海上鉆井平臺(tái)火災(zāi)模擬與人員疏散分析

王 強(qiáng)， 楊冬平，朱麗國(guó)，高莎莎，魏 旭，郭愛(ài)洪，王偉斌

(1.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心，山東東營(yíng) 257062 2.勝利油田檢測(cè)評(píng)價(jià)研究有限公司，山東東營(yíng) 257062)

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

海上鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，油氣設(shè)備集中，油氣開(kāi)采過(guò)程中可能會(huì)有大量的易燃易爆物質(zhì)逸散，引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。海洋平臺(tái)空間有限，距離陸地較遠(yuǎn)，發(fā)生火災(zāi)爆炸事故后火災(zāi)撲救和人員疏散較為困難。為有效應(yīng)對(duì)油氣開(kāi)采處理過(guò)程中的火災(zāi)事故，需要掌握火災(zāi)的蔓延規(guī)律，制定針對(duì)性的控制措施，這對(duì)提高海洋油氣安全管理水平具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)火災(zāi)蔓延模型及人員疏散的研究多集中于建筑隧道和地鐵等領(lǐng)域，海洋平臺(tái)方面則主要研究油氣泄漏擴(kuò)散及燃爆模擬分析，對(duì)人員疏散更多偏重理論分析，依據(jù)實(shí)際情況建立仿真模擬的研究較少。蘇石川等以油池及甲板污油為火源點(diǎn),基于 FDS 軟件平臺(tái)采用大渦模擬方法對(duì)某船舶機(jī)艙火災(zāi)進(jìn)行了數(shù)值模擬。劉明路等利用火災(zāi)場(chǎng)景模擬軟件考慮了海洋環(huán)境風(fēng)速及燃燒物功率對(duì)某現(xiàn)役海洋平臺(tái)進(jìn)行了火災(zāi)作用下的溫度場(chǎng)模擬。Yoshida通過(guò)變換火源強(qiáng)度、通風(fēng)及排煙的工況，進(jìn)行了船舶通道內(nèi)(艙室、走廊和樓梯)煙氣蔓延過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究。Jaluria等針對(duì)水平通風(fēng)孔在火災(zāi)中的熱量和質(zhì)量流動(dòng)對(duì)船舶水平通風(fēng)孔的煙氣擴(kuò)散規(guī)律做了研究。楊冬冬等針對(duì)含硫天然氣井噴失控?cái)U(kuò)散問(wèn)題，綜合考慮天然氣爆燃與硫化氫毒害風(fēng)險(xiǎn)因素，預(yù)測(cè)和評(píng)估天然氣擴(kuò)散所形成的危險(xiǎn)區(qū)域和硫化氫氣體擴(kuò)散所形成的毒害范圍。郭杰等針對(duì)某海洋平臺(tái)下層甲板油氣處理系統(tǒng)為研究對(duì)象，使用FDS軟件通過(guò)溫度、熱輻射強(qiáng)度、煙氣層高度(厚度)和能見(jiàn)度等4個(gè)火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)火災(zāi)影響后果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

鑒于此，本文建立海上鉆井平臺(tái)火災(zāi)疏散模型，主要針對(duì)油氣泄漏導(dǎo)致火災(zāi)爆炸的情況進(jìn)行模擬仿真，結(jié)合實(shí)際工況和人員信息對(duì)火災(zāi)熱輻射和人員疏散路徑進(jìn)行分析，進(jìn)而討論人員疏散的影響因素并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

2 海上鉆井平臺(tái)火災(zāi)疏散建模

海上鉆井平臺(tái)火災(zāi)疏散主要是指鉆井平臺(tái)發(fā)生井噴事故，引起較大的火災(zāi)并失去控制，平臺(tái)上人員需要立即撤離。利用FDS軟件來(lái)分析火災(zāi)溫度、煙氣對(duì)平臺(tái)上人員的影響以及疏散路徑和疏散時(shí)間問(wèn)題。建立了平臺(tái)設(shè)施及疏散通道模型，為判斷火災(zāi)對(duì)疏散人員影響設(shè)定了火災(zāi)參數(shù)記錄探測(cè)器。

