自升式钻井平台燃烧臂的应用与热辐射分析

王柏和， 鲁 建 ， 郭艳欣 ， 王 磊

(1.中国石油集团海洋工程有限公司钻井事业部， 天津 300280；2.上海外高桥造船海洋工程设计有限公司，上海 200137)

自升式钻井平台燃烧臂的应用与热辐射分析

王柏和1， 鲁 建2， 郭艳欣1， 王 磊2

(1.中国石油集团海洋工程有限公司钻井事业部， 天津 300280；2.上海外高桥造船海洋工程设计有限公司，上海 200137)

燃烧臂是用于钻井平台试油作业时燃烧油(气)层经试油设备分离出来的伴生气或油气混合物，燃烧时会产生大量的热辐射，对人、设备和平台造成伤害，因此，钻井平台需设立相应的防护措施。针对JU2000E自升式钻井平台，介绍配置燃烧臂的技术参数、结构组成、性能特点、工作原理、热辐射危害，并对热辐射和水幕防护进行理论计算和分析，为今后钻井平台建造或升级时的燃烧臂选型和防热辐射分析提供参考。

燃烧臂；热辐射；水幕系统；自升式钻井平台

0 引言

燃烧臂是钻井平台用于海上石油勘探过程中试油作业时的关键设备之一，主要用于燃烧油(气)层经试油设备分离出来的伴生气(通常指与石油共生的天然气)或油气混合物。试油作业期间，燃烧臂燃烧会产生热辐射，对人、设备和平台造成伤害。因此，钻井平台的燃烧臂必须布置在安全的地方，如远离平台结构和工作的区域，或者对平台设立相应的防护措施。

中油海16平台为JU2000E自升式钻井平台，配置了2套完整的“天津诚海石油”试油作业燃烧臂，分别安装于平台左、右舷艉部，试油作业时向外伸展远离平台主船体。该文以中油海16平台为基础，介绍燃烧臂的结构组成、性能参数、工作原理、热辐射危害，并对热辐射和水幕防护进行了理论计算和分析。

1 燃烧臂选型

1.1 技术参数

服务介质：原油、天然气(含H2S)；燃烧头工作压力：1 440 psi(1 psi=1.895 kPa)；燃烧头数量：原油燃烧头3 个，天然气头1 个；原油处理能力：12 000 桶/天，天然气处理能力：220 万立方米/天；作业环境温度： -20℃ ～ 45℃；点火系统电气要求：220 V，60 Hz；热辐射要求：操作人员在连续暴露的任一地点热辐射强度≤6.3 kW/m2；燃烧臂总长26 m,总重8.5 t。

1.2 结构组成

平台燃烧臂主要由燃烧器撬块、栈桥、工作管线、高压点火系统、安装基座、存放托架撬块、提升滑轮总成和索具等组成，如图1所示。燃烧器撬块由燃烧器框架、燃烧头、防火罩、喷淋水环、原油、天然气、海水、柴油、高压空气、低压空气和液化气管线等组成, 其结构如图2所示。

图1 燃烧臂结构示意图

图2 燃烧器撬块结构示意图

配置工作管线的具体参数见表1。

表1 工作管线参数[1]

1.3 工作原理

燃烧臂通过高压点火系统产生高压脉冲电流, 使高压点火棒产生高能火花, 点燃天然气、雾化柴油或液化气喷射管系喷出的可燃气体。当进行天然气处理时，天然气直接点燃燃烧。当进行原油处理时，从试油设备分离出的原油与高压压缩空气在燃烧头内充分混合并雾化,高压油气混合物从燃烧头喷出时被点燃, 完成燃烧处理。当进行稠油燃烧处理时, 需先使柴油和低压压缩空气辅助燃烧系统工作, 才能保证稠油完全燃烧，燃烧臂原理流程如图3所示。

图3 燃烧臂原理流程示意图

1.4 性能特点

燃烧臂有以下特点：(1) 采用的是高效的美国EXPRO燃烧头，能使燃油和压缩空气混合更充分，可将介质完全燃烧，达到绿色环保要求；(2) 在天然气、原油、柴油、空气管线的控制阀之前均安装单向阀, 防止燃烧器在工作时发生回火现象, 保证试油时设备和操作人员的安全；(3)燃烧器撬块设计了防火罩和海水喷淋系统。由泥浆泵泵出的高压海水在燃烧器撬块形成2道水幕, 大大减轻其热辐射,保证操作人员和设备的安全。

