基于CFD的海上油氣平臺可燃氣體擴散安全評估

軒軍廠，王子維，叢廣佩，路篤輝

（1.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450；2.廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000；3.中國特種設(shè)備檢驗研究院，北京 100085）

海上油氣開采由于受作業(yè)空間的限制，油氣生產(chǎn)設(shè)備布置往往比較密集，因此火災(zāi)事故的危險程度更高。由于海上平臺逃生困難，且救援措施往往難以快速響應(yīng)。尤其對于油氣存儲量大，油氣存放集中的海上儲罐平臺?；谝陨显颍馂?zāi)爆炸風(fēng)險評估是海上油氣開采安全管理的必要工作之一。

對于火災(zāi)爆炸風(fēng)險的評估，國內(nèi)外學(xué)者最早提出了多種蒸氣云爆炸后果預(yù)測的一維模型，包括TNT當量模型、TNO 多能模型以及Baker—Strehlow模型等，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于陸地各類危險化學(xué)品的安全風(fēng)險預(yù)測。傳統(tǒng)計算模型具有使用方便的顯著特點，但僅僅適合于預(yù)測特定場景下敞開空間爆炸產(chǎn)生的遠場沖擊波，而不能預(yù)測爆炸源近場超壓。對于海上平臺設(shè)備布置密集、空間狹小的情況，其后果預(yù)測往往存在安全度不足的問題。近年來，隨著全尺寸爆炸試驗的開展，以及CFD(Computational Fluid Dynamics，流體動力學(xué))分析技術(shù)日益成熟，CFD模擬計算在海上平臺氣體爆炸中的應(yīng)用研究得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的重視。FLACS流體計算軟件對海上平臺氣體爆炸的模擬結(jié)果表明，CFD模擬結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較高。此外，一些專業(yè)的CFD工具也被用于海上平臺工藝裝置氣體擴散爆炸超壓的模擬，評估對周邊設(shè)施的影響，以此來指導(dǎo)設(shè)計方案的優(yōu)化。專業(yè)CFD工具也被用于設(shè)備密集空間的爆炸風(fēng)險模擬，優(yōu)化設(shè)備設(shè)施的總體布局。

本文即研究采用CFD技術(shù)，利用Gambit和Fluent軟件，建立海上儲罐平臺三維計算模型，模擬得到不同工況下的可燃氣體的擴散情況，分析對比多變量、變參數(shù)和理論極端工況場景下可燃氣體擴散對平臺新建組塊的影響，從而評估現(xiàn)有平面布置設(shè)計方案中存在潛在風(fēng)險，進而提出平面布置的優(yōu)化建議，以及日常運行中的安全問題。

1 計算模型

1.1 幾何建模

按照初始設(shè)計方案，改造后的儲運平臺上部組塊分為組塊和儲罐。其中，儲罐部分包括3個Φ16700×10935mm的儲罐；組塊分為3層甲板，裝有68臺設(shè)備。其平面布置如圖1、2所示。

在幾何模型建立的過程中，盡量以符合實際情況為原則，但是考慮到計算的需要和經(jīng)濟性，在不影響計算結(jié)果的前提下，模型進行了相應(yīng)的簡化：擋風(fēng)墻上斜梁的面積遠小于進風(fēng)口的面積，對進口風(fēng)速的影響不大，在建模的過程中不做考慮；選取部分的管線均布于平臺空間模型的頂端，并將這些管線的尺寸略微放大，使其占有的平臺空間與簡化處理前相比不出現(xiàn)較大的差值；對平臺上放置的不規(guī)則設(shè)備以及體積較小的設(shè)備進行了簡化處理，其對模擬計算的結(jié)果影響不大；外部的樓梯不考慮在內(nèi)。

圖1 儲運平臺側(cè)視圖

圖2 儲運平臺底層甲板平面布置圖

對三位模型進行網(wǎng)格劃分時，根據(jù)模擬計算中選取的數(shù)學(xué)模型以及幾何模型的特點，并且考慮到平臺的實際尺寸情況，對儲罐和組塊選取不同的網(wǎng)格劃分方式，組塊空間選用單位長度為0.6m的四面體交錯網(wǎng)格，儲罐空間選用單位長度為1m的四面體交錯網(wǎng)格。

1.2 邊界條件以及參數(shù)選擇

可燃氣體泄漏擴散模擬計算邊界條件及相關(guān)參數(shù)選擇如下：

（1）根據(jù)設(shè)計環(huán)境參數(shù)，最小環(huán)境風(fēng)速取為東風(fēng)2.6m/s。為進行工況對比，還選取3.5、4.5、5.5m/s進行擴散工況模擬。

