郭 杰 朱 淵 陳國明

(中國石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心)

油氣處理系統(tǒng)是海洋平臺重要的生產(chǎn)設(shè)備,其所涉及的原料、中間品和產(chǎn)品具有易燃易爆的特點,容易造成火災(zāi)、爆炸事故[1],可導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。1988年英國北海阿爾法平臺發(fā)生火災(zāi)、爆炸,造成165名工人死亡,經(jīng)濟損失34億美元[2]。為有效應(yīng)對油氣處理系統(tǒng)的火災(zāi)事故,需掌握火災(zāi)蔓延規(guī)律,制訂有針對性的控制措施,這對提高海洋平臺安全生產(chǎn)水平具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對海洋平臺火災(zāi)進(jìn)行了多方面研究,建立了海洋平臺火災(zāi)燃燒模型及火焰特性、熱輻射概率模型[3],確定了火災(zāi)對平臺上工藝設(shè)備、安全系統(tǒng)等的影響[4],并采用定量風(fēng)險評價技術(shù)進(jìn)行火災(zāi)安全綜合評估[5-6]。已往的研究中廣泛采用以FDS軟件為代表的計算流體動力學(xué)方法分析火災(zāi)動力學(xué)特征,FDS軟件經(jīng)過了大型及全尺寸火災(zāi)實驗的驗證,計算結(jié)果與實際較吻合[7]。本文以某海洋平臺下層甲板油氣處理系統(tǒng)為研究對象,采用FDS(Fire Dynamics Sim ulato r)軟件模擬分析海洋平臺油氣處理系統(tǒng)因原油泄漏發(fā)生的火災(zāi)事故,通過對比分析火災(zāi)危險性,為確定事故條件下最有利于平臺人員疏散的路徑提供支持。

1 基本理論模型

1.1 流體泄漏源強理論模型

泄漏口的尺寸和形狀是影響泄漏的主要因素,對原油等流體的泄漏源強可表示為[8]

式(1)中:Q為泄漏量,kg/s;Cd為泄漏系數(shù),一般取值0.9～1.0;A為泄漏孔面積,m2;p為容器內(nèi)壓力,Pa;ρ為原油密度,kg/m3。

1.2 火災(zāi)過程理論模型

為簡化火災(zāi)燃燒過程,基于文獻(xiàn)[7,9-10]的研究和推薦,對火災(zāi)發(fā)展過程作如下假設(shè):①初始時,平臺內(nèi)部風(fēng)速穩(wěn)定,溫度分布均勻;②不考慮環(huán)境空氣對熱輻射的吸收;③忽略設(shè)備結(jié)構(gòu)對周圍物體的熱輻射,即熱輻射的分布完全由火焰決定;④火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣視為理想氣體;⑤煙氣在產(chǎn)生后不再發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。采用大渦模擬理論模擬火災(zāi)湍流運動,火災(zāi)過程中狀態(tài)參數(shù)需滿足的基本方程如下[7]:

質(zhì)量守恒方程

組分守恒方程

動量守恒方程

能量守恒方程

氣體狀態(tài)方程

式(2)～(6)中:ρ為密度,kg/m3;u為速度矢量,m/s;p為壓力,Pa;h為總焓,J/kg;T為溫度,K;Yi為組分i的質(zhì)量濃度;Di為組分i的擴散系數(shù),m2/s;Wi為組分i的化學(xué)反應(yīng)速率,kg/(m3·s);Mi為組分i的摩爾分子量,kg/mol;R為摩爾氣體常數(shù),J/(mol·K);qr為熱輻射通量,W/m2;q為燃燒反應(yīng)熱,J/mol;k為熱導(dǎo)率,W/(m·K);g為重力矢量,m/s2;t為時間,s;τij為粘性應(yīng)力張量,Pa。