2.1 火災(zāi)疏散計(jì)算網(wǎng)格及設(shè)置

平臺(tái)總長(zhǎng)97.7 m，寬66 m，船體深10.1 m。根據(jù)平臺(tái)整體的功能布局，將火災(zāi)疏散模型的疏散區(qū)域分為鉆井區(qū)、生活區(qū)、主甲板區(qū)，主要區(qū)域布置如圖1所示。

圖1 火災(zāi)疏散模型及網(wǎng)格區(qū)域

以平臺(tái)目標(biāo)作業(yè)區(qū)域的氣藏條件作為模擬對(duì)象，主要?dú)怏w為甲烷93.2%、乙烷5.1%、丙烷1.6%等，井口無(wú)阻流量為120×10m/d。

2.2 平臺(tái)火災(zāi)計(jì)算網(wǎng)格(圖2)及條件設(shè)置

圖2 火災(zāi)計(jì)算網(wǎng)格

建立平臺(tái)火災(zāi)計(jì)算網(wǎng)格主要目的是觀察火災(zāi)熱輻射、煙氣對(duì)人員疏散的影響?；馂?zāi)計(jì)算網(wǎng)格的建立采取分區(qū)建立的方法，以減少計(jì)算時(shí)間，同時(shí)提高計(jì)算精度。

根據(jù)FDS對(duì)網(wǎng)格建立的要求，將整體平臺(tái)網(wǎng)格劃尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m，在主甲板和生活區(qū)進(jìn)行了網(wǎng)格加密，總計(jì)網(wǎng)格數(shù)量為4 118 400個(gè)，并通過(guò)網(wǎng)格無(wú)損性檢查表明網(wǎng)格有效。火災(zāi)計(jì)算網(wǎng)格的上、左、右、前、后5個(gè)面，設(shè)置出口面，屬性為開(kāi)放，即將火災(zāi)計(jì)算網(wǎng)格外部區(qū)域設(shè)置為開(kāi)放空間，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣可以自由擴(kuò)散到外部空間，以增強(qiáng)火災(zāi)計(jì)算的真實(shí)性。為探索最危險(xiǎn)疏散情況，設(shè)定環(huán)境風(fēng)從平臺(tái)鉆臺(tái)區(qū)域吹向生活區(qū)，根據(jù)平臺(tái)作業(yè)海區(qū)平均風(fēng)速，取風(fēng)速4 m/s。

2.3 火災(zāi)參數(shù)探測(cè)器布置

火災(zāi)發(fā)生后，伴隨火災(zāi)產(chǎn)生的是熱輻射、高溫?zé)煔?。分析這些影響人員疏散的因素，需要布置相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器，主要有熱電偶、能見(jiàn)度、熱輻射等探測(cè)器。以主甲板為例，探測(cè)器主要位于人員疏散通道和日常工作時(shí)人員聚集的區(qū)域，主甲板共設(shè)置了33組探測(cè)器，見(jiàn)圖3，整個(gè)平臺(tái)總計(jì)設(shè)置了162組探測(cè)器。

圖3 主甲板探測(cè)器設(shè)置

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，人員的聚集位置主要分布于鉆井區(qū)、生活區(qū)。根據(jù)設(shè)定的人員分布和人員類(lèi)型，確定位于井場(chǎng)周?chē)娜朔磻?yīng)時(shí)間為5 s，生活區(qū)反應(yīng)時(shí)間為20 s。

3 火災(zāi)演化及人員疏散分析

3.1 平臺(tái)火災(zāi)結(jié)果及分析

鉆井作業(yè)時(shí)，懸臂梁伸出且鉆臺(tái)具有高度，故井場(chǎng)井噴火災(zāi)發(fā)生后，主甲板所在區(qū)域與鉆井區(qū)具有一定的間隔，火災(zāi)造成的溫度提升對(duì)主甲板的影響有限。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在主甲板所在的大多數(shù)區(qū)域，其溫度與環(huán)境溫度基本等同，未發(fā)生顯著變化。僅在臨近鉆臺(tái)所在區(qū)域，溫度間歇性較高，但溫差也未超過(guò)20 ℃。由此，從主甲板區(qū)域人員疏散的角度，火災(zāi)溫度的影響較低。

