關(guān)于石油化工安全，CFD能做什么

2016年11月15日,國(guó)內(nèi)最新上映了一部好萊塢大片《深海浩劫》,該片是根據(jù)2010年美國(guó)墨西哥灣原油泄漏事件改編,講述了石油鉆井平臺(tái)上的工作人員在特大事故中的生死經(jīng)歷的故事。

還有沒(méi)有看過(guò)的同學(xué)先感受一下本片的預(yù)告片:

劇情簡(jiǎn)介

本片改編自真實(shí)事件,講述一隊(duì)石油工人在面臨有史以來(lái)最嚴(yán)重的人為災(zāi)難時(shí),以無(wú)上的勇氣和堅(jiān)定的意志,與災(zāi)難搏斗奮力自救的故事。離岸40英里以外,廣闊的墨西哥灣洋面上矗立著世界頂尖的海上鉆井平臺(tái)——“深水地平線”。平臺(tái)副經(jīng)理麥克·威廉姆斯(馬克·沃爾伯格飾演)帶領(lǐng)自己的團(tuán)隊(duì)即將完成一次破紀(jì)錄深度的鉆井作業(yè)。不料突發(fā)井壓不穩(wěn)和壓沖導(dǎo)致緊急安全系統(tǒng)失靈,隨即引發(fā)連環(huán)爆炸,深海原油沖破井蓋噴涌出來(lái),形成數(shù)十米高的油柱,沖天大火隨之而來(lái)。數(shù)百萬(wàn)噸原 油傾瀉而出,整個(gè)鉆井平臺(tái)及附近的海平面都被遮天濃煙和熊熊大火包圍,變成人間煉獄,126名鉆井工人被困其中。因火勢(shì)太大,海上救援隊(duì)伍無(wú)法靠近。麥克帶領(lǐng)幾名勇敢的同伴,展開(kāi)自救行動(dòng)。他們搜救傷者、安排撤離,堅(jiān)守到最后一刻。鉆井平臺(tái)即將沉沒(méi),麥克和他的同伴必須在水深火熱之中逃出生天。

真實(shí)事件

2010年4月20日,BP租賃的“深水地平線”海上鉆井平臺(tái)在墨西哥灣水域發(fā)生爆炸并沉沒(méi),導(dǎo)致11名工作人員死亡,319萬(wàn)桶原油持續(xù)泄漏了87天。近1500公里海灘受到污染,至少2500平方公里的海水被石油覆蓋,并引發(fā)影響多種生物的環(huán)境災(zāi)難,當(dāng)?shù)貪O業(yè)和旅游業(yè)都受到波及,成為美國(guó)“史上危害最嚴(yán)重的海上漏油事故”,盡管事故發(fā)生已整整過(guò)去6年,其造成的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)影響至今仍在持續(xù)。

石油化工行業(yè)是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的國(guó)家重點(diǎn)行業(yè)。由于石油化工產(chǎn)品多為易燃易爆產(chǎn)品,在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)中都具有很多潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此相關(guān)的安全、環(huán)保技術(shù)對(duì)保障整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的正常進(jìn)行具有重要的意義。

石化行業(yè)主要關(guān)注的工藝安全、設(shè)備或設(shè)施安全、過(guò)程控制安全、儲(chǔ)運(yùn)安全,根據(jù)國(guó)家法規(guī)及國(guó)際通行的慣例,需要有事故應(yīng)急的預(yù)案,具有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系,環(huán)境管理及治理,另外還需關(guān)注職業(yè)健康等等。

對(duì)儲(chǔ)罐安全風(fēng)險(xiǎn),危險(xiǎn)品泄漏,有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散,爆炸,火災(zāi)等的仿真也是石化行業(yè)信息化的必然要求。CFD仿真分析是此方面十分重要的分析手段。

CFD在石化行業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域

• 石油石化設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)、傳熱及多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題;

• 受限空間的仿真:液化石油氣、天然氣等的爆炸,氣體擴(kuò)散等;

• 石化場(chǎng)所的風(fēng)險(xiǎn)分析;

