海洋平臺火災(zāi)事故場景固定式水噴淋消防能力量化評估

叢 軍，趙 穎，郭海斌，陳健飛，高慶民

(中國石化勝利油田分公司海上石油工程技術(shù)檢驗有限公司，山東東營 257000)

0 前言

海洋油氣平臺日常生產(chǎn)、儲存大量的可燃性油氣物料，油氣儲存設(shè)施的介質(zhì)密度大，同時工藝條件復(fù)雜、海域環(huán)境多變，造成潛在的油氣泄漏風險[1，2]。加之，平臺存在自身電氣設(shè)備眾多、金屬撞擊摩擦與現(xiàn)場動火作業(yè)等情況，一旦發(fā)生油氣泄漏，極有可能使海洋平臺發(fā)生火災(zāi)事故[3-5]。為此，多數(shù)海洋平臺配有固定式水噴淋消防系統(tǒng)以應(yīng)對潛在火災(zāi)事故。然而，有些早期投用的海洋平臺水噴淋消防系統(tǒng)設(shè)計標準低于現(xiàn)行標準，加上運行期間加工改造、老化破壞等現(xiàn)象，存在較大的安全隱患。因此，有必要針對現(xiàn)有的海洋平臺固定式水噴淋消防系統(tǒng)進行消防能力可靠性評估。

在消防系統(tǒng)可靠性評估方面，常用方法包括合規(guī)法、邏輯分析演繹法、綜合評價法和火災(zāi)?；╗6]。例如，劉振明，等[7]基于模糊綜合評估方法進行船舶消防滅火系統(tǒng)設(shè)計水平評估，進行消防系統(tǒng)損傷概率求解并給出了針對性措施。曾昭雄，等[8]基于用危險與可操作性( HAZOP) 分析方法進行火災(zāi)防控體系要素評估。上述評估方法需要依賴可靠健全的評估標準體系，同時需要客觀性評估過程，以確保評估結(jié)果的可信性。然而，海洋平臺系統(tǒng)相關(guān)消防評估標準體系過于老舊，同時，評估過程難以確?？陀^性，因此，傳統(tǒng)評估方法無法適用于海洋平臺水噴淋消防系統(tǒng)評估。

為此，本文提出了一種海洋平臺火災(zāi)事故場景水噴淋消防能力量化評估方法。首先，根據(jù)海洋平臺的設(shè)備結(jié)構(gòu)布局、運行工況參數(shù)，確定最信火災(zāi)事故場景；其次，基于FDS數(shù)值仿真分析方法，構(gòu)建海洋平臺三維物理模型、最信火災(zāi)事故場景和水噴淋模型；最終，基于FDS求解的熱輻射變化、溫度變化等數(shù)值特征，依據(jù)相關(guān)評估標準進行水噴淋消防能力評估。

1 水噴淋下海洋平臺火災(zāi)動力學理論模型

FDS是由美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)提供的開源火災(zāi)計算流體動力學軟件，其以場模擬中流體運動為主要模擬對象，根據(jù)低馬赫數(shù)流動的N-S方程數(shù)值方法求解計算火災(zāi)中的煙氣流動過程及溫度、熱輻射等熱傳遞過程。其基本假設(shè)是在燃燒溫度和密度模擬時，不考慮聲波的脈動。其控制方程是由質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，組分運輸方程組成[9，10]。其中，質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分運輸方程見公式(1)、(2)、(3)和(4)。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中：ρ——可燃性物料密度，kg/m3；

t——泄漏模擬時間，s；

μ——泄漏氣體速度矢量，m/s；

動量守恒方程：

(2)

式中：p——裝置泄放壓力，Pa；

f——外力矢量，N；

Tij——黏性矢量，Pa·s。

能量守恒方程：

(3)

式中：h——泄漏物料組分焓值，kJ/kg；

q——輻射通量，kW/m2；

φ——耗散率，kW/m3。

組分運輸方程：

(4)

式中：Yi——泄漏物料中第i組分的質(zhì)量分數(shù)；

Di——第i組分的擴散系數(shù)，m2/s；

FDS采用拉格朗日法跟蹤計算水噴淋顆粒的傳熱傳質(zhì)，其提供了log-normal 和 Rosin-Rammler兩種分布函數(shù)擬合表示從噴頭噴出的液體顆粒的體積累分數(shù)(CVF)[11]，具體的粒徑分布模型見公式(5)。

(5)

