FPSO上部模块爆炸场景模拟研究

刘玉亮,谷家扬,李 荣,万家平,蔡 灵

(1.中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司,天津 300452;2.江苏科技大学 海洋装备研究院,江苏 镇江 212000;3.南通中远海运船务工程有限公司,江苏 南通 226000)

0 引言

FPSO这种具有油气设备管路复杂、人员密集和作业空间狭小的海上石油生产设施,一旦发生泄露后会引起爆炸事故,对工作人员的生命安全和设备财产造成巨大的破坏,因此对于FPSO上部模块的爆炸场景的模拟研究具有十分重要的意义[1]。

国内外的学者对于可燃气体爆炸模型进行了大量的研究。CHAPAMAN等[2]通过管道可燃气体爆炸研究提出了C-J爆炸理论模型,并对可燃气体爆炸的整个过程进行了系统性的概述;林伯泉等[3]通过研究瓦斯气体爆炸过程中的障碍物对于爆炸冲击波及燃烧火焰的影响,验证了爆炸火焰在障碍物处的湍流现象;VALERIA等[4]基于大涡模拟理论模拟火焰与涡旋的相互作用,分析了网格密度对燃烧模型的影响;JI等[5]使用FLACS软件模拟某小区的天然气泄露爆炸场景,得出了爆炸事故发生时可燃气体的浓度、爆炸产生的燃爆云形状及位置,并对防止此类事故提出了安全措施。

本文以FPSO的上部油气处理模块为研究对象,使用FLACS软件对油气处理模块进行三维建模,并减小模型孔隙率以符合实际的工作环境,选取不同的点火位置作为不同工况,对不同爆炸工况下的爆炸超压、爆炸燃烧产物、爆炸超压数值进行计算分析,总结不同工况下爆炸事故后果的严重程度,可供模块的设备布置提供参考。

1 计算模型

1.1 爆炸模型

由于在进行模块的三维建模时将油气处理模块内部的处理设备与细小油气管路进行了简化处理,导致气体爆炸在模拟过程时模块的阻塞率减小,孔隙率增大,使得爆炸产生的超压与实际情况差别巨大[6]。为了模拟实际工作场景下模块内部的孔隙率,对模块内部主要工艺区域加入直径为0.35 m、间距为1.5 m的圆管以降低结构的孔隙率。模块的整体尺寸(长×宽×高)为38 m×22 m×18 m,且模块内部的所有甲板都有格栅覆盖。模型和坐标系布置见图1。

图1 减小孔隙率后的爆炸模型

1.2 爆炸点火位置

由于油气处理模块的主要油气处理设备分布于第一层甲板与第二层甲板之间,且每层甲板之间均有格栅覆盖,因此假设可燃气体云分布于第一层甲板与第二层甲板之间。

本文着重研究可燃气体云在不同点火位置对爆炸超压的影响,见图2。

图2 不同点火位置示意图

2 结果分析

2.1 爆炸超压云图

不同工况下的点火位置处XZ平面爆炸超压云图见图3。从图中可以看出,当可燃气体点火位置位于气体云X方向的中心位置时,压力波自气体云中心位置由内向外规则扩散,此时爆炸超压的覆盖范围最大;当点火位置位于Y方向的中心位置时,爆炸产生的压力波向结构外侧蔓延,位于结构内的爆炸超压由于孔隙率更小且有障碍物阻挡的原因,爆炸超压的数值明显比结构外侧的更大;当点燃位置位于Z方向的中心位置时,爆炸超压沿高度方向的分布更高,且爆炸压力波的分布形状更接近圆形。爆炸超压较大的区域主要位于储气罐和支柱区域,且模块下甲板受到的超压分布相较于上甲板更大。

图3 不同工况爆炸超压云图(单位:kPa)

对于所有工况来说,当点燃点位于气体云中心时,爆炸产生的超压最大,且爆炸压力波的分布范围更广,因此当点火位置位于气体云中心时的爆炸场景最危险。

2.2 燃烧产物云图

不同工况下的点火位置处XZ平面爆炸燃烧产物云图见图4。

图4 不同工况爆炸燃烧产物云图(单位:kPa)

从图中可以看出,当气体云点火位置在气体云X、Y方向的中心时,可燃气体燃烧产物自点火位置由内向外发散规则,且气体燃烧产物在达到气体云外侧后浓度减小。气体燃烧产物在水平面内的传播速度大于在高度方向的传播速度,是因为受到第二层甲板的遮蔽作用,减缓了向上传播的速度。当点燃位置位于气体云外部时,因密度原因气体燃烧火焰向上传播的趋势明显,且结构内侧的气体燃烧产物传播速度比结构外侧更快。

2.3 爆炸超压数值分析

通过选取气体云中心处上下甲板X、Y方向的监测点爆炸超压数值,研究爆炸超压在空间上水平方向的传播规律和大小分布,监测点的布置见图5。

1～24—监测点。

为探究爆炸超压最大值和形成的时间,故整个爆炸过程只选取爆炸超压段,忽略前期点火时间和后期爆炸波反射时间,爆炸超压数值见图6～图9。

图6 Case1爆炸超压数值

图8 Case 3爆炸超压数值

图9 Case 4爆炸超压数值

从图中可以看出,Case1～Case 4第一层甲板的爆炸超压最大值分别为17、31、22、20 kPa,第二层甲板的爆炸超压最大值分别300、300、870、840 kPa。由于第一层甲板在主甲板上有阻挡效应,所以第二层甲板爆炸超压的数值远大于第一层甲板爆炸超压的数值。第一层甲板仅有结构边缘的2个监测点会有超压的存在,其他的监测点基本均为负压情况。这是因为中心的监测点离点火位置较进,压力波传递较为困难。第二层甲板以Case1第二层甲板横向检测点为例,结构内侧至结构外侧对称的3组监测点爆炸最大爆炸超压数值分别为130、210、300 kPa,最大超压产生的时间分别为0.515、0.525、0.530 s。结构外侧的监测点检测到爆炸超压的时间快于结构内侧的监测点,且监测点越偏向结构外侧爆炸超压数值越小。Y方向的爆炸超压数值大于X方向的爆炸超压数值。

3 结论

(1)泄露气体在简化为长方体气体云且点火位置在气体云中心时,上甲板的爆炸超压数值最大,可燃气体燃烧产物传播的范围最远。

(2)爆炸过程中结构外层相对于结构内侧预先产生爆炸超压。上甲板结构外侧的爆炸超压数值取得最大值的时间比结构内侧的爆炸超压数值取得最大值的时间更少,但最大值更大。

(3)爆炸产生的火焰在结构内侧从爆炸位置均匀向外传播,且火焰受到甲板的阻隔时会发生火焰回流。

(4)对于油气处理中的关键设备应布置于第一层甲板的中心位置,可以减轻关键设备由于油气爆炸造成的损坏。