油田場(chǎng)站硫化氫泄漏擴(kuò)散事故危害區(qū)域劃分

王安鵬 劉洋 王偉斌

摘要：對(duì)油田高含硫場(chǎng)站調(diào)研取得數(shù)據(jù)，基于CFD理論計(jì)算不同風(fēng)速影響下的硫化氫泄漏擴(kuò)散范圍、濃度，分析研究硫化氫泄漏事故災(zāi)變過程，并根據(jù)濃度閾值進(jìn)行了危害區(qū)域的劃分。對(duì)某場(chǎng)站硫化氫泄漏進(jìn)行了事故模擬研究，得到了不同時(shí)刻危害區(qū)域劃分情況，繪制了各級(jí)危害區(qū)域下風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向最遠(yuǎn)距離隨時(shí)間的變化曲線，分析了危害區(qū)域增長(zhǎng)變化情況。

關(guān)鍵詞：硫化氫;CFD;氣體擴(kuò)散

1 引言

硫化氫（H₂S）是僅次于氰化物，易致人死亡的有毒氣體，可能存在于油田生產(chǎn)過程中鉆井、井下、采油氣、注水、集輸?shù)雀鞴に嚵鞒蹋粌H嚴(yán)重威脅著員工的生命安全，也會(huì)造成嚴(yán)重的設(shè)備破壞和環(huán)境污染^[1]。

本研究以勝利河口采油廠高含硫化氫的聯(lián)合站和單井為研究對(duì)象，確定硫化氫泄漏事故典型場(chǎng)景，結(jié)合河口區(qū)當(dāng)?shù)刈匀弧⑸鐣?huì)環(huán)境參數(shù)，應(yīng)用FLACS軟件對(duì)硫化氫泄漏擴(kuò)散范圍和濃度進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了不同時(shí)刻危害區(qū)域劃分情況。通過本研究，將會(huì)為安全管理部門的硫化氫防護(hù)制度修訂和風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管理提供參考依據(jù)，為含硫油氣場(chǎng)站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、安全防護(hù)、應(yīng)急救援提供支持，促進(jìn)油田安全生產(chǎn)。

2 涉硫化氫場(chǎng)站和自然社會(huì)環(huán)境概況

2.1 場(chǎng)站概況

某聯(lián)合站位于東營(yíng)市河口區(qū)，距離河口區(qū)直線距離約8km，南側(cè)有化工廠，東側(cè)零星分布民房，距離海邊約26km，受海洋氣候影響較大。河口采油廠某聯(lián)合站相關(guān)設(shè)備設(shè)施以及選取的某高含硫單井情況如下表：

表2.1-2 河口采油廠某聯(lián)合站含硫設(shè)備情況一覽表

2.2 自然環(huán)境概況

以平均風(fēng)速和D等級(jí)大氣穩(wěn)定度分析硫化氫泄漏后最可能遇到的天氣條件。同時(shí)為保守預(yù)測(cè)硫化氫泄漏擴(kuò)散后的危害情況，以1.5m/s低風(fēng)速和F等級(jí)大氣穩(wěn)定度開展硫化氫泄漏擴(kuò)散分析。

2.3 硫化氫泄漏數(shù)值模擬

1）泄漏源模型

⑴ 天然氣處理裝置/脫硫裝置

站內(nèi)入口管線發(fā)生泄漏，泄漏孔徑為小泄漏5mm，中泄漏25mm，大泄漏管線破裂^[2]。對(duì)小、中孔泄漏，依據(jù)氣體泄漏速率公式計(jì)算，其基本形式為：

??（1）

式中，C₀，流量系數(shù);A泄漏面積，m²;P0，壓力，Pa;k，氣體熱容比;M，氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol;R，理想氣體常數(shù)，kg/mol/K;T₀，溫度;K，對(duì)大孔泄漏，認(rèn)為泄漏速率為裝置的處理量^[5]。

⑵ 泵房

泵房?jī)?nèi)法蘭發(fā)生泄漏，計(jì)算公式為：

??（2）

式中：h，墊片與法蘭的間隙cm;△P，管道內(nèi)外壓差，Mpa;r₂/r₁，墊片內(nèi)外半徑比;η，動(dòng)力粘度Pas;ρ，介質(zhì)密度，kg/m³。

泵房?jī)?nèi)管線發(fā)生泄漏，以泵輸量預(yù)測(cè)泄漏速率。

⑶ 儲(chǔ)罐呼吸口

參考公式（1）計(jì)算泄漏速率。

2.4 結(jié)果分析和危害區(qū)域劃分

數(shù)值模擬采用Gexcon公司-FLACS軟件。計(jì)算模擬過程包括兩個(gè)階段，第一階段對(duì)計(jì)算區(qū)域的環(huán)境場(chǎng)開展模擬，以獲得在不同風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下的大氣流動(dòng)情況，其將對(duì)硫化氫的擴(kuò)散起到積極的影響作用;第二階段將泄漏的硫化氫耦合入已經(jīng)完成的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)作用下的硫化氫擴(kuò)散過程的分析，最終確定硫化氫在特定環(huán)境條件下的分布情況，進(jìn)而支持根據(jù)硫化氫對(duì)人員的傷害作用，確定含硫設(shè)施設(shè)備發(fā)生泄漏后擴(kuò)散硫化氫的危害區(qū)域。

（1）天然氣分離器管線泄漏

由于硫化氫含量高，某聯(lián)合站天然氣處理裝置發(fā)生泄漏后，在設(shè)備周邊將會(huì)形成立即威脅生命和健康濃度范圍，其最大影響距離為東南風(fēng)、西北風(fēng)、南風(fēng)、北風(fēng)低風(fēng)速下的7m，其最小影響范圍也可達(dá)到設(shè)備周邊2.5m，可對(duì)人員造成急性傷害影響并致死。

