摘" " 要：在海上平臺建設(shè)中，總體布置的設(shè)計(jì)效果直接影響平臺的運(yùn)行效率與維護(hù)成本，但目前涉及到總體布置尤其是包含多臺壓縮機(jī)的布置研究較少。因此，從工藝流程、總圖布置及安全運(yùn)行等因素考慮，以渤海油田某凝析氣田區(qū)塊海上中心處理平臺為例，針對其上部組塊，進(jìn)行多臺套大型壓縮機(jī)的平臺總體布置研究。研究認(rèn)為，海上平臺壓縮機(jī)布置應(yīng)綜合考慮工藝、安全、結(jié)構(gòu)、操作及環(huán)保等因素，合規(guī)布置消防設(shè)施，并兼顧協(xié)同運(yùn)行的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定特性。該處理平臺壓縮機(jī)集中布置在中層甲板中心區(qū)域，成橇對稱分布，設(shè)有H60防火墻、維修通道、逃生通道及雨淋噴管等，可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)、安全、環(huán)保和操作的最佳平衡。同時，對于空間足夠的平臺，建議在滿足工藝需求前提下，考慮將壓縮機(jī)分散和分層錯位布置，以更好地保障設(shè)備安全運(yùn)行，識別和預(yù)防潛在危險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：海上平臺；壓縮機(jī)；總體布置；上部組塊；凝析氣田

Overall layout technology for multiple sets of large compressors on offshore oil platforms

YAO Hengyang， LI Tieyang， ZHU Chaoliang， ZHANG Dianchen， WANG Zhenwu

Offshore Oil Engineering Co.， Ltd.， Tianjin 300451， China

Abstract：In the construction of offshore platforms， the design effect of the overall layout directly affects the operational efficiency and maintenance cost of the platforms. However， there is still a lack of research on the overall layout technology， especially the layout for multiple compressors. Therefore， with factors such as process flow， general layout， and safe operation taken into consideration， this paper studies the overall layout technology for multiple sets of large compressors on offshore oil platforms， taking the offshore central processing platform of a condensate field block in Bohai Oilfield as an example and aimed at its topside. Research suggests that the layout of compressors on offshore platforms should comprehensively consider factors such as process， safety， structure， operation， and environmental protection， comply with fire protection measures， and take into account the structural stability characteristics of collaborative operation. For the layout of the aforementioned processing platform， the compressor is centrally arranged in the center of the middle deck with a symmetrically distributed package design， equipped with an H60 firewall， maintenance and escape channels， deluge sprinklers， etc.， which can achieve the best balance among aspects of production， safety， environmental protection and operation of the compressor system. Meanwhile， it is recommended that for platforms with enough space， under the premise of meeting process requirements， the decentralized and staggered layer arrangement of the compressors can be considered to better ensure the safe operation of the equipment， and identify and prevent potential hazards.

Keywords：offshore platform; compressor; overall layout; topside; condensate field

在海上石油平臺建設(shè)中，總體布置是一個復(fù)雜、關(guān)鍵的設(shè)計(jì)過程，需要綜合考慮生產(chǎn)效率、設(shè)備可維護(hù)性、人員安全、環(huán)境保護(hù)等多個因素，旨在確定平臺上各種設(shè)備設(shè)施、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的最佳布局和排列方式[1-5]，以滿足生產(chǎn)、安全和環(huán)保等要求。

隨著我國海域凝析氣田的不斷開發(fā)建設(shè)，對壓縮機(jī)平臺總體布置提出了更高的要求，特別是對于包含多臺套大型壓縮機(jī)平臺的總體布置，亟需解決最優(yōu)生產(chǎn)效率、設(shè)備安全性、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾[6-7]。因此，本文以渤海油田某凝析氣田區(qū)塊中心平臺上部組塊建設(shè)工程項(xiàng)目為例，從工藝、安全及合規(guī)角度出發(fā)，對壓縮機(jī)的空間布局、工藝流程要求、消防安全等方面進(jìn)行分析，并計(jì)算壓縮機(jī)系統(tǒng)基于油氣泄漏的點(diǎn)火概率與爆炸概率，由此給出海上石油多臺套大型壓縮機(jī)平臺總體布置技術(shù)，旨在為工程師、研究人員和決策者提供實(shí)用、高效、可持續(xù)的技術(shù)解決方案，推動海上油氣行業(yè)平臺總體布置技術(shù)的創(chuàng)新。

