海上稠油热采平台生活楼防爆墙抗爆值设计

邱波 王树达 邵海龙 王志祥 芦红威

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津，300451）

（2.中海油天津分公司，天津，300452）

引言

近年来，渤海油田稠油热采开发步伐明显加快，考虑到综合开发的成本优势，设置有生活楼、蒸汽锅炉、热采井口区、工艺和公用系统设施的海上综合油气处理平台开发方案成为了海上稠油热采开发项目优先推荐的总体开发方案。

蒸汽锅炉是海上稠油热采开发的核心设备，平台将海水或水源井水处理成合格的蒸汽锅炉入口水源，通过蒸汽锅炉加热后成为高干度蒸汽或过热蒸汽，蒸汽注入井下加热原油，再经过焖井、放喷、下泵开采等工艺流程，将原油输送至平台上各工艺处理设备进行处理。与陆地油田不同，受投资费用所限，海洋平台的面积有限，各设备、设施布置紧凑，空间狭小，而蒸汽锅炉属于特种设备，正常工作时炉体内存在大量高温、高压蒸汽，一旦蒸汽锅炉发生爆炸，将给平台上的生产操作人员带来极大的人身安全隐患。

海洋平台的生活楼是生产操作人员主要栖息场所，在日常生产时，除了去往平台其它区域的少部分生产巡检人员和操作维护人员外，其他人员基本都在生活楼休息和调整。因此，为最大限度确保生产操作人员的人身安全，生活楼在结构强度上必须能够抵御蒸汽锅炉爆炸时产生的冲击破坏。此时，处于生活楼和蒸汽锅炉之间的，紧贴着生活楼结构外墙设置的防爆墙至关重要，该防爆墙将是抵御蒸汽锅炉爆炸时产生的冲击，确保生活楼不被破坏，确保生产操作人员安全的最重要屏障。防爆墙的结构强度取决于蒸汽锅炉爆炸时冲击波传递到墙体的作用力，即防爆墙的抗爆值大小。而抗爆值大小的主要影响因素为蒸汽锅炉爆炸时的能量和蒸汽锅炉与防爆墙之间的距离。

本文基于渤海油田某稠油热采开发项目，根据项目实际的蒸汽锅炉配置情况、蒸汽锅炉与生活楼总体布置情况，开展蒸汽锅炉爆炸分析，并依据爆炸分析结果确定防爆墙的抗爆值，可为后续稠油热采开发项目综合油气处理平台生活楼防爆墙的抗爆值设计提供了非常有价值的参考。

1 项目概况

1.1 平台总体概况

本项目油田位于渤海辽东湾海域，原油密度为0.964～0.973t/m3，地层平均原油粘度为627mPa·S，常规开发产能较低，需要进行注热开发。该油田采用前期蒸汽吞吐后期转化学辅助蒸汽驱的方式开发。本项目总体开发方案为新建一座综合油气处理平台CEPA，采用海上浮托安装，平台上主要设置有生活楼、蒸汽锅炉、热采井口区、公用/工艺系统设备设施等。图1-1所示为该项目CEPA平台上层甲板总体布置图，在平台西侧布置有一座80人生活楼，东侧布置有热采井口区，中部布置有3台蒸汽锅炉，生活楼面向蒸汽锅炉一侧的墙皮外侧设置有一面防爆墙。由于平台总体尺寸、浮托重量限制，生活楼已经位于平台最西侧位置，蒸汽锅炉己尽可能远离生活楼布置。在此方案中，防爆墙与最西侧一台蒸汽锅炉设备边缘间距为30米。

图1-1 CEPA平台上层甲板总体布置图

1.2 蒸汽锅炉配置情况

本项目蒸汽吞吐开采阶段所需的注热蒸汽温度为356 °C，蒸汽压力为15.9MPaG，蒸汽干度为过热10°C；蒸汽驱阶段所需的注热蒸汽温度为327°C，蒸汽压力为12.4 MPaG，蒸汽干度为1。根据项目总体注热需求，平台设置有3台蒸汽锅炉，均为卧式，每台锅炉均配置有球形汽水分离器，以实现过热蒸汽输出。每台蒸汽锅炉的设计能力为30t/h，一台锅炉运行即可满足两口注热井同时注入的蒸汽耗量需求。

1.3 生活楼概况

本项目生活楼主体结构采用板壳式，主体尺寸为28m x 11.5m，分为3层，每层层高3.5米，直升飞机甲板位于生活楼顶层，与生活楼顶层保留4.0米的空间。生活楼能够容纳80人的居住处所及有关的公共处所。生活楼内主要包括：居住用房、公共用房、卫生用房、办公用房、炊事用房、医疗用房等。

2 蒸汽锅炉爆炸分析

2.1 分析目标

蒸汽锅炉爆炸的主要原因是锅炉中容纳水及水蒸气较多的大型部件发生破裂导致，如炉筒和汽水分离器等。在正常工作时，容器内部处于水汽两相共存的饱和状态，或是充满了饱和水。此时容器内的压力等于或接近于锅炉的工作压力，水的温度则是该压力对应的饱和温度。一旦容器破裂，容器内液面上的压力瞬间下降为大气压，容器内的绝大部分饱和水瞬时汽化，体积骤然膨胀许多倍，在空间形成爆炸。

