黄海滨，姜中雷，冯爱民，黄武刚

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452；2.海油发展采油服务公司，天津300456）

0 前言

海洋石油开发工程随着国内经济运行高速发展进而呈现出了多维度的开发，海洋石油平台处于油气容易扩散的高位区域，在设计阶段就提前对其进行识别，进行规避。若干年前凭着工作经验在现场进行防爆工作，但在当今科技极为发达的今天显得极为脆弱，也不符合技术发展的总体趋势。本文就是从设计阶段就从SAFETI软件着手进行平台的火灾爆炸量化模拟，运用数学建模的工具进行提前设计工艺流程，着重分析风浪流及油气爆炸浓度及风力对爆炸的影响度，为实际工作和平台建造奠定理论基础，极大地保障了海上油气作业的安全，维护了海洋环境安全和人的生命安全。

1 海洋石油生产储油平台火灾爆炸量化计算基础

海洋石油生产储油平台（Production storage platform，缩写为PSP)作为海上生产活动中重要的储油设施，火灾爆炸风险作为安全管理的重中之重。本文选取“旅大”油田作为研究分析模型，针对平台油气处理与储存装置发生泄漏所引发的事故后果进行分析。事故分析工作流程通常为：PSP泄漏及其后果危险辨识；根据PSP平台油气物性特点、PSP平台各层甲板平面布局以及海洋石油开发项目的特点，对PSP平台工艺设施发生油气泄漏及所引发的后果影响进行辨识分析。分析单元划分及分析方法选择；根据对PSP平台油气泄漏及后果的危险辨识，结合PSP平台工艺流程设计，对泄漏及火灾爆炸分析进行单元节点划分。并根据单元划分的结果，分别选择相应的模拟分析方法。模拟分析考虑以上各类事故对PSP平台的后果影响，使用流体力学软件FLUENT、渤海海域溢油模拟软件以及火灾爆炸模拟软件SAFETI等软件对PSP平台各单元发生油、气泄漏所产生的后果影响进行模拟计算，结合计算结果，分析PSP平台各类事故的对平台人员、设备的影响[1]。根据PSP平台整体风险评估工作的总体规划，在量化模拟PSP平台整体火灾爆炸影响程度的基础上，为海上生产活动的总体布置的风险评价提出相应的技术支持。

PSP平台需要对井口平台来油进行油气分离、脱水等处理，并对处理后的合格原油进行储存。生产介质自身的性质决定了工艺系统若发生泄漏，容易被周围的明火或高温引燃，发生火灾乃至爆炸事故。使用火灾爆炸模拟软件SAFETI对PSP平台各工艺单元设备发生火灾、爆炸的后果影响进行模拟计算[2]。SAFETI（Suite for Assessment of Flammable，Explosive and Toxic Impacts）中主要包括有泄流模型、弥散模型以及可燃性和毒性模型。其中泄流模型用来预测从容器、管线中泄漏出来的物料进入大气时的速率和状态；弥散模型对物质在空气中的扩散形式进行模拟，不同的泄流形式导致不同的扩散云图；可燃性模型预测热辐射水平、发生火灾的区域以及超压冲击波影响范围；毒性模型可以模拟泄漏出来的物质对环境的毒性影响，以浓度对距离及时间的函数或者扩散云的轨迹图等形式来表达。在SAFETI的计算过程中，通过对泄漏物质、泄漏相态、设施压力、温度、泄漏孔径的定义，可以得到不同条件下的初始泄漏速率、泄漏爆炸喷射范围、喷火影响以及闪火爆炸影响，如图1所示。

图1 SATFETI模拟计算模式

2 海洋石油生产储油平台油气漏泄SATFETI状态模拟计算

及其相互作用的复杂过程。就溢油所导致的短期环境影响而言，溢油的漂移、扩展、蒸发、分散作用起着支配地位。海上溢油的漂移与扩展，主要取决于海表面风场、流场以及波浪和湍流的综合作用。具体地说，是海表层的风海流、潮流、潮致余流、波浪余流、密度流以及随机的湍流扩散决定了溢油的水平运动。在近海，风海流和潮流是决定溢油漂移轨迹最重要的因素。波浪对溢油的影响主要体现在水面的搅动和波浪破碎而引起的溢油入水。风的作用与油品的不同特性，则决定了海面原油的挥发和乳化，进而影响溢油的密度和粘性变化[4]。

图2 油气泄露喷火模拟结果

采用SAFETI计算得出的设备的喷火影响范围结果如图2所示，其中描述喷火影响有3个热辐射值，为 37.5 kw/m2；12.5 kw/m2；4.0 kw/m2这三个热辐射影响范围。

