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，將會對人員安全、財產(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)在海洋鉆井平臺災(zāi)情演練中的應(yīng)用以理論分析為主[6,7]，依據(jù)實際情況建立仿真模擬的研究十分稀少，尤其缺失嚴(yán)格對應(yīng)真實工況的泄漏擴散、燃爆及人員的疏散模擬分析[8-10]。

FDS軟件利用流體動力學(xué)分析火災(zāi)動力學(xué)特征，與火災(zāi)實際演化過程匹配度高[10]，可以準(zhǔn)確評估不同風(fēng)向下火災(zāi)的危險等級并指導(dǎo)相應(yīng)逃生和救援機制的建立。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，采用FDS軟件對海上鉆井平臺典型火災(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)測模型和虛擬現(xiàn)實模型，并通過人工智能技術(shù)對事故的發(fā)展、人員行為的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，實現(xiàn)更為準(zhǔn)確的演練模擬。

1 海上平臺火災(zāi)蔓延過程的溫度場模型構(gòu)建

海上平臺主要由鋼鐵等材質(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)確評估火災(zāi)擴展過程中熱量沖擊對救援工作的影響，需要在虛擬平臺中準(zhǔn)確模擬鉆井平臺的熱量分布和傳播規(guī)律。采用圓柱坐標(biāo)系，忽略溫度場沿轉(zhuǎn)角θ的變化，建立平臺溫度場分布和擴展規(guī)律的熱傳導(dǎo)方程為：

(1)

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

α——平臺周邊空氣的熱擴散系數(shù)，J/(m2·s·℃)；

r——溫度測量點距火源中心的徑向距離，m；

z——溫度測量點距火源中心的軸向距離，m；

φ(r,z)——被求解溫度場分布。

忽略軸向z的變化時，利用格林公式求解公式(1)可得溫度場沿徑向分布的解：

(2)

式中：T(r,t)——穩(wěn)定狀態(tài)溫度，℃；

t——時間，s；

α——平臺周邊空氣的熱擴散系數(shù)，J/(m2·s·℃)；

R——求解模型的邊界，m；

G——溫度場的格林公式表達(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、溫度場變化與火焰輻射狀態(tài)，為后續(xù)人為干預(yù)機制及多目標(biāo)應(yīng)急救援模型的優(yōu)化提供依據(jù)。

2 不同火災(zāi)場景下的火焰擴展三維模型構(gòu)建

依據(jù)海上平臺的基本結(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)場景。預(yù)設(shè)12個檢測點，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100 s內(nèi)4個方向不同距離處的CO濃度、熱輻射和溫度。其中有遮擋的情況，北側(cè)測量點設(shè)置于遮擋物上方，如圖1(a)所示。探測器分為3類，以MP-S1點為例，該點CO濃度探測器記為MP-S1-CO，溫度探測器記為MP-S1-TEMP，熱輻射探測器記為MP-S1-RADI。

圖1 不同火災(zāi)形式下的監(jiān)測點設(shè)置

使用FDS軟件建立火災(zāi)三維仿真模型，計算域為53 m×36 m×18 m長方體區(qū)域，模型主體為一個28 m×27 m的平臺甲板模型，以及一個直徑10 m、高12 m的原油儲罐模型。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個網(wǎng)格。經(jīng)模擬，3種不同工況及火災(zāi)擴展規(guī)律云圖如圖2所示。

圖2 不同工況條件下火災(zāi)擴展云圖

使用MATLAB軟件對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)不同時間節(jié)點t對人員的傷害程度。由于模擬中得知，罐頂全面火和無遮擋火都是中心對稱的火源模型，無遮擋時，僅模擬一種風(fēng)向便可得知其他風(fēng)向?qū)y試數(shù)據(jù)的影響；而有遮擋時，只有南風(fēng)風(fēng)向(火源處在上風(fēng)向)的時候，在平臺遠(yuǎn)離火源的探測點才可監(jiān)測到數(shù)據(jù)，其他風(fēng)向遠(yuǎn)端探點基本數(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)的火焰會向遮擋物聚集，造成火焰輻射沿垂直方向的擴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CO會向遮擋物聚集；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，或者由于擾動而使火焰加速，則會建立起一定的壓力波，壓力波會明顯改變火焰擴展規(guī)律。

3 應(yīng)急演練場景中事故預(yù)測模型構(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。火源中心位置記為a0，則可根據(jù)坐標(biāo)值和UNITY中的邊界函數(shù)M計算輸出空間中任一點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和兩點之間的距離值x，調(diào)用MATLAB提取的函數(shù)M計算最終的熱輻射值y。

3.2 UNITY模擬火災(zāi)對人體傷害

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個系數(shù)的取值由仿真系統(tǒng)場景結(jié)構(gòu)和災(zāi)害類型決定，主要用于評估不同災(zāi)害對人體傷害的等級。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，完成從計算到顯示的一整套流程。其中，時間節(jié)點t=100 s時，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)測量點與火源中心距離x不超過15 m時，擬合函數(shù)的計算偏差不超過10%；當(dāng)測量點與火源中心距離x超過15 m時，各項參數(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)險評價導(dǎo)則》附錄H影響閾值中的推薦，熱輻射對設(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)計算。

(7)

式中：D——著火罐的直徑2/3倍，m；

q——著火罐的供水強度，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)計算。

(8)

以儲罐平臺的儲油罐為例，直徑為24 m，計算可知儲油罐所需冷卻水槍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度，L/min，通?？扇?0。

以儲罐平臺儲油罐著火為例，著火面積為600 m2，泡沫液的混合比取0.06，則計算可知所需泡沫量為360 L/min。

4 結(jié)論

a) 構(gòu)建的火焰擴展三維模型能夠準(zhǔn)確模擬不同影響因素下火災(zāi)事故的溫度場、CO濃度和熱輻射場，實現(xiàn)對不同時間下火焰范圍、最高溫度、釋放能量、燃燒范圍、擴展規(guī)律等風(fēng)險參數(shù)的量化評估，進(jìn)而模擬出事故范圍、事故對設(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)，克服了演練時間和空間限制，降低了演練成本，同時解決了實際演練只有過程表演而沒有結(jié)果驗證的弊端，提升了應(yīng)急演練效果。