專利名稱：內(nèi)部轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)的防爆系統(tǒng)的制作方法
申請人在此要求由賈雷爾.H.揚、勞埃德.D.維滕、阿西斯.南迪、理查德.M.科德、戈登.B.豪厄爾和戴維.A.瓊斯于1999年3月3日提交的、名為“內(nèi)部轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)的防爆系統(tǒng)”的美國臨時申請No.60/122,630的權(quán)益，該臨時申請援引于此供各方面參考。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明總的涉及用于防止內(nèi)部轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)中發(fā)生爆炸的安全系統(tǒng)，在該內(nèi)部轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)處，從海底油井傳輸烴類的立管連接于通到加工設(shè)備的管路。更具體地說，本發(fā)明涉及用于防止此類系泊系統(tǒng)中發(fā)生爆炸的氣氛控制系統(tǒng)。
2.現(xiàn)有技術(shù)描述過去，通風(fēng)一直是防止因轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)的立管與表面設(shè)備之間存在泄漏而發(fā)生爆炸的主要手段。通風(fēng)系統(tǒng)有其固有的不利點，即在一定條件下，爆炸可能性仍達到無法接受的水平。
在海洋船舶載油艙和地面烴類儲罐的安全系統(tǒng)的技術(shù)中，已經(jīng)有基于對圍場填充惰性氣體的原理上的系統(tǒng)和方法。海洋船舶載油艙上所使用的惰性氣體系統(tǒng)在國際海事組織(IMO)1990版的《惰性氣體系統(tǒng)》一書中有描述。對油輪、尤其是烴類油輪上的惰性氣體系統(tǒng)規(guī)定了許多準則。這些準則基于目前安裝于原油油輪和通用貨船上的、采用來自船只主或副鍋爐的上升煙道的煙道氣的惰性氣體系統(tǒng)的設(shè)計和操作中的通常做法。這些準則為惰性氣體系統(tǒng)提供了一種方法，其中，通過將惰性氣體導(dǎo)入油罐以使氧氣含量保持較低水平并將油罐氣氛的烴氣濃度降低至安全比例，從而實現(xiàn)油罐的防爆保護。從易燃性圖表可以確定，隨著將惰性氣體加入烴/空氣混合物，易燃范圍逐漸降低，直到氧氣含量達到一個通常選取為約11％(按體積計)的水平，低于此值就沒有混合物可以燃燒。更換載油艙中氣體的方法有三種，即惰性化、清洗和除氣。載油艙氣氛控制的通常策略是，配有惰性氣體系統(tǒng)的油輪應(yīng)使它們的載油艙始終保持在不易燃條件下。根據(jù)該策略，載油艙應(yīng)在它們含有油艙殘留物或壓艙物的任何時候保持在惰性條件下。氧氣含量應(yīng)保持在8％按體積計)或更低，同時所有載油艙中有正的氣壓。載油艙內(nèi)的氣氛應(yīng)在不經(jīng)過易燃條件的情況下從惰性條件過渡到無氣條件。實際上這意味著，在載油艙除氣之前，應(yīng)用惰性氣體清洗，直到載油艙氣氛的烴含量低于臨界稀釋線。當船只在抵達裝貨港口之前處于無氣條件時，應(yīng)在裝貨之前對載油艙進行惰性化。
在美國國家消防協(xié)會(NFPA)1997版的《NFPA 69防爆系統(tǒng)標準》出版物中，描述了另一會惰性化方法和系統(tǒng)，該出版物中所描述的標準適用于通過防止或控制爆燃(即速度低于聲速的燃燒)實現(xiàn)防爆的系統(tǒng)和設(shè)備。
該標準概括了用于在含易燃濃度的易燃氣體、蒸氣、薄霧、塵?；蚧旌衔锏膰鷪鲋邪惭b防爆系統(tǒng)的最低要求。經(jīng)驗證的技術(shù)在該標準中分為兩類一類是基于防燃；另一類是基于在燃燒發(fā)生后防止或限制損害。
該標準的用于防止燃燒的一個方法是降低氧化劑濃度，它是一種將封閉空間中的氧化劑(例如氧氣)濃度保持低于發(fā)生引燃所需濃度的技術(shù)?？梢钥紤]將防止爆燃的氧化劑濃度降低技術(shù)用于任何將氧化劑和易燃物質(zhì)的混合物封閉于圍場內(nèi)的系統(tǒng)，在該圍場內(nèi)可控制氧化劑濃度。用清洗氣體(例如氮氣之類的惰性氣體)使系統(tǒng)保持在一低到足以防止爆燃的氧化劑濃度下。以具體易燃氣體或蒸氣的易燃性圖表為根據(jù)來確定限制氧化劑濃度(LOC)的水平。
美國專利5,564,957揭示了一種使具有推進器的船只動態(tài)定位并在船體底部的一水下位置處連接一下部接納艙中的立管浮筒的結(jié)構(gòu)。該浮筒具有一外部浮力部分，它通過錨腳固定于海底。浮筒的該外部部分鎖定于船只。浮筒的內(nèi)部部分可轉(zhuǎn)動地安裝子外部部分的中心。有一立管從海底延伸到浮筒的中心部分，它能夠可拆地固定于船只的流送管，該流送管通到儲存艙。有一豎直長軸從船甲板延伸到固定于船只流送管的浮筒中心部分的頂部處的立管接頭。從船只的惰性氣體和通風(fēng)系統(tǒng)對軸施加惰性氣體和通風(fēng)。而且，軸在其上端具有一用于關(guān)閉軸的閘門。因此，軸和接納空間的上部可填充以惰性氣體(在排出水之后)，作為在開始傳輸易燃或可燃流體之前的安全措施。
