基于CFD的海上油氣平臺可燃氣體擴散安全評估

軒軍廠，王子維，叢廣佩，路篤輝

（1.中海油安全技術服務有限公司，天津 300450；2.廣東石油化工學院，廣東 茂名 525000；3.中國特種設備檢驗研究院，北京 100085）

海上油氣開采由于受作業空間的限制，油氣生產設備布置往往比較密集，因此火災事故的危險程度更高。由于海上平臺逃生困難，且救援措施往往難以快速響應。尤其對于油氣存儲量大，油氣存放集中的海上儲罐平臺。基于以上原因，火災爆炸風險評估是海上油氣開采安全管理的必要工作之一。

對于火災爆炸風險的評估，國內外學者最早提出了多種蒸氣云爆炸后果預測的一維模型，包括TNT當量模型、TNO 多能模型以及Baker—Strehlow模型等，并已經廣泛應用于陸地各類危險化學品的安全風險預測。傳統計算模型具有使用方便的顯著特點，但僅僅適合于預測特定場景下敞開空間爆炸產生的遠場沖擊波，而不能預測爆炸源近場超壓。對于海上平臺設備布置密集、空間狹小的情況，其后果預測往往存在安全度不足的問題。近年來，隨著全尺寸爆炸試驗的開展，以及CFD(Computational Fluid Dynamics，流體動力學)分析技術日益成熟，CFD模擬計算在海上平臺氣體爆炸中的應用研究得到工業界和學術界的重視。FLACS流體計算軟件對海上平臺氣體爆炸的模擬結果表明，CFD模擬結果與試驗結果一致性較高。此外，一些專業的CFD工具也被用于海上平臺工藝裝置氣體擴散爆炸超壓的模擬，評估對周邊設施的影響，以此來指導設計方案的優化。專業CFD工具也被用于設備密集空間的爆炸風險模擬，優化設備設施的總體布局。

本文即研究采用CFD技術，利用Gambit和Fluent軟件，建立海上儲罐平臺三維計算模型，模擬得到不同工況下的可燃氣體的擴散情況，分析對比多變量、變參數和理論極端工況場景下可燃氣體擴散對平臺新建組塊的影響，從而評估現有平面布置設計方案中存在潛在風險，進而提出平面布置的優化建議，以及日常運行中的安全問題。

1 計算模型

1.1 幾何建模

按照初始設計方案，改造后的儲運平臺上部組塊分為組塊和儲罐。其中，儲罐部分包括3個Φ16700×10935mm的儲罐；組塊分為3層甲板，裝有68臺設備。其平面布置如圖1、2所示。

在幾何模型建立的過程中，盡量以符合實際情況為原則，但是考慮到計算的需要和經濟性，在不影響計算結果的前提下，模型進行了相應的簡化：擋風墻上斜梁的面積遠小于進風口的面積，對進口風速的影響不大，在建模的過程中不做考慮；選取部分的管線均布于平臺空間模型的頂端，并將這些管線的尺寸略微放大，使其占有的平臺空間與簡化處理前相比不出現較大的差值；對平臺上放置的不規則設備以及體積較小的設備進行了簡化處理，其對模擬計算的結果影響不大；外部的樓梯不考慮在內。

圖1 儲運平臺側視圖

圖2 儲運平臺底層甲板平面布置圖

對三位模型進行網格劃分時，根據模擬計算中選取的數學模型以及幾何模型的特點，并且考慮到平臺的實際尺寸情況，對儲罐和組塊選取不同的網格劃分方式，組塊空間選用單位長度為0.6m的四面體交錯網格，儲罐空間選用單位長度為1m的四面體交錯網格。

