萬志強,李佳冀,王文婷,惲秋琴
(1.江西洪都航空工業(yè)集團有限責(zé)任公司,江西 南昌 330001;2.中國船舶集團有限公司 第七〇三研究所,黑龍江 哈爾濱 150078;3.中國船舶集團有限公司 第七〇二研究所 上海分部,上海 200011)
浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,F(xiàn)PSO)主要用于海上石油、天然氣等能源的開采、加工、儲存、外運,是海洋油氣開發(fā)的主流設(shè)施,由于油氣生產(chǎn)處理中存在著大量危險物質(zhì),諸如原油、天然氣等,一旦出現(xiàn)泄漏將會引發(fā)十分嚴重的后果,造成人員生命、財產(chǎn)安全的巨大損失以及周圍環(huán)境的污染和破壞。
國外針對氣體泄漏擴散問題開展一些試驗和理論研究,探究泄漏方向、氣體密度、泄漏孔徑、液體蒸發(fā)率等泄漏特征以及特定環(huán)境條件對氣體泄漏擴散后果的影響。DAN等[1]應(yīng)用PHAST軟件針對液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)-FPSO上部模塊油氣泄漏引起的火災(zāi)爆炸風(fēng)險進行定量分析,研究5種危險工況下的風(fēng)險后果。JIN等[2]提出一種累積風(fēng)險頻率的概念用來計算火災(zāi)作用下的設(shè)備失效概率,提出改進的確定泄漏位置和泄漏概率的計算方法。
國內(nèi)針對FPSO系統(tǒng)的風(fēng)險分析起步較晚,專門針對FPSO上部模塊油氣泄漏擴散的風(fēng)險研究則更少。
一些學(xué)者[3-6]總結(jié)近年來國內(nèi)外風(fēng)險評估理論體系方法和浮式鉆井生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Drilling Production Storage and Offloading,F(xiàn)DPSO)油氣泄漏擴散、火災(zāi)爆炸機理等研究成果,分別采用Fluent、FDS等軟件模擬FDPSO甲板上部區(qū)域發(fā)生天然氣泄漏擴散、危險設(shè)備發(fā)生火災(zāi)爆炸的情況。
鑒于國內(nèi)FPSO的大規(guī)模工程應(yīng)用現(xiàn)狀,探究上部模塊油氣泄漏擴散風(fēng)險起因及風(fēng)險后果對于提高FPSO作業(yè)的安全性很有意義。本文針對FPSO上部模塊設(shè)備進行油氣泄漏擴散風(fēng)險辨識,確定可能產(chǎn)生風(fēng)險的設(shè)備。模擬分析風(fēng)險設(shè)備在恒定和變化泄漏質(zhì)量速率、不同風(fēng)向和風(fēng)速條件下氣體擴散后果,總結(jié)其對設(shè)備氣體泄漏后果的影響程度,并對降低上部模塊油氣泄漏風(fēng)險提出建議,可供模塊設(shè)備布置安裝時參考。
采用模糊綜合評價法對FPSO上部模塊進行分析,探究上部模塊風(fēng)險特征及各子系統(tǒng)對整體油氣泄漏擴散風(fēng)險的影響大小。模糊綜合評判是考慮多個因素的影響,利用模糊變換對事物進行綜合決策的方法[7]。該方法能針對受到多種因素制約的風(fēng)險事件進行總體評價,較好地解決模糊的、風(fēng)險難以量化的問題。再通過格雷厄姆(LEC)評價表(其中L(likelihood)為事故發(fā)生的可能性、E(exposure)為人員暴露于危險環(huán)境中的頻繁程度、C(criticality)為一旦發(fā)生事故可能造成的后果)計算設(shè)備危險等級分數(shù)D,得到其危險性大小。LEC評價法是一種半定量評價方法,該方法采用與系統(tǒng)風(fēng)險有關(guān)的3種因素指標的乘積判斷系統(tǒng)風(fēng)險大小[8],即D=L×E×C。用上述方法對我國某FPSO各設(shè)備評價結(jié)果如表1所示。