• 儲(chǔ)罐破裂泄漏導(dǎo)致的物料損失分析,圍堰(防火墻)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化;有毒、可燃?xì)怏w擴(kuò)散、爆炸、火災(zāi);

• 環(huán)境影響研究(煙羽,各種氣體擴(kuò)散,水污染等等)

氣體擴(kuò)散火災(zāi)爆炸定量風(fēng)險(xiǎn)分析

意外的氣體爆炸能夠?qū)е聡?yán)重的破壞,并使得小事件積累成為大事故。防止這樣事件的發(fā)生或降低事故發(fā)生后的后果,需要對(duì)氣體爆炸有良好的理解,并能夠?qū)⑦@種理解轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際的理解和措施。氣體爆炸定義為一個(gè)預(yù)混氣體空氣云團(tuán)燃燒引起壓力快速增加的過(guò)程。氣體爆炸可能發(fā)生在加工設(shè)備或管路內(nèi),建筑物中或海上單元,在加工區(qū)域或無(wú)約束區(qū)域。氣體爆炸是下圖表述時(shí)間鏈的一部分。當(dāng)分析氣體爆炸的危險(xiǎn)時(shí),有必要分析這些事件中的泄漏產(chǎn)生,經(jīng)過(guò)擴(kuò)散和混合(包括通風(fēng)條件),點(diǎn)燃,爆炸和結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸的響應(yīng)。

對(duì)爆炸風(fēng)險(xiǎn)管理來(lái)說(shuō),最重要的目的就是將爆炸導(dǎo)致不可接受的結(jié)果的可能性降低到可接受水平。達(dá)到這樣目標(biāo)的手段應(yīng)當(dāng)至少滿足下列要求之一:

• 降低爆炸發(fā)生的可能性

• 技術(shù)上控制爆炸,將爆炸載荷降低到可接受的程度

• 減輕爆炸后果并減少因爆炸載荷造成的連鎖事故的可能性作為這些要求的結(jié)果,有必要量化爆炸概率、爆炸載荷和結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸的響應(yīng)。

通風(fēng)分析

通風(fēng)研究的主要目的是為了定義在擴(kuò)散模擬中使用的一系列典型的通風(fēng)情況,通風(fēng)模擬的結(jié)果可輸入擴(kuò)散模擬,從而模擬在真實(shí)通風(fēng)情況下的氣體泄漏和氣云聚積情況。

CFD可模擬復(fù)雜幾何區(qū)域的外部風(fēng)場(chǎng)及內(nèi)部通風(fēng)環(huán)境,以分析區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速與空氣溫度對(duì)區(qū)域內(nèi)工作人員的綜合影響。通過(guò)CFD通風(fēng)模擬,可以得到如下分析:

• 外部風(fēng)場(chǎng)的模擬

• 壓入式/采暖通風(fēng)與空調(diào)通風(fēng)模擬

• 天窗的阻力因素

• 外部風(fēng)況變化引起的空氣交換率

• 網(wǎng)狀物和其它封阻的影響

• 模塊和穿過(guò)天窗的流速

擴(kuò)散分析

擴(kuò)散分析的目的是為了從典型的通風(fēng)情況和泄露情形在關(guān)注區(qū)域計(jì)算潛在氣云模型。對(duì)于明確的泄漏尺寸、位置、方向和風(fēng)況,擴(kuò)散模擬能計(jì)算氣云的范圍和濃度分布。擴(kuò)散模擬的結(jié)果可輸入爆炸模擬,模擬基于

真實(shí)情況氣云的爆炸場(chǎng)景。

擴(kuò)散分析的結(jié)果也能夠用于優(yōu)化氣體探測(cè)器在大量典型情境的位置,或確認(rèn)當(dāng)前/建議的氣體探測(cè)器的數(shù)量和位置是否適當(dāng)。擴(kuò)散模擬還能用于從基本的氣云大小到質(zhì)量可靠性保證。

除此之外,擴(kuò)散分析還能被用于如下幾種情況:

• 模擬氣體排放

• 泄漏源位置、大小和方向

• 強(qiáng)迫和自然的通風(fēng)情況

• 氣體擴(kuò)散位置和空氣入口的濃度剖面

• 噴射排放/擴(kuò)散排放

• 擴(kuò)散期間的任何時(shí)間和位置的點(diǎn)火的現(xiàn)實(shí)情境設(shè)計(jì)

• 廢氣的擴(kuò)散和排放

爆炸分析

最危險(xiǎn)狀況爆炸分析的目的是評(píng)估現(xiàn)實(shí)中一個(gè)特定的區(qū)域布局最大可能承受的超壓力水平。通過(guò)進(jìn)行一定數(shù)量的擴(kuò)散仿真模擬,目的是制造有盡可能大的易燃部分的氣體云團(tuán)(找到最危險(xiǎn)的結(jié)果),再根據(jù)擴(kuò)散仿真結(jié)果進(jìn)行一定的爆炸仿真模擬。

沖擊波傳播

排放型氣體爆炸或者無(wú)限制爆炸會(huì)產(chǎn)生一種或者多種外部超壓力區(qū)域。壓力波會(huì)在這些區(qū)域向各個(gè)方向釋放。如果火焰多次地強(qiáng)烈地加劇燃燒或者壓制燃燒(如由于充分大空間內(nèi)的狹窄區(qū)域),會(huì)產(chǎn)生超過(guò)一次的沖擊波高峰。排放型爆炸也會(huì)在沖擊波中有多次的壓力最高峰,因?yàn)槌浞轴尫?外部爆炸和由于外部爆炸后內(nèi)部大量燃燒而引起容器的強(qiáng)烈散氣。多個(gè)通風(fēng)出口會(huì)引起幾個(gè)壓力波的干涉。

使用CFD方法能很好地詮釋最初的爆炸和由于多個(gè)開(kāi)口而造成的空間效應(yīng)如屏蔽,聚焦,反射和壓力波干擾。

優(yōu)化布局設(shè)計(jì)減壓

除了在區(qū)域發(fā)生的過(guò)壓爆炸,氣云的形成取決于區(qū)域的禁閉、設(shè)備、管道系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)布局。因此,在爆炸分析期間,可以調(diào)查通過(guò)修改布局對(duì)過(guò)壓產(chǎn)生什么效果。特別是,當(dāng)布局未被固定時(shí),在項(xiàng)目的早期的階

段,這也許是非常有效的。其他減壓措施也能考慮到。

典型的情況,應(yīng)嘗試:

• 確定可能的減壓措施(即柵欄效果,水沖效果、開(kāi)口設(shè)計(jì),墻壁調(diào)整等)的作用

• 進(jìn)行選擇的爆炸仿真來(lái)評(píng)估提出的減壓措施并排序優(yōu)化過(guò)程也許基于最危險(xiǎn)工況的爆炸分析。

氣體檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化

在事故氣體釋放情形下,氣體檢測(cè)系統(tǒng)是為避免或減輕氣體爆炸后果的一個(gè)重要工具。 氣體探測(cè)研究的宗旨就是為了防止和減緩氣體爆炸而評(píng)估或改進(jìn)氣體檢測(cè)系統(tǒng)。氣體的探測(cè)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)之間的復(fù)雜連系是根據(jù)通過(guò)CFD對(duì)擴(kuò)散模擬的分析。

氣體探測(cè)系統(tǒng)要考慮到的以下方面:

• 氣體探測(cè)器布局:位置、氣體探測(cè)器的數(shù)量和類型

• 探測(cè)標(biāo)準(zhǔn):探測(cè)器的設(shè)定值(%LEL和LEL.m)

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)定量分析

可以通過(guò)CFD的方法用來(lái)預(yù)測(cè)在海洋溢出的油的歸宿,包括傳輸擴(kuò)散和化學(xué)組分的變化。計(jì)算模型選用的是拉格朗日模型,可以與水動(dòng)力模型進(jìn)行耦合求解。

When faced with our darkest hour, hope is not a tactic.

面臨最黑暗的時(shí)刻,僅僅抱有希望可不是什么好辦法。

—— 《深海浩劫》