的高效運行、安全性和環保合規，一般按照以下布置原則[8]：

1）嚴格遵守原國家經貿委頒布的《海上固定平臺安全規則》等規范要求與規定；

2）嚴格遵守《海上固定平臺總體設計規范》；

3）為確保安全生產，設計時將危險區與公用系統區或電氣房間用H60防火墻分開；

4）總體布置合理，滿足鉆井、修井、采油及工藝流程的最優需要，操作安全可靠、經濟合理；

5）針對環境條件確定平臺方位，并綜合考慮工作船的停靠、直升飛機的安全起降和生活樓處于最小風頻下風向的要求等因素；

6）設備布置時，考慮逃生路線及所有設備的操作和維修空間，救生設備設置在安全且能快速順利到達的位置。

3.2" " 空間布局

綜合考慮工藝流程要求、安全性、結構強度、操作安裝及環保等多方面因素，確定平臺壓縮機總圖布置方案，如圖3所示。

平臺按照功能分區自西向東依次可分為生活區、公用設備設施區、油氣生產處理區和井口區，并在2軸位置設置H60防火墻，隔離區分危險區和非危險區。對于開發初期所需的8臺壓縮機系統，平臺將其集中布置在中層甲板，位于A軸和B軸內側、2軸和4軸之間，成橇對稱分布。這種布置既滿足了平臺分區布置原則，使油氣生產處理區臨近井口區，提高了設備設施的安全性，又兼顧了工藝流程需求，確保了壓縮機生產操作順暢和設備之間距離最短。此外，總體布局還滿足了平臺的結構強度和穩定性要求，使壓縮機處于平臺中心區域，提供了操作與維護的便捷性。由此可見，對于壓縮機總圖布置的最佳位置，應綜合考慮多種因素，以安全、工藝需求、穩定和可維護性為核心進行選取，確保壓縮機系統的順利安裝和運行。

對于預留的5臺壓縮機系統，將其集中布置在平臺上層甲板，位于初期壓縮機系統位置的上方，在兼顧設備工藝需求、支撐結構、安全環保及冷卻通風等因素的同時，又滿足了項目后期的安裝、接入需求。一方面在后期通過浮吊安裝時，可以避免因平臺改建而對已有設備設施進行拆改；另一方面，將后期開發的壓縮機系統預留位置設置在已有壓縮機系統正上方，可以通過蓋片甲板開片來降低因設備采集延遲而帶來的不利安裝影響，也利于后期接入。預留位置的合理性在平臺設計和建設初期也是需要考慮的重要因素，尤其是對于壓縮機這種大型工藝設備，可有效避免在已建成平臺上進行大規模改建，提高平臺未來的擴展性和維護的便捷性。

3.3" " 工藝系統布置

壓縮機的總圖布置對于工藝運行非常重要，通過合理的布置，可以達到優化資源配置、提高系統工藝性能和可靠性的目的，保證處理氣體能夠有效地流向系統。壓縮機系統工藝布置三維示意如圖4所示。

在圖4中，壓縮機、冷凝及洗滌等裝置被集中橇裝化布置，同時根據工藝運行需求，將壓縮機系統設備布置在中控和變壓器等房間附近。此種布置方式，極大節省了平臺有限的空間，保障了工藝運行處理氣體的流通需求，同時也對電力引入、設備控制和電源分配等工藝方面的配置提供了便利。針對壓縮機系統的操作與維護，為方便工作人員進入，在壓縮機系統之間也設置了相應的綠色操作維修通道，進而確保設備工藝的正常運行。

總之，壓縮機總圖布置需要綜合考慮平臺的工藝需求，并兼顧人員操作維修便捷性，從而通過合理的設計來確保滿足壓縮機與其他設備的合理布局及安全、環保等需求。

3.4" " 消防設施及消防通道布置

參照相關安全規范、法規及標準，進行壓縮機系統消防設施布置，如圖5所示。

從圖5可知，首先，根據危險等級分區原則，在公用設備和油氣生產處理區之間布置了H60防火墻，以此劃分和分隔危險區和非危險區，從而降低人員和設備的安全風險。其次，針對壓縮機系統不同設備設施設置雨淋系統，可利用裝置上方的噴水嘴來釋放水霧或水流，以抑制火勢蔓延，確保火源得到控制并減少火災對設備的損害。該噴水嘴通過雨淋噴管連接供水，由下層甲板進行錯位布置供水的雨淋閥進行控制，可以從不同角度均勻和全面地噴射水霧，既避免了因平臺各種障礙物而造成的不便，又提高了防火系統的效率，對不同類型的火源均表現出了良好的滅火能力。同時，在設備附近和通道間也備有滅火器和消防軟管等滅火設施，進一步降低火災風險、提高消防安全。最后，為應對緊急情況，布置了平臺逃生通道，通道寬度為1 m，穿過壓縮機布置區域與平臺外圍通道相連，最終通向兩側樓梯，以確保人員能夠快速有效地撤離。

3.5" " 結構穩定布置

在海上平臺中，導管架與甲板起到平臺的支撐與承重作用，是平臺主要受力結構，故根據平臺結構特點進行壓縮機布置，可有效提高平臺的穩定性。壓縮機布置結構示意如圖6所示，平臺采用8腿8主樁+4輔樁導管架結構形式，多臺大型壓縮機橇裝設備集中布置于甲板中心位置。

