CFD在石化行业的应用领域

CFD在石化行业的应用领域

11月15日，国内最新上映了一部好莱坞大片《深海浩劫》，该片是根据2010年美国墨西哥湾原油泄漏事件改编，讲述了石油钻井平台上的工作人员在特大事故中的生死经历的故事。还有没有看过的同学先感受一下本片的预告片：

剧情简介

本片改编自真实事件，讲述一队石油工人在面临有史以来最严重的人为灾难时，以无上的勇气和坚定的意志，与灾难搏斗奋力自救的故事。离岸40英里以外，广阔的墨西哥湾洋面上矗立着世界顶尖的海上钻井平台——“深水地平线”。平台副经理麦克·威廉姆斯（马克·沃尔伯格饰演）带领自己的团队即将完成一次破纪录深度的钻井作业。不料突发井压不稳和压冲导致紧急安全系统失灵，随即引发连环爆炸，深海原油冲破井盖喷涌出来，形成数十米高的油柱，冲天大火随之而来。数百万吨原 油倾泻而出，整个钻井平台及附近的海平面都被遮天浓烟和熊熊大火包围，变成人间炼狱，126名钻井工人被困其中。因火势太大，海上救援队伍无法靠近。麦克带领几名勇敢的同伴，展开自救行动。他们搜救伤者、安排撤离，坚守到最后一刻。钻井平台即将沉没，麦克和他的同伴必须在水深火热之中逃出生天。

真实事件

2010年4月20日，BP租赁的“深水地平线”海上钻井平台在墨西哥湾水域发生爆炸并沉没，导致11名工作人员死亡，319万桶原油持续泄漏了87天。近1500公里海滩受到污染，至少2500平方公里的海水被石油覆盖，并引发影响多种生物的环境灾难，当地渔业和旅游业都受到波及，成为美国“史上危害最严重的海上漏油事故”，尽管事故发生已整整过去6年，其造成的环境污染和经济影响至今仍在持续。

关于石油化工安全，CFD能做什么

石油化工行业是关系到国计民生的国家重点行业。由于石油化工产品多为易燃易爆产品，在生产、储存、运输等环节中都具有很多潜在风险。因此相关的安全、环保技术对保障整个产业链的正常进行具有重要的意义。

石化行业主要关注的工艺安全、设备或设施安全、过程控制安全、储运安全，根据国家法规及国际通行的惯例，需要有事故应急的预案，具有风险评估体系，环境管理及治理，另外还需关注职业健康等等。

对储罐安全风险，危险品泄漏，有毒有害气体泄漏扩散，爆炸，火灾等的仿真也是石化行业信息化的必然要求。CFD仿真分析是此方面十分重要的分析手段。

CFD在石化行业的应用领域

• 石油石化设备内的流动、传热及多物理场耦合问题；

• 受限空间的仿真：液化石油气、天然气等的爆炸，气体扩散等；

• 石化场所的风险分析；

• 储罐破裂泄漏导致的物料损失分析，围堰（防火墙）的设计与优化；有毒、可燃气体扩散、爆炸、火灾；

• 环境影响研究（烟羽，各种气体扩散，水污染等等）

气体扩散火灾爆炸定量风险分析

意外的气体爆炸能够导致严重的破坏，并使得小事件积累成为大事故。防止这样事件的发生或降低事故发生后的后果，需要对气体爆炸有良好的理解，并能够将这种理解转变为实际的理解和措施。气体爆炸定义为一个预混气体空气云团燃烧引起压力快速增加的过程。气体爆炸可能发生在加工设备或管路内，建筑物中或海上单元，在加工区域或无约束区域。气体爆炸是下图表述时间链的一部分。当分析气体爆炸的危险时，有必要分析这些事件中的泄漏产生，经过扩散和混合（包括通风条件），点燃，爆炸和结构对爆炸的响应。