2 海洋平臺作業(yè)空間建模

2.1 平臺所處海洋環(huán)境

以波斯灣某海域為本次研究環(huán)境背景,平臺所處海洋環(huán)境參數(shù)為溫度10.2℃、年均風(fēng)速5.7 m/s、大氣壓力為101.3 kPa?；馂?zāi)發(fā)生后,模型外邊界條件與環(huán)境條件相同。

2.2 幾何模型建立

以某海洋平臺下層甲板油氣處理系統(tǒng)為研究對象,建立仿真分析模型,如圖1所示。模型主要設(shè)備包括生產(chǎn)計量管匯、生產(chǎn)加熱器、一級分離器、二級分離器、計量加熱器、熱化學(xué)脫水器、電脫水器、緩沖罐、火炬分液器、原油輸出泵等,泄漏源位于一級分離器處。依據(jù)設(shè)備實際情況定義表面材料熱物性,并忽略其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1 某海洋平臺下層甲板油氣處理系統(tǒng)模型及網(wǎng)格模型

2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件確定

計算區(qū)域選定為60 m×60 m×8 m,采用 FDS提供的“復(fù)合計算區(qū)域”功能[7],采用不同網(wǎng)格劃分方式劃分不同計算區(qū)域。網(wǎng)格如圖1所示,共分為4個計算區(qū)域:在計算受網(wǎng)格影響較大的火源周圍(計算區(qū)域2),采用小尺寸網(wǎng)格;對于遠(yuǎn)離火源的其它計算區(qū)域(計算區(qū)域1、3和4),采用適當(dāng)放大網(wǎng)格尺寸。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性檢查后的網(wǎng)格總數(shù)為232320個。

2.4 危險因素及傷害準(zhǔn)則

選取對人員疏散具有指示作用的溫度、熱輻射強度、煙氣層高度(厚度)和能見度等4個指標(biāo)分析火災(zāi)過程的危險性,其判斷標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 火災(zāi)過程危險性判斷標(biāo)準(zhǔn)

通過分析距甲板底部2 m高度處水平面上火災(zāi)形成的溫度場和對能見度的影響來評價各個區(qū)域火災(zāi)危險變化情況,在該層甲板以下位置設(shè)置測點:①在一級分離器周邊設(shè)備處分別設(shè)置熱輻射測點(原油加熱器處測點 GAS2002、二級分離器處測點GAS2003、原油輸出加熱器處測點 GAS2008、浮選室處測點 GAS3002);②在該層甲板的4個上下脫險梯道處設(shè)置熱輻射測點和煙氣層測點,按照與一級分離器的相對位置將4個脫險梯道標(biāo)示為脫險梯道NW、脫險梯道NE、脫險梯道SW、脫險梯道SE,詳細(xì)布置情況見圖1。

3 火災(zāi)事故后果分析與討論

3.1 2 m高度處溫度場隨時間變化規(guī)律

火災(zāi)發(fā)生后距該層甲板底部2 m高度處平面溫度場如圖2所示。由圖2可知:t=33.6 s時,分離器周圍溫度已達(dá)600℃,火焰中心處溫度達(dá)到800℃,且高溫開始逐漸蔓延至該層甲板的邊緣位置,防火墻左側(cè)甲板上下邊緣處溫度已達(dá)到155℃,在其阻隔作用下右側(cè)設(shè)備受到保護,溫度均低于50℃;當(dāng)t=165.1 s時,防火墻左側(cè)區(qū)域溫度將超過800℃,對人員和設(shè)備都具有極大傷害,且高溫區(qū)域通過防火墻間的通道延伸至右側(cè)。

