海上油氣平臺火災(zāi)爆炸分析與評估方法

潘海鋒 凌愛軍

摘 要：海上油氣平臺是海上油氣生產(chǎn)的重要設(shè)施，在油氣生產(chǎn)領(lǐng)域具有重要意義。而火災(zāi)爆炸是海上油氣平臺重大安全風(fēng)險之一，為了降低海上油氣平臺生產(chǎn)過程中的安全風(fēng)險和成本，針對海上油氣平臺進行火災(zāi)爆炸分析具有重要意義。在火災(zāi)爆炸理論分析基礎(chǔ)上，特別是噴射火和池火理論分析基礎(chǔ)上，結(jié)合仿真分析軟件（FLACS）進行泄露介質(zhì)擴散云分析、火災(zāi)爆炸后果分析、噴射火動態(tài)仿真及其關(guān)鍵參數(shù)影響分析，確定泄露介質(zhì)擴散云、火災(zāi)爆炸后果、噴射火關(guān)鍵參數(shù)以及需要被動防火（PFP）保護的位置。研究結(jié)果表明，在對海上平臺火災(zāi)爆炸后果分析中，仿真分析方法更精確和適用，尤其在確定被動防火（PFP）區(qū)域和位置方面，值得推廣和借鑒。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)爆炸 噴射火和池火 擴散云 火災(zāi)爆炸后果 被動防火（PFP）

中圖分類號：P75文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-9082（2019）05-0-03

引言

海上油氣平臺火災(zāi)爆炸是造成海上油氣平臺總體風(fēng)險的主要組成部分[1]。然而，常用理論研究[2-3]在用于評估火災(zāi)爆炸風(fēng)險和基于防火保護的設(shè)計方法時可能較為淺顯。工程軟件仿真在用于海上油氣平臺火災(zāi)爆炸模擬分析中具有更加精確和高效的特點，且建模仿真分析普遍用于海上油氣平臺工程安全風(fēng)險分析中。在海上油氣平臺火災(zāi)爆炸分析中，本文重點基于計算流體動力學(xué)（CFD）[4]仿真分析。

一、CFD模型仿真方法

預(yù)測海上油氣平臺火災(zāi)爆炸熱輻射的影響可以使用計算流體動力學(xué)（CFD）模型來進行分析。這些模型是基于海上油氣平臺開敞結(jié)構(gòu)下的火災(zāi)分析，并且也適用于大多數(shù)海上典型設(shè)施火災(zāi)模擬。而實際工程應(yīng)用中，海上結(jié)構(gòu)模塊往往會受到墻壁、甲板和其他結(jié)構(gòu)的限制，并可能完全改變火災(zāi)的影響。計算流體動力學(xué)（CFD）模型通常分析泄露點可燃介質(zhì)流體擴散[5]云圖，結(jié)合泄露介質(zhì)熱值，模擬火災(zāi)爆炸的熱輻射后果。這種分析可燃介質(zhì)流體泄露擴散時，就會考慮船體墻壁和其他對介質(zhì)擴散有影響的結(jié)構(gòu)，因此仿真分析計算結(jié)果更加精確。

在上述精確性分析方法中，結(jié)構(gòu)最大能承受的火災(zāi)值就是火災(zāi)爆炸分析的一個極限值。詳細(xì)分析達到結(jié)構(gòu)承載極限值的區(qū)域，因為它最終將決定PFP（被動防火措施）的位置。分析中所假設(shè)的泄露介質(zhì)場景大小不同，相應(yīng)地PFP覆蓋率的計算結(jié)果差異也會很大。通常，在火災(zāi)爆炸場景仿真分析時，由于涉及到一些不確定性因素的影響，一般會進行一些保守性的假設(shè)，進而導(dǎo)致PFP的覆蓋范圍通常比實際需要的大。另外，在火災(zāi)爆炸分析中，經(jīng)常涉及到對火災(zāi)爆炸風(fēng)險進行等級劃分，此時通常使用業(yè)主可接受的風(fēng)險準(zhǔn)則。

火災(zāi)爆炸后果仿真分析中，使用CFD模型方法來模擬泄露介質(zhì)擴散動態(tài)，然后通過FLACS的火災(zāi)爆炸分析軟件，結(jié)合泄露介質(zhì)被點燃工況，仿真火災(zāi)爆炸后果。

二、火災(zāi)爆炸理論

1.火災(zāi)爆炸數(shù)學(xué)模型

在目前的研究中，經(jīng)常使用質(zhì)量、動量、焓、燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)、湍流動能和湍動能耗散率等守恒定律來模擬火災(zāi)爆炸現(xiàn)象[6-7]。通過分析這些量的守恒定律微分方程，得Favre平均變量服從廣義方程（方程（1）所示），其中表示因變量ui;h;Yi;k;;代表該變量的湍流交換系數(shù)，Si代表相應(yīng)的源項：

