CFD方法在海上平臺定量風險分析中的應用

趙 剛

（勝利海上監(jiān)督處，山東 東營 257000）

海洋石油平臺的特點是將開采設備、工藝處理設備和易燃易爆物質(zhì)至于有限的空間，各類容器、管線、閥門等有大量的密封點的機械設備高度集中，因腐蝕、疲勞損傷或操作問題，不同程度的泄漏事件頻繁發(fā)生[1]。而一旦發(fā)生點火，就極有可能會升級成為火災或者爆炸事故[2]。工作區(qū)域和人員生活區(qū)域距離很近，且只能通過船只或直升機逃生，所以一旦發(fā)生事故，傷亡往往非常嚴重。魏超南等[3]人基于CFD理論,對井噴天然氣的運動行為及危險區(qū)域的分布規(guī)律進行模擬和分析，得出不同工況下甲烷氣體濃度在平臺上的分布規(guī)律。韓圣章[4]研究海洋平臺可燃氣體的泄漏擴散和氣云爆炸，分析爆炸產(chǎn)生的超壓對平臺造成的風險。宋劍[5]建立海洋平臺結(jié)構(gòu)氣體爆炸荷載的分析模型，對爆炸載荷下海洋平臺結(jié)構(gòu)的可靠性進行研究。王學岐，韓兆輝等[6]人運用CFD方法對液化氣球罐區(qū)的液化氣泄漏擴散、爆炸事故后果進行數(shù)值模擬分析，從點火源位置、氣團大小和阻塞度方面分析爆炸沖擊波及火焰?zhèn)鞑デ闆r。

本文選擇某海上油氣平臺的油氣處理系統(tǒng)，對識別出的風險進行后果和風險計算。其中，主工藝流程的設備設施發(fā)生的泄漏事故，使用CFD方法進行氣體擴散，火災和爆炸進行模擬計算。最后，將所有風險進行疊加，得到平臺不同區(qū)域的風險和不同工種工作人員的年度風險，并總結(jié)出海洋油氣平臺風險分析流程，為海上油氣平臺的定量風險評估工作提供指導建議。

1 平臺狀況

1.1 總體布置

本研究中的主要設施分布在DPA、DPB、DPC三個連接在一起的平臺上。為了便于后面提取特定區(qū)域的火災熱輻射和爆炸超壓等數(shù)據(jù)，根據(jù)平面布置圖中設備設施分布情況，將平臺劃分成16個區(qū)域，編號從P1至P16。

1.2 平臺主工藝

原油生產(chǎn)及處理流程：從井口上來的生產(chǎn)物流在自由水分離器被初步分成油、氣、水三部分，分離出的伴生天然氣進入燃料氣系統(tǒng)；分離出的含油污水直接進入水力旋流器；分離出的含水原油經(jīng)加熱后進入生產(chǎn)分離器。生產(chǎn)分離器為油氣水三相分離器，分離出的伴生天然氣進入燃料氣系統(tǒng)；分離出的含油污水直接進入水力旋流器；分離出的含水原油再經(jīng)換熱、加熱后進入油處理器。油處理器為三相分離器，分離出的伴生天然氣進入燃料氣系統(tǒng)；分離出的含油污水直接進入浮選器；分離出的原油進入原油緩沖罐，然后經(jīng)海底管線輸往陸地的接收裝置。

天然氣燃燒系統(tǒng)：從自由水分離器、生產(chǎn)分離器、油處理器中分離出的伴生天然氣和氣井采出的天然氣進入天然氣處理系統(tǒng)，經(jīng)雜質(zhì)吸收裝置、凈化器除雜凈化后，再經(jīng)燃料氣過濾分離器和燃料氣加熱器除液和干燥后，用作燃氣輪發(fā)電機的燃料，多余部分通過火炬放空燃燒。燃料氣過濾分離器和火炬洗滌器分離產(chǎn)生的含水原油返回生產(chǎn)流程進行處理。

1.3 風險辨識

根據(jù)平臺工藝流程、設備設施分布、處理介質(zhì)和工作人員作業(yè)類型，結(jié)合以往平臺事故原因分析，平臺生產(chǎn)過程中存在油氣泄漏、船只事故、高處墜落風險，危險物質(zhì)主要有天然氣、原油。

1.4 平臺人員狀況

平臺實行兩班倒工作制，白班為早晨6點至下午6點，夜班為下午6點至早晨6點。每班人員在平臺連續(xù)工作14天，通過船只進行換班。

2 方法及軟件

本文中對氣體擴散、火災和爆炸的后果計算，采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）的方法。它是隨著計算機的發(fā)展而產(chǎn)生的一個介于數(shù)學、流體力學和計算機之間的交叉學科，主要研究內(nèi)容是通過計算機和數(shù)值方法來求解流體力學的控制方程，對流體力學問題進行模擬和分析。