1" " 平臺概況

依托渤海油田某凝析氣田區(qū)塊油氣開發(fā)項(xiàng)目，以氣田區(qū)塊新建海上中心處理平臺設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，開展海上石油多臺套大型壓縮機(jī)平臺的總體布置研究。

目前該中心處理平臺已設(shè)計(jì)完成，但仍需為后期氣田開發(fā)預(yù)留空間，提供開發(fā)能力保障，設(shè)計(jì)的中心處理平臺三維模型示意如圖1所示。

平臺組塊采用AB軸浮托方式安裝，導(dǎo)管架工作點(diǎn)間距為40 m×（16 m+16 m+12 m）。共設(shè)有四層甲板，分別是上層甲板、中層甲板、下層甲板、工作甲板。平臺設(shè)置有主工藝系統(tǒng)、閃蒸氣壓縮機(jī)系統(tǒng)、低壓/中壓/注氣壓縮機(jī)系統(tǒng)及公用系統(tǒng)等設(shè)備設(shè)施。

2" " 工藝流程配置

基于凝析氣田區(qū)塊生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以充分利用井口壓力、減少能耗需求為中心處理平臺設(shè)計(jì)原則，兼顧分期建設(shè)預(yù)留能力，設(shè)計(jì)了井口生產(chǎn)來液處理系統(tǒng)工藝流程，其中天然氣處理系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

根據(jù)井口壓力大小，井口可分為低低壓、低壓、中壓和高壓井口，針對不同壓力等級井口，平臺分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的處理分離器。從圖2可知，高壓井的物流經(jīng)高壓管匯進(jìn)入高壓生產(chǎn)分離器后，氣相直接進(jìn)入TEG系統(tǒng)脫水，液相進(jìn)入中壓分離器進(jìn)一步脫氣；中壓井的物流經(jīng)中壓管匯進(jìn)入中壓分離器后，氣相進(jìn)入中壓壓縮機(jī)增壓后去TEG脫水，液相進(jìn)入低壓分離器進(jìn)一步脫水；低壓井的物流經(jīng)低壓管匯進(jìn)入低壓分離器后，氣相進(jìn)入低壓壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入中壓壓縮機(jī)，再次壓縮增壓后進(jìn)入TEG進(jìn)行脫水處理，液相去一級閃蒸分離器進(jìn)一步處理；低低壓井的井口物流直接接入閃蒸分離器分離后，氣相經(jīng)逐級壓縮增壓后進(jìn)入TEG進(jìn)行脫水處理，液相處理成飽和蒸氣壓合格的含水原油。

凝析氣田80%的自產(chǎn)氣在中心處理平臺和附近井口平臺進(jìn)行回注，剩余氣和壓縮增壓過程中產(chǎn)生的凝析油外輸至附近平臺，最終運(yùn)輸至陸地天然氣和原油處理終端。

根據(jù)天然氣處理工藝流程和井口生產(chǎn)數(shù)據(jù)，壓縮機(jī)選型見表1。

3" " 壓縮機(jī)總圖布置

3.1" " 布置原則

為了確保平臺的高效運(yùn)行、安全性和環(huán)保合規(guī)，一般按照以下布置原則[8]：

1）嚴(yán)格遵守原國家經(jīng)貿(mào)委頒布的《海上固定平臺安全規(guī)則》等規(guī)范要求與規(guī)定；

2）嚴(yán)格遵守《海上固定平臺總體設(shè)計(jì)規(guī)范》；

3）為確保安全生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時將危險(xiǎn)區(qū)與公用系統(tǒng)區(qū)或電氣房間用H60防火墻分開；

4）總體布置合理，滿足鉆井、修井、采油及工藝流程的最優(yōu)需要，操作安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理；

5）針對環(huán)境條件確定平臺方位，并綜合考慮工作船的?？俊⒅鄙w機(jī)的安全起降和生活樓處于最小風(fēng)頻下風(fēng)向的要求等因素；

6）設(shè)備布置時，考慮逃生路線及所有設(shè)備的操作和維修空間，救生設(shè)備設(shè)置在安全且能快速順利到達(dá)的位置。

3.2" " 空間布局

綜合考慮工藝流程要求、安全性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、操作安裝及環(huán)保等多方面因素，確定平臺壓縮機(jī)總圖布置方案，如圖3所示。

