刘梦诗
（中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）
摘要：目前针对海上油气平台泄漏扩散特性的研究大多针对自由空间泄放，但海上平台空间有限且设施设备布置紧凑，因此受限空间内的泄漏扩散与自由空间不同，本文利用Fluent软件对海上平台受限空间内的气体泄漏扩散特性进行模拟研究，同时分析风条件和泄漏源特性对气体扩散的影响，为平台布置方案提供一定指导。
关键词：海上平台；受限空间；气体扩散
1 研究背景
目前针对海上油气平台泄漏扩散特性的研究大多针对自由空间泄放[1-3]，但海上平台空间有限且设施设备布置紧凑，实际上发生的泄漏均在受限空间内进行，平台甲板及其上布置的设施设备都会对扩散特性产生影响，扩散规律将与自由空间不同。本文利用Fluent软件对海上平台受限空间内的气体泄漏扩散特性进行模拟研究，并分析不同风条件和泄漏源特性对气体扩散的影响，为平台布置方案提供一定指导。
2 基础数据及计算模型
某海上气田中心处理平台是一座8腿带井口中心气处理平台。平台桩腿间距为（14+16+14）m×18m，平台上设有生活楼、油气分离处理系统、压缩机系统、凝析油外输系统等，共有12个井槽，按照4（行）×3（列）排列，采油树布置在中层甲板，中层甲板尺寸为64m×40m，层高9m。中层甲板布置方案为：2轴处设有防爆墙将危险区和安全区隔开，2轴东侧为危险区，主要布置有采油树、生产管汇、生产分离器、段塞流捕集器和换热器等。
根据甲板上设备布置建立中层甲板的物理模型，假设2轴处防爆墙将其东西两侧完全分隔，本文仅研究2轴东侧气体扩散特性，选择计算区域为200 m×80 m×200m，采用非均匀四面体网格划分区域，在泄放口附近区域进行网格加密。
以该平台井口区所在的中层甲板为分析案例，运用FLUENT软件模拟危险性气体泄漏后的释放扩散过程，给出扩散气体的浓度空间分布以及各影响因素对气体扩散的影响。在气体扩散模拟中，可燃气体组分及其体积百分数如下：CO2 9%、C1 96%、C2 10%、C3 5%。在FLUENT软件中设置重力加速度y=-9.81m/s2，启用能量方程，选用标准模型和组分输送模型，选用SIMPLE算法进行求解。有风条件下设定上风向长方体面为速度入口边界条件，计算区域的其余面为压力出口边界条件，各泄放口处的圆形区域设为速度入口边界条件。
3 工况模拟与分析
3.1 不同风条件下的泄漏扩散
以风为东向风、6m/s，泄漏口位于井口上，泄漏速度5m/s、泄漏方向-Z为基础工况，分别将风速改为3m/s和风向改为北向风。
从计算结果来看，在泄漏口附近气体浓度较高，随着距泄漏点距离的增加浓度逐渐下降。但设备、甲板等约束物的存在对空间内气体流场产生了较大影响：在约束物迎向壁面处形成了顺时针旋涡，约束物背向形成了逆时针旋涡，气流旋涡不断卷吸泄漏气体，造成了泄漏气体的驻留，导致约束物附近气体浓度较大且前后两侧存在浓度差。由于井口区四周均布置有设备，因此泄漏的气体大多被限定在了井口区，一旦遇明火或气体浓度达到爆炸极限极易发生火灾爆炸事故。
当泄漏气体在扩散过程中遇到上层甲板和防火墙时，由于内壁的阻碍作用，导致沿墙面各点浓度较大。同时泄漏的气体在扩散过程中受到重力的作用向下运动，因此在扩散空间底部同样聚集了较高浓度的气体。
风向为东向时，风主要沿着右侧两设备间的缝隙进入井口区稀释泄漏的气体，在风的携带作用下气体沿下风向进行扩散，气体浓度变化梯度方向与风向一致，经过设备时将从两侧绕行；风速越大，相同位置处气体的浓度越低，气体扩散的影响区域越小。风向为北向时，由于泄漏点南侧设备布置较少，空间拥塞度较低，通风条件好，因此利用气体在下风向的扩散，可燃气体泄漏浓度较低。由此，避免井口区周边布置过于紧密的设施设备，尤其是主风向的方向上，更有利于平台的安全。
3.2 不同泄漏源特性下的泄漏扩散
海上平台通常设备布置紧凑，泄漏点周边多存在约束物，因此不同泄漏方向泄漏扩散特性的影响差异不大。以风为东向风、6m/s，泄漏口位于井口上，泄漏速度0.1m/s、泄漏方向+X为基础工况，分别将泄漏速度改为10m/s和泄漏点位置改为井口区北侧。
从计算结果来看，在不同泄漏速率条件下，气体的泄漏速率越大，气体与空气的混合作用加剧，下风向气体浓度越高，扩散影响区域也会相应增大。当发生小型泄漏速时，气体扩散方向以风向为主导；而发生大型泄漏时，气体扩散方向以泄漏方向为主导，同时在约束物的限制作用下气体形成局部积聚。
泄漏点位置发生改变时，在约束物和风的联合作用下，泄放源离约束物越近，在气体扩散中，大部分气体被约束物的迎风面挡回导致气体聚集，而越过障碍物的危险气体越少，对平台安全产生危害。
4 结论
本文以某海上气田中心平台井口区所在的中层甲板为分析案例，运用FLUENT软件模拟可燃气体泄漏扩散特性，得到甲板内气体浓度分布的概况，分析不同风条件和泄漏源特性对扩散特性的影响，得到如下结论：
（1）平台甲板、防火墙和设备等约束物的存在对气体扩散有很大影响，导致约束物附近气体浓度较大且前后两侧存在浓度差。
（2）发生在井口区的泄漏由于其四周均布置有设备，因此泄漏的气体大多被限定在了井口区，一旦遇明火或气体浓度达到爆炸极限极易发生火灾爆炸事故。
（3）气体浓度变化梯度方向与风向一致，风速越大、相同区域内气体的扩散浓度越低，扩散影响的范围也相应越小。
（4）气体的泄漏速率越大，下风向气体浓度越高，扩散影响区域也会相应增大。当发生小型泄漏速时，气体扩散方向以风向为主导；而发生大型泄漏时，气体扩散方向以泄漏方向为主导，同时在约束物的限制作用下气体形成局部积聚。
参考文献
[1]丁信伟.可燃及毒性气体扩散研究[J].化学工程,2000(l):33一36.魏利军，张政，胡世明，吴宗之. 重气扩散的数值模拟. 中国安全科学学报. 2000，10（2）：26-34.
[2] 马存栋. 高压天然气管道破裂气体扩散规律模拟结果分析[J]. 油气田地面工程. 2005，24(3)：8-10.
[3] 孟志鹏，王淑兰，丁信伟. 约束物附近可燃性气体泄漏扩散的三维数值模拟[J].化工装备技术. 2007，28（2）：74-78.
作者简介：刘梦诗（1990-），女，山东新泰人，硕士研究生，在中海油研究总院有限责任公司从事海洋石油总体配管设计工作。