如图2所示，当设备泄漏后被点燃，产生一个火焰，火焰形成一个热辐射区，与火焰最近为37.5 kw/m2（白色区域），次之为12.5 kw/m2（灰色区域），最外围为4.0 kw/m2.热辐射强度的影响辐射强度（kw/m2）结果37.5足以造成设备损坏。25无火焰直接加热，长时间可使木材燃烧的最小能量。12.5有火焰直接加热，可使木材燃烧、塑料熔化的最小能量。4.0无火焰直接加热，20 s内可引起疼痛，可能造成二度烧伤，不致死[3]。1.6较长时间暴露，无不舒适感。海上溢油事故发生后，原油进入海洋受到海上风、浪、流的综合作用，在海上漂移、扩散，严重破坏海域的生态环境。调查显示，一次严重的海上溢油事故对自然生态环境的危害可持续数十年。而海上溢油事故多数是突发性事故，当溢油事故发生后，如何准确获得海面油膜的动态信息，并迅速而有效地做出应急反应，对控制污染、减小损失以及清除污染都起着关键性的作用。海上溢油的行为和归宿受风、浪、流等动力环境因素、其它非动力环境因素和油品特性等多种因素的支配，经历着漂移、扩散、蒸发、分散、乳化、溶解、光氧化

3 海洋石油生产储油平台火灾爆炸危险辨识

PSP平台的海上生产活动风险主要来自于平台工艺设施（管线、罐体、泵等）发生油气泄漏事故，分析范围从PSP平台栈桥下游至平台外输管线。工艺设施发生烃类泄漏后，若被引燃，则会引发火灾、爆炸乃至相应的升级事故发生，可能引发的事故状态包括喷火、池火、爆炸。喷火是可燃烃类从带压容器中喷射出来时遇明火引燃所形成的燃烧状态，其喷射的形态主要取决于泄漏的设备内的压力。发生泄漏的方向、位置、泄漏烃类的密度、组成以及周围环境条件等，决定了出现在该区域的人员以及设备所遭受的伤害程度。液态可燃烃类泄漏出来被点燃会形成池火，在甲板上形成池火后，温度的升高加速了油的蒸发，蒸发出来的烃类气体更加剧了燃烧，形成更强的热辐射。当积聚的蒸气云被点燃形成的火球在向外扩展的过程中，如遇到阻隔，局部受到约束，引起局部湍流和漩涡，使火焰与火焰相互作用，造成燃烧速率急剧升高，有可能使爆燃转变成为爆轰，产生危害巨大的爆炸冲击波。此类事故在敞开空间发生的概率很低，一般不易发生爆轰。对于PSP平台，设施布置较多，尤其中层甲板和下层甲板的设施对能量释放的约束较大，容易形成剧烈爆炸。爆炸产生的超压冲击波能够造成人员伤亡以及平台结构的损伤。

根据平台工艺流程设计的需要，PSP平台各层甲板设施在布置上考虑了功能区块的划分，并根据各区域工艺设施功能的不同、处理介质的不同以及操作条件的不同，将平台各层甲板的不同区域划分成为不同的危险等级，各等级区域之间设置了不同等级的防火墙。防火墙对火灾、爆炸事故的缓解与控制起到十分重要的作用。选择合适的防火墙可以有效地抵御火灾爆炸的影响。在工艺系统中的某个设施发生泄漏时，由于泄漏口与大气连通，泄漏口成为系统的泄压点，流程中其他设施中的物料将顺流甚至倒灌至泄漏口，导致大量油气泄漏。设计上，在工艺流程中根据各设备设施的功能区分、设计压力等级不同设置了关断阀，在单体设备发生油气泄漏或非正常工况时，可以及时实施关断，对流程进行隔断，这样可以有效地控制油气泄漏量。根据工艺泄漏、火灾、爆炸模拟计算的需要，结合PSP平台工艺系统中各设备设施之间的关断阀设置以及关断逻辑，对PSP平台的工艺系统进行模拟分析单元的划分。借助计算流体力学软件FLUENT对PSP平台中层甲板发生天然气泄漏事故的后果进行模拟分析如图3所示[5]。

图3 油气泄露事故后果模拟

在模型建立的过程中，以尽可能地符合实际情况为原则，但是考虑到计算的需要，模型的建立不可能完全与实际一致，所以对平台相应处进行了简化，包括管线、不规则设备等，以满足模拟计算的要求，简化处理须保证对模拟计算的结果影响程度不大。为了能够从最危险的极端情况出发，分析中层甲板泄漏的可燃气体扩散状态以及被点燃的后果影响。由于PSP平台中层甲板工艺装置区由一堵A0防火墙分隔，因此模拟分析中在两个区域中分别选择了一个泄漏点进行模拟，泄漏点分别位于燃料气涤气罐及一级分离器，考虑到气相泄漏的后果较油相泄漏后果更危险，模拟分析泄漏物质为气相组分占90%以上的甲烷，采用PSP平台中层甲板燃料气涤气罐及一级分离器的温度和压力分别进行模拟计算，具体操作条件如下表1所列。