圖2 火災(zāi)發(fā)生后距平臺甲板底部2 m高度處溫度分布圖

3.2 燃燒熱輻射強度變化規(guī)律

(1)一級分離器周圍設(shè)備熱輻射強度變化規(guī)律

一級分離器周圍設(shè)備如原油加熱器、二級分離器、原油輸出加熱器及浮選室處測點熱輻射強度隨時間變化規(guī)律見圖3。由圖3可知:火災(zāi)發(fā)生10 s內(nèi),周圍設(shè)備受到的熱輻射強度均小于2 kW/m2,對人員危害輕微;火災(zāi)發(fā)生約41 s時,熱輻射強度達(dá)到最大值,隨即均值強度下降穩(wěn)定在15～30 kW/m2;在熱輻射強度峰值階段,一級分離器周邊設(shè)備各測點處熱輻射強度最大值均高于37.5 kW/m2。根據(jù)美國化工安全中心的熱輻射人員傷害后果評價模型[11],在熱輻射強度高于37.5 kW/m2條件下人員暴露10 s將導(dǎo)致1%死亡,暴露時間超過1 min將導(dǎo)致100%死亡;但圖3所示高強度熱輻射作用時間僅5 s左右,不至于造成人員死亡。當(dāng)熱輻射強度達(dá)到穩(wěn)定階段,浮選室處熱輻射均值強度最高,約為25 kW/m2(圖 3),根據(jù)文獻(xiàn)[11],人員暴露10 s將造成二度燒傷,暴露時間超過1 min將導(dǎo)致10%死亡;二級分離器處和原油加熱器處熱輻射均值強度約為17 kW/m2(圖3),根據(jù)文獻(xiàn)[11],人員暴露10 s將導(dǎo)致一度燒傷,暴露時間超過1 min將導(dǎo)致1%死亡。

圖3 一級分離器周圍設(shè)備熱輻射強度隨時間變化規(guī)律

(2)脫險梯道處熱輻射強度變化規(guī)律

4個脫險梯道處熱輻射強度隨時間變化規(guī)律見圖4。由圖4并據(jù)文獻(xiàn)[11]分析:脫險梯道SE處的熱輻射強度最低,最終約為1.0 kW/m2,人員長時間暴露不會受到傷害;脫險梯道NE處的熱輻射強度最終約為1.7 kW/m2,人員在此長時間停留可感到疼痛;脫險梯道SW較危險,熱輻射強度最終約為7 kW/m2,人員暴露超過20 s將感覺疼痛,超過1 min將造成二度燒傷;脫險梯道NW處最危險,最高熱輻射強度值為30 kW/m2,最終約為10 kW/m2,人員僅能忍受幾秒時間,暴露10 s將造成一度燒傷,超過1 min將導(dǎo)致1%死亡。

圖4 4個脫險梯道處熱輻射強度隨時間變化規(guī)律

3.3 煙氣層高度和厚度變化規(guī)律

4個脫險梯道煙氣層高度、厚度隨時間變化規(guī)律見圖5、6。由圖5、6可知:火災(zāi)發(fā)生25 s內(nèi),煙氣層高度約為8 m,至火災(zāi)發(fā)展的穩(wěn)定階段,脫險梯道SW、SE、NW和NE處的煙氣層高度平均值分別穩(wěn)定在4.8、6.3、1.6和4.6 m,相應(yīng)的煙氣層厚度平均值分別穩(wěn)定在2.0、3.2、3.4和6.4 m;在火災(zāi)發(fā)生整個過程,脫險梯道NW處的煙氣層高度最低,最低時僅為1.1 m,且厚度最大對人員危害較大;另外3處的煙氣層高度均大于4 m,對人員危害不大。

3.4 能見度隨時間變化規(guī)律

火災(zāi)發(fā)展各階段能見度等值線圖見圖7?；馂?zāi)發(fā)生后28.8 s時,僅一級分離器周圍2 m范圍內(nèi)能見度低于10 m,其它區(qū)域內(nèi)火災(zāi)對能見度影響不大(圖7a);火災(zāi)發(fā)生后94.3 s時,左側(cè)區(qū)域能見度最低只有5 m,將嚴(yán)重干擾視線,阻礙人員疏散,右側(cè)區(qū)域能見度始終處于臨界值以上,對人員疏散影響不大(圖7b)。