表1 不同風(fēng)速條件下可燃氣體爆炸下限25%的邊界面尺寸

（2）泄漏氣相選為甲烷，初始體積濃度設(shè)定為100%。

（3）正常工況下呼吸閥排放速率選取50m3/h，極限工況下選取1500m3/h，儲罐氣體泄漏速率選取為50m3/h。

（4）關(guān)注的可燃氣體邊界濃度為爆炸下限（LEL）的25%及以上，對低于此濃度的擴散不再進行模擬和分析。

2 敏感目標設(shè)置及優(yōu)化原則

（1）電氣設(shè)備?？扇細怏w在風(fēng)的作用下，可能在電氣設(shè)備處發(fā)生聚集，如果濃度達到爆炸下限的25%，在電氣設(shè)備的點火下，可能發(fā)生爆炸。提出優(yōu)化建議時可以改變電氣設(shè)備的布置或選用防爆設(shè)備，也可以添加擋風(fēng)墻阻擋氣體擴散。

（2）可燃氣體探測設(shè)備。初步設(shè)計時，可燃氣體探測設(shè)備的布置沒有考慮可燃性氣體擴散范圍。因此，可燃氣體在風(fēng)的作用下，可能擴散到?jīng)]有設(shè)置探測設(shè)備的區(qū)域。提出優(yōu)化建議時，需要考慮增加可燃性氣體探測設(shè)備，或優(yōu)化現(xiàn)有探測設(shè)備布置。

（3）熱工作業(yè)。熱工作業(yè)主要通過動火作業(yè)許可進行管理。在熱工作業(yè)前進行作業(yè)風(fēng)險分析時，應(yīng)考慮可燃氣體擴散的影響。

3 環(huán)境風(fēng)速對擴散影響的模擬分析

為研究環(huán)境風(fēng)速對擴散的影響，模擬計算中選取一個儲罐為例進行研究，在泄漏速率為1500m3/h條件下，分別模擬了東風(fēng)2.6、3.5、4.5、5.5m/s共4種工況的可燃氣體擴散影響范圍，擴散影響范圍模擬結(jié)果見表1。

對比4種風(fēng)速下可燃氣體的擴散情況，可以發(fā)現(xiàn)可燃氣體均沿風(fēng)速方向擴散，距離排放點越遠，濃度越低。且隨著風(fēng)速的增加，擴散情況發(fā)生顯著變化。

對比可燃氣體的爆炸下限25%的邊界面面積和3個方向最大跨度，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速對可燃氣體擴散具有重要的影響，風(fēng)速不同，危險區(qū)域的范圍也不同；隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，邊界面面積及3個方向最大跨度都在降低，可燃氣體的危險區(qū)域范圍減小。

分析其原因發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速進一步增大，空氣的湍流作用加強，空氣的稀釋作用也越強，相同地點的可燃氣體濃度隨之下降。由此可見在4種工況中，環(huán)境風(fēng)速越小，可燃氣體擴散的危險區(qū)域越大。

4 可燃氣體擴散狀態(tài)分析

（1）儲罐進油時呼吸閥排放可燃氣體擴散模擬。為了得到儲罐進油狀態(tài)下呼吸閥排放可燃氣體擴散情況，分別模擬了東風(fēng)2.6m/s環(huán)境下3個儲罐的呼吸閥排放可燃氣體的擴散情況，模擬結(jié)果顯示儲罐進油工況下，呼吸閥排放可燃氣體擴散不會影響到新建組塊。

（2）儲罐進油時罐壁泄漏可燃氣體擴散模擬。為研究進油工況下罐壁泄漏導(dǎo)致可燃氣體擴散的影響范圍，分別模擬了東風(fēng)2.6m/s環(huán)境下，3個儲罐罐壁泄漏可燃氣體的擴散情況，模擬結(jié)果顯示儲罐進油工況下，罐壁泄漏導(dǎo)致可燃氣體擴散不會影響到新建組塊。

（3）儲罐進油時罐頂泄漏可燃氣體擴散模擬。為研究進油工況下罐頂泄漏導(dǎo)致可燃氣體擴散的影響范圍，分別模擬了東風(fēng)2.6m/s環(huán)境下，3個儲罐罐頂泄漏的可燃氣體擴散情況，模擬結(jié)果顯示儲罐進油工況下，罐頂泄漏導(dǎo)致可燃氣體擴散不會影響到新建組塊。

（4）儲罐呼吸閥達到排放極限時可燃氣體擴散模擬。為研究危險工況下，呼吸閥達到排放極限時，排放可燃氣體擴散的影響范圍，分別模擬了東風(fēng)2.6m/s環(huán)境下，泄漏速率為1500m3/h時，3個儲罐的呼吸閥排放的可燃氣體擴散情況。模擬結(jié)果顯示危險工況下，呼吸閥排放可燃氣體擴散影響區(qū)域已達到新建組塊。

