海上油气平台火灾爆炸分析与评估方法

潘海锋 凌爱军

摘 要：海上油气平台是海上油气生产的重要设施，在油气生产领域具有重要意义。而火灾爆炸是海上油气平台重大安全风险之一，为了降低海上油气平台生产过程中的安全风险和成本，针对海上油气平台进行火灾爆炸分析具有重要意义。在火灾爆炸理论分析基础上，特别是喷射火和池火理论分析基础上，结合仿真分析软件（FLACS）进行泄露介质扩散云分析、火灾爆炸后果分析、喷射火动态仿真及其关键参数影响分析，确定泄露介质扩散云、火灾爆炸后果、喷射火关键参数以及需要被动防火（PFP）保护的位置。研究结果表明，在对海上平台火灾爆炸后果分析中，仿真分析方法更精确和适用，尤其在确定被动防火（PFP）区域和位置方面，值得推广和借鉴。

关键词：火灾爆炸 喷射火和池火 扩散云 火灾爆炸后果 被动防火（PFP）

中图分类号：P75文献标识码：A文章编号：1003-9082（2019）05-0-03

引言

海上油气平台火灾爆炸是造成海上油气平台总体风险的主要组成部分[1]。然而，常用理论研究[2-3]在用于评估火災爆炸风险和基于防火保护的设计方法时可能较为浅显。工程软件仿真在用于海上油气平台火灾爆炸模拟分析中具有更加精确和高效的特点，且建模仿真分析普遍用于海上油气平台工程安全风险分析中。在海上油气平台火灾爆炸分析中，本文重点基于计算流体动力学（CFD）[4]仿真分析。

一、CFD模型仿真方法

预测海上油气平台火灾爆炸热辐射的影响可以使用计算流体动力学（CFD）模型来进行分析。这些模型是基于海上油气平台开敞结构下的火灾分析，并且也适用于大多数海上典型设施火灾模拟。而实际工程应用中，海上结构模块往往会受到墙壁、甲板和其他结构的限制，并可能完全改变火灾的影响。计算流体动力学（CFD）模型通常分析泄露点可燃介质流体扩散[5]云图，结合泄露介质热值，模拟火灾爆炸的热辐射后果。这种分析可燃介质流体泄露扩散时，就会考虑船体墙壁和其他对介质扩散有影响的结构，因此仿真分析计算结果更加精确。

在上述精确性分析方法中，结构最大能承受的火灾值就是火灾爆炸分析的一个极限值。详细分析达到结构承载极限值的区域，因为它最终将决定PFP（被动防火措施）的位置。分析中所假设的泄露介质场景大小不同，相应地PFP覆盖率的计算结果差异也会很大。通常，在火灾爆炸场景仿真分析时，由于涉及到一些不确定性因素的影响，一般会进行一些保守性的假设，进而导致PFP的覆盖范围通常比实际需要的大。另外，在火灾爆炸分析中，经常涉及到对火灾爆炸风险进行等级划分，此时通常使用业主可接受的风险准则。

火灾爆炸后果仿真分析中，使用CFD模型方法来模拟泄露介质扩散动态，然后通过FLACS的火灾爆炸分析软件，结合泄露介质被点燃工况，仿真火灾爆炸后果。

二、火灾爆炸理论

1.火灾爆炸数学模型

在目前的研究中，经常使用质量、动量、焓、燃料质量分数、湍流动能和湍动能耗散率等守恒定律来模拟火灾爆炸现象[6-7]。通过分析这些量的守恒定律微分方程，得Favre平均变量服从广义方程（方程（1）所示），其中表示因变量ui;h;Yi;k;;代表该变量的湍流交换系数，Si代表相应的源项：

孔隙度方法应用于建模中，并且在方程（1）中，由来表示。同时考虑体积孔隙度和面积孔隙度。

火和热传递模拟基于通用公式傅里叶方程（方程2）针对整个系统进行分解，方程如式（2）所示。

其中，C是比热容;k是沿X、Y和Z方向上的导热系数。

2.喷射火和池火理论

特定泄漏量、喷射火焰长度（在t=0、5分钟、10分钟和30分钟）、池火直径、池火长度、释放持续时间和燃烧持续时间是研究火灾爆炸需要计算出的变量。气体的释放速率和液体的释放速率是泄露的主要输出[8]。