還采用通風(fēng)來實現(xiàn)封閉腔室中的氣氛控制，以通過將可燃氣體混合并稀釋于空氣中、隨后將腔室氣氛混合物排出到船只甲板的大氣而降低可燃物濃度。但這必須在有可燃氣體的情況下才適用，諸如發(fā)生故障泄漏的場合(即在確認檢測到有可燃氣體存在時)。持續(xù)地或根據(jù)要求(即在確認檢測出燃氣時)進行通風(fēng)是用于把可燃氣體濃度降低至足以防止形成易燃氣氛的水平(即在燃氣的LEL以下)。用于氣氛控制的通風(fēng)的一個缺點在于，除非是將通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計成每小時可提供非常多的換氣次數(shù)，否則，即使一個中等的烴泄放速度就足以勝過通風(fēng)系統(tǒng)而形成一個處于LEL與UEL之間(即易燃范圍)的可燃氣體濃度，氣氛就有可能可燃，因而使爆炸可能性增大。對于非常大的泄放，雖然可燃氣體濃度可以更快地通過易燃范圍而降低爆炸可能性，但在泄漏得以控制后排出氣體的問題卻仍存在危險，這是因為用空氣進行通風(fēng)要求氣氛再次通過易燃范圍。因此，需要確保不論封閉腔室內(nèi)的氣體泄漏特性如何，在泄漏過程中或在將泄漏的可燃物清除出封閉腔室的過程中，封閉腔室內(nèi)的氣氛均不會通過易燃范圍。
采用持續(xù)通風(fēng)以在QCDC房間內(nèi)實現(xiàn)氣氛控制的一個缺點在于，潮濕的海洋空氣被導(dǎo)入房間的氣氛，加快了對重要設(shè)備和儀器(例如ESD閥和致動器)的侵蝕乃至老化。就設(shè)備長期使用所造成的老化使泄漏可能性增大、從而增大危險性而言，侵蝕和老化的效果會加重。必須更頻繁地進行維護和修理以控制侵蝕和老化，由于工作是在QCDC房間內(nèi)進行，這就增多了工作人員暴露于危害的時間。而且，由于需要更頻繁的維護和修理，人為過失的可能性就增大。持續(xù)的通風(fēng)(同時將可燃物/空氣混合物稀釋到足以使可燃物濃度保持在LEL以下)實際上可能掩飾小的烴泄漏，因此無法在情況變糟之前檢測出并修理好泄漏。任何明顯尺寸的烴泄漏都會勝過通風(fēng)系統(tǒng)將可燃物/空氣混合物稀釋到足以保持可燃物濃度低于LEL的能力。即使在確認檢測出60％LEL的氣體后關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)，高壓氣體泄放本身也可能產(chǎn)生靜電危害，當氣體濃度通過易燃范圍時，在有氧氣存在的情況下使氣體引燃。另外，以非常高的換氣率持續(xù)運行的通風(fēng)系統(tǒng)會因其金屬部件而成為潛在的引燃源。并且，以高容積量持續(xù)運行的通風(fēng)系統(tǒng)會消耗大量的能量，從而顯著增加轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)的運行成本。
發(fā)明概要本發(fā)明的一個主要目的在于提供一種改進的氣氛控制系統(tǒng)，它根據(jù)上述的NFPA 69標準將惰性氣體原理用于內(nèi)部轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于惰性化原理的氣氛控制系統(tǒng)，由于防止易燃混合物的形成可消除引燃可能，因而可顯著降低系泊轉(zhuǎn)塔中發(fā)生爆炸的危險。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于轉(zhuǎn)塔系泊FPSO的惰性化系統(tǒng)，從而相對于通風(fēng)系統(tǒng)來說以相對較簡單的設(shè)計提供較低的成本和運行費用，其效能僅取決于連續(xù)供氮的利用率以及保持圍場整體性。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有基本封閉的腔室結(jié)構(gòu)，在該腔室內(nèi)可能產(chǎn)生易燃介質(zhì)的泄漏，并在于通過導(dǎo)入諸如氮氣、煙道氣、二氧化碳之類的惰性氣體而使腔室氣氛對氧化劑不起作用，從而將腔室氣氛保持在不易燃條件。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種位于內(nèi)部轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)內(nèi)的QCDC腔室和一種用于即使在因生產(chǎn)立管的泄漏可能存在易燃烴的情況下也可確保腔室內(nèi)有不易燃氣氛的、并能夠改變腔室氣氛以確保其中的維修工作人員安全的腔室惰性化系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種位于內(nèi)部轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)內(nèi)的QCDC腔室，它設(shè)計成保持在大氣壓以上的正環(huán)境壓力下，以使氧化劑侵入腔室的可能性降到最低。
本發(fā)明的還有一個目的在于提供一種位于內(nèi)部轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)內(nèi)的QCDC腔室，它設(shè)計成可承受由泄漏引起的一預(yù)定過壓力，并在腔室內(nèi)產(chǎn)生高容積泄漏時可排出過剩壓力。
