海上中心平台生活楼防火墙防爆设计

侯辰光，吴 磊，薛春芳，梁建斌，王伟铭

[1.中海石油（中国）有限公司天津分公司工程建设中心 天津 300459；2.海洋石油工程股份有限公司设计院 天津 300452]

0 引 言

某海上油气田有一个中心处理平台，为8 腿导管架平台，平台有3 层甲板：上层甲板、中层甲板和下层甲板。上层甲板西侧布置了三甘醇再生撬、三甘醇脱水塔、入口气过滤器和分离器、湿气压缩机、甲醇罐和甲醇注入泵等设备；甲板中间区域布置了湿气压缩机入口冷却器、湿气压缩机后冷却器、入口冷却器、入口洗涤器、排放洗涤器和生活水罐等设备；上层甲板最东侧是容纳80 人的生活楼；平台设有火炬臂，布置在上层甲板西南侧。中层甲板布置了一级分离器、二级分离器、闪蒸气压缩机、闪蒸气压缩机增压泵、化学药剂注入撬和化学药剂注入系统撬等设备。下层甲板布置了原油外输泵、清管球发射/接收器、冷却水循环泵、冷却水循环泵过滤器、冷却水交换器、开排罐和闭排罐等设备。

生活楼是海上油气田作业人员的主要生活居住场所，在生活楼一层舷外侧布置了2 艘救生艇，作业人员在紧急情况下可乘坐救生艇撤离平台；生活楼楼顶设置有直升机甲板，条件允许的情况下，可以乘坐直升机撤离。因此，生活楼的安全性是保证平台作业人员生命安全的关键，生活楼的安全是平台设计的重点，要求在平台工艺设备及管线里的油气泄漏遇到明火发生火灾爆炸时，应保证生活楼的完整性。在项目可研阶段，生活楼面向工艺设备一侧设置了H60 防火墙。在设计阶段，通过火灾爆炸分析，计算出H60 防火墙面向工艺设备一侧的爆炸超压，以确定防火墙是否需要防爆及防爆压力设计取值。

1 火灾爆炸分析方法

火灾爆炸分析用于识别和评估火灾热辐射和爆炸超压对评估区域的风险，可以确保设施设备在合理可行的情况下消除事故升级的可能性。火灾爆炸分析主要包括定性分析和定量分析。定性分析是对火灾爆炸发生的原因、过程及后果等进行分析；定量分析是计算火灾爆炸发生的频率及后果，将结果与标准规范进行对比，判断事故后果的可接受程度，并采取一些合理措施降低风险。

火灾爆炸分析着重解决以下4 个问题：①设备发生泄漏的频率；②火灾爆炸发生的频率；③火灾爆炸后果的严重性；④降低火灾爆炸后果的建议措施。

火灾爆炸发生的频率与设备发生泄漏的频率和泄漏后点火频率有关，通过对火灾爆炸发生的频率和后果进行定量计算，并将计算出的结果与评定标准相比较，判断出火灾爆炸的可接受性，从而提出降低风险的措施和建议。

2 爆炸危害及评定准则

海上平台甲板面积和层高有限，工艺设备、电气房间、生活楼等布置比较紧凑。海上平台的主要功能是处理从地层采出的原油和天然气等易燃易爆物质，平台上安装有大量的电气设备，原油和天然气如果发生泄漏，则其遇到点火源可能会发生爆炸。发生爆炸时，能量在向外释放时以冲击波、碎片和容器残余变形能量这3 种形式表现出来，其中空气冲击波占绝大部分，是爆炸的主要危害因素。爆炸超压对建筑物的危害作用主要参照《化工企业定量风险评价导则》（AQ/T 3046—2013）表H.3。

3 火灾爆炸定量分析

3.1 气象条件

中心处理平台所处海域最高气温为36.0 ℃，最低气温为-16.0 ℃，通过算术平均计算，可得平均气温为10.0 ℃，选取该特征气温作为火灾爆炸分析的输入条件。该海域以S、SSW、SW、SSE 和SE 等偏南风向及NE、NW、NNW 和ENE 等偏北风向为主，平均风速约为6.7 m/s，大气稳定度等级选为D 级（D 级表示气象条件的稳定性介于稳定和不稳定之间）。

3.2 危险源辨识

中心平台工艺处理的介质为天然气和凝析油，也是主要危险物质。天然气在空气中浓度为5%～15%的范围内遇明火即可发生爆炸，这个浓度范围即为天然气的爆炸极限［1］。凝析油的闪点比较低，容易挥发，遇明火而发生爆燃，它比原油的危险系数更高。

