刘 飞

中海石油（中国）有限公司北京研究中心，北京 100028

总图作为海洋工程中诸多专业之一，在工程方案研究及工程设计中发挥着重要的作用。海上石油平台上部组块总图设计是将一座海洋平台的所有组成设施，包括工艺及机械设备、配管、电气、仪表、海工结构、立管、生活楼、钻完井设施等，通过合理的方案设计和空间布置，有机地组成一个整体[1]。总图设计的好坏，关系到海洋工程设计生产操作的安全性、建造安装的可实施性、结构在位的可靠性、生产操作的便捷性、建设投资的经济性等诸多方面，优秀的平台总图设计是海工项目成功的重要指标之一。

东方13-2气田群开发工程新建一座中心处理平台CEPB（以下简称DF13-2 CEPB），该平台集钻井、天然气及凝析油处理、产品外输、生活、动力等功能于一体，是南海西部海域第一个采用浮托法安装的大型综合平台。笔者结合自己的设计经验，对平台上部组块总图设计的基本原则、方法、思路进行了比较全面的分析总结，对主要设计界面及一些重点关注的问题进行了分析，结合DF13-2 CEPB平台对若干问题进行了举例说明，以期对今后的海洋工程开发项目总图设计提供一定的借鉴。

1 设计原则

总图设计原则可以概括如下。

（1）以人为本，满足安全、消防、防火和人员逃生救生的需要[1-2]。

（2）满足生产作业与设备操作维修的需要。

（3）满足结构合理性与海上施工的需要。

（4）力求空间利用合理、投资经济。

（5）结合地质油藏特点考虑分期建设、后期发展的可能性，合理预留空间。如：考虑后期新建平台的位置、预留甲板面积、预留井槽等。

2 设计基础

风向和流向是确定平台方位[3]和上部组块设备布置的重要基础。风向影响可燃油气的扩散方向，需要保证生活楼位于常上风向，油气区位于常下风向[2]；流向影响供应船、艉输油轮及救生艇筏的操作和方向。风玫瑰图、流玫瑰图可以真实、贴切地反映一个地区的气流情况及海流情况，图1为DF13-2CEPB平台所在海域的风玫瑰图，图2为平台所在海域流玫瑰图。其中16个方向的放射扇形表示来自该方向的风、流的频率，放射扇形越长，表示一年当中来自该方向的风频率越大、去往该方向的流频率越大。东方13-2气田群海域处于季风特征显著的气候区，盛行风向主要受季风制约。冬季以偏北风为主，夏季以偏南风为主，从风、流玫瑰图可以看出，东方13-2气田海域主风向为NNE、SSE，主流向为NNW、SSE。

图1 风玫瑰图

图2 流玫瑰图

机械设备表、工艺流程图（PFD）、管道及仪表流程图（PID）也是平台总图设计的重要设计基础。机械设备表提供了所有工艺、机械设备的长、宽、高尺寸，设计参数，设备类型等；设备布置需考虑将同类设备集中布置，工艺设备尽可能按照工艺流程的顺序依次布置，以减少设备间的配管长度；依据工艺PID，判断设备周边管道、阀门占用的配管空间。

除此之外，总图设计还应针对一些生产需求，征求生产方意见，如：生产物资和药剂存储、现场工作间（实验室、机修间、电/仪间等）的设置、供应船操作习惯以及吊机的操作需求等。

3 设计界面

总图设计成果是多专业设计成果的集中体现，如何处理好多专业的设计需求，并将其融合成一个有机的整体，是总图工程师的一项基本专业要求。总图诸多设计界面的确定需要多轮反复的工作，掌握一定的相关专业知识，并与相关专业形成良好的专业互动，是做好界面管理和界面设计的关键。总图设计的主要相关专业界面内容总结如表1所示。

表1 总图相关专业界面内容

4 设计要点

4.1 平台主尺度的确定

平台上层甲板布置如图3所示。

图3 DF13-2CEPB上层甲板

平台上部组块的安装方式及一些主要设施的布置决定了平台的甲板主尺度，如：井口区、模块钻机、电站、生活楼等大型设备设施在总图设计中需要优先进行考虑。以DF13-2 CEPB平台为例，其上部组块包括模块钻机、生活楼及火炬臂等设施，拟整体采用HYSY229驳船进行浮托安装，其进船方向槽口宽度要求为48 m，可选择在导管架工作点A、B轴之间或导管架工作点2、3轴之间两个方向进船，结合DF13-2CEPB平台所在海域水深及导管架结构设计，平台结构推荐采用2、3轴之间进船，并推荐导管架1、2、3、4轴之间的间距分别为12、48、12 m。

平台上层甲板空间不受甲板层高的限制，通常用于布置大型设备或设施，如：模块钻机、电站、生活楼等。DF13-2 CEPB平台设计有24个井槽，由模块钻机进行钻完井和修井作业，平台电力由3台大功率燃气透平发电机提供，并设有一座120人的生活楼。因此平台上层甲板需要考虑位于井口区上方的模块钻机（DES）、支持模块（DSM）、透平电站、生活楼的布置空间，除此之外，上层甲板需考虑为后期预留的天然气压缩机预留空间。因此，位于上层甲板DES、DSM、电站、生活楼及天然气压缩机的总体布置就基本决定了整个平台的主体尺度。考虑井口区的井槽排列及合理的甲板外延，并综合考虑平台组块偏心，最终确定上层甲板的总体布置，导管架工作点间距推荐为（12 m+48 m+12 m）×22 m。

4.2 设备分区

海上油气田生产的油气属于易燃、易爆物质，为确保生产安全，平台设备布置时应将有限的甲板划分为危险区和非危险区，将井口区、油气生产处理区、含有易燃、易爆物质的危险设备布置在危险区，将公用设备和生活区布置在非危险区，在危险区和非危险区之间设置防火墙或防爆墙进行分隔。在设备分区布置时，常年主导风向是非常重要的因素，通常根据常年主导风向将安全区布置在上风向；将危险区布置在下风向。

