基于情景模擬的淺海中心平臺火災爆炸定量風險評估

王偉斌

（中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術檢測中心，山東東營，257000）

1 引言

海洋平臺在海洋油氣開發(fā)中占據重要地位，但由于海洋平臺上油氣共存，且作業(yè)環(huán)境不良、設備設施密集、生產空間受限，易發(fā)生油氣泄漏擴散、火災、氣體爆炸等事故[1]。淺海中心平臺是集輸油、輸氣、污水處理及回注、發(fā)供電、自動化監(jiān)控等多種功能于一體的綜合性海洋平臺，一旦發(fā)生海洋平臺火災爆炸事故，事故控制與救援極為困難，不僅會造成人員傷亡和設備損壞，而且對生態(tài)環(huán)境也會帶來巨大的損害[2]。

鑒于此，本研究以某淺海中心平臺為研究對象，通過危險有害因素辨識確定油氣泄漏火災爆炸事故場景，基于CFD方法進行事故情景模擬，并綜合事故后果和事故概率，完成中心平臺火災爆炸風險的量化計算。研究表明該方法能夠準確完成中心平臺定量風險評估工作，具有重要的應用價值。

2 平臺概況

2.1 中心平臺

該中心平臺所處海域平均水深12米，由舊生產平臺、新生產平臺、生活平臺、動力平臺、儲罐平臺和消防平臺組成。生產平臺主要功能是原油和天然氣處理、污水處理及回注等，通過棧橋與儲罐平臺、生活平臺連接，有三相分離器、天然氣加熱器、污水罐、注水罐、水力旋流器、雙親可逆纖維球過濾器、污水提升泵、注水泵、原油和污水處理加藥裝置、閉式排放罐、吊機及消防設施。

2.2 自然環(huán)境

埕島海區(qū)大氣環(huán)流受西北帶和貝加爾湖低壓系統影響，又受海洋的調節(jié)，南風出現頻率最高，東北偏北風次之，北風出現頻率最低。全年6級以上的大風主要為北和東北風，年均頻率分別為9.1%、13.9%；8級以上大風發(fā)生頻率較低，以北風頻率最高，東北次之，8級以上在大風多數發(fā)生在春季和冬季。風向玫瑰如圖1所示。

圖1 風向玫瑰圖

根據《風力等級》（GB/T 28591-2012）選取8級風中間值19m/s、6級風中間值12.5m/s和低風速1.5m/s（在該風速下泄漏油氣不易擴散事故后果高，普遍以此風速用于后果的保守分析）作為代表風速。

3 油氣火災爆炸定量風險評估方法

3.1 情景模擬

火災爆炸事故后果的主要表現形式為火災熱輻射和爆炸超壓，根據熱輻射和超壓傷害準則，以定量確定人員傷亡、設備損傷等后果情況[3]?；馂闹饕：碜杂诨鹧鏌彷椛?，熱輻射對設備與人體的傷害關系依據《化工企業(yè)定量風險評價導則》（AQ/T 3046-2013）《附錄H影響閾值》確定；爆炸導致人員傷害與設備設施破壞的最重要原因為爆炸產生的沖擊波超壓，沖擊波超壓過大時會對人體的耳、肺以及胸腔等造成傷害；沖擊波作用到設備上時可以造成設備損壞。超壓沖擊波對人體與設備設施的傷害關系依據《Lee’s 過程工業(yè)中的損失預防》確定。

為完成火災爆炸事故后果的分析，采用專業(yè)的油氣泄漏、火災、爆炸后果模擬軟件FLACS開展情景模擬，以待分析平臺的設施設備的基本結構和尺寸數據為依據建立模擬場景的三維幾何模型，建模過程主要考慮設施設備的外部空間形態(tài)，忽略設施設備的內部結構，平臺模型見圖2所示。

圖2 中心平臺三維數值模型

針對每個事故場景，結合設備泄漏孔徑，風速和大氣穩(wěn)定度構成的環(huán)境條件，以及風向作用開展火災、爆炸事故場景的分析計算，需開展的事故場景工況見表1。

表1 模擬工況

3.2 風險計算

基于獲得的油氣火災爆炸事故頻率和事故后果，即可通過風險計算確定量化風險值，并通過與風險標準的比對確定風險等級和風險值[4]。

1）中國石化安全風險矩陣

在企業(yè)生產經營活動中，相關安全風險應統一采用中國石化安全風險矩陣評估初始風險等級和剩余風險等級，決定是否需要采取措施降低風險。

2）個人風險

根據《化工企業(yè)定量風險評價導則》（AQ/T 3046-2013），確定個人風險值[5]。對于個人風險標準，參考英國健康安全局的個人風險標準，依據個人可接受風險和個人可忽略風險，將風險等級劃分為不可接受、可容忍、可接受3級，見表2。

表2 風險等級劃分

3）社會風險

根據《化工企業(yè)定量風險評價導則》（AQ/T 3046-2013），確定社會風險值。

對社會可接受風險，依據陸上《危險化學品重大危險源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》（國家安全生產監(jiān)督管理總局令（第40號）、《危險化學品生產、儲存裝置個人可接受風險標準和社會可接受風險標準（試行）》（國家安全監(jiān)管總局公告2014年第13號）確定的社會可接受（可容許）風險標準[6]。

