浮式生产系统泄漏天然气扩散行为预测与分析

浮式生产系统泄漏天然气扩散行为预测与分析

随着海洋油气勘探逐步发展，油田的勘探越来越受到限制。液体浮式生产系统（floatian生产andremotecontrolsystem，简称kmo）在经济和技术优势方面取得了迅速发展。截至2013年4月,中国海洋石油总公司(CNOOC)共使用超过18艘FPSO用于渤海和南海油气开发,支持着中国海上油田约70%的石油产能,累计生产原油逾2×10根据1994—2008年间英国海域135艘FPSO作业统计数据国内外学者在气体扩散行为研究方面主要采用的是计算流体动力学(ComputationalFIuidDynamics,CFD)方法。MohammadDadashzadeh等鉴于国内外在FPSO油气泄漏风险方面的研究还相对匮乏,本文针对FPSO关键系统可能发生的可燃气体泄漏事故进行CFD仿真模拟研究,探索风向、风速和泄漏速率等关键因素对天然气扩散行为的影响规律,预测天然气危险区域的空间范围和分布规律。此研究作为油气火灾/爆炸风险研究的基础,对于合理划分FPSO上部模块危险区、逃生路线设计及火气监控设备优化布局等具有重要的工程指导意义。1混合气体密度模型气体射流、扩散过程必须遵守3个基本的物理学原理,即连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程,其数学表达式分别为式中:ρ为混合气体密度,kg/m对于多组分混合气体,还需遵守组分质量守恒方程,数学表达式为式中:Y气体泄漏、扩散过程属于复杂的非定常湍流行为。研究表明Realizableκ-ε模型更适用于处理障碍物对扩散气体运动行为的影响问题式中:κ为湍流动能,J/kg;ε为湍流耗散率,m2气体扩散模拟模型2.1优化计算域空间以某10×10通过多次试算和网格无关性检验,模型确定600m×250m×100m的计算域空间,近似无限远边界。船体空间结构复杂,采用适应性较好的三角形/四面体网格划分中心计算域,并对泄漏口附近网格加密,更精确地处理气体运动状态的快速变化。随着与泄漏孔距离增大,网格逐步增大,通过减少计算节点,提高计算效率。外围计算域采用质量较好、更易收敛的四面形/六面体网格。计算域空间非结构体2.2船舶表面风廓线方程来风面采用速度入口边界,计算域顶部和两侧边界的流体变量梯度均为零。气体扩散过程求解时,由于出流面上流体变量未知,认为此边界所有变量的扩散通量均为零。计算域底面和船体表面均为无滑移壁面边界。风速随距离海平面高度的变化由指数风廓线方程式中,u采用通用CFD软件Fluent进行三维非定常数值求解。本文在文献[9]研究基础上,对气体扩散过程求解方法进行优化和改进,空间方向上使用有限体积法离散,扩散项、源项为中心差分格式,对流项用二阶迎风格式,时间方向上采用二阶隐式积分,步长为1.0s,压力速度耦合采用SIMPLE压力修正算法2.3火炬放空系统天然气泄漏据HSE统计,海上作业过程中可燃气体泄漏事件发生比例最高,达到56%1油气处理系统天然气泄漏。失效设备:原油热处理器;泄漏方向:Z轴正向。2火炬放空系统天然气泄漏。失效设备:火炬分液罐;泄漏方向:Z轴正向。选取3种泄漏孔径(20mm、40mm和60mm)根据表1,选取1kg/s、5kg/s和8kg/s作为泄漏源项,并将以静风条件0.5m/s、全年平均风速4.5m/s和季风风速10m/s为基本风速数值迭代至收敛后得到的时均定常湍流风场参数作为气体扩散过程计算的初始解,针对船艏、船艉、左舷和右舷来风时FPSO天然气泄漏事故进行仿真模拟与分析。