FPSO上部模塊氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)分析

萬志強(qiáng)，李佳冀，王文婷，惲秋琴

(1.江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌 330001;2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078;3.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第七〇二研究所 上海分部，上海 200011)

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)主要用于海上石油、天然氣等能源的開采、加工、儲(chǔ)存、外運(yùn)，是海洋油氣開發(fā)的主流設(shè)施，由于油氣生產(chǎn)處理中存在著大量危險(xiǎn)物質(zhì)，諸如原油、天然氣等，一旦出現(xiàn)泄漏將會(huì)引發(fā)十分嚴(yán)重的后果，造成人員生命、財(cái)產(chǎn)安全的巨大損失以及周圍環(huán)境的污染和破壞。

國(guó)外針對(duì)氣體泄漏擴(kuò)散問題開展一些試驗(yàn)和理論研究，探究泄漏方向、氣體密度、泄漏孔徑、液體蒸發(fā)率等泄漏特征以及特定環(huán)境條件對(duì)氣體泄漏擴(kuò)散后果的影響。DAN等[1]應(yīng)用PHAST軟件針對(duì)液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)-FPSO上部模塊油氣泄漏引起的火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量分析，研究5種危險(xiǎn)工況下的風(fēng)險(xiǎn)后果。JIN等[2]提出一種累積風(fēng)險(xiǎn)頻率的概念用來計(jì)算火災(zāi)作用下的設(shè)備失效概率，提出改進(jìn)的確定泄漏位置和泄漏概率的計(jì)算方法。

國(guó)內(nèi)針對(duì)FPSO系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析起步較晚，專門針對(duì)FPSO上部模塊油氣泄漏擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)研究則更少。

一些學(xué)者[3-6]總結(jié)近年來國(guó)內(nèi)外風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論體系方法和浮式鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Drilling Production Storage and Offloading，F(xiàn)DPSO)油氣泄漏擴(kuò)散、火災(zāi)爆炸機(jī)理等研究成果，分別采用Fluent、FDS等軟件模擬FDPSO甲板上部區(qū)域發(fā)生天然氣泄漏擴(kuò)散、危險(xiǎn)設(shè)備發(fā)生火災(zāi)爆炸的情況。

鑒于國(guó)內(nèi)FPSO的大規(guī)模工程應(yīng)用現(xiàn)狀，探究上部模塊油氣泄漏擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)起因及風(fēng)險(xiǎn)后果對(duì)于提高FPSO作業(yè)的安全性很有意義。本文針對(duì)FPSO上部模塊設(shè)備進(jìn)行油氣泄漏擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，確定可能產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備。模擬分析風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備在恒定和變化泄漏質(zhì)量速率、不同風(fēng)向和風(fēng)速條件下氣體擴(kuò)散后果，總結(jié)其對(duì)設(shè)備氣體泄漏后果的影響程度，并對(duì)降低上部模塊油氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)提出建議，可供模塊設(shè)備布置安裝時(shí)參考。

1 FPSO上部模塊油氣泄漏擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)FPSO上部模塊進(jìn)行分析，探究上部模塊風(fēng)險(xiǎn)特征及各子系統(tǒng)對(duì)整體油氣泄漏擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)的影響大小。模糊綜合評(píng)判是考慮多個(gè)因素的影響，利用模糊變換對(duì)事物進(jìn)行綜合決策的方法[7]。該方法能針對(duì)受到多種因素制約的風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行總體評(píng)價(jià)，較好地解決模糊的、風(fēng)險(xiǎn)難以量化的問題。再通過格雷厄姆(LEC)評(píng)價(jià)表(其中L(likelihood)為事故發(fā)生的可能性、E(exposure)為人員暴露于危險(xiǎn)環(huán)境中的頻繁程度、C(criticality)為一旦發(fā)生事故可能造成的后果)計(jì)算設(shè)備危險(xiǎn)等級(jí)分?jǐn)?shù)D，得到其危險(xiǎn)性大小。LEC評(píng)價(jià)法是一種半定量評(píng)價(jià)方法，該方法采用與系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)的3種因素指標(biāo)的乘積判斷系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)大小[8],即D=L×E×C。用上述方法對(duì)我國(guó)某FPSO各設(shè)備評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。