2 热辐射分析

2.1 热辐射的危害

燃烧臂在燃烧时，对人、设备和平台可能会造成热辐射伤害。表2是热辐射对设备设施的破坏准则，由表2可以看出，足够多的热辐射可以破坏设备或钢结构。表3是热辐射对人体的影响，由表3可以看出，热辐射越强，人达到疼痛的时间越短。允许的热辐射是持续暴露时间的函数，需要考虑人的反应时间。在紧急放空时，设想反应时间为3 s ～5 s，每个人找到遮蔽或逃离现场需要5s，这样总暴露时间8 s ～10 s。应急情况下，个别人员由于思考会需要更多时间来离开现场。结合表4，按照API 521标准中热辐射准则，为了保证人免受伤害，需要保证在指定地点的连续辐射强度不超过6.31 kW/m2。

表2 热辐射对设备设施的破坏准则[1]

表3 热辐射让人达到痛觉限值所需暴露时间[2]

表4 对人的热辐射推荐设计[3]

注：适当服装包括硬的安全帽、有护腕按钮的长袖衣服、工作手套、长腿裤子、工作鞋。适当的服装能减少皮肤直接暴露在热辐射下。

2.2 热辐射计算

以中油海16钻井平台和燃烧臂试油作业相关参数进行计算，平台及燃烧臂工况参数见表5。

表5 平台及燃烧臂工况参数

(1) 计算燃烧臂火焰直径d

依据标准API 521有

式中：Mach为马赫数，取Mach=0.8；W为介质流量，kg/h；P2为管线出口绝对压力，kPa；z为气体压缩系数, z=1；T 为绝对温度，K；Mw为气体相对分子量, Mw=300。

计算出火焰直径：d=0.093 m。

(2) 确定火焰长度L

燃烧臂释放的热量和喷头数量及燃烧物的热值有关，考虑三个喷头同时工作，有：

计算出燃烧臂释放的热量： Q=777 333 kW

图4 火炬长度和热量释放的关系

结合图4 火炬长度和热量释放的关系图，可查出火焰的长度L=58 m。

(3) 计算由风速引起的火焰偏距

蒸汽流量Flow计算公式为

计算出蒸汽流量：Flow=0.512 2 m3/s。

燃烧臂出口速度Uj和蒸汽流量的关系为

图5 由于侧向风作用在喷射速度上火焰离开火炬筒体的近似偏距

(4) 计算热辐射距离与强度分布

热辐射距离计算公式为

式中: D 为从火焰震中到考虑的物体的最小距离；τ为通过大气传递的热量辐射分数，取1.0；F为热辐射分数，取0.3；Q 为热量释放，kW；K为辐射的热量强度，对于钢结构K取25 kW/m2，对应的辐射半径计算得D1=27.3 m。对于非钢结构K取12.5 kW/m2，对应的辐射半径计算得D2=38.5 m。对于人取API 521规定的辐射强度6.31 kW/m2,对应的辐射半径计算得D3=54.2 m。

把计算得到的热辐射范围D1，D2和D3值以火焰偏距中心(xc,yc)绘于中油海16自升式钻井平台总图上，如图6所示(考虑风向垂直于喷头方向，此工况是试油的最恶劣工况)。

图6 中油海16钻井平台在风速36m/s时热辐射强度分布图

(5) 结论分析

对钢结构破坏的辐射强度25 kW/m2对应的辐射半径是27.3 m，在风速36 m/s时，燃烧臂的热辐射辐射不到平台主船体结构。

对工艺设备破坏的辐射强度12.5 kW/m2对应的辐射半径是38.5 m,在36 m/s风向吹向生活楼时，燃烧臂的热辐射可辐射到平台左右舷的部分区域。如图6所示，左右舷艉部的锚机、升降电机、升降基础玻璃钢格栅、装载站软管和逃生绳梯等会受到高温辐射而老化，进而影响效用。所以需要对平台主甲板左右舷受辐射区域采取防热辐射保护措施。一般选用水幕喷淋系统防护。

对有人员工作的场所需要保护的热辐射强度是6.31 kW/m2，高于6.31 kW/m2就有可能造成人员伤害，该辐射半径为54.2 m。当风向吹向生活楼时，受辐射区域最大，为主甲板的左右舷大部分区域。为了人员的安全，在不影响平台正常工作的情况下，平台左右舷两舷侧需要有防热辐射的保护措施，一般选用水幕喷淋系统防护。

3 防热辐射研究

3.1 防热辐射措施

自升式钻井平台上防热辐射的措施：(1)从布置上，将燃烧臂架高或者伸展远离平台结构，特别是工作区和生活区；(2)钻井平台设计水幕系统，减轻对人、设备和平台的热辐射危害；(3)平台配置特殊的防护装备；(4)在需要工作区域，设计遮蔽防护。

