渤海某平臺(tái)新增擋風(fēng)墻可燃?xì)庑孤╋L(fēng)險(xiǎn)分析

李修峰，賈廷亮

中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司伊拉克分公司（天津 300456）

0 引言

我國(guó)渤海地區(qū)冬季寒冷，低溫大風(fēng)會(huì)對(duì)油氣生產(chǎn)設(shè)備可靠性造成較大影響。渤海某平臺(tái)建造時(shí)，為了冬季工藝設(shè)備防凍擋風(fēng)，中層甲板和下層甲板工藝區(qū)的東側(cè)和北側(cè)安裝有高度2.5 m 的擋風(fēng)墻。為減小大風(fēng)低溫對(duì)生產(chǎn)工藝的影響，需在工藝區(qū)的東側(cè)和北側(cè)新增擋風(fēng)墻或在原有基礎(chǔ)上加高，加強(qiáng)其擋風(fēng)防凍功能。

新增擋風(fēng)墻會(huì)改變平臺(tái)甲板的空間布局，影響海洋平臺(tái)的整體安全性。董久生等[1]從系統(tǒng)分析和因素分析兩個(gè)方面分析加裝擋風(fēng)墻所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)；李玉田等[2]從對(duì)加裝擋風(fēng)墻對(duì)海洋平臺(tái)通風(fēng)效果的影響分析加裝擋風(fēng)墻的安全合理性。侍雁翔等[3]通過(guò)建立數(shù)值仿真模型分析某平臺(tái)加裝擋風(fēng)墻后對(duì)平臺(tái)氣體擴(kuò)散的影響程度。生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生泄漏，新增擋風(fēng)墻易造成泄漏氣體積聚[4-6]，積聚可燃?xì)馊舯稽c(diǎn)燃發(fā)生火災(zāi)爆炸事故[7-11]。國(guó)內(nèi)外對(duì)擋風(fēng)墻對(duì)海洋平臺(tái)油氣生產(chǎn)可燃?xì)庑孤┓治龆匡L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估較少，多數(shù)為定性分析。為定量評(píng)估新增擋風(fēng)墻是否安全、合理，建立模型分析泄漏天然氣的擴(kuò)散過(guò)程[12]，分析新增擋風(fēng)墻對(duì)泄漏天然氣擴(kuò)散及消散的影響，評(píng)估新增擋風(fēng)墻是否安全、合理可行。

1 數(shù)值仿真模型

該平臺(tái)為導(dǎo)管架平臺(tái)，共設(shè)5層甲板，分別是直升機(jī)甲板、上層甲板、中層甲板、下層甲板及工作甲板。其上設(shè)有透平發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、原油生產(chǎn)處理設(shè)施、天然氣生產(chǎn)處理設(shè)施、注水系統(tǒng)設(shè)施和污水處理設(shè)施等。

1.1 模型建立

建立平臺(tái)數(shù)值模型，如圖1 所示。下層甲板高8 m，中層甲板高8.5 m。中層甲板和下層甲板工藝區(qū)的東側(cè)和北側(cè)在平臺(tái)建造時(shí)安裝有高2.5 m 和2.3 m的擋風(fēng)墻。

圖1 平臺(tái)三維模型

本文重點(diǎn)模擬分析該平臺(tái)中層甲板在新增擋風(fēng)墻前和新增擋風(fēng)墻后的氣體擴(kuò)散過(guò)程。中層甲板主要設(shè)備有燃料氣滌氣罐、燃料氣加熱橇、TEG脫水塔、火炬分液罐、高壓氣壓縮機(jī)橇、中壓氣壓縮機(jī)橇、低壓氣壓縮機(jī)橇、原油緩沖罐、原油加熱器、油/油換熱器、二級(jí)分離器、一級(jí)分離器、低壓凝析油回收泵、中壓凝析油回收泵、凝析油分離器、凝析油冷卻器、中壓氣緩沖罐、高壓一級(jí)凝析油回收泵、高壓二級(jí)凝析油回收泵。中層甲板在新增擋風(fēng)墻前后的三維幾何模型如圖2所示。

圖2 新增擋風(fēng)墻后中層甲板幾何模型

新增擋風(fēng)墻主要包括中層甲板空壓機(jī)和制氮空壓機(jī)增加防風(fēng)罩；增加中甲板西北側(cè)和中/下層甲板東北角的擋風(fēng)墻；中/下甲板北側(cè)吊貨區(qū)安裝可移動(dòng)式擋風(fēng)墻；下甲板生活污水處理橇北側(cè)增加擋風(fēng)墻，西北角處設(shè)置推拉門(mén)；下甲板生活污水處理橇西側(cè)增加擋風(fēng)墻；新增及原有擋風(fēng)墻底部縫隙增加可開(kāi)啟蓋板。

1.2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

確定計(jì)算域?yàn)?60 m×160 m×60 m，約為平臺(tái)尺寸的3 倍。采用分塊網(wǎng)格劃分法劃分網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)目為2 023 275。中層甲板非結(jié)構(gòu)體混合網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 新增擋風(fēng)墻后中層甲板網(wǎng)格模型

