海洋油气平台甲烷气体扩散模拟及监测效果分析

2019年1月

Petroleum Engineering

石油工程

Chemical Engineering Design Communications化　　　工　　　设　　　计　　　通　　　讯

海洋油气平台甲烷气体扩散模拟及监测效果分析

赵 刚1，郑立新2，从 军3，孟宪龙4

（1.胜利海上监督处，山东东营 257000；2.胜利油田分公司安全环保处，山东东营 257000；3.胜利油田分公司海洋采油厂，山东东营 257237；4.必维（天津）安全技术有限公司，北京 100013）

摘　要：海洋油气平台上的设备及管线之间的连接存在大量密封点，由于设备安装不当、老化、腐蚀等原因极易发生有害气体泄漏，平台设置的气体监测仪有时并不能有效地报警。除了系统自身故障，主要是由于气体监测设备并没有检测到泄漏气体，这种情况给平台带来了极大的安全隐患。如何保证有害气体探测器合理布置，最大限度减小泄漏风险是一个亟待解决的问题。在充分研究某海上油气平台主工艺流程的设备设施布局及运行工况后，运用CFD软件建立平台三维模型，进行不同泄漏条件及风况下的甲烷气体扩散仿真，得到气体受到平台结构及设备布局影响后的浓度分布。根据仿真得到的气体扩散特点及当前监测设备分布情况，给出了改进建议。

关键词：海上平台；计算流体力学；扩散；甲烷；监测中图分类号：F426.22　　文献标志码：A　　文章编号：1003–6490（2019）01–0026–04

Simulation of Methane Gas Diffusion Simulation and Monitoring Effect on

Offshore Oil and Gas Platform

Zhao Gang，Zheng Li-xin，Cong Jun，Meng Xian-long

Abstract：There are a large number of sealing points between the equipment and pipelines on the offshore oil and gas platform.Due to improper installation，aging，corrosion and other reasons，harmful gas leakage is likely to occur.The gas monitor installed on the platform sometimes cannot effectively alarm.The failure of the system itself is mainly due to the fact that the gas monitoring equipment does not detect the leaking gas，which brings great safety hazards to the platform.How to ensure the reasonable arrangement of harmful gas detectors and minimize the risk of leakage is an urgent problem to be solved.After fully studying the equipment layout and operating conditions of the main process of an offshore oil and gas platform，this paper uses CFD software to establish a three-dimensional model of the platform to simulate the diffusion of methane gas under different leakage conditions and wind conditions，and obtain the structure and equipment of the gas receiving platform.The concentration distribution after the layout is affected.According to the characteristics of gas diffusion obtained by simulation and the distribution of current monitoring equipment，suggestions for improvement are given.

Key words：offshore platform；computational fluid dynamics；diffusion；methane；monitoring海洋油气开采属于高风险行业，平台上设备管线存在大量密封点，部分密封点由于设备安装不当、老化、腐蚀等原因经过一段时间的运行可能发生泄漏[1]。尽管平台在设计之初就安装了气体泄漏探测报警系统，然而在投入运营后相当长的一段时间，有时虽然发生了气体泄漏，但气体监测仪并没有正常报警。除了系统自身故障，主要是由于气体监测设备并没有检测到泄漏气体，没有引发报警，一旦遇到点火源就可能引发火灾或者爆炸[2-3]，这种情况给平台安全带来了极大的安全隐患。如何保证气体探测器合理布置，最大限度减小泄漏引起的风险是一个亟待解决的问题。

目前对危险气体泄漏扩散的研究比较倾向于CFD（计算流体力学）仿真的数值模拟方法，它具有低成本、物理环境设置方便、能精确模拟流畅等特点。CFD技术应用于气体扩散研究方面，国外开展得比较早，始于20世纪80年代。美国加州大学的Lawrence Livermore 国家实验室开发了基于有限元划分和单方程k理论湍流子模型的FEM3模型，并对选定的Thorney Island 的系列瞬时释放验证过程进行了数值模拟；Ohba等对重气的湍流模型进行了检验[4-6]；Blackmore 对已有的重气模型进行分析总结后，对比了它们的在研究不同问题时的特点和优势[7]。

