基于情景模拟的浅海中心平台火灾爆炸定量风险评估

王伟斌

（中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心，山东东营，257000）

1 引言

海洋平台在海洋油气开发中占据重要地位，但由于海洋平台上油气共存，且作业环境不良、设备设施密集、生产空间受限，易发生油气泄漏扩散、火灾、气体爆炸等事故[1]。浅海中心平台是集输油、输气、污水处理及回注、发供电、自动化监控等多种功能于一体的综合性海洋平台，一旦发生海洋平台火灾爆炸事故，事故控制与救援极为困难，不仅会造成人员伤亡和设备损坏，而且对生态环境也会带来巨大的损害[2]。

鉴于此，本研究以某浅海中心平台为研究对象，通过危险有害因素辨识确定油气泄漏火灾爆炸事故场景，基于CFD方法进行事故情景模拟，并综合事故后果和事故概率，完成中心平台火灾爆炸风险的量化计算。研究表明该方法能够准确完成中心平台定量风险评估工作，具有重要的应用价值。

2 平台概况

2.1 中心平台

该中心平台所处海域平均水深12米，由旧生产平台、新生产平台、生活平台、动力平台、储罐平台和消防平台组成。生产平台主要功能是原油和天然气处理、污水处理及回注等，通过栈桥与储罐平台、生活平台连接，有三相分离器、天然气加热器、污水罐、注水罐、水力旋流器、双亲可逆纤维球过滤器、污水提升泵、注水泵、原油和污水处理加药装置、闭式排放罐、吊机及消防设施。

2.2 自然环境

埕岛海区大气环流受西北带和贝加尔湖低压系统影响，又受海洋的调节，南风出现频率最高，东北偏北风次之，北风出现频率最低。全年6级以上的大风主要为北和东北风，年均频率分别为9.1%、13.9%；8级以上大风发生频率较低，以北风频率最高，东北次之，8级以上在大风多数发生在春季和冬季。风向玫瑰如图1所示。

图1 风向玫瑰图

根据《风力等级》（GB/T 28591-2012）选取8级风中间值19m/s、6级风中间值12.5m/s和低风速1.5m/s（在该风速下泄漏油气不易扩散事故后果高，普遍以此风速用于后果的保守分析）作为代表风速。

3 油气火灾爆炸定量风险评估方法

3.1 情景模拟

火灾爆炸事故后果的主要表现形式为火灾热辐射和爆炸超压，根据热辐射和超压伤害准则，以定量确定人员伤亡、设备损伤等后果情况[3]。火灾主要危害来自于火焰热辐射，热辐射对设备与人体的伤害关系依据《化工企业定量风险评价导则》（AQ/T 3046-2013）《附录H影响阈值》确定；爆炸导致人员伤害与设备设施破坏的最重要原因为爆炸产生的冲击波超压，冲击波超压过大时会对人体的耳、肺以及胸腔等造成伤害；冲击波作用到设备上时可以造成设备损坏。超压冲击波对人体与设备设施的伤害关系依据《Lee’s 过程工业中的损失预防》确定。

为完成火灾爆炸事故后果的分析，采用专业的油气泄漏、火灾、爆炸后果模拟软件FLACS开展情景模拟，以待分析平台的设施设备的基本结构和尺寸数据为依据建立模拟场景的三维几何模型，建模过程主要考虑设施设备的外部空间形态，忽略设施设备的内部结构，平台模型见图2所示。

图2 中心平台三维数值模型

针对每个事故场景，结合设备泄漏孔径，风速和大气稳定度构成的环境条件，以及风向作用开展火灾、爆炸事故场景的分析计算，需开展的事故场景工况见表1。

表1 模拟工况

3.2 风险计算

基于获得的油气火灾爆炸事故频率和事故后果，即可通过风险计算确定量化风险值，并通过与风险标准的比对确定风险等级和风险值[4]。

1）中国石化安全风险矩阵

在企业生产经营活动中，相关安全风险应统一采用中国石化安全风险矩阵评估初始风险等级和剩余风险等级，决定是否需要采取措施降低风险。

2）个人风险

根据《化工企业定量风险评价导则》（AQ/T 3046-2013），确定个人风险值[5]。对于个人风险标准，参考英国健康安全局的个人风险标准，依据个人可接受风险和个人可忽略风险，将风险等级划分为不可接受、可容忍、可接受3级，见表2。

表2 风险等级划分

3）社会风险

根据《化工企业定量风险评价导则》（AQ/T 3046-2013），确定社会风险值。

对社会可接受风险，依据陆上《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》（国家安全生产监督管理总局令（第40号）、《危险化学品生产、储存装置个人可接受风险标准和社会可接受风险标准（试行）》（国家安全监管总局公告2014年第13号）确定的社会可接受（可容许）风险标准[6]。

