基于SAFETI軟件模擬的海洋石油平臺(tái)火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)源分析

黃海濱，姜中雷，馮愛民，黃武剛

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452；2.海油發(fā)展采油服務(wù)公司，天津300456）

0 前言

海洋石油開發(fā)工程隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行高速發(fā)展進(jìn)而呈現(xiàn)出了多維度的開發(fā)，海洋石油平臺(tái)處于油氣容易擴(kuò)散的高位區(qū)域，在設(shè)計(jì)階段就提前對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)行規(guī)避。若干年前憑著工作經(jīng)驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行防爆工作，但在當(dāng)今科技極為發(fā)達(dá)的今天顯得極為脆弱，也不符合技術(shù)發(fā)展的總體趨勢(shì)。本文就是從設(shè)計(jì)階段就從SAFETI軟件著手進(jìn)行平臺(tái)的火災(zāi)爆炸量化模擬，運(yùn)用數(shù)學(xué)建模的工具進(jìn)行提前設(shè)計(jì)工藝流程，著重分析風(fēng)浪流及油氣爆炸濃度及風(fēng)力對(duì)爆炸的影響度，為實(shí)際工作和平臺(tái)建造奠定理論基礎(chǔ)，極大地保障了海上油氣作業(yè)的安全，維護(hù)了海洋環(huán)境安全和人的生命安全。

1 海洋石油生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)火災(zāi)爆炸量化計(jì)算基礎(chǔ)

海洋石油生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)（Production storage platform，縮寫為PSP)作為海上生產(chǎn)活動(dòng)中重要的儲(chǔ)油設(shè)施，火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)作為安全管理的重中之重。本文選取“旅大”油田作為研究分析模型，針對(duì)平臺(tái)油氣處理與儲(chǔ)存裝置發(fā)生泄漏所引發(fā)的事故后果進(jìn)行分析。事故分析工作流程通常為：PSP泄漏及其后果危險(xiǎn)辨識(shí)；根據(jù)PSP平臺(tái)油氣物性特點(diǎn)、PSP平臺(tái)各層甲板平面布局以及海洋石油開發(fā)項(xiàng)目的特點(diǎn)，對(duì)PSP平臺(tái)工藝設(shè)施發(fā)生油氣泄漏及所引發(fā)的后果影響進(jìn)行辨識(shí)分析。分析單元?jiǎng)澐旨胺治龇椒ㄟx擇；根據(jù)對(duì)PSP平臺(tái)油氣泄漏及后果的危險(xiǎn)辨識(shí)，結(jié)合PSP平臺(tái)工藝流程設(shè)計(jì)，對(duì)泄漏及火災(zāi)爆炸分析進(jìn)行單元節(jié)點(diǎn)劃分。并根據(jù)單元?jiǎng)澐值慕Y(jié)果，分別選擇相應(yīng)的模擬分析方法。模擬分析考慮以上各類事故對(duì)PSP平臺(tái)的后果影響，使用流體力學(xué)軟件FLUENT、渤海海域溢油模擬軟件以及火災(zāi)爆炸模擬軟件SAFETI等軟件對(duì)PSP平臺(tái)各單元發(fā)生油、氣泄漏所產(chǎn)生的后果影響進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)合計(jì)算結(jié)果，分析PSP平臺(tái)各類事故的對(duì)平臺(tái)人員、設(shè)備的影響[1]。根據(jù)PSP平臺(tái)整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作的總體規(guī)劃，在量化模擬PSP平臺(tái)整體火災(zāi)爆炸影響程度的基礎(chǔ)上，為海上生產(chǎn)活動(dòng)的總體布置的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提出相應(yīng)的技術(shù)支持。

