基于FDS的海洋平台油气处理系统火灾危险分析＊

郭 杰 朱 渊 陈国明

(中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心)

油气处理系统是海洋平台重要的生产设备,其所涉及的原料、中间品和产品具有易燃易爆的特点,容易造成火灾、爆炸事故[1],可导致严重的后果。1988年英国北海阿尔法平台发生火灾、爆炸,造成165名工人死亡,经济损失34亿美元[2]。为有效应对油气处理系统的火灾事故,需掌握火灾蔓延规律,制订有针对性的控制措施,这对提高海洋平台安全生产水平具有重要意义。

国内外学者对海洋平台火灾进行了多方面研究,建立了海洋平台火灾燃烧模型及火焰特性、热辐射概率模型[3],确定了火灾对平台上工艺设备、安全系统等的影响[4],并采用定量风险评价技术进行火灾安全综合评估[5-6]。已往的研究中广泛采用以FDS软件为代表的计算流体动力学方法分析火灾动力学特征,FDS软件经过了大型及全尺寸火灾实验的验证,计算结果与实际较吻合[7]。本文以某海洋平台下层甲板油气处理系统为研究对象,采用FDS(Fire Dynamics Sim ulato r)软件模拟分析海洋平台油气处理系统因原油泄漏发生的火灾事故,通过对比分析火灾危险性,为确定事故条件下最有利于平台人员疏散的路径提供支持。

1 基本理论模型

1.1 流体泄漏源强理论模型

泄漏口的尺寸和形状是影响泄漏的主要因素,对原油等流体的泄漏源强可表示为[8]

式(1)中:Q为泄漏量,kg/s;Cd为泄漏系数,一般取值0.9～1.0;A为泄漏孔面积,m2;p为容器内压力,Pa;ρ为原油密度,kg/m3。

1.2 火灾过程理论模型

为简化火灾燃烧过程,基于文献[7,9-10]的研究和推荐,对火灾发展过程作如下假设:①初始时,平台内部风速稳定,温度分布均匀;②不考虑环境空气对热辐射的吸收;③忽略设备结构对周围物体的热辐射,即热辐射的分布完全由火焰决定;④火灾产生的烟气视为理想气体;⑤烟气在产生后不再发生化学反应。采用大涡模拟理论模拟火灾湍流运动,火灾过程中状态参数需满足的基本方程如下[7]:

质量守恒方程

组分守恒方程

动量守恒方程

能量守恒方程

气体状态方程

式(2)～(6)中:ρ为密度,kg/m3;u为速度矢量,m/s;p为压力,Pa;h为总焓,J/kg;T为温度,K;Yi为组分i的质量浓度;Di为组分i的扩散系数,m2/s;Wi为组分i的化学反应速率,kg/(m3·s);Mi为组分i的摩尔分子量,kg/mol;R为摩尔气体常数,J/(mol·K);qr为热辐射通量,W/m2;q为燃烧反应热,J/mol;k为热导率,W/(m·K);g为重力矢量,m/s2;t为时间,s;τij为粘性应力张量,Pa。

2 海洋平台作业空间建模

2.1 平台所处海洋环境

以波斯湾某海域为本次研究环境背景,平台所处海洋环境参数为温度10.2℃、年均风速5.7 m/s、大气压力为101.3 kPa。火灾发生后,模型外边界条件与环境条件相同。

2.2 几何模型建立

以某海洋平台下层甲板油气处理系统为研究对象,建立仿真分析模型,如图1所示。模型主要设备包括生产计量管汇、生产加热器、一级分离器、二级分离器、计量加热器、热化学脱水器、电脱水器、缓冲罐、火炬分液器、原油输出泵等,泄漏源位于一级分离器处。依据设备实际情况定义表面材料热物性,并忽略其内部结构。

图1 某海洋平台下层甲板油气处理系统模型及网格模型

2.3 网格划分及边界条件确定

计算区域选定为60 m×60 m×8 m,采用 FDS提供的“复合计算区域”功能[7],采用不同网格划分方式划分不同计算区域。网格如图1所示,共分为4个计算区域:在计算受网格影响较大的火源周围(计算区域2),采用小尺寸网格;对于远离火源的其它计算区域(计算区域1、3和4),采用适当放大网格尺寸。经过网格无关性检查后的网格总数为232320个。

2.4 危险因素及伤害准则

选取对人员疏散具有指示作用的温度、热辐射强度、烟气层高度(厚度)和能见度等4个指标分析火灾过程的危险性,其判断标准见表1。

表1 火灾过程危险性判断标准

通过分析距甲板底部2 m高度处水平面上火灾形成的温度场和对能见度的影响来评价各个区域火灾危险变化情况,在该层甲板以下位置设置测点:①在一级分离器周边设备处分别设置热辐射测点(原油加热器处测点 GAS2002、二级分离器处测点GAS2003、原油输出加热器处测点 GAS2008、浮选室处测点 GAS3002);②在该层甲板的4个上下脱险梯道处设置热辐射测点和烟气层测点,按照与一级分离器的相对位置将4个脱险梯道标示为脱险梯道NW、脱险梯道NE、脱险梯道SW、脱险梯道SE,详细布置情况见图1。

3 火灾事故后果分析与讨论

3.1 2 m高度处温度场随时间变化规律

火灾发生后距该层甲板底部2 m高度处平面温度场如图2所示。由图2可知:t=33.6 s时,分离器周围温度已达600℃,火焰中心处温度达到800℃,且高温开始逐渐蔓延至该层甲板的边缘位置,防火墙左侧甲板上下边缘处温度已达到155℃,在其阻隔作用下右侧设备受到保护,温度均低于50℃;当t=165.1 s时,防火墙左侧区域温度将超过800℃,对人员和设备都具有极大伤害,且高温区域通过防火墙间的通道延伸至右侧。

