Brevet FR2513356A1 — publié le 19830325

- 1 3 Système de sécurité destiné à éliminer tout risque d'entraînement de liquides au nez de torche ou à l'évent lors du torchage ou de la dispersion des gaz associés à la production ou au traitement d'hydrocarbures à terre et en mer. La présente invention concerne un système de sécurité destiné à éliminer tout risque d'entraînement de liquides au nez de torche, lors du torchage des gaz associés à la production d'hydrocarbures, en particulier en mer tort shore). D'une manière générale, on sait qu'un entraînement de liquides dans le nez d'une torche, notamment par suite d'un engorgement des séparateurs gaz/huile ou gaz/condensat, constitue un grave danger dans les instal- lations de production et de traitement d'hydrocarbures et en particulier dans les installations fixes ou flot- tantes de production off shore. En effet, au sortir du nez de la torche, l'huile ou le condensat entrainé par le gaz se trouve enflammé et retombe en flammes sur l'installation ou à proximité immédiate de celle-ci, mettant ainsi en péril l'instal- lation toute entière et la vie de l'ensemble du personnel. Ce danger est d'autant plus important, dans les installations off shore que le personnel risque de se trouver prisonnier sur la plateforme ou le support flottant en feu et quten outre, l'huile ou le condensat flottant sur la mer peut former une nappe de feu inter- disant toute possibilité d'évacuation. Pour tenter d'éliminer ce risque, l'une des meil- leures dispositions retenues à ce jour, est constituée par l'interposition, entre la source d'entrainement d'hydrocarbures liquides et le nez de la torche, de trois capacités, à savoir, un séparateur, un épurateur de sécurité et un ballon de pied de torche, montées en série sur la chaîne d'écoulement de gaz, ces capacités étant respectivement équipées de trois dispositifs de détection de niveau haut, qui effectuent, dans le cas 13356 _ 2 _ o le niveau de liquide dépasse une hauteur prédétermi- née, la fermeture de l'alimentation en hydrocarbures de l'installation. En outre, dans une telle installation, le ballon de pied de torche présente,ou peut présenter>une capa- cité de rétention de liquide, telle qu'elle alloue un temps suffisant pour la fermeture manuelle des vannes d'alimentation en hydrocarbures de l'installation. Cependant il est clair que de toutes façons, prin- cipalement dans le cas o la torche est verticale ou subverticale sur le support de production, la sécurité du personnel et l'ensemble de la plateforme dépendra: du fonctionnement des automatismes de détection et d'actions mécaniques qui sont toujours sujets dans le temps et selon les conditions de fonctionnement, à des avaries, et en dernier recours, du temps de rétention de liquide dans le ballon de pied de torche, qui se trouve dimensionné en fonction d'une durée d'intervention humaine toujours discutable et dont le caractère aléa- toire n'est pas en conformité avec une bonne logique de sécurité. En outre, il convient également de noter que le ballon de pied de torche, qui se trouve généralement placé en partie basse de l'intallation, risque de provo- quer, par ses dimensions, une g Ane considérable, voir même inacceptable. L'invention a donc pour but de supprimer tous ces inconvénients. Elle propose donc un système de sécurité faisant intervenir, dans la cha ne d'écoulement de gaz, entre la source d'entraînement de liquides et le nez de la torche, au moins une capacité telle que, par exempleun ballon de pied de torche muni d'une colonne de trop- plein débouchant en dessous du niveau de la mer, à une distance déterminée de son piquage sur ladite capacité. On obtient donc un système de sécurité particuliè- 1335 6 rement simple et fiable pouvant compléter ou même se substituer aux systèmes usuels de sécurité, et qui pré- sente l'avantage de ne faire intervenir aucun dispositif de détection et aucun organe mécanique sujet à des avaries. Ainsi, en cas