QCDC房間中的氧化劑濃度的降低可以通過導(dǎo)入惰性氣體(例如氮氣)而使氧化劑(空氣中的氧氣)混合和稀釋、隨后將該氣氛排放到位于甲板的大氣來實現(xiàn)。不論可燃氣體濃度如何，該方法都可使氣氛保持不易燃，從而徹底消除燃燒的可能。以這種方式對基本封閉的氣氛進行惰性化不必進行持續(xù)通風(fēng)，因而杜絕將潮濕海洋空氣導(dǎo)入封閉的QCDC房間的可能性，使其中的設(shè)備和儀器因侵蝕而產(chǎn)生的老化降到最低限度。實際上，持續(xù)受惰性化的圍場會抑制因QCDC房間內(nèi)的空氣氣氛通常引起的侵蝕。這可降低檢查頻度，并減少維修工作(和人員配備)以及任何與這些工作有關(guān)的危險?？梢灶A(yù)見，采用本發(fā)明原理的惰性化氣氛控制系統(tǒng)的成本和運行費用將顯著低于持續(xù)通風(fēng)式的氣氛控制系統(tǒng)。本發(fā)明的氧化劑濃度降低方法是基于本身安全的“縮減”原理，也就是使用不危險條件的物質(zhì)。在這種情況下，縮減策略是物理性的(即稀釋)，而非化學(xué)性的。因此，該惰性化保護方法比持續(xù)通風(fēng)減弱方法更為優(yōu)選。
簡言之，本發(fā)明的上述目的及其它的特點和優(yōu)點結(jié)合于一種新型的圍場結(jié)構(gòu)中，它稱作快速連接/分離房間(QCDC)，由轉(zhuǎn)塔壁、一多腳浮筒的頂部所限定的屋頂和地板形成。對在海底設(shè)備與轉(zhuǎn)塔之間隔離烴量較為關(guān)鍵的表面安全閥、管道和儀器裝備(它們是潛在的泄漏源)設(shè)置在該圍場或QCDC房間中，因而是可燃物漏入QCDC房間的潛在泄漏源。當然，最好使QCDC房間內(nèi)不發(fā)生可燃物泄漏，但如果發(fā)生的話，更需要防止可燃泄漏物爆炸危險。
該圍場和相聯(lián)的通風(fēng)管道以及圍場的輔助設(shè)備提供了若干功能。圍場管道和輔助設(shè)備提供了一個空間和系統(tǒng)，用于填充和維持一定體積的惰性氣體，以在將產(chǎn)品通過轉(zhuǎn)塔從海底井輸送到船只時取代氧氣并防止形成易燃氣氛。萬一發(fā)生泄漏，圍場及相聯(lián)設(shè)備用作一副容納設(shè)備，能夠?qū)N氣排放到大氣，以防止圍場的過壓力。圍場及相聯(lián)設(shè)備還為維修工作人員提供一工作區(qū)域，當有人在生產(chǎn)中斷后處于該區(qū)域中以進行維修作業(yè)時，該區(qū)域可充分通風(fēng)以提供一安全的工作環(huán)境。
對各種不同的工作模式以不同的方式控制氣氛，圍場及相聯(lián)通風(fēng)口和輔助設(shè)備可提供工作上的靈活性，同時仍確保始終維持不易燃氣氛的內(nèi)在安全特點，因而顯著降低發(fā)生爆炸的危險。應(yīng)該注意的是，在本發(fā)明觀點上的術(shù)語“惰性氣體”應(yīng)指純粹惰性的氣體或基本惰性的氣體，它們可含有少量的其它氣體，包括氧氣，但是在導(dǎo)入有空氣和可燃氣體存在的一個圍場時可很好地將圍場氣體混合物的氧化劑含量降低至足以使混合物不發(fā)生燃燒，而不管混合物內(nèi)的可燃氣體的體積如何。
附圖簡述參照表示本發(fā)明一示例性實施例的附圖，本發(fā)明的目的、優(yōu)點和特點將變得更為清楚，附圖中相同的標號表示相同的部分，其中

圖1是一轉(zhuǎn)塔、一多腳浮筒和一圍場(稱作快速連接/分離(QCDC)房間)的示意圖，該圍場由轉(zhuǎn)塔的下壁、多腳浮筒的上表面和一屋頂形成；以及圖2是該防爆系統(tǒng)的一氣氛控制系統(tǒng)的操作程序的示意圖。
優(yōu)選實施例詳述下面參見附圖，首先參見圖1，一浮式產(chǎn)品儲存和卸載(FPSO)船的內(nèi)部轉(zhuǎn)塔的防爆系統(tǒng)的優(yōu)選實施例總的由標號10示意性地表示，它在固定于一系泊浮筒12時固定成基本靜止的系泊狀態(tài)，該浮筒也稱作多腳浮筒，它通過連接于系泊浮筒結(jié)構(gòu)12的連接點15處的錨腳固定于海底。轉(zhuǎn)塔提供FPSO船的單點系泊系統(tǒng)的連接和旋轉(zhuǎn)點，并提供系泊系統(tǒng)和柔性立管系統(tǒng)的連接和分離點。各生產(chǎn)立管的快速連接/分離(QCDC)閥組件容納于QCDC房間中，該房間是一個位于轉(zhuǎn)塔軸底部處的圍場。這些立管含有氣體形式的烴，供氣體噴射/提升，并含有氣體/原油形式的烴，供生產(chǎn)和試驗。
氣體噴射立管中的含甲烷和其它輕質(zhì)烴的烴氣，由于其工作壓力高，因而是QCDC房間中的最大危險。由于該烴氣包括約74％的甲烷，因而在討論時用該成分作為主要可燃氣體。實際上，可燃氣體可以是來自氣體噴射/提升流或來自任何生產(chǎn)立管的烴氣或烴蒸氣。
為了盡量減小處理易燃烴的危險，按照本發(fā)明，已將各種不同的轉(zhuǎn)塔處理和安全系統(tǒng)設(shè)計成防止、檢測、減弱和緊急響應(yīng)。本發(fā)明的主要目的在于在各種條件下以及在從一種狀態(tài)變化到另一狀態(tài)的過程中防止QCDC房間內(nèi)產(chǎn)生易燃氣氛。
FPSO船10通過一軸承16可旋轉(zhuǎn)地圍繞一內(nèi)部轉(zhuǎn)塔固定，該轉(zhuǎn)塔總的由標號14表示，使得船10可以繞轉(zhuǎn)塔14轉(zhuǎn)動，以適應(yīng)油輪隨水流、風(fēng)向等的變化而產(chǎn)生的運動。
