基于FDS的海洋平臺(tái)油氣處理系統(tǒng)火災(zāi)危險(xiǎn)分析＊

郭 杰 朱 淵 陳國(guó)明

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心)

油氣處理系統(tǒng)是海洋平臺(tái)重要的生產(chǎn)設(shè)備,其所涉及的原料、中間品和產(chǎn)品具有易燃易爆的特點(diǎn),容易造成火災(zāi)、爆炸事故[1],可導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。1988年英國(guó)北海阿爾法平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)、爆炸,造成165名工人死亡,經(jīng)濟(jì)損失34億美元[2]。為有效應(yīng)對(duì)油氣處理系統(tǒng)的火災(zāi)事故,需掌握火災(zāi)蔓延規(guī)律,制訂有針對(duì)性的控制措施,這對(duì)提高海洋平臺(tái)安全生產(chǎn)水平具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海洋平臺(tái)火災(zāi)進(jìn)行了多方面研究,建立了海洋平臺(tái)火災(zāi)燃燒模型及火焰特性、熱輻射概率模型[3],確定了火災(zāi)對(duì)平臺(tái)上工藝設(shè)備、安全系統(tǒng)等的影響[4],并采用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)進(jìn)行火災(zāi)安全綜合評(píng)估[5-6]。已往的研究中廣泛采用以FDS軟件為代表的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法分析火災(zāi)動(dòng)力學(xué)特征,FDS軟件經(jīng)過(guò)了大型及全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際較吻合[7]。本文以某海洋平臺(tái)下層甲板油氣處理系統(tǒng)為研究對(duì)象,采用FDS(Fire Dynamics Sim ulato r)軟件模擬分析海洋平臺(tái)油氣處理系統(tǒng)因原油泄漏發(fā)生的火災(zāi)事故,通過(guò)對(duì)比分析火災(zāi)危險(xiǎn)性,為確定事故條件下最有利于平臺(tái)人員疏散的路徑提供支持。

1 基本理論模型

1.1 流體泄漏源強(qiáng)理論模型

泄漏口的尺寸和形狀是影響泄漏的主要因素,對(duì)原油等流體的泄漏源強(qiáng)可表示為[8]

式(1)中:Q為泄漏量,kg/s;Cd為泄漏系數(shù),一般取值0.9～1.0;A為泄漏孔面積,m2;p為容器內(nèi)壓力,Pa;ρ為原油密度,kg/m3。

1.2 火災(zāi)過(guò)程理論模型

為簡(jiǎn)化火災(zāi)燃燒過(guò)程,基于文獻(xiàn)[7,9-10]的研究和推薦,對(duì)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程作如下假設(shè):①初始時(shí),平臺(tái)內(nèi)部風(fēng)速穩(wěn)定,溫度分布均勻;②不考慮環(huán)境空氣對(duì)熱輻射的吸收;③忽略設(shè)備結(jié)構(gòu)對(duì)周?chē)矬w的熱輻射,即熱輻射的分布完全由火焰決定;④火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣視為理想氣體;⑤煙氣在產(chǎn)生后不再發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。采用大渦模擬理論模擬火災(zāi)湍流運(yùn)動(dòng),火災(zāi)過(guò)程中狀態(tài)參數(shù)需滿(mǎn)足的基本方程如下[7]:

質(zhì)量守恒方程

組分守恒方程

動(dòng)量守恒方程

能量守恒方程

氣體狀態(tài)方程

式(2)～(6)中:ρ為密度,kg/m3;u為速度矢量,m/s;p為壓力,Pa;h為總焓,J/kg;T為溫度,K;Yi為組分i的質(zhì)量濃度;Di為組分i的擴(kuò)散系數(shù),m2/s;Wi為組分i的化學(xué)反應(yīng)速率,kg/(m3·s);Mi為組分i的摩爾分子量,kg/mol;R為摩爾氣體常數(shù),J/(mol·K);qr為熱輻射通量,W/m2;q為燃燒反應(yīng)熱,J/mol;k為熱導(dǎo)率,W/(m·K);g為重力矢量,m/s2;t為時(shí)間,s;τij為粘性應(yīng)力張量,Pa。

