海上平台采油树火灾后果数值模拟研究.pdf

?、?事故分析与预防2023 年第 23 卷第 4 期编辑 宋书峰DOI:10.3969/j.issn.1672-7932.2023.04.005SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT28 海上平台采油树火灾后果数值模拟研究王红红1,王浩东2,3,周 伟1,曹 杨1(1.中海油研究总院有限责任公司,北京 1000282.中国石油大学(北京),北京 1022493.应急管理部油气生产安全与应急技术重点实验室,北京 102249)收稿日期:2023-02-14第一作者简介:王红红,高级工程师,1992 年毕业于北京化工学院检测技术及仪器专业,现主要从事安全评价和安全分析等技术工作。通讯作者简介:曹杨,高级工程师,2019 年博士毕业于北京科技大学安全科学与工程专业,现主要从事海洋石油安全风险评估与应急管理方面的研究工作。基 金 项 目:中 国 博 士 后 科 学 基 金 资 助(2020M670603),关键泄漏扩散条件下海上平台设施可燃气云团时空演变规律研究。摘 要:采油树火灾是海上平台最为严重的火灾事故类型之一,以某海上平台采油树为研究对象,针对采油树原油泄漏引发的火灾事故,采用Pyrosim 软件建立海上平台情境下的池火灾模型,研究了邻近支撑、采油树及周边设备的温度、热辐射通量等参数的时空变化特征,根据温度、热辐射通量伤害准则,确定出邻近火灾的设备设施损坏程度。研究结果表明:部分主支撑的热辐射通量超过了 37.5 kW/m2,部分斜支撑的表面温度超过了550,热辐射通量超过了37.5 kW/m2;在井口区的 15 个采油树中,8 个采油树的热辐射通量超过了 37.5 kW/m2;三甘醇再生撬、井口控制盘、火炬分液罐、生产测试管汇的热辐射通量超过了37.5 kW/m2。结合研究结果,为火焰探头的布置和灾后邻近设备设施的强度校核提供依据。关键词:海上平台;采油树;火灾;高温;热辐射中图分类号:TG178 文献标识码:A文章编号:1672-7932(2023)04-028-100 前 言采油树火灾事故是海上平台最为严重的火灾事故类型之一,其后果能够造成人员伤亡、设备设施破坏以及环境污染。开展采油树火灾产生的高温、热辐射等后果产物研究,掌握其时空变化特征及影响规律,对海上平台火灾防控与后果评估具有重要意义1-4。目前,很多学者在海上平台火灾相关方面开展了较多的研究:梁瑞,等5采用 ANSYS FLUENT软件开展某海洋平台池火灾环境下的温度场模拟,考虑海洋环境风速及挡风墙的影响,得到了池火灾的发展趋势和平台温度场的空气温度分布情况;王强,等6利用 FDS 软件建立数值模型,结合某海洋平台实际工作情况,确定了平台发生火灾事故后烟气、温度随时间的扩散情况,建立了人员疏散的数学模型;谭珮琮,等7采用 KFX 软件进行数值模拟分析,以某海上平台立管在飞溅区发生的喷射火为模型,根据相关行业及破坏准则,研究了不同工况下泄漏喷射火对海上平台救逃生路线、结构等的影响;刘博,等8基于 PHAST 软件建立了天然气泄漏喷射火模型,研究了海洋平台三相分离器腐蚀泄漏后发生火灾对周围人员和设备造成的严重损害;王红红9运用 KFX 软件开展数值模拟,以海上平台原油发电机火灾事故为模型,研究了高温、热辐射对周围设备设施的影响。综上,目前针对海上平台采油树地火灾后果影响方面研究较少。2023 年第 23 卷第 4 期事故分析与预防 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT29 鉴于此,本文运用 Pyrosim 软件建立了海上平台火灾模型中的池火灾模型,以采油树泄漏火灾为事故模型开展数值模拟分析,探究邻近火灾的采油树、支撑及设备的温度、热辐射的时空变化特征,以期为火灾的后果评估、火灾探头的布置和设备的强度校核提供参考。1 火灾事故场景本文以某海上平台为例,井口区共设有 15 个采油树,选取井口区最外侧 4 个采油树(A1、A5、A11、A15)及邻近的 4 个主支撑、8 个斜支撑和 7 个设备进行分析研究,主要设备为三甘醇再生撬、三甘醇再生撬附属装置、井口控制盘、火炬分液罐和生产测试管汇,如图 1 所示。