对爆炸风险管理来说，最重要的目的就是将爆炸导致不可接受的结果的可能性降低到可接受水平。达到这样目标的手段应当至少满足下列要求之一：

• 降低爆炸发生的可能性

• 技术上控制爆炸，将爆炸载荷降低到可接受的程度

• 减轻爆炸后果并减少因爆炸载荷造成的连锁事故的可能性作为这些要求的结果，有必要量化爆炸概率、爆炸载荷和结构对爆炸的响应。

通风分析

通风研究的主要目的是为了定义在扩散模拟中使用的一系列典型的通风情况，通风模拟的结果可输入扩散模拟，从而模拟在真实通风情况下的气体泄漏和气云聚积情况。

CFD可模拟复杂几何区域的外部风场及内部通风环境，以分析区域内的风速与空气温度对区域内工作人员的综合影响。通过CFD通风模拟，可以得到如下分析：

• 外部风场的模拟

• 压入式/采暖通风与空调通风模拟

• 天窗的阻力因素

• 外部风况变化引起的空气交换率

• 网状物和其它封阻的影响

• 模块和穿过天窗的流速

扩散分析

扩散分析的目的是为了从典型的通风情况和泄露情形在关注区域计算潜在气云模型。对于明确的泄漏尺寸、位置、方向和风况，扩散模拟能计算气云的范围和浓度分布。扩散模拟的结果可输入爆炸模拟，模拟基于

真实情况气云的爆炸场景。

扩散分析的结果也能够用于优化气体探测器在大量典型情境的位置，或确认当前/建议的气体探测器的数量和位置是否适当。扩散模拟还能用于从基本的气云大小到质量可靠性保证。

除此之外，扩散分析还能被用于如下几种情况：

• 模拟气体排放

• 泄漏源位置、大小和方向

• 强迫和自然的通风情况

• 气体扩散位置和空气入口的浓度剖面

• 喷射排放/扩散排放

• 扩散期间的任何时间和位置的点火的现实情境设计

• 废气的扩散和排放

爆炸分析

最危险状况爆炸分析的目的是评估现实中一个特定的区域布局最大可能承受的超压力水平。通过进行一定数量的扩散仿真模拟，目的是制造有尽可能大的易燃部分的气体云团（找到最危险的结果），再根据扩散仿真结果进行一定的爆炸仿真模拟。

冲击波传播

排放型气体爆炸或者无限制爆炸会产生一种或者多种外部超压力区域。压力波会在这些区域向各个方向释放。如果火焰多次地强烈地加剧燃烧或者压制燃烧（如由于充分大空间内的狭窄区域），会产生超过一次的冲击波高峰。排放型爆炸也会在冲击波中有多次的压力最高峰，因为充分释放，外部爆炸和由于外部爆炸后内部大量燃烧而引起容器的强烈散气。多个通风出口会引起几个压力波的干涉。

使用CFD方法能很好地诠释最初的爆炸和由于多个开口而造成的空间效应如屏蔽，聚焦，反射和压力波干扰。

优化布局设计减压

除了在区域发生的过压爆炸，气云的形成取决于区域的禁闭、设备、管道系统和结构布局。因此，在爆炸分析期间，可以调查通过修改布局对过压产生什么效果。特别是，当布局未被固定时，在项目的早期的阶

段，这也许是非常有效的。其他减压措施也能考虑到。

典型的情况，应尝试：

• 确定可能的减压措施(即栅栏效果，水冲效果、开口设计，墙壁调整等)的作用

• 进行选择的爆炸仿真来评估提出的减压措施并排序优化过程也许基于最危险工况的爆炸分析。

气体检测系统优化

在事故气体释放情形下，气体检测系统是为避免或减轻气体爆炸后果的一个重要工具。 气体探测研究的宗旨就是为了防止和减缓气体爆炸而评估或改进气体检测系统。气体的探测和爆炸风险之间的复杂连系是根据通过CFD对扩散模拟的分析。

气体探测系统要考虑到的以下方面：

• 气体探测器布局:位置、气体探测器的数量和类型

• 探测标准：探测器的设定值(%LEL和LEL.m)

环境风险定量分析

可以通过CFD的方法用来预測在海洋溢出的油的归宿，包括传输扩散和化学组分的变化。计算模型选用的是拉格朗日模型，可以与水动力模型进行耦合求解。

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

面临最黑暗的时刻，仅仅抱有希望可不是什么好办法。 —— 《深海浩劫》

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