復雜地形高含硫天然氣風洞擴散實驗及安全防護距離

辛保泉 喻健良 黨文義 姜 雪 林官明

1.大連理工大學化工學院 2.中國石化青島安全工程研究院 3.北京大學環境科學與工程學院

0 引言

在《高含硫化氫氣田集氣站場安全規程：SY 6779—2010》中，將硫化氫（H2S）含量（體積）超過5%即定義為高含硫，而我國高含硫氣田天然氣中H2S 的含量通常達到15%甚至更高。高含硫天然氣在泄漏事故狀態下存在著易燃易爆和人員中毒等風險。對位于山區的天然氣生產裝置和儲存設施而言，由于近場人員集中場所較少，較之于爆炸事故，H2S的遠場擴散可能會導致更遠的外部安全防護距離[1]。關于安全防護距離，在《含硫化氫天然氣井公眾安全防護距離：AQ 2018—2008》、《高含硫化氫天然氣凈化廠公眾安全防護距離：SY/T 6781—2010》等標準中，建議的搬遷和應急撤離距離為200～1 500 m。這些規定為事故應急防護提供了一個初步參照。但不同的規定差別較大且未考慮地形、氣象條件和事故概率對風險的影響，在工業應用中難以直接作為人員搬遷和應急防護的有效依據[2]。氣體擴散的研究方法主要有數值模擬、現場實驗和風洞實驗等方法。顯然，傳統的二維事故后果模擬很難有效考慮地形影響。在山區復雜地形條件下進行現場實驗的實際難度很大，不具有可行性。計算流體力學（CFD）模擬是一種研究氣體擴散行為較為有效的方法，但由于CFD 計算結果的準確度取決于對復雜流場仿真前置處理時的初始條件、邊界條件、物性參數等的定義是否合理，以及后處理是否準確等方面[3]，研究結果的可信度仍不足夠。對于較大尺度的遠場擴散，風洞實驗由于其準確性高、重復性好的特點，被認為是模擬和預測真實工況下氣體泄漏擴散的重要方法[4-5]。通過風洞實驗，可以有效確定不同氣象條件和復雜地形條件下危險氣體的濃度分布和影響距離。

泄漏區域地形特征對于高含硫天然氣的擴散影響顯著[6-9]，國外對此已開展了較多的風洞實驗[10-12]，但更多關注環境污染和風場特征等方面。國內有少部分關于氣體擴散的風洞實驗研究[13-15]。這些研究通?；陲L洞實驗與數值模擬方法，對單一條件下的氣體擴散過程進行了驗證性測試，但是對多種風速、風向條件的氣云空間分布特征及危害區域關注較少且未考慮泄漏頻率和風險。為此，筆者從定量風險評估（QRA）和外部安全防護距離的角度出發，根據風洞實驗和基于風險的方法，研究了含硫天然氣的泄漏擴散規律以及安全防護距離問題。對于含硫天然氣這類有毒且易燃氣體，關注的目標不應該僅僅是濃度大小，還應該包括暴露于危險環境的個體風險等[16-17]。針對我國西南山地某天然氣集氣站，采用風洞實驗技術，在自有的大氣邊界層風洞中進行了1∶1 000 比例的模型實驗，得到了地表真實濃度的分布特征和影響距離，并基于風險的方法計算了安全防護距離。以期為高含硫天然氣泄漏事故的應急防護和人員搬遷區域等工作提供參考。

1 廠區自然條件及實驗理論

1.1 地形和氣象特征分析

集氣站位于山區，山坡非常陡峭。NW 方向約2 km 外為高速公路及河谷，N 方向為較高的臺地，NE 方向地形較低，E 及SE 方向都比較高，S 方向是陡峭山谷。所在的山地地勢陡峭，正南方100 m落差達50 m、坡度26°，集氣站所在場地標高海拔760～780 m。擬模擬的半徑3 km 范圍內，最低點位于SW 方向的河谷（海拔約350 m），最高點位于站場東南3 km，海拔1 100 m。風洞實驗范圍內的地勢總高差達到了750 m，這顯著增加了實驗難度。站場所在地區年平均風速約2 m/s，主導風向為E。