图2 火灾发生后距平台甲板底部2 m高度处温度分布图

3.2 燃烧热辐射强度变化规律

(1)一级分离器周围设备热辐射强度变化规律

一级分离器周围设备如原油加热器、二级分离器、原油输出加热器及浮选室处测点热辐射强度随时间变化规律见图3。由图3可知:火灾发生10 s内,周围设备受到的热辐射强度均小于2 kW/m2,对人员危害轻微;火灾发生约41 s时,热辐射强度达到最大值,随即均值强度下降稳定在15～30 kW/m2;在热辐射强度峰值阶段,一级分离器周边设备各测点处热辐射强度最大值均高于37.5 kW/m2。根据美国化工安全中心的热辐射人员伤害后果评价模型[11],在热辐射强度高于37.5 kW/m2条件下人员暴露10 s将导致1%死亡,暴露时间超过1 min将导致100%死亡;但图3所示高强度热辐射作用时间仅5 s左右,不至于造成人员死亡。当热辐射强度达到稳定阶段,浮选室处热辐射均值强度最高,约为25 kW/m2(图 3),根据文献[11],人员暴露10 s将造成二度烧伤,暴露时间超过1 min将导致10%死亡;二级分离器处和原油加热器处热辐射均值强度约为17 kW/m2(图3),根据文献[11],人员暴露10 s将导致一度烧伤,暴露时间超过1 min将导致1%死亡。

图3 一级分离器周围设备热辐射强度随时间变化规律

(2)脱险梯道处热辐射强度变化规律

4个脱险梯道处热辐射强度随时间变化规律见图4。由图4并据文献[11]分析:脱险梯道SE处的热辐射强度最低,最终约为1.0 kW/m2,人员长时间暴露不会受到伤害;脱险梯道NE处的热辐射强度最终约为1.7 kW/m2,人员在此长时间停留可感到疼痛;脱险梯道SW较危险,热辐射强度最终约为7 kW/m2,人员暴露超过20 s将感觉疼痛,超过1 min将造成二度烧伤;脱险梯道NW处最危险,最高热辐射强度值为30 kW/m2,最终约为10 kW/m2,人员仅能忍受几秒时间,暴露10 s将造成一度烧伤,超过1 min将导致1%死亡。

图4 4个脱险梯道处热辐射强度随时间变化规律

3.3 烟气层高度和厚度变化规律

4个脱险梯道烟气层高度、厚度随时间变化规律见图5、6。由图5、6可知:火灾发生25 s内,烟气层高度约为8 m,至火灾发展的稳定阶段,脱险梯道SW、SE、NW和NE处的烟气层高度平均值分别稳定在4.8、6.3、1.6和4.6 m,相应的烟气层厚度平均值分别稳定在2.0、3.2、3.4和6.4 m;在火灾发生整个过程,脱险梯道NW处的烟气层高度最低,最低时仅为1.1 m,且厚度最大对人员危害较大;另外3处的烟气层高度均大于4 m,对人员危害不大。

3.4 能见度随时间变化规律

火灾发展各阶段能见度等值线图见图7。火灾发生后28.8 s时,仅一级分离器周围2 m范围内能见度低于10 m,其它区域内火灾对能见度影响不大(图7a);火灾发生后94.3 s时,左侧区域能见度最低只有5 m,将严重干扰视线,阻碍人员疏散,右侧区域能见度始终处于临界值以上,对人员疏散影响不大(图7b)。

综合以上分析,脱险梯道 SE处最安全,此处热辐射强度低、烟气浓度小、能见度高,不会对人员造成伤害;其次是脱险梯道NE,人员通过此处可能会感觉疼痛;脱险梯道SW处热辐射强度较高,会造成人员烧伤;脱险梯道NW处热辐射强度大、烟气浓度高、能见度低,人员通过此处可能受到严重伤害。

图7 火灾发展各阶段平台各区域能见度等值线图

3.5 不同规模火灾事故后果分析

选取美国石油学会推荐的中孔、小孔和微小孔泄漏对比分析不同规模火灾事故后果并以原油加热器处热辐射强度和脱险梯道SE处的烟气层高度说明火灾状态参数的变化情况(图8、9)。

图8中 GAS2002a、GAS2002b、GAS2002c分别表示中孔、小孔和微小孔泄漏条件加热器处热辐射强度值,可以看出不同规模火灾下热辐射强度变化规律一致,但泄漏孔径越大热辐射强度峰值越大,且达到峰值的时间越短。

图9中脱险梯道SEa、脱险梯道 SEb、脱险梯道SEc分别表示中孔、小孔和微小孔泄漏条件脱险梯道SE处的烟气层高度,可以看出不同规模火灾下的烟气层高度变化规律一致,但泄漏孔径越大烟气层高度开始降低的时间越短。

综合所有火灾状态参数变化情况模拟结果,不同规模火灾下,火灾状态参数变化规律具有一致性。

4 结论

(1)一旦发生火灾事故,平台整个下层甲板油气处理系统很快处于火灾环境中,人员需立即疏散并采取灭火措施。

(2)海洋平台4个脱险梯道中,人员从脱险梯道SE疏散的安全性最高,脱险梯道NW最危险。

(3)泄漏孔径越大,火灾危险性越大,对人员疏散造成的威胁越大。

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