de dérèglement lent ou brutal de l'installation, le liquide excédentaire, sera déversé à la mer avec une très faible probabilité de risque d'incendie compte tenu du fait: qu'il faudrait un point chaud important dans la zone o le liquide atteindra la surface de la mer pour provoquer son ignition. qu'en raison de la profondeur à laquelle il se trouve déversé, et des courants marins qui existent dans la plupart des sites, le liquide ne refera surface qu'à une certaine distance des installations. En outre, la colonne de trop-plein, dans certaines applications, sera équipée d'un dispositif de déverse- ment à l'intérieur de celle-ci, de produits divers ayant pour buts principaux, mais non limitativement, de retar- der ou empêcher la remontée des hydrocarbures liquides à la surface, diminuer, retarder ou inhiber la pollution par les hydrocarbures. Par ailleurs, dans certaines applicationsla torche sera équipée de moyens d'allumage et d'extinction ma- nuels ou automatiques permettant d'initier ou d'étouf- fer la flamme dans différentes configurations de fonc- tionnement ou pour des raisons de sécurité ou autres. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une représentation schématique d'une première installation de production équipée d'un dispositif de sécurité selon un premier exemple de réalisation de l'invention; La figure 2 est une représentation schématique d'une deuxième installation de plus faible encombrement 2 5 1 3 3 5 6 - et équipée de moyens anti-polluants. La figure 3 est une représentation schématique d'une troisième installation dans laquelle le fût de torche joue le r 8 le de ballon de pied de torche. Avec référence à la figure 1, l'installation com- prend>tout d'abord, une source d'entra 5 nement d'hydro- carbures liquides constituée par un séparateur 1 rece- vant le pétrole brut ou le gaz par un conduit d'arrivée 2 Ce séparateur est équipé de façon classique d'un circuit 3 de reprise normale de l'huile ou des conden- sats et d'une sortie de gaz raccordée à une cha ne d'écoulement de gaz 4 Jusqu'au nez 5 de la torche. Cette cha ne d'écoulement de gaz 4 comportetentre le séparateur 1 et le nez de la torche 5, un ballon de pied de torche 6 équipé, de façon classique, d'un cir- cuit de reprise des égouttures 7 comprenant ou non une pompe 8. Le séparateur 1 et le ballon de pied de torche 6 sont tous deux équipés d'un circuit de détection de niveau haut, destiné à fermer, en cas de niveau de liqui- de anormalement haut, l'alimentation en brut ou en gaz de l'installation. Selon l'invention cette installation comprend une colonne de trop-plein 10 venant se piquer (piquage 11) sur le ballon de pied de torche 6 en un emplacement correspondant à un niveau maximal prédéterminé et débou- chant en dessous du niveau 12 de la mer à une distance LR en dessous du piquage 11 sur ledit ballon 6. Cette colonne de trop-plein 10 est équipée du sus- dit dispositif de déversement 14 et de moyens de reprise v 13 des hydrocarbures liquides ayant débordés dans la colonne de trop-plein afin de les réinserzer dans les circuits normaux de traitement Ces moyens de reprise seront constituéspar exemple, de pompes-de divers types ou d'éjecteurs à liquide ou à gaz (gas lift) Ils pour- ront être mis en place au moment de la construction de l'installation ouplus tard, être amovibles ou non. - Ainsi, en fonctionnement normal, les deux systèmes de détection de niveau informeront les opérateurs d'un défaut de fonctionnement, et couperont l'arrivée de brut si le défaut ne peut être corrigé. En cas de dérèglement brutal et de non fonction- nement des deux systèmes de détection de niveau, les liquides seront déversés à la mer par la colonne de trop-plein 10, la torche continuant d'être alimentée en gaz, ceci jusqu'à la correction du défaut ou jusqu'à la fermeture manuelle ou automatique de l'arrivée du brut. On obtient donc un circuit de très haute sécurité. Toutefois, il présente, du fait des dimensions