式中：dm——水噴淋顆粒直徑,μm；

γ，σ——經(jīng)驗參數(shù)；

e——自然對數(shù)的底數(shù)。

2 海洋平臺水噴淋消防系統(tǒng)綜合性能評估方法

海洋平臺設(shè)備裝置多，涉及油氣處理設(shè)備、動力設(shè)備、供熱設(shè)備和儲存設(shè)施設(shè)備等。其中，海洋平臺在鉆井及油氣處理期間，油氣有泄漏的可能，遇到火源極易引起火災(zāi)。然而，不同油氣設(shè)備場景通常表現(xiàn)出不同的火災(zāi)特征，對應(yīng)的水噴淋消防能力評估也不盡相同。因此，本文提出了一種基于火災(zāi)風險劃分方法，確定各個區(qū)域最信火災(zāi)事故場景，進而分別進行各個區(qū)域水噴淋消防能力量化評估方法，具體流程如圖1所示。

圖1 評估方法流程

3 實例分析

針對我國某油田海洋平臺，進行水噴淋消防能力綜合評估。該平臺負責輸油、輸氣、污水處理及回注、發(fā)供電等多種任務(wù)，主要包括油氣處理、水處理回注等生產(chǎn)區(qū)域，發(fā)熱發(fā)電、油氣輸送等動力區(qū)域，油氣處理儲存的儲油罐區(qū)域以及生活區(qū)域。該平臺電氣化程度高，可燃性油氣量大，具有較高的油氣火災(zāi)爆炸風險。經(jīng)過火災(zāi)危險辨識分析，確定該平臺中儲罐平臺的火災(zāi)風險系數(shù)較高。為此，針對儲罐平臺開展火災(zāi)動力學仿真分析，進而評估該平臺的水噴淋系統(tǒng)消防能力。

3.1 水噴淋下海洋平臺火災(zāi)動力學模型構(gòu)建

根據(jù)該海洋平臺的最信火災(zāi)事故場景，選定儲罐平臺的儲油罐進行水噴淋消防能力評估。根據(jù)該海洋平臺儲罐平臺平面布局圖，建立儲罐平臺三維仿真模型，其中三維仿真模型的中心區(qū)域尺寸設(shè)置長、寬、高分別為30，30，50 m，如圖2所示。同時，在仿真模型上進行網(wǎng)格劃分，將每個單位網(wǎng)格的長、寬、高比例設(shè)置為1∶1∶1，長度為0.625 m(即每個單位網(wǎng)格是一個長寬高各為0.625 m的立方體)，整體網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 FDS儲罐平臺三維仿真模型以及網(wǎng)格布局

在儲罐平臺水噴淋設(shè)置方面，噴淋系統(tǒng)根據(jù)儲罐平臺的真實情況來設(shè)定，具體情況為：儲罐外表面設(shè)置了72個噴淋降溫裝置，分為上下2層，每層36個，單個噴淋器強度為10 L/min，圍繞儲罐均勻分布。水噴淋設(shè)置如圖3所示。所有噴淋器的噴淋強度均按照平臺真實情況設(shè)定。噴淋器響應(yīng)時間根據(jù)標準要求時間，實際響應(yīng)時間以及仿真確定時間以3種狀況設(shè)置，分別為3，5，1 min。

圖3 儲罐平臺水噴淋布置

3.2 火災(zāi)數(shù)值仿真場景結(jié)果

為探究火源半徑對于熱輻射的影響，假設(shè)溢油的半徑為小、中、大3種情況?；鹪吹奈恢酶鶕?jù)最差原則，將溢油設(shè)置在了設(shè)備最密集處。在火源設(shè)定為恒定燃燒的條件下，分別開展池火半徑2，4.6，6 m，風速為6，10，16 m/s，啟動時間1，3，5 min下的仿真模擬。其中，半徑2 m，不同風速下的事故場景見圖4、圖5所示。

圖4 水噴淋啟動前半徑2 m、不同風速下的火災(zāi)場景

圖5 水噴淋啟動后半徑2 m、不同風速下的火災(zāi)場景

4 水噴淋性能影響因素分析

通過儲罐壁所受熱輻射的大小來判斷風速、溢油半徑、水噴淋啟動時間對于水噴淋消防能力的影響。表1為熱輻射對設(shè)備傷害準則[12]。

表1 熱輻射傷害準則 kW/m2

4.1 海域風況

圖6、圖7分別為在池火災(zāi)半徑2 m，水噴淋系統(tǒng)3 min啟動的情況下，上風向和下風向的熱輻射隨風速變化情況。從圖中可以看出，在水噴淋啟動前，無論儲罐處在火焰的上風向還是下風向，隨著風速的增大，罐壁處熱輻射變化并不明顯，均穩(wěn)定在20 kW/m2左右。在水噴淋啟動后，在風速6 m/s、兩種風向的情況下，罐壁處熱輻射均有一定的下降趨勢；但在風速16 m/s、兩種風向的情況下，罐壁處熱輻射上下波動較大，并沒有下降的趨勢，這表明隨著風速的增大，水噴淋系統(tǒng)能力呈下降的趨勢。