1.2 大氣邊界層流動相似模擬條件

大氣流動的物理模擬的理論基礎是量綱分析與相似理論[18]，通過對大氣邊界層流動的基本方程組的進一步推導和轉化，得到無量綱形式的方程見式（1）～（3）。

式中ρ表示空氣密度，kg/m3；t表示時間，s；u表示流速，m/s；下標i，j，k分別表示參數值在i，j，k方向的分量；ε表示耗散率，m2/s3；wj表示科氏力系數；Ro、Ri、Re、Pr和Ec的意義見表1；pi表示壓力，Pa；?T表示空氣溫度與中性大氣溫度的差，K；T表示空氣溫度，K；T0表示特征溫度，K；δij表示Kronecker 張量；u'j表示脈沖速度，m/s；θ'表示脈沖溫度，K；表示耗散函數；U表示特征速度，m/s；L表示特征長度，m；v表示動力學黏性系數，Pa·s；g表示重力加速度，m/s2；K表示空氣的傳熱系數；CP表示空氣的定壓比熱，J/(kg·K)。

不同的無量綱化方法會得到不同的相似準則。對于恒定來流的物理模擬，表征時間尺度的Strouhal數相似，可略去[19]。實驗時不必考慮模擬所有的相似條件，只需根據具體情況滿足其主要的控制條件即可。這5 個相似參數說明如表1 所示。

表1 相似參數說明表

1.3 濃度場的對應

壓力容器及其相連管線最易泄漏，等效泄漏孔徑選擇比較可信的中孔泄漏（50 mm）[20]。泄漏類型為點源連續釋放，獲得的濃度相當于現場事故的小時濃度。對于關心區域內的某無量綱空間點（x,y,z），在某風場條件、某固定的空間點源排放條件下，其無量綱濃度C*可表示為：

式中C*采用體積濃度，無量綱；u表示特征速度，m/s；y方向為垂直于x方向的水平方向；x方向為順風向下游；z方向為垂直于地面向上；坐標原點在泄漏源地表；σy表示下風距離x處水平擴散參數；σz表示下風距離x處垂直擴散參數；C0表示排放口毒氣體積濃度，無量綱；Q表示毒氣總釋放流量，m3/s；下標p 表示原型；下標m 表示模型。

從模型濃度到原型濃度的轉換關系為：

模型上的風場與原型的風場一致，因此um/up=1。對1∶1 000 模型，相似關系為：

高含硫天然氣的主要組分是CH4（分子量16）和H2S（分子量34），平均分子量約25。因此，使用乙烯（分子量28）作為示蹤氣進行擴散實驗。實驗時，根據實際測試得到的濃度及分析儀器的量程，最終將排放口乙烯配置為100%，即模型釋放口濃度C0m＝1，因此，原型濃度表示為：

式中C0p表示原型釋放口所排天然氣濃度。

現場原型泄漏源孔徑大小為50 mm，中性層結風洞無法模擬高壓小孔射流情形，因而將100 倍管徑處近似設為無窮遠穩定流動，相應的距離為5 m。依然在現場的建筑物或地表植被高度之下，對應于模型上的5 mm，因而簡化為用內徑5 mm管模擬事故排放，管口向上，流量保持Q/(1 000)2，即遵循出口動量相似的準則，用無阻流量（142×104m3/d）做源強。

2 實驗設備及儀器

2.1 風洞設備

該風洞為開閉兩用吹式，本次實驗使用開口吹式。其實驗段長27 m、寬4 m、高3 m（側壁有擴散角），風速在0.5～20 m/s 連續可調。由于模型本身足夠長，加上很長的實驗段及風洞實驗段起始段的粗糙源，可以滿足模擬所需風速廓線的要求[21]。風洞實驗室外觀見圖1。

