浮式生產(chǎn)系統(tǒng)泄漏天然氣擴(kuò)散行為預(yù)測與分析

隨著海洋油氣勘探逐步發(fā)展，油田的勘探越來越受到限制。液體浮式生產(chǎn)系統(tǒng)（floatian生產(chǎn)andremotecontrolsystem，簡稱kmo）在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢方面取得了迅速發(fā)展。截至2013年4月,中國海洋石油總公司(CNOOC)共使用超過18艘FPSO用于渤海和南海油氣開發(fā),支持著中國海上油田約70%的石油產(chǎn)能,累計生產(chǎn)原油逾2×10根據(jù)1994—2008年間英國海域135艘FPSO作業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)國內(nèi)外學(xué)者在氣體擴(kuò)散行為研究方面主要采用的是計算流體動力學(xué)(ComputationalFIuidDynamics,CFD)方法。MohammadDadashzadeh等鑒于國內(nèi)外在FPSO油氣泄漏風(fēng)險方面的研究還相對匱乏,本文針對FPSO關(guān)鍵系統(tǒng)可能發(fā)生的可燃?xì)怏w泄漏事故進(jìn)行CFD仿真模擬研究,探索風(fēng)向、風(fēng)速和泄漏速率等關(guān)鍵因素對天然氣擴(kuò)散行為的影響規(guī)律,預(yù)測天然氣危險區(qū)域的空間范圍和分布規(guī)律。此研究作為油氣火災(zāi)/爆炸風(fēng)險研究的基礎(chǔ),對于合理劃分FPSO上部模塊危險區(qū)、逃生路線設(shè)計及火氣監(jiān)控設(shè)備優(yōu)化布局等具有重要的工程指導(dǎo)意義。1混合氣體密度模型氣體射流、擴(kuò)散過程必須遵守3個基本的物理學(xué)原理,即連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程,其數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為式中:ρ為混合氣體密度,kg/m對于多組分混合氣體,還需遵守組分質(zhì)量守恒方程,數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中:Y氣體泄漏、擴(kuò)散過程屬于復(fù)雜的非定常湍流行為。研究表明Realizableκ-ε模型更適用于處理障礙物對擴(kuò)散氣體運(yùn)動行為的影響問題式中:κ為湍流動能,J/kg;ε為湍流耗散率,m2氣體擴(kuò)散模擬模型2.1優(yōu)化計算域空間以某10×10通過多次試算和網(wǎng)格無關(guān)性檢驗,模型確定600m×250m×100m的計算域空間,近似無限遠(yuǎn)邊界。船體空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜,采用適應(yīng)性較好的三角形/四面體網(wǎng)格劃分中心計算域,并對泄漏口附近網(wǎng)格加密,更精確地處理氣體運(yùn)動狀態(tài)的快速變化。隨著與泄漏孔距離增大,網(wǎng)格逐步增大,通過減少計算節(jié)點(diǎn),提高計算效率。外圍計算域采用質(zhì)量較好、更易收斂的四面形/六面體網(wǎng)格。計算域空間非結(jié)構(gòu)體2.2船舶表面風(fēng)廓線方程來風(fēng)面采用速度入口邊界,計算域頂部和兩側(cè)邊界的流體變量梯度均為零。氣體擴(kuò)散過程求解時,由于出流面上流體變量未知,認(rèn)為此邊界所有變量的擴(kuò)散通量均為零。計算域底面和船體表面均為無滑移壁面邊界。風(fēng)速隨距離海平面高度的變化由指數(shù)風(fēng)廓線方程式中,u采用通用CFD軟件Fluent進(jìn)行三維非定常數(shù)值求解。