表1 LEC評(píng)價(jià)方法結(jié)果

由表1可知，F(xiàn)PSO上部模塊原油處理系統(tǒng)(包括一、二級(jí)分離器撬塊等)、火炬系統(tǒng)和燃油燃?xì)庀到y(tǒng)(包括燃料氣冷卻撬、燃料油循環(huán)撬等)均具有不同程度的危險(xiǎn)性，對(duì)FPSO上部模塊油氣泄漏擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)影響均較大。一、二級(jí)分離器撬塊對(duì)FPSO上部模塊油氣泄漏擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)影響最大，因此需要重點(diǎn)關(guān)注其引起的風(fēng)險(xiǎn)情況，即一、二級(jí)分離器撬塊應(yīng)為風(fēng)險(xiǎn)分析中的關(guān)鍵設(shè)備。

2 FPSO上部模塊設(shè)備油氣泄漏質(zhì)量速率

為探究FPSO上部模塊油氣泄漏擴(kuò)散后果，需要優(yōu)先確定泄漏、擴(kuò)散模型。根據(jù)泄漏模型進(jìn)行FPSO上部模塊設(shè)備泄漏問題求解，參照擴(kuò)散模型進(jìn)行后果模擬。據(jù)參考文獻(xiàn)[9]中的海上作業(yè)烴類泄漏事件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可燃?xì)怏w泄漏事件占所有泄漏事件的56%，其次為原油泄漏和非工藝泄漏，分別占16%和11%。假定在設(shè)備泄漏過程中環(huán)境溫度恒定不變，設(shè)備泄漏的瞬間泄漏質(zhì)量速率可由初始的設(shè)備內(nèi)壓力計(jì)算獲得。在泄漏過程中，泄漏量隨時(shí)間增加，設(shè)備內(nèi)部壓力不斷減小，引起泄漏質(zhì)量速率隨時(shí)間不斷減小，同時(shí)泄漏質(zhì)量速率的變化又會(huì)對(duì)泄漏量產(chǎn)生影響；各參數(shù)之間相互影響，直至泄漏在某一特定的條件下停止。

參照美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(API RP 579)選定3個(gè)代表性泄漏孔徑：20 mm、40 mm、60 mm，對(duì)應(yīng)小孔泄漏、中孔泄漏和大孔泄漏。根據(jù)改進(jìn)氣體儲(chǔ)罐泄漏模型[10]，參考設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)(包括設(shè)備內(nèi)壓以及容積大小、尺寸規(guī)格等)，編制計(jì)算得到各泄漏孔徑下，一、二級(jí)分離器泄漏質(zhì)量速率變化規(guī)律如圖1所示。由圖1可知，泄漏孔徑不同，泄漏質(zhì)量速率大小和變化范圍差異較大：對(duì)于60 mm孔徑，初始泄漏質(zhì)量速率值最大但其泄漏時(shí)長(zhǎng)最短；對(duì)于20 mm孔徑，泄漏質(zhì)量速率的變化規(guī)律正好相反；40 mm孔徑則表現(xiàn)出平均程度的變化特征。

圖1 不同泄漏孔徑下泄漏質(zhì)量速率隨時(shí)間變化曲線

3 FPSO上部模塊天然氣泄漏擴(kuò)散后果分析

針對(duì)FPSO上部模塊進(jìn)行泄漏擴(kuò)散后果模擬，探究恒定及變化泄漏質(zhì)量速率條件下氣體擴(kuò)散后果的影響及作用機(jī)理。

3.1 天然氣擴(kuò)散模型及參數(shù)設(shè)定

工程模型和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型是目前主要應(yīng)用的氣體擴(kuò)散模型。選用ANSYS Fluent 軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行泄漏擴(kuò)散模擬，該模型是半經(jīng)驗(yàn)性的公式，適用范圍較廣、精度合理[11]。以我國(guó)某FPSO為對(duì)象，建立FPSO三維模型，計(jì)算域設(shè)定為FPSO船體尺寸的倍數(shù)，長(zhǎng)×寬×高大小為500 m×200 m×100 m。

天然氣泄漏擴(kuò)散主要發(fā)生在上部模塊區(qū)域內(nèi)，尤其是設(shè)備、設(shè)施附近，利用密度盒屬性，將特定區(qū)域的網(wǎng)格細(xì)化以獲得較好的結(jié)果形式。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，確定FPSO模型網(wǎng)格細(xì)化結(jié)果如圖2所示。

