渤海海域海上平台挡风墙高度计算模型研究

曹 杨 王红红 陈坤亮 张梦梦 王魁涛 张 悦

1. 中海油研究总院有限责任公司工程研究设计院, 北京 100028;2. 中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院, 北京 102249

0 前言

中国渤海海域冬季气温低、海风大,冷风吹入会造成海上平台甲板内温度低,严重影响设备正常运转,也严重影响作业人员操作效率和可靠性[1-2]。挡风墙是一种冬季安装于中国渤海海域海上平台四周的硬质围挡结构,可有效缓解冬季严寒低温,但安装挡风墙增加了平台甲板的封闭性,易造成油气局部积聚,增加平台的危险性[3]。

目前,因通风问题而引发的海上平台风险增加集中在主机房[4]、原油发电机房[5]、电气间[6-7]、变压间[8]、化验室[9-10]、油漆间[11]、生活楼[12-13]等地方,以及海上平台暖通的设计参数选择方面[14-15]。关于因挡风墙安装而引起的海上平台通风分析方面的研究较少。

挡风墙高度是挡风墙设计的关键参数之一,同时也是直接影响海上平台挡风保暖和封闭性的关键因素。当前,未查阅到国家标准、行业标准对海上平台挡风墙高度设计及计算方法的具体规定。SY/T 6958—2013《低温石油钻机和修井机》中规定[16]:钻台面四周挡风墙高度为3～6 m,二层台人行通道的挡风墙高度为2～3 m。钻台面以下保温棚要设置带百叶窗的排风扇,以控制有害气体不超过20%。但该标准未对挡风墙高度选取依据进行说明。中国海油发布的Q/HS 3015—2005《渤海海域平台挡风墙设计规定》[17]中，以增加挡风墙后海上平台是否为封闭区域提出一种粗略估算挡风墙高度的方法,这种方法并未考虑加装挡风墙后海上平台是否满足充分通风要求。一旦海上平台内部通风不充分,会增加油气聚集风险。

关于区域充分通风的要求,SY/T 6671—2017《石油设施电气设备安装区域一级、0区、1区和2区区域划分推荐作法》[18](以下简称SY/T 6671—2017)中规定:对于1类、2类危险区域,在正常生产状况下其内部的通风换气次数不能少于12次/h和6次/h。海上平台,尤其是工艺区属于1类危险区,安装挡风墙后形成了封闭空间,其内部通风换气次数应不少于12次/h。因此,海上平台增加挡风墙,必须进行计算和核实,以确保海上平台甲板内部符合通风安全的要求[19]。

基于以上分析可见,针对半敞开多层结构特点的海上平台,在计算挡风墙高度时,应该考虑因增设挡风墙带来的甲板空间封闭性区域性质变化问题,有必要开展科学定量的计算。本文以渤海海域某海上平台为例,通过定性和定量相结合的方法,初步估算挡风墙安装高度,判断海上平台的封闭性。通过运用数值模拟手段,对海上平台进行通风模拟分析,以平台区域内通风换气次数符合不少于12次/h来确定挡风墙临界高度,提出挡风墙高度计算模型,可为海上平台挡风墙设计提供参考。

1 挡风墙高度计算模型

1.1 定义

在进行挡风墙高度计算之前,需要引入两个相关概念,以方便后续计算说明:一是临界通风换气次数,指某一空间区域满足充分通风要求时,通风换气次数的最小值;二是挡风墙临界高度,指某一空间区域满足临界通风换气次数要求时,对应的挡风墙高度值。

1.2 计算过程

挡风墙高度是决定挡风墙能否起到防寒保暖作用的关键参数之一。然而,海上平台在增设挡风墙后会增加甲板空间封闭性,可能造成海上平台从敞开空间变成封闭空间,增加油气聚集风险。根据相关标准,海上平台尤其是工艺区必须充分通风,以保证可燃气体浓度低于火气探头的报警值。因此,挡风墙高度的确定需要综合考虑冬季防寒保暖、通风安全以及火气监测管理等多方面因素。在挡风墙高度确定过程中,挡风墙高度设计值需要满足以下条件。

1)根据海上平台所在海域冬季风向、海上平台安装朝向,确定挡风墙布置方位和长度范围。

2)根据确定的海上平台挡风墙参数,依据挡风墙围挡面积不超过平台四周可封闭最大面积50%的要求,可初步确定挡风墙高度H1。

如果由挡风墙围挡组成的墙壁、屋顶和地板的投影面积不超过总投影面积三分之二,则挡风墙围挡区域不是封闭区域,此时挡风墙高度H1可作为挡风墙高度的最终设计值；如果挡风墙围栏组成的墙壁、屋顶和地板的投影面积超过总投影面积的三分之二，则挡风墙围挡区域是封闭区域,需要开展进一步的通风定量评价,以确定是否满足充分通风的要求以及挡风墙临界高度,具体步骤如下。

1)确定海上平台封闭区域及其参数。

2)计算海上平台封闭区域的体积空间。

3)计算海上平台封闭区域的通风量。

6)当不满足充分通风的要求时,需要降低挡风墙高度(建议每次可以降低0.5 m),通过试算的方法,重新进行海上平台的通风数值模拟计算,再次获取通风量,计算通风换气次数,直至确定通风换气次数满足SY/T 6671—2017的要求。此时，挡风墙高度即为挡风墙临界高度Hc。海上平台挡风墙高度计算流程见图1。