平臺按照功能分區(qū)自西向東依次可分為生活區(qū)、公用設(shè)備設(shè)施區(qū)、油氣生產(chǎn)處理區(qū)和井口區(qū)，并在2軸位置設(shè)置H60防火墻，隔離區(qū)分危險(xiǎn)區(qū)和非危險(xiǎn)區(qū)。對于開發(fā)初期所需的8臺壓縮機(jī)系統(tǒng)，平臺將其集中布置在中層甲板，位于A軸和B軸內(nèi)側(cè)、2軸和4軸之間，成橇對稱分布。這種布置既滿足了平臺分區(qū)布置原則，使油氣生產(chǎn)處理區(qū)臨近井口區(qū)，提高了設(shè)備設(shè)施的安全性，又兼顧了工藝流程需求，確保了壓縮機(jī)生產(chǎn)操作順暢和設(shè)備之間距離最短。此外，總體布局還滿足了平臺的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，使壓縮機(jī)處于平臺中心區(qū)域，提供了操作與維護(hù)的便捷性。由此可見，對于壓縮機(jī)總圖布置的最佳位置，應(yīng)綜合考慮多種因素，以安全、工藝需求、穩(wěn)定和可維護(hù)性為核心進(jìn)行選取，確保壓縮機(jī)系統(tǒng)的順利安裝和運(yùn)行。

對于預(yù)留的5臺壓縮機(jī)系統(tǒng)，將其集中布置在平臺上層甲板，位于初期壓縮機(jī)系統(tǒng)位置的上方，在兼顧設(shè)備工藝需求、支撐結(jié)構(gòu)、安全環(huán)保及冷卻通風(fēng)等因素的同時，又滿足了項(xiàng)目后期的安裝、接入需求。一方面在后期通過浮吊安裝時，可以避免因平臺改建而對已有設(shè)備設(shè)施進(jìn)行拆改；另一方面，將后期開發(fā)的壓縮機(jī)系統(tǒng)預(yù)留位置設(shè)置在已有壓縮機(jī)系統(tǒng)正上方，可以通過蓋片甲板開片來降低因設(shè)備采集延遲而帶來的不利安裝影響，也利于后期接入。預(yù)留位置的合理性在平臺設(shè)計(jì)和建設(shè)初期也是需要考慮的重要因素，尤其是對于壓縮機(jī)這種大型工藝設(shè)備，可有效避免在已建成平臺上進(jìn)行大規(guī)模改建，提高平臺未來的擴(kuò)展性和維護(hù)的便捷性。

3.3" " 工藝系統(tǒng)布置

壓縮機(jī)的總圖布置對于工藝運(yùn)行非常重要，通過合理的布置，可以達(dá)到優(yōu)化資源配置、提高系統(tǒng)工藝性能和可靠性的目的，保證處理氣體能夠有效地流向系統(tǒng)。壓縮機(jī)系統(tǒng)工藝布置三維示意如圖4所示。

在圖4中，壓縮機(jī)、冷凝及洗滌等裝置被集中橇裝化布置，同時根據(jù)工藝運(yùn)行需求，將壓縮機(jī)系統(tǒng)設(shè)備布置在中控和變壓器等房間附近。此種布置方式，極大節(jié)省了平臺有限的空間，保障了工藝運(yùn)行處理氣體的流通需求，同時也對電力引入、設(shè)備控制和電源分配等工藝方面的配置提供了便利。針對壓縮機(jī)系統(tǒng)的操作與維護(hù)，為方便工作人員進(jìn)入，在壓縮機(jī)系統(tǒng)之間也設(shè)置了相應(yīng)的綠色操作維修通道，進(jìn)而確保設(shè)備工藝的正常運(yùn)行。

總之，壓縮機(jī)總圖布置需要綜合考慮平臺的工藝需求，并兼顧人員操作維修便捷性，從而通過合理的設(shè)計(jì)來確保滿足壓縮機(jī)與其他設(shè)備的合理布局及安全、環(huán)保等需求。

3.4" " 消防設(shè)施及消防通道布置

參照相關(guān)安全規(guī)范、法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行壓縮機(jī)系統(tǒng)消防設(shè)施布置，如圖5所示。