表1 泄漏模拟操作条件假设

根据平台工艺流程图中所明确的设备管线的压力以及温度，确定了表中甲烷的大小两个等级的泄漏量，模拟东南、东北、西南、西北四个不同风向下，两种规模泄漏发生时，可燃气体扩散形态以及影响范围，从而确定火炬点燃扩散可燃气体的风险值。以可燃性气体甲烷到达爆炸下限25%作为扩散边界浓度值。常温常压下甲烷在空气中的爆炸极限为5%～15%体积比浓度，因此确定甲烷扩散边界体积浓度（25%LEL）值为0.012 5，对应的质量浓度值为0.008 85 kg/m3.说明工艺系统达到2.5 kg的CH4泄漏量的概率是很高的。通过计算结果可以看出，在爆炸发生0.15 s时，产生的超压峰值达到最高，距离爆炸核心距离为2.1 m，温度峰值最高出现在爆炸初期，即0.05 s时刻，温度峰值达到2 304.24℃，距离爆炸核心距离为1.5 m.已经影响到附近的工艺设施，将引发事故的升级。通过爆炸模拟计算可以看出，发生天然气泄漏后，初次爆炸对平台整体影响相对较小，若能及时关断，且生产区内各类设备均按照相应防爆等级设置，基本可以得到及时有效的控制。若在一次爆炸后，未能及时关断泄漏气源，仍有可燃气体补充并被引燃，在设备较多的PSP平台，容易引起爆燃产生较大超压影响的二次爆炸甚至连续爆炸。在连续爆炸的升级事故状态下，在较高的超压以及极高的温度持续作用下，平台设施、结构会遭到较为严重的破坏，并形成大面积火灾，A0及A60防火墙均会失去屏障作用，造成更大范围的设备损失及人员伤亡，甚至造成平台倒塌。对于系统的及时关断以及危险区各类防爆设备设施的选型成为控制事故后果发展，降低二次爆炸事故风险的关键[6]。

4 海洋石油生产储油平台火灾爆炸分析总结展望

采用SAFETI软件系统对PSP平台的火灾爆炸后果进行了计算模拟分析，该火灾爆炸计算模拟分析，将支持本风险评估的油田生产总体布置分析报告中的各项分析内容：

（1）通过使用FLUENT软件系统对PSP平台主要气体泄漏点源的气体扩散模拟，结合“挡风墙分析”报告中的流场模拟与泄漏点源扩散模拟，认为PSP平台总体布局较紧密，在水平方向气体扩散水平较低，但由于甲板层高设置较高，可燃性气体依然具备较有效的扩散空间，不至于产生聚集，总体而言工艺甲板的设施布局较合理，目前的工艺区域分隔模式也较合理。

（2）通过使用SAFETI软件模拟ALPHA平台第一次闪燃当量，发现若在PSP平台发生类似闪燃，主要风险来自于高热的辐射，建议PSP工艺罐体考虑一定的保温层设置，降低热辐射的影响。

（3）通过使用SAFETI软件，模拟PSP各设备的火灾爆炸水平，认为PSP整体火灾爆炸水平与其他海上设施工艺系统的整体水平差异不大，就主要的火灾爆炸点源储罐而言，受其压力等级低，SIL逻辑设置合理等条件的贡献，结构可靠的条件下，发生喷火以及大面积池火的可能性低，风险水平处于可接受范围。

（4）通过使用SAFETI渤海溢油软件，模拟了PSP储罐溢油到海上的扩散面积，其结果以及原油自身属性说明，PSP储罐泄漏后导致海面池火的可能性极低，可以忽略。

参考文献：

[1]孙菊香.船舶气囊下水技术综述[J].中国修船，2010（6）：13-15.

[2]贺 辰，邱 炜，闫庆贺.导管架海上安装水平度控制[J].石油工程建设，2015（4）：20-21.

[3]杨建文，刘振山，李文玉.导管架施工工艺流程及施工技术要求[J].中国港湾建设，2013（3）：30-31.

[4]朱高伟.导管架的设计安装与安全管理探讨[J].化工管理，2015（16）：20-22.

[5]李义娟，王铁刚，刘 欢，等.导管架海上安装风险分析及控制方法研究[J].西部探矿工程，2011（9）：11-12.

[6]顾太平，何 琳，黄 炼.一种气囊承载特性分析方法[J].海军工程大学学报，2011（3）：40-41.