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        海上油氣爆燃事故虛擬仿真應(yīng)急演練關(guān)鍵技術(shù)研究

        2022-06-16 02:09:36馬艷榮陳健飛
        安全、健康和環(huán)境 2022年6期
        關(guān)鍵詞:熱輻射火源溫度場(chǎng)

        叢 軍,馬艷榮,吳 昊,孫 光,陳健飛

        (中石化勝利海上石油工程技術(shù)檢驗(yàn)有限公司,山東東營 257000)

        0 前言

        海上油田海況惡劣,海底地質(zhì)情況復(fù)雜,一旦發(fā)生事故造成泄漏爆燃,將會(huì)對(duì)人員安全、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境構(gòu)成巨大危害[1,2]。災(zāi)情應(yīng)急演練是避免險(xiǎn)情發(fā)生、降低災(zāi)情損失的重要手段,通過災(zāi)情預(yù)警演練使相關(guān)人員充分了解泄漏爆燃事故演化風(fēng)險(xiǎn)規(guī)律,并進(jìn)行相應(yīng)處置,可以避免突發(fā)事故進(jìn)一步擴(kuò)大生成更大的災(zāi)害事故[3,4]。傳統(tǒng)的應(yīng)急演練組織困難,成本高,存在安全隱患、演練操作與災(zāi)害后果無法建立因果鏈接、演習(xí)過程與實(shí)際情況差距大等問題[5,6]。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于應(yīng)急演練領(lǐng)域,可以有效消除傳統(tǒng)應(yīng)急演練的一些弊端。目前,虛擬仿真技術(shù)在海洋鉆井平臺(tái)災(zāi)情演練中的應(yīng)用以理論分析為主[6,7],依據(jù)實(shí)際情況建立仿真模擬的研究十分稀少,尤其缺失嚴(yán)格對(duì)應(yīng)真實(shí)工況的泄漏擴(kuò)散、燃爆及人員的疏散模擬分析[8-10]。

        FDS軟件利用流體動(dòng)力學(xué)分析火災(zāi)動(dòng)力學(xué)特征,與火災(zāi)實(shí)際演化過程匹配度高[10],可以準(zhǔn)確評(píng)估不同風(fēng)向下火災(zāi)的危險(xiǎn)等級(jí)并指導(dǎo)相應(yīng)逃生和救援機(jī)制的建立。本文基于某油田企業(yè)海上油氣生產(chǎn)過程和設(shè)備布置特點(diǎn),采用FDS軟件對(duì)海上鉆井平臺(tái)典型火災(zāi)進(jìn)行模擬,通過分析油氣泄漏和火災(zāi)事故條件下的失效規(guī)律,結(jié)合海上油氣泄漏爆燃事故火災(zāi)災(zāi)變路徑,構(gòu)建多目標(biāo)應(yīng)急演練的預(yù)測(cè)模型和虛擬現(xiàn)實(shí)模型,并通過人工智能技術(shù)對(duì)事故的發(fā)展、人員行為的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè),實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的演練模擬。

        1 海上平臺(tái)火災(zāi)蔓延過程的溫度場(chǎng)模型構(gòu)建

        海上平臺(tái)主要由鋼鐵等材質(zhì)焊接而成,材質(zhì)熱傳導(dǎo)速率極高?;馂?zāi)發(fā)生后,火焰熱量會(huì)快速傳播至周邊區(qū)域,過高的熱量嚴(yán)重影響火災(zāi)的救援和人員的逃生。為準(zhǔn)確評(píng)估火災(zāi)擴(kuò)展過程中熱量沖擊對(duì)救援工作的影響,需要在虛擬平臺(tái)中準(zhǔn)確模擬鉆井平臺(tái)的熱量分布和傳播規(guī)律。采用圓柱坐標(biāo)系,忽略溫度場(chǎng)沿轉(zhuǎn)角θ的變化,建立平臺(tái)溫度場(chǎng)分布和擴(kuò)展規(guī)律的熱傳導(dǎo)方程為:

        (1)

        式中:k——平臺(tái)系統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù),J/(kg·℃);