PSP平臺(tái)需要對(duì)井口平臺(tái)來(lái)油進(jìn)行油氣分離、脫水等處理，并對(duì)處理后的合格原油進(jìn)行儲(chǔ)存。生產(chǎn)介質(zhì)自身的性質(zhì)決定了工藝系統(tǒng)若發(fā)生泄漏，容易被周圍的明火或高溫引燃，發(fā)生火災(zāi)乃至爆炸事故。使用火災(zāi)爆炸模擬軟件SAFETI對(duì)PSP平臺(tái)各工藝單元設(shè)備發(fā)生火災(zāi)、爆炸的后果影響進(jìn)行模擬計(jì)算[2]。SAFETI（Suite for Assessment of Flammable，Explosive and Toxic Impacts）中主要包括有泄流模型、彌散模型以及可燃性和毒性模型。其中泄流模型用來(lái)預(yù)測(cè)從容器、管線中泄漏出來(lái)的物料進(jìn)入大氣時(shí)的速率和狀態(tài)；彌散模型對(duì)物質(zhì)在空氣中的擴(kuò)散形式進(jìn)行模擬，不同的泄流形式導(dǎo)致不同的擴(kuò)散云圖；可燃性模型預(yù)測(cè)熱輻射水平、發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域以及超壓沖擊波影響范圍；毒性模型可以模擬泄漏出來(lái)的物質(zhì)對(duì)環(huán)境的毒性影響，以濃度對(duì)距離及時(shí)間的函數(shù)或者擴(kuò)散云的軌跡圖等形式來(lái)表達(dá)。在SAFETI的計(jì)算過程中，通過對(duì)泄漏物質(zhì)、泄漏相態(tài)、設(shè)施壓力、溫度、泄漏孔徑的定義，可以得到不同條件下的初始泄漏速率、泄漏爆炸噴射范圍、噴火影響以及閃火爆炸影響，如圖1所示。

圖1 SATFETI模擬計(jì)算模式

2 海洋石油生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)油氣漏泄SATFETI狀態(tài)模擬計(jì)算

及其相互作用的復(fù)雜過程。就溢油所導(dǎo)致的短期環(huán)境影響而言，溢油的漂移、擴(kuò)展、蒸發(fā)、分散作用起著支配地位。海上溢油的漂移與擴(kuò)展，主要取決于海表面風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)以及波浪和湍流的綜合作用。具體地說(shuō)，是海表層的風(fēng)海流、潮流、潮致余流、波浪余流、密度流以及隨機(jī)的湍流擴(kuò)散決定了溢油的水平運(yùn)動(dòng)。在近海，風(fēng)海流和潮流是決定溢油漂移軌跡最重要的因素。波浪對(duì)溢油的影響主要體現(xiàn)在水面的攪動(dòng)和波浪破碎而引起的溢油入水。風(fēng)的作用與油品的不同特性，則決定了海面原油的揮發(fā)和乳化，進(jìn)而影響溢油的密度和粘性變化[4]。

圖2 油氣泄露噴火模擬結(jié)果

采用SAFETI計(jì)算得出的設(shè)備的噴火影響范圍結(jié)果如圖2所示，其中描述噴火影響有3個(gè)熱輻射值，為 37.5 kw/m2；12.5 kw/m2；4.0 kw/m2這三個(gè)熱輻射影響范圍。

如圖2所示，當(dāng)設(shè)備泄漏后被點(diǎn)燃，產(chǎn)生一個(gè)火焰，火焰形成一個(gè)熱輻射區(qū)，與火焰最近為37.5 kw/m2（白色區(qū)域），次之為12.5 kw/m2（灰色區(qū)域），最外圍為4.0 kw/m2.熱輻射強(qiáng)度的影響輻射強(qiáng)度（kw/m2）結(jié)果37.5足以造成設(shè)備損壞。25無(wú)火焰直接加熱，長(zhǎng)時(shí)間可使木材燃燒的最小能量。12.5有火焰直接加熱，可使木材燃燒、塑料熔化的最小能量。4.0無(wú)火焰直接加熱，20 s內(nèi)可引起疼痛，可能造成二度燒傷，不致死[3]。1.6較長(zhǎng)時(shí)間暴露，無(wú)不舒適感。海上溢油事故發(fā)生后，原油進(jìn)入海洋受到海上風(fēng)、浪、流的綜合作用，在海上漂移、擴(kuò)散，嚴(yán)重破壞海域的生態(tài)環(huán)境。調(diào)查顯示，一次嚴(yán)重的海上溢油事故對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的危害可持續(xù)數(shù)十年。而海上溢油事故多數(shù)是突發(fā)性事故，當(dāng)溢油事故發(fā)生后，如何準(zhǔn)確獲得海面油膜的動(dòng)態(tài)信息，并迅速而有效地做出應(yīng)急反應(yīng)，對(duì)控制污染、減小損失以及清除污染都起著關(guān)鍵性的作用。海上溢油的行為和歸宿受風(fēng)、浪、流等動(dòng)力環(huán)境因素、其它非動(dòng)力環(huán)境因素和油品特性等多種因素的支配，經(jīng)歷著漂移、擴(kuò)散、蒸發(fā)、分散、乳化、溶解、光氧化