表1 LEC評價方法結(jié)果
由表1可知,F(xiàn)PSO上部模塊原油處理系統(tǒng)(包括一、二級分離器撬塊等)、火炬系統(tǒng)和燃油燃氣系統(tǒng)(包括燃料氣冷卻撬、燃料油循環(huán)撬等)均具有不同程度的危險性,對FPSO上部模塊油氣泄漏擴散風(fēng)險影響均較大。一、二級分離器撬塊對FPSO上部模塊油氣泄漏擴散的風(fēng)險影響最大,因此需要重點關(guān)注其引起的風(fēng)險情況,即一、二級分離器撬塊應(yīng)為風(fēng)險分析中的關(guān)鍵設(shè)備。
為探究FPSO上部模塊油氣泄漏擴散后果,需要優(yōu)先確定泄漏、擴散模型。根據(jù)泄漏模型進行FPSO上部模塊設(shè)備泄漏問題求解,參照擴散模型進行后果模擬。據(jù)參考文獻[9]中的海上作業(yè)烴類泄漏事件統(tǒng)計數(shù)據(jù),可燃氣體泄漏事件占所有泄漏事件的56%,其次為原油泄漏和非工藝泄漏,分別占16%和11%。假定在設(shè)備泄漏過程中環(huán)境溫度恒定不變,設(shè)備泄漏的瞬間泄漏質(zhì)量速率可由初始的設(shè)備內(nèi)壓力計算獲得。在泄漏過程中,泄漏量隨時間增加,設(shè)備內(nèi)部壓力不斷減小,引起泄漏質(zhì)量速率隨時間不斷減小,同時泄漏質(zhì)量速率的變化又會對泄漏量產(chǎn)生影響;各參數(shù)之間相互影響,直至泄漏在某一特定的條件下停止。
參照美國石油協(xié)會標準(API RP 579)選定3個代表性泄漏孔徑:20 mm、40 mm、60 mm,對應(yīng)小孔泄漏、中孔泄漏和大孔泄漏。根據(jù)改進氣體儲罐泄漏模型[10],參考設(shè)備的實際運行參數(shù)(包括設(shè)備內(nèi)壓以及容積大小、尺寸規(guī)格等),編制計算得到各泄漏孔徑下,一、二級分離器泄漏質(zhì)量速率變化規(guī)律如圖1所示。由圖1可知,泄漏孔徑不同,泄漏質(zhì)量速率大小和變化范圍差異較大:對于60 mm孔徑,初始泄漏質(zhì)量速率值最大但其泄漏時長最短;對于20 mm孔徑,泄漏質(zhì)量速率的變化規(guī)律正好相反;40 mm孔徑則表現(xiàn)出平均程度的變化特征。
圖1 不同泄漏孔徑下泄漏質(zhì)量速率隨時間變化曲線
針對FPSO上部模塊進行泄漏擴散后果模擬,探究恒定及變化泄漏質(zhì)量速率條件下氣體擴散后果的影響及作用機理。
工程模型和計算流體動力學(xué)模型是目前主要應(yīng)用的氣體擴散模型。選用ANSYS Fluent 軟件,采用標準k-ε模型進行泄漏擴散模擬,該模型是半經(jīng)驗性的公式,適用范圍較廣、精度合理[11]。以我國某FPSO為對象,建立FPSO三維模型,計算域設(shè)定為FPSO船體尺寸的倍數(shù),長×寬×高大小為500 m×200 m×100 m。