本文在文獻(xiàn)[9]研究基礎(chǔ)上,對氣體擴(kuò)散過程求解方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),空間方向上使用有限體積法離散,擴(kuò)散項、源項為中心差分格式,對流項用二階迎風(fēng)格式,時間方向上采用二階隱式積分,步長為1.0s,壓力速度耦合采用SIMPLE壓力修正算法2.3火炬放空系統(tǒng)天然氣泄漏據(jù)HSE統(tǒng)計,海上作業(yè)過程中可燃?xì)怏w泄漏事件發(fā)生比例最高,達(dá)到56%1油氣處理系統(tǒng)天然氣泄漏。失效設(shè)備:原油熱處理器;泄漏方向:Z軸正向。2火炬放空系統(tǒng)天然氣泄漏。失效設(shè)備:火炬分液罐;泄漏方向:Z軸正向。選取3種泄漏孔徑(20mm、40mm和60mm)根據(jù)表1,選取1kg/s、5kg/s和8kg/s作為泄漏源項,并將以靜風(fēng)條件0.5m/s、全年平均風(fēng)速4.5m/s和季風(fēng)風(fēng)速10m/s為基本風(fēng)速數(shù)值迭代至收斂后得到的時均定常湍流風(fēng)場參數(shù)作為氣體擴(kuò)散過程計算的初始解,針對船艏、船艉、左舷和右舷來風(fēng)時FPSO天然氣泄漏事故進(jìn)行仿真模擬與分析。3天然氣擴(kuò)散法與影響因素的關(guān)系3.1天然氣擴(kuò)散過程由于甲烷氣體占絕大比例,可將甲烷氣體1%濃度等值面的空間區(qū)域定義為天然氣擴(kuò)散范圍,探討其擴(kuò)散過程及規(guī)律。圖3為船艏來風(fēng)取4.5m/s、原油熱處理器失效泄漏速率為5kg/s時,天然氣在生產(chǎn)甲板區(qū)域的擴(kuò)散過程;圖4為相應(yīng)的空間擴(kuò)散區(qū)域變化規(guī)律。泄漏初期,天然氣空間擴(kuò)散范圍持續(xù)增大,在0~80s時間段內(nèi)呈明顯增長趨勢;同時受風(fēng)影響,迅速沿船體縱向朝船艉區(qū)域運(yùn)動,約100s后天然氣擴(kuò)散范圍基本穩(wěn)定,生產(chǎn)甲板區(qū)域天然氣濃度場達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。此時天然氣擴(kuò)散范圍已達(dá)到最大,覆蓋了工藝處理模塊Ⅰ、Ⅱ區(qū)和加熱站模塊等區(qū)域,覆蓋面積約1680m3.2天然氣擴(kuò)散規(guī)律泄漏天然氣在風(fēng)作用下迅速朝下風(fēng)方向擴(kuò)散,風(fēng)向不同時呈現(xiàn)明顯不同的運(yùn)動規(guī)律。圖5為不同方向來風(fēng)均取4.5m/s、原油熱處理器失效泄漏速率為5kg/s時,天然氣空間擴(kuò)散范圍隨時間的變化規(guī)律;圖6為相應(yīng)條件下穩(wěn)定后的天然氣空間范圍。船艏來風(fēng)時,泄漏天然氣的空間擴(kuò)散范圍最大,對整個生產(chǎn)甲板區(qū)域、生活樓等區(qū)域都有較大影響;而且擴(kuò)散行為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間最長,約100s后其覆蓋面積和空間體積曲線均達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。隨著天然氣持續(xù)泄漏和擴(kuò)散,很可能從門窗、通風(fēng)系統(tǒng)等進(jìn)入電力艙室、生活樓或在某些通風(fēng)效果較差的地方逐漸聚集,形成高濃度可燃?xì)庠?可能導(dǎo)致突發(fā)性爆炸或火災(zāi)等重大事故。船艉來風(fēng)時,天然氣空間擴(kuò)散范圍較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),覆蓋面積和空間體積曲線的峰值時刻分別為30s和60s,穩(wěn)定值分別為310m左舷和右舷來風(fēng)時,生產(chǎn)甲板區(qū)域左、右舷側(cè)設(shè)備布局及風(fēng)場強(qiáng)度、分布規(guī)律相似,因此天然氣空間擴(kuò)散范圍的變化曲線基本保持同步,覆蓋面積和空間體積曲線均在40s時刻左右達(dá)到最高點(diǎn),之后保持平穩(wěn)狀態(tài),穩(wěn)定后的空間范圍也比較接近。