海上稠油熱采平臺生活樓防爆墻抗爆值設計

邱波 王樹達 邵海龍 王志祥 蘆紅威

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津，300451）

（2.中海油天津分公司，天津，300452）

引言

近年來，渤海油田稠油熱采開發步伐明顯加快，考慮到綜合開發的成本優勢，設置有生活樓、蒸汽鍋爐、熱采井口區、工藝和公用系統設施的海上綜合油氣處理平臺開發方案成為了海上稠油熱采開發項目優先推薦的總體開發方案。

蒸汽鍋爐是海上稠油熱采開發的核心設備，平臺將海水或水源井水處理成合格的蒸汽鍋爐入口水源，通過蒸汽鍋爐加熱后成為高干度蒸汽或過熱蒸汽，蒸汽注入井下加熱原油，再經過燜井、放噴、下泵開采等工藝流程，將原油輸送至平臺上各工藝處理設備進行處理。與陸地油田不同，受投資費用所限，海洋平臺的面積有限，各設備、設施布置緊湊，空間狹小，而蒸汽鍋爐屬于特種設備，正常工作時爐體內存在大量高溫、高壓蒸汽，一旦蒸汽鍋爐發生爆炸，將給平臺上的生產操作人員帶來極大的人身安全隱患。

海洋平臺的生活樓是生產操作人員主要棲息場所，在日常生產時，除了去往平臺其它區域的少部分生產巡檢人員和操作維護人員外，其他人員基本都在生活樓休息和調整。因此，為最大限度確保生產操作人員的人身安全，生活樓在結構強度上必須能夠抵御蒸汽鍋爐爆炸時產生的沖擊破壞。此時，處于生活樓和蒸汽鍋爐之間的，緊貼著生活樓結構外墻設置的防爆墻至關重要，該防爆墻將是抵御蒸汽鍋爐爆炸時產生的沖擊，確保生活樓不被破壞，確保生產操作人員安全的最重要屏障。防爆墻的結構強度取決于蒸汽鍋爐爆炸時沖擊波傳遞到墻體的作用力，即防爆墻的抗爆值大小。而抗爆值大小的主要影響因素為蒸汽鍋爐爆炸時的能量和蒸汽鍋爐與防爆墻之間的距離。

本文基于渤海油田某稠油熱采開發項目，根據項目實際的蒸汽鍋爐配置情況、蒸汽鍋爐與生活樓總體布置情況，開展蒸汽鍋爐爆炸分析，并依據爆炸分析結果確定防爆墻的抗爆值，可為后續稠油熱采開發項目綜合油氣處理平臺生活樓防爆墻的抗爆值設計提供了非常有價值的參考。

1 項目概況

1.1 平臺總體概況

本項目油田位于渤海遼東灣海域，原油密度為0.964～0.973t/m3，地層平均原油粘度為627mPa·S，常規開發產能較低，需要進行注熱開發。該油田采用前期蒸汽吞吐后期轉化學輔助蒸汽驅的方式開發。本項目總體開發方案為新建一座綜合油氣處理平臺CEPA，采用海上浮托安裝，平臺上主要設置有生活樓、蒸汽鍋爐、熱采井口區、公用/工藝系統設備設施等。圖1-1所示為該項目CEPA平臺上層甲板總體布置圖，在平臺西側布置有一座80人生活樓，東側布置有熱采井口區，中部布置有3臺蒸汽鍋爐，生活樓面向蒸汽鍋爐一側的墻皮外側設置有一面防爆墻。由于平臺總體尺寸、浮托重量限制，生活樓已經位于平臺最西側位置，蒸汽鍋爐己盡可能遠離生活樓布置。在此方案中，防爆墻與最西側一臺蒸汽鍋爐設備邊緣間距為30米。

圖1-1 CEPA平臺上層甲板總體布置圖

1.2 蒸汽鍋爐配置情況

本項目蒸汽吞吐開采階段所需的注熱蒸汽溫度為356 °C，蒸汽壓力為15.9MPaG，蒸汽干度為過熱10°C；蒸汽驅階段所需的注熱蒸汽溫度為327°C，蒸汽壓力為12.4 MPaG，蒸汽干度為1。根據項目總體注熱需求，平臺設置有3臺蒸汽鍋爐，均為臥式，每臺鍋爐均配置有球形汽水分離器，以實現過熱蒸汽輸出。每臺蒸汽鍋爐的設計能力為30t/h，一臺鍋爐運行即可滿足兩口注熱井同時注入的蒸汽耗量需求。

1.3 生活樓概況

本項目生活樓主體結構采用板殼式，主體尺寸為28m x 11.5m，分為3層，每層層高3.5米，直升飛機甲板位于生活樓頂層，與生活樓頂層保留4.0米的空間。生活樓能夠容納80人的居住處所及有關的公共處所。生活樓內主要包括：居住用房、公共用房、衛生用房、辦公用房、炊事用房、醫療用房等。

2 蒸汽鍋爐爆炸分析

2.1 分析目標

蒸汽鍋爐爆炸的主要原因是鍋爐中容納水及水蒸氣較多的大型部件發生破裂導致，如爐筒和汽水分離器等。在正常工作時，容器內部處于水汽兩相共存的飽和狀態，或是充滿了飽和水。此時容器內的壓力等于或接近于鍋爐的工作壓力，水的溫度則是該壓力對應的飽和溫度。一旦容器破裂，容器內液面上的壓力瞬間下降為大氣壓，容器內的絕大部分飽和水瞬時汽化，體積驟然膨脹許多倍，在空間形成爆炸。