天然氣泄漏擴散主要發(fā)生在上部模塊區(qū)域內(nèi),尤其是設(shè)備、設(shè)施附近,利用密度盒屬性,將特定區(qū)域的網(wǎng)格細化以獲得較好的結(jié)果形式。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性檢驗,確定FPSO模型網(wǎng)格細化結(jié)果如圖2所示。
圖2 FPSO模型密度盒細化網(wǎng)格區(qū)域
模型計算域頂部邊界的流體變量梯度較小,通常視為零,因此對其采用對稱邊界條件;計算域底部為海平面,這里忽略波浪引起的參數(shù)變化,單純地將其視為無滑移的壁面邊界條件;來風(fēng)面設(shè)定為速度入口邊界條件,泄漏孔為質(zhì)量流速邊界條件[8]。以往在考慮環(huán)境風(fēng)參數(shù)條件時,將風(fēng)速設(shè)定為常數(shù),忽略了風(fēng)速在不同高度上的變化。參照風(fēng)廓線方程,海平面各高度風(fēng)速的變化滿足指數(shù)函數(shù)的形式特征[12]。引入Fluent-UDF對環(huán)境風(fēng)速和隨時間變化的質(zhì)量泄漏速率進行模擬,對比分析恒定及變化泄漏速率的不同影響。
天然氣主要成分為甲烷,約占80%,其次為乙烷、丙烷、丁烷,占10%~20%,還有少量非烴氣體及惰性氣體等。為簡化計算,將甲烷作為主要研究對象,研究天然氣泄漏擴散變換特性和運動分布特征。
3.2.1 恒定泄漏質(zhì)量速率下天然氣擴散模擬及分析
以二級分離器為例,研究泄漏天然氣的擴散危險特性及因素影響機制。為便于分析引入反應(yīng)時間的概念,反應(yīng)時間視為在泄漏發(fā)生后,關(guān)斷、隔離等安全措施起效所需的時間,從零秒至幾分鐘不等。反應(yīng)時間代表了人員或設(shè)備自身對于天然氣泄漏的應(yīng)急反應(yīng)能力,不同反應(yīng)時間會導(dǎo)致不同的泄漏擴散后果,引起不同程度的危險。
(1)基本假設(shè)與參數(shù)設(shè)置
① 基本假設(shè):在泄漏過程中,孔口泄漏面積不發(fā)生改變,泄漏速率保持恒定;泄漏氣體為不可壓縮理想氣體,氣體成分為甲烷,在泄漏過程中不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng);空氣由氧氣和氮氣兩種物質(zhì)組成,氧氣質(zhì)量分數(shù)為0.23。
② 湍流控制方程:湍流控制方程選取標準k-ε模型。
③邊界條件:泄漏孔處邊界條件設(shè)置為質(zhì)量速率入口,甲烷質(zhì)量分數(shù)為1.00。
④ 求解器:求解時的時間項選取非穩(wěn)態(tài),采用壓力基SIMPLE算法。
⑤ 初始化:初始化時設(shè)置全局變量初始化,氧氣質(zhì)量分數(shù)為0.23。
(2)模型驗證
圖3(a)為模擬的二級分離器發(fā)生天然氣泄漏,擴散穩(wěn)定后甲烷質(zhì)量分數(shù)為0.05的等值面圖;圖3(b)為文獻[6]某FPSO在相同風(fēng)速、泄漏位置、泄漏質(zhì)量速率等條件下的原油處理設(shè)備發(fā)生質(zhì)量分數(shù)為0.05的甲烷泄漏等值面圖。對比發(fā)現(xiàn),二者氣體擴散趨勢、范圍相近,只是受船體尺度和設(shè)備布置等因素影響,結(jié)果存在稍許差異。因此,可認為設(shè)定的泄漏模擬參數(shù)符合實際情況。
圖3 甲烷質(zhì)量分數(shù)為0.05等值面圖