由于船體橫向?qū)挾刃?左、右舷來風(fēng)時泄漏源下風(fēng)向區(qū)域的風(fēng)場分布瞬時性強(qiáng)、不穩(wěn)定、變化快,因此天然氣空間范圍較小,分別主要集中在工藝處理模塊Ⅰ區(qū)右舷、左舷側(cè)和船體外部,覆蓋面積穩(wěn)定值分別為206m3.3天然氣擴(kuò)散過程隨時間的變化規(guī)律FPSO上部模塊設(shè)備布局緊湊,風(fēng)場分布規(guī)律復(fù)雜,包括風(fēng)速的增大或減小、風(fēng)向的改變或者風(fēng)速、風(fēng)向的同時變化等。圖7為船艏來風(fēng)取不同風(fēng)速(V)、原油熱處理器失效泄漏速率為5kg/s時,天然氣空間擴(kuò)散范圍隨時間的變化規(guī)律;圖8為相應(yīng)條件下穩(wěn)定后的天然氣空間范圍。V=0.5m/s時,0~30s階段天然氣空間體積與覆蓋面積呈明顯上升趨勢,隨后覆蓋面積基本穩(wěn)定,約290m隨著風(fēng)速增大,風(fēng)力作用將克服浮力成為控制天然氣擴(kuò)散行為的主導(dǎo)因素。如V=4.5m/s和V=10m/s時,天然氣主要沿生產(chǎn)甲板表面朝下風(fēng)方向擴(kuò)散,混合氣云呈狹長狀分布,其空間體積、覆蓋面積曲線同步上升,分別于約90s和40s時刻達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)?？梢?風(fēng)速越大,天然氣擴(kuò)散速度越快,擴(kuò)散行為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間就越短。根據(jù)圖7,V=4.5m/s時天然氣混合氣云空間體積和覆蓋面積的穩(wěn)定值分別為5703m3.4不同熱處理器失效泄漏速率下天然氣擴(kuò)散空間范圍泄漏源參數(shù)是影響氣體擴(kuò)散規(guī)律和范圍的主要因素之一,包括泄漏源強(qiáng)度(泄漏速率、持續(xù)時間)、泄漏孔徑、泄漏位置等。圖9為船艏來風(fēng)取4.5m/s、原油熱處理器失效泄漏速率分別為1kg/s、5kg/s和8kg/s時,天然氣空間擴(kuò)散范圍隨時間的變化規(guī)律;圖10為相應(yīng)條件下穩(wěn)定后的天然氣空間范圍。泄漏速率為1kg/s時,天然氣空間擴(kuò)散范圍于45s時刻即已達(dá)到最大值,船體縱向方向上擴(kuò)散到工藝處理模塊Ⅱ區(qū)的電脫水器位置,最遠(yuǎn)距離為36.4m,船體橫向和垂直方向上的最大擴(kuò)散距離分別為19.3m和4.9m,覆蓋面積和空間體積穩(wěn)定值分別為262.8m4穩(wěn)定的天然氣濃度場在一定風(fēng)向、風(fēng)速和泄漏速率條件下,天然氣擴(kuò)散范圍逐漸擴(kuò)大至最大后形成穩(wěn)定的天然氣濃度場,即一定濃度范圍內(nèi)的天然氣所占據(jù)的空間范圍不再變化,達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定值。甲烷氣體爆炸極限為5.0%~15.0%,由于乙烷含量很少,可近似將處于此體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)的區(qū)域定義為天然氣危險區(qū)域。4.1天然氣接觸狀態(tài)油氣處理系統(tǒng)主要布置在生產(chǎn)甲板區(qū)域的工藝處理模塊Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)。圖11為不同方向來風(fēng)均取4.5m/s、原油熱處理器失效泄漏速率為5kg/s時,生產(chǎn)甲板表面的甲烷氣體濃度場。圖11中紅色區(qū)域表示甲烷濃度位于5%~15%范圍內(nèi)的天然氣混合氣云所覆蓋的區(qū)域,即天然氣危險區(qū)域。圖12為相應(yīng)條件下天然氣危險區(qū)域的空間分布(甲烷氣體5%濃度等值面)。