3天然气扩散法与影响因素的关系3.1天然气扩散过程由于甲烷气体占绝大比例,可将甲烷气体1%浓度等值面的空间区域定义为天然气扩散范围,探讨其扩散过程及规律。图3为船艏来风取4.5m/s、原油热处理器失效泄漏速率为5kg/s时,天然气在生产甲板区域的扩散过程;图4为相应的空间扩散区域变化规律。泄漏初期,天然气空间扩散范围持续增大,在0~80s时间段内呈明显增长趋势;同时受风影响,迅速沿船体纵向朝船艉区域运动,约100s后天然气扩散范围基本稳定,生产甲板区域天然气浓度场达到动态稳定状态。此时天然气扩散范围已达到最大,覆盖了工艺处理模块Ⅰ、Ⅱ区和加热站模块等区域,覆盖面积约1680m3.2天然气扩散规律泄漏天然气在风作用下迅速朝下风方向扩散,风向不同时呈现明显不同的运动规律。图5为不同方向来风均取4.5m/s、原油热处理器失效泄漏速率为5kg/s时,天然气空间扩散范围随时间的变化规律;图6为相应条件下稳定后的天然气空间范围。船艏来风时,泄漏天然气的空间扩散范围最大,对整个生产甲板区域、生活楼等区域都有较大影响;而且扩散行为达到稳定状态所需时间最长,约100s后其覆盖面积和空间体积曲线均达到平稳状态。随着天然气持续泄漏和扩散,很可能从门窗、通风系统等进入电力舱室、生活楼或在某些通风效果较差的地方逐渐聚集,形成高浓度可燃气云,可能导致突发性爆炸或火灾等重大事故。船艉来风时,天然气空间扩散范围较快达到稳定状态,覆盖面积和空间体积曲线的峰值时刻分别为30s和60s,稳定值分别为310m左舷和右舷来风时,生产甲板区域左、右舷侧设备布局及风场强度、分布规律相似,因此天然气空间扩散范围的变化曲线基本保持同步,覆盖面积和空间体积曲线均在40s时刻左右达到最高点,之后保持平稳状态,稳定后的空间范围也比较接近。由于船体横向宽度小,左、右舷来风时泄漏源下风向区域的风场分布瞬时性强、不稳定、变化快,因此天然气空间范围较小,分别主要集中在工艺处理模块Ⅰ区右舷、左舷侧和船体外部,覆盖面积稳定值分别为206m3.3天然气扩散过程随时间的变化规律FPSO上部模块设备布局紧凑,风场分布规律复杂,包括风速的增大或减小、风向的改变或者风速、风向的同时变化等。图7为船艏来风取不同风速(V)、原油热处理器失效泄漏速率为5kg/s时,天然气空间扩散范围随时间的变化规律;图8为相应条件下稳定后的天然气空间范围。V=0.5m/s时,0~30s阶段天然气空间体积与覆盖面积呈明显上升趋势,随后覆盖面积基本稳定,约290m随着风速增大,风力作用将克服浮力成为控制天然气扩散行为的主导因素。如V=4.5m/s和V=10m/s时,天然气主要沿生产甲板表面朝下风方向扩散,混合气云呈狭长状分布,其空间体积、覆盖面积曲线同步上升,分别于约90s和40s时刻达到平稳状态。可见,风速越大,天然气扩散速度越快,扩散行为达到稳定状态所需时间就越短。根据图7,V=4.5m/s时天然气混合气云空间体积和覆盖面积的稳定值分别为5703m3.4不同热处理器失效泄漏速率下天然气扩散空间范围泄漏源参数是影响气体扩散规律和范围的主要因素之一,包括泄漏源强度(泄漏速率、持续时间)、泄漏孔径、泄漏位置等。图9为船艏来风取4.5m/s、原油热处理器失效泄漏速率分别为1kg/s、5kg/s和8kg/s时,天然气空间扩散范围随时间的变化规律;图10为相应条件下稳定后的天然气空间范围。