危險(xiǎn)臨界濃度的影響范圍，最大出現(xiàn)在西北風(fēng)低風(fēng)速條件下的22m，最小影響范圍為5m，由于可對(duì)人員造成嚴(yán)重傷害，且最大距離較大，設(shè)備周邊應(yīng)該加強(qiáng)防范和警示。

雖然達(dá)到公眾應(yīng)急通知濃度的距離都小于50m，最大為北風(fēng)低風(fēng)速時(shí)的35.5m，但是該設(shè)備位置非常靠近圍墻，其外側(cè)為公路，不排除事故狀態(tài)下影響到外部的可能性，如果發(fā)生事故需要對(duì)外部可能存在的公眾傷害和告知有所準(zhǔn)備。

安全臨界濃度可造成的最大影響距離為北風(fēng)低風(fēng)速下的39m，此范圍覆蓋面很大，員工在日常工作中需要防范可能的硫化氫泄漏毒害。

（2）泵房泄漏

① 管線泄漏

在室內(nèi)會(huì)形成立即威脅生命和健康濃度范圍，以及危險(xiǎn)臨界濃度范圍，如果有人員靠近設(shè)備泄漏源且沒有正確防護(hù)，可能造成嚴(yán)重的人員傷害甚至死亡。由于室內(nèi)空間封閉、有限，計(jì)算顯示泄漏硫化氫擴(kuò)散迅速，波及面覆蓋整個(gè)泵房。

② 法蘭泄漏

即便法蘭泄漏量較小，仍然在室內(nèi)形成立即威脅生命和健康濃度范圍，以及危險(xiǎn)臨界濃度范圍，如果有人員靠近設(shè)備泄漏源且沒有正確防護(hù)，可能造成嚴(yán)重的人員傷害甚至死亡。由于室內(nèi)空間封閉、有限，計(jì)算顯示泄漏硫化氫擴(kuò)散迅速，波及面覆蓋整個(gè)泵房。

（3）儲(chǔ)罐呼吸口排放

儲(chǔ)罐呼吸口位于拱頂罐的頂端，距離地面位置高，周邊空闊，非常有利于硫化氫的擴(kuò)散，各個(gè)風(fēng)向下的計(jì)算結(jié)果相同，根據(jù)計(jì)算情況，不會(huì)造成立即威脅生命和健康濃度和危險(xiǎn)臨界濃度范圍。

如果發(fā)現(xiàn)硫化氫泄漏，會(huì)在泄漏口周邊1.7m范圍內(nèi)超過安全臨界濃度，同時(shí)閾限值濃度最大在4.8m之外，鑒于罐頂空間有限，硫化氫急劇刺激性，容易造成人員恐慌，罐頂作業(yè)仍然存在一定的硫化氫傷害隱患，需要引起關(guān)注。

（4）危害區(qū)域劃分

根據(jù)SY 6137-2012《含硫化氫的油氣生產(chǎn)和天然氣處理裝置作業(yè)的推薦作法》確定硫化氫擴(kuò)散后的危害影響區(qū)域，劃分為：

（1）受影響區(qū)：小于10ppm;

（2）輕度危害區(qū)：10ppm～20ppm

（3）中度危害區(qū)：20ppm～50ppm

（4）重度危害區(qū)：大于100ppm。

發(fā)生硫化氫泄漏或中毒事故時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員應(yīng)停止作業(yè)并撤離，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。事故搶險(xiǎn)救援人員應(yīng)佩戴正壓式空氣呼吸器。急救人員對(duì)中毒人員進(jìn)行施救時(shí)，應(yīng)穿戴好防護(hù)用品，將中毒人員脫離現(xiàn)場(chǎng)并移至空氣新鮮的上風(fēng)方向，立即給氧。對(duì)呼吸、心跳驟停者應(yīng)立即進(jìn)行搶救，禁止口對(duì)口人工呼吸，并轉(zhuǎn)送醫(yī)院。事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)劃出危險(xiǎn)區(qū)域，設(shè)立警示標(biāo)識(shí)和警戒線，無(wú)關(guān)人員和車輛不得進(jìn)入。

3 結(jié)論

本文利用FLACS軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同時(shí)刻空間濃度場(chǎng)的模擬計(jì)算。對(duì)流硫化氫泄漏危害區(qū)域進(jìn)行劃分時(shí)，選取適當(dāng)?shù)奈：舛乳撝担瑢⑽：^(qū)域劃分為受影響區(qū)、輕度危害區(qū)、中度危害區(qū)、重度危害區(qū)等四級(jí)危害區(qū)域，并對(duì)各危害區(qū)的情況進(jìn)行了說(shuō)明。對(duì)河口采油廠某聯(lián)合站內(nèi)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行了模擬，研究結(jié)果表明發(fā)生泄漏事故后，硫化氫擴(kuò)散將在10min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，受影響區(qū)域下風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向最遠(yuǎn)距離能達(dá)到22m。若事故發(fā)生，應(yīng)對(duì)不同危害區(qū)域采取相應(yīng)的應(yīng)急對(duì)策，減少事故損失與人員傷亡。

參考文獻(xiàn)

[1]孫少光.油田企業(yè)生產(chǎn)過程硫化氫危害及預(yù)防[J].安全、健康和環(huán)境，2005，（6）.

[2]張永成，王洪輝，李應(yīng)祥，等.青海油田三廠硫化氫形成機(jī)理及腐蝕性研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，（1）.