圖2 FPSO模型密度盒細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域

模型計(jì)算域頂部邊界的流體變量梯度較小，通常視為零，因此對(duì)其采用對(duì)稱邊界條件；計(jì)算域底部為海平面，這里忽略波浪引起的參數(shù)變化，單純地將其視為無滑移的壁面邊界條件；來風(fēng)面設(shè)定為速度入口邊界條件，泄漏孔為質(zhì)量流速邊界條件[8]。以往在考慮環(huán)境風(fēng)參數(shù)條件時(shí)，將風(fēng)速設(shè)定為常數(shù)，忽略了風(fēng)速在不同高度上的變化。參照風(fēng)廓線方程，海平面各高度風(fēng)速的變化滿足指數(shù)函數(shù)的形式特征[12]。引入Fluent-UDF對(duì)環(huán)境風(fēng)速和隨時(shí)間變化的質(zhì)量泄漏速率進(jìn)行模擬，對(duì)比分析恒定及變化泄漏速率的不同影響。

3.2 天然氣擴(kuò)散后果分析

天然氣主要成分為甲烷，約占80%，其次為乙烷、丙烷、丁烷，占10%～20%，還有少量非烴氣體及惰性氣體等。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將甲烷作為主要研究對(duì)象，研究天然氣泄漏擴(kuò)散變換特性和運(yùn)動(dòng)分布特征。

3.2.1 恒定泄漏質(zhì)量速率下天然氣擴(kuò)散模擬及分析

以二級(jí)分離器為例，研究泄漏天然氣的擴(kuò)散危險(xiǎn)特性及因素影響機(jī)制。為便于分析引入反應(yīng)時(shí)間的概念，反應(yīng)時(shí)間視為在泄漏發(fā)生后，關(guān)斷、隔離等安全措施起效所需的時(shí)間，從零秒至幾分鐘不等。反應(yīng)時(shí)間代表了人員或設(shè)備自身對(duì)于天然氣泄漏的應(yīng)急反應(yīng)能力，不同反應(yīng)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致不同的泄漏擴(kuò)散后果，引起不同程度的危險(xiǎn)。

(1)基本假設(shè)與參數(shù)設(shè)置

① 基本假設(shè)：在泄漏過程中，孔口泄漏面積不發(fā)生改變，泄漏速率保持恒定；泄漏氣體為不可壓縮理想氣體，氣體成分為甲烷，在泄漏過程中不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)；空氣由氧氣和氮?dú)鈨煞N物質(zhì)組成，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.23。

② 湍流控制方程：湍流控制方程選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

③邊界條件：泄漏孔處邊界條件設(shè)置為質(zhì)量速率入口，甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.00。

④ 求解器：求解時(shí)的時(shí)間項(xiàng)選取非穩(wěn)態(tài)，采用壓力基SIMPLE算法。

⑤ 初始化：初始化時(shí)設(shè)置全局變量初始化，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.23。

(2)模型驗(yàn)證

圖3(a)為模擬的二級(jí)分離器發(fā)生天然氣泄漏，擴(kuò)散穩(wěn)定后甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05的等值面圖；圖3(b)為文獻(xiàn)[6]某FPSO在相同風(fēng)速、泄漏位置、泄漏質(zhì)量速率等條件下的原油處理設(shè)備發(fā)生質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05的甲烷泄漏等值面圖。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者氣體擴(kuò)散趨勢(shì)、范圍相近，只是受船體尺度和設(shè)備布置等因素影響，結(jié)果存在稍許差異。因此，可認(rèn)為設(shè)定的泄漏模擬參數(shù)符合實(shí)際情況。

圖3 甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05等值面圖

(3)數(shù)值模擬結(jié)果及分析

探究在恒定泄漏質(zhì)量速率條件下二級(jí)分離器的天然氣擴(kuò)散后果。模擬條件：船首來風(fēng)特征風(fēng)速為4.5 m/s，中等泄漏孔徑(40 mm)，泄漏口方向?yàn)轫橈L(fēng)向。天然氣泄漏擴(kuò)散過程如圖4所示。