图中 A1A15 为采油树;Z1Z4为主支撑;X1X8 为斜支撑;S1、S2 为三甘醇再生撬附属装置;S3、S4 为三甘醇再生撬;S5 为井口控制盘;S6 为火炬分液罐;S7 为生产测试管汇。图 1 井口区及邻近物平面 以某海上平台采油树发生油气泄漏为场景,采油树 A13 泄漏出的油气汇聚到邻近采油树 A8,泄漏油气遇点火源,发生火灾事故,点火源位置如图 2 所示。图 2 下层甲板几何模型2 火灾数值模拟2.1 几何建模本文采用 Pyrosim 软件对海上平台下层甲板进行几何建模并进行网格的划分,如图 2 所示。2.2 火灾模型设置环境主风向为东北风,风速为 5.0 m/s,海上平台所处的环境温度为 20.0,采油树泄漏发生火灾,可近似按照池火模型进行模拟。池火面积为 1.9 1.3 m2,液池深度为 0.1 m。泄漏的原油组分主要为 C6和 C7,密度为 0.863103kg/m3,火灾模拟时长设置为 300 s。2.3 火灾数值模拟理论基础火灾模拟过程中遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律,分别如式(1)(3)所示。t+u=0(1)ut+u()u+p=g+f+(2)h()t+hu=DpDt-kT+hlDlYl(3)式中:密度,kg/m3;t 时间,s;u 速度分量,m/s;p 压力,Pa;g 重力矢量,m/s2;f 施加在流体上的外力,N;粘性应力张量,Pa;h 总焓,J/kg;T 温度,K;Dp/Dt 压力随时间的变化率,Pa/s;hl 组分 l 的焓;k 热导率,W/(mk);Dl 组分 l 的扩散系数,m2/s;Yl 组分 l 的质量浓度,kg/m3。热辐射计算采用的传输方程如式(4)所示:sIx,s()=-K(x,)+s(x,)I(x,s)+B(x,)+s(x,)44(s,s)I(x,s)d(4)式中:I(x,s)波长 的辐射强度,W/sr;s 辐射强度的方向矢量,W/sr;K(x,)局部吸收系数,m-1;王红红,等.海上平台采油树火灾后果数值模拟研究?、?事故分析与预防2023 年第 23 卷第 4 期 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT30 s(x,)散射系数,m-1;B(x,)散射源;(s,s)为 s 方向上的辐射能,W。方程右边为来自其他方向的向内辐射。2.4 泄漏理论模型采油树原油的泄漏速率与泄漏孔径、孔口形状、环境压力等因素有关。根据 DNV Z-01311可知,海上平台设备设施以中小型泄漏为常见10,泄漏速率的计算如公式(5)所示:Qm=CdA2(P-P0)+2gh(5)式中:Qm 采油树原油的泄漏速率,kg/s;Cd 原油泄漏系数,取 0.55;A 泄漏面积,m2,取泄漏口为长 0.01 m,宽 0.005 m 的长方形;原油密度,kg/m3,取0.863103kg/m3;P 采油树内压力,Pa,取 4.5106Pa;P0 环境压力,Pa,取 1.01105Pa;g 重力加速度,取 9.81 m/s2;h 泄漏处上液位高度,m,取 0。将各参数的取值代入式(5)中可得:Qm=2.39 kg/s。3 模拟结果分析3.1 温度对邻近设备设施的影响分析3.1.1 主支撑的温度变化特征本次火灾模拟中,研究了采油树火灾邻近的主支撑 Z1 Z4,其温度随时间的变化曲线如图 3所示。图 3 主支撑表面温度变化特征 图 3 表示主支撑在整个过程中温度随时间的变化,由于前 50 s 的变化趋势与整个过程的变化趋势基本相同,因此用前 50 s 的曲线图来代表整个过程的温度变化特征,以便于观察。主支撑表面的温度呈现出上下波动特征,由于各个主支撑与火灾的位置和距离不同,因此,主支撑表面的温度变化特征均不同。在 2.7 s 时刻,主支撑 Z1 的温度开始上升,至3.6 s 时刻,温度达到第一个峰值 68.2,之后温度上下波动,出现多个温度峰值,其中在 232 s 时刻,温度峰值达到最大值 819,整个过程的平均温度为 65.3。