綜合以上分析,脫險梯道 SE處最安全,此處熱輻射強度低、煙氣濃度小、能見度高,不會對人員造成傷害;其次是脫險梯道NE,人員通過此處可能會感覺疼痛;脫險梯道SW處熱輻射強度較高,會造成人員燒傷;脫險梯道NW處熱輻射強度大、煙氣濃度高、能見度低,人員通過此處可能受到嚴(yán)重傷害。

圖7 火災(zāi)發(fā)展各階段平臺各區(qū)域能見度等值線圖

3.5 不同規(guī)模火災(zāi)事故后果分析

選取美國石油學(xué)會推薦的中孔、小孔和微小孔泄漏對比分析不同規(guī)?；馂?zāi)事故后果并以原油加熱器處熱輻射強度和脫險梯道SE處的煙氣層高度說明火災(zāi)狀態(tài)參數(shù)的變化情況(圖8、9)。

圖8中 GAS2002a、GAS2002b、GAS2002c分別表示中孔、小孔和微小孔泄漏條件加熱器處熱輻射強度值,可以看出不同規(guī)?；馂?zāi)下熱輻射強度變化規(guī)律一致,但泄漏孔徑越大熱輻射強度峰值越大,且達(dá)到峰值的時間越短。

圖9中脫險梯道SEa、脫險梯道 SEb、脫險梯道SEc分別表示中孔、小孔和微小孔泄漏條件脫險梯道SE處的煙氣層高度,可以看出不同規(guī)?；馂?zāi)下的煙氣層高度變化規(guī)律一致,但泄漏孔徑越大煙氣層高度開始降低的時間越短。

綜合所有火災(zāi)狀態(tài)參數(shù)變化情況模擬結(jié)果,不同規(guī)?；馂?zāi)下,火災(zāi)狀態(tài)參數(shù)變化規(guī)律具有一致性。

4 結(jié)論

(1)一旦發(fā)生火災(zāi)事故,平臺整個下層甲板油氣處理系統(tǒng)很快處于火災(zāi)環(huán)境中,人員需立即疏散并采取滅火措施。

(2)海洋平臺4個脫險梯道中,人員從脫險梯道SE疏散的安全性最高,脫險梯道NW最危險。

(3)泄漏孔徑越大,火災(zāi)危險性越大,對人員疏散造成的威脅越大。

[1] 劉培林.海洋石油平臺設(shè)計過程風(fēng)險分析[D].天津:天津大學(xué),2002.

[2] RASBASH D,RAMACHDRAN G,KANDOLA B,et al.E-valuation of fire safety[M].West Sussex:John Wiley &Sons,2004.

[3] SOARESC G,TEIXEIRA A P.Probabilistic modelling of offshore fires[J].Fire Safety Journal,2000,34(1):25-45.

[4] KRUEGER J,SM ITH D.A p ractical app roach to fire hazard analysis for offshore structures[J].Journal of Hazardous Materials,2003,104(1-3):107-122.

[5] PULA R,KHAN F I,VEITCH B,et al.Revised fire consequence models for offshore quantitative risk assessment[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2005,18(4-6):443-454.

[6] PULA R,KHAN F I,VEITCH B,et al.A grid based approach for fire and explosion consequence analysis[J].Process Safety and Environmental Protection,2006,84(2):79-91.

[7] MCGRA TTAN K,BAUM H,REHM R.Fire dynamics simulator(version 5)technical reference guide[M].USA:National Institute of Standards and Technology,2008.

[8] DANIEL CROWL,JOSEPH LOUVAR.Chemical process safety fundamentals with applications[M].2nd ed.New Jersey:Prentice Hall PTR,2002.

[9] 范維澄,孫金華,陸守香,等.火災(zāi)風(fēng)險評估方法學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[10] SHEN Tzusheng,HUANG Yuhsiang,CHIEN Shenwen.U-sing fire dynamic simulation(FDS)to reconstruct an arson fire scene[J].Building and Environment,2008,43(6):1036-1045.

[11] Center for Chemical Proces Safety of the American Institute of Chemical Engineers.Guidelines for Consequence Analysis of Chemical Release[M].New York:American Institute of Chemical Engineers,1990.