du ballon de pied de torche 6, un inconvénient important (qui pourra être supprimé grâce aux dispositions qui seront décrites notamment en regard des figures 2 et 3). Il convient de préciser que, pour obtenir un fonc- tionnement acceptable, la colonne de trop-plein 10 doit satisfaire à des critères de dimensionnement déterminés répondant à au moins deux conditions principales, à savoir: éviter la montée des liquides dans le fût de torche 13, en cas d'engorgement; éviter la sortie de gaz par l'extrémité inférieu- re 14 de la colonne de trop-plein 10 en service normal. Ces conditions peuvent être exprimées comme suit: A) Pour éviter l'engorgement du ballon de pied de torche 6 ou la montée des liquides dans le fût 13, il convient d'assurer l'écoulement des liquides à la mer, ce qui implique que l'équation ( 1) suivante soit au moins satisfaite, sans prendre en compte les différentes pertes de charge dans les conduites: p 1 + (Li x d 0) 9,81 > Patm + (LR L 1) (dw do) 9,81 ( 1) dans laquelle: L 1 est la hauteur du piquage 11 par rapport au niveau de la mer le plus haut (exprimée en m); 6 - est la longueur de la colonne de trop-plein 10 (exprimée en m); P est la pression à l'intérieur du ballon de pied de torche 6 (exprimée en Px); Patm est la pression atmosphérique (en Pt) do est la masse volumique du liquide (en kg/m 3 To; à T 1 ); dwest la masse volumique de l'eau de mer (kg/m 3 à T 20). La condition la plus défavorable étant atteinte quanid Pl = Patm (cas d'arrêt après engorgement et rem- plissage total en liquide de la colonne de trop-plein sur la longueur LR), la relation ( 1) peut se simpli- fier à L x do (LR L 1) (d do) ( 2) Applications 1) Pour d = 1020 do = 700 (huile imparfaitement dégazée), LR = 50 m la hauteur L 1 minimum est de 15,7 m (exemple 1) 2) Dans les mêmes conditions que précédemment mais avec une huile mieux dégazée de do = 800, la hauteur L devient 10,8 m (exemple 2) 3) Dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1 mais avec une colonne de trop-plein 10 plus courte, LR = 40 m, la hauteur L 1 minimum est de 12,5 m (exemple 3) 4) Dans les mêmes conditions que dans l'exemple 3 mais avec une r An vou 1rd'huile do = 800, la hauteur L 1 minimum devient égale à 8,62 m (exemple 4) B) Pour éviter la sortie de gaz par l'extrémité inférieure de la colonne de trop-plein 10, la relation suivante devra être vérifiée: 9,81 (LR L 2) dw + Patm > Pl ( 3) dans laquelle L 2 est la hauteur du piquage par rapport au niveau de la mer le plus bas (exprimée en m). 7 - Applications 1) avec dw = 1020 LR = 50 m L 2 = 30 m Patm = 1,013 x 105 Pu la pression P devra être inférieure à 3,013 x 105 Pu. 2) avec d = 1020 i= 40 m L 2 = 30 m Patm = 1,013 x 105 P. la pression P devra 8 tre inférieure à 2,013 x 105 Pa. A ltexamen des relations 1 et 3 précédentes, il apparatt que le système de sécurité proposé ne sera pas applicable dans tous les cas, et en particulier dans de trop faibles profondeurs d'eau. Si, pour une implantation donnée, les relations 1 et 3 sont vérifiées avec des coefficients de sécurité raisonnables, et si le dimensionnement des conduites est correct pour tenir compte des différentes pertes de charge, le risque d'engorger la torche est très impro- bable. Toutefois, le risque d'entraînement de liquide au nez de torche 5 demeure, sauf si le ballon de pied de torche 6 est dimensionné en séparateur diphasique fonctionnant à niveau très bas Ceci conduit à l'implan- tation d'un ballon 6 dont les dimensions et le poids risquent d'être prohibitifs. Par ailleurs, la séparation huile/gaz s'effectuant sans réel contr 8 le, dans un séparateur ballon 6 o les internaux sont pratiquement exclus, le risque d'entral- nement de gouttelettes de liquide demeure grand. L'examen des relations 1 et 3 montre que ltaugmen- tation des dimensions L 1 et L va dans le sens d'une amélioration de la sécurité. Pollution En cas d'engorgement, que l'installation comporte ce système de sécurité ou non, la