3.2 水幕防护系统

3.2.1 简介

水幕系统是将水经过喷头喷洒成幕帘状，用以冷却简易防火分隔物、提高其耐火性能的一种阻火隔热水消防系统。钻井平台配置的水幕喷淋系统是由喷嘴喷水产生的细水雾系统。研究表明：细水雾雾滴对火焰热辐射有着较强的衰减作用。雾滴直径小，与同体积的水相比其表面积剧增，从而加强了热交换，起到降温和阻断热辐射传递的效果。图7为雾粒径对细冰雾阻隔热辐射效率的影响[4]。

图7 雾粒径对细水雾阻隔热辐射效率的影响[4]

从图7中可以看出：在相同的雾密度、相同雾场厚度下，对于相同的火焰辐射，雾滴粒径越小，衰减作用越强，阻隔效率越高。对于超细水雾( Dν50≤ 50 μm)，雾场厚度为1 m时，60%以上的辐射能量被衰减掉；对于普通细水雾( 200 μm≤ Dν50≤300 μm )，相同条件下，约35%～40%的能量被细水雾衰减掉；对于大粒径系统如水喷淋( Dν50≤ 1 000 μm )，相同条件下，只有15%左右的能量被衰减掉。大粒径系统虽然可通过增加雾场厚度或雾密度，来获得与细水雾一样的阻隔热辐射效果，但会加大系统的耗水量。具体选用的时候需要结合经济性和效用性等，综合考虑雾粒径、雾密度和雾厚度来达到最好的阻热辐射效果。

3.2.2 设计选型

一般钻井平台的水幕喷淋系统都选用海水介质，并选择雾粒直径大一点的喷头，可以降低成本。中油海16平台单舷需要被保护区域的总长度为87.6 m，保护结构的高度取3.5 m，被保护区域的总面积为306.6 m2。根据NFPA第15章固定式水雾消防系统的要求，被保护的钢结构水量要达到10.2 (L/min)/m2，则满足保护要求所需要的总水量为187.6 m3/h，配置了1台250 m3/h的水幕喷淋泵。

3.2.3 喷头保护布置

根据热辐射的分布范围及喷头的流量选型，可以对保护区域进行喷头的布置。喷头在布置的过程中需要考虑在拐点处及可能出现覆盖盲区的位置，额外增加喷头，以保证保护区域全部覆盖，具体布置图如图8所示。

图8 水幕喷淋布置图

4 结论

通过对燃烧臂的燃烧热辐射理论分析、热辐射强度分布、对水幕阻热辐射的研究和在中油海16平台多次试油作业的应用发现，优化的水幕设计和合理的布置能够有效地改善燃烧臂热辐射的辐射能量强度，能够较好地降低热辐射对平台钢结构/设备/人的影响。

在自升式钻井平台试油作业期间，为了保障人员、设备和平台免受伤害，为了生产作业更安全和环保，还需不断地对燃烧臂、防热辐射措施和水幕系统的设计进行优化研究。

[1] 庄磊,陈国庆，孙志友，等.大型油罐火灾的热辐射危害特性[J].安全与环境学报,2008(4):110-114.

[2] 美国雪夫龙公司.海上油气工程设计实用手册[M].第十分册. 天津:中国海洋石油总公司翻译出版，1994.

[3] Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems：API 521[S]. Fifth Edition. 2007.

[4] 丛北华,蔡志刚，陈吕义，等.细水雾阻隔火焰热辐射作用的模拟研究[J].中国安全科学学报，2005(12) ：69-73.

Application and Thermal Radiation Analysis of Burner Boom on Jack-up Drilling Platform

WANG Bai-he1, LU Jian2, GUO Yan-xin1, WANG Lei2

(1. Drilling Division of CNPC Offshore Engineering Co., Ltd， Tianjin 300280, China；2.Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd，Shanghai 200137,China)

During the well testing procedure, burner boom of the rig is used to burn associated gas or oil and gas mixture which are separated from oil (gas) layer by the well testing equipment. Combustion produces large amounts of heat radiation which can be harmful to people, equipment and platform, so the platform should set up corresponding protective measures. This article takes JU2000E jack-up drilling platform for example, mainly introduces the technical parameters ,configuration composition, structure characteristics, working principle, thermal radiation damage of burner boom, researches and analyzes the thermal radiation and water curtain protection, provides the reference about burner boom design and selection for platform fabrication or upgrade?in the future.

burner boom； thermal radiation； water curtain protection； jack-up drilling platform

1001-4500(2016)06-0048-09

2015-07-12

王柏和(1983-)，男，工程师。

P75

A