在国内，魏利军等[8]通过介绍大气扩散模型的类型，以及当前应用较为广泛的应急反应大气扩散模型，指出加强应急反应大气扩散模型和系统研究的作用；周轶等[9]从重气扩散机理出发，分析了重气的形成原因、扩散过程及扩散影响因素；沈艳涛等[10]利用CFD方法研究有毒气体在大气中的扩散，证明了其建立的模型与实际情况吻合；孟志鹏等[11]使用CFD方法对乙炔气体扩散试验进行仿真分析，模拟了不同风况下的质量浓度分布；朱远星[12]分析了有毒气体泄漏特征及

其扩散规律，建立了气体检测仪优化设置方法，使其能高效、

可靠、准确地检测到各类泄漏并及时提供泄漏报警信息。

本文选择某海上油气平台的主工艺系统，针对其设备设施可能发生的泄漏，使用CFD方法模拟气体扩散，分析现有气体检测点的探测情况，并根据泄漏点的泄漏频率及位置，为泄漏点的管控提出建议。1 泄漏分析

1.1 危险物质

平台的主工艺处理系统流程为：井组平台来液进入三相分离器，经过气液分离后，分出的含水原油经过外输换热器加热后进入分离缓冲罐，通过原油外输泵增压外输至海三联；分离出的天然气经天然气处理撬块处理后，一部分外输至二号平台，另一部分供热媒炉使用。气相成分主要为天然气，后面在进行气体泄漏仿真时，认为其构成为100%的CH4气体。由于此次分析的重点在于对气体泄漏的监测，且液体泄漏后挥发的气体量远低于气体直接泄漏，因此不再单独考虑液相泄漏的情况。

1.2 泄漏单元划分

泄漏单元划分的目的主要在于确定设备发生泄漏时，泄漏物质的构成、压力、温度，以及可能的最大泄漏量。划分的原则是，将ESDV、泵、压缩机视为有效的物理截断点，两者之间的所有设备视为一个泄漏单元。基于PFD、PI&D资料，将平台主工艺流程中的天然气气相处理系统划分成3个单元，分别为三相分离器单元、天然气洗涤器与天然气凝结过滤分离器单元、火炬分液罐单元。

对于泄漏工况的选择，蒋军成等[13]对事故泄漏发生发展的过程、机理及泄漏源形式进行过研究与分析，按泄漏源形式与特征建立不同的泄漏模型。现在国内外在定量风险评估领域，比较倾向于按照泄漏孔径的大小进行区分[14-15]。因此本文根据《AQ/T 3046化工企业定量风险评价导则》，将设备的泄漏按照泄漏孔径分为小、中、大、完全破裂四种情况。