为便于设备分区，可以将平台上的诸多设备归纳为燃料源和点火源[4]两类，典型的燃料源与点火源见表2。通过防火爆炸分析研究可以进一步得出防火/防爆墙的抗压值，并对防火/防爆墙的布置提出合理建议。

表2 典型的燃料源与点火源

以DF13-2 CEPB中层甲板设备分区为例。如图4所示，其中层甲板分别在2轴和3轴西侧设置有2道防火墙，其中3轴西的防火墙用于将安全区和危险区隔离开，2轴防火墙将危险区又细分为井口区和生产区，在2轴设置防火墙将危险区一分为二，可以减小最大火区的面积，从而降低消防泵的排量。另外，在井口区或者生产区某一处发生火灾的情况下，2轴防火墙均可以有效降低火灾的蔓延速度，从而增加灭火反应时间，降低事故等级。安全区的设施主要包括电气房间和公用设备两大类，电气房间中的电气设备以及电缆属于点火源，将公用设备如淡水、柴油、公用风/仪表风橇等设施布置在燃料源（生产区）和点火源（电气房间）之间可以起到较好安全缓冲过渡作用。另外，公用设备及配套的淡水泵、柴油泵等机电设备位于安全区，可以无需防爆，从而降低设备成本。

图4 DF13-2CEPB中层甲板

4.3 设备操作维修

在总图设计中需要考虑平台上的设备设施具有较强的可操作性，如在供应船靠船、吊机配置及布置位置、卸货甲板设置、设备操作维修空间、预留设备的安装等方面是否满足设计要求。海洋平台设备布置需要考虑设备之间及设备上方是否留有足够的操作维修空间，以满足设备的正常维护运转及配件更换需要，并考虑大型设备及备件的转运通道。平台上层甲板的设备维修和物资转运主要依靠平台吊机；中层、下层甲板由于吊机无法直接覆盖，设备维修和物质转运则主要依靠设置滑轨天车（monorail）、临时电动或手动葫芦等方式，将设备或维修部件转运至该层甲板的卸货区，再通过平台吊机转运至供应船或其他甲板。

另外，有时中层甲板或下层甲板也可以采用在设备上方设置维修窗口的方式，来解决层高不足或无法使用吊机的问题。如:某平台海水提升泵布置在下层甲板，在海水提升泵上方的中层甲板和上层甲板均设置维修窗口，海水提升泵的维修就可以直接使用平台吊机进行提泵作业；某平台在中层甲板清管球发射器的尾部设置维修窗口，可以使用吊机来辅助进行发球作业，在清管球发射器前的管道紧急关断阀上方设置维修窗口，可以使用吊机来进行大型阀门的维修作业。

在海洋平台设计的后期，应当出具详细的设备维修报告，明确主要设备的维修及备品备件更换吊装方案和更换路径。

海洋平台主要设备操作维修空间及起重要求如表3所示。

大型压缩机组、燃气透平除了需要考虑设备的操作维修以外，还须考虑设备振动和噪音的问题，振动设备尽可能布置在导管架工作点以内，以减少振动对结构的影响；同时，也尽可能远离生活楼，以减少噪音影响。

5 设备拥塞程度

近年来，国际油价急剧下跌，海工设计对成本控制更加严格，控制海上平台甲板尺度成为总图设计的一项重要任务。但总图设计过于紧凑，设备拥塞程度过高，容易导致可燃气体积聚，增大火灾爆炸风险，并且当爆炸发生时，由于爆炸压力没有足够的空间予以释放，会对平台结构产生较大的破坏，对平台人员的人身安全造成较大的威胁。因此，总图设计除了严格遵循安全规范以外，在设计阶段还需要进行火灾爆炸分析（FEA）、危险源识别（HAZID）、危险与可操作性分析（HAZOP）、气体扩散分析、落物分析等安全分析，通过定性或定量的安全分析手段，对平台可能存在的风险进行分析识别[5-7]，并给出指导意见，对总图设计的安全风险是否在可接受范围内进行验证和检查。

表3 典型设备操作空间和维修要求

另外，国内亟需开展一系列模拟研究或利用多个实际生产项目定量类比研究等，探索并总结一套简单易用的设备拥塞度定性判断标准，用于早期设计阶段对平台的安全风险进行定性评估，以指导早期设计的合理性，如：界定某区域设备所占面积占该区域总甲板面积的比值上限、界定单位面积设备重量与配管重量之和的上限，在设计早期不具备进行FEA等安全分析的条件时，通过计算这些参数是否在界定的范围之内，来定性判别设备布置的拥塞程度和平台的火灾爆炸风险，从而指导总图设计。

某国外知名海洋工程设计公司的拥塞度判定标准如下：

（1）设备所占面积与甲板总面积或所在区域的甲板面积比值：静设备不大于28%，转动设备不大于20%。

（2）设备重量与配管重量之和与甲板总面积的比值：不大于6 kN/m2。

上述拥塞度判定方法为经验方法，不同类别的项目可能存在较大差异，应当具体情况具体分析，该方法仅可用于设计参考，不能作为设计依据。

6 结束语

总图设计的目标是在满足安全、生产操作方便、结构安装可行的前提下，力求投资经济。海上平台甲板面积寸土寸金，投资巨大，总图设计应当充分利用甲板面积，做到设备布置紧凑有序；同时又必须满足安全、生产操作的需求。在当前低油价形势下大力开展降本增效工作的同时，也亟需建立健全一些安全标准和推荐做法并严格遵循，进一步提高设计质量，降低安全风险。