2.2 風速測量

圖1 風洞實驗室外觀照片

風速廓線的測量使用美國TSI 產熱線（膜）風速儀，精度0.1%，空氣速度測量范圍：0～50 m/s。具體測量前用其自備的校正單元（射流風洞）進行校正。速度信號經A/D 轉換由計算機采樣并進行處理。A/D 數據采集卡為4 通道，1 MHz 采樣率，12 位輸出。來流的監視使用TSI 便攜式風速儀，風速測量范圍0～30 m/s，分辨率0.01 m/s。

2.3 濃度測量

濃度測量使用Eranntex MS 600 光離子氣體檢測儀，儀器量程0～2 000 cm3/m3（體積濃度），精度1 cm3/m3。使用時，將光離子氣體監測儀固定在坐標架上，信號經20 m USB 延長線連接到計算機，編寫專用串口通訊程序，應答式獲得濃度數據（圖2）。

圖2 MS 600 光離子氣體監測儀采樣分析示意圖

由于本次實驗模擬的區域地形復雜，高差較大，不便于坐標架的自動移動。因此通過人工監視、手動控制坐標架的方式進行濃度采樣。采樣時，將光離子氣體監測系統的采樣頭通過坐標架移動到布點位置，監測儀自動利用內置氣泵抽取樣品并分析。采樣程序會自動記錄相應測點的濃度。采用佳能XA50 數碼攝錄像機放大圖像并實時跟蹤，監測儀數據顯示于計算機顯示屏上，直接讀取分析儀表盤讀數。

3 實驗模型及風險評估

3.1 湍流和擴散模型

對于氣體擴散，采用有限體積法在三維笛卡爾坐標下求解描述流體特性的質量、動量、能量及組分守恒的N-S 方程，即

式中φ表示通用求解變量；ρ表示氣體密度；xj表示j方向上的積分；表示i方向上的速度矢量；Γφ表示擴散系數；Sφ表示源項。

對于湍流條件，使用k-ε湍流模型。標準k-ε模型需要求解湍動能及其耗散率方程[9]。該模型假設流動過程為完全湍流，分子黏性的影響可以忽略。大氣邊界層使用入口邊界的速度、溫度和湍流參數斷面來模擬。入口風斷面依賴于Monin-Obukhov 長度L和大氣粗糙度長度Z0。在風險評估研究中，L通常是未知的，需要使用大氣穩定度來估算，這里采用較為穩定的大氣穩定度F。

3.2 物理模型

為保證流場邊條件的幾何相似，嚴格按等比例尺寸進行模擬。以集氣站中心為模型中心，在半徑約3 km 范圍內按照1∶1 000 的比例建立了風洞實驗模型（圖3）。泄漏源位于模型地表。

圖3 正東南西北模型圖

根據站場地形及廠區建筑物布局，為了保證較高的地表粗糙和地表湍流度，對廠區附近區域地形按20 m 等高線進行建模。站區建筑基本都低于10 m，相對地形來說可忽略，因此不再進行建筑物建模。

一般來說，風洞模型橫截面與實驗段截面的阻塞比要保證在5%以下，模擬大氣邊界層的環境風洞的實驗段長度一般不小于20 m，寬度和高度一般不小于2 m。本風洞試驗段長27 m、寬4 m、高3 m，可以形成充分發展的湍流邊界層。

3.3 測點布置

實驗共計24 個組合工況。其中包括8 個風向：N、NE、E、SE、S、SW、W、NW。3 個風速：低風速1 m/s、常年平均風速2 m/s、較高風速4 m/s[22]。對每組工況進行地表濃度采樣，垂直方向網格間距多為100 m，鄰近源剖面適當加密，測得所有工況的地表濃度數據，進而繪制出各組合條件下的濃度等值線圖。

