大型天然气平台火炬系统设计新思路

王彦瑞，赵喜峰，陈文峰，李豫

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

大型天然气平台火炬系统设计新思路

王彦瑞，赵喜峰，陈文峰，李豫

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

在南海某区域大型天然气处理平台的火炬系统设计中，火灾时BDV泄放为控制工况。若考虑火灾时平台全部BDV同时泄放，泄放量将达112万m3/h，火炬臂长度为104 m，如此长的火炬臂将对于平台的结构设计造成较大影响。为此提出采用了分层分火区延时泄放和BDV采用备用仪表气瓶等方法，将火炬泄放能力由常规设计的112万m3/h降低至81万m3/h，火炬臂的长度由104 m缩短至90 m的设计思路。数值模拟计算结果表明，该方案可行。

大型天然气平台；火炬系统；分层分火区延时泄放；设计

0 引言

在海上天然气田开发过程中，通常伴随有部分不可回收的天然气产生。这些气体是可燃、有毒或具腐蚀性的烃类气体，如果不及时将这些气体处理掉而直接排放至大气中，可能会造成火灾和严重的污染事故。设计火炬系统的目的就是将天然气平台生产出来的不可回收的天然气或者生产设施中泄放出来的气体输送至安全的位置燃烧，以确保平台的安全[1]。

火炬泄放量是指在某种事故状态下，所有单体设备安全泄放装置泄放量的总和。目前，国内外推荐的设计方法主要以API RP 521为依据，对于单体设备通常需考虑的事故工况有：堵塞、火灾、气窜、应急释放、仪表气故障等[2-3]。但在确定火炬系统的泄放量时，不仅要分析采用何种工况，还要考虑设备在平台上的实际布置情况。平台设施在甲板上的布置是按照不同的安全区域来划分的，在考虑某系统或设备在某种事故状态下的泄放量时，不仅要考虑事故系统或设备本身的泄放量，还要考虑与其位于同一区域内的其他设备的影响[1]。

1 火炬泄放量计算方法

南海某平台为南海区域中心平台，其特点为：处理能力大、工艺设备多、操作压力高。当全平台的生产达到120亿m3/a的设计工况时，外输压力高达22.7MPa。同时运行的设备有：4台段塞流捕集器、3台干湿换热器、3台脱水塔、4套干气压缩机、1台凝析油分离器、2台凝析油聚结滤器、1台凝析油缓冲罐、1台燃料气储罐、4条上平台的海管和1条去陆上终端的海管。经过事故工况比较分析计算，确定该平台火炬泄放能力由火灾下的BDV泄放工况控制。按照常规项目设计，当遇到火灾时BDV将同时打开泄放，泄放量高达112万m3/h，泄放速率见图1。

图1 全平台BDV同时打开的泄放速率

1.1 常规计算方法

火炬臂的长度通常由辐射热强度决定，API RP521规范中推荐的火炬辐射热设计强度见表1。

表1 火炬辐射热容许的设计级别

考虑到火灾下的BDV泄放为紧急工况，本项目采用辐射热强度6.31 kW/m2作为校核条件。为了准确计算中心平台的火炬，采用Flaresim软件进行设计和校核。在此泄放量下计算得出：火炬长度为104 m、与平台角度为45°时，火炬到平台的辐射热强度能满足要求。

较详细的模拟计算结果见图2和图3。

图2 臂长104 m火炬辐射强度图

图3 臂长104 m火炬3D图

经火炬结构方面校核，104 m长度的火炬臂对于平台的结构和组块拖航将造成较大的影响。为了尽量减轻对平台结构设计的影响，合理降低火炬的设计能力显得十分重要。

1.2 分层分火区延时泄放计算方法

通过参考壳牌规范分级泄压要求，并经过HAZOP分析及第三方ABS论证，确定采用分层分火区延时泄放[4]的方法来降低平台的泄放量，具体步骤如下：

当探测到火灾信号后，所在火区的BDV优先释放，其他火区依次延时5min泄放。泄放的次序为：若上层甲板着火，依次为中层、下层泄放；若中层着火，依次为上层、下层泄放；若下层着火，依次为中层、上层泄放。若存在穿甲板或跨火区的设备（如三甘醇脱水塔和干气压缩机等）或同一系统设备分处不同火区，中间关断阀形成分隔的，则在计算相应的火区泄放量时也应考虑该设备的泄放量。具体火炬泄放顺序见表2。