1.3 參數(shù)設(shè)置

該區(qū)域生產(chǎn)天然氣相對(duì)密度0.612～0.708，高壓氣體壓縮機(jī)（中型）2.8 kg/s，燃?xì)庀礈炱鳎ㄖ行停?.3 kg/s，天然氣組分見(jiàn)表1。

表1 天然氣組分

風(fēng)速定義為所在海域年平均風(fēng)速6.0 m/s，該平臺(tái)所在海域冬季盛行北風(fēng)，所在海域年平均氣溫為9.5 ℃，最高氣溫為34.0 ℃，最低氣溫為-21.9 ℃。

2 泄漏氣體擴(kuò)散過(guò)程仿真分析

2.1 風(fēng)場(chǎng)計(jì)算

選取全年平均風(fēng)速6.0 m/s為基本風(fēng)況，以北向單向風(fēng)速作為初始條件，計(jì)算平臺(tái)所在區(qū)域風(fēng)場(chǎng)。圖4、圖5分別為新增擋風(fēng)墻前和新增擋風(fēng)墻后中層甲板1 m高平面的風(fēng)速云圖。

圖4 新增擋風(fēng)墻前中層甲板風(fēng)速云圖

圖5 新增擋風(fēng)墻后中層甲板風(fēng)速云圖

受中層甲板區(qū)域擋風(fēng)墻及緊密布置設(shè)備、管線(xiàn)影響，來(lái)風(fēng)風(fēng)速減小，中層甲板區(qū)域風(fēng)速較小，風(fēng)速約0.5～2.2 m/s，部分區(qū)域達(dá)到靜風(fēng)狀態(tài)。由于中層甲板西北側(cè)新增擋風(fēng)墻，以及北側(cè)原有擋風(fēng)墻增高，該區(qū)域風(fēng)速明顯減小，風(fēng)速約0.5 m/s；由于中層甲板東北角新增擋風(fēng)墻，氣流變向，且在東側(cè)往后的一段區(qū)域形成風(fēng)速增大區(qū)，風(fēng)速約6.7～7.5 m/s。在緊鄰設(shè)備的下風(fēng)向區(qū)域形成回旋渦流，風(fēng)速較小，空氣流通效果差，泄漏可燃?xì)庖拙奂??；匦郎u流區(qū)因布置集中、緊湊的設(shè)備結(jié)構(gòu)而形成，設(shè)備布局未改變。

2.2 新增擋風(fēng)墻前后泄漏天然氣擴(kuò)散分析

原油、天然氣和水是生產(chǎn)工藝流程中的主要流動(dòng)介質(zhì)，油氣生產(chǎn)設(shè)備、管道、閥門(mén)、法蘭接口等可能會(huì)因?yàn)楦g、設(shè)施質(zhì)量或施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、管線(xiàn)連接部位松動(dòng)等原因?qū)е掠蜌庑孤?。此外，由于人員操作失誤或操作不當(dāng)也可能造成油氣泄漏。

中層甲板二級(jí)分離器分離出來(lái)的低壓氣經(jīng)入口冷卻器冷卻到40 ℃后，進(jìn)入一級(jí)壓縮機(jī)入口氣滌器分離液滴。低壓氣壓縮機(jī)入口氣滌器分出的氣體由一級(jí)壓縮機(jī)壓縮到800 kPa，經(jīng)出口冷卻器冷卻到40 ℃后，與來(lái)自一級(jí)分離器的中壓氣一起進(jìn)入中壓氣壓縮機(jī)出口冷卻器冷卻到40 ℃后進(jìn)入中壓氣壓縮機(jī)入口氣滌器除去液滴。中壓氣壓縮機(jī)入口氣滌器分出的氣體進(jìn)入二級(jí)壓縮機(jī)增壓至2 000 kPa后，經(jīng)中壓氣壓縮機(jī)出口冷卻器冷卻到40 ℃，與來(lái)自段塞流捕集器的氣相一起進(jìn)入中壓緩沖罐，緩沖罐分出的氣相經(jīng)高壓一級(jí)入口冷卻器冷卻到40 ℃后進(jìn)入高壓一級(jí)壓縮機(jī)入口氣滌器除去液滴。高壓一級(jí)入口氣滌器分出的氣體進(jìn)入到高壓一級(jí)壓縮機(jī)增壓至4 500 kPa后，經(jīng)高壓一級(jí)出口冷卻器冷卻到40 ℃，再進(jìn)入高壓二級(jí)壓縮機(jī)入口氣滌器分離液滴。高壓二級(jí)入口氣滌器分出的氣體進(jìn)入到高壓二級(jí)壓縮機(jī)增壓至7 400 kPa后，經(jīng)高壓二級(jí)出口冷卻器冷卻到40 ℃，再進(jìn)入高壓氣出口洗滌器，其中，從高壓氣出口氣滌器出來(lái)的氣體部分用于氣舉氣，部分進(jìn)入TEG脫水系統(tǒng)。