1.3 泄漏工况

收稿日期：2018–11–02作者简介：赵刚（1968—） ，男，山东泰安人，高级工程师，主要从

事石油天然气安全检验检测技术和安全监督管理工作。

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Petroleum Engineering

石油工程第45卷第1期

2019年1月

使用PHAST软件进行泄漏工况计算，该软件拥有一套完整的危险性后果分析模型，可以分析可燃/有毒物质的泄漏、

小泄漏（5mm）

设备名称三相分离器天然气洗涤器天然气凝结过滤分离器火炬分液罐

质量速率kg/s1.22E-021.18E-021.04E-022.09E-02

持续时间

s36003，600.003，600.003，600.00

泄漏速度m/s435.39428.66428.8457.51

中泄漏（25mm）

质量速率kg/s3.05E-012.95E-012.59E-015.23E-01

持续时间

s1，778.912，897.392，919.29348.55

扩散、火灾、爆炸等后果。前面分析得到的泄漏单元在不同工况下的泄漏特征参数计算结果见表1。

大泄漏（100mm）

质量速率kg/s4.87E+004.72E+004.14E+008.37E+00

持续时间

s111.18181.09182.4621.78

泄漏速度m/s435.39428.66428.8457.51

完全泄漏（最大管径）质量速率kg/s5.97E+015.79E+015.07E+011.03E+02

持续时间

s9.0814.7814.891.78

泄漏速度m/s435.39428.66428.8457.51

表1 泄漏参数

泄漏速度m/s435.39428.66428.8457.51

2 CFD建模方法及软件

2.1 方法介绍

分析过程包括下面几步：

第一步，建立所研究问题的物理模型，将流动中的质量、动量、热量传递抽象成为数学、力学模型，并确定几何空间影响区域。

第二步，绘制整个几何形体与其空间影响区域（计算空间）的CAD模型，将几何体的外表面和整个内部空间进行网格划分。

第三步，加入求解所需要的初始条件，入口与出口处的边界条件一般为速度、压力条件。

第四步，选择适当的算法，设定具体的控制求解过程和精度的一些条件，对所需分析的问题进行求解，并且保存数据文件结果。

第五步，选择合适的后处理器（Post Processor）读取计算结果文件，分析并且显示出来。

2.2 软件介绍

本次分析中使用的Fluidyn-PANACHE软件是法国公司FLUIDYN开发的基于三维计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法，用于模拟与危险气体相关大气过程的仿真计算软件。该软件能够考虑复杂的地形起伏、建筑物、构筑物、低速风、泄漏喷射效应等情况对大气流动和扩散的影响，弥补传统基于高斯经验模型方法的不足。软件内置了大气边界层（PBL）模型，能够考虑不同大气稳定度等级的影响，解决了通用CFD软件在这方面的限制。

PANACHE的基本方程为Navier-Stokes方程，同时求解物质的浓度、质量和能量守恒方程。湍流模型方面，PANACHE求解上述方程的雷诺平均形式。雷诺应力模型使用线性涡黏性模型（LEVM），方程如下。

物质浓度守恒

（1）

连续性方程

对所有物质求和，得到连续性方程（质量守恒）：

（2）

Navier-Stokes方程（动量守恒）

（3）

能量守恒方程

q

（4）

其中，ρ：密度。U：速度矢量。ym：

物质m的质量分数。T：温度。p：压力。Dm：物质m的有效扩散系数。τ=γ·（/）（·U）

δ，黏性应力张量。γ·=U+（U）T，应变率（或变形率）张

量。µ：有效粘性系数。κ：膨胀黏性系数（=0为Stokes流体）。δ：单位张量。Cp：定压比热。q：热通量向量=-kT。k：有效热传导系数。Sm：物质m浓度守恒方程的源项。Sρ：连续性方程的源项。SU：动量守恒方程的源项。ST：能量守恒方程的源项。

3 建立模型

3.1 平台几何模型

根据平台结构图及设备布置图，建立扩散分析用的平台三维几何模型，如图1所示。其中，y方向为平台北方向，x方向为平台东方向。

（A）开排甲板 （B）底层甲板

（C）中层甲板 （D）顶层甲板

图1 平台几何模型

3.2 计算模型选择

流动选择k-ε湍流模型，扩散选择标准扩散模型，物质选择甲烷在空气中扩散。

3.3 边界条件

（1）天然气泄漏速率：基于前面单元划分和泄漏工况分

析数据，泄漏设备及泄漏速率参见表1。（2）泄漏点及泄漏方向：根据平台工艺设备及检测设备布置的实际情况，忽略气体直接向平台外部扩散的情况。（3）气象条件：平台所在海域全年平均以南风出现频率最高，以东北风出现最少。全年的平均风速为5.3m/s。垂直分布上，风廓线、温廓线均选择Log Law模式。4 模拟结果及分析

4.1 算例统计

本次模拟计算分析分别考虑了不同泄漏位置、泄漏方向、泄漏速率下的甲烷气体泄漏扩散影响范围，算例统计见表2。稳态计算相较于瞬态是更加保守的情况，故各泄漏位置、方向均做稳态计算；由于上下层甲板对扩散的限制相同，取竖直向上方向的泄漏方向；在水平泄漏方向的选择上，结合泄漏点位情况，分别取水平向西或向东的泄漏方向，由于计算风向为南风，故水平向南的泄漏方向也在工况组合考虑范围内。选取方向遵守总的原则就是尽量使气体向平台内部扩散，如果直接飘向平台外部，就失去了分析的意义。

4.2 模拟结果4.2.1 扩散云图

从图2可看出：算例4的泄漏后扩散影响范围如下所示，其中左侧为云图的三维显示，右侧为泄漏点所在水平面内甲烷浓度分布图。

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第45卷第1期

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表2 模拟算例统计

算例编号

泄漏点

（相对A1的坐标）

设备名称

泄漏方向

泄漏类型1小泄漏23水平向东

中泄漏大泄漏4（5.15，10.2，16.5）三相分离器

完全泄漏5水平向南完全泄漏6竖直向上完全泄漏7小泄漏8中泄漏9水平向西

大泄漏10（10.85，10.2，16.5）三相分离器

完全泄漏11水平向南完全泄漏12竖直向上完全泄漏13小泄漏14中泄漏15天然气洗涤器

水平向东

大泄漏16（-1.2，1.45，25.5）天然气凝结

过滤分离器

完全泄漏

17水平向南完全泄漏18竖直向上

完全泄漏19小泄漏20中泄漏21水平向东

大泄漏22（-0.75，15.5，17.1）火炬分液罐

完全泄漏23水平向南完全泄漏24

竖直向上完全泄漏

图2 算例4甲烷扩散云图

4.2.2 监测器状态

仿真算例中，各可燃气体探测器在不同报警阈值设定下的响应情况见表3所示。当探测器所在位置的甲烷气体体积浓度大于阈值时，视为该探测器触发报警；反之，当探测器所在位置的甲烷气体体积浓度小于阈值时，认为该探测器不会触发报警。