泄漏速率为1kg/s时,天然气空间扩散范围于45s时刻即已达到最大值,船体纵向方向上扩散到工艺处理模块Ⅱ区的电脱水器位置,最远距离为36.4m,船体横向和垂直方向上的最大扩散距离分别为19.3m和4.9m,覆盖面积和空间体积稳定值分别为262.8m4稳定的天然气浓度场在一定风向、风速和泄漏速率条件下,天然气扩散范围逐渐扩大至最大后形成稳定的天然气浓度场,即一定浓度范围内的天然气所占据的空间范围不再变化,达到动态稳定值。甲烷气体爆炸极限为5.0%~15.0%,由于乙烷含量很少,可近似将处于此体积分数范围内的区域定义为天然气危险区域。4.1天然气接触状态油气处理系统主要布置在生产甲板区域的工艺处理模块Ⅰ区和Ⅱ区。图11为不同方向来风均取4.5m/s、原油热处理器失效泄漏速率为5kg/s时,生产甲板表面的甲烷气体浓度场。图11中红色区域表示甲烷浓度位于5%~15%范围内的天然气混合气云所覆盖的区域,即天然气危险区域。图12为相应条件下天然气危险区域的空间分布(甲烷气体5%浓度等值面)。不同风向时,原油热处理器泄漏端附近区域均聚集着大量高浓度甲烷气体,危险区域朝下风方向集中和倾斜,基本围绕在原油热处理器周围,分布规律和范围大小受风和障碍物影响明显。生产甲板区域设备、管线等布置密集,船艏来风时,危险区域分布在原油热处理器两侧,船体纵向方向上的扩散距离最远,达到19.5m,其覆盖面积和空间体积分别为152.3m4.2危险区域空间分布火炬分液罐位于隔离带区域的主甲板表面左舷侧。图13为不同方向来风均取4.5m/s、火炬分液罐失效泄漏速率为5kg/s时,隔离带区域主甲板表面的甲烷气体浓度场和危险区域。图14为相应条件下天然气危险区域的空间分布。风向不同时,危险区域分布规律和范围大小明显不同,但均主要集中在隔离带火炬分液罐泄漏端周围。船艏甲板比主甲板高5m,当船艏来风时船艏甲板为隔离带区域起到遮蔽作用,火炬分液罐附近区域的风场比较稳定,风不会对船艏甲板平面以下天然气的运动行为产生直接影响。当天然气扩散高度超过5m时,船艏来风即产生明显影响,促使其迅速朝下风向扩散。此时,危险区域在火炬分液罐左舷侧聚集,同时沿船艏甲板壁面向船体中部蔓延。危险区域垂直方向最大高度与船艏甲板高度基本持平,约5.4m,空间体积则达到523.2m5分辨率o上部模块的风险范围确定根据计算机仿真结果,结合标准确定FPSO上部模块危险区6fpso油气泄漏扩散风险分析(1)风向决定泄漏天然气的运动方向,下风向区域的设备布局和风场条件对天然气扩散范围和分布规律有较大影响。船艏来风时,天然气扩散区域和危险区域覆盖范围均最大;船艉来风时,危险区域空间体积最大,但对生产甲板区域影响较小;左、右舷来风最有利于可燃气体消散,对船体区域危害最小。(2)风速决定稀释天然气扩散浓度的能力及扩散范围、危险区域的大小。静风或低风速条件易导致可燃气体在船体某封闭空间或通风效果较差的区域聚集,形成大范围危险区域,是泄漏天然气扩散的最不利因素之一;高风速则有利于可燃气体的稀释和消散,风速越大,扩散范围和危险区域均越小。(3)泄漏速率对天然气扩散范围有直接影响。泄漏速率越大,一定浓度范围内的天然气混合气云空间扩散范围达到稳定状态所需的时间越长,相应的扩散范围和危险区域越大。(4)根据FPSO关键系统泄漏天然气的危险区域空间范围,结合相关标准确定FPSO上部模块的一级2区ⅡA组危险区。(5)针对FPSO油气泄漏扩散风险控制提出如下建议与措施:对于多点系泊FPSO,根据作业海域风玫瑰图确定主流风向,系泊时将船体左舷或右舷尽量朝向来风方向一侧,以便危险气体尽快飘离船体区域;基于CFD仿真结果对FPSO油气处理系统、火炬放空系统等关键区域的火气监控