海上无人井口平台开闭排系统优化研究

刘人玮，郝 蕴，万宇飞，杨天宇

1.中海油研究总院，北京 100028

2.中海石油（中国） 有限公司天津分公司，天津 300459

随着常规油气资源不断开发，如何高效经济地开发边际油田成为目前急需攻克的难题。无人平台由于其工艺流程简单、平台结构简易、建造成本和操作费用低，在海上中小规模油气田开发中发挥着越来越重要的作用。

目前，无人平台在我国海上油气田开发中得到一定范围的应用。但由于油气田规模、周边依托设施、管理作业习惯等差异，无人平台设计尚未实现标准化。对于一些系统和设备是否应该简化，可以简化到何种程度尚存在争论。因此，有必要对已建无人平台进行分析，结合具体特点开展优化研究，为今后设计提供参考。

本文主要对开式排放系统和闭式排放系统（以下简称“开闭排系统”） 开展系统性研究，总结已建平台的开闭排系统设置情况，并结合南堡某油田实际特点，提出一种满足安全要求的简化开闭排流程。

1 已建无人平台开闭排设计

我国海上在役无人井口平台开闭排（不包含井口保护架） 设置情况见表1。

表1 国内海上在役无人井口平台开闭排设置情况

从表1 可以看出，所有平台均设有开排系统，这主要是由于环保部门对排海水质要求日趋严格，而无人平台即使不设置任何油气处理设施，也会因为危险区阀门内漏和维修操作使甲板存在一些油污，开排系统可以接收并分离带有油污的雨水，因此不建议删减开排系统。

另外，所有平台均设置了放空或火炬系统，使可燃气体可通过火炬臂或冷放空管泄放到安全高度，根据API RP 500 规定[1]：排放气体爆炸下限的20%所在位置应距离平台至少3 m。相对简易的SZ36-1 WHPJ 平台虽然没有设置闭排罐或火炬分液罐，但设置了直径32 in、长2.5 m 的圆管用于接收烃的排放，并进行气液分离。大多数平台都采用闭排兼冷放空罐和开排的组合设计[2]。从以往的设计经验来看，尚没有只设置开排、不设置闭排或火炬分液罐的先例。

2 工程实例分析

南堡某油田一座无人井口平台采用全压设计，平台所产油、气、水利用电潜泵，通过直径6 in海底管道直接混输到中心平台进行油、气、水分离处理。该无人井口平台具有设备少以及正常生产、维修、事故工况下泄放量小的特点[3]。

南堡某油田无人平台泄放量见表2。液体泄放方面：正常工况下几乎没有液体泄放；紧急和维修工况下液相的最大堵塞工况压力安全阀（PSV） 最大泄放量为2.8 m3。气体泄放方面：只有火灾工况下存在大量气体泄放，最大泄放量为10 522 m3/d[4-5]。

表2 南堡某油田无人平台泄放量

按照通常做法[6-7]，开排中的液体应由开排泵泵入闭排罐，闭排液体再由闭排泵泵回流程或海底管道[2]。而该平台采用全压设计，具有泄放量小、平台空间紧凑的特点，因此将开闭排工艺流程进行简化，简化后的流程如图1 所示。闭排罐接收维修和紧急工况带压泄放，闭排操作压力设置为120 kPa，该压力有利于气体通过闭排全部闪蒸并放空。闭排内液体达到一定液位后通过重力自流进入开排槽，开排槽中的液体达到一定液位后再由开排泵输送至海底管道。该流程可节省两台闭排泵和相应占地空间。

图1 开闭排简化工艺流程

2.1 冷放空泄放分析

为了分析以上简化能否满足安全要求，利用Fluent 软件进行建模分析[8-9]。该平台的冷放空管高度为10 m，垂直于平台，简化后的平台三维几何模型和冷放空扩散计算域网格划分如图2 所示。

图2 平台三维计算模型

模拟计算不同风速下的冷放空扩散情况，结果如图3 ～4 所示，分别为0 m/s 和10 m/s 风速下可燃气体云图，可以看到在不同风速下，排放气体爆炸下限的20%所在位置距离平台均大于3 m，满足API RP 500 规范，因此冷放空无安全风险。另外，从结果中也能看出，若不设置闭排兼冷放空系统，气体直接由开排排放，则存在较大安全风险。

图3 0m/s风速时可燃气体风险区域

图4 10m/s风速时可燃气体风险区域

2.2 开排闪蒸气风险分析

简化后的开闭排流程中，开排槽位于闭排罐下游，闭排罐液体达到一定液位后开启液位调节阀，液体通过重力自流进入开排。由于开排槽是敞口容器，因此需要计算进入开排的液体闪蒸产生的气量，分析安全风险[10]。

利用HYSYS 软件进行物料平衡计算，根据前面的分析，堵塞工况PSV 的液烃排放量最大，为2.8 m3。图5 为液烃先经过闭排低压（120 kPa）闪蒸再进入开排的流程：闭排液位达到一定高度时开启液位控制阀，使液体进入开排，此时液烃已基本稳定。可以看到开排闪蒸的气流量非常小，只有0.09 m3/h。因此，该流程不会带来安全隐患，风险可控。

图5 液烃先进闭排后进开排流程

而当不设置闭排，液烃直接进入开排时（如图6 所示），开排闪蒸气流量达到70.67 m3/h，该计算结果也表明设置闭排的必要性。通过物料平衡分析，可知“闭排液相进开排”流程闪蒸气量很小，核实了流程的安全性。

图6 液烃直接进入开排流程

2.3 开排溢油风险分析

该平台正常生产时，无液体排放，仅在紧急工况和检修工况下有少量液体排放。烃液最大排放量2.8 m3，而闭排有效容积约3 m3，开排槽容量3 m3。开排槽泵两台，共计4.8 m3/h 排量。下游液相接收能力远大于排放量，且开排槽没有设置溢油排海管道，因此无溢油风险。

3 结论

（1） 对于无人平台，有必要设置闭排兼冷放空分液罐或火炬分液罐，以实现气体的安全泄放。

（2） 对于全压设计的无人井口平台，如果液相泄放量确实较小，可以简化开闭排流程，将开排槽设置在闭排罐下游，使闭排罐液体可以通过重力自流进入开排，节省闭排泵和相应占地空间。

（3） 开闭排流程的优化需基于全面的安全分析与校核，分别对冷放空气体扩散、开排闪蒸气和开排槽溢油风险进行分析。