海上高压注气平台火炬泄放及低温工况研究

胡冬，郭欣，郝蕴，静玉晓

（中海油研究总院， 北京 100028）

渤海某大型凝析气田试验区分两个阶段进行开发，第一阶段新建一座井口平台（以下简称A平台），由于试验区投产时间要求紧迫，所以在第一阶段实施初期采用衰竭开发。第二阶段开始实施注气开发，新建一座天然气增压回注平台（以下简称BOP平台），新建的BOP平台与A平台通过栈桥连接。A平台脱水后的天然气经过栈桥输送至BOP平台，经过BOP平台上的压缩机增压后回注A平台气井。BOP平台设置有注气压缩机、燃料气系统、开闭排系统、公用风/仪表风系统、海水系统、闭式循环冷却水系统、吊机等系统，BOP平台为A平台预留了低压井分离器、低压气增压压缩机，BOP平台不设置火炬系统，与A平台共用火炬系统，A平台的火炬系统能力为7.5×104m3/h。A平台与BOP平台的三维模型方位图见图1。

图1 A平台与BOP平台三维模型方位图

1 BOP平台注气压缩流程

从A平台三甘醇脱水系统处理合格的干气，进入注气压缩平台一级注气压缩机前涤气罐进行涤液处理后，进入一级注气压缩机进行压缩，压力从6MPaA增压到14.7MPaA。经过一级注气压缩机后冷却器冷却后温度降到45℃，然后进入二级注气压缩机前涤气器，出来的气体进入二级压缩机增压到27MPaA。然后再进入到二级注气压缩机后冷却器，冷却后温度降到45℃，然后进入三级注气压缩机前涤气器，出来的气体进入到三级压缩机增压到50MPaA后从BOP平台通过栈桥返回A平台注气管汇，注入到注气井口。BOP平台上的注气压缩系统为2个系列，单系列能力为40×104m3/d。注气压缩系统为夏季运行，冬季停运，即每年的4月至10月进行注气。图2为BOP平台三级压缩注气流程示意图。

图2 BOP平台三级压缩注气流程示意图

2 高压注气火炬泄放研究

2.1 注气组分

经过A平台三甘醇系统脱水之后的干气组分见表1。

表1 注气天然气组分

2.2 火炬泄放速率的选择

根据API 521（2014版）关于泄压速率的要求：“对于遭受池火，通常涉及在大约15分钟内将设备压力从初始条件降低到相当于容器设计压力的50%的水平。该标准基于容器壁温与破裂应力的关系，并且通常适用于壁厚约为25.4mm（1英寸）或壁厚更大的碳钢容器[1]”。

使用PHAST软件进行了喷射火灾建模，以筛选潜在的火灾严重性，考虑以下两种火灾场景进行比较；工况一：25MPa系统压力下的喷射火，这表示在15分钟内将压力降到系统压力的50%之后的喷射火情。工况二：690kPa系统压力下的喷射火，这表示在15分钟减压至690kPa后的喷射火情。每种工况考虑四种泄漏尺寸，即10mm、25mm、75mm和150mm。喷射火的计算结果见表2。

表2 四种不同泄漏尺寸下的喷射火计算结果

BOP平台与A平台之间栈桥的距离为50m，根据工况一的模拟结果，如果按照降压至系统压力的50%，在4种泄漏尺寸下的喷射火长度较长，会波及到A平台，对其生产造成严重影响。在工况二中，产生的喷射火被认为是可以接受的。

API 521同时规定：“当减压系统设计用于减少容器泄漏或失效的后果时，通常考虑在15分钟内减压至690kPa（100psi）的表压。该标准通常也适用于火灾和泄漏情况[1]”。

使用HYSYS软件对BOP平台火灾时在15分钟内减压至690kPaG进行动态模拟，BOP最大瞬时泄放量达到了8.08×104m3/h，显然超过了A平台的火炬能力（7.5×104m3/h）。如果按照该泄放速率标准，那么BOP平台需单独设计火炬，这将对BOP平台的布置产生较大影响。