圖6 風速6 m/s時不同風向的水噴淋啟動前后儲罐壁熱輻射曲線

圖7 風速16 m/s時不同風向的水噴淋啟動前后儲罐壁熱輻射曲線

4.2 池火半徑

圖8展示了在上風向、風速為6 m/s時，熱輻射強度隨池火半徑變化情況。其中，隨著溢油半徑的增大，儲罐壁所受熱輻射有一定上升趨勢。在水噴淋啟動后，可以看出，3種池火半徑下的熱輻射均有一定的降低，但是熱輻射值仍大于12.5 kW/m2，對比表1，設(shè)備仍在二級傷害范圍內(nèi)，這表明在本文考慮的3種火焰半徑情況下，水噴淋系統(tǒng)均能對熱輻射有一定的抑制作用，但是并不能讓儲罐所受熱輻射在安全范圍內(nèi)。

圖8 風速6 m/s、水噴淋3 min啟動時不同半徑的水噴淋啟動前后儲罐壁熱輻射曲線

4.3 啟動時間

圖9展示了在上風向、池火半徑為4.6 m、風速為6 m/s、儲罐在上風向時，不同水噴淋啟動時間下的熱輻射曲線圖。從圖10看出，在1，3，5 min啟動的3種水噴淋觸發(fā)時間中，熱輻射基本較穩(wěn)定。另外，模擬采用恒定熱源來探究水噴淋啟動前后儲罐所受熱輻射值的變化，因此水噴淋系統(tǒng)并不能將火源撲滅。這表明水噴淋啟動時間對啟動前后的熱輻射變化幅度影響不大。

圖9 風速6 m/s、半徑4.6 m時不同水噴淋啟動時間的啟動前后儲罐壁熱輻射曲線

5 結(jié)論

針對我國某油田海洋平臺儲罐區(qū)域的水噴淋消防能力進行了評估分析，基于火災(zāi)流體動力學仿真分析，根據(jù)儲罐所受熱輻射變化來分析水噴淋系統(tǒng)的消防能力，相關(guān)結(jié)論如下。

a) 在不同的風速和風向下，水噴淋啟動前，風速對于熱輻射影響不大，儲罐所受熱輻射值穩(wěn)定在20 kW/m2左右，對比熱輻射傷害準則表，屬于二級傷害；在水噴淋啟動后，低風速下的儲罐壁熱輻射值有著一定的下降并且較穩(wěn)定，但是在高風速下，水噴淋啟動后儲罐壁熱輻射值變化較大，而且熱輻射值仍在二級傷害范圍內(nèi)，表明該平臺水噴淋系統(tǒng)在高風速下失效。

b) 在2，4.6，6 m池火半徑下，水噴淋啟動前，儲罐壁熱輻射值均在二級傷害以上；水噴淋啟動后，3種半徑下的儲罐壁熱輻射強度有一定的下降，但是仍在二級危險范圍內(nèi)，這表明，目前的水噴淋不能有效地保護儲罐等設(shè)施。

c) 在1，3，5 min啟動的3種水噴淋觸發(fā)時間下，隨著火源燃燒時間的增長，儲罐壁熱輻射值并沒有出現(xiàn)上升的情況，水噴淋啟動后，水噴淋降低效果大致相同。這表明水噴淋的啟動時間并不會影響熱輻射值大小的變化。但是，在水噴淋觸發(fā)前，儲罐所受熱輻射值在二級傷害范圍內(nèi)，所以受損程度隨著水噴淋啟動時間的增長而加重。

綜上所述，雖然該平臺的水噴淋消防系統(tǒng)在建造時滿足相應(yīng)標準GB 50183—2004[13]，但是由于可能存在水噴淋系統(tǒng)老化、規(guī)范更新、運行期間改造等因素，使得目前的水噴淋系統(tǒng)在部分環(huán)境條件下，不能有效地保護儲罐所受熱輻射在安全范圍內(nèi)。因此，該平臺現(xiàn)有的水噴淋系統(tǒng)不滿足預(yù)期的消防要求。