本项目每台蒸汽锅炉均配置了汽水分离器，汽水分离器布置在蒸汽锅炉设备的一端，如图1-1所示。相比于炉筒内的炉管，汽水分离器由于容积较大，含有较多的高温高压水蒸汽和液态水，聚集了大量能量，若发生破裂，能量将瞬间释放而产生巨大破坏力。因而汽水分离器爆炸是蒸汽锅炉爆炸的主要危险来源，但考虑到3台蒸汽锅炉汽水分离器在同一时刻发生爆炸的机率非常低，因此，在进行蒸汽锅炉爆炸分析时，仅考虑3台蒸汽锅炉中布置得离生活楼最近的一台。以此开展汽水分离器爆炸定量计算，即汽水分离器爆裂超压的大小及影响范围，进而确定生活楼防爆墙抗爆值。

2.2 分析计算假设

为简化分析模型，在蒸汽锅炉爆炸分析过程中，由于爆炸发生在瞬间，高温高压饱和水转化为等温等压饱和蒸汽过程中高温高压饱和水体积膨胀对外做功，可认为该过程饱和水蒸汽温度和压力均不降低；同时，不考虑平台上生活楼与蒸汽锅炉之间布置的其它结构和设备对冲击波阻挡的影响，认为爆炸超压直接作用于生活楼防爆墙。

2.3 等效能量计算

热采蒸汽锅炉汽水分离器中存在气液两相，即存在高温高压饱和液态水和高温高压饱和蒸汽。汽水分离器爆炸能量主要来自两部分，高温饱和水和高温饱和蒸汽。高温饱和水突然失压迅速汽化为蒸汽并形成压力波，和高温饱和蒸汽因突然失压形成的压力波一并向空间传递，如图2-1所示。

图2-1 汽水分离器爆裂过程

分析过程采用Bleve blast模型对汽水分离器爆裂的后果进行计算分析，主要过程是：1）高温高压饱和水转化为等温等压饱和蒸汽，在此过程中，高温高压饱和水转化成等温等压的饱和蒸汽，其体积发生膨胀；2）高温高压蒸汽形成压力波向外传递。

2.4分析计算基础

汽水分离器完全破裂发生频率参考GB/T37243《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》附录C中表C.2 “固定的带压容器和储罐泄漏频率值”，按带压容器取完全破裂频率6x10-6/年。

采用定量风险分析软件 DNV GL Safeti中的Bleve blast 模型计算汽水分离器爆炸引发的超压，计算基础数据如表2-1所示。

表2-1 汽水分离器爆炸分析计算基础数据

2.5 分析计算结果

通过分析计算，可以得到如表2-2所示的汽水分离器爆裂超压计算结果，爆炸超压值为距离汽水分离器中心点相应距离处的爆炸冲击波压力值。由于数据较多，表2-2仅体现部分数据。同时，通过数值拟合可以得到如图2-2所示的汽水分离器爆炸超压值与距离对应关系曲线图。

表2-2 汽水分离器爆裂超压计算结果

图2-2 汽水分离器爆炸超压值与距离对应关系曲线图

从图2-2可知，汽水分离器爆炸超压值与距离并不是线性关系，距离越近，爆炸超压值越大，曲线越陡峭；当距离增加到一定数值之后，数值变化率较小，爆炸超压值曲线变得较为平缓；当距离继续增加后，爆炸超压值趋近于零。

根据本项目CEPA平台总体布置情况，生活楼防爆墙与最西侧一台蒸汽锅炉设备边缘间距为30米，汽水分离器中心与锅炉橇边缘间距为1.55米，故生活楼防爆墙与汽水分离器爆炸中心点距离为31.55米。通过查询图2-2拟合曲线，距离31.55米对应的爆炸超压值为0.998bar。即最西侧一台蒸汽锅炉的汽水分离器爆炸产生的冲击波作用在生活楼防爆墙上的压力值为0.998bar，此数值即为本项目生活楼防爆墙的抗爆压力值。

3 结论

在稠油热采开发综合处理平台上，由于设置有多台蒸汽锅炉，为确保生活楼结构安全，需要在生活楼面向蒸汽锅炉的一侧设置防爆墙，该防爆墙结构强度设计的重要输入数据为抗爆值，而抗爆值的确定需要通过搭建蒸汽锅炉爆炸分析模型计算得出。但有一点值得注意，抗爆值越高，防爆墙结构设计的难度越大，材料采办和施工成本越高，通常在出现超过1.5bar的抗爆值时便不推荐按此抗爆值开展防爆墙设计，转而建议调整平台总体布局，增大生活楼与蒸汽锅炉的距离以降低抗爆值。因此，在平台总体布置时，在条件允许的情况下，要尽可能将生活楼远离蒸汽锅炉布置，一方面降低防爆墙设计难度，另一方面从空间布置上尽可能提高生活楼本质安全，降低人员伤害风险。