表2 分层分火区延时泄放顺序

当平台上层甲板先着火时，平台火炬泄放速率见图4。

图4 上层甲板先着火时火炬泄放速率

当中层甲板先着火时，平台火炬的泄放速率见图5。

图5 中层甲板先着火时火炬泄放速率

当下层甲板先着火时，平台火炬的泄放速率见图6。

图6 下层甲板先着火时火炬泄放速率

分析图4~6可知，当上层甲板着火经过5 min后，中层甲板上的BDV开始泄放，此时火炬的泄放能力最大，为81万m3/h。经过Flaresim模拟计算，火炬臂长度可缩短至90 m。计算结果见图7和图8。

1.3 BDV增加备用气瓶

由于BDV为仪表气驱动的控制阀，因此在常规项目设计中，当仪表气失气时，BDV阀将自动打开，此时火炬泄放量将与火灾工况下BDV同时打开的泄放量基本相同。由于本项目已采用分层分火区延时泄放，因此为了避免该BDV因仪表气失气而同时打开的工况，在每个BDV的仪表气供气管道的入口设置了一个备用仪表气瓶，再在仪表气瓶的上游管道设置一个单向阀，当仪表气供气关停的时候，备用的仪表气瓶要满足打开BDV阀3次的储气量。设置方法见图9和图10。

图7 臂长90 m火炬辐射强度图

图8 臂长90 m火炬3 D图

图9 常规BDV阀示意

图10 本项目BDV阀示意

2 结束语

南海某区域大型天然气处理平台的火炬泄放量通过采用火灾时BDV分层分火区延时泄放，BDV供气管道上采用增加止回阀以及备用仪表气瓶等方法，将火炬泄放能力由常规设计的112万m3/h，降低到81万m3/h，火炬臂的长度由104 m降低到90 m，火炬臂质量减轻约40 t，这对于提高平台安全性、减少投资、降低结构的重量、节能减排等具有重要意义。同时该项目采用的火炬泄放能力优化设计原则可为今后大型天然气平台火炬系统设计提供借鉴。

[1]周守为，安维杰.海洋石油工程设计指南[M].北京：石油工业出版社，2006.

[2]张凤久，姜伟，孙福街，等.泄压和减压系统指南[J].中国工程科学，2011，13（5）:28-33.

[3]ANSI/API STANDARD 521-2007，Pressure-relieving and depressuring systems，Fifth Edition[S].

[4]DEP 80.45.10.10-1996，Pressure Relief，Emergency depressuring，flare and vent systems[S].

New DesignIdealonFlare SystemofLarge NaturalGas Platform

Wang Yanrui，Zhao Xifeng，ChenWenfeng，LiYu
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin300451，China

In the design of the flare system of a large natural gas treatment platform built in South China Sea，the control design case is BDV relief in fire disaster.If the all BDVs relive at the same time，the relief capacity is 1.12 Mm3/h，and the flare boom length needs to be 104 m，that will be a big challenge for the structure design.So，two optimized methods（i.e.adopting the delay relief at different decks with different fire zones and the spare instrument air cylinder for each BDV），are adopted to reduce the flare capacity from 1.12 Mm3/h to 0.81 Mm3/h and the flare boom length from 104 m to 90 m.The numerical simulation predicts the optimized methods are reliable.

large natural gas treatment platform；flare system；delay relief at different decks with different fire zones; design

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.03.003

王彦瑞（1981-），男，黑龙江兰西人，工程师，2005年毕业于长江大学油气储运专业，现从事海洋石油平台及海底管道的工艺设计工作。

2014-08-25