如圖1中所示，轉(zhuǎn)塔14的下部具有一屋頂18，稱作QCDC房間屋頂，以提供轉(zhuǎn)塔最下部區(qū)域的一個圍場，其中的可燃氣體泄漏源是最大的潛在危險，此處可含有惰性氣氛。QCDC房間屋頂18、轉(zhuǎn)塔壁結(jié)構(gòu)20和系泊浮筒12的地板結(jié)構(gòu)22限定一個QCDC房間或腔室24，接納通常從位于海底的井延伸上來的生產(chǎn)立管，并將烴流(包括原油、天然氣和其中所含的水)引導(dǎo)至系泊于轉(zhuǎn)塔的油輪。軸承16具有合適的密封裝置，以盡量減少Q(mào)CDC房間或腔室24的氣體泄漏，從而使腔室24保持在一個略高于大氣壓的正壓力下，以防止氧化劑侵入腔室，如下面將詳細討論的。
希望使QCDC房間或腔室24可以讓人員進入，以對某些系統(tǒng)構(gòu)件進行檢查、修理或更換，但在生產(chǎn)流體流過立管26的過程中不允許人員進入QCDC房間或腔室24。為了使人可以進入QCDC房間24，QCDC房間的屋頂18具有人員進入艙口28和30，在艙口28處設(shè)置有人梯32。在QCDC房間24內(nèi)也可以設(shè)置一輕便式的人梯，以供在腔室24內(nèi)工作的人員需要時使用。在QCDC房間屋頂上可以策略性地設(shè)置其它的人員艙口，以提高進入QCDC房間的效率以及維修人員的安全性。
當QCDC房間24含不可燃氣氛時，也就是氧化劑濃度不足以支持QCDC房間內(nèi)的任何可燃介質(zhì)燃燒，并且有必要使人員進入QCDC房間以進行諸如檢查和維修工作時，需要提供用于迅速去除惰性氣體并使房間通風(fēng)以同時去除其中所含的任何可燃介質(zhì)的裝置。這可以通過開動設(shè)置在排氣管道中的一或多個排氣風(fēng)扇來實現(xiàn)，并使進入艙口28和30打開而允許空氣進入房間，以便排氣風(fēng)扇清除掉房間中的惰性氣態(tài)介質(zhì)和可燃氣態(tài)介質(zhì)。
為實現(xiàn)QCDC房間的排氣和通風(fēng)工作，有一排氣/通風(fēng)管道34穿過QCDC房間的屋頂18，用于在惰性化、排氣、除氣和通風(fēng)操作中將截留于QCDC房間內(nèi)的氣體(諸如可燃氣體、惰性氣體、空氣之類的氣體)轉(zhuǎn)移到處于一安全位置的環(huán)境。排氣/通風(fēng)管道34延伸到一聚結(jié)通風(fēng)口36，它由一風(fēng)雨防護罩38保護，以防雨水進入排氣/通風(fēng)管道34。有一抽吸排氣/通風(fēng)管道40與管道34相通，它具有主、副排氣管道42和44，每根管道分別具有一排氣風(fēng)扇46和48。每個排氣風(fēng)扇的排出口通過管道42和44與一排氣出口管道50相通。排氣風(fēng)扇46和48設(shè)置成重復(fù)的方式，使得在有一個排氣風(fēng)扇不能工作的情況下，另一風(fēng)扇可工作而對QCDC房間24進行排氣，從而確保內(nèi)部轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)的工作能力和安全性。如果QCDC房間24內(nèi)發(fā)生顯著的泄漏量，諸如因立管26破裂、閥過度泄漏等引起，則通風(fēng)管道34及其排氣風(fēng)扇46和48可以響應(yīng)于QCDC房間內(nèi)的壓力傳感器自動地啟動或由人工控制啟動，以提供額外的通風(fēng)和排氣能力。
在QCDC房間24內(nèi)需要保持一個含足夠百分比的惰性氣體的氣氛，以致于房間氣氛內(nèi)的氧化劑濃度使氣氛不易燃。因此，通過導(dǎo)入惰性氣體(例如氮氣)而使氧化劑(空氣中的氧氣)混合和稀釋、隨后將該氣氛排放到位于甲板的大氣，從而實現(xiàn)QCDC房間中氧化劑濃度的降低。不論可燃氣體濃度如何，該方法都可使氣氛保持不易燃，從而徹底消除燃燒的可能。惰性化利用具體可燃氣體的易燃性圖表。使QCDC房間惰性化的最常用的惰性氣體是氮氣，但如果需要的話，也可以使用煙道氣和二氧化碳以及其它的惰性氣體。雖然封閉系統(tǒng)中存在烴液體和蒸氣的場合較為普遍，但認為對于轉(zhuǎn)塔場合使用煙道氣并不切實際，這主要是因為與這種氣體的處理相關(guān)的潛在的人體和環(huán)境危害。而且，使用煙道氣不切實際的原因還在于，目前還無法通過旋轉(zhuǎn)煙囪將這種氣體從甲板傳輸?shù)睫D(zhuǎn)塔。二氧化碳也經(jīng)常用于惰性化場合，但由于其費用比氮氣的要高，其重量比空氣重，并且在與水或水分混合時會形成碳酸而引起腐蝕，因而也認為它對轉(zhuǎn)塔場合并不實用。如果作為壓縮氣體使用，二氧化碳還可能產(chǎn)生靜電危害。相反，對于轉(zhuǎn)塔惰性化場合，認為氮氣是最佳的選擇，這是因為它在甲板上很容易獲得，與其它惰性氣體相比相對較便宜，無毒，泄放到有人員的區(qū)域不會造成中毒危險(但與二氧化碳一樣，它是單純的窒息劑，要求采取一定的安全防范措施)。二氧化碳對環(huán)境無害，因為氮氣是空氣的一個天然成分，可以重新導(dǎo)入大氣而不致造成任何環(huán)境危害。二氧化碳比空氣略輕，可用于阻礙因氧化造成的腐蝕，認為可與QCDC房間中的所有工藝流體和結(jié)構(gòu)材料相容。
