海上油氣平臺火災爆炸分析與評估方法

潘海鋒 凌愛軍

摘 要：海上油氣平臺是海上油氣生產的重要設施，在油氣生產領域具有重要意義。而火災爆炸是海上油氣平臺重大安全風險之一，為了降低海上油氣平臺生產過程中的安全風險和成本，針對海上油氣平臺進行火災爆炸分析具有重要意義。在火災爆炸理論分析基礎上，特別是噴射火和池火理論分析基礎上，結合仿真分析軟件（FLACS）進行泄露介質擴散云分析、火災爆炸后果分析、噴射火動態仿真及其關鍵參數影響分析，確定泄露介質擴散云、火災爆炸后果、噴射火關鍵參數以及需要被動防火（PFP）保護的位置。研究結果表明，在對海上平臺火災爆炸后果分析中，仿真分析方法更精確和適用，尤其在確定被動防火（PFP）區域和位置方面，值得推廣和借鑒。

關鍵詞：火災爆炸 噴射火和池火 擴散云 火災爆炸后果 被動防火（PFP）

中圖分類號：P75文獻標識碼：A文章編號：1003-9082（2019）05-0-03

引言

海上油氣平臺火災爆炸是造成海上油氣平臺總體風險的主要組成部分[1]。然而，常用理論研究[2-3]在用于評估火災爆炸風險和基于防火保護的設計方法時可能較為淺顯。工程軟件仿真在用于海上油氣平臺火災爆炸模擬分析中具有更加精確和高效的特點，且建模仿真分析普遍用于海上油氣平臺工程安全風險分析中。在海上油氣平臺火災爆炸分析中，本文重點基于計算流體動力學（CFD）[4]仿真分析。

一、CFD模型仿真方法

預測海上油氣平臺火災爆炸熱輻射的影響可以使用計算流體動力學（CFD）模型來進行分析。這些模型是基于海上油氣平臺開敞結構下的火災分析，并且也適用于大多數海上典型設施火災模擬。而實際工程應用中，海上結構模塊往往會受到墻壁、甲板和其他結構的限制，并可能完全改變火災的影響。計算流體動力學（CFD）模型通常分析泄露點可燃介質流體擴散[5]云圖，結合泄露介質熱值，模擬火災爆炸的熱輻射后果。這種分析可燃介質流體泄露擴散時，就會考慮船體墻壁和其他對介質擴散有影響的結構，因此仿真分析計算結果更加精確。

在上述精確性分析方法中，結構最大能承受的火災值就是火災爆炸分析的一個極限值。詳細分析達到結構承載極限值的區域，因為它最終將決定PFP（被動防火措施）的位置。分析中所假設的泄露介質場景大小不同，相應地PFP覆蓋率的計算結果差異也會很大。通常，在火災爆炸場景仿真分析時，由于涉及到一些不確定性因素的影響，一般會進行一些保守性的假設，進而導致PFP的覆蓋范圍通常比實際需要的大。另外，在火災爆炸分析中，經常涉及到對火災爆炸風險進行等級劃分，此時通常使用業主可接受的風險準則。

火災爆炸后果仿真分析中，使用CFD模型方法來模擬泄露介質擴散動態，然后通過FLACS的火災爆炸分析軟件，結合泄露介質被點燃工況，仿真火災爆炸后果。

二、火災爆炸理論

1.火災爆炸數學模型

在目前的研究中，經常使用質量、動量、焓、燃料質量分數、湍流動能和湍動能耗散率等守恒定律來模擬火災爆炸現象[6-7]。通過分析這些量的守恒定律微分方程，得Favre平均變量服從廣義方程（方程（1）所示），其中表示因變量ui;h;Yi;k;;代表該變量的湍流交換系數，Si代表相應的源項：