3 海洋石油生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)辨識(shí)

PSP平臺(tái)的海上生產(chǎn)活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于平臺(tái)工藝設(shè)施（管線、罐體、泵等）發(fā)生油氣泄漏事故，分析范圍從PSP平臺(tái)棧橋下游至平臺(tái)外輸管線。工藝設(shè)施發(fā)生烴類泄漏后，若被引燃，則會(huì)引發(fā)火災(zāi)、爆炸乃至相應(yīng)的升級(jí)事故發(fā)生，可能引發(fā)的事故狀態(tài)包括噴火、池火、爆炸。噴火是可燃烴類從帶壓容器中噴射出來(lái)時(shí)遇明火引燃所形成的燃燒狀態(tài)，其噴射的形態(tài)主要取決于泄漏的設(shè)備內(nèi)的壓力。發(fā)生泄漏的方向、位置、泄漏烴類的密度、組成以及周圍環(huán)境條件等，決定了出現(xiàn)在該區(qū)域的人員以及設(shè)備所遭受的傷害程度。液態(tài)可燃烴類泄漏出來(lái)被點(diǎn)燃會(huì)形成池火，在甲板上形成池火后，溫度的升高加速了油的蒸發(fā)，蒸發(fā)出來(lái)的烴類氣體更加劇了燃燒，形成更強(qiáng)的熱輻射。當(dāng)積聚的蒸氣云被點(diǎn)燃形成的火球在向外擴(kuò)展的過程中，如遇到阻隔，局部受到約束，引起局部湍流和漩渦，使火焰與火焰相互作用，造成燃燒速率急劇升高，有可能使爆燃轉(zhuǎn)變成為爆轟，產(chǎn)生危害巨大的爆炸沖擊波。此類事故在敞開空間發(fā)生的概率很低，一般不易發(fā)生爆轟。對(duì)于PSP平臺(tái)，設(shè)施布置較多，尤其中層甲板和下層甲板的設(shè)施對(duì)能量釋放的約束較大，容易形成劇烈爆炸。爆炸產(chǎn)生的超壓沖擊波能夠造成人員傷亡以及平臺(tái)結(jié)構(gòu)的損傷。

