冷放空气体扩散对海洋平台群影响分析

2020-07-14吴奇兵张士超李修峰肖军诗陈泽光

海洋石油 2020年2期

吴奇兵，张士超，李修峰，肖军诗，陈泽光

（中海油安全技术服务有限公司，天津 300450）

冷放空系统是海上生产设施重要的安全系统，其设计是否合理将直接影响平台的生产和安全[1-2]。受海上平台空间所限，冷放空管距离生产区、生活区较近，因此与陆上油田相比危险性更大[3-4]。W平台冷放空管斜向上伸出平台10 m距离，在放空气体时气体会随风飘向平台，对平台作业及生活产生影响，因此考虑将放空管在现在的基础上延长10 m。由于该平台与其他两平台距离较近，其气体扩散影响较为复杂。为分析放空管加长改造后对放空气体排放的影响，应用CFD软件对平台冷放空泄放气体扩散过程进行了数值模拟[5-8]，研究了可燃气体扩散的基本规律，分析了不同风向、风速对可燃气体扩散的影响，并依据计算结果对冷放空管的改造提出了建议。

1 计算模型的建立

某油田位于渤海辽东湾北部海域，W平台和D平台之间由栈桥连接，距离为20 m。中心平台D与储油沉箱平台W栈桥相连，G平台与W平台的西北侧通过栈桥连接，平台所在位置平均水深9 m。平台群布置见图1。

图1 目标平台群三维模型

为了在保证计算精度的前提下尽量降低计算成本，选择250 m×250 m×80 m大气空间作为计算区域。平台甲板模型位于计算区域的中心。冷放空气体将会以较大的速度喷射进入大气空间，网格划分采用非均匀四面体，并在放空口附近区域进行了网格加密，而在远离放空口附近处加大网格尺寸。最后划分完成后节点总数80 094，网格总数为432 419。模型非结构体网格见图4。

冷放空气体在大气中的气体扩散过程非常复杂，因此采用流体动力学方法建立的流体力学模型可以较高程度地还原冷放空气体的扩散规律。由于平台放空管位于火炬臂上（图2），冷放空气体扩散区域集中在平台上部空间。依据工程设计图纸以及设施布置照片，建立三维模拟模型。为了减小计算规模，在满足计算精度的前提下，忽略平台下部结构，仅留下三个平台的上甲板及D平台的中层甲板（图3）。

图2 W平台冷放空管位置示意

图3 平台群模型计算区域模型

图4 平台群模型计算区域网格

2 边界条件设置

2.1 扩散模型

选用k-epsilon湍流模型符合放空管出口处气体流速较大的工况。此外，选取物质输运（Species Transport）模型模拟气体扩散过程，通过求解描述每种组成物质的对流、扩散来模拟混合和输运。计算中选用SIMPLE算法进行求解，同时考虑重力的影响。

2.2 边界条件

为分析不同风速对气体扩散的影响规律，在有风条件时，设定计算区域上风向面位速度入口边界条件，输入不同风速值进行模拟。大气温度按当地平均气温22.9 ℃考虑，放空管出口处的圆形区域设为质量流量入口边界条件。计算域两侧和顶部对称边界：symmetry；平台及底部边界：wall；来风面速度入口：velocity-inlet；冷放空口质量出口：mass-flow-inlet，面边界自由流出：outflow。

（1）风参数

该油田地处中高纬度，其气候主要受欧亚大陆气候的影响，属大陆性气候，常风向为SSW，强风向为NNE和SSW。风玫瑰图见图5。

由风速概率统计表可知，区域风速在3.4 ~ 7.9 m/s区间内概率较大，因此选取3.4 m/ s和7.9 m/s两种风速进行扩散模拟。指数风廓线方程为：

图5 海域年均风玫瑰图（%）

式中：uZ和u10分别为距离海平面高度为Z处的风速和海域标准风速，m/s；Z为离海平面的高度，m。

（2）气体参数

正常带压生产容器泄放流程必须进入火炬分液罐除液后再进行火炬燃烧处理，常压罐的压力泄放是通过冷放空进行处理的，由于各罐的进液速度不一样，因此泄放能力无法确定。目前最大的持续泄放量来自于沉箱呼气，约80 m3/ h（0.017 kg/ s），其余各罐偶尔间歇性放空，量不确定。在标况下，空气密度约为1.29 kg/m3，伴生气相对密度0.591 1 kg/m3，按冷放空气体排放量0.017 kg/ s。平台放空天然气的组分见表1。