海上钻井平台火灾模拟与人员疏散分析

王 强， 杨冬平，朱丽国，高莎莎，魏 旭，郭爱洪，王伟斌

(1.胜利油田技术检测中心，山东东营 257062 2.胜利油田检测评价研究有限公司，山东东营 257062)

1 国内外研究现状

海上钻井平台结构复杂，造价昂贵，油气设备集中，油气开采过程中可能会有大量的易燃易爆物质逸散，引发火灾爆炸事故。海洋平台空间有限，距离陆地较远，发生火灾爆炸事故后火灾扑救和人员疏散较为困难。为有效应对油气开采处理过程中的火灾事故，需要掌握火灾的蔓延规律，制定针对性的控制措施，这对提高海洋油气安全管理水平具有重要意义。

目前，国内外对火灾蔓延模型及人员疏散的研究多集中于建筑隧道和地铁等领域，海洋平台方面则主要研究油气泄漏扩散及燃爆模拟分析，对人员疏散更多偏重理论分析，依据实际情况建立仿真模拟的研究较少。苏石川等以油池及甲板污油为火源点,基于 FDS 软件平台采用大涡模拟方法对某船舶机舱火灾进行了数值模拟。刘明路等利用火灾场景模拟软件考虑了海洋环境风速及燃烧物功率对某现役海洋平台进行了火灾作用下的温度场模拟。Yoshida通过变换火源强度、通风及排烟的工况，进行了船舶通道内(舱室、走廊和楼梯)烟气蔓延过程的实验研究。Jaluria等针对水平通风孔在火灾中的热量和质量流动对船舶水平通风孔的烟气扩散规律做了研究。杨冬冬等针对含硫天然气井喷失控扩散问题，综合考虑天然气爆燃与硫化氢毒害风险因素，预测和评估天然气扩散所形成的危险区域和硫化氢气体扩散所形成的毒害范围。郭杰等针对某海洋平台下层甲板油气处理系统为研究对象，使用FDS软件通过温度、热辐射强度、烟气层高度(厚度)和能见度等4个火灾危险性评价指标，对火灾影响后果进行了评价。

鉴于此，本文建立海上钻井平台火灾疏散模型，主要针对油气泄漏导致火灾爆炸的情况进行模拟仿真，结合实际工况和人员信息对火灾热辐射和人员疏散路径进行分析，进而讨论人员疏散的影响因素并进行优化改进。

2 海上钻井平台火灾疏散建模

海上钻井平台火灾疏散主要是指钻井平台发生井喷事故，引起较大的火灾并失去控制，平台上人员需要立即撤离。利用FDS软件来分析火灾温度、烟气对平台上人员的影响以及疏散路径和疏散时间问题。建立了平台设施及疏散通道模型，为判断火灾对疏散人员影响设定了火灾参数记录探测器。

2.1 火灾疏散计算网格及设置

平台总长97.7 m，宽66 m，船体深10.1 m。根据平台整体的功能布局，将火灾疏散模型的疏散区域分为钻井区、生活区、主甲板区，主要区域布置如图1所示。

图1 火灾疏散模型及网格区域

以平台目标作业区域的气藏条件作为模拟对象，主要气体为甲烷93.2%、乙烷5.1%、丙烷1.6%等，井口无阻流量为120×10m/d。

2.2 平台火灾计算网格(图2)及条件设置

图2 火灾计算网格

建立平台火灾计算网格主要目的是观察火灾热辐射、烟气对人员疏散的影响。火灾计算网格的建立采取分区建立的方法，以减少计算时间，同时提高计算精度。

根据FDS对网格建立的要求，将整体平台网格划尺寸为0.2 m×0.2 m×0.2 m，在主甲板和生活区进行了网格加密，总计网格数量为4 118 400个，并通过网格无损性检查表明网格有效。火灾计算网格的上、左、右、前、后5个面，设置出口面，属性为开放，即将火灾计算网格外部区域设置为开放空间，火灾产生的烟气可以自由扩散到外部空间，以增强火灾计算的真实性。为探索最危险疏散情况，设定环境风从平台钻台区域吹向生活区，根据平台作业海区平均风速，取风速4 m/s。

