海上平台冷放空防引燃仿真计算研究

王新军

（中国海洋石油有限公司天津分公司辽东作业公司，天津 300457）

冷放空系统是海洋生产平台生产设施中非常重要的安全系统，其设计是否合理，将直接影响平台的生产和安全[1]。如果冷放空排出的易燃气体被火炬引燃，将对海上油气生产造成重大安全隐患，甚至造成严重的火灾爆炸的后果。关于冷放空的设计有很多学者进行了研究讨论。

魏利军等提出了k-spsilon模型和Simple算法，并对气体扩散做出研究，模拟其运动过程[2]；张明等采用数值模拟计算的方法对海上平台冷放空可燃气体扩散进行计算分析不同风向、风速、泄放量、泄放口朝向等因素对可燃气体扩散的影响，还对海上平台可燃气体的扩散影响进行分析，利用Fluent和Flaresim软件进行数值仿真计算[3-4]；王涛等在较新的研究中利用DNV的Phast软件进行计算，在冷放空不点燃的情况下可燃气体扩散和极端天气下雷击引燃的后产生的危害后果等几个方面进行详尽分析[5]。陈文峰等通过Phast软件对硫化氢扩散边界进行仿真计算对冷放空的计算提出要求[6]。衣华磊等以整个海上平台进行建模和网格划分，通过Fluent软件对冷放空气体进行仿真模拟计算以分析有害气体对平台的影响范围，对平台冷放空设计提供依据[7]。

本文选择较为经典的Fluent软件进行数值仿真计算，以发生过火炬点燃冷放空事件的某海洋石油生产平台为例，以可燃气体扩散数据为依据，提出改变冷放空放空口和位置的改造方案，并进行模拟计算验证可行性。本文研究结果可以为海洋石油生产平台冷放空改造提供技术指导，有助于提升平台人员及设备本质安全水平。

1 实验背景和条件

冷放空的排气原理是来自污油罐、污水罐和注水缓冲罐的微正压、低浓度碳氢化合物进入冷放空系统，释放至大气中。间断排放，罐内压力低于设定值时补气（进气），高于设定值时排气。冷放空排出的易燃气体在空气中扩散，如果扩散至火炬火焰仍能达到燃爆浓度范围，则会发生引燃引爆。

某海洋油气生产平台位于渤海南部海域，平均水深约17m，年平均气温11.1℃，海域常风向为S、NE；冷放空设计处理量：正常情况1 300Sm3/h（0.4185kg/s），紧急情况4 900Sm3/h （1.577kg/s）气体出口速度29.877m/s，7.927m/s；冷放空头压降＜2kPa；排放气体的压力范围：微正压，0.5～1kPa；火炬设计处理量：正常情况2 400Sm3/h（0.772 5kg/s），最大瞬时处理量14 400Sm3/h（4.635kg/s）；排放气体主要是天然气，相对空气密度0.898 3。天然气爆炸极限5%～15%，燃点270～540℃（仿真计算取270℃=543K）。

某日，本平台发生火炬引燃冷放空事件。当时冷放空排气量约气量约3万m3/d（1 250Sm3/h），天气晴，风速7m/s。仿真计算将改变冷放空位置、放空口形状、放空口朝向以及处理量几种条件，分析火炬是否能点燃冷放空排出的可燃气体，进而提出合理的改造方案。

2 仿真计算分析

2.1 改造前冷放空仿真计算

计算时取风速为7m/s，风向从火炬吹向平台。在放空口竖直向上、弯折朝向火炬、弯折朝向平台三种情况下分别按紧急情况最大瞬时处理量和正常情况设计处理量排放用Fluent软件模拟计算5%浓度天然气分布和543K火焰分布，放空口形态见图1，计算结果见图2～3。

无论冷放空口朝向何方，其排出的可燃气体在正常情况和最大瞬时处理量时都能被火炬引燃。由此推断，5%浓度的扩散气体边界在当前条件下容易接触火炬火焰，导致引燃。如果将冷放空下移一段距离，可能会解决火炬引燃冷放空口的问题，以此提出改造方案，将冷放空口下移至火炬臂中间 位置。

图1 放空口形态

图2 最大瞬时处理量时5%浓度天然气分布和543K火焰分布

图3 正常设计处理量时5%浓度天然气分布和543K火焰分布

2.2 冷放空改造后仿真计算

冷放空、火炬排放量都按正常情况处理量计算，风速取7m/s，从火炬吹向平台。改变放空口朝向分别为朝向火炬和竖直向上。用Fluent软件模拟5%浓度天然气分布和543K的火焰分布，结果见图4。

图4 改造后5%浓度天然气分布和543K火焰分布

将冷放空位置下移后18m，仿真计算发现冷放空气体不会被火炬引燃。因此将冷放空沿火炬臂下移，放置在火炬臂中部比较合理，证明改造方案合理可行。

3 结论

仿真计算时只在火炬处设置点火，通过模拟计算，冷放空管在各种朝向、紧急情况最大瞬时处理量、正常处理量各种工况时冷放空气体都会被引燃，因此改变冷放空口朝向并不能防止冷放空气体被引燃。

改造前冷放空气体在正常情况和最大瞬时处理量时都能被火炬引燃，是由于冷放空当前位置偏高、距离火炬太近，冷放空当前高度（距离火炬约12.5m）容易被火炬引燃，若将冷放空位置下移至火炬臂中部18m，通过仿真计算，得出冷放空气体不会被火炬引燃。因此将冷放空沿火炬臂下移，放置在火炬臂中部比较合理，该研究与分析为现场冷放空改造提供理论依据和借鉴思路。