黃海濱，姜中雷，馮愛民，黃武剛

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452；2.海油發(fā)展采油服務(wù)公司，天津300456）

0 前言

海洋石油開發(fā)工程隨著國內(nèi)經(jīng)濟運行高速發(fā)展進而呈現(xiàn)出了多維度的開發(fā)，海洋石油平臺處于油氣容易擴散的高位區(qū)域，在設(shè)計階段就提前對其進行識別，進行規(guī)避。若干年前憑著工作經(jīng)驗在現(xiàn)場進行防爆工作，但在當(dāng)今科技極為發(fā)達的今天顯得極為脆弱，也不符合技術(shù)發(fā)展的總體趨勢。本文就是從設(shè)計階段就從SAFETI軟件著手進行平臺的火災(zāi)爆炸量化模擬，運用數(shù)學(xué)建模的工具進行提前設(shè)計工藝流程，著重分析風(fēng)浪流及油氣爆炸濃度及風(fēng)力對爆炸的影響度，為實際工作和平臺建造奠定理論基礎(chǔ)，極大地保障了海上油氣作業(yè)的安全，維護了海洋環(huán)境安全和人的生命安全。

1 海洋石油生產(chǎn)儲油平臺火災(zāi)爆炸量化計算基礎(chǔ)

海洋石油生產(chǎn)儲油平臺（Production storage platform，縮寫為PSP)作為海上生產(chǎn)活動中重要的儲油設(shè)施，火災(zāi)爆炸風(fēng)險作為安全管理的重中之重。本文選取“旅大”油田作為研究分析模型，針對平臺油氣處理與儲存裝置發(fā)生泄漏所引發(fā)的事故后果進行分析。事故分析工作流程通常為：PSP泄漏及其后果危險辨識；根據(jù)PSP平臺油氣物性特點、PSP平臺各層甲板平面布局以及海洋石油開發(fā)項目的特點，對PSP平臺工藝設(shè)施發(fā)生油氣泄漏及所引發(fā)的后果影響進行辨識分析。分析單元劃分及分析方法選擇；根據(jù)對PSP平臺油氣泄漏及后果的危險辨識，結(jié)合PSP平臺工藝流程設(shè)計，對泄漏及火災(zāi)爆炸分析進行單元節(jié)點劃分。并根據(jù)單元劃分的結(jié)果，分別選擇相應(yīng)的模擬分析方法。模擬分析考慮以上各類事故對PSP平臺的后果影響，使用流體力學(xué)軟件FLUENT、渤海海域溢油模擬軟件以及火災(zāi)爆炸模擬軟件SAFETI等軟件對PSP平臺各單元發(fā)生油、氣泄漏所產(chǎn)生的后果影響進行模擬計算，結(jié)合計算結(jié)果，分析PSP平臺各類事故的對平臺人員、設(shè)備的影響[1]。根據(jù)PSP平臺整體風(fēng)險評估工作的總體規(guī)劃，在量化模擬PSP平臺整體火災(zāi)爆炸影響程度的基礎(chǔ)上，為海上生產(chǎn)活動的總體布置的風(fēng)險評價提出相應(yīng)的技術(shù)支持。

PSP平臺需要對井口平臺來油進行油氣分離、脫水等處理，并對處理后的合格原油進行儲存。生產(chǎn)介質(zhì)自身的性質(zhì)決定了工藝系統(tǒng)若發(fā)生泄漏，容易被周圍的明火或高溫引燃，發(fā)生火災(zāi)乃至爆炸事故。使用火災(zāi)爆炸模擬軟件SAFETI對PSP平臺各工藝單元設(shè)備發(fā)生火災(zāi)、爆炸的后果影響進行模擬計算[2]。SAFETI（Suite for Assessment of Flammable，Explosive and Toxic Impacts）中主要包括有泄流模型、彌散模型以及可燃性和毒性模型。其中泄流模型用來預(yù)測從容器、管線中泄漏出來的物料進入大氣時的速率和狀態(tài)；彌散模型對物質(zhì)在空氣中的擴散形式進行模擬，不同的泄流形式導(dǎo)致不同的擴散云圖；可燃性模型預(yù)測熱輻射水平、發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域以及超壓沖擊波影響范圍；毒性模型可以模擬泄漏出來的物質(zhì)對環(huán)境的毒性影響，以濃度對距離及時間的函數(shù)或者擴散云的軌跡圖等形式來表達。在SAFETI的計算過程中，通過對泄漏物質(zhì)、泄漏相態(tài)、設(shè)施壓力、溫度、泄漏孔徑的定義，可以得到不同條件下的初始泄漏速率、泄漏爆炸噴射范圍、噴火影響以及閃火爆炸影響，如圖1所示。

