YC天然氣輸氣站泄漏后果數值模擬分析

程智勇

大慶油田有限責任公司采氣分公司

輸氣站作為天然氣管網系統的一個重要樞紐,一般位于天然氣井與天然氣處理廠之間,起到匯集天然氣、初步氣液分離、增壓外輸等作用,其各類設備安全、平穩、高效運行是保證天然氣供應的關鍵.輸氣站的管道及裝置均為帶壓運行,在發生泄漏時造成氣體快速擴散;設備或管道因閥門內漏、腐蝕、安裝質量差、溫度驟變等原因,極易引起氣體泄漏;放空設施故障會導致天然氣的聚集,易造成火災;在設備檢修過程中由于違章動火作業,易引起爆炸.由此可見,油氣管線泄漏不僅會污染環境,而且會造成大量的經濟損失和社會危害[1].

天然氣的主要成分為各類烷烴類混合物,其中以甲烷為主,含有少量乙烷、丙烷、丁烷;部分地層采出的天然氣還含有硫化氫,為劇毒物,吸入少量高濃度硫化氫可于短時間內致命.空氣中天然氣的體積分數達到5%~15%時為其爆炸極限[2].當輸氣站發生泄漏時,管道、壓力容器中的天然氣快速擴散至空氣中,極易達到天然氣的爆炸極限,如遇明火易導致火災爆炸事故,造成嚴重的經濟財產損失和環境污染,甚至人員傷亡[3].因此,對于特定的輸氣站,根據其所處環境、設備性質等條件模擬天然氣泄漏時的波及范圍,對預防和降低輸氣站場事故具有重要的現實意義.

1 YC輸氣站氣源計算

YC站內的天然氣源于北內環MX線已處理的凈化氣,由YC站《天然氣氣質分析資料報告表》可知,YC站內凈化氣含有少量的二氧化碳和硫化氫,其具體成分見表1.

表1 YC輸氣站氣質成分Tab.1 Temperament composition of YC gas transmission station

表2 YC站天然氣理化參數Tab.2 Natural gas physical and chemical parameters of YC station

本文中所涉及的氣象條件有大氣穩定度為F、風速為1.5 m/s,大氣穩定度為D、風速為1.5 m/s,大氣穩定度為D、風速為5 m/s 3種情況;且設定此時大氣溫度為9.85℃,大氣壓力為101.3 kPa,大氣相對濕度為0.7.

2 泄漏量計算

天然氣泄漏的前提是管道或容器失效,主要討論破孔和完全破裂2種情況[5].天然氣泄漏速率的計算是進行泄漏模擬的前提,泄漏速率計算結果的精確性與整個泄漏模型密切相關.目前常用的泄漏速率模型有2種:瞬間泄漏模型和持續穩定泄漏模型.針對管道泄漏,可以根據泄漏孔的大小建立不同的模型,泄漏孔尺寸見表3.

表3 失效后果計算采用的泄漏孔尺寸Tab.3 Leakage hole size used for calculation of failure consequences

(1)小孔模型.當泄漏孔孔徑小于25 mm以下時,假設管內壓力不隨泄漏而發生變化,忽略摩擦的影響,氣體泄漏率恒定.由伯努利方程推導得到氣態燃氣的泄漏量,燃氣泄漏的質量流量與其流動狀態有關[6].

式中:qmG為氣體泄漏的質量流量,kg/s;Cdg為氣體泄漏系數,泄漏孔為圓形時取1.00,三角形時取0.95,長方形時取0.90,由內腐蝕引起的減縮小孔取0.90~1.00,由外腐蝕或外力沖擊所形成的漸擴孔取0.60~0.90;κ為氣體絕熱指數(也稱比熱比),雙原子氣體取1.4,多原子氣體取1.29,單原子氣體取1.66;M為燃氣的摩爾質量,kg/mol;R為氣體常數,8.314 J/(mol.K);T為氣體溫度,K;A為泄漏孔面積,m2;p為容器內介質壓力,Pa;p0為環境壓力,Pa;

(2)大孔模型.當管內為亞音速流,泄漏孔為音速流時,則滿足以下關系式[7]

(3)計算結果.不同孔徑泄漏量計算結果見表4.

表4 不同孔徑泄漏量計算結果Tab.4 Calculation result of leakage amount for defferent aperture

3 失效后果及分析

利用DNV PHAST軟件,以干管泄漏孔徑為6.4 mm、大氣穩定度為F、風速為1.5 m/s為例,進行失效后果模擬(圖1、圖2和圖3).