        α——平臺(tái)周邊空氣的熱擴(kuò)散系數(shù),J/(m2·s·℃);

        r——溫度測(cè)量點(diǎn)距火源中心的徑向距離,m;

        z——溫度測(cè)量點(diǎn)距火源中心的軸向距離,m;

        φ(r,z)——被求解溫度場(chǎng)分布。

        忽略軸向z的變化時(shí),利用格林公式求解公式(1)可得溫度場(chǎng)沿徑向分布的解:

        (2)

        式中:T(r,t)——穩(wěn)定狀態(tài)溫度,℃;

        t——時(shí)間,s;

        α——平臺(tái)周邊空氣的熱擴(kuò)散系數(shù),J/(m2·s·℃);

        R——求解模型的邊界,m;

        G——溫度場(chǎng)的格林公式表達(dá),℃;

        τ——模型的剪切模量,常數(shù),無量綱;

        F(r′)——熱應(yīng)力,Pa;

        v,s——比例常數(shù),依據(jù)模型材料和邊界條件而定;

        f——瞬時(shí)溫度,℃;

        g(r,t)——產(chǎn)熱率,J/(m2·s)。

        根據(jù)公式(2)可以獲得火災(zāi)爆發(fā)區(qū)域周邊連續(xù)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù),進(jìn)而借助FDS軟件模擬火災(zāi)爆發(fā)周邊區(qū)域復(fù)雜的壓力變化、溫度場(chǎng)變化與火焰輻射狀態(tài),為后續(xù)人為干預(yù)機(jī)制及多目標(biāo)應(yīng)急救援模型的優(yōu)化提供依據(jù)。

        2 不同火災(zāi)場(chǎng)景下的火焰擴(kuò)展三維模型構(gòu)建

        依據(jù)海上平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)和火災(zāi)防控需求,構(gòu)建罐頂全面火、有遮擋(遮擋物設(shè)置在火焰正北方向)和無遮擋3種具有代表性的油氣泄漏火災(zāi)場(chǎng)景。預(yù)設(shè)12個(gè)檢測(cè)點(diǎn),東、南方向分別設(shè)置在距離爆炸中心9,13,17 m處,西、北方向分別設(shè)置在距離爆炸中心6,9,13 m處,如圖1所示,監(jiān)測(cè)100 s內(nèi)4個(gè)方向不同距離處的CO濃度、熱輻射和溫度。其中有遮擋的情況,北側(cè)測(cè)量點(diǎn)設(shè)置于遮擋物上方,如圖1(a)所示。探測(cè)器分為3類,以MP-S1點(diǎn)為例,該點(diǎn)CO濃度探測(cè)器記為MP-S1-CO,溫度探測(cè)器記為MP-S1-TEMP,熱輻射探測(cè)器記為MP-S1-RADI。

        圖1 不同火災(zāi)形式下的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

        使用FDS軟件建立火災(zāi)三維仿真模型,計(jì)算域?yàn)?3 m×36 m×18 m長方體區(qū)域,模型主體為一個(gè)28 m×27 m的平臺(tái)甲板模型,以及一個(gè)直徑10 m、高12 m的原油儲(chǔ)罐模型。環(huán)境初始溫度為20 ℃,環(huán)境大氣壓為101.325 kPa,火源熱釋放功率(HRR)為1 451 kW/m3,輻射分?jǐn)?shù)為0.33,CO產(chǎn)率為0.013。

        為盡可能獲得精確的模擬結(jié)果,需求解火源特征直徑D*:

        (3)

        式中:Q——熱釋放速率,J/(m2·s·℃);

        ρ0——環(huán)境空氣密度,kg/m3;

        c0——空氣比熱容,kJ/(kg·K);

        T0——環(huán)境溫度,℃;

        g——重力加速度。

        求解公式(3)得D*為1.05 m,最佳模擬網(wǎng)格大小取值在0.062 5D*到0.25D*之間。本文選取0.3 m×0.3 m×0.3 m的正方形網(wǎng)格進(jìn)行模擬求解,共設(shè)置1 274 400個(gè)網(wǎng)格。經(jīng)模擬,3種不同工況及火災(zāi)擴(kuò)展規(guī)律云圖如圖2所示。