2 海洋平臺(tái)作業(yè)空間建模

2.1 平臺(tái)所處海洋環(huán)境

以波斯灣某海域?yàn)楸敬窝芯凯h(huán)境背景,平臺(tái)所處海洋環(huán)境參數(shù)為溫度10.2℃、年均風(fēng)速5.7 m/s、大氣壓力為101.3 kPa?；馂?zāi)發(fā)生后,模型外邊界條件與環(huán)境條件相同。

2.2 幾何模型建立

以某海洋平臺(tái)下層甲板油氣處理系統(tǒng)為研究對(duì)象,建立仿真分析模型,如圖1所示。模型主要設(shè)備包括生產(chǎn)計(jì)量管匯、生產(chǎn)加熱器、一級(jí)分離器、二級(jí)分離器、計(jì)量加熱器、熱化學(xué)脫水器、電脫水器、緩沖罐、火炬分液器、原油輸出泵等,泄漏源位于一級(jí)分離器處。依據(jù)設(shè)備實(shí)際情況定義表面材料熱物性,并忽略其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1 某海洋平臺(tái)下層甲板油氣處理系統(tǒng)模型及網(wǎng)格模型

2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件確定

計(jì)算區(qū)域選定為60 m×60 m×8 m,采用 FDS提供的“復(fù)合計(jì)算區(qū)域”功能[7],采用不同網(wǎng)格劃分方式劃分不同計(jì)算區(qū)域。網(wǎng)格如圖1所示,共分為4個(gè)計(jì)算區(qū)域:在計(jì)算受網(wǎng)格影響較大的火源周?chē)?計(jì)算區(qū)域2),采用小尺寸網(wǎng)格;對(duì)于遠(yuǎn)離火源的其它計(jì)算區(qū)域(計(jì)算區(qū)域1、3和4),采用適當(dāng)放大網(wǎng)格尺寸。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢查后的網(wǎng)格總數(shù)為232320個(gè)。

2.4 危險(xiǎn)因素及傷害準(zhǔn)則

選取對(duì)人員疏散具有指示作用的溫度、熱輻射強(qiáng)度、煙氣層高度(厚度)和能見(jiàn)度等4個(gè)指標(biāo)分析火災(zāi)過(guò)程的危險(xiǎn)性,其判斷標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 火災(zāi)過(guò)程危險(xiǎn)性判斷標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)分析距甲板底部2 m高度處水平面上火災(zāi)形成的溫度場(chǎng)和對(duì)能見(jiàn)度的影響來(lái)評(píng)價(jià)各個(gè)區(qū)域火災(zāi)危險(xiǎn)變化情況,在該層甲板以下位置設(shè)置測(cè)點(diǎn):①在一級(jí)分離器周邊設(shè)備處分別設(shè)置熱輻射測(cè)點(diǎn)(原油加熱器處測(cè)點(diǎn) GAS2002、二級(jí)分離器處測(cè)點(diǎn)GAS2003、原油輸出加熱器處測(cè)點(diǎn) GAS2008、浮選室處測(cè)點(diǎn) GAS3002);②在該層甲板的4個(gè)上下脫險(xiǎn)梯道處設(shè)置熱輻射測(cè)點(diǎn)和煙氣層測(cè)點(diǎn),按照與一級(jí)分離器的相對(duì)位置將4個(gè)脫險(xiǎn)梯道標(biāo)示為脫險(xiǎn)梯道NW、脫險(xiǎn)梯道NE、脫險(xiǎn)梯道SW、脫險(xiǎn)梯道SE,詳細(xì)布置情況見(jiàn)圖1。

3 火災(zāi)事故后果分析與討論

3.1 2 m高度處溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律

火災(zāi)發(fā)生后距該層甲板底部2 m高度處平面溫度場(chǎng)如圖2所示。由圖2可知:t=33.6 s時(shí),分離器周?chē)鷾囟纫堰_(dá)600℃,火焰中心處溫度達(dá)到800℃,且高溫開(kāi)始逐漸蔓延至該層甲板的邊緣位置,防火墻左側(cè)甲板上下邊緣處溫度已達(dá)到155℃,在其阻隔作用下右側(cè)設(shè)備受到保護(hù),溫度均低于50℃;當(dāng)t=165.1 s時(shí),防火墻左側(cè)區(qū)域溫度將超過(guò)800℃,對(duì)人員和設(shè)備都具有極大傷害,且高溫區(qū)域通過(guò)防火墻間的通道延伸至右側(cè)。