孔隙度方法應用于建模中，并且在方程（1）中，由來表示。同時考慮體積孔隙度和面積孔隙度。

火和熱傳遞模擬基于通用公式傅里葉方程（方程2）針對整個系統進行分解，方程如式（2）所示。

其中，C是比熱容;k是沿X、Y和Z方向上的導熱系數。

2.噴射火和池火理論

特定泄漏量、噴射火焰長度（在t=0、5分鐘、10分鐘和30分鐘）、池火直徑、池火長度、釋放持續時間和燃燒持續時間是研究火災爆炸需要計算出的變量。氣體的釋放速率和液體的釋放速率是泄露的主要輸出[8]。

壓力下泄漏氣體的初始氣體釋放速率計算如式（3）：

式（3）中，A為泄露孔的面積、CD為流量系數、Po為氣體操作壓力（Pa）、M為氣體分子質量（g/mol）、T0為操作溫度（K）、為比熱比、R為通用氣體常數（8314j/（k·gmol·K））、Pa為絕對壓力（Pa）。

壓力下泄漏液體的初始液體釋放速率計算如式（4）：

式（4）中，為泄露液態介質密度。

在海上，Chamberlain方程計算噴射火焰長度如式（5）：

根據釋放速率隨釋放時間指數衰減，且按式（6）計算t=0分鐘，5分鐘，10分鐘和30分鐘時釋放速率，然后使用Chamberlain方程式（5）來確定噴射火焰長度。

式（6）中，mG由下式（7）計算：

式（7）中，P為氣體操作壓力、T為氣體操作溫度、M為氣體分子質量、r為管道或容器半徑、L為管道或容器長度或高度。

針對原油生產處理系統，如研究由注入油井的甲醇和收集柴油泄放液體形成的池火。由于FPSO上的所有含有液體的設備都配備有防止液體傳播的圍池，因此圍池的直徑（最糟糕的情況）由下式（8）給出：

式（8）中，A為最嚴重泄露情況下圍池的面積。

池火的長度由式（9）計算：

式（9）中，為空氣密度、Vburningrate為燃燒速率。

三、火災爆炸分析步驟

1.仿真建模

建模中，除平臺主體結果、防火圍蔽等要在模型中體現外，重大設備及其管線也要在模型中體現。因為這些設備會成為障礙物直接影響泄露介質的擴散，進而影響仿真分析的結果。例如建模如下圖1所示。通過海上油氣平臺設計圖紙和現場調研，對分析對象進行建模。模型越精確仿真分析結果就越精確。

2.泄露介質計算

根據海上油氣平臺現場數據，確定平臺生產介質的組成，選定泄露代表性介質。根據《基于風險檢驗的基礎方法》[9]中常見泄露場景，表1所示，由式（3）、（4）計算泄露介質的泄露速率。

3.火災爆炸仿真分析

網格劃分：計算網格劃分質量的好壞是決定計算結果準確性和精確度主要因素，模擬區域相對較為簡單，整個計算區域采用規則網格進行劃分，對于泄漏源區域進行網格加密，以反映氣體運動的快速變化;隨著離泄漏源區域的增加，逐步增大網格，以便減少計算時間，提高計算效率。

計算模擬過程包括3個階段，第一階段對計算區域的風場開展模擬，以獲得在不同風場下的大氣流動情況，其將對天然氣的擴散起到顯著的影響作用;第二階段將泄漏的天然氣耦合入已經完成的風場中[10]，實現風場運動作用下的天然氣擴散過程的分析，最終確定天然氣在特定環境條件下的分布情況;第三階段，選取泄漏天然氣穩定氣云時間點，設置點火點，重新劃分燃爆模擬網格，實現泄漏后燃爆事故的模擬。泄露介質擴散云圖如下圖2所示，火災爆炸仿真分析見圖3所示。

四、泄露介質噴射火仿真

通過對火災案例進行大量地系統調查，其中涉及在海上生產區域的火災通常為噴射火災。以下重點對上述案例進行泄露處泄露介質噴射火仿真分析，其噴射火理論基礎見2.2節所述。通過仿真分析來確定哪些參數對火災爆炸的嚴重程度最為重要，尤其導致鋼結構和設備的坍塌，同時確定那些位置需要PFP（被動防火措施），以防止更大事故后果發生。

