冷放空氣體擴散對海洋平臺群影響分析

吳奇兵，張士超，李修峰，肖軍詩，陳澤光

（中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450）

冷放空系統(tǒng)是海上生產(chǎn)設(shè)施重要的安全系統(tǒng)，其設(shè)計是否合理將直接影響平臺的生產(chǎn)和安全[1-2]。受海上平臺空間所限，冷放空管距離生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)較近，因此與陸上油田相比危險性更大[3-4]。W平臺冷放空管斜向上伸出平臺10 m距離，在放空氣體時氣體會隨風(fēng)飄向平臺，對平臺作業(yè)及生活產(chǎn)生影響，因此考慮將放空管在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上延長10 m。由于該平臺與其他兩平臺距離較近，其氣體擴散影響較為復(fù)雜。為分析放空管加長改造后對放空氣體排放的影響，應(yīng)用CFD軟件對平臺冷放空泄放氣體擴散過程進行了數(shù)值模擬[5-8]，研究了可燃氣體擴散的基本規(guī)律，分析了不同風(fēng)向、風(fēng)速對可燃氣體擴散的影響，并依據(jù)計算結(jié)果對冷放空管的改造提出了建議。

1 計算模型的建立

某油田位于渤海遼東灣北部海域，W平臺和D平臺之間由棧橋連接，距離為20 m。中心平臺D與儲油沉箱平臺W棧橋相連，G平臺與W平臺的西北側(cè)通過棧橋連接，平臺所在位置平均水深9 m。平臺群布置見圖1。

圖1 目標平臺群三維模型

為了在保證計算精度的前提下盡量降低計算成本，選擇250 m×250 m×80 m大氣空間作為計算區(qū)域。平臺甲板模型位于計算區(qū)域的中心。冷放空氣體將會以較大的速度噴射進入大氣空間，網(wǎng)格劃分采用非均勻四面體，并在放空口附近區(qū)域進行了網(wǎng)格加密，而在遠離放空口附近處加大網(wǎng)格尺寸。最后劃分完成后節(jié)點總數(shù)80 094，網(wǎng)格總數(shù)為432 419。模型非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格見圖4。

冷放空氣體在大氣中的氣體擴散過程非常復(fù)雜，因此采用流體動力學(xué)方法建立的流體力學(xué)模型可以較高程度地還原冷放空氣體的擴散規(guī)律。由于平臺放空管位于火炬臂上（圖2），冷放空氣體擴散區(qū)域集中在平臺上部空間。依據(jù)工程設(shè)計圖紙以及設(shè)施布置照片，建立三維模擬模型。為了減小計算規(guī)模，在滿足計算精度的前提下，忽略平臺下部結(jié)構(gòu)，僅留下三個平臺的上甲板及D平臺的中層甲板（圖3）。

圖2 W平臺冷放空管位置示意

圖3 平臺群模型計算區(qū)域模型

圖4 平臺群模型計算區(qū)域網(wǎng)格

2 邊界條件設(shè)置

2.1 擴散模型

選用k-epsilon湍流模型符合放空管出口處氣體流速較大的工況。此外，選取物質(zhì)輸運（Species Transport）模型模擬氣體擴散過程，通過求解描述每種組成物質(zhì)的對流、擴散來模擬混合和輸運。計算中選用SIMPLE算法進行求解，同時考慮重力的影響。

2.2 邊界條件

為分析不同風(fēng)速對氣體擴散的影響規(guī)律，在有風(fēng)條件時，設(shè)定計算區(qū)域上風(fēng)向面位速度入口邊界條件，輸入不同風(fēng)速值進行模擬。大氣溫度按當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁?2.9 ℃考慮，放空管出口處的圓形區(qū)域設(shè)為質(zhì)量流量入口邊界條件。計算域兩側(cè)和頂部對稱邊界：symmetry；平臺及底部邊界：wall；來風(fēng)面速度入口：velocity-inlet；冷放空口質(zhì)量出口：mass-flow-inlet，面邊界自由流出：outflow。

（1）風(fēng)參數(shù)

該油田地處中高緯度，其氣候主要受歐亞大陸氣候的影響，屬大陸性氣候，常風(fēng)向為SSW，強風(fēng)向為NNE和SSW。風(fēng)玫瑰圖見圖5。

由風(fēng)速概率統(tǒng)計表可知，區(qū)域風(fēng)速在3.4 ~ 7.9 m/s區(qū)間內(nèi)概率較大，因此選取3.4 m/ s和7.9 m/s兩種風(fēng)速進行擴散模擬。指數(shù)風(fēng)廓線方程為：

圖5 海域年均風(fēng)玫瑰圖（%）

式中：uZ和u10分別為距離海平面高度為Z處的風(fēng)速和海域標準風(fēng)速，m/s；Z為離海平面的高度，m。

（2）氣體參數(shù)

