基于SAFETI軟件模擬的海洋石油平臺火災爆炸風險源分析

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.海油發展采油服務公司，天津300456）

0 前言

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

1 海洋石油生產儲油平臺火災爆炸量化計算基礎

海洋石油生產儲油平臺（Production storage platform，縮寫為PSP)作為海上生產活動中重要的儲油設施，火災爆炸風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生泄漏所引發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項目的特點，對PSP平臺工藝設施發生油氣泄漏及所引發的后果影響進行辨識分析。分析單元劃分及分析方法選擇；根據對PSP平臺油氣泄漏及后果的危險辨識，結合PSP平臺工藝流程設計，對泄漏及火災爆炸分析進行單元節點劃分。并根據單元劃分的結果，分別選擇相應的模擬分析方法。模擬分析考慮以上各類事故對PSP平臺的后果影響，使用流體力學軟件FLUENT、渤海海域溢油模擬軟件以及火災爆炸模擬軟件SAFETI等軟件對PSP平臺各單元發生油、氣泄漏所產生的后果影響進行模擬計算，結合計算結果，分析PSP平臺各類事故的對平臺人員、設備的影響[1]。根據PSP平臺整體風險評估工作的總體規劃，在量化模擬PSP平臺整體火災爆炸影響程度的基礎上，為海上生產活動的總體布置的風險評價提出相應的技術支持。

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。生產介質自身的性質決定了工藝系統若發生泄漏，容易被周圍的明火或高溫引燃，發生火災乃至爆炸事故。使用火災爆炸模擬軟件SAFETI對PSP平臺各工藝單元設備發生火災、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；彌散模型對物質在空氣中的擴散形式進行模擬，不同的泄流形式導致不同的擴散云圖；可燃性模型預測熱輻射水平、發生火災的區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對環境的毒性影響，以濃度對距離及時間的函數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、泄漏相態、設施壓力、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 海洋石油生產儲油平臺油氣漏泄SATFETI狀態模擬計算

及其相互作用的復雜過程。就溢油所導致的短期環境影響而言，溢油的漂移、擴展、蒸發、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在水面的攪動和波浪破碎而引起的溢油入水。風的作用與油品的不同特性，則決定了海面原油的揮發和乳化，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果

采用SAFETI計算得出的設備的噴火影響范圍結果如圖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，當設備泄漏后被點燃，產生一個火焰，火焰形成一個熱輻射區，與火焰最近為37.5 kw/m2（白色區域），次之為12.5 kw/m2（灰色區域），最外圍為4.0 kw/m2.熱輻射強度的影響輻射強度（kw/m2）結果37.5足以造成設備損壞。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。海上溢油事故發生后，原油進入海洋受到海上風、浪、流的綜合作用，在海上漂移、擴散，嚴重破壞海域的生態環境。調查顯示，一次嚴重的海上溢油事故對自然生態環境的危害可持續數十年。而海上溢油事故多數是突發性事故，當溢油事故發生后，如何準確獲得海面油膜的動態信息，并迅速而有效地做出應急反應，對控制污染、減小損失以及清除污染都起著關鍵性的作用。海上溢油的行為和歸宿受風、浪、流等動力環境因素、其它非動力環境因素和油品特性等多種因素的支配，經歷著漂移、擴散、蒸發、分散、乳化、溶解、光氧化

3 海洋石油生產儲油平臺火災爆炸危險辨識

PSP平臺的海上生產活動風險主要來自于平臺工藝設施（管線、罐體、泵等）發生油氣泄漏事故，分析范圍從PSP平臺棧橋下游至平臺外輸管線。工藝設施發生烴類泄漏后，若被引燃，則會引發火災、爆炸乃至相應的升級事故發生，可能引發的事故狀態包括噴火、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，其噴射的形態主要取決于泄漏的設備內的壓力。發生泄漏的方向、位置、泄漏烴類的密度、組成以及周圍環境條件等，決定了出現在該區域的人員以及設備所遭受的傷害程度。液態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，蒸發出來的烴類氣體更加劇了燃燒，形成更強的熱輻射。當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，有可能使爆燃轉變成為爆轟，產生危害巨大的爆炸沖擊波。此類事故在敞開空間發生的概率很低，一般不易發生爆轟。對于PSP平臺，設施布置較多，尤其中層甲板和下層甲板的設施對能量釋放的約束較大，容易形成劇烈爆炸。爆炸產生的超壓沖擊波能夠造成人員傷亡以及平臺結構的損傷。