4.3 结果分析

从计算结果可以明显的看出，随着泄漏孔径增大，甲烷气云浓度逐渐增高。并且，各监测点浓度增大幅度比泄漏质量流量增大速度快。例如：按小泄漏、中泄漏、大泄漏、完全泄漏的顺序，泄漏质量速率增幅约为一个量级，而大多数监测点浓度增幅约两个量级，部分监测点浓度增幅更大。这反映了流动、扩散过程的非线性，符合物理实际过程。

根据统计结果可以看出：小泄漏、中泄漏时，绝大多数探测器点位无响应，仅算例8的6号探测器有响应；大泄漏、完全泄漏时，响应的点位数随工况变化较大；泄漏发生时，其所在甲板层的探测器通常会有响应；当可燃气体产生跨平台层扩散现象时，其他层位的探测器也会有响应；当可燃气体探测器响应阈值增大（即灵敏度降低）时，有响应的探测器点位迅速减小。5 建议

本次分析是模拟的主工艺流程中甲烷气体的扩散，由于其密度小于空气，总的扩散趋势是垂直向上。而开排甲板处于整个平台的最底层，所有计算的算例中，开排甲板上的探测器响应情况最差，可以根据实际情况，减少该层的甲烷气体探测器数量。

·28·

表3 各可燃气体探测器点位对各工况响应情况统计表

位号

算例编号

123456789101112131415161718192021222324

1101　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1102　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1103　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1104　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　y　1201　　　　　y　　　　　y　　　　　　　　　yyy1202　　yy　y　yyy　y　　　　　　　　yyyy1203　　yy　y　　yy　y　　　　　　　　yyy　1204　　yy　y　　yy　y　　　　　　　　yyyy1205　　　y　y　　　　　y　　　　　　　　　yyy1206　　　y　　　　　　　y　　　　　　　　　yyy1207　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　yyy1208　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1301　　　　　　　　　　　　　　　　　y　　　　　　1302　　　　　　　　　　　　　　yyyy　　　　y　1303　　　　　y　　　　　y　　y　　　　　　　y　1401　　　　　　　　　　　　　　　　yy　　　　　　1402　　　　　　　　　　　　　　　　yy　　　　　　1403　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1404　　　　　　　　　　　　　　　　y　　　　　y　1405　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　y　1406　　　　　　　　　　　　　　　　y　　　　　y　1407　　　　　　　　　　　　　　　　y　　　　　y　

注：“y”表示报警器位置处气体浓度达到阈值，触发报警。

顶层甲板的1408、1409、1410探测器在各算例中均无数据，是由于从其下层甲板扩散上来的甲烷气体被顶层甲板的设备遮挡，能被监测点检测到的气体浓度很低。且如果其下面的甲板发生气体泄漏，所在层的检测器会更早的发出报警，所以这三处甲烷气体检测点可以考虑去除。

需要注意在狭小的空间内探测器的布设，可有效提高小泄漏和中泄漏情况下的报警。例如，在中层甲板的天然气处理橇右下角3m高处增加1个气体检测器，在底层甲板的火炬分液罐右侧2.5m高处增加1个气体检测器，在两个三相分离器之间2m高处增加1个气体检测器。再次进行模拟分析，并提取这新增的三个监测点的数据发现，所有中泄漏及以上的泄漏情形，大多数可以被监测到。6 结语

结合危险性气体泄漏扩散的特点和海洋平台复杂的作业环境，对平台上可能发生的甲烷气体泄漏后扩散场景进行了仿真，该方法也可以应用于有毒气体的扩散分析，为平台上气体监测设备的优化布置提供指导。另外，可燃气体扩散浓度分布的数据，还可以作为爆炸分析提供初始输入条件，进一步分析闪火及爆炸的影响范围，从而为平台人员制定合理的逃生路径，制定更加符合实际的海洋油气泄漏事故应急预案。对于平台上各种可能造成泄漏的设备，可以根据气体扩散分析结果，结合其当前状态、泄漏频率及空间位置，制定合理的定期检维修策略。

