浮式生產(chǎn)系統(tǒng)泄漏天然氣擴散行為預測與分析

浮式生產(chǎn)系統(tǒng)泄漏天然氣擴散行為預測與分析

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)外學者在氣體擴散行為研究方面主要采用的是計算流體動力學(ComputationalFIuidDynamics,CFD)方法。MohammadDadashzadeh等鑒于國內(nèi)外在FPSO油氣泄漏風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)生的可燃氣體泄漏事故進行CFD仿真模擬研究,探索風向、風速和泄漏速率等關(guān)鍵因素對天然氣擴散行為的影響規(guī)律,預測天然氣危險區(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意義。1混合氣體密度模型氣體射流、擴散過程必須遵守3個基本的物理學原理,即連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程,其數(shù)學表達式分別為式中: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)學表達式為式中:Y氣體泄漏、擴散過程屬于復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散氣體運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,近似無限遠邊界。船體空間結(jié)構(gòu)復雜,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,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船舶表面風廓線方程來風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。氣體擴散過程求解時,由于出流面上流體變量未知,認為此邊界所有變量的擴散通量均為零。計算域底面和船體表面均為無滑移壁面邊界。風速隨距離海平面高度的變化由指數(shù)風廓線方程式中,u采用通用CFD軟件Fluent進行三維非定常數(shù)值求解。本文在文獻[9]研究基礎(chǔ)上,對氣體擴散過程求解方法進行優(yōu)化和改進,空間方向上使用有限體積法離散,擴散項、源項為中心差分格式,對流項用二階迎風格式,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)過程中可燃氣體泄漏事件發(fā)生比例最高,達到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,并將以靜風條件0.5m/s、全年平均風速4.5m/s和季風風速10m/s為基本風速數(shù)值迭代至收斂后得到的時均定常湍流風場參數(shù)作為氣體擴散過程計算的初始解,針對船艏、船艉、左舷和右舷來風時FPSO天然氣泄漏事故進行仿真模擬與分析。3天然氣擴散法與影響因素的關(guān)系3.1天然氣擴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)域定義為天然氣擴散范圍,探討其擴散過程及規(guī)律。圖3為船艏來風取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)域的擴散過程;圖4為相應(yīng)的空間擴散區(qū)域變化規(guī)律。泄漏初期,天然氣空間擴散范圍持續(xù)增大,在0~80s時間段內(nèi)呈明顯增長趨勢;同時受風影響,迅速沿船體縱向朝船艉區(qū)域運動,約100s后天然氣擴散范圍基本穩(wěn)定,生產(chǎn)甲板區(qū)域天然氣濃度場達到動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。此時天然氣擴散范圍已達到最大,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天然氣擴散規(guī)律泄漏天然氣在風作用下迅速朝下風方向擴散,風向不同時呈現(xiàn)明顯不同的運動規(guī)律。圖5為不同方向來風均取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。船艏來風時,泄漏天然氣的空間擴散范圍最大,對整個生產(chǎn)甲板區(qū)域、生活樓等區(qū)域都有較大影響;而且擴散行為達到穩(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到平穩(wěn)狀態(tài)。隨著天然氣持續(xù)泄漏和擴散,很可能從門窗、通風系統(tǒng)等進入電力艙室、生活樓或在某些通風效果較差的地方逐漸聚集,形成高濃度可燃氣云,可能導致突發(fā)性爆炸或火災(zāi)等重大事故。船艉來風時,天然氣空間擴散范圍較快達到穩(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左舷和右舷來風時,生產(chǎn)甲板區(qū)域左、右舷側(cè)設(shè)備布局及風場強度、分布規(guī)律相似,因此天然氣空間擴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時刻左右達到最高點,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、右舷來風時泄漏源下風向區(qū)域的風場分布瞬時性強、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,風場分布規(guī)律復雜,包括風速的增大或減小、風向的改變或者風速、風向的同時變化等。圖7為船艏來風取不同風速(V)、原油熱處理器失效泄漏速率為5kg/s時,天然氣空間擴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隨著風速增大,風力作用將克服浮力成為控制天然氣擴散行為的主導因素。如V=4.5m/s和V=10m/s時,天然氣主要沿生產(chǎn)甲板表面朝下風方向擴散,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時刻達到平穩(wěn)狀態(tài)?？梢?風速越大,天然氣擴散速度越快,擴散行為達到穩(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散空間范圍泄漏源參數(shù)是影響氣體擴散規(guī)律和范圍的主要因素之一,包括泄漏源強度(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,天然氣空間擴散范圍于45s時刻即已達到最大值,船體縱向方向上擴散到工藝處理模塊Ⅱ區(qū)的電脫水器位置,最遠距離為36.4m,船體橫向和垂直方向上的最大擴散距離分別為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向、風速和泄漏速率條件下,天然氣擴散范圍逐漸擴大至最大后形成穩(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數(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散距離最遠,達到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,當船艏來風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)域的風場比較穩(wěn)定,風不會對船艏甲板平面以下天然氣的運動行為產(chǎn)生直接影響。當天然氣擴散高度超過5m時,船艏來風即產(chǎn)生明顯影響,促使其迅速朝下風向擴散。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,空間體積則達到523.2m5分辨率o上部模塊的風險范圍確定根據(jù)計算機仿真結(jié)果,結(jié)合標準確定FPSO上部模塊危險區(qū)6fpso油氣泄漏擴散風險分析(1)風向決定泄漏天然氣的運動方向,下風向區(qū)域的設(shè)備布局和風場條件對天然氣擴散范圍和分布規(guī)律有較大影響。船艏來風時,天然氣擴散區(qū)域和危險區(qū)域覆蓋范圍均最大;船艉來風時,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、右舷來風最有利于可燃氣體消散,對船體區(qū)域危害最小。(2)風速決定稀釋天然氣擴散濃度的能力及擴散范圍、危險區(qū)域的大小。靜風或低風速條件易導致可燃氣體在船體某封閉空間或通風效果較差的區(qū)域聚集,形成大范圍危險區(qū)域,是泄漏天然氣擴散的最不利因素之一;高風速則有利于可燃氣體的稀釋和消散,風速越大,擴散范圍和危險區(qū)域均越小。(3)泄漏速率對天然氣擴散范圍有直接影響。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散范圍達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間越長,相應(yīng)的擴散范圍和危險區(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)標準確定FPSO上部模塊的一級2區(qū)ⅡA組危險區(qū)。(5)針對FPSO油氣泄漏擴散風險控制提出如下建議與措施:對于多點系泊FPSO,根據(jù)作業(yè)海域風玫瑰圖確定主流風向,系泊時將船體左舷或右舷盡量朝向來風方向一側(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