海上油气爆燃事故虚拟仿真应急演练关键技术研究

丛 军，马艳荣，吴 昊，孙 光，陈健飞

(中石化胜利海上石油工程技术检验有限公司，山东东营 257000)

0 前言

海上油田海况恶劣，海底地质情况复杂，一旦发生事故造成泄漏爆燃，将会对人员安全、财产、环境构成巨大危害[1,2]。灾情应急演练是避免险情发生、降低灾情损失的重要手段，通过灾情预警演练使相关人员充分了解泄漏爆燃事故演化风险规律，并进行相应处置，可以避免突发事故进一步扩大生成更大的灾害事故[3,4]。传统的应急演练组织困难，成本高，存在安全隐患、演练操作与灾害后果无法建立因果链接、演习过程与实际情况差距大等问题[5,6]。将虚拟仿真技术应用于应急演练领域，可以有效消除传统应急演练的一些弊端。目前，虚拟仿真技术在海洋钻井平台灾情演练中的应用以理论分析为主[6,7]，依据实际情况建立仿真模拟的研究十分稀少，尤其缺失严格对应真实工况的泄漏扩散、燃爆及人员的疏散模拟分析[8-10]。

FDS软件利用流体动力学分析火灾动力学特征，与火灾实际演化过程匹配度高[10]，可以准确评估不同风向下火灾的危险等级并指导相应逃生和救援机制的建立。本文基于某油田企业海上油气生产过程和设备布置特点，采用FDS软件对海上钻井平台典型火灾进行模拟，通过分析油气泄漏和火灾事故条件下的失效规律，结合海上油气泄漏爆燃事故火灾灾变路径，构建多目标应急演练的预测模型和虚拟现实模型，并通过人工智能技术对事故的发展、人员行为的结果进行预测，实现更为准确的演练模拟。

1 海上平台火灾蔓延过程的温度场模型构建

海上平台主要由钢铁等材质焊接而成，材质热传导速率极高。火灾发生后，火焰热量会快速传播至周边区域，过高的热量严重影响火灾的救援和人员的逃生。为准确评估火灾扩展过程中热量冲击对救援工作的影响，需要在虚拟平台中准确模拟钻井平台的热量分布和传播规律。采用圆柱坐标系，忽略温度场沿转角θ的变化，建立平台温度场分布和扩展规律的热传导方程为：

(1)

式中：k——平台系统导热系数，J/(kg·℃)；

α——平台周边空气的热扩散系数，J/(m2·s·℃)；

r——温度测量点距火源中心的径向距离，m；

z——温度测量点距火源中心的轴向距离，m；

φ(r,z)——被求解温度场分布。

忽略轴向z的变化时，利用格林公式求解公式(1)可得温度场沿径向分布的解：

(2)

式中：T(r,t)——稳定状态温度，℃；

t——时间，s；

α——平台周边空气的热扩散系数，J/(m2·s·℃)；

R——求解模型的边界，m；

G——温度场的格林公式表达，℃；

τ——模型的剪切模量，常数，无量纲；

F(r′)——热应力，Pa；

v,s——比例常数，依据模型材料和边界条件而定；

f——瞬时温度，℃；

g(r,t)——产热率，J/(m2·s)。

根据公式(2)可以获得火灾爆发区域周边连续温度场数据，进而借助FDS软件模拟火灾爆发周边区域复杂的压力变化、温度场变化与火焰辐射状态，为后续人为干预机制及多目标应急救援模型的优化提供依据。

2 不同火灾场景下的火焰扩展三维模型构建

依据海上平台的基本结构和火灾防控需求，构建罐顶全面火、有遮挡(遮挡物设置在火焰正北方向)和无遮挡3种具有代表性的油气泄漏火灾场景。预设12个检测点，东、南方向分别设置在距离爆炸中心9，13，17 m处，西、北方向分别设置在距离爆炸中心6，9，13 m处，如图1所示，监测100 s内4个方向不同距离处的CO浓度、热辐射和温度。其中有遮挡的情况，北侧测量点设置于遮挡物上方，如图1(a)所示。探测器分为3类，以MP-S1点为例，该点CO浓度探测器记为MP-S1-CO，温度探测器记为MP-S1-TEMP，热辐射探测器记为MP-S1-RADI。

图1 不同火灾形式下的监测点设置

使用FDS软件建立火灾三维仿真模型，计算域为53 m×36 m×18 m长方体区域，模型主体为一个28 m×27 m的平台甲板模型，以及一个直径10 m、高12 m的原油储罐模型。环境初始温度为20 ℃，环境大气压为101.325 kPa，火源热释放功率(HRR)为1 451 kW/m3，辐射分数为0.33，CO产率为0.013。

为尽可能获得精确的模拟结果，需求解火源特征直径D*：

(3)

式中：Q——热释放速率，J/(m2·s·℃)；

ρ0——环境空气密度，kg/m3；

c0——空气比热容，kJ/(kg·K)；

T0——环境温度，℃；

g——重力加速度。

求解公式(3)得D*为1.05 m，最佳模拟网格大小取值在0.062 5D*到0.25D*之间。本文选取0.3 m×0.3 m×0.3 m的正方形网格进行模拟求解，共设置1 274 400个网格。经模拟，3种不同工况及火灾扩展规律云图如图2所示。