2 挡风墙高度计算算例

2.1 工程背景

本文以渤海海域某海上平台为工程背景,选取该海上平台下层甲板为研究对象进行几何建模,甲板内布置控制间、电气间、采油树、计量罐等设施。

2.2 挡风墙高度H1的确定

2.2.1 海上平台及挡风墙尺寸

计算海上平台四周围挡面积,首先要确定平台下层甲板、左侧房间以及挡风墙等关键尺寸参数：房间到平台上侧边缘距离W1为3 m,房间到平台下侧边缘距离W2为 2.9 m,平台宽度W为30.9 m,房间长度D1为25 m，平台长度L为38.8 m,房间宽度D2为4 m,房间西墙到平台两侧边缘距离L1为2.2 m，平台北侧挡风墙长度A为30.6 m,平台东侧挡风墙长度B为28.6 m，上下甲板距离h为8 m,见图2。

2.2.2 海上平台围挡面积计算

要想确定海上平台挡风墙高度的初步值,需要确定以下参数。

1)除去海上平台左侧房间的影响,海上平台四周可封闭最大面积S封max为:

S封max=[2×(W+L-L1)-D2]×h

=[2×(30.9+38.8-2.2)-4]×8

(1)

2)根据挡风墙围挡面积不大于海上平台四周可封闭最大面积的50%，计算海上平台四周可围挡最大面积S挡max为:

S挡max=50%×S封max

=50%×1 048

(2)

S挡实际=S挡max-D1×h

=524-25×8

(3)

4)根据渤海海域的环境条件资料,冬季主风向为NE,在平台北面和东面设置挡风墙。根据挡风墙围挡面积不超过海上平台四周可封闭面积最大值的50%,计算得到挡风墙高度H1为:

H1=S挡实际÷(A+B)

=324÷(30.6+28.6)

≈5.5m

(4)

因此,当该海上平台在北面和东面增设挡风墙时,可得到挡风墙高度H1为5.5 m。

2.3 围挡空间区域类型的确定

2.3.1 海上平台挡风墙加装区域面积

S=A×B×2+S封max

=30.6×28.6×2+1 048

=2 798.32m2

(5)

2.3.2 增设挡风墙后被封闭的区域

S封闭区=A×B×2+D1×h+(A+B)×H1

=30.6×28.6×2+25×8+(30.6+28.6)×5.5

=2 275.92m2

(6)

由于2 275.92 m2>1 865.55 m2(2 798.32 m2×2/3),可判断在该海上平台北面和东面增设5.5 m高的挡风墙后,海上平台甲板内部空间变成了封闭区域。

根据相关标准规定,对于具有封闭性质的生产空间,必须要保证该空间内部的通风换气次数不小于12次/h。根据图1开展通风安全定量评价,通过调整挡风墙高度,来满足海上平台甲板空间内部充分通风的要求。

3 通风安全定量评价

3.1 评价流程

海上平台通风安全定量评价见图3。

图3 通风安全定量评价流程图Fig.3 Flowchart of quantitative ventilation safety assessment

3.2 海上平台建模

根据渤海海域某海上平台设计阶段图纸,确定海上平台主要设备设置的位置及尺寸,以及挡风墙的位置及长度。利用ANSYS中SCDM模块构建海上平台下层甲板几何模型,见图4。

图4 海上平台下层甲板几何模型图Fig.4 Geogmetric model of lower deck of offshore platform

3.3 环境条件确定

渤海海域环境条件中冬季主风向和风速分布是最重要的参数,也是开展海上平台通风模拟计算的关键。根据平台所在渤海海域的气象资料,获取冬季主风向为NE,频率为18.2%,风速分布情况见表1。

表1 渤海海域海上平台的主风向风频与风速表

根据表1数据,选取海上平台通风模拟风向NE,风速为0.5 m/s进行模拟分析。挡风墙高度分别取5.5 m、5.0 m和4.5 m。海上平台通风模拟工况见表2。

表2 渤海海域海上平台通风模拟工况表

3.4 通风量模拟计算

以风向为NE、风速0.5 m/s、挡风墙高度4.0 m为例,不同高度z的海上平台内部通风模拟结果见图5。

a)z=4.0 m

b)z=5.0 m

c)z=6.0 m

d)z=7.0 m

由于风向为NE,因而海上平台进风断面为平台的北面和东面,通过ANSYS中模块提取稳态下北面和东面竖直截面上的通风量。

海上平台甲板内部空间的通风换气次数的计算公式为[20-21]:

(7)

在不同挡风墙高度下,海上平台通风量和通风换气次数计算结果见表3。

表3 渤海海域海上平台通风换气次数计算结果表

根据表3可看出,当挡风墙高度为5.5 m时,海上平台甲板内部的通风换气次数为10.51次/h,不满足充分通风的要求；当挡风墙高度下调至5.0 m、4.5 m和4.0 m时,通风换气次数分别为11.64次/h、12.91次/h 和14.49次/h；当挡风墙高度为 4.5 m 时,通风换气次数刚好满足充分通风的要求。因此,可将4.5 m看作挡风墙高度临界高度。

4 结论

1)为了解决海上平台挡风墙高度设计中未考虑充分通风要求的问题,提出了一种海上平台挡风墙高度计算模型,依据充分通风要求,计算平台区域通风换气次数,以确定挡风墙高度。

2)通过初步确定挡风墙高度,运用数值模拟手段计算通风量,以通风换气次数12次/h为依据,通过迭代计算,可确定挡风墙临界高度。

3)以渤海海域某海上平台为例,通过计算初步确定挡风墙高度为5.5 m,并确定海上平台为封闭区域。通过开展多组工况的通风模拟计算,当调整挡风墙临界高度为4.5 m时,通风换气次数为12.91次/h,满足相关标准对充分通风的要求。