圖1 SATFETI模擬計算模式

2 海洋石油生產(chǎn)儲油平臺油氣漏泄SATFETI狀態(tài)模擬計算

及其相互作用的復(fù)雜過程。就溢油所導(dǎo)致的短期環(huán)境影響而言，溢油的漂移、擴展、蒸發(fā)、分散作用起著支配地位。海上溢油的漂移與擴展，主要取決于海表面風(fēng)場、流場以及波浪和湍流的綜合作用。具體地說，是海表層的風(fēng)海流、潮流、潮致余流、波浪余流、密度流以及隨機的湍流擴散決定了溢油的水平運動。在近海，風(fēng)海流和潮流是決定溢油漂移軌跡最重要的因素。波浪對溢油的影響主要體現(xiàn)在水面的攪動和波浪破碎而引起的溢油入水。風(fēng)的作用與油品的不同特性，則決定了海面原油的揮發(fā)和乳化，進而影響溢油的密度和粘性變化[4]。

圖2 油氣泄露噴火模擬結(jié)果

采用SAFETI計算得出的設(shè)備的噴火影響范圍結(jié)果如圖2所示，其中描述噴火影響有3個熱輻射值，為 37.5 kw/m2；12.5 kw/m2；4.0 kw/m2這三個熱輻射影響范圍。

如圖2所示，當(dāng)設(shè)備泄漏后被點燃，產(chǎn)生一個火焰，火焰形成一個熱輻射區(qū)，與火焰最近為37.5 kw/m2（白色區(qū)域），次之為12.5 kw/m2（灰色區(qū)域），最外圍為4.0 kw/m2.熱輻射強度的影響輻射強度（kw/m2）結(jié)果37.5足以造成設(shè)備損壞。25無火焰直接加熱，長時間可使木材燃燒的最小能量。12.5有火焰直接加熱，可使木材燃燒、塑料熔化的最小能量。4.0無火焰直接加熱，20 s內(nèi)可引起疼痛，可能造成二度燒傷，不致死[3]。1.6較長時間暴露，無不舒適感。海上溢油事故發(fā)生后，原油進入海洋受到海上風(fēng)、浪、流的綜合作用，在海上漂移、擴散，嚴(yán)重破壞海域的生態(tài)環(huán)境。調(diào)查顯示，一次嚴(yán)重的海上溢油事故對自然生態(tài)環(huán)境的危害可持續(xù)數(shù)十年。而海上溢油事故多數(shù)是突發(fā)性事故，當(dāng)溢油事故發(fā)生后，如何準(zhǔn)確獲得海面油膜的動態(tài)信息，并迅速而有效地做出應(yīng)急反應(yīng)，對控制污染、減小損失以及清除污染都起著關(guān)鍵性的作用。海上溢油的行為和歸宿受風(fēng)、浪、流等動力環(huán)境因素、其它非動力環(huán)境因素和油品特性等多種因素的支配，經(jīng)歷著漂移、擴散、蒸發(fā)、分散、乳化、溶解、光氧化