1.2 邊界條件以及參數選擇

可燃氣體泄漏擴散模擬計算邊界條件及相關參數選擇如下：

（1）根據設計環境參數，最小環境風速取為東風2.6m/s。為進行工況對比，還選取3.5、4.5、5.5m/s進行擴散工況模擬。

表1 不同風速條件下可燃氣體爆炸下限25%的邊界面尺寸

（2）泄漏氣相選為甲烷，初始體積濃度設定為100%。

（3）正常工況下呼吸閥排放速率選取50m3/h，極限工況下選取1500m3/h，儲罐氣體泄漏速率選取為50m3/h。

（4）關注的可燃氣體邊界濃度為爆炸下限（LEL）的25%及以上，對低于此濃度的擴散不再進行模擬和分析。

2 敏感目標設置及優化原則

（1）電氣設備。可燃氣體在風的作用下，可能在電氣設備處發生聚集，如果濃度達到爆炸下限的25%，在電氣設備的點火下，可能發生爆炸。提出優化建議時可以改變電氣設備的布置或選用防爆設備，也可以添加擋風墻阻擋氣體擴散。

（2）可燃氣體探測設備。初步設計時，可燃氣體探測設備的布置沒有考慮可燃性氣體擴散范圍。因此，可燃氣體在風的作用下，可能擴散到沒有設置探測設備的區域。提出優化建議時，需要考慮增加可燃性氣體探測設備，或優化現有探測設備布置。

（3）熱工作業。熱工作業主要通過動火作業許可進行管理。在熱工作業前進行作業風險分析時，應考慮可燃氣體擴散的影響。

3 環境風速對擴散影響的模擬分析

為研究環境風速對擴散的影響，模擬計算中選取一個儲罐為例進行研究，在泄漏速率為1500m3/h條件下，分別模擬了東風2.6、3.5、4.5、5.5m/s共4種工況的可燃氣體擴散影響范圍，擴散影響范圍模擬結果見表1。

對比4種風速下可燃氣體的擴散情況，可以發現可燃氣體均沿風速方向擴散，距離排放點越遠，濃度越低。且隨著風速的增加，擴散情況發生顯著變化。

對比可燃氣體的爆炸下限25%的邊界面面積和3個方向最大跨度，發現風速對可燃氣體擴散具有重要的影響，風速不同，危險區域的范圍也不同；隨著環境風速的增加，邊界面面積及3個方向最大跨度都在降低，可燃氣體的危險區域范圍減小。

分析其原因發現，隨著風速進一步增大，空氣的湍流作用加強，空氣的稀釋作用也越強，相同地點的可燃氣體濃度隨之下降。由此可見在4種工況中，環境風速越小，可燃氣體擴散的危險區域越大。

4 可燃氣體擴散狀態分析

（1）儲罐進油時呼吸閥排放可燃氣體擴散模擬。為了得到儲罐進油狀態下呼吸閥排放可燃氣體擴散情況，分別模擬了東風2.6m/s環境下3個儲罐的呼吸閥排放可燃氣體的擴散情況，模擬結果顯示儲罐進油工況下，呼吸閥排放可燃氣體擴散不會影響到新建組塊。

（2）儲罐進油時罐壁泄漏可燃氣體擴散模擬。為研究進油工況下罐壁泄漏導致可燃氣體擴散的影響范圍，分別模擬了東風2.6m/s環境下，3個儲罐罐壁泄漏可燃氣體的擴散情況，模擬結果顯示儲罐進油工況下，罐壁泄漏導致可燃氣體擴散不會影響到新建組塊。

（3）儲罐進油時罐頂泄漏可燃氣體擴散模擬。為研究進油工況下罐頂泄漏導致可燃氣體擴散的影響范圍，分別模擬了東風2.6m/s環境下，3個儲罐罐頂泄漏的可燃氣體擴散情況，模擬結果顯示儲罐進油工況下，罐頂泄漏導致可燃氣體擴散不會影響到新建組塊。

（4）儲罐呼吸閥達到排放極限時可燃氣體擴散模擬。為研究危險工況下，呼吸閥達到排放極限時，排放可燃氣體擴散的影響范圍，分別模擬了東風2.6m/s環境下，泄漏速率為1500m3/h時，3個儲罐的呼吸閥排放的可燃氣體擴散情況。模擬結果顯示危險工況下，呼吸閥排放可燃氣體擴散影響區域已達到新建組塊。