針對(duì)該平臺(tái)的工藝條件、實(shí)際運(yùn)行環(huán)境條件，以及泄漏場(chǎng)景的合理分布，選取高壓氣體壓縮機(jī)中型泄漏（泄漏孔徑25 mm），泄漏初始速率2.8 kg/s，泄漏持續(xù)時(shí)間10 min。高壓氣體壓縮機(jī)進(jìn)口/出口操作壓力為1.4/7.5 MPa，操作溫度為60/35 ℃。

泄漏氣體在風(fēng)速6.0 m/s、北向來(lái)風(fēng)條件下擴(kuò)散，將天然氣1%濃度等值面定義為氣體的空間范圍。圖6、圖7分別為新增擋風(fēng)墻前、后天然氣擴(kuò)散范圍。

圖6 新增擋風(fēng)墻前天然氣擴(kuò)散范圍

圖7 新增擋風(fēng)墻后天然氣擴(kuò)散范圍

新增擋風(fēng)墻前后，天然氣泄漏開(kāi)始后迅速向中層甲板南側(cè)和上部擴(kuò)散，覆蓋面積和空間體積均在短時(shí)內(nèi)迅速增大（表2）。中層甲板風(fēng)場(chǎng)在新增擋風(fēng)墻前相比新增擋風(fēng)墻后對(duì)泄漏天然氣影響較大，來(lái)風(fēng)稀釋泄漏的天然氣，相同時(shí)間內(nèi)，新增擋風(fēng)墻后泄漏天然氣的覆蓋面積和空間體積均較大。新增擋風(fēng)墻前，180 s氣云趨于穩(wěn)定，新增擋風(fēng)墻后，40 s氣云趨于穩(wěn)定，300 s后其分布范圍穩(wěn)定。由于新增擋風(fēng)墻的阻擋作用，新增擋風(fēng)墻部位風(fēng)速明顯減小，所以新增擋風(fēng)墻后氣云在40 s就逐漸穩(wěn)定，比新增擋風(fēng)墻前更易穩(wěn)定，不利于可燃?xì)怏w擴(kuò)散。穩(wěn)定狀態(tài)下，新增擋風(fēng)墻前后可燃?xì)庠聘采w面積相差不大。

表2 新增擋風(fēng)墻前后中層甲板天然氣擴(kuò)散對(duì)比

通過(guò)CFD 仿真計(jì)算分析，可直觀呈現(xiàn)兩種工況下平臺(tái)甲板風(fēng)場(chǎng)分布、泄漏氣體的擴(kuò)散過(guò)程、各區(qū)域在各時(shí)間點(diǎn)的泄漏氣體分布及穩(wěn)定狀態(tài)下可燃?xì)怏w積聚形態(tài)，可定量評(píng)價(jià)新增擋風(fēng)墻對(duì)平臺(tái)安全風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估新增擋風(fēng)墻的合理性。

2.3 新增擋風(fēng)墻前后泄漏天然氣消散對(duì)比

模擬泄漏停止后，在6.0 m/s 風(fēng)速、北向來(lái)風(fēng)條件下，大氣中泄漏的天然氣被稀釋到1%濃度的過(guò)程。圖8、圖9 分別為新增擋風(fēng)墻前、后泄漏天然氣的消散過(guò)程。

圖8 新增擋風(fēng)墻前泄漏天然氣的消散過(guò)程

圖9 新增擋風(fēng)墻后泄漏天然氣的消散過(guò)程

中層甲板在天然氣泄漏停止后，風(fēng)場(chǎng)作用下，積聚的天然氣迅速消散。新增擋風(fēng)墻前，15 s 左右天然氣覆蓋面積已消散至初始時(shí)刻的50%，35 s 時(shí)刻天然氣已完全消散。新增擋風(fēng)墻后，天然氣消散過(guò)程較慢，15 s 左右覆蓋面積為初始時(shí)刻的60%，32 s時(shí)刻完全消散?？傮w看，新增擋風(fēng)墻前后天然氣完全消散所需時(shí)間相差不大，新增擋風(fēng)墻對(duì)泄漏天然氣消散過(guò)程的影響不大。

通過(guò)CFD仿真計(jì)算分析，可直觀呈現(xiàn)可燃?xì)庠圃诟鲄^(qū)域各時(shí)間點(diǎn)的分布形態(tài)及分布量，至最終消散的過(guò)程，定量評(píng)價(jià)新增擋風(fēng)墻對(duì)可燃?xì)庠葡⑦^(guò)程的影響，評(píng)估新增擋風(fēng)墻的安全合理性。

3 結(jié)論

1）新增擋風(fēng)墻后風(fēng)速減小，但平臺(tái)內(nèi)部氣流方向和回旋氣流的分布基本無(wú)變化。

2）中層甲板在新增擋風(fēng)墻后氣體擴(kuò)散覆蓋面積略微增大，可燃?xì)怏w空間體積略微減小。

3）中層甲板在天然氣泄漏停止后，新增擋風(fēng)墻前和新增擋風(fēng)墻后天然氣完全消散所需時(shí)間均為32s，新增擋風(fēng)墻對(duì)泄漏天然氣消散過(guò)程的影響不大。