3.4 外部安全防護距離

3.4.1 方法概述

安全防護距離的確定方法可分為后果法和風險法兩種。后果法由于不考慮事故場景發生可能性，主要根據毒性劑量或爆炸超壓值直接判斷影響范圍，確定的安全防護距離與選擇的場景有較大關系，在數值模擬中有較大隨機性和差異性[23-24]。因此，選擇了基于風險的方法，同時考慮事故后果和發生頻率，然后根據不同防護目標的風險基準確防護距離。計算過程采用國際上比較流行的風險計算程序SAFETI 8.23。

3.4.2 風險計算場景

高含硫天然氣是一種含有多種復雜組分的混合物，根據該站點的真實測試結果，將天然氣簡化為4種主要組分：甲烷含量75.4%，硫化氫含量15.2%，二氧化碳含量8.8%，氮氣含量0.6%。泄漏類型考慮小孔、中孔、大孔和相連管道斷裂4 種場景。操作壓力：9 MPa，操作溫度：45 ℃。假設最大泄漏時間為30 min，平均風速為2 m/s，地面粗糙度為1 m（山區地形）。泄漏頻率采用國際石油與天然氣生產者協會（OGP）的推薦值[25]，風險場景及頻率如表2 所示。

表2 風險計算場景及其發生頻率表

4 實驗結果及分析

4.1 實驗測試濃度

根據風洞實驗測得了24 組工況的地表濃度數據。其中N、E、S 和W 這4 個典型風向的濃度分布見圖4。

圖4 表明，風速和風向都會對天然氣的擴散產生顯著影響，且水平和垂直方向的濃度分布差異較大。由于N 向為山坡，S 向為山谷，風向N 和S 分別表示天然氣的“下坡擴散”和“上坡擴散”，統稱“順坡擴散”。研究發現在順坡擴散過程中，較高濃度的天然氣沿著山坡在橫向（垂直于山坡坡度方向）具有較寬的擴散鋒面，且下坡擴散的鋒面寬度大于上坡擴散，但是局地濃度較小。在風向E 和W 時，擴散鋒面與坡度方向垂直相切，簡稱“切坡擴散”，擴散鋒面較窄，但是局地濃度較高。4 種風向下不同濃度的等高線分布如圖5 所示。

8 種風向下測得的地表氣體最大來流濃度見圖6。圖中LT表示根據SLOT（特定毒性水平）換算的毒性荷載，即暴露人員1%～5%死亡的劑量濃度，經計算，硫化氫1 min 的毒性荷載為1 190 cm3/m3[26]。LCLo表示人吸入30 min 的急性致死濃度，為600 cm3/m3。

圖6 表明，隨著風速的增大，8 個風向測得的天然氣濃度均會降低，但最大濃度對風速的敏感程度會顯著減小，在較高風速4 m/s 時濃度趨于平緩。W風向測得的最大濃度顯著高于其他風向，風速1 m/s、2 m/s 和4 m/s 時的最大濃度分別為19 550 cm3/m3、9 990 cm3/m3和5 804 cm3/m3。其次為SW 方向的濃度。S 風向測得的濃度最小，風速1 m/s、2 m/s 和4 m/s 時的最大濃度分別為1 074 cm3/m3、373 cm3/m3和254 cm3/m3。W 風向分別是N 風向最大濃度的18.2 倍、26.8 倍和22.9 倍。風向對濃度的顯著影響充分說明，對于復雜地形條件，風向的影響不可忽略。

4.2 危害區域及分布特征

根據專門編制的事故工況濃度預測程序，獲得了不同風速下的天然氣濃度分布（圖7）。

對于高含硫天然氣擴散的安全防護距離，H2S的影響通常更遠[27]。為了便于分析，根據不同濃度H2S 對人體的毒理反應，將危害區域劃分為4 個危害等級，如表3 所示。

根據實驗結果，擴散過程可以預測為：在早期，煙羽主要聚集在泄漏源附近的集氣站場內，之后向東北方向順風擴散。主要軌跡包括東北山坡和西南山谷，以及山坡周圍的西北和東南方向。此外，通過風洞實驗還發現了以下特點：

