海上油氣爆燃事故虛擬仿真應急演練關鍵技術研究

叢 軍，馬艷榮，吳 昊，孫 光，陳健飛

(中石化勝利海上石油工程技術檢驗有限公司，山東東營 257000)

0 前言

海上油田海況惡劣，海底地質情況復雜，一旦發生事故造成泄漏爆燃，將會對人員安全、財產、環境構成巨大危害[1,2]。災情應急演練是避免險情發生、降低災情損失的重要手段，通過災情預警演練使相關人員充分了解泄漏爆燃事故演化風險規律，并進行相應處置，可以避免突發事故進一步擴大生成更大的災害事故[3,4]。傳統的應急演練組織困難，成本高，存在安全隱患、演練操作與災害后果無法建立因果鏈接、演習過程與實際情況差距大等問題[5,6]。將虛擬仿真技術應用于應急演練領域，可以有效消除傳統應急演練的一些弊端。目前，虛擬仿真技術在海洋鉆井平臺災情演練中的應用以理論分析為主[6,7]，依據實際情況建立仿真模擬的研究十分稀少，尤其缺失嚴格對應真實工況的泄漏擴散、燃爆及人員的疏散模擬分析[8-10]。

FDS軟件利用流體動力學分析火災動力學特征，與火災實際演化過程匹配度高[10]，可以準確評估不同風向下火災的危險等級并指導相應逃生和救援機制的建立。本文基于某油田企業海上油氣生產過程和設備布置特點，采用FDS軟件對海上鉆井平臺典型火災進行模擬，通過分析油氣泄漏和火災事故條件下的失效規律，結合海上油氣泄漏爆燃事故火災災變路徑，構建多目標應急演練的預測模型和虛擬現實模型，并通過人工智能技術對事故的發展、人員行為的結果進行預測，實現更為準確的演練模擬。

1 海上平臺火災蔓延過程的溫度場模型構建

海上平臺主要由鋼鐵等材質焊接而成，材質熱傳導速率極高?；馂陌l生后，火焰熱量會快速傳播至周邊區域，過高的熱量嚴重影響火災的救援和人員的逃生。為準確評估火災擴展過程中熱量沖擊對救援工作的影響，需要在虛擬平臺中準確模擬鉆井平臺的熱量分布和傳播規律。采用圓柱坐標系，忽略溫度場沿轉角θ的變化，建立平臺溫度場分布和擴展規律的熱傳導方程為：

(1)

式中：k——平臺系統導熱系數，J/(kg·℃)；

α——平臺周邊空氣的熱擴散系數，J/(m2·s·℃)；

r——溫度測量點距火源中心的徑向距離，m；

z——溫度測量點距火源中心的軸向距離，m；

φ(r,z)——被求解溫度場分布。

忽略軸向z的變化時，利用格林公式求解公式(1)可得溫度場沿徑向分布的解：

(2)

式中：T(r,t)——穩定狀態溫度，℃；

t——時間，s；

α——平臺周邊空氣的熱擴散系數，J/(m2·s·℃)；

R——求解模型的邊界，m；

G——溫度場的格林公式表達，℃；

τ——模型的剪切模量，常數，無量綱；

F(r′)——熱應力，Pa；

v,s——比例常數，依據模型材料和邊界條件而定；

f——瞬時溫度，℃；

g(r,t)——產熱率，J/(m2·s)。

根據公式(2)可以獲得火災爆發區域周邊連續溫度場數據，進而借助FDS軟件模擬火災爆發周邊區域復雜的壓力變化、溫度場變化與火焰輻射狀態，為后續人為干預機制及多目標應急救援模型的優化提供依據。

2 不同火災場景下的火焰擴展三維模型構建

依據海上平臺的基本結構和火災防控需求，構建罐頂全面火、有遮擋(遮擋物設置在火焰正北方向)和無遮擋3種具有代表性的油氣泄漏火災場景。預設12個檢測點，東、南方向分別設置在距離爆炸中心9，13，17 m處，西、北方向分別設置在距離爆炸中心6，9，13 m處，如圖1所示，監測100 s內4個方向不同距離處的CO濃度、熱輻射和溫度。其中有遮擋的情況，北側測量點設置于遮擋物上方，如圖1(a)所示。探測器分為3類，以MP-S1點為例，該點CO濃度探測器記為MP-S1-CO，溫度探測器記為MP-S1-TEMP，熱輻射探測器記為MP-S1-RADI。

圖1 不同火災形式下的監測點設置

使用FDS軟件建立火災三維仿真模型，計算域為53 m×36 m×18 m長方體區域，模型主體為一個28 m×27 m的平臺甲板模型，以及一個直徑10 m、高12 m的原油儲罐模型。環境初始溫度為20 ℃，環境大氣壓為101.325 kPa，火源熱釋放功率(HRR)為1 451 kW/m3，輻射分數為0.33，CO產率為0.013。

為盡可能獲得精確的模擬結果，需求解火源特征直徑D*：

(3)

式中：Q——熱釋放速率，J/(m2·s·℃)；

ρ0——環境空氣密度，kg/m3；

c0——空氣比熱容，kJ/(kg·K)；

T0——環境溫度，℃；

g——重力加速度。

求解公式(3)得D*為1.05 m，最佳模擬網格大小取值在0.062 5D*到0.25D*之間。本文選取0.3 m×0.3 m×0.3 m的正方形網格進行模擬求解，共設置1 274 400個網格。經模擬，3種不同工況及火災擴展規律云圖如圖2所示。