图2 不同工况条件下火灾扩展云图

使用MATLAB软件对FDS模拟得到的三维仿真数据进行拟合，获得不同方向下CO浓度Q、热辐射S和温度T的边界函数M，见表1～表4，该函数可以准确反映火灾不同时间节点t对人员的伤害程度。由于模拟中得知，罐顶全面火和无遮挡火都是中心对称的火源模型，无遮挡时，仅模拟一种风向便可得知其他风向对测试数据的影响；而有遮挡时，只有南风风向(火源处在上风向)的时候，在平台远离火源的探测点才可监测到数据，其他风向远端探点基本数据变化微小可以忽略，因此选择南风和无风状态进行计算。

表1 有遮挡无风状态相关参数的边界函数M1

表4 罐顶全面火灾无风状态相关参数的边界函数M4

分析可知，罐顶全面火灾沿水平方向的火焰辐射速度最快，伴随的高温高压冲击也最严重，但CO浓度略低于其他两种工况；受遮挡影响，有遮挡火灾的火焰会向遮挡物聚集，造成火焰辐射沿垂直方向的扩展速度明显快于罐顶全面火灾，水平方向的火焰辐射速度较慢，同时CO会向遮挡物聚集；无遮挡火灾水平方向上的火焰辐射速度与有遮挡火灾基本相同，但沿垂直方向的扩展速度和CO浓度低于有遮挡火灾。相关现象可以用可燃油气爆燃的压力波理论解释，如果在气体燃烧过程中，火焰遇到约束，或者由于扰动而使火焰加速，则会建立起一定的压力波，压力波会明显改变火焰扩展规律。

3 应急演练场景中事故预测模型构建

3.1 UNITY模拟火灾影响范围

将不同距离下的CO浓度、热辐射和温度值等数据代入到UNITY中。火源中心位置记为a0，则可根据坐标值和UNITY中的边界函数M计算输出空间中任一点a1的CO浓度、热辐射和温度值。

定义影响类型的枚举值FORM，根据输入的方位值DIRECTION和两点之间的距离值x，调用MATLAB提取的函数M计算最终的热辐射值y。

3.2 UNITY模拟火灾对人体伤害

操作人员所操控的角色赋有生命值属性，生命值设定最大值为100，最小值为0。角色分为受伤和死亡两种状态，依据生命值改变而改变。角色在受伤时伴随着生命值的减小，生命值的减小速率由伤害模型决定。为提高角色受伤的真实性和合理性，准确的伤害数学模型是系统不可缺少的组成部分。对FDS模拟结果进行数据拟合得到伤害程度，根据用户交互和系统建设需求，设定综合伤害系数值K，则：

K=k1T+k2S+k3Q

(4)

式中的k1、k2和k3分别为温度、热辐射和CO浓度的加权系数。3个系数的取值由仿真系统场景结构和灾害类型决定，主要用于评估不同灾害对人体伤害的等级。Unity3D设定生命值减少线性函数：

Role.HPManager(){localRoleData.Hp-=damage;}

(5)

式中：Role——角色控制类；

HPManager——生命值函数；

localRoleData——本地角色数据管理类；

damage——伤害数值。

将生命值减少线性函数与伤害系数结合为伤害数学模型函数：

Role.HPManager(){localRoleData.Hp-=damage*K;}

(6)

计算后的数值即为角色最终生命值，通过UGUI框架映射到界面中，完成从计算到显示的一整套流程。其中，时间节点t=100 s时，主要参数沿径向坐标x的边界函数如表1～表4所示。当测量点与火源中心距离x不超过15 m时，拟合函数的计算偏差不超过10%；当测量点与火源中心距离x超过15 m时，各项参数均处于安全范围内。主要危害来自于火焰热辐射。依据AQ/T 3046—2013《化工企业定量风险评价导则》附录H影响阈值中的推荐，热辐射对设备与人体的伤害关系见表5。

3.3 UNITY模拟事故处置所需资源

3.3.1 消防水枪

a) 着火罐的冷却水枪数n(不考虑固定冷却系统)按公式(7)计算。

(7)

式中：D——着火罐的直径2/3倍，m；

q——着火罐的供水强度，L/(s·m)，通常可取0.6；

v——单支水枪的用水量，L/s，通常19 mm直流水枪用水量为6.5 L/s。

b) 邻近罐的冷却水枪数n(不考虑固定冷却系统)按公式(8)计算。

(8)

以储罐平台的储油罐为例，直径为24 m，计算可知储油罐所需冷却水枪5支，邻近罐所需冷却水枪4支。

3.3.2 泡沫灭火剂

扑救原油火灾的泡沫液量可按公式(9)进行计算。

Q=kAq

(9)

式中：Q——扑救原油火灾所需泡沫液量，L/min；

k——泡沫液的混合比，通常取0.06；

A——着火面积，m2；

q——泡沫混合液的供给强度，L/min，通常可取10。

以储罐平台储油罐着火为例，着火面积为600 m2，泡沫液的混合比取0.06，则计算可知所需泡沫量为360 L/min。

4 结论

a) 构建的火焰扩展三维模型能够准确模拟不同影响因素下火灾事故的温度场、CO浓度和热辐射场，实现对不同时间下火焰范围、最高温度、释放能量、燃烧范围、扩展规律等风险参数的量化评估，进而模拟出事故范围、事故对设备与人体的伤害以及事故处置所需资源，形成事故推演的可视化动态事故模型。

b) 开发的虚拟仿真技术应急演练系统不需要停工停产，克服了演练时间和空间限制，降低了演练成本，同时解决了实际演练只有过程表演而没有结果验证的弊端，提升了应急演练效果。