3 海洋石油生產(chǎn)儲油平臺火災(zāi)爆炸危險辨識

PSP平臺的海上生產(chǎn)活動風(fēng)險主要來自于平臺工藝設(shè)施（管線、罐體、泵等）發(fā)生油氣泄漏事故，分析范圍從PSP平臺棧橋下游至平臺外輸管線。工藝設(shè)施發(fā)生烴類泄漏后，若被引燃，則會引發(fā)火災(zāi)、爆炸乃至相應(yīng)的升級事故發(fā)生，可能引發(fā)的事故狀態(tài)包括噴火、池火、爆炸。噴火是可燃烴類從帶壓容器中噴射出來時遇明火引燃所形成的燃燒狀態(tài)，其噴射的形態(tài)主要取決于泄漏的設(shè)備內(nèi)的壓力。發(fā)生泄漏的方向、位置、泄漏烴類的密度、組成以及周圍環(huán)境條件等，決定了出現(xiàn)在該區(qū)域的人員以及設(shè)備所遭受的傷害程度。液態(tài)可燃烴類泄漏出來被點燃會形成池火，在甲板上形成池火后，溫度的升高加速了油的蒸發(fā)，蒸發(fā)出來的烴類氣體更加劇了燃燒，形成更強的熱輻射。當(dāng)積聚的蒸氣云被點燃形成的火球在向外擴展的過程中，如遇到阻隔，局部受到約束，引起局部湍流和漩渦，使火焰與火焰相互作用，造成燃燒速率急劇升高，有可能使爆燃轉(zhuǎn)變成為爆轟，產(chǎn)生危害巨大的爆炸沖擊波。此類事故在敞開空間發(fā)生的概率很低，一般不易發(fā)生爆轟。對于PSP平臺，設(shè)施布置較多，尤其中層甲板和下層甲板的設(shè)施對能量釋放的約束較大，容易形成劇烈爆炸。爆炸產(chǎn)生的超壓沖擊波能夠造成人員傷亡以及平臺結(jié)構(gòu)的損傷。

根據(jù)平臺工藝流程設(shè)計的需要，PSP平臺各層甲板設(shè)施在布置上考慮了功能區(qū)塊的劃分，并根據(jù)各區(qū)域工藝設(shè)施功能的不同、處理介質(zhì)的不同以及操作條件的不同，將平臺各層甲板的不同區(qū)域劃分成為不同的危險等級，各等級區(qū)域之間設(shè)置了不同等級的防火墻。防火墻對火災(zāi)、爆炸事故的緩解與控制起到十分重要的作用。選擇合適的防火墻可以有效地抵御火災(zāi)爆炸的影響。在工藝系統(tǒng)中的某個設(shè)施發(fā)生泄漏時，由于泄漏口與大氣連通，泄漏口成為系統(tǒng)的泄壓點，流程中其他設(shè)施中的物料將順流甚至倒灌至泄漏口，導(dǎo)致大量油氣泄漏。設(shè)計上，在工藝流程中根據(jù)各設(shè)備設(shè)施的功能區(qū)分、設(shè)計壓力等級不同設(shè)置了關(guān)斷閥，在單體設(shè)備發(fā)生油氣泄漏或非正常工況時，可以及時實施關(guān)斷，對流程進行隔斷，這樣可以有效地控制油氣泄漏量。根據(jù)工藝泄漏、火災(zāi)、爆炸模擬計算的需要，結(jié)合PSP平臺工藝系統(tǒng)中各設(shè)備設(shè)施之間的關(guān)斷閥設(shè)置以及關(guān)斷邏輯，對PSP平臺的工藝系統(tǒng)進行模擬分析單元的劃分。借助計算流體力學(xué)軟件FLUENT對PSP平臺中層甲板發(fā)生天然氣泄漏事故的后果進行模擬分析如圖3所示[5]。

圖3 油氣泄露事故后果模擬

在模型建立的過程中，以盡可能地符合實際情況為原則，但是考慮到計算的需要，模型的建立不可能完全與實際一致，所以對平臺相應(yīng)處進行了簡化，包括管線、不規(guī)則設(shè)備等，以滿足模擬計算的要求，簡化處理須保證對模擬計算的結(jié)果影響程度不大。為了能夠從最危險的極端情況出發(fā)，分析中層甲板泄漏的可燃氣體擴散狀態(tài)以及被點燃的后果影響。由于PSP平臺中層甲板工藝裝置區(qū)由一堵A0防火墻分隔，因此模擬分析中在兩個區(qū)域中分別選擇了一個泄漏點進行模擬，泄漏點分別位于燃料氣滌氣罐及一級分離器，考慮到氣相泄漏的后果較油相泄漏后果更危險，模擬分析泄漏物質(zhì)為氣相組分占90%以上的甲烷，采用PSP平臺中層甲板燃料氣滌氣罐及一級分離器的溫度和壓力分別進行模擬計算，具體操作條件如下表1所列。

表1 泄漏模擬操作條件假設(shè)