使用Fluidyn軟件中的PANACHE、VENTFIRE和VENTEX三個模塊分別完成擴散、火災和爆炸后果模擬。其中PANACHE能夠考慮復雜的地形起伏、建筑物、構(gòu)筑物、低速風、泄露噴射效應等情況模擬與污染和危險相關大氣過程的診斷計算軟件。其基本方程為Navier-Stokes方程，同時求解物質(zhì)的濃度、質(zhì)量和能量守恒方程。湍流模型方面，該軟件求解上述方程的雷諾平均形式。雷諾應力模型使用線性渦黏性模型（LEVM），對所有物質(zhì)求和，滿足連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒）、Navier-Stokes方程（動量守恒） 及能量守恒方程。Ventfire和Ventex這兩個模塊是專門用于火災和爆炸仿真分析應用的數(shù)值平臺，是一種模擬固體、氣體在受限、半受限、開放空間內(nèi)火災、爆炸過程的數(shù)值計算模型。使用三維有限體積技術求解描述空氣流動的Navier-Stokes方程，從而得到空間內(nèi)各點的壓力、溫度、速度、湍流度、物質(zhì)組分等數(shù)據(jù)。

分析過程包括以下幾步：1） 將流動中的質(zhì)量、動量、熱量傳遞抽象成為數(shù)學、力學模型，并確定幾何空間影響區(qū)域。2）繪制整個幾何形體與其空間影響區(qū)域（計算空間）的CAD模型，將幾何體的外表面和整個內(nèi)部空間進行網(wǎng)格劃分。3）加入求解所需要的初始條件，入口與出口處的邊界條件一般為速度、壓力條件。4）設定具體的控制求解過程和精度的條件，對所需分析的問題進行求解，并且保存數(shù)據(jù)文件結(jié)果。5）選擇合適的后處理器讀取計算結(jié)果信息。

3 泄漏分析

3.1 單元劃分

在本此分析中，理論上以ESD閥門、泵、壓縮機視為有效的物流截斷點，根據(jù)其位置以及物料相態(tài)變化劃分泄漏單元，其中與之相鄰的法蘭、閥門及工藝管道已被考慮在內(nèi)。通過參照“AQ/T 3046化工企業(yè)定量風險評價導則對泄漏單元進行分析，見表1。由于平臺甲板為鏤空隔板，液體不會在上面存留，而是透過空隙直接流入海中，不構(gòu)成發(fā)生池火的條件。因此僅分析氣體泄漏及其可能造成的危害。

表1 部分泄漏單元劃分

3.2 泄漏類型

現(xiàn)在國內(nèi)外在定量風險評估領域，傾向于按照泄漏孔徑的大小進行區(qū)分。根據(jù)AQ/T3046，本次QRA研究中所選取的泄漏孔徑分為小孔泄漏（1～10 mm，代表孔徑為5mm）、中孔泄漏（10～50 mm，代表孔徑為 25mm）、大孔泄漏（50～150mm，代表孔徑為100mm） 和完全破裂（150mm以上，代表孔徑為實際最大管徑）。

3.3 泄漏參數(shù)

使用LEAK和PHAST軟件，對篩選后的設備進行泄漏計算，見表2。

4 后果及風險分析

4.1 擴散

表2 部分泄漏初始參數(shù)

泄漏方向選擇豎直向上及向平臺內(nèi)側(cè)，目的是使氣云盡量留在平臺內(nèi)部。根據(jù)平臺所處海域的氣象資料，選取東、南、西、北四個方向及相對應的出現(xiàn)頻率最高的平均風速。

根據(jù)平臺平面布局圖紙資料，建立平臺三維幾何模型。在三維幾何模型的基礎上，使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，可以捕捉模型中復雜特征尺寸。流動選擇k-ε湍流模型；擴散選擇標準擴散模型。數(shù)學模型主要考慮使用Specices Transport（多組份輸運） 模型進行可燃氣體擴散模擬計算。使用Fluidyn-POST讀取計算結(jié)果文件，導出需要分析的擴散云圖。

CH4氣體的擴散濃度數(shù)據(jù)主要用來分析發(fā)生閃火的范圍，當CH4氣體體積濃度達到5%時，認為此處一旦發(fā)生點燃，就會發(fā)生閃火。出于保守考慮，一般取2.5%作為判定閾值。出于閃火范圍內(nèi)的人員死亡概率為1，范圍外為0。風險=閃火發(fā)生的頻率×人員死亡概率。閃火造成的區(qū)域年度風險（LSIR） 見表3。

4.2 噴射火

使用Ventfire-gui6_64建立噴射火模型，對邊界條件、網(wǎng)格等參數(shù)進行設定，如圖1。根據(jù)需要分析的工況設定泄漏流量、風速、風向等邊界條件參數(shù)。噴射火造成的人員死亡概率計算方法遵循圖2流程和判斷準則，風險=噴射火發(fā)生的頻率×人員死亡概率。因噴射火造成的區(qū)域年度風險 （LSIR） 見表4。