QCDC房間氣氛控制系統(tǒng)主要是用作將QCDC房間內(nèi)的氧氣濃度降低至足以防止其中的氣態(tài)混合物發(fā)生燃燒的裝置，而不論其中的易燃介質(zhì)的百分比含量如何。這可通過使QCDC房間充滿惰性氣體(最好是氮氣)，以使氣氛不易燃或不可燃，從而降低QCDC房間內(nèi)因立管的可燃泄漏物而發(fā)生爆炸的可能性。除了惰性化，該氣氛控制系統(tǒng)還用作使QCDC房間氣氛排氣、除氣和通風(fēng)的裝置。該氣氛控制系統(tǒng)通過將房間內(nèi)的氣氛的氧氣濃度降低至一不能支持燃燒的水平，而不論可燃物的量如何，從而對圍場進行惰性化。該氣氛控制系統(tǒng)還可在生產(chǎn)正在進行的任何時候?qū)鷪龅臍夥毡３钟谝欢栊詶l件，使可燃泄漏物不會在房間中產(chǎn)生爆炸氣氛。在發(fā)生可燃物泄漏的情況下，氣氛控制系統(tǒng)具有排出可燃泄漏物的排放能力，以減少圍場內(nèi)的泄漏物。該氣氛控制系統(tǒng)還具有用惰性氣體清除掉QCDC房間內(nèi)的可燃氣體的能力，使隨后的除氣操作始終不會產(chǎn)生易燃氣氛。該氣氛控制系統(tǒng)不必在正常作業(yè)期間使空氣進入圍場的必要，除非圍場必須沒有惰性氣體，諸如供人員進入。此時，氣氛控制系統(tǒng)具有用新鮮空氣對QCDC房間進行通風(fēng)的能力，使人員可以進入QCDC房間并長時間留在其中，諸如對其中的任何設(shè)備進行維護、修理或更換。該氣氛控制系統(tǒng)還可在QCDC房間內(nèi)提供一定的監(jiān)控作用，諸如壓力監(jiān)控、氧化劑百分比監(jiān)控、惰性氣體百分比監(jiān)控和可燃氣體監(jiān)控。該氣氛控制系統(tǒng)用作惰性氣體通過一氣體供給管路52從船的惰性氣體供給源提供給QCDC房間，該供給管路通過QCDC房間屋頂18與房間或腔室24相通，如圖1中所示。在甲板處設(shè)置有一惰性氣體(例如氮氣)發(fā)生器54，其出口管路56穿過一壓力控制閥58連接于供給歧管60，供給管路52連接于該歧管。歧管60配有惰性氣體壓力檢測器62和64，用于在對QCDC房間供給壓力不足或過剩時自動切斷惰性氣體。惰性氣體供給的自動切斷還啟動排氣/通風(fēng)風(fēng)扇系統(tǒng)，使得可直接對房間24進行除氣和通風(fēng)。如果惰性氣體供給源發(fā)生故障，還提供了備用惰性氣體瓶(例如壓縮氮氣瓶)，如標號66所示。備用惰性氣體供給源受控制地與供給管路60相連，因此受與上面有關(guān)主惰性氣體供給系統(tǒng)所述相同的壓力控制設(shè)備控制。供給管路60與一惰性氣體旁通管路68相連，該旁通管路受一節(jié)流閥70控制，以便在供給管路的控制設(shè)備需要維修的情況下確保惰性氣體的繼續(xù)供給。
惰性氣體供給管路52穿過QCDC屋頂18并與一氣體供給主管72相連，各氣體分配管74連接于該主管。這些分配管各具有一分配噴嘴或接頭76，用于完成惰性氣體在QCDC房間24內(nèi)的分配。分配噴嘴76及它們在QCDC房間內(nèi)的位置也設(shè)計成可在QCDC房間內(nèi)產(chǎn)生顯著的紊流，以幫助使惰性氣體與房間內(nèi)的環(huán)境氣體有效混合。這樣，如果環(huán)境氣體含有顯著比例的易燃成分，則惰性氣體將使氧化劑百分比低于易燃氣體的爆炸下限(LEL)，也就是易燃氣體或蒸氣在大氣壓下的空氣中能夠引燃的最低濃度。低于該LEL，含易燃成分的混合物就太“貧”以致無法燃燒。相反，(UEL)是易燃氣體的爆炸上限，高于該UEL的任何易燃氣體混合物就太“富”以致無法燃燒。在正常情況下，易燃范圍就是處于UEL與LEL之間的易燃氣體混合物的范圍。然而，即使在這種條件下，諸如氮氣之類的惰性氣體也可充分地將混合物的氧化劑含量降到最低限度以致混合物不易燃，而不論可燃氣體的濃度如何。
由QCDC房間24所限定的圍場，包括其艙口和密封件在內(nèi)，設(shè)計成可承受高達一預(yù)定限度的過壓力，該過壓力由立管和流動控制系統(tǒng)的氣體泄漏造成。例如，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，圍場設(shè)計成可承受由圍場內(nèi)的達500kg/s的可燃氣體泄放造成的300kPa(2barg)的過壓力，但這不應(yīng)認為是對本發(fā)明的限制。在圖1中示意性地由標號78表示的兩根管道的尺寸制成為914毫米(36英寸)，以提供足夠的通風(fēng)能力將由圍場內(nèi)的達500kg/s的可燃氣體泄放所造成的圍場過壓力限制在300kPa(2barg)。
如果有氣體泄漏入QCDC房間24所限定的基本封閉的腔室，則通風(fēng)管路78及其相聯(lián)的控制設(shè)備能夠在一卸壓組件80的控制下排出腔室過壓力。由于在QCDC房間24內(nèi)始終保持正壓力，當生產(chǎn)立管26正有源地使生產(chǎn)流體流動或正將氣態(tài)介質(zhì)用于氣升生產(chǎn)等時，不會發(fā)生大氣侵入QCDC房間；因而即使有其它可燃介質(zhì)持續(xù)泄漏入QCDC房間，QCDC房間內(nèi)的氣態(tài)混合物也將對氧化劑不起作用。如果需要額外的通風(fēng)容量來防止QCDC房間內(nèi)的過壓力，可根據(jù)需要人工地或自動地啟動一具有工作的節(jié)氣閘84的通風(fēng)管路82，以適應(yīng)額外的通風(fēng)容量。
其它的裝置和系統(tǒng)象征性和示意性地表示于圖1中。這些裝置和系統(tǒng)包括(1)在惰性化操作中將惰性氣體轉(zhuǎn)移到QCDC房間的裝置，包括用于對QCDC房間圍場進行排氣、清洗和填充各步驟的適當控制電路。
(2)監(jiān)控圍場氣氛的裝置。
(3)防止圍場產(chǎn)生過壓力的裝置。
(4)防止圍場氣體回流入惰性氣體供給系統(tǒng)或轉(zhuǎn)塔其它區(qū)域的裝置。
(5)在惰性氣體導(dǎo)入時使圍場氣氛混合的裝置。