压力下泄漏气体的初始气体释放速率计算如式（3）：

式（3）中，A为泄露孔的面积、CD为流量系数、Po为气体操作压力（Pa）、M为气体分子质量（g/mol）、T0为操作温度（K）、为比热比、R为通用气体常数（8314j/（k·gmol·K））、Pa为绝对压力（Pa）。

压力下泄漏液体的初始液体释放速率计算如式（4）：

式（4）中，为泄露液态介质密度。

在海上，Chamberlain方程计算喷射火焰长度如式（5）：

根据释放速率随释放时间指数衰减，且按式（6）计算t=0分钟，5分钟，10分钟和30分钟时释放速率，然后使用Chamberlain方程式（5）来确定喷射火焰长度。

式（6）中，mG由下式（7）计算：

式（7）中，P为气体操作压力、T为气体操作温度、M为气体分子质量、r为管道或容器半径、L为管道或容器长度或高度。

针对原油生产处理系统，如研究由注入油井的甲醇和收集柴油泄放液体形成的池火。由于FPSO上的所有含有液体的设备都配备有防止液体传播的围池，因此围池的直径（最糟糕的情况）由下式（8）给出：

式（8）中，A为最严重泄露情况下围池的面积。

池火的长度由式（9）计算：

式（9）中，为空气密度、Vburningrate为燃烧速率。

三、火灾爆炸分析步骤

1.仿真建模

建模中，除平台主体结果、防火围蔽等要在模型中体现外，重大设备及其管线也要在模型中体现。因为这些设备会成为障碍物直接影响泄露介质的扩散，进而影响仿真分析的结果。例如建模如下图1所示。通过海上油气平台设计图纸和现场调研，对分析对象进行建模。模型越精确仿真分析结果就越精确。

2.泄露介质计算

根据海上油气平台现场数据，确定平台生产介质的组成，选定泄露代表性介质。根据《基于风险检验的基础方法》[9]中常见泄露场景，表1所示，由式（3）、（4）计算泄露介质的泄露速率。

3.火灾爆炸仿真分析

网格划分：计算网格划分质量的好坏是决定计算结果准确性和精确度主要因素，模拟区域相对较为简单，整个计算区域采用规则网格进行划分，对于泄漏源区域进行网格加密，以反映气体运动的快速变化;随着离泄漏源区域的增加，逐步增大网格，以便减少计算时间，提高计算效率。

计算模拟过程包括3个阶段，第一阶段对计算区域的风场开展模拟，以获得在不同风场下的大气流动情况，其将对天然气的扩散起到显著的影响作用;第二阶段将泄漏的天然气耦合入已经完成的风场中[10]，实现风场运动作用下的天然气扩散过程的分析，最终确定天然气在特定环境条件下的分布情况;第三阶段，选取泄漏天然气稳定气云时间点，设置点火点，重新划分燃爆模拟网格，实现泄漏后燃爆事故的模拟。泄露介质扩散云图如下图2所示，火灾爆炸仿真分析见图3所示。

四、泄露介质喷射火仿真

通过对火灾案例进行大量地系统调查，其中涉及在海上生产区域的火灾通常为喷射火灾。以下重点对上述案例进行泄露处泄露介质喷射火仿真分析，其喷射火理论基础见2.2节所述。通过仿真分析来确定哪些参数对火灾爆炸的严重程度最为重要，尤其导致钢结构和设备的坍塌，同时确定那些位置需要PFP（被動防火措施），以防止更大事故后果发生。

1.喷射火区域热通量

为了预测坍塌发生的时间和位置，需要着重考虑火灾的动态，在喷射火中最热的区域移动缓解了对结构造成的破坏。火焰的移动以图4所示的水平喷射火为例来进行说明。在这里，火焰（用颜色）以喷射火焰的两个不同快照方式来显示，分别为初始泄漏（96kg/s）和5分钟后（24kg/s）的两种工况，如图4所示。在沿x方向且在距离泄漏点约30米的前方的水平管道上测量热通量，该管道上接收到的热通量绘制在图5中。图5表明对于初始泄露（96kg/s），有两个500kW/m2的热区域，在喷射火中心线的两侧各有一个。当泄漏率降低到24kg/s和6kg/s时，管道上最热的点位于射流的中心线附件。