根據平臺工藝流程設計的需要，PSP平臺各層甲板設施在布置上考慮了功能區塊的劃分，并根據各區域工藝設施功能的不同、處理介質的不同以及操作條件的不同，將平臺各層甲板的不同區域劃分成為不同的危險等級，各等級區域之間設置了不同等級的防火墻。防火墻對火災、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爆炸的影響。在工藝系統中的某個設施發生泄漏時，由于泄漏口與大氣連通，泄漏口成為系統的泄壓點，流程中其他設施中的物料將順流甚至倒灌至泄漏口，導致大量油氣泄漏。設計上，在工藝流程中根據各設備設施的功能區分、設計壓力等級不同設置了關斷閥，在單體設備發生油氣泄漏或非正常工況時，可以及時實施關斷，對流程進行隔斷，這樣可以有效地控制油氣泄漏量。根據工藝泄漏、火災、爆炸模擬計算的需要，結合PSP平臺工藝系統中各設備設施之間的關斷閥設置以及關斷邏輯，對PSP平臺的工藝系統進行模擬分析單元的劃分。借助計算流體力學軟件FLUENT對PSP平臺中層甲板發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，所以對平臺相應處進行了簡化，包括管線、不規則設備等，以滿足模擬計算的要求，簡化處理須保證對模擬計算的結果影響程度不大。為了能夠從最危險的極端情況出發，分析中層甲板泄漏的可燃氣體擴散狀態以及被點燃的后果影響。由于PSP平臺中層甲板工藝裝置區由一堵A0防火墻分隔，因此模擬分析中在兩個區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

根據平臺工藝流程圖中所明確的設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、西北四個不同風向下，兩種規模泄漏發生時，可燃氣體擴散形態以及影響范圍，從而確定火炬點燃擴散可燃氣體的風險值。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，對應的質量濃度值為0.008 85 kg/m3.說明工藝系統達到2.5 kg的CH4泄漏量的概率是很高的。通過計算結果可以看出，在爆炸發生0.15 s時，產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.已經影響到附近的工藝設施，將引發事故的升級。通過爆炸模擬計算可以看出，發生天然氣泄漏后，初次爆炸對平臺整體影響相對較小，若能及時關斷，且生產區內各類設備均按照相應防爆等級設置，基本可以得到及時有效的控制。若在一次爆炸后，未能及時關斷泄漏氣源，仍有可燃氣體補充并被引燃，在設備較多的PSP平臺，容易引起爆燃產生較大超壓影響的二次爆炸甚至連續爆炸。在連續爆炸的升級事故狀態下，在較高的超壓以及極高的溫度持續作用下，平臺設施、結構會遭到較為嚴重的破壞，并形成大面積火災，A0及A60防火墻均會失去屏障作用，造成更大范圍的設備損失及人員傷亡，甚至造成平臺倒塌。對于系統的及時關斷以及危險區各類防爆設備設施的選型成為控制事故后果發展，降低二次爆炸事故風險的關鍵[6]。

4 海洋石油生產儲油平臺火災爆炸分析總結展望

采用SAFETI軟件系統對PSP平臺的火災爆炸后果進行了計算模擬分析，該火災爆炸計算模擬分析，將支持本風險評估的油田生產總體布置分析報告中的各項分析內容：

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

（2）通過使用SAFETI軟件模擬ALPHA平臺第一次閃燃當量，發現若在PSP平臺發生類似閃燃，主要風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置，降低熱輻射的影響。

（3）通過使用SAFETI軟件，模擬PSP各設備的火災爆炸水平，認為PSP整體火災爆炸水平與其他海上設施工藝系統的整體水平差異不大，就主要的火災爆炸點源儲罐而言，受其壓力等級低，SIL邏輯設置合理等條件的貢獻，結構可靠的條件下，發生噴火以及大面積池火的可能性低，風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，其結果以及原油自身屬性說明，PSP儲罐泄漏后導致海面池火的可能性極低，可以忽略。

參考文獻：

[1]孫菊香.船舶氣囊下水技術綜述[J].中國修船，2010（6）：13-15.

[2]賀 辰，邱 煒，閆慶賀.導管架海上安裝水平度控制[J].石油工程建設，2015（4）：20-21.

[3]楊建文，劉振山，李文玉.導管架施工工藝流程及施工技術要求[J].中國港灣建設，2013（3）：30-31.

[4]朱高偉.導管架的設計安裝與安全管理探討[J].化工管理，2015（16）：20-22.

[5]李義娟，王鐵剛，劉 歡，等.導管架海上安裝風險分析及控制方法研究[J].西部探礦工程，2011（9）：11-12.

[6]顧太平，何 琳，黃 煉.一種氣囊承載特性分析方法[J].海軍工程大學學報，2011（3）：40-41.