        圖2 不同工況條件下火災(zāi)擴(kuò)展云圖

        使用MATLAB軟件對(duì)FDS模擬得到的三維仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,獲得不同方向下CO濃度Q、熱輻射S和溫度T的邊界函數(shù)M,見表1~表4,該函數(shù)可以準(zhǔn)確反映火災(zāi)不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)t對(duì)人員的傷害程度。由于模擬中得知,罐頂全面火和無遮擋火都是中心對(duì)稱的火源模型,無遮擋時(shí),僅模擬一種風(fēng)向便可得知其他風(fēng)向?qū)y(cè)試數(shù)據(jù)的影響;而有遮擋時(shí),只有南風(fēng)風(fēng)向(火源處在上風(fēng)向)的時(shí)候,在平臺(tái)遠(yuǎn)離火源的探測(cè)點(diǎn)才可監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù),其他風(fēng)向遠(yuǎn)端探點(diǎn)基本數(shù)據(jù)變化微小可以忽略,因此選擇南風(fēng)和無風(fēng)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

        表1 有遮擋無風(fēng)狀態(tài)相關(guān)參數(shù)的邊界函數(shù)M1

        表4 罐頂全面火災(zāi)無風(fēng)狀態(tài)相關(guān)參數(shù)的邊界函數(shù)M4

        分析可知,罐頂全面火災(zāi)沿水平方向的火焰輻射速度最快,伴隨的高溫高壓沖擊也最嚴(yán)重,但CO濃度略低于其他兩種工況;受遮擋影響,有遮擋火災(zāi)的火焰會(huì)向遮擋物聚集,造成火焰輻射沿垂直方向的擴(kuò)展速度明顯快于罐頂全面火災(zāi),水平方向的火焰輻射速度較慢,同時(shí)CO會(huì)向遮擋物聚集;無遮擋火災(zāi)水平方向上的火焰輻射速度與有遮擋火災(zāi)基本相同,但沿垂直方向的擴(kuò)展速度和CO濃度低于有遮擋火災(zāi)。相關(guān)現(xiàn)象可以用可燃油氣爆燃的壓力波理論解釋,如果在氣體燃燒過程中,火焰遇到約束,或者由于擾動(dòng)而使火焰加速,則會(huì)建立起一定的壓力波,壓力波會(huì)明顯改變火焰擴(kuò)展規(guī)律。

        3 應(yīng)急演練場(chǎng)景中事故預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

        3.1 UNITY模擬火災(zāi)影響范圍

        將不同距離下的CO濃度、熱輻射和溫度值等數(shù)據(jù)代入到UNITY中?;鹪粗行奈恢糜洖閍0,則可根據(jù)坐標(biāo)值和UNITY中的邊界函數(shù)M計(jì)算輸出空間中任一點(diǎn)a1的CO濃度、熱輻射和溫度值。

        定義影響類型的枚舉值FORM,根據(jù)輸入的方位值DIRECTION和兩點(diǎn)之間的距離值x,調(diào)用MATLAB提取的函數(shù)M計(jì)算最終的熱輻射值y。

        3.2 UNITY模擬火災(zāi)對(duì)人體傷害

        操作人員所操控的角色賦有生命值屬性,生命值設(shè)定最大值為100,最小值為0。角色分為受傷和死亡兩種狀態(tài),依據(jù)生命值改變而改變。角色在受傷時(shí)伴隨著生命值的減小,生命值的減小速率由傷害模型決定。為提高角色受傷的真實(shí)性和合理性,準(zhǔn)確的傷害數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)不可缺少的組成部分。對(duì)FDS模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到傷害程度,根據(jù)用戶交互和系統(tǒng)建設(shè)需求,設(shè)定綜合傷害系數(shù)值K,則:

        K=k1T+k2S+k3Q

        (4)

