海上FLNG气体泄漏爆炸风险分析

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国际海事组织(IMO)关于船舶排放的法规变得越来越严格。考虑到天然气的环境和经济优势,全球对天然气的需求不断增长,这促进了液化天然气行业的快速发展,从而将天然气勘探推向了世界上更偏僻且此前尚未开发过的海域。在这些地区建造液化天然气(LNG)海上加工厂经济效益低、建造难度大。浮式液化天然气生产储卸装置FLNG(LNG Floating Production Storage and of Floating Unit,又称LNG-FPSO)的发展可以应对开采业逐渐往深海以及边际油田扩展的现状。FLNG可以漂浮在偏远的深海区域对液化天然气(LNG)进行生产、液化、储存,并将其运输到陆上设施。在此过程中,FLNG上的诸多装置、设备充满了碰撞、意外故障、泄漏等各类风险。其中,LNG泄漏后蒸汽的易燃性会带来包括低温损伤、窒息、火灾、爆炸等诸多安全问题。因此,风险分析在液化天然气行业中的应用已经成为全世界非常热门的话题。为了评估与液化天然气设施和开采运输工具相关的事故风险以用于相关项目建造开发和维护过程的危险防范参考,诸多研究人员采用了各种风险分析方法来识别潜在危害,计算事故概率以及评估序列的严重性。基于此,本文总结了LNG风险研究的发展过程,对风险评估理论以及工具进行了介绍,有益于相关从业人员进行参考。其中,计算流体动力学(CFD)建模为研究液化天然气泄漏,蒸汽扩散以及其他相关安全评估提供了强有力的支撑。它以其费用低、耗时短、参数设置方便、结果可视化得到了广泛的应用。基于计算流体动力学,本文采用了FLACS软件模拟FLNG船上开放空间下的泄漏及爆炸场景。该软件是用于模拟气体泄漏扩散及爆炸的有效权威软件之一。本文利用该软件分别分析了不同场景下LNG泄漏后对自身及邻近平台可能产生的危害。具体研究工作包括:首先利用FLACS软件基于两个历史试验,对其场景进行1:1建模,分别验证了计算流体力学软件FLACS用于气体泄漏及爆炸的有效性。随后介绍了关于LNG气体泄漏的理论公式,并基于FLACS对FLNG甲板上的透气桅在开放空间下进行了泄漏安全分析,包括重质和轻质两种气体泄漏情况分析,获得了FLNG船上不同位置的气体泄漏浓度和环境温度随时间变化的情况,从而确定了LNG罐附近的透气桅的安全高度。据此展示了利用FLACS软件在开放空间下分析FLNG船上设备泄漏后对FLNG船危害分析的方法过程。其次,根据历史事故数据库系统性地提出了场景抽样方法——拉丁超立方法。其具有抽样简便、抽样效率高的特点。本文利用拉丁超立方法对泄漏位置、泄漏设备、泄漏速率、风速、风向等要素进行了多维抽样,基于这些抽样获得的要素组合形成了400种泄漏场景。针对抽样出的400种场景,借鉴事故树分析法计算出抽样出的场景泄漏概率和爆炸概率。基于场景计算获得的爆炸概率靠前的3种设备包括电脱盐器、原油储油罐、原油换热器进行了泄漏参数敏感性分析,并在不同区域设置多个监测点,建立可燃气体泄漏特性的一系列评估过程,以模拟FLNG泄漏事故扩散过程中泄漏位置、泄漏速率、风速、风向四个要素对泄漏过程的影响,最终确定了FLNG发生气体泄露扩散特性和以及由此在邻近平台N500上形成的危险区域。最后根据场景爆炸概率,取靠前的80种场景进行泄漏仿真,并对泄漏形成的可燃气云进行点火,模拟这些场景下的爆炸灾害。对80种场景获得的爆炸超压值进行统计,以获得邻近平台在80种场景下不同区域的压力散点图。结合风险可接受准则ALARP以及超压概率超越曲线确认邻近平台不同区域压力设计值,为FLNG与邻近平台距离布置提供参考。根据火灾三角形,给出了减少事故发生可能的建议措施包括预防和减轻人因错误、机械故障、防止装运货物的热化学反应以及预防电气故障以及发生灾害后的LNG气体泄漏应急响应措施等。
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