海洋平台舱室火灾的数值模拟研究(附件)【字数：10757】
海洋中是巨大的资源宝库，不仅蕴含有大量的矿产资源，同时蕴藏着极其丰富的油气资源。近年来，随着陆地和近岸油气资源被大量采伐，导致大陆油气资源匮乏，向深海处深开采石油已成为必然趋势。但是海洋上的环境比较恶劣，导致工作会很困难，同时海洋平台空间较小，设备设施必须设计的紧凑并且高度集中，开采出的油气资源也会储存其中，稍有不慎便十分容易引发海洋平台火灾，造成不可估量的灾难。本文以某海洋平台上的舱室为研究对象，基于FDS火灾动力学软件对其火灾特性进行数值模拟。通过对舱室火灾内的火焰结构、烟气、温度以及速度等物理量变化规律的分析，结果认为（1）海洋平台舱室由于空间较小，同开放空间的火灾存在有一定差异，导致了一定的特殊现象发生，如烟气的对流与循环卷吸。（2）烟气自身携带的热量是空间温度的主要来源，温度的变化主要是由烟气的热辐射引起的，因此烟气的空间分布在一定程度上决定了空间的温度分布。（3）火势在初期就具有极快的流体速度，火势难以控制，需要人员尽快疏散以减少损失。进行科学的模拟实验可以对海洋平台火灾的火焰传递特性进行分析，为人员的疏散以及撤离提供一定的依据，以保证人员的生命以及财产损失。关键词海洋平台、舱室、火灾特性、数值模拟
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 研究现状 3
1.2.1受限空间火灾模型 3
1.2.2对海洋平台火灾的研究 4
1.2.3海洋平台舱室火灾研究进展 5
1.3 论文主要研究内容 6
1.4 本章小结 7
第二章 数学模型 8
2.1 火灾模拟技术研究的背景 8
2.2 火灾模拟的一般步骤 8
2.3 FDS软件介绍 8
2.4 控制方程 10
2.5 燃烧模型 11
2.6 辐射模型 12
2.7 本章小结┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 13
第三章 物理模型 14
3.1 引言 14
3.2 研究对象的建立 14
3.3 模型建立 15
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3.4 网格划分 15
3.5 火源设置 16
3.5.1热释放率模型 16
3.5.2火源类型的原则 17
3.5.3火源设置 18
3.6 本章小结 18
第四章 计算结果与分析 19
4.1 火焰烟气分析 19
4.2 温度场分析 21
4.3 速度场分析 24
4.4 本章小结 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
第一章 绪论
1.1 研究目的及意义
海洋是巨大的资源宝库，其中蕴含着十分丰富的矿产以及石油资源。而由于油气资源的大量使用，大陆以及近岸的油气资源被开采的日渐枯竭，向海洋以及海底进行资源开发，已经成为了必然趋势,所以用于进行石油开采、开发的海洋平台数量正在不断增长。但是海洋平台上作业环境恶劣，平台在风、流、浪、冰各种恶劣的自然环境作用下，十分容易发生危险，此外，平台上的工作环境比较恶劣，导致施工会很困难，同时海洋平台空间较小，设备设施必须设计的紧凑并且高度集中，开采出的油气资源也会储存其中，在落物、碰撞、摩擦起火等诸多不利的外因影响之下，导致平台的安全性将会大打折扣，导致海洋平台火灾的发生。由于海洋平台空间狭小，建筑密布，内部纵横交错，为了保证通风，管道系统密集，发生火灾之后，走廊会速度被大火吞没，强力的烟气对流使火势失去控制，威胁起居舱室、控制舱室、储油舱室、机械舱室等各个命脉。大火失控后，各个精密仪器设备和开采出的油气都将毁于一旦，导致平台报废，人员也被大火围困无法逃离，导致重大的人员伤亡、巨大的财产损失以及对周围海洋环境的特大污染。所以，通过分析对海洋平台火灾的评估将是十分重要的[1]。
如图11所示：
/
（a）巴西P36平台爆炸 （b）孟买油田1号平火灾
图11：重大海洋平台事故
以下是对以往海洋平台事故的统计[2]，如表11：
表11 海洋平台事故统计
事故年代
事故简述
1988年
在英国北海海域的阿尔法(Piper Alpha)平台上天然气生产平台发生了火灾爆炸，导致了166人死亡，20人受伤。
1989年