表3 閃火造成的區(qū)域年度風險

4.3 爆炸

使用Ventex-gui6_64建立爆炸模型，如圖3。湍流模型選擇SST K-omega模型,點火能量默認為能夠使反應開始進行且不影響后續(xù)發(fā)展。

圖1 噴射火模型計算結(jié)果示意圖

圖2 噴射火造成的人員死亡概率

爆炸產(chǎn)生的超壓大于0.03Mpa時，其影響范圍內(nèi)人員死亡概率為1；如果小于0.03Mpa，但是大于0.01 Mpa，影響范圍內(nèi)的室外人員死亡概率為0，室內(nèi)人員死亡概率為0.025；如果小于0.01Mpa，影響范圍內(nèi)的人員死亡概率為0。風險=爆炸發(fā)生的頻率×人員死亡概率。所有工況都沒有達到0.01Mpa的超壓值，因此爆炸超壓造成的人員死亡風險為0。

表4 噴射火對不同區(qū)域造成的年度風險

圖3 爆炸超壓結(jié)果示意圖

4.4 撞船

根據(jù)本平臺的情況，按照值班運輸船、守護船和漁船3種情況，分析不同類型船舶與平臺碰撞的風險概率。船舶與平臺碰撞的概率基礎計算公式為：

式中，N為平臺潛在威脅的船舶數(shù)量；P1為船舶位于撞擊路線上的概率，P2為船舶失去控制的概率或錯誤航行的概率；P3為警告失敗的概率取0.13。

1）值班運輸船撞擊.值班運輸船靠平臺過程中與平臺相撞，比例約占60%；此時，船舶處于撞擊路線上，P1=100%，N取2。其他平臺值班運輸船路過本平臺發(fā)生相撞，比例約占5%；此時船舶處于撞擊路線上的概率P1=10%，N取6。值班運輸船與平臺物資轉(zhuǎn)移過程中因漂流力發(fā)生碰撞，比例約占35%；此時船舶處于撞擊路線上的概率P1=50%，N取6。

參照DNV統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫，P2取2E-4，值班運輸船撞擊本平臺的概率為P=5.9E-5/年。

潛在死亡人數(shù)=20人×5.9E-5/年=1.18E-3人/年。

2）守護船撞擊,護船一般停靠于距離平臺一定距離的海域，守護船碰撞平臺的主要原因是由于惡劣的氣候引起的。守護船撞擊，一般不會導致平臺人員死亡，因此認為PLL為0。

4.5 墜落物

墜落物風險包括吊機倒塌、修井架倒塌。平臺上墜落物主要有兩類：吊機與修井架，由于修井架的位置以及其移動的限制保證了修井架倒塌之后不會導致人員死亡，所以本次分析不將修井架倒塌的風險計入IRPA中。

吊機倒塌的概率按照挪威1974-1985年海上油田操作吊機倒塌概率為4E-3次/年，根據(jù)吊機倒塌的方向，四臺吊機倒塌砸到上層甲板工作人員活動區(qū)域的頻率為（180+150+270+150） 度/360 度×4E-3 次/年=8.22E-3 次/年。

根據(jù)平臺人員分類，為平臺海上的各類工作人員分別建立了EER模型，每一類人員分別進行吊機墜落物分析。

4.6 整體風險

經(jīng)過累加計算得到機械工程師和操作工程師的個人年度風險為6.44E-04次/年，電儀工程師為4.49E-04次/年，外方安全經(jīng)理為1.89E-04次/年，其它人為5.9E-05次/年。

5 結(jié)論

通過前面分析可以看到，平臺上各工種人員的個人年度風險值均在10E-5/年與10E-3/年之間，處于石化企業(yè)普遍風險準則的合理可接受范圍內(nèi)。其中，機械工程師和操作工程師的風險值最高，其次為電儀工程師，這主要是由于這幾類工作人員經(jīng)常出現(xiàn)在高風險的設備區(qū)域。風險最低的是外方安全員、管理和后勤人員，他們大多數(shù)時間在風險較低的生活樓和中控室。本文整個分析流程遵循通用的QRA分析方法，在工藝泄漏的“風險后果評估”中引入了CFD方法。該方法可以體現(xiàn)出防火墻及其它設備設施對氣云擴散的阻礙、熱輻射和超壓的衰減、孔隙對超壓的增強等效果，從而使監(jiān)測點位置讀取到的數(shù)據(jù)更接近真實情況。缺點是分析周期較長，并且需要占用大量計算機資源。在單一工況分析中，CFD方法更為精確和貼合實際，但QRA分析需要模擬大量工況，這時工作量可能會非常大，有必要對工況進行優(yōu)化選擇后，再進行模擬計算。雖然這種方法計算周期長，并且需要占用大量計算機資源，但我們認為隨著計算機軟硬件技術的不斷更新升級，以及用戶對分析精度越來越嚴苛的要求，使用CFD方法進行定量風險評估的需求將會越來越多。