(6)機械地迫使空氣通過QCDC房間圍場的裝置，用于在惰性氣體清除操作中清除惰性氣體，并用于在通風(fēng)操作中以持續(xù)方式提供新鮮空氣和排出任何雜質(zhì)。
(7)控制由電氣裝置和靜電源造成的引燃危險的裝置。
(8)供人員進入圍場以便進行定期檢查和維修工作的裝置。
(9)保護人員免受增壓圍場的可能傷害的裝置。
(10)在任何時候限制人員進入圍場以防擅入該限制空間的裝置。
(11)在通風(fēng)和除氣操作中限制人員進入轉(zhuǎn)塔上層以盡量減少直接暴露于可能的惰性和/或可燃氣體的裝置。
(12)在惰性氣體清除操作和在通風(fēng)操作中將惰性氣體供給源隔離于圍場的裝置。
(13)在惰性化操作中隔離排氣風(fēng)扇以防氧氣導(dǎo)入惰性化的圍場的裝置。
(14)在人員進入圍場時并在排氣風(fēng)扇工作時確保生產(chǎn)斷線的裝置。
(15)當圍場中正進行維修工作時在通風(fēng)操作中確認檢測到可燃氣體后關(guān)閉排氣風(fēng)扇的裝置。
(16)確保環(huán)境條件不會對系統(tǒng)的操作和有效性產(chǎn)生不利影響的裝置。
圖1的配置的優(yōu)點一對不同的操作模式以不同的方式控制氣氛，以上參照圖1所描述的系統(tǒng)設(shè)計可在操作上提供靈活性，同時仍確保始終維持不易燃氣氛的內(nèi)在安全特點，因而與其它諸如通過通風(fēng)來降低可燃物濃度的方法相比可顯著降低由于可燃氣體泄漏而發(fā)生爆炸的危險。
對在海底設(shè)備與轉(zhuǎn)塔之間隔離烴量較為關(guān)鍵的表面安全閥、管道和儀器裝備(它們是潛在的泄漏源)設(shè)置在轉(zhuǎn)塔軸底部處的QCDC房間圍場中。該圍場由轉(zhuǎn)塔壁、一屋頂和一地板(由多腳浮筒的頂部提供)形成。圍場及相聯(lián)的通風(fēng)管道和輔助設(shè)備設(shè)計成用于以下多種用途(1)作為裝填和保持一定體積的惰性氣體的容納設(shè)備，用以在生產(chǎn)過程中置換氧氣和防止形成易燃氣氛；(2)在發(fā)生氣體泄漏的情況下作為副容納設(shè)備，能夠?qū)N氣排到大氣中；以及(3)在生產(chǎn)中斷后有人員進入進行維修工作時，作為可充分通風(fēng)的工作區(qū)域。
防爆系統(tǒng)的操作方法一QCDC房間圍場的氣氛控制系統(tǒng)的操作方式基于三個要求(1)QCDC房間圍場的氣氛應(yīng)在烴可能從立管泄漏入圍場的任何時候都保持在惰性條件。這樣，當轉(zhuǎn)塔的生產(chǎn)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，并且在生產(chǎn)立管及其相聯(lián)的控制閥和儀器中有壓力條件時，QCDC房間保持在惰性條件。
(2)QCDC房間圍場的氣氛應(yīng)在不通過易燃條件的情況下從惰性條件過渡到無氣條件。實際上這意味著，在圍場除去可燃氣體之前，先用惰性氣體清洗，直到氣氛的可燃物含量稀釋到臨界稀釋線以下(即LEL以下)。
(3)當圍場氣氛處于無氣條件時，在重新恢復(fù)生產(chǎn)之前再次進行惰性化。
考慮到該方式，圖2中提供了三種主要模式或過程的不同操作模式的操作分步I.QCDC房間圍場中的維修；II.圍場中的氣體泄漏；以及III.圍場中的檢查如上所述，QCDC房間圍場和控制系統(tǒng)配置成可控制圍場的氣氛。控制系統(tǒng)主要用作降低氧氣濃度以防燃燒的裝置。這是通過對圍場灌以惰性氣體而使氣氛不易燃或不可燃來實現(xiàn)的，以此降低因立管泄漏可燃氣體而發(fā)生爆炸的可能性。除了惰性化，該系統(tǒng)還用作使圍場氣氛排氣、除氣和通風(fēng)的裝置。因此，該系統(tǒng)具有以下能力(1)不論可燃物的量如何，使氣氛的氧氣濃度降低至不能支持燃燒的水平，從而使圍場惰性化；(2)在進行生產(chǎn)的同時將圍場氣氛保持于惰性條件；(3)排出可燃氣體以減少圍場內(nèi)的泄漏物；(4)用惰性氣體清洗可燃氣體的圍場，使隨后的除氣操作始終不會產(chǎn)生易燃氣氛；(5)在正常作業(yè)期間不必使空氣進入圍場，除非圍場必須沒有惰性氣體；以及(6)在要求人員長時間進入圍場以進行主要維修工作的任何時候用新鮮空氣對圍場進行通風(fēng)。
通過以上的描述可以清楚，本發(fā)明能很好地實現(xiàn)上述的所有目的和特點以及本文揭示的裝置所固有的其它目的和特點。
本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易理解，本發(fā)明無疑可以表現(xiàn)為其它的特定形式，而不脫離其精神和實質(zhì)特性。因此，本實施例應(yīng)該認為僅僅是示例性的而非限制性，本發(fā)明的范圍是由權(quán)利要求書指明的，而不是以上描述，因此，落在權(quán)利要求書的等同意思和范圍內(nèi)的所有變化均應(yīng)包含于其范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于確保一基本封閉的腔室的氣態(tài)氣氛不發(fā)生爆炸的方法，該腔室中具有潛在的易燃氣體源并含有空氣，該方法包括(a)通過在所述基本封閉的腔室內(nèi)導(dǎo)入足夠量的惰性氣體而使空氣的氧化劑含量混合并稀釋，不論其中的易燃氣體含量如何，使其中的空氣和任何易燃氣體的混合物不易燃；以及(b)通過將空氣和任何易燃氣體的不可燃混合物從基本封閉的腔室排到大氣中，從而在所述基本封閉的腔室內(nèi)留下基本惰性的氣氛。