在美国墨西哥湾的South Pass Block 60平台上发生工业爆炸火灾，导致平台失效。
1998年
在中国国内的某平台上变电所发生爆燃事故，导致价值百万元的变电所被大火烧毁，财产损失较大，所幸事故中人员全部及时撤离，未造成人员伤亡。
2001年
在巴西的龙卡多油田P36号半浮动式平台上发生工业爆炸火灾，导致10人直接死亡以及平台报废，直接经济损失达4亿多美元。
2005年
在印度石油天然气公司(ONGC)的孟买油田1号钻井平台上突然发生火灾，结果10死亡44人失踪，导致钻井平台完全被破坏，直接财产损失达23亿美元。
由此可见，海洋平台火灾具有复杂性以及特大灾难性，火灾规律多变，但是火灾研究工作却大大落后于消防应用技术的发展。因此，认识和研究海洋平台舱室火灾的发生、发展规律，从而进行海洋平台舱室火灾的数值模拟研究对实施火灾的防控措施具有重要意义。
海洋平台舱室是受限空间的典型代表，其火灾温度变化曲线如图所示，包括增长、轰燃、完全发展和消退四个阶段[3]。如图12所示：
/
图12： 火灾温度变化曲线
随着海洋平台长时间的海上作业，开采了大量的油气资源，存在着部分的油气泄漏，稍有不慎都可能使火灾发生。因此，有必要在海洋平台上配置以探测技术为核心的安全系统，从而实现对火灾事故的有效监控。平台上设置的火灾探测系统能及时、准确地探测早期火灾与可燃气泄漏等事故信息，并通过火灾盘的逻辑分析、处理，实现报警、关断以及消防等功能，最终达到防控火灾事故、保护平台操作人员及生产设施安全的目的。
早期火灾如果能够得到抑制，将对火灾控制起到事半功倍的效果，因此研究海洋平台受限空间火灾早期控制策略就显得极为重要。火灾探测实际上是对与火相关联的四大现象：悬浮微粒、烟雾、辐射热以及火光探测，根据火灾不同阶段具有的不同现象，通常采用感温探测技术、感烟探测技术、火焰探测技术以及复合探测技术感知火灾环境的变化趋势[45]。
目前，海洋平台舱室火灾危险的分析采用的还是比较老套、单一的方法。绝大多数采用的都是DOW化学火灾爆炸危险性指数的评价方法事故树法、事件树法等。但是这些方法具有局限性，只能够定性的或者极少的的定量表示出所处的环境下是否具有火灾爆炸的危险性，但是，其中的人为操作失误以及部分突发事件导致的火灾爆炸事故是很难预料的，而且发生火灾后其中的烟气扩散、火势蔓延都是很难模拟的。所以，我们需要采用一些新的评价方法，即采用FDS模拟软件，建立海洋平台舱室模型并模拟火灾现象，来确保分析后的有效性和准确性。基于验证后的火灾建模方法，以实例的某个舱室为对象，采用FDS进行火灾过程的数值模拟，以获得舱室内的烟气、火焰蔓延以及速度、温度等热流场的变化规律。
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 研究现状 3
1.2.1受限空间火灾模型 3
1.2.2对海洋平台火灾的研究 4
1.2.3海洋平台舱室火灾研究进展 5
1.3 论文主要研究内容 6
1.4 本章小结 7
第二章 数学模型 8
2.1 火灾模拟技术研究的背景 8
2.2 火灾模拟的一般步骤 8
2.3 FDS软件介绍 8
2.4 控制方程 10
2.5 燃烧模型 11
2.6 辐射模型 12
2.7 本章小结┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 13
第三章 物理模型 14
3.1 引言 14
3.2 研究对象的建立 14
3.3 模型建立 15
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
3.4 网格划分 15
3.5 火源设置 16
3.5.1热释放率模型 16
3.5.2火源类型的原则 17
3.5.3火源设置 18
3.6 本章小结 18
第四章 计算结果与分析 19
4.1 火焰烟气分析 19
4.2 温度场分析 21
4.3 速度场分析 24
4.4 本章小结 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
第一章 绪论
1.1 研究目的及意义