正常帶壓生產(chǎn)容器泄放流程必須進入火炬分液罐除液后再進行火炬燃燒處理，常壓罐的壓力泄放是通過冷放空進行處理的，由于各罐的進液速度不一樣，因此泄放能力無法確定。目前最大的持續(xù)泄放量來自于沉箱呼氣，約80 m3/ h（0.017 kg/ s），其余各罐偶爾間歇性放空，量不確定。在標況下，空氣密度約為1.29 kg/m3，伴生氣相對密度0.591 1 kg/m3，按冷放空氣體排放量0.017 kg/ s。平臺放空天然氣的組分見表1。

表1 天然氣組分數(shù)據(jù)

3 結(jié)果分析

計算過程分為兩步：首先是模擬穩(wěn)定風(fēng)場，第二步再模擬冷放空氣體擴散規(guī)律。

通常天然氣擴散模擬的邊界濃度分別為天然氣爆炸下限的20%、爆炸下限的50%和爆炸下限的100%。根據(jù)計算分析可知冷放空氣體排放速率及濃度極低，經(jīng)擴散后很難達到爆炸極限。為觀測冷放空氣體的擴散范圍，取更低的邊界濃度0.01%進行后處理分析。

3.1 氣體擴散范圍

平臺所處區(qū)域常風(fēng)向為SSW，強風(fēng)向為NNE和SSW。雖然ESE風(fēng)向及WNW風(fēng)向出現(xiàn)頻率稍小，但是這種風(fēng)向更容易使氣體飄至平臺區(qū)域，因此在計算分析時也將這兩種風(fēng)向加以考慮。最終分析工況為四種風(fēng)向、兩種風(fēng)速及兩種冷放空口位置共計16個，各工況計算結(jié)果見表2。

為更加詳細了解氣體擴散趨勢及范圍，選取冷放空氣體在各工況條件下的擴散模擬計算形態(tài)圖（圖6 ~ 圖13），其中紅色部分為氣體擴散區(qū)域，藍色部分為平臺。在冷放空口區(qū)域甲烷質(zhì)量濃度為0.01%的包絡(luò)圖可以清晰地展示出甲烷氣體的擴散規(guī)律。

表2 冷放空甲烷擴散計算結(jié)果

3.2 擴散影響分析

（1）風(fēng)向的影響

WNW風(fēng)向受到D平臺生活樓遮擋作用明顯，不能使氣體有效地擴散，因此冷放空口區(qū)域容易形成可燃氣體的聚集。而NNE與SSW風(fēng)向時由于區(qū)域無遮擋，故氣體擴散情況良好，未有明顯聚集現(xiàn)象，說明外界空氣流動的介入有效地加強了對可燃氣體的稀釋。

圖6 風(fēng)向ESE，風(fēng)速3.4 m/s，放空口氣體擴散形態(tài)圖

圖9 風(fēng)向WNW，風(fēng)速7.9 m/s，放空口氣體擴散形態(tài)圖

圖7 風(fēng)向ESE，風(fēng)速7.9 m/s，放空口氣體擴散形態(tài)圖

圖10 風(fēng)向NNE，風(fēng)速3.4 m/s，放空口氣體擴散形態(tài)圖

圖8 風(fēng)向WNW，風(fēng)速3.4 m/s，放空口氣體擴散形態(tài)圖

圖11 風(fēng)向NNE，風(fēng)速7.9 m/s，放空口氣體擴散形態(tài)圖

圖12 風(fēng)向SSW，風(fēng)速3.4 m/s，放空口氣體擴散形態(tài)圖

圖13 風(fēng)向SSW，風(fēng)速7.9 m/s，放空口氣體擴散形態(tài)圖

（2）風(fēng)速的影響

冷風(fēng)空排放氣體擴散受到風(fēng)速條件的影響明顯。風(fēng)速條件不但影響了泄放氣體的擴散范圍，也改變其聚集濃度。隨著風(fēng)速的增大，相同質(zhì)量濃度甲烷氣體的包絡(luò)面范圍隨之減小。這提示高風(fēng)速利于可燃氣體的稀釋。

（3）冷放空口位置的影響

在NNE、SSW及WNW風(fēng)向作用下，冷放空口的位置對擴散距離影響不大。在ESE方向時，改造后冷放空口位置的氣體聚集效應(yīng)明顯，且氣體已擴散至D上層甲板上，但氣體濃度極低，不會造成爆炸等安全隱患。

4 結(jié)論

（1）在平臺所處區(qū)域常風(fēng)向為SSW及強風(fēng)向為NNE、SSW風(fēng)向下，冷放空氣體擴散情況良好，無明顯聚集現(xiàn)象。W平臺冷放空管口在目前位置或上移10 m，冷放空氣體經(jīng)擴散后濃度都極低，濃度為0.01%，遠低于爆炸下限（5%），都不會引起爆炸等安全隱患。

（2）雖然ESE風(fēng)向及WNW風(fēng)向出現(xiàn)頻率稍小，但是這種風(fēng)向更容易使氣體飄至平臺區(qū)域，尤其是在ESE風(fēng)向（頻率3%）時，冷放空口延長10 m后排放氣體會擴散至D平臺上層甲板。如改造需要重點關(guān)注此時氣體擴散狀態(tài)，并提前制定應(yīng)急措施。