在 9.0 s 时刻,主支撑 Z2 的温度开始上升,至 9.3 s 时刻,温度达到第一个峰值 144,之后温度继续上下波动,出现多个温度峰值,其中在 213 s 时刻,温度峰值达到最大值 612,整个过程的平均温度为 101。主支撑 Z3 的温2023 年第 23 卷第 4 期事故分析与预防 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT31 度变化幅度很小,整体平均温度为 20.6,基本无变化。在 11.7 s 时刻,主支撑 Z4 的温度开始快速上升,至 13.2 s 时刻,温度达到第一个峰值 74.5,随后温度快速下降至 37.5,之后温度上下波动,出现多个温度峰值,在 161 s 时刻,温度峰值达到最大值 78.3,整个过程的平均温度为 34.9。3.1.2 斜支撑的温度变化特征本次火灾模拟中,研究了采油树火灾邻近的斜支撑 X1 X8,其温度随时间的变化曲线如图 4所示。图 4 斜支撑表面温度变化特征 由图 4 可观察到,在邻近火灾的 8 个斜支撑中,斜支撑 X1、X2 的温度变化幅度较大,而其他 6个斜支撑的温度变化很小,斜支撑表面的温度呈现出上下波动特征。在 3 s 时刻,斜支撑 X1 的温度开始升高,至3.9 s 时刻达到第一个峰值 605,之后温度上下波动,相继出现多个温度峰值,在 95.7 s 时刻,温度峰值达到最大值 1 280,整个过程的平均温度为 671。在 8.1 s 时刻,斜支撑 X2 的温度开始大幅度上升,至 9.3 s 时刻,达到第一个峰值1 023,此后温度上下波动,相继达到多个温度峰值,整个过程的平均温度为 696。整个过程中,斜支撑 X3X8 的温度均不超过 550。可见,斜支撑 X1、X2 的温度超过了 550,且持续了一段时间,说明火灾对斜支撑 X1、X2 的强度和变形恢复已经构成了威胁,后续需对其进行强度校核,进一步判断其是否需要更换。3.1.3 采油树的温度变化特征本次火灾模拟中,选取最外侧 4 个采油树 A1、A5、A11、A15,来代表井口区整体采油树的温度变化特征,根据模拟结果,绘制其温度随时间的变化曲线,如图 5 所示。由图 5 可以看出,在 4 个采油树中,采油树A11 的温度长时间处于 550 以上,采油树 A1 的个别峰值温度超过 550。整个过程中,采油树A5、A15 的温度均不超过 60。可见,火灾对采油树 A1、A11 的强度和变形恢复已经构成了威胁,对于采油树 A5、A15 不构成强度和变形恢复的威胁。取时间为 50 s、高度为 0.5 m 处的温度分布图,如图 6 所示,在第 50 s 时,在井口区 15 个采油树中,8 个采油树温度超过了 550,即火灾对A1、A2、A6、A7、A8、A11、A12、A13 均已构成了强度和变形恢复的威胁。王红红,等.海上平台采油树火灾后果数值模拟研究?、?事故分析与预防2023 年第 23 卷第 4 期 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT32 图 5 采油树温度变化特征图 6 时间为 50 s,高 0.5 m 处井口区温度分布3.1.4 邻近设备的温度变化特征本次火灾模拟中,研究了采油树火灾邻近的设备 S1S7 的温度变化特征,其温度随时间的变化曲线如图 7 所示。由图7 所示,在邻近火灾的设备中,设备 S5、S6的温度曲线大幅度上下波动,最高温度分别可达1 434.7,1 423.1。经计算可得,整个过程中,设备S5、S6 超过550 的持续时间分别为 102,98 s,而其他设备的温度变化幅度较小,均未超过550。图 7 邻近设备的温度变化特征 可见,在采油树邻近的所有设备中,该火灾对设备 S5、S6 的强度和变形恢复构成了威胁,而设2023 年第 23 卷第 4 期事故分析与预防 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT33 备 S1、S