3.3 泄漏场景选择

泄漏场景的分类主要参照《化工企业定量风险评价导则》（AQ/T 3046—2013），有代表性的泄漏孔径见表1［2］。

表1 典型泄漏场景Tab.1 Typical leakage scenarios

3.4 泄漏关断时间

泄漏关断时间对泄漏单元的泄漏时间和泄漏量有着重要影响，它与泄漏位置、泄漏孔径、探测器布置、安全系统的响应时间和可靠性有关。本项目假设小孔泄漏、中孔泄漏、较大孔泄漏、大孔泄漏等不同泄漏场景的泄漏关断时间为60 s［3］。

3.5 泄漏频率计算

泄漏频率计算主要依据国际石油与天然气生产协会出版的工艺泄漏频率报告，以对工艺仪表流程图进行部件统计的方式来计算。部件统计的基本原则是统计工艺系统中所有能够接触到危险介质并承载压力的部件。部件统计涉及的主要设备类型包括钢制工艺管道、法兰、手动阀门、驱动阀门、仪表、泵、压缩机、容器和换热器。中心平台上层甲板泄露频率计算结果见表2。

表2 上层甲板泄露频率计算结果Tab.2 Calculation results of leakage frequency on upper deck

3.6 爆炸定量后果计算

3.6.1 分析中的一些假设

由于泄漏方向与风向一致时影响距离最远，基于保守考虑，分析时假设泄漏方向与风向一致，所以只考虑人员合规操作和按照规章制度良好保护下的风险。紧急关断阀门能有效隔离管道和设施中可燃介质流动。爆炸采用TNO Multi-Energy模型。

3.6.2 爆炸后果模拟

爆炸后果模拟目的是模拟带压设备泄漏后发生爆炸所造成的超压影响，本次爆炸模拟采用三维模拟，主要分析平台上层甲板危险介质发生爆炸事故对生活楼H60 防火墙的影响程度。上层甲板的所有设备中，排放洗涤器压力最大（达6.1 MPa）且温度较高。一旦发生泄漏，在较高压力的作用下，其发生火灾爆炸的可能性较大。在选择排放洗涤器气相出口管线泄漏场景进行爆炸三维模拟，考虑其爆炸事故后果对生活楼防火墙的影响。由于气体泄漏扩散是火灾爆炸的前提条件，在模拟爆炸后果时，须先确定泄漏场景，并将其作为爆炸的输入条件。

采用软件计算上层平台的可燃气体扩散情况，经计算，上层平台泄漏扩散后在拥塞区域气云量为282.62 m3，上层甲板可燃气体泄漏扩散三维模拟图见图1。

图1 上层甲板可燃气体泄漏扩散三维模拟图Fig.1 3D simulation diagram of combustible gas leakage and diffusion on upper deck

上层甲板排放洗涤器出口管线大量可燃气体泄漏遇引火源达到爆炸条件，为观测爆炸场景的影响，在生活楼防火墙上按3 m×3 m 的尺寸均布132 个观测板。爆炸场景模拟结果见图2。

图2 上层甲板爆炸场景三维模拟图Fig.2 3D simulation diagram of upper deck explosion scene

从上述爆炸分析中可以看出，当泄漏孔径为25 mm时，上层甲板爆炸冲击波对生活楼防火墙最大影响为0.32 kPa，介于0.28～0.69 kPa之间，参照《化工企业定量风险评价导则》（AQ/T 3046—2013）表H.3 可以看出，爆炸超压作用于防火墙上的压力较小，对生活楼的H60 防火墙危害较小。

4 结 语

该项目处于初步设计阶段，无法确定平台的管道布置高度、走向和杂物布置，所以三维建模时并未考虑管道及杂物对泄漏可燃气体进一步阻塞的情况。平台实际运行过程中，设备间由于管道及附件的布置，阻塞区域进一步增加，可能会导致爆炸后果加剧。因此，在详细设计阶段，应再做一次火灾爆炸分析，以确保中心平台生活楼的安全。同时，在平台投产后，重点对气液接收和分离系统、闪蒸气压缩和凝析气回收系统制定完善的维修维护计划，定期对法兰、阀门和管道等容易泄漏的位置进行检查，以便及时发现可能出现的小孔泄漏，防患于未然。■