從圖5可知，首先，根據(jù)危險(xiǎn)等級分區(qū)原則，在公用設(shè)備和油氣生產(chǎn)處理區(qū)之間布置了H60防火墻，以此劃分和分隔危險(xiǎn)區(qū)和非危險(xiǎn)區(qū)，從而降低人員和設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)。其次，針對壓縮機(jī)系統(tǒng)不同設(shè)備設(shè)施設(shè)置雨淋系統(tǒng)，可利用裝置上方的噴水嘴來釋放水霧或水流，以抑制火勢蔓延，確保火源得到控制并減少火災(zāi)對設(shè)備的損害。該噴水嘴通過雨淋噴管連接供水，由下層甲板進(jìn)行錯位布置供水的雨淋閥進(jìn)行控制，可以從不同角度均勻和全面地噴射水霧，既避免了因平臺各種障礙物而造成的不便，又提高了防火系統(tǒng)的效率，對不同類型的火源均表現(xiàn)出了良好的滅火能力。同時，在設(shè)備附近和通道間也備有滅火器和消防軟管等滅火設(shè)施，進(jìn)一步降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、提高消防安全。最后，為應(yīng)對緊急情況，布置了平臺逃生通道，通道寬度為1 m，穿過壓縮機(jī)布置區(qū)域與平臺外圍通道相連，最終通向兩側(cè)樓梯，以確保人員能夠快速有效地撤離。

3.5" " 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定布置

在海上平臺中，導(dǎo)管架與甲板起到平臺的支撐與承重作用，是平臺主要受力結(jié)構(gòu)，故根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行壓縮機(jī)布置，可有效提高平臺的穩(wěn)定性。壓縮機(jī)布置結(jié)構(gòu)示意如圖6所示，平臺采用8腿8主樁+4輔樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式，多臺大型壓縮機(jī)橇裝設(shè)備集中布置于甲板中心位置。

這種居中布置方式能夠滿足多臺大型壓縮機(jī)協(xié)同運(yùn)行對平臺甲板承重能力和穩(wěn)定性的需求，壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動通常以振動波的形式向四周傳遞，將壓縮機(jī)布置在平臺甲板核心結(jié)構(gòu)區(qū)域，減小了結(jié)構(gòu)應(yīng)力，其運(yùn)行過程中振動波造成的影響可以降到最低，具有良好的穩(wěn)定性。同時，將具有大重量的壓縮機(jī)布置在中心位置，也可有效減小因風(fēng)浪作用而導(dǎo)致平臺偏心發(fā)生的搖晃和傾斜幅度，進(jìn)一步提高了工作環(huán)境的平穩(wěn)性和舒適性。

4" " 火災(zāi)爆炸分析

4.1" " 分析基礎(chǔ)

海上平臺由于空間的局限性，布置模式往往以緊湊、密集的特點(diǎn)呈現(xiàn)，特別是本平臺，以多臺套大型壓縮機(jī)設(shè)備集中放置，其特點(diǎn)更為突出。這種布置方式在滿足工藝需求的同時往往也帶來了更多的安全與技術(shù)隱患，易產(chǎn)生由油氣泄漏造成的火災(zāi)、爆炸事故。因此，在壓縮機(jī)布置完成后，基于平臺提供的泄漏分析數(shù)據(jù)，需要計(jì)算點(diǎn)火和爆炸概率，對其進(jìn)行火災(zāi)、爆炸分析，以確保平臺運(yùn)行的可持續(xù)性和可靠性。

在本次分析中，對平臺泄漏做出如下假設(shè)：

1）由于泄漏方向與風(fēng)向一致時，影響距離最遠(yuǎn)，基于保守考慮，假設(shè)泄漏方向與風(fēng)向一致；

2）假設(shè)泄漏發(fā)生后無其他情況發(fā)生；

3）泄漏發(fā)生后，緊急關(guān)斷閥門能有效隔離管道和設(shè)施中可燃介質(zhì)的流動；

4）認(rèn)為泄漏速率小于0.01 kg/s時泄漏終止，最大泄漏持續(xù)時間取60 min。

4.2" " 計(jì)算方法

在特定條件下，當(dāng)可燃介質(zhì)泄漏后，由點(diǎn)火源與可燃介質(zhì)接觸引發(fā)火災(zāi)或爆炸的可能性一般定義為點(diǎn)火概率。采用國際石油與天然氣生產(chǎn)者協(xié)會出版的點(diǎn)火概率報(bào)告（IOGP 434-06 2019 Ignition Probabilities）中提供的UKOOA模型點(diǎn)火概率計(jì)算方法計(jì)算[9]，根據(jù)泄漏速率選擇報(bào)告中對應(yīng)場景的點(diǎn)火概率與泄漏速率的相關(guān)性數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值計(jì)算，即可算出相應(yīng)的點(diǎn)火概率，見式（1）。