圖1 中心線濃度與距離的關系Fig.1 Relationship between centerline concentration and distance

圖2 氣團近地濃度Fig.2 Air mass near-ground concentration

圖3 氣團擴散濃度(側視)Fig.3 Air mass diffusion concentration(side view)

在天然氣泄漏擴散濃度圖中,A區域天然氣濃度大于120 mg/L,高于YC站天然氣爆炸上限,為準危險區域;B區域天然氣濃度為32~120 mg/L,處于YC站天然氣爆炸界限內,一旦出現明火源,將會發生爆炸,為危險區域;C區域天然氣濃度為16~32 mg/L,低于YC站天然氣爆炸下限,為安全區域;綠色區域以外區域天然氣濃度低于16 mg/L,同樣為安全區域[7].

準危險區域約在下風向2.49 m以內;危險區域約在下風向2.49~12.73 m以內;更外圍的區域都為安全區域.各個區域氣體擴散濃度范圍面積見表5,擴散產生的熱輻射強度見圖4.

表5 氣體擴散各濃度范圍面積Tab.5 Gas diffusion range of each concentration range

圖4 熱輻射強度曲線Fig.4 Thermal radiation intensity curve

爆炸燃燒而產生的熱輻射將會對人員和設備造成傷害和破壞,表6反映了不同的熱輻射值所造成的傷害情況[8].

表6 熱輻射值與破壞程度的對應關系Tab.6 Correspondence between heat radiation value and damage degree

由熱輻射強度曲線可得輻射影響范圍,具體數據見表7,由爆炸引起的超壓影響范圍見圖5.

圖5 爆炸超壓影響范圍Fig.5 Explosion overpressure range

爆炸的發生會使周圍空氣局部壓力劇增從而超壓,產生的沖擊波和爆炸噪聲都會導致人員死傷、設備破壞、建筑倒塌[9].爆炸強度及其對工藝設備和建設物的危害程度見表8,對人員的傷害程度見表9.

表7 熱輻射影響距離計算明細Tab.7 Calculation details of heat radiation influence distance

表8 爆炸對建筑物造成的破壞Tab.8 Damage to building damage

表9 爆炸對人員的傷害Tab.9 Damage to personnel caused by explosion

由圖5可知,若發生爆炸,在爆炸中心3.6 m處,爆炸沖擊波大于100 kPa,大部分人員會死亡,除防地震建筑物外,其余建筑物都會破壞;在距爆炸中心3.6~5.5 m內,爆炸沖擊波為50~100 kPa,導致此范圍內人員的內臟嚴重損傷或人員死亡,鋼骨架和輕型鋼筋混凝土建筑物將會被破壞;在距爆炸中心5.5~7.4 m內,爆炸沖擊波為30~50 kPa,該范圍內的人員將受到中等損傷,表現為聽覺器官損傷、內臟輕度出血、骨折等,建筑物將遭顯著破壞;在距爆炸中心7.4~9.5 m內,爆炸沖擊波為20~30 kPa,該范圍內的人員將會有輕微挫傷,建筑物會有部分破壞;在距爆炸中心9.5 m以外,爆炸沖擊波低于20 kPa,建筑物只有部分損壞,可視為安全區域[10-12].

4 結論

通過對各種孔徑、氣候條件下天然氣站泄漏后果的模擬,得出以下結論:

(1)在相同氣候條件下,天然氣泄漏擴散范圍在泄漏孔徑為6.4、25、102、152和813 mm時依次增大;因此,氣體泄漏量隨泄漏孔徑的增大而增加,氣體擴散范圍也隨泄漏量的增加而擴大.

(2)當泄漏孔徑相同、環境風速一樣時,大氣穩定度為D較之大氣穩定度為F朝下風向擴散距離遠.這說明大氣條件越穩定,氣體越不容易向高空和遠處消散,而是貼近地面擴散;大氣穩定度越差,空氣垂直對流運動越強,泄漏氣體消散速度就越快.

(3)當泄漏孔徑相同、大氣穩定度一樣時,風速為5 m/s較之風速為1.5 m/s在下風向氣體泄漏濃度小.風速對擴散有顯著的影響,高的風速更有利于氣團的擴散.一方面,風加劇了氣云的平流輸送作用;另一方面,風速增大,氣體稀釋,擴散的過冷氣體溫度迅速上升,從而降低其危害程度.