海洋平台火灾事故场景固定式水喷淋消防能力量化评估

丛 军，赵 颖，郭海斌，陈健飞，高庆民

(中国石化胜利油田分公司海上石油工程技术检验有限公司，山东东营 257000)

0 前言

海洋油气平台日常生产、储存大量的可燃性油气物料，油气储存设施的介质密度大，同时工艺条件复杂、海域环境多变，造成潜在的油气泄漏风险[1，2]。加之，平台存在自身电气设备众多、金属撞击摩擦与现场动火作业等情况，一旦发生油气泄漏，极有可能使海洋平台发生火灾事故[3-5]。为此，多数海洋平台配有固定式水喷淋消防系统以应对潜在火灾事故。然而，有些早期投用的海洋平台水喷淋消防系统设计标准低于现行标准，加上运行期间加工改造、老化破坏等现象，存在较大的安全隐患。因此，有必要针对现有的海洋平台固定式水喷淋消防系统进行消防能力可靠性评估。

在消防系统可靠性评估方面，常用方法包括合规法、逻辑分析演绎法、综合评价法和火灾模化法[6]。例如，刘振明，等[7]基于模糊综合评估方法进行船舶消防灭火系统设计水平评估，进行消防系统损伤概率求解并给出了针对性措施。曾昭雄，等[8]基于用危险与可操作性( HAZOP) 分析方法进行火灾防控体系要素评估。上述评估方法需要依赖可靠健全的评估标准体系，同时需要客观性评估过程，以确保评估结果的可信性。然而，海洋平台系统相关消防评估标准体系过于老旧，同时，评估过程难以确保客观性，因此，传统评估方法无法适用于海洋平台水喷淋消防系统评估。

为此，本文提出了一种海洋平台火灾事故场景水喷淋消防能力量化评估方法。首先，根据海洋平台的设备结构布局、运行工况参数，确定最信火灾事故场景；其次，基于FDS数值仿真分析方法，构建海洋平台三维物理模型、最信火灾事故场景和水喷淋模型；最终，基于FDS求解的热辐射变化、温度变化等数值特征，依据相关评估标准进行水喷淋消防能力评估。

1 水喷淋下海洋平台火灾动力学理论模型

FDS是由美国国家标准与技术研究院(NIST)提供的开源火灾计算流体动力学软件，其以场模拟中流体运动为主要模拟对象，根据低马赫数流动的N-S方程数值方法求解计算火灾中的烟气流动过程及温度、热辐射等热传递过程。其基本假设是在燃烧温度和密度模拟时，不考虑声波的脉动。其控制方程是由质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，组分运输方程组成[9，10]。其中，质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分运输方程见公式(1)、(2)、(3)和(4)。

质量守恒方程：

(1)

式中：ρ——可燃性物料密度，kg/m3；

t——泄漏模拟时间，s；

μ——泄漏气体速度矢量，m/s；

动量守恒方程：

(2)

式中：p——装置泄放压力，Pa；

f——外力矢量，N；

Tij——黏性矢量，Pa·s。

能量守恒方程：

(3)

式中：h——泄漏物料组分焓值，kJ/kg；

q——辐射通量，kW/m2；

φ——耗散率，kW/m3。

组分运输方程：

(4)

式中：Yi——泄漏物料中第i组分的质量分数；

Di——第i组分的扩散系数，m2/s；

FDS采用拉格朗日法跟踪计算水喷淋颗粒的传热传质，其提供了log-normal 和 Rosin-Rammler两种分布函数拟合表示从喷头喷出的液体颗粒的体积累分数(CVF)[11]，具体的粒径分布模型见公式(5)。

(5)

式中：dm——水喷淋颗粒直径,μm；

γ，σ——经验参数；

e——自然对数的底数。

2 海洋平台水喷淋消防系统综合性能评估方法

海洋平台设备装置多，涉及油气处理设备、动力设备、供热设备和储存设施设备等。其中，海洋平台在钻井及油气处理期间，油气有泄漏的可能，遇到火源极易引起火灾。然而，不同油气设备场景通常表现出不同的火灾特征，对应的水喷淋消防能力评估也不尽相同。因此，本文提出了一种基于火灾风险划分方法，确定各个区域最信火灾事故场景，进而分别进行各个区域水喷淋消防能力量化评估方法，具体流程如图1所示。

图1 评估方法流程

3 实例分析

针对我国某油田海洋平台，进行水喷淋消防能力综合评估。该平台负责输油、输气、污水处理及回注、发供电等多种任务，主要包括油气处理、水处理回注等生产区域，发热发电、油气输送等动力区域，油气处理储存的储油罐区域以及生活区域。该平台电气化程度高，可燃性油气量大，具有较高的油气火灾爆炸风险。经过火灾危险辨识分析，确定该平台中储罐平台的火灾风险系数较高。为此，针对储罐平台开展火灾动力学仿真分析，进而评估该平台的水喷淋系统消防能力。

3.1 水喷淋下海洋平台火灾动力学模型构建

根据该海洋平台的最信火灾事故场景，选定储罐平台的储油罐进行水喷淋消防能力评估。根据该海洋平台储罐平台平面布局图，建立储罐平台三维仿真模型，其中三维仿真模型的中心区域尺寸设置长、宽、高分别为30，30，50 m，如图2所示。同时，在仿真模型上进行网格划分，将每个单位网格的长、宽、高比例设置为1∶1∶1，长度为0.625 m(即每个单位网格是一个长宽高各为0.625 m的立方体)，整体网格划分如图2所示。