圖2 不同工況條件下火災擴展云圖

使用MATLAB軟件對FDS模擬得到的三維仿真數據進行擬合，獲得不同方向下CO濃度Q、熱輻射S和溫度T的邊界函數M，見表1～表4，該函數可以準確反映火災不同時間節點t對人員的傷害程度。由于模擬中得知，罐頂全面火和無遮擋火都是中心對稱的火源模型，無遮擋時，僅模擬一種風向便可得知其他風向對測試數據的影響；而有遮擋時，只有南風風向(火源處在上風向)的時候，在平臺遠離火源的探測點才可監測到數據，其他風向遠端探點基本數據變化微小可以忽略，因此選擇南風和無風狀態進行計算。

表1 有遮擋無風狀態相關參數的邊界函數M1

表4 罐頂全面火災無風狀態相關參數的邊界函數M4

分析可知，罐頂全面火災沿水平方向的火焰輻射速度最快，伴隨的高溫高壓沖擊也最嚴重，但CO濃度略低于其他兩種工況；受遮擋影響，有遮擋火災的火焰會向遮擋物聚集，造成火焰輻射沿垂直方向的擴展速度明顯快于罐頂全面火災，水平方向的火焰輻射速度較慢，同時CO會向遮擋物聚集；無遮擋火災水平方向上的火焰輻射速度與有遮擋火災基本相同，但沿垂直方向的擴展速度和CO濃度低于有遮擋火災。相關現象可以用可燃油氣爆燃的壓力波理論解釋，如果在氣體燃燒過程中，火焰遇到約束，或者由于擾動而使火焰加速，則會建立起一定的壓力波，壓力波會明顯改變火焰擴展規律。

3 應急演練場景中事故預測模型構建

3.1 UNITY模擬火災影響范圍

將不同距離下的CO濃度、熱輻射和溫度值等數據代入到UNITY中?；鹪粗行奈恢糜洖閍0，則可根據坐標值和UNITY中的邊界函數M計算輸出空間中任一點a1的CO濃度、熱輻射和溫度值。

定義影響類型的枚舉值FORM，根據輸入的方位值DIRECTION和兩點之間的距離值x，調用MATLAB提取的函數M計算最終的熱輻射值y。

3.2 UNITY模擬火災對人體傷害

操作人員所操控的角色賦有生命值屬性，生命值設定最大值為100，最小值為0。角色分為受傷和死亡兩種狀態，依據生命值改變而改變。角色在受傷時伴隨著生命值的減小，生命值的減小速率由傷害模型決定。為提高角色受傷的真實性和合理性，準確的傷害數學模型是系統不可缺少的組成部分。對FDS模擬結果進行數據擬合得到傷害程度，根據用戶交互和系統建設需求，設定綜合傷害系數值K，則：

K=k1T+k2S+k3Q

(4)

式中的k1、k2和k3分別為溫度、熱輻射和CO濃度的加權系數。3個系數的取值由仿真系統場景結構和災害類型決定，主要用于評估不同災害對人體傷害的等級。Unity3D設定生命值減少線性函數：

Role.HPManager(){localRoleData.Hp-=damage;}

(5)

式中：Role——角色控制類；

HPManager——生命值函數；

localRoleData——本地角色數據管理類；

damage——傷害數值。

將生命值減少線性函數與傷害系數結合為傷害數學模型函數：

Role.HPManager(){localRoleData.Hp-=damage*K;}

(6)

計算后的數值即為角色最終生命值，通過UGUI框架映射到界面中，完成從計算到顯示的一整套流程。其中，時間節點t=100 s時，主要參數沿徑向坐標x的邊界函數如表1～表4所示。當測量點與火源中心距離x不超過15 m時，擬合函數的計算偏差不超過10%；當測量點與火源中心距離x超過15 m時，各項參數均處于安全范圍內。主要危害來自于火焰熱輻射。依據AQ/T 3046—2013《化工企業定量風險評價導則》附錄H影響閾值中的推薦，熱輻射對設備與人體的傷害關系見表5。

3.3 UNITY模擬事故處置所需資源

3.3.1 消防水槍

a) 著火罐的冷卻水槍數n(不考慮固定冷卻系統)按公式(7)計算。

(7)

式中：D——著火罐的直徑2/3倍，m；

q——著火罐的供水強度，L/(s·m)，通?？扇?.6；

v——單支水槍的用水量，L/s，通常19 mm直流水槍用水量為6.5 L/s。

b) 鄰近罐的冷卻水槍數n(不考慮固定冷卻系統)按公式(8)計算。

(8)

以儲罐平臺的儲油罐為例，直徑為24 m，計算可知儲油罐所需冷卻水槍5支，鄰近罐所需冷卻水槍4支。

3.3.2 泡沫滅火劑

撲救原油火災的泡沫液量可按公式(9)進行計算。

Q=kAq

(9)

式中：Q——撲救原油火災所需泡沫液量，L/min；

k——泡沫液的混合比，通常取0.06；

A——著火面積，m2；

q——泡沫混合液的供給強度，L/min，通?？扇?0。

以儲罐平臺儲油罐著火為例，著火面積為600 m2，泡沫液的混合比取0.06，則計算可知所需泡沫量為360 L/min。

4 結論

a) 構建的火焰擴展三維模型能夠準確模擬不同影響因素下火災事故的溫度場、CO濃度和熱輻射場，實現對不同時間下火焰范圍、最高溫度、釋放能量、燃燒范圍、擴展規律等風險參數的量化評估，進而模擬出事故范圍、事故對設備與人體的傷害以及事故處置所需資源，形成事故推演的可視化動態事故模型。

b) 開發的虛擬仿真技術應急演練系統不需要停工停產，克服了演練時間和空間限制，降低了演練成本，同時解決了實際演練只有過程表演而沒有結果驗證的弊端，提升了應急演練效果。