海洋采油平臺天然氣泄漏擴散實驗與數值模擬分析

郭 敏,楊冬平,齊光峰,李皓玥,李亞寧,朱 淵

(1.中國石化勝利油田分公司技術檢測中心,山東東營 257000 2.中石化(山東)檢測評價研究有限公司,山東東營 257000 3.中國石油大學(華東),山東青島 266580)

0 前言

隨著人類開發海洋油氣資源的不斷深入,海洋平臺可燃氣體泄漏引發的危害越來越受到人們的關注。海洋平臺是油氣開采的關鍵基礎設施,在油氣開采過程中,天然氣泄漏后易在平臺聚集,存在引發火災、爆炸事故的重大安全風險。2021年4月5日,某公司平臺發生淺層氣逸出泄漏著火事故,導致99人撤離,3人失蹤。因此,探究海洋平臺天然氣泄漏后的擴散規律,對于開展海洋平臺火災爆炸安全風險量化評估及風險防控具有重要的指導意義。

目前,陸冰,等[1]、萬留杰,等[2]主要運用計算流體力學(CFD)研究天然氣泄漏問題;SAVVIDES C,等[3]基于CFD對海洋平臺上部模塊高壓天然氣的擴散規律進行了研究,并根據實驗驗證了CFD方法的可靠性;劉康,等[4]建立了FPSO關鍵系統泄漏天然氣擴散評估模型,分析了天然氣的擴散特點及危險區域的分布,并從工程的角度提出了相應措施?，F有的海洋平臺天然氣泄漏擴散主要采用數值分析方法進行研究,缺乏有效的實驗驗證分析。本文采用實驗與數值模擬相結合的方法,研究了平臺天然氣泄漏擴散規律,為海洋平臺油氣泄漏安全風險防控提供了理論和數據支撐。

1 海洋平臺泄漏擴散實驗

1.1 實驗原理與實驗裝置

1.1.1 實驗原理

實驗基于氣體泄漏Froude數相似原理搭建:①基于中國石化勝利油田典型海洋平臺,設計、加工縮比為1∶22的實驗平臺;②基于相似原理,對實際氣體泄漏的泄漏速率、風速等事故場景進行比例縮小,將原型平臺的泄漏條件轉化為可用于實際實驗的參數;③通過在實驗平臺釋放甲烷表征天然氣泄漏,分析甲烷泄漏后的擴散規律。

Froude數相似公式如公式(1)～公式(2):

(1)

Frp=Frm

(2)

式中:u——流速;

g——重力加速度;

L——特征長度;

p、m——代表原型和實驗模型。

(3)

1.1.2 實驗裝置

該實驗平臺是目前國內較大的海上采油平臺氣體泄漏擴散實驗平臺模型,可以實現不同場景和環境條件下氣體泄漏規律實驗,整體裝置如圖1所示。

圖1 氣體泄漏實驗裝置

實驗平臺主體尺寸為2.3 m×2.1 m×2.8 m,處于室內無風環境下。裝置設備主要包括:鋼瓶,用于儲存實驗用甲烷;質量流速控制儀,控制釋放鋼瓶內的甲烷以模擬泄漏事故,品牌為順來達,范圍0～5 L/min,0～20 L/min,精度0.2%F.S.;自制可調速風機,調整風機風量和位置以模擬環境條件,穩定風速范圍0～5 m/s,精度0.2%F.S.;氣體濃度采集儀,采集擴散甲烷濃度分布數據,品牌為元特科技,范圍0～100×10-6,0～1 000×10-6,精度0.1%F.S.。

1.2 實驗內容

1.2.1 典型工況

根據平臺風險辨識結果,選取儲罐、天然氣處理系統、三相分離器作為典型氣體泄漏的事故源,操作壓力選取常壓、280 kPa、300 kPa這3種工況。根據SY/T 6714—2008《基于風險檢驗的基礎方法》的推薦,選擇中孔泄漏,代表尺寸為25.4 mm,再根據AQ/T 3046—2013《化工企業定量風險評價導則》的推薦計算代表泄漏速率。平臺所在埕島海區地處我國華北沿海,全年平均風速5.3 m/s,6級以上大風達137天,8級以上大風偶有發生,根據GB/T 28591—2012《風力等級》選取5.3 m/s平均風速,6級風12.5 m/s中風速,以及8級風19.0 m/s高風速作為代表風速,并以平臺左右舷、船艏艉設置來風風向。

由此構建3類設備在不同壓力、風速、風向(左舷、右舷、船艏、船艉4種來風風向)下的中孔泄漏事故場景,利用Froude數相似公式(1)～(3)計算實驗風速、泄漏速率和面積,實驗工況見表1。