孔隙度方法應(yīng)用于建模中，并且在方程（1）中，由來表示。同時考慮體積孔隙度和面積孔隙度。

火和熱傳遞模擬基于通用公式傅里葉方程（方程2）針對整個系統(tǒng)進行分解，方程如式（2）所示。

其中，C是比熱容;k是沿X、Y和Z方向上的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.噴射火和池火理論

特定泄漏量、噴射火焰長度（在t=0、5分鐘、10分鐘和30分鐘）、池火直徑、池火長度、釋放持續(xù)時間和燃燒持續(xù)時間是研究火災(zāi)爆炸需要計算出的變量。氣體的釋放速率和液體的釋放速率是泄露的主要輸出[8]。

壓力下泄漏氣體的初始?xì)怏w釋放速率計算如式（3）：

式（3）中，A為泄露孔的面積、CD為流量系數(shù)、Po為氣體操作壓力（Pa）、M為氣體分子質(zhì)量（g/mol）、T0為操作溫度（K）、為比熱比、R為通用氣體常數(shù)（8314j/（k·gmol·K））、Pa為絕對壓力（Pa）。

壓力下泄漏液體的初始液體釋放速率計算如式（4）：

式（4）中，為泄露液態(tài)介質(zhì)密度。

在海上，Chamberlain方程計算噴射火焰長度如式（5）：

根據(jù)釋放速率隨釋放時間指數(shù)衰減，且按式（6）計算t=0分鐘，5分鐘，10分鐘和30分鐘時釋放速率，然后使用Chamberlain方程式（5）來確定噴射火焰長度。

式（6）中，mG由下式（7）計算：

式（7）中，P為氣體操作壓力、T為氣體操作溫度、M為氣體分子質(zhì)量、r為管道或容器半徑、L為管道或容器長度或高度。

針對原油生產(chǎn)處理系統(tǒng)，如研究由注入油井的甲醇和收集柴油泄放液體形成的池火。由于FPSO上的所有含有液體的設(shè)備都配備有防止液體傳播的圍池，因此圍池的直徑（最糟糕的情況）由下式（8）給出：

式（8）中，A為最嚴(yán)重泄露情況下圍池的面積。

池火的長度由式（9）計算：

式（9）中，為空氣密度、Vburningrate為燃燒速率。

三、火災(zāi)爆炸分析步驟

1.仿真建模

建模中，除平臺主體結(jié)果、防火圍蔽等要在模型中體現(xiàn)外，重大設(shè)備及其管線也要在模型中體現(xiàn)。因為這些設(shè)備會成為障礙物直接影響泄露介質(zhì)的擴散，進而影響仿真分析的結(jié)果。例如建模如下圖1所示。通過海上油氣平臺設(shè)計圖紙和現(xiàn)場調(diào)研，對分析對象進行建模。模型越精確仿真分析結(jié)果就越精確。

2.泄露介質(zhì)計算

根據(jù)海上油氣平臺現(xiàn)場數(shù)據(jù)，確定平臺生產(chǎn)介質(zhì)的組成，選定泄露代表性介質(zhì)。根據(jù)《基于風(fēng)險檢驗的基礎(chǔ)方法》[9]中常見泄露場景，表1所示，由式（3）、（4）計算泄露介質(zhì)的泄露速率。

3.火災(zāi)爆炸仿真分析

網(wǎng)格劃分：計算網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞是決定計算結(jié)果準(zhǔn)確性和精確度主要因素，模擬區(qū)域相對較為簡單，整個計算區(qū)域采用規(guī)則網(wǎng)格進行劃分，對于泄漏源區(qū)域進行網(wǎng)格加密，以反映氣體運動的快速變化;隨著離泄漏源區(qū)域的增加，逐步增大網(wǎng)格，以便減少計算時間，提高計算效率。

計算模擬過程包括3個階段，第一階段對計算區(qū)域的風(fēng)場開展模擬，以獲得在不同風(fēng)場下的大氣流動情況，其將對天然氣的擴散起到顯著的影響作用;第二階段將泄漏的天然氣耦合入已經(jīng)完成的風(fēng)場中[10]，實現(xiàn)風(fēng)場運動作用下的天然氣擴散過程的分析，最終確定天然氣在特定環(huán)境條件下的分布情況;第三階段，選取泄漏天然氣穩(wěn)定氣云時間點，設(shè)置點火點，重新劃分燃爆模擬網(wǎng)格，實現(xiàn)泄漏后燃爆事故的模擬。泄露介質(zhì)擴散云圖如下圖2所示，火災(zāi)爆炸仿真分析見圖3所示。