這種居中布置方式能夠滿足多臺大型壓縮機協同運行對平臺甲板承重能力和穩定性的需求，壓縮機在運行過程中產生的振動通常以振動波的形式向四周傳遞，將壓縮機布置在平臺甲板核心結構區域，減小了結構應力，其運行過程中振動波造成的影響可以降到最低，具有良好的穩定性。同時，將具有大重量的壓縮機布置在中心位置，也可有效減小因風浪作用而導致平臺偏心發生的搖晃和傾斜幅度，進一步提高了工作環境的平穩性和舒適性。

4" " 火災爆炸分析

4.1" " 分析基礎

海上平臺由于空間的局限性，布置模式往往以緊湊、密集的特點呈現，特別是本平臺，以多臺套大型壓縮機設備集中放置，其特點更為突出。這種布置方式在滿足工藝需求的同時往往也帶來了更多的安全與技術隱患，易產生由油氣泄漏造成的火災、爆炸事故。因此，在壓縮機布置完成后，基于平臺提供的泄漏分析數據，需要計算點火和爆炸概率，對其進行火災、爆炸分析，以確保平臺運行的可持續性和可靠性。

在本次分析中，對平臺泄漏做出如下假設：

1）由于泄漏方向與風向一致時，影響距離最遠，基于保守考慮，假設泄漏方向與風向一致；

2）假設泄漏發生后無其他情況發生；

3）泄漏發生后，緊急關斷閥門能有效隔離管道和設施中可燃介質的流動；

4）認為泄漏速率小于0.01 kg/s時泄漏終止，最大泄漏持續時間取60 min。

4.2" " 計算方法

在特定條件下，當可燃介質泄漏后，由點火源與可燃介質接觸引發火災或爆炸的可能性一般定義為點火概率。采用國際石油與天然氣生產者協會出版的點火概率報告（IOGP 434-06 2019 Ignition Probabilities）中提供的UKOOA模型點火概率計算方法計算[9]，根據泄漏速率選擇報告中對應場景的點火概率與泄漏速率的相關性數據點進行插值計算，即可算出相應的點火概率，見式（1）。

爆炸概率一般是指在某個條件下發生爆炸事件的可能性。本次分析爆炸概率根據英國海上作業者協會的點火概率研究報告（UKOOA IP Research Report Ignition Probability Review， Model Development and Look-Up Correlations） 進行計算。關于爆炸概率和泄漏速率的關系見表3。

4.3" " 結果分析

壓縮機系統點火概率和爆炸概率計算結果見表4。

從表4可以看出，點火概率和爆炸概率均與泄漏場景孔徑大小呈正相關性，隨著泄漏孔徑的增大，發生火災事故的點火概率和爆炸概率也隨之增大。其中，對于不同壓縮機設備，發生火災安全事故的點火概率為1.93 × 10-4～0.04、爆炸概率為0.04～0.30；對于不同入口緩沖罐，發生火災事故的點火概率為1.26 × 10-3～0.04、爆炸概率為0.04～0.30。

顯然，對于相同泄漏場景，入口緩沖罐由于以液相介質泄漏，帶來的泄漏速率更大，點火概率和爆炸概率也就隨之較大。但相比之下，壓縮機因在高壓狀態下運行，在相同泄漏場景時，壓縮機的泄漏頻率卻要高于其入口緩沖罐約14.24～26.62倍，泄漏頻率最大為1.68×10-2次/a，明顯具有更大的安全事故隱患。故在海上平臺中，更應著重于加強對壓縮機系統的安全消防，預防火災事故的發生。

5" " 結論

基于凝析氣田區塊開發建設海上平臺基礎設施概況，考慮空間、工藝、安全與結構等多方面因素，進行了海上平臺多臺大型壓縮機布置研究，得出如下結論。

1）壓縮機布置應綜合考慮多方面因素，以安全、緊湊、合理的設計理念，進行橇裝化布置，滿足氣體工藝流通需求，同時合規布置逃生、滅火等消防設施，兼顧壓縮機協同運行結構穩定特性，實現壓縮機系統生產、安全、環保和操作的最優平衡。

2）根據平臺特點，將壓縮機集中布置在平臺中層甲板中心區域，成橇對稱分布，位于A軸、B軸內側和2軸、4軸之間。為確保消防安全，在平臺2軸布置了H60防火墻分隔危險區，并設置逃生通道、雨淋噴管和一些移動消防設施。為便于安裝和避免壓縮機設備采購延遲的影響，將預留壓縮機布置在已有壓縮機正上方的上層甲板處。

3）壓縮機系統運行事故火災、爆炸計算結果顯示，泄漏孔徑與點火、爆炸概率均呈現正相關性，發生事故的最大點火概率為0.04、最大爆炸概率為0.30。此外，高壓運行的壓縮機設備具有更大的泄漏頻率，高于其入口緩沖罐14.24～26.62倍，具有更大的安全事故隱患。

4）平臺雖然采用多臺大型壓縮機設備集中放置的形式布置，但海上平臺由于空間緊湊、密集的局限性，帶來了較多的安全與技術隱患，設備運行中易產生火災、爆炸、振動結構破壞和噪音污染等安全事故。對于空間足夠的平臺，在滿足工藝需求的前提下，可考慮將壓縮機分散和分層錯位布置，以更好地保障設備安全運行，識別和預防潛在危險。

參考文獻

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作者簡介：

姚恒洋（1986—），男，黑龍江鶴崗人，高級工程師，2009年畢業于東北石油大學油氣儲運工程專業，主要從事海洋石油工程設計工作。Email：yaohy6@cooec.com.cn

收稿日期：2024-05-07