图注：泄露最初火灾，96公斤/秒（图左）;5分钟后，24公斤/秒（图右）

由于火焰的这种动态运动，管道上最热的点也会移动。火灾爆炸发生的第一分钟，当泄漏率为96kg/s时，管道的最大热通量为500kW/m2。然而，5分钟后，同样的地方的热通量为130kW/m2。5分钟时，最热的地点向下移动了约2米，这里的通量为240kW/m2。在此案例中，找到了管道上最大的热通量点，如图6所示。同时在管道x=302m、x=304m处，在初始泄露、泄露5min时、泄露11min时的热通量。这个工程案例显示了火灾中心点，当发生坍塌时，只研究固定火灾中心点位置的热通量。

2.火灾爆炸分析关键参数

通过不同参数如风速、风向、泄漏率、喷射方向和泄漏位置来进行仿真模拟分析，在每组参数案例分析中取出模块中几个单元的热通量。通过分析仿真结果，发现最重要的参数是泄漏方向、泄漏位置、喷火是否碰到障碍物、初始泄漏率和泄漏持续时间，而风速和风向通常不会对射流火灾的结果造成重大影响。所有这些参数都在后续仿真计算中考虑。

五、海上平台导管架火灾爆炸仿真分析

上述工程案例海上平台上预计将安装两个新的燃气立管和一个清管站。清管站位于最低层甲板的西侧。当新清洗站点发生火灾时，分析的目的是确定最低层甲板是否需要PFP覆盖。这个案例只考虑来自新清管工作站的泄漏，同一区域的其他管道和设备不包括在泄漏源中。火灾爆炸仿真分析与PFP研究一起进行，且本案例中应用了来自QRA分析中的情景定义、泄漏频率和点火概率。

选取新清管工作站中最大部分的小，中，大孔泄漏三种情景。喷射方向朝向平台的内部。发现大孔泄露情景在甲板内造成最严重的后果。因此，主要分析大孔泄露这种情况下甲板那些地方需要PFP覆盖。图7显示了平台俯视结构图，并显示了ROW的位置。图8和图9中的钢温度仿真分析图，温度达到临界温度以上会导致ROWB坍塌。因此，PFP需要覆盖到ROWB。

六、结论

本研究通过流体动力学（CFD）模型来计算泄露介质扩散云图和火灾爆炸后果影响。此方法在海上平台火灾爆炸分析方面更精确和简便，让我们更直接地了解海上平台火灾爆炸风险后果，同时促进海上平台更好地风险管控。

通过泄露位置处的喷射火仿真，确定喷射火所影响区域的热通量，尤其是喷射火影响最严重的区域。同时确定那些位置需要采取被动防火（PFP）措施，防止海上平台更严重的火灾爆炸后果出现。

参考文献

[1]崔伟珍.浅海石油作业安全生产形势分析及对策研究[J].石油化工安全技术，2003，19（1）：12-15.

[2]刘茂.事故风险分析理论与方法[M].北京：北京大学出版社，2012.

[3]郭杰，朱渊，陈国明.基于FDS的海洋平台油气处理系统火灾危险分析[J].中国海上油气，2011，23（2）：126-130.

[4]Floyd J E，McGrattan K B，Hostikka S，et al.CFD fire simulation using mixture fraction combustion and finite volume radiative heat transfer[J].Journal of Fire Protection Engineering，2003，13（1）：11-36.

[5]魏超南，陈国明，杨冬平.基于CFD的海上钻井平台井喷天然气井喷天然气扩散规律研究[J].安全与环境学报，2013，5（13）：271-277.

[6]DALHEIM，J.，MARTHINSEN，T.，THEVIK，H.and HUSER，A.Improving the

Knowledge about the DAL Fire for Offshore Installations using State-of-the-art CFD

Tools in Combination with Existing QRAs Proc. ERA conf. London Nov（2002）[J].

[7] HUSER， A. and KVERNVOLD，O.Explosion risk analysis–Development of a general method for gas dispersion analyses on offshore platforms，Proc.Parallel CFD

2000 Trondheim May（2000）[J].