参考文献

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（下转第44页）

第45卷第1期

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Oil and Gas Production

油气开采

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得的经济效益得到最大限度提升。

2.3 提升环境效益，保障企业的可持续性发展

由于经济全球化的不断发展，许多企业为了经济效益生产劣质油品，其能耗造成了严重的环境污染。而油品调和工艺通过严格的调和配比进行油品质量的提升，并且严格控制调和的科学性，极大降低了劣质油品的消耗，有利于环境保护。在人们越来越重视绿色环保的今天，油品调和可谓是一种时代潮流，是符合人们的需求的。所以这有利于企业生产经营中环境效益与经济效益的提升，保障其发展的可持续性。

在我国经济水平得到不断提升的社会背景之下，如果炼油企业想在经济全球化市场竞争更加激烈的背景之下获得更加长远的发展，就要从企业自身在发展中的特点出发，明确油品调和工作对炼油企业发展的重要性。并且要在实际的油品调和工作中引进先进的工艺技术，进而提升企业的生产效率，减少资金的投入。改善油品质量，并且增强自身面对时代潮流发展变化的应变能力，做到满足市场不断变化的需求。在发展过程中，一定要注意对每一个环节和细节的把控，在工作中融入创新发展的理念，不断进行技术上的创新，为企

业的持续发展提供推动力。3 结束语

随着经济全球化的不断发展，市场竞争不断激烈，炼油企业要在这种市场形势中抓住机遇，获得更加长远的发展和进步，就一定要顺应市场的变化，采用油品调和的方式促进油品质量的提升。严格把控资金投入，注重提升油品调和的效率，采用先进的油品调和工艺技术，促进油品质量提升，保障油品持续性的生产经营。同时，油品调和也是站在环境保护的角度上进行的产品生产经营，在人们越来越注重环境保护工作的今天，油品调和满足的不仅是人们的用油需求，也满足了人们对于环境保护的需求，不论是对于企业的发展还是环境效益的提升都有着非常重要的作用。

参考文献

[1] 李岩.多目标进化算法在油品调和中的应用[J].科学咨询（决策管理），2008（12）.[2] 王秀丽.燃油供应企业库存油品管理探究[J].会计师，2010（5）.[3] 郭国进.脉冲调和工艺参数控制探讨[J].石油商技，2010（5）.

（上接第10页）

节约冷水机组耗用0.6MPa蒸汽1.5t/h、电量7kW·h、循环水374m3/h，节约一年维护费用1万元，因此每年至少可节约76.6万元。

3.4 缩短开车时间

改造成生消水后，预冷系统开车时，空气作再生气阀门不需要打开，冷水机组不需要启动，可缩短至少0.5h。

3.5 节约循环水黏泥剥离占用停车的时间

因为循环水系统较脏，每年都会对循环水系统进行化学清洗，为了避免清洗过程中循环水起泡造成空冷塔液泛从而

导致分子筛进水，必须待空分停车后进行循环水黏泥剥离，至少耽误1天半的时间，上部改用生消水后，可以在不停空分的情况下进行黏泥剥离。4 结束语

通过改造，解决了由于夏季循环水温高、溴化锂制冷机故障时，空冷塔出口温度超标，影响空分装置安全稳定运行的问题。空冷塔出口空气温度控制在正常指标内，对分子筛的长期正常运行意义重大，为空分装置的长周期运行提供了保障。

（上接第15页）

化工行业应结合气化炉的特点合理选择煤原料，提高煤炭资源的利用效率，减少煤炭资源燃烧产生的环境污染，推动煤化工行业的可持续发展。首先介绍了煤气化技术，然后阐述了气化炉的实际应用现状，希望可以帮助煤化工行业合理选

择煤气化方式。

参考文献

[1] 黄远光.煤气化技术及气化炉的应用[J].中国化工贸易，2016，（7）8：21-22.

（上接第18页）5 结论

小波变换是一种新的时频分析工具，尤其适合于信号的时频分析及去噪。通过小波阈值去噪的实际应用，选择合适的相关参数，可以获得比较好的去噪效果，达到了保留信号特征、抑制噪声的目的，明显地提高了压力信号的信噪比。

参考文献

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（上接第28页）

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