根據(jù)平臺工藝流程圖中所明確的設(shè)備管線的壓力以及溫度，確定了表中甲烷的大小兩個等級的泄漏量，模擬東南、東北、西南、西北四個不同風(fēng)向下，兩種規(guī)模泄漏發(fā)生時，可燃氣體擴散形態(tài)以及影響范圍，從而確定火炬點燃擴散可燃氣體的風(fēng)險值。以可燃性氣體甲烷到達爆炸下限25%作為擴散邊界濃度值。常溫常壓下甲烷在空氣中的爆炸極限為5%～15%體積比濃度，因此確定甲烷擴散邊界體積濃度（25%LEL）值為0.012 5，對應(yīng)的質(zhì)量濃度值為0.008 85 kg/m3.說明工藝系統(tǒng)達到2.5 kg的CH4泄漏量的概率是很高的。通過計算結(jié)果可以看出，在爆炸發(fā)生0.15 s時，產(chǎn)生的超壓峰值達到最高，距離爆炸核心距離為2.1 m，溫度峰值最高出現(xiàn)在爆炸初期，即0.05 s時刻，溫度峰值達到2 304.24℃，距離爆炸核心距離為1.5 m.已經(jīng)影響到附近的工藝設(shè)施，將引發(fā)事故的升級。通過爆炸模擬計算可以看出，發(fā)生天然氣泄漏后，初次爆炸對平臺整體影響相對較小，若能及時關(guān)斷，且生產(chǎn)區(qū)內(nèi)各類設(shè)備均按照相應(yīng)防爆等級設(shè)置，基本可以得到及時有效的控制。若在一次爆炸后，未能及時關(guān)斷泄漏氣源，仍有可燃氣體補充并被引燃，在設(shè)備較多的PSP平臺，容易引起爆燃產(chǎn)生較大超壓影響的二次爆炸甚至連續(xù)爆炸。在連續(xù)爆炸的升級事故狀態(tài)下，在較高的超壓以及極高的溫度持續(xù)作用下，平臺設(shè)施、結(jié)構(gòu)會遭到較為嚴(yán)重的破壞，并形成大面積火災(zāi)，A0及A60防火墻均會失去屏障作用，造成更大范圍的設(shè)備損失及人員傷亡，甚至造成平臺倒塌。對于系統(tǒng)的及時關(guān)斷以及危險區(qū)各類防爆設(shè)備設(shè)施的選型成為控制事故后果發(fā)展，降低二次爆炸事故風(fēng)險的關(guān)鍵[6]。

4 海洋石油生產(chǎn)儲油平臺火災(zāi)爆炸分析總結(jié)展望

采用SAFETI軟件系統(tǒng)對PSP平臺的火災(zāi)爆炸后果進行了計算模擬分析，該火災(zāi)爆炸計算模擬分析，將支持本風(fēng)險評估的油田生產(chǎn)總體布置分析報告中的各項分析內(nèi)容：

（1）通過使用FLUENT軟件系統(tǒng)對PSP平臺主要氣體泄漏點源的氣體擴散模擬，結(jié)合“擋風(fēng)墻分析”報告中的流場模擬與泄漏點源擴散模擬，認(rèn)為PSP平臺總體布局較緊密，在水平方向氣體擴散水平較低，但由于甲板層高設(shè)置較高，可燃性氣體依然具備較有效的擴散空間，不至于產(chǎn)生聚集，總體而言工藝甲板的設(shè)施布局較合理，目前的工藝區(qū)域分隔模式也較合理。

（2）通過使用SAFETI軟件模擬ALPHA平臺第一次閃燃當(dāng)量，發(fā)現(xiàn)若在PSP平臺發(fā)生類似閃燃，主要風(fēng)險來自于高熱的輻射，建議PSP工藝罐體考慮一定的保溫層設(shè)置，降低熱輻射的影響。

（3）通過使用SAFETI軟件，模擬PSP各設(shè)備的火災(zāi)爆炸水平，認(rèn)為PSP整體火災(zāi)爆炸水平與其他海上設(shè)施工藝系統(tǒng)的整體水平差異不大，就主要的火災(zāi)爆炸點源儲罐而言，受其壓力等級低，SIL邏輯設(shè)置合理等條件的貢獻，結(jié)構(gòu)可靠的條件下，發(fā)生噴火以及大面積池火的可能性低，風(fēng)險水平處于可接受范圍。

（4）通過使用SAFETI渤海溢油軟件，模擬了PSP儲罐溢油到海上的擴散面積，其結(jié)果以及原油自身屬性說明，PSP儲罐泄漏后導(dǎo)致海面池火的可能性極低，可以忽略。

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