本項目每臺蒸汽鍋爐均配置了汽水分離器，汽水分離器布置在蒸汽鍋爐設備的一端，如圖1-1所示。相比于爐筒內的爐管，汽水分離器由于容積較大，含有較多的高溫高壓水蒸汽和液態水，聚集了大量能量，若發生破裂，能量將瞬間釋放而產生巨大破壞力。因而汽水分離器爆炸是蒸汽鍋爐爆炸的主要危險來源，但考慮到3臺蒸汽鍋爐汽水分離器在同一時刻發生爆炸的機率非常低，因此，在進行蒸汽鍋爐爆炸分析時，僅考慮3臺蒸汽鍋爐中布置得離生活樓最近的一臺。以此開展汽水分離器爆炸定量計算，即汽水分離器爆裂超壓的大小及影響范圍，進而確定生活樓防爆墻抗爆值。

2.2 分析計算假設

為簡化分析模型，在蒸汽鍋爐爆炸分析過程中，由于爆炸發生在瞬間，高溫高壓飽和水轉化為等溫等壓飽和蒸汽過程中高溫高壓飽和水體積膨脹對外做功，可認為該過程飽和水蒸汽溫度和壓力均不降低；同時，不考慮平臺上生活樓與蒸汽鍋爐之間布置的其它結構和設備對沖擊波阻擋的影響，認為爆炸超壓直接作用于生活樓防爆墻。

2.3 等效能量計算

熱采蒸汽鍋爐汽水分離器中存在氣液兩相，即存在高溫高壓飽和液態水和高溫高壓飽和蒸汽。汽水分離器爆炸能量主要來自兩部分，高溫飽和水和高溫飽和蒸汽。高溫飽和水突然失壓迅速汽化為蒸汽并形成壓力波，和高溫飽和蒸汽因突然失壓形成的壓力波一并向空間傳遞，如圖2-1所示。

圖2-1 汽水分離器爆裂過程

分析過程采用Bleve blast模型對汽水分離器爆裂的后果進行計算分析，主要過程是：1）高溫高壓飽和水轉化為等溫等壓飽和蒸汽，在此過程中，高溫高壓飽和水轉化成等溫等壓的飽和蒸汽，其體積發生膨脹；2）高溫高壓蒸汽形成壓力波向外傳遞。

2.4分析計算基礎

汽水分離器完全破裂發生頻率參考GB/T37243《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》附錄C中表C.2 “固定的帶壓容器和儲罐泄漏頻率值”，按帶壓容器取完全破裂頻率6x10-6/年。

采用定量風險分析軟件 DNV GL Safeti中的Bleve blast 模型計算汽水分離器爆炸引發的超壓，計算基礎數據如表2-1所示。

表2-1 汽水分離器爆炸分析計算基礎數據

2.5 分析計算結果

通過分析計算，可以得到如表2-2所示的汽水分離器爆裂超壓計算結果，爆炸超壓值為距離汽水分離器中心點相應距離處的爆炸沖擊波壓力值。由于數據較多，表2-2僅體現部分數據。同時，通過數值擬合可以得到如圖2-2所示的汽水分離器爆炸超壓值與距離對應關系曲線圖。

表2-2 汽水分離器爆裂超壓計算結果

圖2-2 汽水分離器爆炸超壓值與距離對應關系曲線圖

從圖2-2可知，汽水分離器爆炸超壓值與距離并不是線性關系，距離越近，爆炸超壓值越大，曲線越陡峭；當距離增加到一定數值之后，數值變化率較小，爆炸超壓值曲線變得較為平緩；當距離繼續增加后，爆炸超壓值趨近于零。

根據本項目CEPA平臺總體布置情況，生活樓防爆墻與最西側一臺蒸汽鍋爐設備邊緣間距為30米，汽水分離器中心與鍋爐橇邊緣間距為1.55米，故生活樓防爆墻與汽水分離器爆炸中心點距離為31.55米。通過查詢圖2-2擬合曲線，距離31.55米對應的爆炸超壓值為0.998bar。即最西側一臺蒸汽鍋爐的汽水分離器爆炸產生的沖擊波作用在生活樓防爆墻上的壓力值為0.998bar，此數值即為本項目生活樓防爆墻的抗爆壓力值。

3 結論

在稠油熱采開發綜合處理平臺上，由于設置有多臺蒸汽鍋爐，為確保生活樓結構安全，需要在生活樓面向蒸汽鍋爐的一側設置防爆墻，該防爆墻結構強度設計的重要輸入數據為抗爆值，而抗爆值的確定需要通過搭建蒸汽鍋爐爆炸分析模型計算得出。但有一點值得注意，抗爆值越高，防爆墻結構設計的難度越大，材料采辦和施工成本越高，通常在出現超過1.5bar的抗爆值時便不推薦按此抗爆值開展防爆墻設計，轉而建議調整平臺總體布局，增大生活樓與蒸汽鍋爐的距離以降低抗爆值。因此，在平臺總體布置時，在條件允許的情況下，要盡可能將生活樓遠離蒸汽鍋爐布置，一方面降低防爆墻設計難度，另一方面從空間布置上盡可能提高生活樓本質安全，降低人員傷害風險。