王 軍,劉海超,羅成喜,黃俊華, 孟憲龍

（1.中南勘測設(shè)計研究院有限公司， 長沙 410014；2.必維安全技術(shù)有限公司，天津 300061）

1 前言

在2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和的雙碳目標(biāo)背景下，海上風(fēng)電開發(fā)將蓬勃發(fā)展。海上升壓站是海上風(fēng)電場的核心組成部分，目前我國在建和已投產(chǎn)的海上風(fēng)電場升壓站均為無人值守，但由于升壓站設(shè)備眾多，需要經(jīng)常派人對設(shè)備進行巡查和檢修。

目前我國對海上風(fēng)電場升壓站的設(shè)備漏油火災(zāi)以及個人風(fēng)險分析較少，本文依托山東某海上風(fēng)電場升壓站進行分析。該風(fēng)電場項目總裝機容量為300 MW，配套建設(shè)一座220 kV 升壓站，該升壓站為無人值守平臺，需經(jīng)常派人巡查、檢修和維護。本文通過對此升壓站漏油火災(zāi)進行量化風(fēng)險分析，得到升壓站個人風(fēng)險分析結(jié)果，并提出相關(guān)消防建議。

量化風(fēng)險評價（QRA）目的是以數(shù)字化及圖表化的計算結(jié)果，辨識高危險設(shè)備或作業(yè)安全的薄弱環(huán)節(jié)，分析潛在安全事件的風(fēng)險頻率及危害造成的后果，了解企業(yè)真正的安全水平，并與其他類似設(shè)施的安全水平相比較，提出相應(yīng)的安全整改措施。QRA 前應(yīng)先進行火災(zāi)和爆炸分析，目的是識別并量化項目中可能對人員生命造成威脅的危險，并評估這些危險造成的直接后果，如熱輻射值、爆炸的超壓值等，進一步結(jié)合人員對各類后果的耐受程度，得到事故對人造成的風(fēng)險。

2 分析流程

項目主要分析流程框架，如圖1 所示。

圖1 項目主要分析流程圖

（8）風(fēng)險分析

結(jié)合事故概率分析及后果分析，借助量化風(fēng)險分析理論，給出平臺各物理空間點所面臨的風(fēng)險水平；評估平臺各個崗位員工所面臨的風(fēng)險，對比風(fēng)險接受體系，評判風(fēng)險可接受程度；判斷當(dāng)前的設(shè)備設(shè)施布局、被動防護措施是否能夠滿足企業(yè)要求，對不滿足的地方，提出修改建議。

本文分析借助LEAK、SAFETY、FLUIDYN 軟件。其中，LEAK 軟件用于計算泄漏頻率，SAFETY 軟件用于計算泄漏初始數(shù)據(jù)，F(xiàn)LUIDYN 軟件用于三維空間擴散、火災(zāi)和爆炸模擬。

（1）失效場景選擇與相關(guān)信息輸入

基于設(shè)備設(shè)施的類型、布局，根據(jù)項目中要求遵守的規(guī)范進行定性分析；識別和選擇重要的危險設(shè)備，建立可以量化分析的風(fēng)險場景，確定相關(guān)的參數(shù)（危險物屬性、設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝操作參數(shù)等）；

（2）泄漏分析

根據(jù)失效場景分析，選擇泄漏模型，以及泄漏量、持續(xù)時間、泄漏孔徑、位置等相關(guān)參數(shù)的推算；

（3）擴散分析

根據(jù)泄漏場景、用戶自定義數(shù)據(jù)，結(jié)合自然環(huán)境參數(shù)、地形、建筑物空間位置關(guān)系、泄漏物收集裝置，進行泄漏物空間擴散分析；

（4）建立物理模型

根據(jù)擴散和燃燒分析結(jié)論，計算可燃物被點燃后的火災(zāi)、爆炸后果，主要包括熱輻射的持續(xù)時間和爆炸超壓的影響距離；

（5）借助軟件及國際上權(quán)威的數(shù)據(jù)庫，對風(fēng)險場景內(nèi)的失效概率進行估算；

（6）評估建筑物和其他保護措施在火災(zāi)、爆炸事故狀態(tài)下對人和設(shè)備設(shè)施的保護作用；

（7）對各個失效場景進行循環(huán)計算和疊加，計算出所有場景的失效后果；

3 平臺簡介

3.1 升壓站布置

海上風(fēng)電場升壓站上部組塊采用四層結(jié)構(gòu)布置，最大平面為二層甲板，尺寸為40.0 m×36.0 m，高約35.0 m (不包括吊機)，最高點距海平面36.5 m。