海洋是巨大的资源宝库，其中蕴含着十分丰富的矿产以及石油资源。而由于油气资源的大量使用，大陆以及近岸的油气资源被开采的日渐枯竭，向海洋以及海底进行资源开发，已经成为了必然趋势,所以用于进行石油开采、开发的海洋平台数量正在不断增长。但是海洋平台上作业环境恶劣，平台在风、流、浪、冰各种恶劣的自然环境作用下，十分容易发生危险，此外，平台上的工作环境比较恶劣，导致施工会很困难，同时海洋平台空间较小，设备设施必须设计的紧凑并且高度集中，开采出的油气资源也会储存其中，在落物、碰撞、摩擦起火等诸多不利的外因影响之下，导致平台的安全性将会大打折扣，导致海洋平台火灾的发生。由于海洋平台空间狭小，建筑密布，内部纵横交错，为了保证通风，管道系统密集，发生火灾之后，走廊会速度被大火吞没，强力的烟气对流使火势失去控制，威胁起居舱室、控制舱室、储油舱室、机械舱室等各个命脉。大火失控后，各个精密仪器设备和开采出的油气都将毁于一旦，导致平台报废，人员也被大火围困无法逃离，导致重大的人员伤亡、巨大的财产损失以及对周围海洋环境的特大污染。所以，通过分析对海洋平台火灾的评估将是十分重要的[1]。
如图11所示：
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（a）巴西P36平台爆炸 （b）孟买油田1号平火灾
图11：重大海洋平台事故
以下是对以往海洋平台事故的统计[2]，如表11：
表11 海洋平台事故统计
事故年代
事故简述
1988年
在英国北海海域的阿尔法(Piper Alpha)平台上天然气生产平台发生了火灾爆炸，导致了166人死亡，20人受伤。
1989年
在美国墨西哥湾的South Pass Block 60平台上发生工业爆炸火灾，导致平台失效。
1998年
在中国国内的某平台上变电所发生爆燃事故，导致价值百万元的变电所被大火烧毁，财产损失较大，所幸事故中人员全部及时撤离，未造成人员伤亡。
2001年
在巴西的龙卡多油田P36号半浮动式平台上发生工业爆炸火灾，导致10人直接死亡以及平台报废，直接经济损失达4亿多美元。
2005年
在印度石油天然气公司(ONGC)的孟买油田1号钻井平台上突然发生火灾，结果10死亡44人失踪，导致钻井平台完全被破坏，直接财产损失达23亿美元。
由此可见，海洋平台火灾具有复杂性以及特大灾难性，火灾规律多变，但是火灾研究工作却大大落后于消防应用技术的发展。因此，认识和研究海洋平台舱室火灾的发生、发展规律，从而进行海洋平台舱室火灾的数值模拟研究对实施火灾的防控措施具有重要意义。
海洋平台舱室是受限空间的典型代表，其火灾温度变化曲线如图所示，包括增长、轰燃、完全发展和消退四个阶段[3]。如图12所示：
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图12： 火灾温度变化曲线
随着海洋平台长时间的海上作业，开采了大量的油气资源，存在着部分的油气泄漏，稍有不慎都可能使火灾发生。因此，有必要在海洋平台上配置以探测技术为核心的安全系统，从而实现对火灾事故的有效监控。平台上设置的火灾探测系统能及时、准确地探测早期火灾与可燃气泄漏等事故信息，并通过火灾盘的逻辑分析、处理，实现报警、关断以及消防等功能，最终达到防控火灾事故、保护平台操作人员及生产设施安全的目的。
早期火灾如果能够得到抑制，将对火灾控制起到事半功倍的效果，因此研究海洋平台受限空间火灾早期控制策略就显得极为重要。火灾探测实际上是对与火相关联的四大现象：悬浮微粒、烟雾、辐射热以及火光探测，根据火灾不同阶段具有的不同现象，通常采用感温探测技术、感烟探测技术、火焰探测技术以及复合探测技术感知火灾环境的变化趋势[45]。
目前，海洋平台舱室火灾危险的分析采用的还是比较老套、单一的方法。绝大多数采用的都是DOW化学火灾爆炸危险性指数的评价方法事故树法、事件树法等。但是这些方法具有局限性，只能够定性的或者极少的的定量表示出所处的环境下是否具有火灾爆炸的危险性，但是，其中的人为操作失误以及部分突发事件导致的火灾爆炸事故是很难预料的，而且发生火灾后其中的烟气扩散、火势蔓延都是很难模拟的。所以，我们需要采用一些新的评价方法，即采用FDS模拟软件，建立海洋平台舱室模型并模拟火灾现象，来确保分析后的有效性和准确性。基于验证后的火灾建模方法，以实例的某个舱室为对象，采用FDS进行火灾过程的数值模拟，以获得舱室内的烟气、火焰蔓延以及速度、温度等热流场的变化规律。
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