圖4 風洞實驗測得的來流濃度分布圖

1）低風速時，毒氣更傾向于“繞過”山體，高風速時，則傾向于“翻越”山體。

2）若泄漏源位于從山谷吹來的風（谷風）的下游，例如來流為SE、SW、W，由于泄漏源下游為山峰條件，氣體可能與山體碰撞或在山體背后的山坡上形成高濃度的累積。

3）來流E 掃過了集氣站，但由于站場西側存在山溝，易形成尾渦，其山坡上也是危險區域。盡管來流S 不如來流SW、W 導致的危險影響范圍大，但靠近集氣站位置也會形成很高的濃度。

4）在風速、風向和地形的相互作用下，危害區域總是分布在順風的山坡前部或者山谷洼地。但是，如果不通過風洞實驗進行具體分析，則很難對分布區域進行準確預測。與平坦地形的情況完全不同的是，除順風方向外，危險區域會沿多個方向延伸。潛在的運動軌跡可能出現在泄漏源附近的洼地和順風方向附近的山坡。

進一步對8 個風向、3 種風速時測得的穩定狀態時的危害區域進行分析，其最大影響距離見表4。

根據圖6 和表4 可知，風向W 和SW 危險影響區域最大，風向N、E 和NE 危險區域最小。嚴重危險區域大多圍繞在泄漏源附件的集氣站和山體背風處。影響距離最遠的是風速1 m/s時的西風（W），其中，Ⅲ～Ⅱ級危險區域的最大影響距離是NE 方向1 500 m；Ⅰ級危險區域的最大影響距離是NE 方向1 200 m。分布特點如下：

1）低風速U1＝1 m/s 情形下，以泄漏源為圓心的500 m 半徑范圍內在各風向都是危險的。特別是SW、W、NW 及SE 方向來流都會導致站外出現極危險的區域，保守估計1 000 m 內存在小時致死可能。

圖5 天然氣順坡擴散和切坡擴散濃度分布圖

圖6 不同風向下測得的高含硫天然氣最大來流濃度圖

2）在常年平均風速U2＝2 m/s 情形下，以泄漏源為圓心的300 m 范圍內都是非常危險的，NW、SE方向來流會導致距泄漏源300 m 內出現小時致死濃度。SW、W 來流則在距泄漏源800 m 內出現小時致死濃度區域。

3）較高風速U3＝4 m/s 情形下,氣體擴散充分。但需要注意下風向背風窩的高濃度，小時致死濃度區域多在距泄漏源500～700 m。

4）受復雜地形影響，不同位置的氣云濃度變化很大，且不同濃度的氣云影響范圍很不規則。在低風速時，不同濃度的硫化氫分布形狀最不規則，表明低風速時的濃度分布受地形影響更大。但是低風速時，不同濃度的影響范圍差異較小。較高風速時，不同濃度的硫化氫分布形狀趨于圓潤，表明高風速時的濃度分布受地形影響減小。但是高風速時，不同濃度的影響范圍差異較大。

4.3 風速和風向影響

受山區地形條件影響，不同風向時的危險影響區域有較大差異。根據不同濃度的危害影響范圍大小，得到了不同風速、風向條件下的高含硫天然氣分布危險性順序（表5）。

圖7 預測的3 種風速不同濃度等值線分布圖

表3 H2 S 危害區域劃分表

在3 種風速中，SW 和W 風向最為危險，N 風向危險性最低。風驅使危險區域向順風方向擴散，這是影響危險區域分布的主要因素。此外，由于空間聚集和障礙物的作用，不同風向的危險影響區域有較大變化。但是，由于地形的特征差異和不均勻分布，改變的效果很難給出統一的解釋，應該具體情況具體分析。