四、泄露介質(zhì)噴射火仿真

通過對火災(zāi)案例進行大量地系統(tǒng)調(diào)查，其中涉及在海上生產(chǎn)區(qū)域的火災(zāi)通常為噴射火災(zāi)。以下重點對上述案例進行泄露處泄露介質(zhì)噴射火仿真分析，其噴射火理論基礎(chǔ)見2.2節(jié)所述。通過仿真分析來確定哪些參數(shù)對火災(zāi)爆炸的嚴(yán)重程度最為重要，尤其導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)和設(shè)備的坍塌，同時確定那些位置需要PFP（被動防火措施），以防止更大事故后果發(fā)生。

1.噴射火區(qū)域熱通量

為了預(yù)測坍塌發(fā)生的時間和位置，需要著重考慮火災(zāi)的動態(tài)，在噴射火中最熱的區(qū)域移動緩解了對結(jié)構(gòu)造成的破壞。火焰的移動以圖4所示的水平噴射火為例來進行說明。在這里，火焰（用顏色）以噴射火焰的兩個不同快照方式來顯示，分別為初始泄漏（96kg/s）和5分鐘后（24kg/s）的兩種工況，如圖4所示。在沿x方向且在距離泄漏點約30米的前方的水平管道上測量熱通量，該管道上接收到的熱通量繪制在圖5中。圖5表明對于初始泄露（96kg/s），有兩個500kW/m2的熱區(qū)域，在噴射火中心線的兩側(cè)各有一個。當(dāng)泄漏率降低到24kg/s和6kg/s時，管道上最熱的點位于射流的中心線附件。

圖注：泄露最初火災(zāi)，96公斤/秒（圖左）;5分鐘后，24公斤/秒（圖右）

由于火焰的這種動態(tài)運動，管道上最熱的點也會移動?；馂?zāi)爆炸發(fā)生的第一分鐘，當(dāng)泄漏率為96kg/s時，管道的最大熱通量為500kW/m2。然而，5分鐘后，同樣的地方的熱通量為130kW/m2。5分鐘時，最熱的地點向下移動了約2米，這里的通量為240kW/m2。在此案例中，找到了管道上最大的熱通量點，如圖6所示。同時在管道x=302m、x=304m處，在初始泄露、泄露5min時、泄露11min時的熱通量。這個工程案例顯示了火災(zāi)中心點，當(dāng)發(fā)生坍塌時，只研究固定火災(zāi)中心點位置的熱通量。

2.火災(zāi)爆炸分析關(guān)鍵參數(shù)

通過不同參數(shù)如風(fēng)速、風(fēng)向、泄漏率、噴射方向和泄漏位置來進行仿真模擬分析，在每組參數(shù)案例分析中取出模塊中幾個單元的熱通量。通過分析仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)最重要的參數(shù)是泄漏方向、泄漏位置、噴火是否碰到障礙物、初始泄漏率和泄漏持續(xù)時間，而風(fēng)速和風(fēng)向通常不會對射流火災(zāi)的結(jié)果造成重大影響。所有這些參數(shù)都在后續(xù)仿真計算中考慮。

五、海上平臺導(dǎo)管架火災(zāi)爆炸仿真分析

上述工程案例海上平臺上預(yù)計將安裝兩個新的燃?xì)饬⒐芎鸵粋€清管站。清管站位于最低層甲板的西側(cè)。當(dāng)新清洗站點發(fā)生火災(zāi)時，分析的目的是確定最低層甲板是否需要PFP覆蓋。這個案例只考慮來自新清管工作站的泄漏，同一區(qū)域的其他管道和設(shè)備不包括在泄漏源中?；馂?zāi)爆炸仿真分析與PFP研究一起進行，且本案例中應(yīng)用了來自QRA分析中的情景定義、泄漏頻率和點火概率。

選取新清管工作站中最大部分的小，中，大孔泄漏三種情景。噴射方向朝向平臺的內(nèi)部。發(fā)現(xiàn)大孔泄露情景在甲板內(nèi)造成最嚴(yán)重的后果。因此，主要分析大孔泄露這種情況下甲板那些地方需要PFP覆蓋。圖7顯示了平臺俯視結(jié)構(gòu)圖，并顯示了ROW的位置。圖8和圖9中的鋼溫度仿真分析圖，溫度達到臨界溫度以上會導(dǎo)致ROWB坍塌。因此，PFP需要覆蓋到ROWB。

六、結(jié)論

本研究通過流體動力學(xué)（CFD）模型來計算泄露介質(zhì)擴散云圖和火災(zāi)爆炸后果影響。此方法在海上平臺火災(zāi)爆炸分析方面更精確和簡便，讓我們更直接地了解海上平臺火災(zāi)爆炸風(fēng)險后果，同時促進海上平臺更好地風(fēng)險管控。

通過泄露位置處的噴射火仿真，確定噴射火所影響區(qū)域的熱通量，尤其是噴射火影響最嚴(yán)重的區(qū)域。同時確定那些位置需要采取被動防火（PFP）措施，防止海上平臺更嚴(yán)重的火災(zāi)爆炸后果出現(xiàn)。

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