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，包括在所述排氣過程中，將惰性氣體導(dǎo)入所述基本封閉的腔室，以取代從所述基本封閉的腔室排出的空氣和任何易燃氣體的所述不可燃混合物。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，包括(a)在所述排氣過程中，將惰性氣體導(dǎo)入所述基本封閉的腔室，以取代從所述基本封閉的腔室排出的空氣和任何易燃氣體的所述不可燃混合物；以及(b)通過在所述基本封閉的腔室內(nèi)建立一高于大氣壓的正氣體壓力而使所述基本封閉的腔室充滿惰性氣體，以防止空氣侵入所述基本封閉的腔室。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，包括(a)監(jiān)控所述基本封閉的腔室內(nèi)的氣體壓力；以及(b)根據(jù)需要將惰性氣體導(dǎo)入所述基本封閉的腔室，以維持所述基本封閉的腔室內(nèi)的所述正氣體壓力。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述基本封閉的腔室與一機械排氣系統(tǒng)相通，所述機械排氣系統(tǒng)可選擇性地啟動以將氣體強制排出所述基本封閉的腔室，所述方法包括在所述排氣過程中，啟動所述機械排氣系統(tǒng)，以加速將不易燃氣體混合物排出所述基本封閉的腔室。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述基本封閉的腔室設(shè)置在一多腳浮筒的內(nèi)部轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)內(nèi)，所述潛在的易燃氣體源由延伸入所述基本封閉的腔室的石油產(chǎn)品立管形成，所述方法包括(a)所述正氣體壓力具有一預(yù)定的最大壓力限度；以及(b)在所述基本封閉的腔室內(nèi)的壓力升到所述預(yù)定的最大壓力限度以上時，將氣體壓力排出所述基本封閉的腔室。
7.一種用于確保一基本封閉的腔室的氣態(tài)氣氛不發(fā)生爆炸的方法，該腔室中具有潛在的易燃氣體源并含有空氣，該方法包括(a)在所述基本封閉的腔室內(nèi)導(dǎo)入足夠量的惰性氣體，以使其中的空氣氧化劑含量和任何易燃氣體的混合物不可燃；(b)通過將所述惰性氣體導(dǎo)入所述基本封閉的腔室并同時將氣體排出所述基本封閉的腔室而將空氣、惰性氣體和任何易燃氣體的混合物從所述基本封閉的腔室排出；(c)測量所述基本封閉的腔室內(nèi)的氣態(tài)混合物的可燃性；以及(d)在氣態(tài)混合物的測量值朝可燃性充分地變化而達到一預(yù)定水平時，再次將惰性氣體導(dǎo)入所述基本封閉的腔室，以使其中的氣體混合物保持不可燃。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，包括在所述基本封閉的腔室內(nèi)保持一高于大氣壓的正氣體壓力，以盡量減少氧化劑侵入所述基本封閉的腔室。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，包括將惰性氣體導(dǎo)入所述基本封閉的腔室，以在其中建立和保持一高于大氣壓的氣體混合物壓力。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，包括在有易燃氣體泄漏入所述基本封閉的腔室時，使所述基本封閉的腔室通風(fēng)，以限制所述基本封閉的腔室內(nèi)的壓力升高到一預(yù)定的最大壓力。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述基本封閉的腔室與一排氣系統(tǒng)相通，所述排氣系統(tǒng)適于從其中排出氣體，并且設(shè)置有至少一個空氣入口供外界空氣進入所述基本封閉的腔室，所述方法包括在所述基本封閉的腔室需要通風(fēng)時，打開所述至少一個艙口并開動所述排氣系統(tǒng)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，包括(a)檢測所述基本封閉的腔室內(nèi)的氣體壓力；以及(b)所述至少一個空氣入口的所述打開和所述排氣系統(tǒng)的所述開動是自動地響應(yīng)于所述基本封閉的腔室內(nèi)的壓力檢測值因氣體泄漏入所述基本封閉的腔室而升高到一預(yù)定壓力的情況。
13.一種浮式生產(chǎn)、儲存和卸載船，包括(a)一多腳浮筒，它具有一內(nèi)部轉(zhuǎn)塔機構(gòu)，并限定一基本封閉的腔室，所述腔室內(nèi)具有石油產(chǎn)品立管和流送管連接器，并有時含有空氣；(b)一惰性氣體源，它與所述基本封閉的腔室相通并受控制而將惰性氣體注入其中，用以通過在所述基本封閉的腔室內(nèi)導(dǎo)入足夠量的惰性氣體而使空氣的氧化劑含量混合并稀釋，不論其中的易燃氣體含量如何，使其中的空氣和任何易燃氣體的混合物不可燃；(c)一壓力排出系統(tǒng)，它與所述基本封閉的腔室相通，并且具有一正常壓力釋放設(shè)定值，用于使所述基本封閉的腔室內(nèi)的氣體壓力保持在一高于大氣壓的預(yù)定壓力水平，并在其升到所述正常壓力釋放設(shè)定值以上時排出氣體壓力以及(d)一排氣/通風(fēng)系統(tǒng)，它具有至少一個排氣風(fēng)扇，并與所述基本封閉的腔室相通，適于以一足以使所述基本封閉的腔室空氣通風(fēng)的速率將氣體強制排出所述基本封閉的腔室。