        式中的k1、k2和k3分別為溫度、熱輻射和CO濃度的加權(quán)系數(shù)。3個(gè)系數(shù)的取值由仿真系統(tǒng)場(chǎng)景結(jié)構(gòu)和災(zāi)害類型決定,主要用于評(píng)估不同災(zāi)害對(duì)人體傷害的等級(jí)。Unity3D設(shè)定生命值減少線性函數(shù):

        Role.HPManager(){localRoleData.Hp-=damage;}

        (5)

        式中:Role——角色控制類;

        HPManager——生命值函數(shù);

        localRoleData——本地角色數(shù)據(jù)管理類;

        damage——傷害數(shù)值。

        將生命值減少線性函數(shù)與傷害系數(shù)結(jié)合為傷害數(shù)學(xué)模型函數(shù):

        Role.HPManager(){localRoleData.Hp-=damage*K;}

        (6)

        計(jì)算后的數(shù)值即為角色最終生命值,通過UGUI框架映射到界面中,完成從計(jì)算到顯示的一整套流程。其中,時(shí)間節(jié)點(diǎn)t=100 s時(shí),主要參數(shù)沿徑向坐標(biāo)x的邊界函數(shù)如表1~表4所示。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)與火源中心距離x不超過15 m時(shí),擬合函數(shù)的計(jì)算偏差不超過10%;當(dāng)測(cè)量點(diǎn)與火源中心距離x超過15 m時(shí),各項(xiàng)參數(shù)均處于安全范圍內(nèi)。主要危害來自于火焰熱輻射。依據(jù)AQ/T 3046—2013《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》附錄H影響閾值中的推薦,熱輻射對(duì)設(shè)備與人體的傷害關(guān)系見表5。

        3.3 UNITY模擬事故處置所需資源

        3.3.1 消防水槍

        a) 著火罐的冷卻水槍數(shù)n(不考慮固定冷卻系統(tǒng))按公式(7)計(jì)算。

        (7)

        式中:D——著火罐的直徑2/3倍,m;

        q——著火罐的供水強(qiáng)度,L/(s·m),通??扇?.6;

        v——單支水槍的用水量,L/s,通常19 mm直流水槍用水量為6.5 L/s。

        b) 鄰近罐的冷卻水槍數(shù)n(不考慮固定冷卻系統(tǒng))按公式(8)計(jì)算。

        (8)

        以儲(chǔ)罐平臺(tái)的儲(chǔ)油罐為例,直徑為24 m,計(jì)算可知儲(chǔ)油罐所需冷卻水槍5支,鄰近罐所需冷卻水槍4支。

        3.3.2 泡沫滅火劑

        撲救原油火災(zāi)的泡沫液量可按公式(9)進(jìn)行計(jì)算。

        Q=kAq

        (9)

        式中:Q——撲救原油火災(zāi)所需泡沫液量,L/min;

        k——泡沫液的混合比,通常取0.06;

        A——著火面積,m2;

        q——泡沫混合液的供給強(qiáng)度,L/min,通??扇?0。

        以儲(chǔ)罐平臺(tái)儲(chǔ)油罐著火為例,著火面積為600 m2,泡沫液的混合比取0.06,則計(jì)算可知所需泡沫量為360 L/min。

        4 結(jié)論

        a) 構(gòu)建的火焰擴(kuò)展三維模型能夠準(zhǔn)確模擬不同影響因素下火災(zāi)事故的溫度場(chǎng)、CO濃度和熱輻射場(chǎng),實(shí)現(xiàn)對(duì)不同時(shí)間下火焰范圍、最高溫度、釋放能量、燃燒范圍、擴(kuò)展規(guī)律等風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)的量化評(píng)估,進(jìn)而模擬出事故范圍、事故對(duì)設(shè)備與人體的傷害以及事故處置所需資源,形成事故推演的可視化動(dòng)態(tài)事故模型。

        b) 開發(fā)的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)急演練系統(tǒng)不需要停工停產(chǎn),克服了演練時(shí)間和空間限制,降低了演練成本,同時(shí)解決了實(shí)際演練只有過程表演而沒有結(jié)果驗(yàn)證的弊端,提升了應(yīng)急演練效果。

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