2.3 火炬泄放方案的确定

在BOP平台设计火炬系统将对BOP平台的布置方案产生较大影响，为了实现共用A平台上的火炬系统，研究了BOP平台各个系统BDV在不同RO孔板直径下的泄放量，对在12.5mm、10mm、7mm三种RO孔径下的泄放模拟，模拟结果见表3。

表3 三种不同RO孔径的BDV泄放计算结果

RO孔板直径分别在12.5mm时，BOP平台的瞬时高峰泄放量为10.42×104m3/h；RO孔板直径分别在10mm时，BOP平台的瞬时高峰泄放量为6.74×104m3/h；RO孔板直径分别在7mm时，BOP平台的瞬时高峰泄放量为3.33×104m3/h。由于A平台在火灾工况下的最大瞬时泄放量为2.91×104m3/h，为实现BOP平台的火炬泄放可以满足与A平台火炬系统共用的要求，最终确定BOP平台上各个系统泄放时BDV后的RO孔径见表4。

表4 BOP平台各系统BDV泄放时RO孔径选择

湿气压缩机出口分液罐 9900 9450 1991 7 2454注气压缩机入口管汇 9900 9000 2025 7 2356注气压缩机系统 17500 16376 4335 10 18698注气压缩机出口管汇 55000 52500 1280 7 13810燃料气系统 9900 9000 0 7 2275

最终确定BOP平台低压井分离器、湿气压缩机系统、湿气压缩机出口分液罐、注气压缩机入口管汇/出口管汇和燃料气系统BDV后的RO孔径选择为7mm，注气压缩机系统的RO孔径选择10mm。在此方案下BOP平台在火灾工况下的最大泄放量为4.29×104m3/h，可以与A平台的火炬系统实现共用，BOP平台不需再设置火炬系统，此方案降低了注气压缩机系统的泄放终压，火灾工况下对A平台的影响最小化。

3 低温工况研究

高含二氧化碳的高压气体在泄放时会产生极低的温度，此时有形成二氧化碳固体颗粒的风险，产生的二氧化碳固体颗粒一旦堵塞放空管道，将对平台的安全生产造成较大影响。由于注压缩机出口至注气管汇，这一段管道内的气体压力较高，达到50MPa，如果冷泄放，将产生极低的温度，有产生二氧化碳冰堵的风险。通过HYSYS软件对BOP平台高压注气管汇进行了动态模拟研究。研究发现，如果进行冷泄放，在注气管汇冷却至29.2℃时，在泄放25秒时RO孔板下游产生的低温达-98.01℃，此时会形成CO2固体颗粒。为了防止在泄放时形成CO2固体颗粒，研究了分别在30℃、37℃和38℃三个温度下的冷泄放模拟，模拟结果见表5。

表5 在三种不同初始泄放温度下的模拟计算结果

根据模拟结果，BDV泄放开始后25秒后，在37℃进行冷泄放将导致最低温度为-92.1℃。这比固体CO2的形成温度高出约5℃的余量，综合比选，推荐高压注气管汇在进行冷泄放时，需在不低于37℃的温度下进行。如果低于此温度下进行冷泄放有形成固体CO2的风险，将对平台的安全生产造成一定影响。

4 结论

（1）火炬泄放速率的选择，对于高压气田的泄放要充分考虑喷射火对平台可能造成的影响。

（2）对火炬泄放方案进行了研究，经不同节流孔板尺寸的比选，最终的火炬泄放方案满足了依托平台的火炬能力，对今后气田开发火炬能力的优化设计提供了参考和借鉴。

（3）对冷泄放进行了研究，为防止冷泄放过程中产生的二氧化碳固体颗粒对下游造成堵塞和影响，制定了气田开发中的冷泄放策略，保障了平台的安全生产。