4 平台火灾爆炸定量风险评估

4.1 情景模拟后果

依据事故情景模拟结果，取部分事故后果分析展示，见图3。

图3 天然气压缩机房爆炸超压分布

根据模拟结果可知，高效三相分离器高温、高辐射区主要集中在喷射点周围，最高温度达1500K以上，最大辐射量超过37.5kW/m2。高温区域在高效三相分离器和天然气洗涤器之间，覆盖整个间距空间，辐射量普遍超过12.5kW/m2，并随风向向甲板内方向移动。而天然气压缩机房属于受限空间，由于天然气压缩机房四面拥有较多窗体，内部拥有常开门，具有较强的泄压能力，且其天然气浓度水平不高，因此其小空间内爆炸超压约4.8kPa，大范围内爆炸超压在2.5kPa以下。

对比伤害评价标准，在高效三相分离器喷射火产生高温、高辐射区，人员受辐射影响烧伤甚至死亡，高效三相分离器和天然气洗涤器等设备受辐射影响发生设备损坏，污水排放罐南表面受辐射区域广，但辐射量均小于12.5 kW/m2，不会造成设备损坏。天然气压缩机房爆炸超压对设备无影响，对人员可造成轻微损伤。

4.2 风险评估结果

1）中国石化安全风险矩阵评估结果

在对整个平台进行整体风险等级和风险值的计算时，涉及多个设备，此时需要考虑多个风险累积作用，其整体风险可以用频率累积方法计算风险等级和风险值。将各个子平台中具有相同严重性等级的累积发生频率相加，获得该中心平台不同事故严重性等级下的事故发生可能性，进而确定总平台事故发生可能性等级以及累积风险等级，见表3。

表3 中心平台累积风险等级

以表3累积风险等级中的最大值，作为该中心平台的初始风险等级，其为G4，对应的风险指数值为43。

2）个人风险评估结果

（1）旧生产平台

旧生产平台个人风险分布如图4所示，整个平台大部分区域个人风险大于1×10-4（年均）小于1×10-3（年均）属于可容忍范围内，但关键设备区域风险大于1×10-3（年均），风险不可接受。图4箭头所示位置和方向上，顶层甲板个人风险变化如图5所示，在三相分离器和天然气洗涤器之间区域及周边风险水平最高，最高可达到1.1×10-3（年均），其它区域风险可容忍。

图4 顶层甲板个人风险分布

图5 顶层甲板个人风险变化

（2）动力平台

动力平台上层甲板个人风险分布如图6所示，绝大部分区域个人风险值小于1×10-4（年均）大于1×10-5，在天然气发电机所在区域个人风险大于个人可忽略风险1×10-4（年均），但小于1×10-3（年均），工作甲板风险可容忍。图6箭头所示位置和方向上，工作甲板个人风险变化如图7所示，在天然气发电机所在区域及周边风险水平较高，最高可达到2×10-4（年均）。

图6 动力平台上层个人风险分布

图7 动力平台上层个人风险变化

（3）储罐平台

储罐平台个人风险分布如图8所示，整个平台所在区域个人风险大于个人可忽略风险1×10-4（年均），但小于1×10-3（年均）。故储罐平台整体区域风险可容忍。图8箭头所示位置和方向上，工作甲板个人风险变化如图9所示，在生产分离器和储油罐所在区域及周边风险水平较高，最高可达到6.67×10-4（年均）。

图8 储罐平台个人风险变化

图9 储罐平台个人风险变化

3）社会风险评估结果

结合各个甲板的人口分布，考虑人员分布情况，计算了平台各个甲板区域的社会风险情况。根据计算情况，旧生产平台的社会风险位于陆上《危险化学品生产、储存装置个人可接受风险标准和社会可接受风险标准（试行）》确定的不可接受区，其它平台如储罐平台、动力平台等的社会风险均位于尽可能降低区和可接受区。

图10 旧生产平台社会风险曲线

图11 动力平台上层甲板社会风险曲线

个人和社会初始风险等级见表4。

表4 中心平台个人和社会初始风险等级

5 结论

文章对浅海中心平台开展基于情景模拟的火灾爆炸定量风险评估，基于CFD情景模拟量化分析不同事故情景下平台设施影响和人员伤害情况，并结合火灾爆炸事故概率，完成平台火灾爆炸风险的量化计算，准确评估平台火灾爆炸风险等级。

该中心平台未改造前的油气泄漏火灾爆炸事故发生可能性等级为4，事故严重性等级为G，初始风险等级为G4，风险指数值为43，属于重大风险，平台个人和社会风险不可接受。

研究表明该方法能够准确完成海洋平台定量风险评估工作，具有重要的应用价值，为平台定量风险评估提供重要支撑，为海洋平台火灾爆炸防护提供重要参考。