綜上所述，在進行高含硫天然氣泄漏擴散的后果分析和風險評估時，建議選擇較低的風速和穩定的大氣湍流條件。如果泄漏源所在位置具有復雜的地形條件，則地形和風向對事故后果的影響不可忽略。

表4 不同風速和風向下的最大影響距離表

4.4 基于風險的安全防護距離

《危險化學品生產裝置和儲存設施風險基準：GB 36894—2018》是我國危化品領域的主要風險控制標準。該標準對不同重要程度的防護目標規定了不同的個體風險（IR）基準，其中在役生產裝置和設施的風險基準分為三類：3×10－6/a，1×10－5/a 和3×10－5/a。根據表2 中的場景，計算不同防護目標的個體風險等高線（圖8）。各類防護目標在不同方向的影響距離如圖9 所示。

由圖9 可知，不同重要程度的防護目標，其安全防護距離有較大差異。在地形和風向共同作用下，泄漏源不同方向的外部安全防護距離也有顯著不同。在本研究中，SW 方向（山谷方向）安全距離最遠，介于129.8～727.8 m。SE 和NW 方向（山坡方向）安全距離最近且較為接近，介于60.5～432.8 m。

表5 不同風速、風向條件下硫化氫分布危險性排序表

圖9 不同防護目標的外部安全距離圖

在不同方向的外部安全防護距離分別：①第三類防護目標為60.5～129.8 m，相差2.1 倍；②第二類防護目標為183.7～371.9 m，相差2.0倍；③高敏感、重要和第一類防護目標為424.7～727.8 m，相差1.7倍。風險法充分考慮了事故發生頻率以及防護目標的重要程度，并且可以根據國家標準給出不同的安全防護距離，可作為站場選址、土地使用規劃和應急防護的參考，與風洞實驗形成互補。

5 結論

1）高含硫天然氣的擴散過程可以歸納為“順坡擴散”和“切坡擴散”兩種模式。在順坡擴散過程中，較高濃度的天然氣沿著山坡在橫向（垂直于山坡坡度方向）有較寬的擴散鋒面，且下坡擴散的鋒面寬度大于上坡擴散，但是局地濃度較小。而切坡擴散的擴散鋒面較窄，但是局地濃度較高。

2）風速、風向、地形及其相互作用，是影響擴散過程和危害范圍的重要因素。較高的風速有利于加快天然氣的消散，降低天然氣的危害范圍。但是隨著風速的增大，最大濃度對風速的敏感程度會顯著減小。同時風速的增加會抑制地形對濃度分布的影響，也會增加不同濃度影響范圍的差異。

3）在山區復雜地形條件下，風向對高含硫天然氣濃度分布和危害區域的影響不可忽略。風向W 和SW 危險影響區域最大，風向N、E 和NE 危險區域最小。影響距離最遠的是風速1 m/s 時的西風（W），其中，Ⅲ～Ⅱ級危險區域的最大影響距離是NE 方向1 500 m，Ⅰ級危險區域的最大影響距離是NE 方向1 200 m。風速1 m/s、2 m/s 和4 m/s 時，W 風向最大濃度分別是N 風向最大濃度的18.2 倍、26.8 倍和22.9 倍。

4）風速、風向和地形的共同作用，對高含硫天然氣的擴散影響非常復雜，不僅表現出非均勻、非定常特征,而且隨著地形的改變和風速、風向的變化，這種影響也是各異的。與平坦地形的情況完全不同的是，除順風方向外，危險區域會沿多個方向不規則擴展，且形狀很不規則。在進行泄漏擴散后果分析或風險評估時，建議選擇較低的風速和穩定的大氣湍流條件。

5）對于不同重要程度的防護目標，在地形和風向共同作用下，泄漏源不同方向的外部安全防護距離會有顯著不同。本文研究中，各類防護目標在不同方向的外部安全防護距離為60.5～727.8 m，同一類防護目標在不同方向的安全距離相差約2 倍。該方法考慮了事故發生頻率，與風洞實驗可以形成互補。