井場(chǎng)溫度云圖如圖4所示，井場(chǎng)大部分地區(qū)被火災(zāi)所覆蓋，井場(chǎng)所在平面溫度保持在200～400 ℃左右。井場(chǎng)一旦發(fā)生較大火災(zāi)，人員應(yīng)當(dāng)及時(shí)撤離到主甲板上，避免發(fā)生嚴(yán)重人員傷害事故。

圖4 井場(chǎng)溫度云圖

平臺(tái)煙氣云圖如圖5所示，火災(zāi)煙氣并不會(huì)大量擴(kuò)散到主甲板上，主要是在井場(chǎng)周?chē)奂⒕畧?chǎng)的大部分地方掩蓋。在這種強(qiáng)熱輻射和高濃度煙氣的情況下，井場(chǎng)的工作人員順暢地疏散到主甲板較為困難。

圖5 火災(zāi)煙氣云圖

3.2 人員疏散結(jié)果及分析

當(dāng)平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人員疏散與火災(zāi)發(fā)生是同步進(jìn)行的。根據(jù)平臺(tái)規(guī)定的逃生方案，確定不同區(qū)域人員逃生目標(biāo)見(jiàn)表1(√表示逃生人員須向該處逃生，×表示不應(yīng)向該處逃生)。

表1 火災(zāi)疏散中人員逃生目標(biāo)

根據(jù)模擬，在不同時(shí)刻，人員疏散軌跡如圖6。

圖6 人員疏散軌跡

人員主要從鉆井區(qū)和主甲板區(qū)向外疏散。鉆井區(qū)人員向位于船體兩側(cè)的逃生通道向逃生艙疏散；主甲板區(qū)人員向位于船艏的逃生通道向直升機(jī)甲板疏散。

當(dāng)井場(chǎng)發(fā)生井噴火災(zāi)時(shí)，且沒(méi)有人員受傷的情況下，30 s內(nèi)人員可從鉆井區(qū)疏散至主甲板。但由于主甲板是主要設(shè)備設(shè)施的布置場(chǎng)所，所形成的障礙對(duì)人員疏散具有較大影響，且人員進(jìn)入逃生通道需要額外的時(shí)間。在70 s時(shí)，鉆井區(qū)疏散的人員將在逃生通道處形成堵塞。與之相比，生活區(qū)具有良好的疏散條件，人員疏散過(guò)程順暢，50 s人員基本已疏散進(jìn)入逃生通道抵達(dá)直升機(jī)甲板。

將平臺(tái)規(guī)定的火災(zāi)疏散設(shè)定目標(biāo)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2。可見(jiàn)，在現(xiàn)有平臺(tái)疏散目標(biāo)條件下，逃生艙處需疏散的人員數(shù)量超過(guò)了疏散設(shè)定目標(biāo)，具有較大的風(fēng)險(xiǎn)隱患，必須予以改進(jìn)。建議在可能的前提下，清除疏散路徑上的障礙，并重新規(guī)劃人員疏散安排，如增加通過(guò)直升機(jī)坪的疏散人員數(shù)量。

表2 火災(zāi)疏散設(shè)定目標(biāo)與模擬結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

借助FDS工具，針對(duì)某平臺(tái)井噴火災(zāi)人員疏散過(guò)程，開(kāi)展了煙氣、溫度等多危害下的火災(zāi)人員疏散過(guò)程模擬，以確定火災(zāi)對(duì)人員疏散影響。研究表明，井噴火災(zāi)可對(duì)平臺(tái)鉆井區(qū)造成顯著的傷害，一旦發(fā)生事故人員需要立即疏散。在整個(gè)疏散過(guò)程中，由于疏散通道的阻礙，將造成人員在主甲板逃生艙處發(fā)生聚集，超過(guò)了設(shè)定的疏散目標(biāo)，不利于疏散工作的開(kāi)展。建議在有條件下的情況下清除設(shè)備設(shè)施等阻礙物，并增加從直升機(jī)坪疏散的人員數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)人員安全疏散。