爆炸概率一般是指在某個條件下發(fā)生爆炸事件的可能性。本次分析爆炸概率根據(jù)英國海上作業(yè)者協(xié)會的點(diǎn)火概率研究報(bào)告（UKOOA IP Research Report Ignition Probability Review， Model Development and Look-Up Correlations） 進(jìn)行計(jì)算。關(guān)于爆炸概率和泄漏速率的關(guān)系見表3。

4.3" " 結(jié)果分析

壓縮機(jī)系統(tǒng)點(diǎn)火概率和爆炸概率計(jì)算結(jié)果見表4。

從表4可以看出，點(diǎn)火概率和爆炸概率均與泄漏場景孔徑大小呈正相關(guān)性，隨著泄漏孔徑的增大，發(fā)生火災(zāi)事故的點(diǎn)火概率和爆炸概率也隨之增大。其中，對于不同壓縮機(jī)設(shè)備，發(fā)生火災(zāi)安全事故的點(diǎn)火概率為1.93 × 10-4～0.04、爆炸概率為0.04～0.30；對于不同入口緩沖罐，發(fā)生火災(zāi)事故的點(diǎn)火概率為1.26 × 10-3～0.04、爆炸概率為0.04～0.30。

顯然，對于相同泄漏場景，入口緩沖罐由于以液相介質(zhì)泄漏，帶來的泄漏速率更大，點(diǎn)火概率和爆炸概率也就隨之較大。但相比之下，壓縮機(jī)因在高壓狀態(tài)下運(yùn)行，在相同泄漏場景時，壓縮機(jī)的泄漏頻率卻要高于其入口緩沖罐約14.24～26.62倍，泄漏頻率最大為1.68×10-2次/a，明顯具有更大的安全事故隱患。故在海上平臺中，更應(yīng)著重于加強(qiáng)對壓縮機(jī)系統(tǒng)的安全消防，預(yù)防火災(zāi)事故的發(fā)生。

5" " 結(jié)論

基于凝析氣田區(qū)塊開發(fā)建設(shè)海上平臺基礎(chǔ)設(shè)施概況，考慮空間、工藝、安全與結(jié)構(gòu)等多方面因素，進(jìn)行了海上平臺多臺大型壓縮機(jī)布置研究，得出如下結(jié)論。

1）壓縮機(jī)布置應(yīng)綜合考慮多方面因素，以安全、緊湊、合理的設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行橇裝化布置，滿足氣體工藝流通需求，同時合規(guī)布置逃生、滅火等消防設(shè)施，兼顧壓縮機(jī)協(xié)同運(yùn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定特性，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)、安全、環(huán)保和操作的最優(yōu)平衡。

2）根據(jù)平臺特點(diǎn)，將壓縮機(jī)集中布置在平臺中層甲板中心區(qū)域，成橇對稱分布，位于A軸、B軸內(nèi)側(cè)和2軸、4軸之間。為確保消防安全，在平臺2軸布置了H60防火墻分隔危險(xiǎn)區(qū)，并設(shè)置逃生通道、雨淋噴管和一些移動消防設(shè)施。為便于安裝和避免壓縮機(jī)設(shè)備采購延遲的影響，將預(yù)留壓縮機(jī)布置在已有壓縮機(jī)正上方的上層甲板處。

3）壓縮機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行事故火災(zāi)、爆炸計(jì)算結(jié)果顯示，泄漏孔徑與點(diǎn)火、爆炸概率均呈現(xiàn)正相關(guān)性，發(fā)生事故的最大點(diǎn)火概率為0.04、最大爆炸概率為0.30。此外，高壓運(yùn)行的壓縮機(jī)設(shè)備具有更大的泄漏頻率，高于其入口緩沖罐14.24～26.62倍，具有更大的安全事故隱患。

4）平臺雖然采用多臺大型壓縮機(jī)設(shè)備集中放置的形式布置，但海上平臺由于空間緊湊、密集的局限性，帶來了較多的安全與技術(shù)隱患，設(shè)備運(yùn)行中易產(chǎn)生火災(zāi)、爆炸、振動結(jié)構(gòu)破壞和噪音污染等安全事故。對于空間足夠的平臺，在滿足工藝需求的前提下，可考慮將壓縮機(jī)分散和分層錯位布置，以更好地保障設(shè)備安全運(yùn)行，識別和預(yù)防潛在危險(xiǎn)。

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作者簡介：

姚恒洋（1986—），男，黑龍江鶴崗人，高級工程師，2009年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，主要從事海洋石油工程設(shè)計(jì)工作。Email：yaohy6@cooec.com.cn

收稿日期：2024-05-07