quantité de liquides -8- mis à la mer sera sensiblement la même. Néanmoins sur un engorgement de durée limitée, le volume de liquide "piégé" dans la colonne de trop- plein pourra être remonté dans les installations et évacué. Danger d'allumage intempestif des hydrocarbures liquides mis à la mer Selon la figure 1, les liquides sont mis à la mer "en source", c'est-à-dire qu'il faudra un point chaud important dans la zone o les hydrocarbures liquides atteindront la surface de la mer pour provoquer leur ignition. Toutefois, compte tenu des courants marins qui peuvent exister sur bon nombre de sites, les hydrocar- bures liquides ne referont surface qu'à une certaine distance des installations. A titre d'exemple, pour une colonne de trop-plein débouchant à 50 m en dessous du niveau moyen de l'eau et avec une huile de masse volumique 850, celle-ci ne refera surface qu'à environ 60 m de la verticale de la colonne 10 ceci pour un courant de 0,25 noeud. Effet des vagues Le niveau de l'eau à l'intérieur de la colonne de tropplein 10 suivra avec retard et amortissement le niveau de l'eau à l'extérieur Toutefois, ce point devra être vérifié afin d'éviter des entrées d'air dans le f Mt de torche 13, surtout dans le cas de colonnes de trop-plein 10 courtes et de faibles débits de gaz En règle générale, plus la colonne de trop-plein 10 sera longue, moins l'effet de vague se fera sentir. Pour tenir compte des points évoqués ci-dessus, un arrangement (figure 2) est développé comme suit: Le ballon de pied de torche 6, généralement placé en point bas de l'installation, reprend, en service normal, les égouttures (circuits 7, 8) Ses dimensions et son poids redeviennent acceptables Il est complété par un séparateur liquides/gaz 15 placé à la partie -9- inlérieure du r 1 t de torche 13, celui-ci n'étant utile qu'en cas d'engorgement. Ce séparateur 15 peut être masqué dans la tour 16 supportant la torche Il fonctionne à très bas niveau et basse pression. A partir d'une certaine profondeur, la colonne de trop-plein 10 peut éventuellement être épanouie pour constituer une capacité de rétention 17, évitant ainsi toute pollution pendant une durée limitée Les hydrocar- bures liquides ainsi piégés, peuvent être réinserrés ultérieurement dans les installations par des moyens 13. La partie inférieure de la colonne 10 pourra être crépinée latéralement afin de mieux disperser les hydro- carbures liquides dans la mer. Enfinpour certaines applications, le mode de réa- lisation représenté figure 3 présente une solution simplifiée. Le fit de torche vertical 20 est constitué par un tube de section variable ou non pouvant être dans cer- taines applications self-résistant aux sollicitations extérieures, et d'un diamètre tel que la vitesse ascen- sionnelle du gaz soit suffisamment faible pour que la séparation gaz/liquide s'effectue La mise en vitesse du gaz peut se faire si nécessaire au nez de torche 5 par passage à travers une section tubulaire réduite 21 ou par un autre moyen. L'extrémité inférieure 22 du fft de torche sert de ballon de pied de torche en service normal, et est équipée d'une colonne de trop-plein 10 telle que celles précédemment décrites ainsi qu'un circuit de reprise des égouttures 7, 8 et 13. Une simplification supplémentaire consistera pour certaines applications à réaliser l'ensemble f t de torche-colonne de trop-plein, en une tubulure continue, de section éventuellement variable, le circuit de repri- se des égouttures étant alors installé à une altitude convenable sur la tubulure continue. - En outre, dans toutes les configurations d'instal- lations de ce système de sécurité, ce dernier pourra utiliser, pour sa réalisation 3 des parties de tubulures déjà existantes, en acier ou autres matériaux, tels que le béton, et pouvant remplir d'autres fonctions telles que le supportage des installations Son supportage pourra être également effectué à l'aide de charpentes ou de supports requis ou non pour remplir d'autres fonctions. 