圖4 恒定泄漏質(zhì)量速率條件下泄漏氣體擴(kuò)散過程圖

在泄漏初期，隨著泄漏量的增加，泄漏影響范圍持續(xù)擴(kuò)大。由于泄漏口的障礙物遮擋效果明顯，整體泄漏氣體的擴(kuò)散范圍受到限制。同時(shí)，風(fēng)場(chǎng)對(duì)擴(kuò)散結(jié)果也產(chǎn)生了一定的影響：橫風(fēng)向的天然氣擴(kuò)散受到明顯影響，其擴(kuò)散范圍隨時(shí)間發(fā)生了較大的變化；順風(fēng)向風(fēng)場(chǎng)作用甚微，由于泄漏速率較大，天然氣影響范圍由泄漏速率主導(dǎo)。在泄漏質(zhì)量速率恒定條件下，特征濃度天然氣擴(kuò)散范圍于60 s時(shí)達(dá)到近似穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.2 變化泄漏質(zhì)量速率下天然氣擴(kuò)散模擬及分析

(1)基本假設(shè)與參數(shù)設(shè)置

模型的基本假設(shè)和參數(shù)設(shè)置與第3.2.1節(jié)基本相同，僅氣體泄漏以變化質(zhì)量速率進(jìn)行，質(zhì)量速率變化規(guī)律滿足中孔泄漏條件。定義泄漏最終以較小泄漏質(zhì)量速率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，泄漏質(zhì)量速率將不會(huì)隨時(shí)間減小至零。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果及分析

模擬條件與恒定泄漏質(zhì)量速率相同，船首來風(fēng)特征風(fēng)速為4.5 m/s，中等泄漏孔徑(40 mm)，泄漏口方向?yàn)轫橈L(fēng)向。天然氣泄漏擴(kuò)散過程如圖5所示。

圖5 變化泄漏質(zhì)量速率條件下泄漏氣體擴(kuò)散過程圖

在泄漏初期，天然氣射流速率大，氣體沿各方向擴(kuò)散能力相近，順風(fēng)向及橫風(fēng)向擴(kuò)散迅速。當(dāng)設(shè)備阻礙作用顯現(xiàn)后，泄漏氣體無法在順風(fēng)向獲得更好的擴(kuò)散形式，轉(zhuǎn)而向橫風(fēng)向和逆風(fēng)向發(fā)展。由此得知，泄漏速率和設(shè)備布置方式會(huì)對(duì)擴(kuò)散結(jié)果產(chǎn)生較大影響。由于泄漏持續(xù)進(jìn)行，氣體射流速率不斷減小，泄漏質(zhì)量速率減小，泄漏量降低，擴(kuò)散氣體的影響范圍隨之減小。不同于恒定泄漏質(zhì)量速率下的情況，泄漏量減少使得危險(xiǎn)氣體的點(diǎn)燃概率相應(yīng)減小，泄漏連鎖反應(yīng)如火災(zāi)、爆炸等的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)有所下降，泄漏風(fēng)險(xiǎn)在160 s后降至最低。

3.2.3 風(fēng)向及風(fēng)速對(duì)氣體擴(kuò)散結(jié)果的影響

(1)風(fēng)向?qū)π孤怏w擴(kuò)散結(jié)果的影響

在研究風(fēng)向?qū)U(kuò)散結(jié)果影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)封閉的空間環(huán)境造成上部模塊風(fēng)場(chǎng)形式混亂，風(fēng)向變化特征十分復(fù)雜，其對(duì)天然氣擴(kuò)散結(jié)果影響較大。

以特征風(fēng)速為4.5 m/s、中等泄漏孔徑大小(40 mm)的泄漏對(duì)比各來風(fēng)方向(船首來風(fēng)、船尾來風(fēng)、舷側(cè)來風(fēng))下，泄漏天然氣擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

當(dāng)船首來風(fēng)時(shí)，泄漏氣體較為均衡地分布于生產(chǎn)甲板上，由于泄漏速率作用較強(qiáng)，泄漏的天然氣擴(kuò)散方式受到某種限制，氣體云團(tuán)沿船寬擴(kuò)散效果優(yōu)于船長(zhǎng)方向；當(dāng)舷側(cè)來風(fēng)時(shí)，天然氣影響范圍呈現(xiàn)不同形式的偏移；當(dāng)船尾來風(fēng)時(shí)，由于生活樓阻擋作用明顯，泄漏氣體近似于在無風(fēng)條件下的擴(kuò)散，隨著泄漏量穩(wěn)定增加，擴(kuò)散范圍及氣體云團(tuán)大小與其他情況差別愈發(fā)明顯。在60 s左右，各風(fēng)向天然氣泄漏量達(dá)到極值狀態(tài)。