图2 FDS储罐平台三维仿真模型以及网格布局

在储罐平台水喷淋设置方面，喷淋系统根据储罐平台的真实情况来设定，具体情况为：储罐外表面设置了72个喷淋降温装置，分为上下2层，每层36个，单个喷淋器强度为10 L/min，围绕储罐均匀分布。水喷淋设置如图3所示。所有喷淋器的喷淋强度均按照平台真实情况设定。喷淋器响应时间根据标准要求时间，实际响应时间以及仿真确定时间以3种状况设置，分别为3，5，1 min。

图3 储罐平台水喷淋布置

3.2 火灾数值仿真场景结果

为探究火源半径对于热辐射的影响，假设溢油的半径为小、中、大3种情况。火源的位置根据最差原则，将溢油设置在了设备最密集处。在火源设定为恒定燃烧的条件下，分别开展池火半径2，4.6，6 m，风速为6，10，16 m/s，启动时间1，3，5 min下的仿真模拟。其中，半径2 m，不同风速下的事故场景见图4、图5所示。

图4 水喷淋启动前半径2 m、不同风速下的火灾场景

图5 水喷淋启动后半径2 m、不同风速下的火灾场景

4 水喷淋性能影响因素分析

通过储罐壁所受热辐射的大小来判断风速、溢油半径、水喷淋启动时间对于水喷淋消防能力的影响。表1为热辐射对设备伤害准则[12]。

表1 热辐射伤害准则 kW/m2

4.1 海域风况

图6、图7分别为在池火灾半径2 m，水喷淋系统3 min启动的情况下，上风向和下风向的热辐射随风速变化情况。从图中可以看出，在水喷淋启动前，无论储罐处在火焰的上风向还是下风向，随着风速的增大，罐壁处热辐射变化并不明显，均稳定在20 kW/m2左右。在水喷淋启动后，在风速6 m/s、两种风向的情况下，罐壁处热辐射均有一定的下降趋势；但在风速16 m/s、两种风向的情况下，罐壁处热辐射上下波动较大，并没有下降的趋势，这表明随着风速的增大，水喷淋系统能力呈下降的趋势。

图6 风速6 m/s时不同风向的水喷淋启动前后储罐壁热辐射曲线

图7 风速16 m/s时不同风向的水喷淋启动前后储罐壁热辐射曲线

4.2 池火半径

图8展示了在上风向、风速为6 m/s时，热辐射强度随池火半径变化情况。其中，随着溢油半径的增大，储罐壁所受热辐射有一定上升趋势。在水喷淋启动后，可以看出，3种池火半径下的热辐射均有一定的降低，但是热辐射值仍大于12.5 kW/m2，对比表1，设备仍在二级伤害范围内，这表明在本文考虑的3种火焰半径情况下，水喷淋系统均能对热辐射有一定的抑制作用，但是并不能让储罐所受热辐射在安全范围内。

图8 风速6 m/s、水喷淋3 min启动时不同半径的水喷淋启动前后储罐壁热辐射曲线

4.3 启动时间

图9展示了在上风向、池火半径为4.6 m、风速为6 m/s、储罐在上风向时，不同水喷淋启动时间下的热辐射曲线图。从图10看出，在1，3，5 min启动的3种水喷淋触发时间中，热辐射基本较稳定。另外，模拟采用恒定热源来探究水喷淋启动前后储罐所受热辐射值的变化，因此水喷淋系统并不能将火源扑灭。这表明水喷淋启动时间对启动前后的热辐射变化幅度影响不大。

图9 风速6 m/s、半径4.6 m时不同水喷淋启动时间的启动前后储罐壁热辐射曲线

5 结论

针对我国某油田海洋平台储罐区域的水喷淋消防能力进行了评估分析，基于火灾流体动力学仿真分析，根据储罐所受热辐射变化来分析水喷淋系统的消防能力，相关结论如下。

a) 在不同的风速和风向下，水喷淋启动前，风速对于热辐射影响不大，储罐所受热辐射值稳定在20 kW/m2左右，对比热辐射伤害准则表，属于二级伤害；在水喷淋启动后，低风速下的储罐壁热辐射值有着一定的下降并且较稳定，但是在高风速下，水喷淋启动后储罐壁热辐射值变化较大，而且热辐射值仍在二级伤害范围内，表明该平台水喷淋系统在高风速下失效。

b) 在2，4.6，6 m池火半径下，水喷淋启动前，储罐壁热辐射值均在二级伤害以上；水喷淋启动后，3种半径下的储罐壁热辐射强度有一定的下降，但是仍在二级危险范围内，这表明，目前的水喷淋不能有效地保护储罐等设施。

c) 在1，3，5 min启动的3种水喷淋触发时间下，随着火源燃烧时间的增长，储罐壁热辐射值并没有出现上升的情况，水喷淋启动后，水喷淋降低效果大致相同。这表明水喷淋的启动时间并不会影响热辐射值大小的变化。但是，在水喷淋触发前，储罐所受热辐射值在二级伤害范围内，所以受损程度随着水喷淋启动时间的增长而加重。

综上所述，虽然该平台的水喷淋消防系统在建造时满足相应标准GB 50183—2004[13]，但是由于可能存在水喷淋系统老化、规范更新、运行期间改造等因素，使得目前的水喷淋系统在部分环境条件下，不能有效地保护储罐所受热辐射在安全范围内。因此，该平台现有的水喷淋系统不满足预期的消防要求。