2.3 火灾参数探测器布置

火灾发生后，伴随火灾产生的是热辐射、高温烟气。分析这些影响人员疏散的因素，需要布置相应的测量仪器，主要有热电偶、能见度、热辐射等探测器。以主甲板为例，探测器主要位于人员疏散通道和日常工作时人员聚集的区域，主甲板共设置了33组探测器，见图3，整个平台总计设置了162组探测器。

图3 主甲板探测器设置

火灾发生时，人员的聚集位置主要分布于钻井区、生活区。根据设定的人员分布和人员类型，确定位于井场周围的人反应时间为5 s，生活区反应时间为20 s。

3 火灾演化及人员疏散分析

3.1 平台火灾结果及分析

钻井作业时，悬臂梁伸出且钻台具有高度，故井场井喷火灾发生后，主甲板所在区域与钻井区具有一定的间隔，火灾造成的温度提升对主甲板的影响有限。根据计算结果，在主甲板所在的大多数区域，其温度与环境温度基本等同，未发生显著变化。仅在临近钻台所在区域，温度间歇性较高，但温差也未超过20 ℃。由此，从主甲板区域人员疏散的角度，火灾温度的影响较低。

井场温度云图如图4所示，井场大部分地区被火灾所覆盖，井场所在平面温度保持在200～400 ℃左右。井场一旦发生较大火灾，人员应当及时撤离到主甲板上，避免发生严重人员伤害事故。

图4 井场温度云图

平台烟气云图如图5所示，火灾烟气并不会大量扩散到主甲板上，主要是在井场周围聚集，并将井场的大部分地方掩盖。在这种强热辐射和高浓度烟气的情况下，井场的工作人员顺畅地疏散到主甲板较为困难。

图5 火灾烟气云图

3.2 人员疏散结果及分析

当平台发生火灾时，人员疏散与火灾发生是同步进行的。根据平台规定的逃生方案，确定不同区域人员逃生目标见表1(√表示逃生人员须向该处逃生，×表示不应向该处逃生)。

表1 火灾疏散中人员逃生目标

根据模拟，在不同时刻，人员疏散轨迹如图6。

图6 人员疏散轨迹

人员主要从钻井区和主甲板区向外疏散。钻井区人员向位于船体两侧的逃生通道向逃生舱疏散；主甲板区人员向位于船艏的逃生通道向直升机甲板疏散。

当井场发生井喷火灾时，且没有人员受伤的情况下，30 s内人员可从钻井区疏散至主甲板。但由于主甲板是主要设备设施的布置场所，所形成的障碍对人员疏散具有较大影响，且人员进入逃生通道需要额外的时间。在70 s时，钻井区疏散的人员将在逃生通道处形成堵塞。与之相比，生活区具有良好的疏散条件，人员疏散过程顺畅，50 s人员基本已疏散进入逃生通道抵达直升机甲板。

将平台规定的火灾疏散设定目标与模拟结果进行对比，见表2。可见，在现有平台疏散目标条件下，逃生舱处需疏散的人员数量超过了疏散设定目标，具有较大的风险隐患，必须予以改进。建议在可能的前提下，清除疏散路径上的障碍，并重新规划人员疏散安排，如增加通过直升机坪的疏散人员数量。

表2 火灾疏散设定目标与模拟结果对比

4 结论

借助FDS工具，针对某平台井喷火灾人员疏散过程，开展了烟气、温度等多危害下的火灾人员疏散过程模拟，以确定火灾对人员疏散影响。研究表明，井喷火灾可对平台钻井区造成显著的伤害，一旦发生事故人员需要立即疏散。在整个疏散过程中，由于疏散通道的阻碍，将造成人员在主甲板逃生舱处发生聚集，超过了设定的疏散目标，不利于疏散工作的开展。建议在有条件下的情况下清除设备设施等阻碍物，并增加从直升机坪疏散的人员数量，以实现平台人员安全疏散。