4 平臺火災爆炸定量風險評估

4.1 情景模擬后果

依據事故情景模擬結果，取部分事故后果分析展示，見圖3。

圖3 天然氣壓縮機房爆炸超壓分布

根據模擬結果可知，高效三相分離器高溫、高輻射區(qū)主要集中在噴射點周圍，最高溫度達1500K以上，最大輻射量超過37.5kW/m2。高溫區(qū)域在高效三相分離器和天然氣洗滌器之間，覆蓋整個間距空間，輻射量普遍超過12.5kW/m2，并隨風向向甲板內方向移動。而天然氣壓縮機房屬于受限空間，由于天然氣壓縮機房四面擁有較多窗體，內部擁有常開門，具有較強的泄壓能力，且其天然氣濃度水平不高，因此其小空間內爆炸超壓約4.8kPa，大范圍內爆炸超壓在2.5kPa以下。

對比傷害評價標準，在高效三相分離器噴射火產生高溫、高輻射區(qū)，人員受輻射影響燒傷甚至死亡，高效三相分離器和天然氣洗滌器等設備受輻射影響發(fā)生設備損壞，污水排放罐南表面受輻射區(qū)域廣，但輻射量均小于12.5 kW/m2，不會造成設備損壞。天然氣壓縮機房爆炸超壓對設備無影響，對人員可造成輕微損傷。

4.2 風險評估結果

1）中國石化安全風險矩陣評估結果

在對整個平臺進行整體風險等級和風險值的計算時，涉及多個設備，此時需要考慮多個風險累積作用，其整體風險可以用頻率累積方法計算風險等級和風險值。將各個子平臺中具有相同嚴重性等級的累積發(fā)生頻率相加，獲得該中心平臺不同事故嚴重性等級下的事故發(fā)生可能性，進而確定總平臺事故發(fā)生可能性等級以及累積風險等級，見表3。

表3 中心平臺累積風險等級

以表3累積風險等級中的最大值，作為該中心平臺的初始風險等級，其為G4，對應的風險指數值為43。

2）個人風險評估結果

（1）舊生產平臺

舊生產平臺個人風險分布如圖4所示，整個平臺大部分區(qū)域個人風險大于1×10-4（年均）小于1×10-3（年均）屬于可容忍范圍內，但關鍵設備區(qū)域風險大于1×10-3（年均），風險不可接受。圖4箭頭所示位置和方向上，頂層甲板個人風險變化如圖5所示，在三相分離器和天然氣洗滌器之間區(qū)域及周邊風險水平最高，最高可達到1.1×10-3（年均），其它區(qū)域風險可容忍。

圖4 頂層甲板個人風險分布

圖5 頂層甲板個人風險變化

（2）動力平臺

動力平臺上層甲板個人風險分布如圖6所示，絕大部分區(qū)域個人風險值小于1×10-4（年均）大于1×10-5，在天然氣發(fā)電機所在區(qū)域個人風險大于個人可忽略風險1×10-4（年均），但小于1×10-3（年均），工作甲板風險可容忍。圖6箭頭所示位置和方向上，工作甲板個人風險變化如圖7所示，在天然氣發(fā)電機所在區(qū)域及周邊風險水平較高，最高可達到2×10-4（年均）。

圖6 動力平臺上層個人風險分布

圖7 動力平臺上層個人風險變化

（3）儲罐平臺

儲罐平臺個人風險分布如圖8所示，整個平臺所在區(qū)域個人風險大于個人可忽略風險1×10-4（年均），但小于1×10-3（年均）。故儲罐平臺整體區(qū)域風險可容忍。圖8箭頭所示位置和方向上，工作甲板個人風險變化如圖9所示，在生產分離器和儲油罐所在區(qū)域及周邊風險水平較高，最高可達到6.67×10-4（年均）。

圖8 儲罐平臺個人風險變化

圖9 儲罐平臺個人風險變化

3）社會風險評估結果

結合各個甲板的人口分布，考慮人員分布情況，計算了平臺各個甲板區(qū)域的社會風險情況。根據計算情況，舊生產平臺的社會風險位于陸上《危險化學品生產、儲存裝置個人可接受風險標準和社會可接受風險標準（試行）》確定的不可接受區(qū)，其它平臺如儲罐平臺、動力平臺等的社會風險均位于盡可能降低區(qū)和可接受區(qū)。

圖10 舊生產平臺社會風險曲線

圖11 動力平臺上層甲板社會風險曲線

個人和社會初始風險等級見表4。

表4 中心平臺個人和社會初始風險等級

5 結論

文章對淺海中心平臺開展基于情景模擬的火災爆炸定量風險評估，基于CFD情景模擬量化分析不同事故情景下平臺設施影響和人員傷害情況，并結合火災爆炸事故概率，完成平臺火災爆炸風險的量化計算，準確評估平臺火災爆炸風險等級。

該中心平臺未改造前的油氣泄漏火災爆炸事故發(fā)生可能性等級為4，事故嚴重性等級為G，初始風險等級為G4，風險指數值為43，屬于重大風險，平臺個人和社會風險不可接受。

研究表明該方法能夠準確完成海洋平臺定量風險評估工作，具有重要的應用價值，為平臺定量風險評估提供重要支撐，為海洋平臺火災爆炸防護提供重要參考。