（5）理論極端工況下，儲罐呼吸閥達到排放極限時可燃氣體擴散模擬。為研究理論極端工況下，呼吸閥達到排放極限時，排放可燃氣體擴散的影響范圍，分別模擬了東風(fēng)0.1~2.5m/s環(huán)境下，泄漏速率為1500m3/h時，儲罐的呼吸閥排放的可燃氣體擴散情況，模擬結(jié)果顯示：隨著風(fēng)速降低，可燃氣體爆炸下限的25%邊界逐漸向中層甲板擴散，隨后與上層甲板接觸；當風(fēng)速小于0.5m/s時，邊界不與新建組塊接觸。

5 可燃氣體擴散的安全影響評估

（1）儲罐進油時呼吸閥排放可燃氣體擴散的安全評估。通過對儲罐進油時呼吸閥排放可燃氣體擴散模擬，可燃氣體的邊界距離組塊較遠，儲罐呼吸閥正常排放時，不會影響組塊上的電氣設(shè)備。不同的儲罐由于所處位置和周邊設(shè)備布置的不同，可燃氣體擴散形態(tài)有細微的差別。根據(jù)模擬結(jié)果，呼吸閥排放的可燃氣體會影響到灌頂?shù)臒峁ぷ鳂I(yè)，因此呼吸閥附近進行熱工作業(yè)時應(yīng)停止儲罐進油作業(yè)，罐頂熱工作業(yè)時應(yīng)事前進行清罐處理。

（2）儲罐進油時罐壁泄漏可燃氣體擴散的安全評估。通過對儲罐進油時罐壁泄漏可燃氣體擴散模擬，可燃氣體的邊界距離組塊較遠，儲罐罐壁泄漏時，不會影響組塊上的電氣設(shè)備。但是考慮到徑向的擴散，罐壁附近2.5m范圍內(nèi)進行熱工作業(yè)時應(yīng)加強可燃氣體探測。

（3）儲罐進油時罐頂泄漏可燃氣體擴散的安全評估。通過對儲罐進油時罐頂泄漏可燃氣體擴散模擬，可燃氣體的邊界距離組塊較遠，儲罐罐頂泄漏時，不會影響組塊上的電氣設(shè)備。但是考慮到泄漏點附近可燃氣體的濃度高于爆炸下限的25%，在罐頂附近進行熱工作業(yè)時應(yīng)加強可燃氣體探測。

（4）儲罐呼吸閥達到排放極限時可燃氣體擴散的安全評估。通過對儲罐呼吸閥達到排放極限時可燃氣體擴散模擬，呼吸閥排放可燃氣體擴散影響區(qū)域已接觸到組塊。因此，在危險工況下應(yīng)考慮組塊內(nèi)設(shè)備的停機斷電，并做好非主要人員的撤離。

（5）理論極端工況下，儲罐呼吸閥達到排放極限時可燃氣體擴散評估。通過對理論極端工況下，儲罐呼吸閥達到排放極限時可燃氣體擴散模擬，當風(fēng)速小于2.1m/s時，可燃氣體的爆炸下限的25%的邊界接觸組塊，隨著風(fēng)速的降低，邊界向中層甲板擴展；當風(fēng)速達到1m/s時，邊界深入中層甲板距離達到最大為17.7m；當風(fēng)速達到0.7m/s時，邊界深入上層甲板距離達到最大，貫穿上層甲板。考慮到理論極端工況下平臺作業(yè)和人員的安全，建議在中層甲板靠儲罐一側(cè)整體加裝防火墻，確保極端工況下可燃氣體擴散不會對組塊造成影響。

6 結(jié)語

本文采用了基于CFD的分析方法，對海上儲罐平臺的可燃氣體擴散進行了模擬，通過對模擬結(jié)果的分析，為平臺的設(shè)計方案提供了優(yōu)化建議，修訂了熱工作業(yè)管理的內(nèi)容，并得到以下結(jié)論。

（1）基于CFD的分析工具在充分考慮設(shè)備密集布置和各類極端工況下，可以模擬較為真實可靠地可燃氣體擴散狀態(tài)，因此適用于海上平臺的可燃氣體泄漏風(fēng)險評估。

（2）通過CFD模擬分析，可以充分模擬各類工況下可燃氣體擴散影響范圍，從而評估變更設(shè)計方案的安全性、優(yōu)化各類設(shè)備的空間布局和安全距離、優(yōu)化可燃氣體探測設(shè)備布局、以及防火墻增設(shè)方案。

（3）通過CFD模擬分析，可以準確分析出日常熱工作業(yè)的高風(fēng)險區(qū)域和位置，為平臺日常作業(yè)重點安全防護區(qū)域的確定提供依據(jù)。

（4）通過CFD模擬分析，可以優(yōu)化某些關(guān)鍵部件的布置方案，如罐頂呼吸閥的位置應(yīng)盡量遠離潛在點火源等。