根據(jù)平臺(tái)工藝流程設(shè)計(jì)的需要，PSP平臺(tái)各層甲板設(shè)施在布置上考慮了功能區(qū)塊的劃分，并根據(jù)各區(qū)域工藝設(shè)施功能的不同、處理介質(zhì)的不同以及操作條件的不同，將平臺(tái)各層甲板的不同區(qū)域劃分成為不同的危險(xiǎn)等級(jí)，各等級(jí)區(qū)域之間設(shè)置了不同等級(jí)的防火墻。防火墻對(duì)火災(zāi)、爆炸事故的緩解與控制起到十分重要的作用。選擇合適的防火墻可以有效地抵御火災(zāi)爆炸的影響。在工藝系統(tǒng)中的某個(gè)設(shè)施發(fā)生泄漏時(shí)，由于泄漏口與大氣連通，泄漏口成為系統(tǒng)的泄壓點(diǎn)，流程中其他設(shè)施中的物料將順流甚至倒灌至泄漏口，導(dǎo)致大量油氣泄漏。設(shè)計(jì)上，在工藝流程中根據(jù)各設(shè)備設(shè)施的功能區(qū)分、設(shè)計(jì)壓力等級(jí)不同設(shè)置了關(guān)斷閥，在單體設(shè)備發(fā)生油氣泄漏或非正常工況時(shí)，可以及時(shí)實(shí)施關(guān)斷，對(duì)流程進(jìn)行隔斷，這樣可以有效地控制油氣泄漏量。根據(jù)工藝泄漏、火災(zāi)、爆炸模擬計(jì)算的需要，結(jié)合PSP平臺(tái)工藝系統(tǒng)中各設(shè)備設(shè)施之間的關(guān)斷閥設(shè)置以及關(guān)斷邏輯，對(duì)PSP平臺(tái)的工藝系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析單元的劃分。借助計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)PSP平臺(tái)中層甲板發(fā)生天然氣泄漏事故的后果進(jìn)行模擬分析如圖3所示[5]。

圖3 油氣泄露事故后果模擬

在模型建立的過程中，以盡可能地符合實(shí)際情況為原則，但是考慮到計(jì)算的需要，模型的建立不可能完全與實(shí)際一致，所以對(duì)平臺(tái)相應(yīng)處進(jìn)行了簡(jiǎn)化，包括管線、不規(guī)則設(shè)備等，以滿足模擬計(jì)算的要求，簡(jiǎn)化處理須保證對(duì)模擬計(jì)算的結(jié)果影響程度不大。為了能夠從最危險(xiǎn)的極端情況出發(fā)，分析中層甲板泄漏的可燃?xì)怏w擴(kuò)散狀態(tài)以及被點(diǎn)燃的后果影響。由于PSP平臺(tái)中層甲板工藝裝置區(qū)由一堵A0防火墻分隔，因此模擬分析中在兩個(gè)區(qū)域中分別選擇了一個(gè)泄漏點(diǎn)進(jìn)行模擬，泄漏點(diǎn)分別位于燃料氣滌氣罐及一級(jí)分離器，考慮到氣相泄漏的后果較油相泄漏后果更危險(xiǎn)，模擬分析泄漏物質(zhì)為氣相組分占90%以上的甲烷，采用PSP平臺(tái)中層甲板燃料氣滌氣罐及一級(jí)分離器的溫度和壓力分別進(jìn)行模擬計(jì)算，具體操作條件如下表1所列。

表1 泄漏模擬操作條件假設(shè)