3.2 平臺人員狀況

平臺為無人值守平臺，平時無人員進行操作作業(yè)，但是設(shè)備巡查、維護保養(yǎng)時會有運維人員；平臺沒有居住區(qū)域，人員在作業(yè)間隙會在平臺一層的臨時休息室休息，作業(yè)結(jié)束后離開平臺。

3.3 主要設(shè)備參數(shù)

（1）主變壓器

升壓站設(shè)2 臺160 MVA 的主變壓器，主變選擇三相油浸式自然油循環(huán)自冷卻型有載調(diào)壓雙繞組變壓器，每臺主變含油40 t。

（2）事故油罐

事故油罐電動排水閥平時常開，主變發(fā)生火災(zāi)事故時自動關(guān)閉電動排水閥，事故油罐收納主變火災(zāi)后的排放廢油、廢液；火災(zāi)結(jié)束后，打開手動事故排油閥排放廢油及廢液，由船外運至陸上進行處理，事故廢油、廢液不外排，事故油罐容量為90 m。

4 危險識別及場景

升壓站在運行過程中，存放可燃物容器的管道和接口可能會因為腐蝕、關(guān)閉不嚴(yán)或施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等原因?qū)е挛ｋU物質(zhì)泄漏；此外，由于操作不當(dāng)或維護不到位，也可能會造成可燃物泄漏或者電氣短路事故：

（1）主變油箱油路管道連接法蘭，發(fā)生漏油引起火災(zāi)或爆炸；

（2）油枕漏油，引起火災(zāi)或爆炸；

（3）油流計處發(fā)生漏油，引起火災(zāi)或爆炸；

（4）潛油泵處發(fā)生漏油，引起火災(zāi)或爆炸；

（5）油箱漏油，引起火災(zāi)或爆炸；

（6）散熱器漏油，引起火災(zāi)或爆炸；

（7）變壓器套管上部算盤珠狀橡膠密封圈和套管底部橡膠平墊老化漏油，引起火災(zāi)或爆炸；

（8）事故油罐變壓油泄漏，造成池火事故。

本文分析中，泄漏量的確定綜合考慮以下因素：泄漏設(shè)備儲存的物質(zhì)的量；其臨近設(shè)備的存量。

本文所選取的泄漏孔徑分類、代表性孔徑的大小，根據(jù)AQ/T3046《化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則》選取。

本文選擇的工況包括：主變油箱及其附屬油路發(fā)生變壓油泄漏、主變散熱器發(fā)生變壓油泄漏、事故油罐發(fā)生變壓油泄漏。

使用LEAK 軟件，對篩選后的主變油箱及其附屬油路、主變散熱器、事故油罐設(shè)備進行泄漏計算。

5 仿真分析

在上面篩選的設(shè)備中，所含介質(zhì)在常溫常壓下為液態(tài)，發(fā)生泄漏后自然流出在地面形成液池，點燃后發(fā)生池火火災(zāi)。出于保守考慮，分析中選擇最為關(guān)注的變壓室內(nèi)油氣爆炸驗證其爆炸強度。

5.1 模型構(gòu)建

（1）幾何建模

根據(jù)升壓站平臺布置圖，使用FLUIDYN 建立升壓站的幾何模型，如圖2 所示。

圖2 三層甲板幾何模型及計算域

（2）計算設(shè)定

使 用FLUIDYN 軟 件Ventfire-gui6_64 和Ventexgui6_64 模塊，導(dǎo)入上面的幾何模型，設(shè)定液池參數(shù)、風(fēng)速、風(fēng)向、邊界條件等進行計算。

（3）網(wǎng)格劃分

在升壓站幾何模型的基礎(chǔ)上，使用軟件對模型進行有限元網(wǎng)格劃分，如圖3 所示。

圖3 典型網(wǎng)格單元模型示意圖

（4）計算及后處理

使用FLUIDYN 軟件Ventfire- solver_64 和Ventexsolver_64 模塊分別進行燃燒和爆炸求解計算；使用FLUIDYN 軟件Gui6_64 模塊讀取計算結(jié)果文件，導(dǎo)出需要分析的數(shù)據(jù)和圖片。