在各風(fēng)向條件下，泄漏氣體云團(tuán)影響面積及體積如表2所示。由表2可知：在兩舷來風(fēng)條件下，主要生產(chǎn)區(qū)域暴露在風(fēng)場(chǎng)作用下，天然氣擴(kuò)散快，泄漏氣體影響范圍最大，危險(xiǎn)性高；其次為船尾來風(fēng)，船首來風(fēng)最小。影響范圍大小代表了泄漏氣體的擴(kuò)散情況：風(fēng)場(chǎng)作用愈明顯，湍流流動(dòng)愈劇烈，相對(duì)地氣體擴(kuò)散愈快，氣體影響范圍受到影響也越大。

表2 60 s時(shí)泄漏氣體影響范圍面積及體積

(2)風(fēng)速對(duì)泄漏氣體擴(kuò)散結(jié)果的影響

研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)封閉的空間環(huán)境造成上部模塊風(fēng)場(chǎng)形式混亂，風(fēng)速大小對(duì)天然氣擴(kuò)散結(jié)果影響較大。以船首來風(fēng)、中等泄漏孔徑大小(40 mm)的泄漏為基本條件，對(duì)比3個(gè)風(fēng)速條件下泄漏氣體的擴(kuò)散特征。不同風(fēng)速下泄漏氣體的面積與體積如圖6所示。

圖6 不同風(fēng)速下泄漏氣體的面積與體積

在泄漏伊始，泄漏量增加速度快于擴(kuò)散速度，泄漏面積、體積持續(xù)增加；隨著泄漏的進(jìn)行，風(fēng)場(chǎng)作用逐漸增強(qiáng)，同時(shí)泄漏質(zhì)量速率減小，對(duì)應(yīng)面積、體積減小。當(dāng)泄漏進(jìn)行至某一時(shí)刻，泄漏速率作用微弱，風(fēng)場(chǎng)主導(dǎo)了天然氣的運(yùn)動(dòng)，泄漏氣體影響范圍至平衡狀態(tài)。在10.0 m/s風(fēng)速條件下，由于風(fēng)場(chǎng)作用加劇，泄漏氣體擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)更加混亂，影響了該體積、面積隨時(shí)間的變化。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：風(fēng)速較小者對(duì)應(yīng)數(shù)值較小，風(fēng)速最大者該數(shù)值卻并非最大。風(fēng)速的增加并不意味著泄漏量的增大，風(fēng)速大小與泄漏質(zhì)量速率、設(shè)備布置形式等因素一起決定了對(duì)FPSO上部模塊氣體泄漏擴(kuò)散結(jié)果的影響程度。

4 結(jié) 論

以FPSO工藝模塊設(shè)備為研究對(duì)象，探究上部模塊油氣泄漏擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)后果、影響因素及作用機(jī)理，得出結(jié)論如下：

(1)在恒定泄漏質(zhì)量速率下，天然氣擴(kuò)散范圍在60 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。

(2)在變化泄漏質(zhì)量速率下，天然氣擴(kuò)散經(jīng)歷穩(wěn)定發(fā)展與快速變化階段：在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)泄漏以恒定速率進(jìn)行，天然氣擴(kuò)散影響范圍穩(wěn)定增加；在反應(yīng)時(shí)間結(jié)束后，泄漏質(zhì)量速率快速減小，其影響范圍減小并后移。

(3)反應(yīng)時(shí)間會(huì)影響泄漏質(zhì)量速率的變化特征。泄漏質(zhì)量速率決定泄漏量大?。盒孤┛讖叫。孤┵|(zhì)量速率小而泄漏時(shí)間長(zhǎng)；孔徑大則剛好相反。

(4)風(fēng)向及上部模塊設(shè)備布置對(duì)生產(chǎn)甲板及工作平面湍流/風(fēng)速度場(chǎng)影響較大，在船側(cè)來風(fēng)條件下，湍流運(yùn)動(dòng)劇烈，風(fēng)速矢量變化快，對(duì)天然氣泄漏擴(kuò)散結(jié)果影響最大。

(5)提升生產(chǎn)甲板高度或降低油氣處理設(shè)備集中度可降低上部模塊天然氣泄漏擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。