不同風(fēng)向時,原油熱處理器泄漏端附近區(qū)域均聚集著大量高濃度甲烷氣體,危險區(qū)域朝下風(fēng)方向集中和傾斜,基本圍繞在原油熱處理器周圍,分布規(guī)律和范圍大小受風(fēng)和障礙物影響明顯。生產(chǎn)甲板區(qū)域設(shè)備、管線等布置密集,船艏來風(fēng)時,危險區(qū)域分布在原油熱處理器兩側(cè),船體縱向方向上的擴(kuò)散距離最遠(yuǎn),達(dá)到19.5m,其覆蓋面積和空間體積分別為152.3m4.2危險區(qū)域空間分布火炬分液罐位于隔離帶區(qū)域的主甲板表面左舷側(cè)。圖13為不同方向來風(fēng)均取4.5m/s、火炬分液罐失效泄漏速率為5kg/s時,隔離帶區(qū)域主甲板表面的甲烷氣體濃度場和危險區(qū)域。圖14為相應(yīng)條件下天然氣危險區(qū)域的空間分布。風(fēng)向不同時,危險區(qū)域分布規(guī)律和范圍大小明顯不同,但均主要集中在隔離帶火炬分液罐泄漏端周圍。船艏甲板比主甲板高5m,當(dāng)船艏來風(fēng)時船艏甲板為隔離帶區(qū)域起到遮蔽作用,火炬分液罐附近區(qū)域的風(fēng)場比較穩(wěn)定,風(fēng)不會對船艏甲板平面以下天然氣的運(yùn)動行為產(chǎn)生直接影響。當(dāng)天然氣擴(kuò)散高度超過5m時,船艏來風(fēng)即產(chǎn)生明顯影響,促使其迅速朝下風(fēng)向擴(kuò)散。此時,危險區(qū)域在火炬分液罐左舷側(cè)聚集,同時沿船艏甲板壁面向船體中部蔓延。危險區(qū)域垂直方向最大高度與船艏甲板高度基本持平,約5.4m,空間體積則達(dá)到523.2m5分辨率o上部模塊的風(fēng)險范圍確定根據(jù)計算機(jī)仿真結(jié)果,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)確定FPSO上部模塊危險區(qū)6fpso油氣泄漏擴(kuò)散風(fēng)險分析(1)風(fēng)向決定泄漏天然氣的運(yùn)動方向,下風(fēng)向區(qū)域的設(shè)備布局和風(fēng)場條件對天然氣擴(kuò)散范圍和分布規(guī)律有較大影響。船艏來風(fēng)時,天然氣擴(kuò)散區(qū)域和危險區(qū)域覆蓋范圍均最大;船艉來風(fēng)時,危險區(qū)域空間體積最大,但對生產(chǎn)甲板區(qū)域影響較小;左、右舷來風(fēng)最有利于可燃?xì)怏w消散,對船體區(qū)域危害最小。(2)風(fēng)速決定稀釋天然氣擴(kuò)散濃度的能力及擴(kuò)散范圍、危險區(qū)域的大小。靜風(fēng)或低風(fēng)速條件易導(dǎo)致可燃?xì)怏w在船體某封閉空間或通風(fēng)效果較差的區(qū)域聚集,形成大范圍危險區(qū)域,是泄漏天然氣擴(kuò)散的最不利因素之一;高風(fēng)速則有利于可燃?xì)怏w的稀釋和消散,風(fēng)速越大,擴(kuò)散范圍和危險區(qū)域均越小。(3)泄漏速率對天然氣擴(kuò)散范圍有直接影響。泄漏速率越大,一定濃度范圍內(nèi)的天然氣混合氣云空間擴(kuò)散范圍達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間越長,相應(yīng)的擴(kuò)散范圍和危險區(qū)域越大。(4)根據(jù)FPSO關(guān)鍵系統(tǒng)泄漏天然氣的危險區(qū)域空間范圍,結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定FPSO上部模塊的一級2區(qū)ⅡA組危險區(qū)。(5)針對FPSO油氣泄漏擴(kuò)散風(fēng)險控制提出如下建議與措施:對于多點(diǎn)系泊FPSO,根據(jù)作業(yè)海域風(fēng)玫瑰圖確定主流風(fēng)向,系泊時將船體左舷或右舷盡量朝向來風(fēng)方向一側(cè),以便危險氣體盡快飄離船體區(qū)域;基于CFD仿真結(jié)果對FPSO油氣處理系統(tǒng)、火炬放空系統(tǒng)等關(guān)鍵區(qū)域的火氣監(jiān)控