11 - REVENDICATIONS 1. Système de sécurité destiné à éliminer tout ris- que d'entratnement de liquides au nez de torche ( 5) ou à l'évent, lors du torchage oude 3 adispersiondesgaz assocs à la production ou au traitement d'hydrocarbures à terre et en mer, caractérisé en ce qu'il fait intervenir, dans la chalne d'écoulement de gaz, entre la source d'entraînement de liquides ( 1) et le nez de la torche ( 5) ou l'évent, au moins une capacité telle qu'un ballon de pied de torche ( 6), munie d'une colonne de trop-plein ( 10) débouchant en dessous d'un niveau de liquide, par exemple de la mer, à une distance déterminee de son piquage ( 11) sur ladite capacité. 2. Systeme selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, connectée à la sortie de gaz d'un séparateur ( 1) recevant les hydrocarbures par un conduit d'arrivée ( 2) et équipé d'un circuit ( 3) de reprise de liquides, une chaine d'écoulement de gaz ( 4) jusqu'au nez ( 5) de la torche, qui comporte un ballon de pied de torche ( 6) éventuellement équipé d'un circuit de reprise des égouttures ( 7) et sur lequel est piquée la susdite colonne de trop-plein. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le susdit séparateur ( 1) et le susdit ballon de pied de torche ( 6) sont respectivement équipés d'un circuit de détection de niveau haut destiné à fermer l'alimentation en brut de l'installation en cas de ni- veau de liquide anormalement haut. 4. Système selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le ballon de pied de tor- che ( 6) est dimensionné en séparateur diphasique. 5. Système selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de relevage du volume d'hydrocarbures liquides piégés dans la colonne de trop-plein ( 10). 6. Système selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu'à partir d'une certaine 12 - profondeur, la colonne de trop-plein ( 10) est épanouie pour constituer une capacité de rétention et en ce que la partie inférieure de ladite colonne peut être crépi- née latéralement afin de mieux disperser l'huile dans la mer. 7. Système selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le ballon pied de torche ( 6), de préférence placé en point bas de l'installation> est suivi d'un séparateur huile/gaz ( 15) placé à la partie inférieure du fût de torche ( 13) de préférence dans la tour ( 16) supportant la torche. 8. Système selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu'il est équipé de systèmes évitant ou retardant la pollution. 9 Système selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu'il est équipé de systèmes évitant ou retardant la remontée des hydrocarbures liquides à la surface de l'eau. 10. Système selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu'il est équipé de systèmes d'allumage ou d'extinction de la flamme automatiques et/ou manuels. 11. Système selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le fût de torche ( 20) présente un diamètre tel que la vitesse ascensionnelle du gaz soit suffisamment faible pour qu'une séparation gaz/liquide puisse s'effectuer, en ce que la mise en vitesse du gaz se fait si nécessaire au nez de torche ( 5) par passage à travers une section tubulaire réduite ( 21) et en ce que l'extrémité inférieure ( 22) du fût de tor- che qui sert de ballon de pied de torche est équipée d'une colonne de trop-plein ( 10) du type susdit. 12. Système selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le fût de torche ( 20) et la colonne de trop-plein sont une même tubulure de sec- tion variable. -13 Système selon l'une des revendications précé- 13 - dentes, caractérisé en ce qu'il est constituej partiel- lement ou totalement, tant pour sa réalisation que pour son supportage par des éléments d'installation pouvant répondre à d'autres fonctions. 14 Système selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu'il est installé à terre ou en mer sur n'importe quel type de support fixe ou flot- tant.