圖2 火災(zāi)發(fā)生后距平臺(tái)甲板底部2 m高度處溫度分布圖

3.2 燃燒熱輻射強(qiáng)度變化規(guī)律

(1)一級(jí)分離器周?chē)O(shè)備熱輻射強(qiáng)度變化規(guī)律

一級(jí)分離器周?chē)O(shè)備如原油加熱器、二級(jí)分離器、原油輸出加熱器及浮選室處測(cè)點(diǎn)熱輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖3。由圖3可知:火災(zāi)發(fā)生10 s內(nèi),周?chē)O(shè)備受到的熱輻射強(qiáng)度均小于2 kW/m2,對(duì)人員危害輕微;火災(zāi)發(fā)生約41 s時(shí),熱輻射強(qiáng)度達(dá)到最大值,隨即均值強(qiáng)度下降穩(wěn)定在15～30 kW/m2;在熱輻射強(qiáng)度峰值階段,一級(jí)分離器周邊設(shè)備各測(cè)點(diǎn)處熱輻射強(qiáng)度最大值均高于37.5 kW/m2。根據(jù)美國(guó)化工安全中心的熱輻射人員傷害后果評(píng)價(jià)模型[11],在熱輻射強(qiáng)度高于37.5 kW/m2條件下人員暴露10 s將導(dǎo)致1%死亡,暴露時(shí)間超過(guò)1 min將導(dǎo)致100%死亡;但圖3所示高強(qiáng)度熱輻射作用時(shí)間僅5 s左右,不至于造成人員死亡。當(dāng)熱輻射強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定階段,浮選室處熱輻射均值強(qiáng)度最高,約為25 kW/m2(圖 3),根據(jù)文獻(xiàn)[11],人員暴露10 s將造成二度燒傷,暴露時(shí)間超過(guò)1 min將導(dǎo)致10%死亡;二級(jí)分離器處和原油加熱器處熱輻射均值強(qiáng)度約為17 kW/m2(圖3),根據(jù)文獻(xiàn)[11],人員暴露10 s將導(dǎo)致一度燒傷,暴露時(shí)間超過(guò)1 min將導(dǎo)致1%死亡。

圖3 一級(jí)分離器周?chē)O(shè)備熱輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律

(2)脫險(xiǎn)梯道處熱輻射強(qiáng)度變化規(guī)律

4個(gè)脫險(xiǎn)梯道處熱輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖4。由圖4并據(jù)文獻(xiàn)[11]分析:脫險(xiǎn)梯道SE處的熱輻射強(qiáng)度最低,最終約為1.0 kW/m2,人員長(zhǎng)時(shí)間暴露不會(huì)受到傷害;脫險(xiǎn)梯道NE處的熱輻射強(qiáng)度最終約為1.7 kW/m2,人員在此長(zhǎng)時(shí)間停留可感到疼痛;脫險(xiǎn)梯道SW較危險(xiǎn),熱輻射強(qiáng)度最終約為7 kW/m2,人員暴露超過(guò)20 s將感覺(jué)疼痛,超過(guò)1 min將造成二度燒傷;脫險(xiǎn)梯道NW處最危險(xiǎn),最高熱輻射強(qiáng)度值為30 kW/m2,最終約為10 kW/m2,人員僅能忍受幾秒時(shí)間,暴露10 s將造成一度燒傷,超過(guò)1 min將導(dǎo)致1%死亡。

圖4 4個(gè)脫險(xiǎn)梯道處熱輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律

3.3 煙氣層高度和厚度變化規(guī)律

4個(gè)脫險(xiǎn)梯道煙氣層高度、厚度隨時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖5、6。由圖5、6可知:火災(zāi)發(fā)生25 s內(nèi),煙氣層高度約為8 m,至火災(zāi)發(fā)展的穩(wěn)定階段,脫險(xiǎn)梯道SW、SE、NW和NE處的煙氣層高度平均值分別穩(wěn)定在4.8、6.3、1.6和4.6 m,相應(yīng)的煙氣層厚度平均值分別穩(wěn)定在2.0、3.2、3.4和6.4 m;在火災(zāi)發(fā)生整個(gè)過(guò)程,脫險(xiǎn)梯道NW處的煙氣層高度最低,最低時(shí)僅為1.1 m,且厚度最大對(duì)人員危害較大;另外3處的煙氣層高度均大于4 m,對(duì)人員危害不大。