5.2 仿真計算結(jié)果

為了便于衡量火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射和爆炸超壓對周邊建筑結(jié)構(gòu)的影響程度，在其相鄰墻體邊緣設(shè)置若干個監(jiān)測點，通過提取檢測點位置數(shù)據(jù)，可以估計墻體結(jié)構(gòu)遭受的熱輻射和超壓情況，以便評估人員在正常檢修等活動過程遇到火災(zāi)爆炸收到的熱輻射和超壓數(shù)值。

根據(jù)估算數(shù)據(jù)：

（1）主變室內(nèi)最大熱輻射值出現(xiàn)在大泄漏工況下，距離主變房間地面高度1 m 處，數(shù)值為131.2 kW/m，最大超壓值為0.02 bar。最大熱輻射出現(xiàn)的工況，為液體覆蓋了整個地面；

（2）主變室外池火的最大熱輻射值，出現(xiàn)在大泄漏工況下距離地面高度1 m 處，數(shù)值為102.1 kW/m，由于散熱器在室外最大超壓為0；

（3）事故油罐最大熱輻射值，出現(xiàn)在大泄漏工況下距離地面1 m 高度處，數(shù)值為83.5 kW/m，由于事故油罐在室外最大超壓值為0。

6 人員安全風(fēng)險評價

根據(jù)TNO PURPLE BOOK Guidelines for quantitative risk assessment：

（1）池火造成的人員死亡概率，遵循下式及圖4所示流程：

圖4 池火造成的人員死亡概率

式中：P為熱輻射暴露下的死亡概率；Q 為人員所在位置的熱輻射值；t 為人員暴露時間，最大為20 s。

（2）爆炸造成的人員死亡概率，遵循圖5 所示流程和判斷準(zhǔn)則。

圖5 爆炸造成的人員死亡概率

（3）現(xiàn)場個人專項風(fēng)險（LSIR），可以表示為：

LSIR=∑升壓站事故發(fā)生的頻率×升壓站事故導(dǎo)致的個人死亡概率

（4）年度個人風(fēng)險（IRPA），可以表示為：

IRPA=∑LSIR×人員年出現(xiàn)概率

根據(jù)前面防火防爆分析可知：池火發(fā)生時，認(rèn)為距離地面高度1 m 處為人員活動區(qū)域，所有工況下熱輻射值都大于35 kW/m，人員死亡概率為1；升壓站變壓油產(chǎn)生的爆炸最大超壓值均低于0.1 bar，故升壓站人員死亡概率的為0；結(jié)合不同工況下泄漏發(fā)生的頻率以及點火概率，可以得到不同位置處人員遭受的風(fēng)險。

從年度個人風(fēng)險（IRPA）的計算公式可以看出：它是不同位置處的個人專項風(fēng)險（LSIR）乘以對應(yīng)的人員在此處出現(xiàn)的概率，再對結(jié)果進行疊加后得出，不可能超過LSIR 的最大值。因此，雖然當(dāng)前階段尚不清楚人員在各個位置出現(xiàn)的頻率，但如果綜合人員的時間和空間分布特點，全部人員的年度個人風(fēng)險（IRPA）最大值是4.98E-05 次/年，遠(yuǎn)低于海洋工程領(lǐng)域普遍采用的1E-03 次/年，所以所產(chǎn)生的風(fēng)險等級是可以接受的。

7 結(jié)論

由上述本分析可知,海上升壓站具有火災(zāi)失事規(guī)模大、人員傷亡后果嚴(yán)重的特點，但發(fā)生概率??；同時，升壓站的年度個人風(fēng)險數(shù)值較低，人員相對安全?；谏鲜鼋Y(jié)論，提出以下消防建議：

（1）由于絕大多數(shù)設(shè)備不備漏油報警監(jiān)控，可增加漏油監(jiān)控設(shè)備，同時將監(jiān)控設(shè)備連接到消防系統(tǒng)，以便實時監(jiān)控漏油設(shè)備工作狀況；

（2）適當(dāng)提高主變壓器室事故油罐等房間設(shè)備的火災(zāi)報警探測器靈敏度，配合消防系統(tǒng)及時撲滅前期火災(zāi)；

（3）適當(dāng)增加滅火器數(shù)量；

（4）提高人員安全意識、改善操作手冊、明確禁止事項等，降低人員在升壓站檢修等發(fā)生風(fēng)險的概率，提高人員在升壓站活動的安全性。