14.如權(quán)利要求13所述的浮式生產(chǎn)、儲存和卸載船，其特征在于，包括(a)所述內(nèi)部轉(zhuǎn)塔機構(gòu)可旋轉(zhuǎn)地安裝于所述多腳浮筒，所述多腳浮筒形成所述基本封閉的腔室的地板，所述轉(zhuǎn)塔機構(gòu)形成所述基本封閉的腔室的壁和屋頂結(jié)構(gòu)；(b)至少一個艙口，它設(shè)置在所述屋頂結(jié)構(gòu)中，以供人員進入所述基本封閉的腔室。
15.如權(quán)利要求14所述的浮式生產(chǎn)、儲存和卸載船，其特征在于，包括限定所述基本封閉的腔室的所述壁頂和地板結(jié)構(gòu)具有足夠的結(jié)構(gòu)完整性以承受所述基本封閉的腔室內(nèi)的一個過壓力，該過壓力因所述基本封閉的腔室內(nèi)的達500kg/s的可燃氣體泄放而引起，該過壓力的范圍為300kPa(2barg)。
16.如權(quán)利要求14所述的浮式生產(chǎn)、儲存和卸載船，其特征在于，包括所述惰性氣體源、所述壓力排出系統(tǒng)和所述排氣通風(fēng)系統(tǒng)穿過所述屋頂結(jié)構(gòu)而與所述基本封閉的腔室相通。
17.如權(quán)利要求13所述的浮式生產(chǎn)、儲存和卸載船，其特征在于，包括所述惰性氣體源具有一設(shè)置在所述基本封閉的腔室內(nèi)、用于在其中分配惰性氣體的惰性氣體分配主管。
18.如權(quán)利要求13所述的浮式生產(chǎn)、儲存和卸載船，其特征在于，所述惰性氣體源包括(a)一用于從空氣中提取所述惰性氣體的主氣體生產(chǎn)機組；(b)一與所述基本封閉的腔室相通的惰性氣體供給管道，它以一超過大氣壓的壓力將所述惰性氣體導(dǎo)入所述基本封閉的腔室；(c)一與所述惰性氣體供給管道相通的備用惰性氣體供給源；以及(d)惰性氣體供給控制元件，它們選擇性地控制惰性氣體從所述主惰性氣體供給機組和所述備用惰性氣體供給機組對所述基本封閉的腔室的供給。
19.如權(quán)利要求18所述的浮式生產(chǎn)、儲存和卸載船，其特征在于，包括一與所述主和備用惰性氣體供給系統(tǒng)監(jiān)控相通的氧氣監(jiān)控系統(tǒng)，它在判定出所述惰性氣體的氧氣含量高于一預(yù)定最大值的氧氣百分比時報警。
20.如權(quán)利要求13所述的浮式生產(chǎn)、儲存和卸載船，其特征在于，包括一設(shè)置在所述基本封閉的腔室內(nèi)的氣氛監(jiān)控系統(tǒng)，它在測量出所述基本封閉的腔室內(nèi)的氣體混合物的氧氣含量高于一預(yù)定最大值時報警。
21.如權(quán)利要求13所述的浮式生產(chǎn)、儲存和卸載船，其特征在于，包括一設(shè)置在所述基本封閉的腔室內(nèi)的氣氛監(jiān)控系統(tǒng)，它在測量出所述基本封閉的腔室內(nèi)存在易燃物質(zhì)時報警。
22.如權(quán)利要求13所述的浮式生產(chǎn)、儲存和卸載船，其特征在于，包括一回流防止系統(tǒng)，它設(shè)置用于所述內(nèi)部轉(zhuǎn)塔，并適于防止氣體從基本封閉的腔室回流入惰性氣體供給源和回流到所述內(nèi)部轉(zhuǎn)塔的其它區(qū)域。
23.如權(quán)利要求13所述的浮式生產(chǎn)、儲存和卸載船，其特征在于，包括所述排氣/通風(fēng)系統(tǒng)可選擇性地工作而在一除氣操作中迫使空氣進入所述基本封閉的腔室以清除惰性氣體，并用于在通風(fēng)操作中以持續(xù)方式在所述基本封閉的腔室內(nèi)提供新鮮空氣和排出任何雜質(zhì)。
24.如權(quán)利要求13所述的浮式生產(chǎn)、儲存和卸載船，其特征在于，包括一與所述基本封閉的腔室相通的除氣系統(tǒng)，它能夠停止惰性氣體導(dǎo)入所述基本封閉的腔室、切斷所述惰性氣體供給源和強制用空氣清除惰性氣體，以使人員能夠進入所述基本封閉的腔室。
全文摘要
一種確保諸如海上生產(chǎn)和卸載浮筒的內(nèi)部轉(zhuǎn)塔的QDCD房間之類的封閉腔室的氣態(tài)氣氛不發(fā)生爆炸的方法和裝置,其中封閉空間具有生產(chǎn)立管和管道連接器,它們是潛在的易燃氣體源。該方法包括通過在封閉腔室內(nèi)導(dǎo)入足夠量的惰性氣體而使空氣的氧化劑含量混合并稀釋,不論其中的易燃氣體含量如何,使其中的空氣和任何易燃氣體的混合物不可燃。該方法包括在導(dǎo)入惰性氣體的同時,通過將空氣和任何易燃氣體的不可燃混合物排到大氣中而將該混合物排出封閉腔室,從而在所述基本封閉的腔室內(nèi)留下基本惰性的氣氛。轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)在所有模式(包括停機、工作和通風(fēng)模式)的轉(zhuǎn)塔操作下對封閉腔室內(nèi)的氣態(tài)氣氛提供控制,并提供氣體壓力控制,以適應(yīng)正常的工作條件和有氣體泄漏入腔室的條件。
文檔編號E21B35/00GK1348525SQ00806749
公開日2002年5月8日 申請日期2000年3月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月3日
發(fā)明者戈登·B·豪厄爾, 戴維·A·瓊斯, 賈雷爾·H·揚, 勞埃德·D·維滕, 阿西斯·南迪, 理查德·M·科德 申請人:Fmc有限公司