3.4 能見(jiàn)度隨時(shí)間變化規(guī)律

火災(zāi)發(fā)展各階段能見(jiàn)度等值線(xiàn)圖見(jiàn)圖7?；馂?zāi)發(fā)生后28.8 s時(shí),僅一級(jí)分離器周?chē)? m范圍內(nèi)能見(jiàn)度低于10 m,其它區(qū)域內(nèi)火災(zāi)對(duì)能見(jiàn)度影響不大(圖7a);火災(zāi)發(fā)生后94.3 s時(shí),左側(cè)區(qū)域能見(jiàn)度最低只有5 m,將嚴(yán)重干擾視線(xiàn),阻礙人員疏散,右側(cè)區(qū)域能見(jiàn)度始終處于臨界值以上,對(duì)人員疏散影響不大(圖7b)。

綜合以上分析,脫險(xiǎn)梯道 SE處最安全,此處熱輻射強(qiáng)度低、煙氣濃度小、能見(jiàn)度高,不會(huì)對(duì)人員造成傷害;其次是脫險(xiǎn)梯道NE,人員通過(guò)此處可能會(huì)感覺(jué)疼痛;脫險(xiǎn)梯道SW處熱輻射強(qiáng)度較高,會(huì)造成人員燒傷;脫險(xiǎn)梯道NW處熱輻射強(qiáng)度大、煙氣濃度高、能見(jiàn)度低,人員通過(guò)此處可能受到嚴(yán)重傷害。

圖7 火災(zāi)發(fā)展各階段平臺(tái)各區(qū)域能見(jiàn)度等值線(xiàn)圖

3.5 不同規(guī)?；馂?zāi)事故后果分析

選取美國(guó)石油學(xué)會(huì)推薦的中孔、小孔和微小孔泄漏對(duì)比分析不同規(guī)?；馂?zāi)事故后果并以原油加熱器處熱輻射強(qiáng)度和脫險(xiǎn)梯道SE處的煙氣層高度說(shuō)明火災(zāi)狀態(tài)參數(shù)的變化情況(圖8、9)。

圖8中 GAS2002a、GAS2002b、GAS2002c分別表示中孔、小孔和微小孔泄漏條件加熱器處熱輻射強(qiáng)度值,可以看出不同規(guī)?；馂?zāi)下熱輻射強(qiáng)度變化規(guī)律一致,但泄漏孔徑越大熱輻射強(qiáng)度峰值越大,且達(dá)到峰值的時(shí)間越短。

圖9中脫險(xiǎn)梯道SEa、脫險(xiǎn)梯道 SEb、脫險(xiǎn)梯道SEc分別表示中孔、小孔和微小孔泄漏條件脫險(xiǎn)梯道SE處的煙氣層高度,可以看出不同規(guī)?；馂?zāi)下的煙氣層高度變化規(guī)律一致,但泄漏孔徑越大煙氣層高度開(kāi)始降低的時(shí)間越短。

綜合所有火災(zāi)狀態(tài)參數(shù)變化情況模擬結(jié)果,不同規(guī)?；馂?zāi)下,火災(zāi)狀態(tài)參數(shù)變化規(guī)律具有一致性。

4 結(jié)論

(1)一旦發(fā)生火災(zāi)事故,平臺(tái)整個(gè)下層甲板油氣處理系統(tǒng)很快處于火災(zāi)環(huán)境中,人員需立即疏散并采取滅火措施。

(2)海洋平臺(tái)4個(gè)脫險(xiǎn)梯道中,人員從脫險(xiǎn)梯道SE疏散的安全性最高,脫險(xiǎn)梯道NW最危險(xiǎn)。

(3)泄漏孔徑越大,火災(zāi)危險(xiǎn)性越大,對(duì)人員疏散造成的威脅越大。

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