1.噴射火區域熱通量

為了預測坍塌發生的時間和位置，需要著重考慮火災的動態，在噴射火中最熱的區域移動緩解了對結構造成的破壞。火焰的移動以圖4所示的水平噴射火為例來進行說明。在這里，火焰（用顏色）以噴射火焰的兩個不同快照方式來顯示，分別為初始泄漏（96kg/s）和5分鐘后（24kg/s）的兩種工況，如圖4所示。在沿x方向且在距離泄漏點約30米的前方的水平管道上測量熱通量，該管道上接收到的熱通量繪制在圖5中。圖5表明對于初始泄露（96kg/s），有兩個500kW/m2的熱區域，在噴射火中心線的兩側各有一個。當泄漏率降低到24kg/s和6kg/s時，管道上最熱的點位于射流的中心線附件。

圖注：泄露最初火災，96公斤/秒（圖左）;5分鐘后，24公斤/秒（圖右）

由于火焰的這種動態運動，管道上最熱的點也會移動。火災爆炸發生的第一分鐘，當泄漏率為96kg/s時，管道的最大熱通量為500kW/m2。然而，5分鐘后，同樣的地方的熱通量為130kW/m2。5分鐘時，最熱的地點向下移動了約2米，這里的通量為240kW/m2。在此案例中，找到了管道上最大的熱通量點，如圖6所示。同時在管道x=302m、x=304m處，在初始泄露、泄露5min時、泄露11min時的熱通量。這個工程案例顯示了火災中心點，當發生坍塌時，只研究固定火災中心點位置的熱通量。

2.火災爆炸分析關鍵參數

通過不同參數如風速、風向、泄漏率、噴射方向和泄漏位置來進行仿真模擬分析，在每組參數案例分析中取出模塊中幾個單元的熱通量。通過分析仿真結果，發現最重要的參數是泄漏方向、泄漏位置、噴火是否碰到障礙物、初始泄漏率和泄漏持續時間，而風速和風向通常不會對射流火災的結果造成重大影響。所有這些參數都在后續仿真計算中考慮。

五、海上平臺導管架火災爆炸仿真分析

上述工程案例海上平臺上預計將安裝兩個新的燃氣立管和一個清管站。清管站位于最低層甲板的西側。當新清洗站點發生火災時，分析的目的是確定最低層甲板是否需要PFP覆蓋。這個案例只考慮來自新清管工作站的泄漏，同一區域的其他管道和設備不包括在泄漏源中。火災爆炸仿真分析與PFP研究一起進行，且本案例中應用了來自QRA分析中的情景定義、泄漏頻率和點火概率。

選取新清管工作站中最大部分的小，中，大孔泄漏三種情景。噴射方向朝向平臺的內部。發現大孔泄露情景在甲板內造成最嚴重的后果。因此，主要分析大孔泄露這種情況下甲板那些地方需要PFP覆蓋。圖7顯示了平臺俯視結構圖，并顯示了ROW的位置。圖8和圖9中的鋼溫度仿真分析圖，溫度達到臨界溫度以上會導致ROWB坍塌。因此，PFP需要覆蓋到ROWB。

六、結論

本研究通過流體動力學（CFD）模型來計算泄露介質擴散云圖和火災爆炸后果影響。此方法在海上平臺火災爆炸分析方面更精確和簡便，讓我們更直接地了解海上平臺火災爆炸風險后果，同時促進海上平臺更好地風險管控。

通過泄露位置處的噴射火仿真，確定噴射火所影響區域的熱通量，尤其是噴射火影響最嚴重的區域。同時確定那些位置需要采取被動防火（PFP）措施，防止海上平臺更嚴重的火災爆炸后果出現。

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