表1 氣體泄漏實驗工況

1.2.2 實驗步驟

本次實驗分為煙霧擴散示蹤實驗和甲烷氣體示蹤實驗,具體實驗步驟如下。

a) 預設監測點。在實驗開始之前利用煙霧發生器進行煙霧擴散示蹤實驗,針對其中3～4個工況,確定氣體泄漏后在此環境下最可能的擴散路徑,為采集氣體濃度的位置提供參考。

b) 設置環境條件。通過調節風機的位置來實現左右舷、船艏艉方向來風;通過調節風機出風量實現1.13,2.67,4.05 m/s風速。

c) 釋放甲烷氣體。在調節好風機后,從鋼瓶釋放甲烷,通過質量流速控制儀控制泄漏速率,以代表不同設備泄漏。

d) 采集氣體濃度。在實驗時,每隔10 s在預設的監測點處用氣體濃度采集儀采集該處的氣體濃度數據。實驗在5 min后停止,關閉鋼瓶閥門,關閉風機,數據采集工作停止,一次實驗結束。

1.3 實驗結果

實驗共進行36組工況,得到1 080組濃度數據,獲得了儲罐、天然氣處理系統及三相分離器3種設備在不同工況下的泄漏擴散過程,部分實驗數據見表2。

表2 甲烷泄漏氣體濃度實驗數據(部分) ×10-6

2 平臺泄漏擴散數值模擬

以FLACS作為模擬工具,將甲烷視為可壓縮流體,其射流及擴散過程遵循連續方程、質量守恒、動量守恒以及能量守恒,并基于標準k-ε模型雷諾平均Navier-Stokes(RANS)方程,引入雷諾應力封閉模式求解。

2.1 數值模擬模型

依據實驗平臺模型,采用FLACS軟件完成結構尺寸1∶1三維數值建模,網格劃分為10 m×9 m×9 m的計算域,在確保計算精度的前提下,為提高計算效率,將網格計算區域分為核心區域和拓展區域[5]。核心區域包括儲罐、天然氣處理系統、三相分離器等設備,其他區域為拓展區域,數值模型如圖2所示。

圖2 海洋平臺數值模型

2.2 數值模擬結果

依據氣體泄漏實驗工況,開展數值模擬,模擬泄漏時間為300 s,每隔10 s測得一組濃度數據。以4.05 m/s風速為例,部分模擬結果如圖3所示。

圖3 4.05 m/s風速部分模擬結果

共獲得1 080組數據,部分模擬數據見表3。

表3 甲烷泄漏氣體濃度模擬數據(部分) ×10-6

3 數值模擬模型驗證與分析

3.1 濃度誤差分析與驗證

將實驗和模擬數據進行對比,誤差δ計算公式如下:

(4)

式中:xn——數值模擬數據,×10-6;

xe——實驗數據,×10-6。

對得到的δ依據設備和風速整理并取平均后,見表4。

表4 濃度平均誤差

從表4中可以看出,在不同風速下,每個設備泄漏擴散模擬的平均誤差在7.97%～9.68%之間,經計算,所有計算數據的總平均誤差在8.70%。圖4為誤差數據在時間上的分布情況,在各個時間位置,誤差都集中分布在平均誤差上下,體現了較好的一致性。綜合平均誤差統計和誤差在時間上的分布情況,認為數值模型有效地實現了對實驗過程的模擬。

圖4 擴散濃度模擬誤差分布

3.2 擴散規律分析

風速會極大地影響甲烷泄漏擴散的濃度,隨著風速增加,平臺同位置泄漏濃度顯著降低。以儲罐為泄漏源、右舷為監測點,根據實驗監測結果,當風速分別為1.13,2.67,4.05 m/s時,泄漏60 s,測點濃度平均值從60.1×10-6降至53.2×10-6、37.9×10-6,詳見表2右舷風向實驗數據。

甲烷主要沿下風向擴散,且受空間開闊程度影響顯著,在開闊區域,泄漏甲烷擴散快,危害程度低;在設備密集區,甲烷擴散易被阻滯,危害程度明顯增加。如圖3所示,根據數值模擬結果,上層甲板空間開闊,儲罐泄漏后,甲烷受風向控制,能夠快速遠離平臺,擴散面呈現窄而狹長狀態;而位于平臺下層的三相分離器,設備密集,阻滯了環境風的運動,造成甲烷聚集,覆蓋了整層甲板,形成寬闊的擴散面,危害較大。

4 結論

本文搭建了基于實際海洋平臺結構的縮比例實驗模型,完成了不同設備、不同環境條件下海洋采油平臺甲烷泄漏擴散實驗,獲取了平臺不同位置氣體泄漏擴散過程的濃度數據。同時,采用FLACS軟件進行了數值模擬,開展了對比分析,得到了泄漏擴散規律。

a) 建立了海洋采油平臺設備泄漏數值模型,通過與實驗數據的對比,數值模擬結果總平均誤差在8.70%,驗證了模型預測的準確性,可用于平臺泄漏擴散的安全風險評估。

b) 根據實驗數據和數值模擬,泄漏甲烷受風速影響較大,主要向下風向擴散,且受平臺內部空間開闊程度影響明顯,通過改變風速、風向及平臺空間布局等措施,可降低平臺氣體泄漏危害程度。