(3)數(shù)值模擬結(jié)果及分析
探究在恒定泄漏質(zhì)量速率條件下二級分離器的天然氣擴散后果。模擬條件:船首來風(fēng)特征風(fēng)速為4.5 m/s,中等泄漏孔徑(40 mm),泄漏口方向為順風(fēng)向。天然氣泄漏擴散過程如圖4所示。
圖4 恒定泄漏質(zhì)量速率條件下泄漏氣體擴散過程圖
在泄漏初期,隨著泄漏量的增加,泄漏影響范圍持續(xù)擴大。由于泄漏口的障礙物遮擋效果明顯,整體泄漏氣體的擴散范圍受到限制。同時,風(fēng)場對擴散結(jié)果也產(chǎn)生了一定的影響:橫風(fēng)向的天然氣擴散受到明顯影響,其擴散范圍隨時間發(fā)生了較大的變化;順風(fēng)向風(fēng)場作用甚微,由于泄漏速率較大,天然氣影響范圍由泄漏速率主導(dǎo)。在泄漏質(zhì)量速率恒定條件下,特征濃度天然氣擴散范圍于60 s時達到近似穩(wěn)定狀態(tài)。
3.2.2 變化泄漏質(zhì)量速率下天然氣擴散模擬及分析
(1)基本假設(shè)與參數(shù)設(shè)置
模型的基本假設(shè)和參數(shù)設(shè)置與第3.2.1節(jié)基本相同,僅氣體泄漏以變化質(zhì)量速率進行,質(zhì)量速率變化規(guī)律滿足中孔泄漏條件。定義泄漏最終以較小泄漏質(zhì)量速率達到穩(wěn)定狀態(tài),泄漏質(zhì)量速率將不會隨時間減小至零。
(2)數(shù)值模擬結(jié)果及分析
模擬條件與恒定泄漏質(zhì)量速率相同,船首來風(fēng)特征風(fēng)速為4.5 m/s,中等泄漏孔徑(40 mm),泄漏口方向為順風(fēng)向。天然氣泄漏擴散過程如圖5所示。
圖5 變化泄漏質(zhì)量速率條件下泄漏氣體擴散過程圖
在泄漏初期,天然氣射流速率大,氣體沿各方向擴散能力相近,順風(fēng)向及橫風(fēng)向擴散迅速。當設(shè)備阻礙作用顯現(xiàn)后,泄漏氣體無法在順風(fēng)向獲得更好的擴散形式,轉(zhuǎn)而向橫風(fēng)向和逆風(fēng)向發(fā)展。由此得知,泄漏速率和設(shè)備布置方式會對擴散結(jié)果產(chǎn)生較大影響。由于泄漏持續(xù)進行,氣體射流速率不斷減小,泄漏質(zhì)量速率減小,泄漏量降低,擴散氣體的影響范圍隨之減小。不同于恒定泄漏質(zhì)量速率下的情況,泄漏量減少使得危險氣體的點燃概率相應(yīng)減小,泄漏連鎖反應(yīng)如火災(zāi)、爆炸等的風(fēng)險會有所下降,泄漏風(fēng)險在160 s后降至最低。
3.2.3 風(fēng)向及風(fēng)速對氣體擴散結(jié)果的影響
(1)風(fēng)向?qū)π孤怏w擴散結(jié)果的影響
在研究風(fēng)向?qū)U散結(jié)果影響時發(fā)現(xiàn),相對封閉的空間環(huán)境造成上部模塊風(fēng)場形式混亂,風(fēng)向變化特征十分復(fù)雜,其對天然氣擴散結(jié)果影響較大。
以特征風(fēng)速為4.5 m/s、中等泄漏孔徑大小(40 mm)的泄漏對比各來風(fēng)方向(船首來風(fēng)、船尾來風(fēng)、舷側(cè)來風(fēng))下,泄漏天然氣擴散運動規(guī)律。