（5）理論極端工況下，儲罐呼吸閥達到排放極限時可燃氣體擴散模擬。為研究理論極端工況下，呼吸閥達到排放極限時，排放可燃氣體擴散的影響范圍，分別模擬了東風0.1~2.5m/s環境下，泄漏速率為1500m3/h時，儲罐的呼吸閥排放的可燃氣體擴散情況，模擬結果顯示：隨著風速降低，可燃氣體爆炸下限的25%邊界逐漸向中層甲板擴散，隨后與上層甲板接觸；當風速小于0.5m/s時，邊界不與新建組塊接觸。

5 可燃氣體擴散的安全影響評估

（1）儲罐進油時呼吸閥排放可燃氣體擴散的安全評估。通過對儲罐進油時呼吸閥排放可燃氣體擴散模擬，可燃氣體的邊界距離組塊較遠，儲罐呼吸閥正常排放時，不會影響組塊上的電氣設備。不同的儲罐由于所處位置和周邊設備布置的不同，可燃氣體擴散形態有細微的差別。根據模擬結果，呼吸閥排放的可燃氣體會影響到灌頂的熱工作業，因此呼吸閥附近進行熱工作業時應停止儲罐進油作業，罐頂熱工作業時應事前進行清罐處理。

（2）儲罐進油時罐壁泄漏可燃氣體擴散的安全評估。通過對儲罐進油時罐壁泄漏可燃氣體擴散模擬，可燃氣體的邊界距離組塊較遠，儲罐罐壁泄漏時，不會影響組塊上的電氣設備。但是考慮到徑向的擴散，罐壁附近2.5m范圍內進行熱工作業時應加強可燃氣體探測。

（3）儲罐進油時罐頂泄漏可燃氣體擴散的安全評估。通過對儲罐進油時罐頂泄漏可燃氣體擴散模擬，可燃氣體的邊界距離組塊較遠，儲罐罐頂泄漏時，不會影響組塊上的電氣設備。但是考慮到泄漏點附近可燃氣體的濃度高于爆炸下限的25%，在罐頂附近進行熱工作業時應加強可燃氣體探測。

（4）儲罐呼吸閥達到排放極限時可燃氣體擴散的安全評估。通過對儲罐呼吸閥達到排放極限時可燃氣體擴散模擬，呼吸閥排放可燃氣體擴散影響區域已接觸到組塊。因此，在危險工況下應考慮組塊內設備的停機斷電，并做好非主要人員的撤離。

（5）理論極端工況下，儲罐呼吸閥達到排放極限時可燃氣體擴散評估。通過對理論極端工況下，儲罐呼吸閥達到排放極限時可燃氣體擴散模擬，當風速小于2.1m/s時，可燃氣體的爆炸下限的25%的邊界接觸組塊，隨著風速的降低，邊界向中層甲板擴展；當風速達到1m/s時，邊界深入中層甲板距離達到最大為17.7m；當風速達到0.7m/s時，邊界深入上層甲板距離達到最大，貫穿上層甲板。考慮到理論極端工況下平臺作業和人員的安全，建議在中層甲板靠儲罐一側整體加裝防火墻，確保極端工況下可燃氣體擴散不會對組塊造成影響。

6 結語

本文采用了基于CFD的分析方法，對海上儲罐平臺的可燃氣體擴散進行了模擬，通過對模擬結果的分析，為平臺的設計方案提供了優化建議，修訂了熱工作業管理的內容，并得到以下結論。

（1）基于CFD的分析工具在充分考慮設備密集布置和各類極端工況下，可以模擬較為真實可靠地可燃氣體擴散狀態，因此適用于海上平臺的可燃氣體泄漏風險評估。

（2）通過CFD模擬分析，可以充分模擬各類工況下可燃氣體擴散影響范圍，從而評估變更設計方案的安全性、優化各類設備的空間布局和安全距離、優化可燃氣體探測設備布局、以及防火墻增設方案。

（3）通過CFD模擬分析，可以準確分析出日常熱工作業的高風險區域和位置，為平臺日常作業重點安全防護區域的確定提供依據。

（4）通過CFD模擬分析，可以優化某些關鍵部件的布置方案，如罐頂呼吸閥的位置應盡量遠離潛在點火源等。