根據(jù)平臺(tái)工藝流程圖中所明確的設(shè)備管線的壓力以及溫度，確定了表中甲烷的大小兩個(gè)等級(jí)的泄漏量，模擬東南、東北、西南、西北四個(gè)不同風(fēng)向下，兩種規(guī)模泄漏發(fā)生時(shí)，可燃?xì)怏w擴(kuò)散形態(tài)以及影響范圍，從而確定火炬點(diǎn)燃擴(kuò)散可燃?xì)怏w的風(fēng)險(xiǎn)值。以可燃性氣體甲烷到達(dá)爆炸下限25%作為擴(kuò)散邊界濃度值。常溫常壓下甲烷在空氣中的爆炸極限為5%～15%體積比濃度，因此確定甲烷擴(kuò)散邊界體積濃度（25%LEL）值為0.012 5，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度值為0.008 85 kg/m3.說(shuō)明工藝系統(tǒng)達(dá)到2.5 kg的CH4泄漏量的概率是很高的。通過計(jì)算結(jié)果可以看出，在爆炸發(fā)生0.15 s時(shí)，產(chǎn)生的超壓峰值達(dá)到最高，距離爆炸核心距離為2.1 m，溫度峰值最高出現(xiàn)在爆炸初期，即0.05 s時(shí)刻，溫度峰值達(dá)到2 304.24℃，距離爆炸核心距離為1.5 m.已經(jīng)影響到附近的工藝設(shè)施，將引發(fā)事故的升級(jí)。通過爆炸模擬計(jì)算可以看出，發(fā)生天然氣泄漏后，初次爆炸對(duì)平臺(tái)整體影響相對(duì)較小，若能及時(shí)關(guān)斷，且生產(chǎn)區(qū)內(nèi)各類設(shè)備均按照相應(yīng)防爆等級(jí)設(shè)置，基本可以得到及時(shí)有效的控制。若在一次爆炸后，未能及時(shí)關(guān)斷泄漏氣源，仍有可燃?xì)怏w補(bǔ)充并被引燃，在設(shè)備較多的PSP平臺(tái)，容易引起爆燃產(chǎn)生較大超壓影響的二次爆炸甚至連續(xù)爆炸。在連續(xù)爆炸的升級(jí)事故狀態(tài)下，在較高的超壓以及極高的溫度持續(xù)作用下，平臺(tái)設(shè)施、結(jié)構(gòu)會(huì)遭到較為嚴(yán)重的破壞，并形成大面積火災(zāi)，A0及A60防火墻均會(huì)失去屏障作用，造成更大范圍的設(shè)備損失及人員傷亡，甚至造成平臺(tái)倒塌。對(duì)于系統(tǒng)的及時(shí)關(guān)斷以及危險(xiǎn)區(qū)各類防爆設(shè)備設(shè)施的選型成為控制事故后果發(fā)展，降低二次爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵[6]。

4 海洋石油生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)火災(zāi)爆炸分析總結(jié)展望

采用SAFETI軟件系統(tǒng)對(duì)PSP平臺(tái)的火災(zāi)爆炸后果進(jìn)行了計(jì)算模擬分析，該火災(zāi)爆炸計(jì)算模擬分析，將支持本風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的油田生產(chǎn)總體布置分析報(bào)告中的各項(xiàng)分析內(nèi)容：

（1）通過使用FLUENT軟件系統(tǒng)對(duì)PSP平臺(tái)主要?dú)怏w泄漏點(diǎn)源的氣體擴(kuò)散模擬，結(jié)合“擋風(fēng)墻分析”報(bào)告中的流場(chǎng)模擬與泄漏點(diǎn)源擴(kuò)散模擬，認(rèn)為PSP平臺(tái)總體布局較緊密，在水平方向氣體擴(kuò)散水平較低，但由于甲板層高設(shè)置較高，可燃性氣體依然具備較有效的擴(kuò)散空間，不至于產(chǎn)生聚集，總體而言工藝甲板的設(shè)施布局較合理，目前的工藝區(qū)域分隔模式也較合理。

（2）通過使用SAFETI軟件模擬ALPHA平臺(tái)第一次閃燃當(dāng)量，發(fā)現(xiàn)若在PSP平臺(tái)發(fā)生類似閃燃，主要風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自于高熱的輻射，建議PSP工藝罐體考慮一定的保溫層設(shè)置，降低熱輻射的影響。

（3）通過使用SAFETI軟件，模擬PSP各設(shè)備的火災(zāi)爆炸水平，認(rèn)為PSP整體火災(zāi)爆炸水平與其他海上設(shè)施工藝系統(tǒng)的整體水平差異不大，就主要的火災(zāi)爆炸點(diǎn)源儲(chǔ)罐而言，受其壓力等級(jí)低，SIL邏輯設(shè)置合理等條件的貢獻(xiàn)，結(jié)構(gòu)可靠的條件下，發(fā)生噴火以及大面積池火的可能性低，風(fēng)險(xiǎn)水平處于可接受范圍。

（4）通過使用SAFETI渤海溢油軟件，模擬了PSP儲(chǔ)罐溢油到海上的擴(kuò)散面積，其結(jié)果以及原油自身屬性說(shuō)明，PSP儲(chǔ)罐泄漏后導(dǎo)致海面池火的可能性極低，可以忽略。

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