當船首來風(fēng)時,泄漏氣體較為均衡地分布于生產(chǎn)甲板上,由于泄漏速率作用較強,泄漏的天然氣擴散方式受到某種限制,氣體云團沿船寬擴散效果優(yōu)于船長方向;當舷側(cè)來風(fēng)時,天然氣影響范圍呈現(xiàn)不同形式的偏移;當船尾來風(fēng)時,由于生活樓阻擋作用明顯,泄漏氣體近似于在無風(fēng)條件下的擴散,隨著泄漏量穩(wěn)定增加,擴散范圍及氣體云團大小與其他情況差別愈發(fā)明顯。在60 s左右,各風(fēng)向天然氣泄漏量達到極值狀態(tài)。
在各風(fēng)向條件下,泄漏氣體云團影響面積及體積如表2所示。由表2可知:在兩舷來風(fēng)條件下,主要生產(chǎn)區(qū)域暴露在風(fēng)場作用下,天然氣擴散快,泄漏氣體影響范圍最大,危險性高;其次為船尾來風(fēng),船首來風(fēng)最小。影響范圍大小代表了泄漏氣體的擴散情況:風(fēng)場作用愈明顯,湍流流動愈劇烈,相對地氣體擴散愈快,氣體影響范圍受到影響也越大。
表2 60 s時泄漏氣體影響范圍面積及體積
(2)風(fēng)速對泄漏氣體擴散結(jié)果的影響
研究發(fā)現(xiàn),相對封閉的空間環(huán)境造成上部模塊風(fēng)場形式混亂,風(fēng)速大小對天然氣擴散結(jié)果影響較大。以船首來風(fēng)、中等泄漏孔徑大小(40 mm)的泄漏為基本條件,對比3個風(fēng)速條件下泄漏氣體的擴散特征。不同風(fēng)速下泄漏氣體的面積與體積如圖6所示。
圖6 不同風(fēng)速下泄漏氣體的面積與體積
在泄漏伊始,泄漏量增加速度快于擴散速度,泄漏面積、體積持續(xù)增加;隨著泄漏的進行,風(fēng)場作用逐漸增強,同時泄漏質(zhì)量速率減小,對應(yīng)面積、體積減小。當泄漏進行至某一時刻,泄漏速率作用微弱,風(fēng)場主導(dǎo)了天然氣的運動,泄漏氣體影響范圍至平衡狀態(tài)。在10.0 m/s風(fēng)速條件下,由于風(fēng)場作用加劇,泄漏氣體擴散運動更加混亂,影響了該體積、面積隨時間的變化。對比發(fā)現(xiàn):風(fēng)速較小者對應(yīng)數(shù)值較小,風(fēng)速最大者該數(shù)值卻并非最大。風(fēng)速的增加并不意味著泄漏量的增大,風(fēng)速大小與泄漏質(zhì)量速率、設(shè)備布置形式等因素一起決定了對FPSO上部模塊氣體泄漏擴散結(jié)果的影響程度。
以FPSO工藝模塊設(shè)備為研究對象,探究上部模塊油氣泄漏擴散風(fēng)險后果、影響因素及作用機理,得出結(jié)論如下:
(1)在恒定泄漏質(zhì)量速率下,天然氣擴散范圍在60 s時達到穩(wěn)定。
(2)在變化泄漏質(zhì)量速率下,天然氣擴散經(jīng)歷穩(wěn)定發(fā)展與快速變化階段:在反應(yīng)時間內(nèi)泄漏以恒定速率進行,天然氣擴散影響范圍穩(wěn)定增加;在反應(yīng)時間結(jié)束后,泄漏質(zhì)量速率快速減小,其影響范圍減小并后移。
(3)反應(yīng)時間會影響泄漏質(zhì)量速率的變化特征。泄漏質(zhì)量速率決定泄漏量大小:泄漏孔徑小,泄漏質(zhì)量速率小而泄漏時間長;孔徑大則剛好相反。
(4)風(fēng)向及上部模塊設(shè)備布置對生產(chǎn)甲板及工作平面湍流/風(fēng)速度場影響較大,在船側(cè)來風(fēng)條件下,湍流運動劇烈,風(fēng)速矢量變化快,對天然氣泄漏擴散結(jié)果影響最大。
(5)提升生產(chǎn)甲板高度或降低油氣處理設(shè)備集中度可降低上部模塊天然氣泄漏擴散的風(fēng)險。