關于石油化工安全，CFD能做什么

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

還有沒有看過的同學先感受一下本片的預告片:

劇情簡介

本片改編自真實事件,講述一隊石油工人在面臨有史以來最嚴重的人為災難時,以無上的勇氣和堅定的意志,與災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——“深水地平線”。平臺副經理麥克·威廉姆斯(馬克·沃爾伯格飾演)帶領自己的團隊即將完成一次破紀錄深度的鉆井作業(yè)。不料突發(fā)井壓不穩(wěn)和壓沖導致緊急安全系統(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,形成數十米高的油柱,沖天大火隨之而來。數百萬噸原 油傾瀉而出,整個鉆井平臺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。因火勢太大,海上救援隊伍無法靠近。麥克帶領幾名勇敢的同伴,展開自救行動。他們搜救傷者、安排撤離,堅守到最后一刻。鉆井平臺即將沉沒,麥克和他的同伴必須在水深火熱之中逃出生天。

真實事件

2010年4月20日,BP租賃的“深水地平線”海上鉆井平臺在墨西哥灣水域發(fā)生爆炸并沉沒,導致11名工作人員死亡,319萬桶原油持續(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)境災難,當地漁業(yè)和旅游業(yè)都受到波及,成為美國“史上危害最嚴重的海上漏油事故”,盡管事故發(fā)生已整整過去6年,其造成的環(huán)境污染和經濟影響至今仍在持續(xù)。

石油化工行業(yè)是關系到國計民生的國家重點行業(yè)。由于石油化工產品多為易燃易爆產品,在生產、儲存、運輸等環(huán)節(jié)中都具有很多潛在風險。因此相關的安全、環(huán)保技術對保障整個產業(yè)鏈的正常進行具有重要的意義。

石化行業(yè)主要關注的工藝安全、設備或設施安全、過程控制安全、儲運安全,根據國家法規(guī)及國際通行的慣例,需要有事故應急的預案,具有風險評估體系,環(huán)境管理及治理,另外還需關注職業(yè)健康等等。

對儲罐安全風險,危險品泄漏,有毒有害氣體泄漏擴散,爆炸,火災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)的應用領域

• 石油石化設備內的流動、傳熱及多物理場耦合問題;

• 受限空間的仿真:液化石油氣、天然氣等的爆炸,氣體擴散等;

• 石化場所的風險分析;

• 儲罐破裂泄漏導致的物料損失分析,圍堰(防火墻)的設計與優(yōu)化;有毒、可燃氣體擴散、爆炸、火災;

• 環(huán)境影響研究(煙羽,各種氣體擴散,水污染等等)

氣體擴散火災爆炸定量風險分析

意外的氣體爆炸能夠導致嚴重的破壞,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,需要對氣體爆炸有良好的理解,并能夠將這種理解轉變?yōu)閷嶋H的理解和措施。氣體爆炸定義為一個預混氣體空氣云團燃燒引起壓力快速增加的過程。氣體爆炸可能發(fā)生在加工設備或管路內,建筑物中或海上單元,在加工區(qū)域或無約束區(qū)域。氣體爆炸是下圖表述時間鏈的一部分。當分析氣體爆炸的危險時,有必要分析這些事件中的泄漏產生,經過擴散和混合(包括通風條件),點燃,爆炸和結構對爆炸的響應。

對爆炸風險管理來說,最重要的目的就是將爆炸導致不可接受的結果的可能性降低到可接受水平。達到這樣目標的手段應當至少滿足下列要求之一:

• 降低爆炸發(fā)生的可能性

• 技術上控制爆炸,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果,有必要量化爆炸概率、爆炸載荷和結構對爆炸的響應。

通風分析

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

CFD可模擬復雜幾何區(qū)域的外部風場及內部通風環(huán)境,以分析區(qū)域內的風速與空氣溫度對區(qū)域內工作人員的綜合影響。通過CFD通風模擬,可以得到如下分析:

• 外部風場的模擬

• 壓入式/采暖通風與空調通風模擬

• 天窗的阻力因素

• 外部風況變化引起的空氣交換率

• 網狀物和其它封阻的影響

• 模塊和穿過天窗的流速

擴散分析

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

真實情況氣云的爆炸場景。

擴散分析的結果也能夠用于優(yōu)化氣體探測器在大量典型情境的位置,或確認當前/建議的氣體探測器的數量和位置是否適當。擴散模擬還能用于從基本的氣云大小到質量可靠性保證。

除此之外,擴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

• 強迫和自然的通風情況

• 氣體擴散位置和空氣入口的濃度剖面

• 噴射排放/擴散排放

• 擴散期間的任何時間和位置的點火的現實情境設計

• 廢氣的擴散和排放

爆炸分析

最危險狀況爆炸分析的目的是評估現實中一個特定的區(qū)域布局最大可能承受的超壓力水平。通過進行一定數量的擴散仿真模擬,目的是制造有盡可能大的易燃部分的氣體云團(找到最危險的結果),再根據擴散仿真結果進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限制爆炸會產生一種或者多種外部超壓力區(qū)域。壓力波會在這些區(qū)域向各個方向釋放。如果火焰多次地強烈地加劇燃燒或者壓制燃燒(如由于充分大空間內的狹窄區(qū)域),會產生超過一次的沖擊波高峰。排放型爆炸也會在沖擊波中有多次的壓力最高峰,因為充分釋放,外部爆炸和由于外部爆炸后內部大量燃燒而引起容器的強烈散氣。多個通風出口會引起幾個壓力波的干涉。

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

優(yōu)化布局設計減壓

除了在區(qū)域發(fā)生的過壓爆炸,氣云的形成取決于區(qū)域的禁閉、設備、管道系統(tǒng)和結構布局。因此,在爆炸分析期間,可以調查通過修改布局對過壓產生什么效果。特別是,當布局未被固定時,在項目的早期的階

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,應嘗試:

• 確定可能的減壓措施(即柵欄效果,水沖效果、開口設計,墻壁調整等)的作用

• 進行選擇的爆炸仿真來評估提出的減壓措施并排序優(yōu)化過程也許基于最危險工況的爆炸分析。

氣體檢測系統(tǒng)優(yōu)化

在事故氣體釋放情形下,氣體檢測系統(tǒng)是為避免或減輕氣體爆炸后果的一個重要工具。 氣體探測研究的宗旨就是為了防止和減緩氣體爆炸而評估或改進氣體檢測系統(tǒng)。氣體的探測和爆炸風險之間的復雜連系是根據通過CFD對擴散模擬的分析。

氣體探測系統(tǒng)要考慮到的以下方面:

• 氣體探測器布局:位置、氣體探測器的數量和類型

• 探測標準:探測器的設定值(%LEL和LEL.m)

環(huán)境風險定量分析

可以通過CFD的方法用來預測在海洋溢出的油的歸宿,包括傳輸擴散和化學組分的變化。計算模型選用的是拉格朗日模型,可以與水動力模型進行耦合求解。

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

面臨最黑暗的時刻,僅僅抱有希望可不是什么好辦法。

—— 《深海浩劫》