含硫氣田水罐爆炸可能性探討

高曉根 鄧 翔 周潮光 張 鐠

1. 中國石油西南油氣田公司天然氣研究院, 四川 成都 610213; 2. 中國石油西南油氣田公司川中油氣礦, 四川 遂寧 629000; 3. 四川長寧天然氣開發有限責任公司, 四川 成都 610056

0 前言

天然氣作為一種綠色清潔能源,具有廣闊的發展前景,其開發和利用越來越受到人們重視[1]。可燃性氣體爆炸是天然氣行業安全危害之一,隨著國家安全環保要求的日益提高,企業和研究學者日益關注行業主要生產環節的可燃性氣體爆炸風險[2-5]。含硫氣田水的儲存作為氣田生產輔助的一部分,中毒風險已逐步被大家所熟知[6-9],然而由于作業過程的特殊性,其爆炸風險卻少有提及。本文分析含硫氣田水的儲存過程中的爆炸風險,通過建立計算模型,幫助生產管理者了解爆炸可能性的計算方法,從而優化生產過程,減少安全風險。

1 爆炸可能性分析

1.1 工作過程及特點

含硫氣田開采過程中,井口采出的高壓含硫天然氣經氣液分離得到的含硫氣田水先存儲于站內的含硫氣田水罐,再拉運或轉輸至回注站或處理站,典型流程見圖1。

含硫氣田水從高壓分離器到達接近常壓的含硫氣田水罐，由于壓力降低以及輸送到達新罐中流動擾動導致液面飽和蒸氣壓下降,都會閃蒸出一部分溶解在氣田水中的H2S、CO2、烴類及有機硫等氣體[10],合稱閃蒸氣。由于含硫氣田水罐的非連續進水及不定期轉水,閃蒸氣的壓力產生波動變化,分離器排水時壓力最大,排水結束后逐漸趨于穩定,含硫氣田水罐向外轉水時壓力逐漸下降,轉水結束壓力逐漸恢復,由于含硫氣田水罐轉水導致的罐內液體體積急速下降,為了平衡管內壓力,含硫氣田水罐與大氣相連的呼吸管或多或少將倒吸進入空氣。典型站場含硫氣田水閃蒸氣常規組分見表1。

圖1 典型含硫氣田水處理系統圖Fig.1 Typical work process of water treatment system in sour gas field

表1 典型站場含硫氣田水閃蒸氣常規組分表

Tab.1 Conventional components of water flash steam in typical sour gas field (%)

取樣點φH2SφHeφH2φO2φN2φCO2φCH4φC2φC3+西眉清管站6.320.010.061.387.4413.3771.340.08—西區集氣站9.970.010.30—0.0520.2669.340.07—磨溪22井區試采集氣站20.92—0.03—0.0936.5642.370.03—北6集氣站8.72—0.028.0136.0720.3226.830.03—

從表1可以看出,閃蒸氣主要組成為H2S、CO2、CH4,其中西眉清管站和北6集氣站氣田水閃蒸氣中檢測出N2和O2,氮氧比接近4,可知有空氣進入。

1.2 爆炸可能來源

爆炸是一種急劇的物理或化學變化過程,是在限制狀態下系統潛能突然釋放并轉化為機械能而對周圍介質發生作用的過程。爆炸伴隨著巨大的能量釋放,表現的破壞形式有多種,沖擊波是爆炸最直接、最主要的破壞力量。如果容器發生爆炸,一部分能量會驅動容器破裂產生的碎片對外界目標形成打擊作用,工業中的爆炸事故通常伴隨碎片打擊傷害[11]。

可燃性氣體爆炸是工業生產領域爆炸災害的主要形式之一,自1857年英國發生城市煤氣管道爆炸以來,許多學者就開始了對氣體爆炸的研究工作[12]。近年來,各種工業場所可燃性氣體火災爆炸事故已屢見不鮮,嚴重威脅著天然氣儲運、石油化工等行業安全生產,給人民生命財產帶來極大危害。

眾所周知,密閉空間爆炸的產生必須同時具備三個基本條件,即可燃物質、可燃物質與空氣(或O2)混合達到爆炸濃度、引起爆炸的引燃能量。從含硫氣田水罐的工作過程中可知,含硫氣田水罐上部氣相空間存在可燃氣體(主要為CH4和H2S),若轉水結束形成負壓可能將環境中的空氣倒吸入罐,形成爆炸性混合氣體。對于金屬罐體和管道,靜電火花可能形成點火源,腐蝕產物FeS遇到O2將產生自燃,另外,含硫氣田水罐放散管往往緊挨放空火炬,少數井站甚至同時將長明火點燃,若產生回火,將導致含硫氣田水罐具備點火條件，存在爆炸的可能。如果通過研究發現含硫氣田水罐內閃蒸氣爆炸規律,預測整個爆炸過程,則可有效提出減災防災措施,最大程度減少由于爆炸所造成的損失。

2 爆炸過程計算方式探索

2.1 氣體爆炸原理

可燃物質(可燃氣體、蒸氣和粉塵)與空氣(或O2)必須在一定的濃度范圍內均勻混合,形成預混氣體,遇火源才會發生爆炸,這個濃度范圍稱為爆炸極限或爆炸濃度極限。可燃性混合物能夠發生爆炸的最低濃度和最高濃度,分別稱為爆炸下限和爆炸上限[13](或著火下限和著火上限),爆炸上下限的范圍越寬,爆炸的危險性越大[14]。可燃氣體混合物在低于爆炸下限時不爆炸也不著火,高于爆炸上限不爆炸但會著火。這是由于前者的可燃物濃度不夠,過量空氣的冷卻作用,阻止了火焰蔓延;而后者則是空氣不足,導致火焰不能蔓延。當可燃物的濃度大致相當于反應當量濃度時,具有最大的爆炸威力(即根據完全燃燒反應方程式計算的濃度比例)。爆炸極限是在常溫、常壓等標準條件下測定出來的,這一范圍隨著初始溫度、壓力、氧含量、惰性介質、點火能、容器材質及尺寸等條件的變化而有所變化[15-17]。

2.2 含硫氣田水罐可能的爆炸極限計算方式

含硫氣田水罐中氣相空間中主要含H2S、CH4和CO2,前兩者為可燃物質,其在空氣中的爆炸極限見表2[18]。CO2為惰性氣體,可知該體系為含惰性氣體的爆炸混合氣體。

表2 含硫氣田水罐內可燃氣體在空氣中的爆炸極限表

Tab.2 Explosion limits of flammable gases of water tank in sour gas field

氣體空氣中的爆炸極限/(%)下限上限CH45.015.0H2S4.345.5

可燃氣體爆炸是工業中最常見的一種爆炸事故形式,根據爆炸氣體的組成情況,爆炸一般可劃分為兩大類:一類是可燃單一氣體爆炸,另一類是可燃混合氣體爆炸[19]。從含硫氣田水罐閃蒸氣的組成來看屬于含惰性氣體(CO2)的可燃混合氣體爆炸。

判斷可燃單一氣體的濃度是否處于爆炸極限范圍內對照表1進行檢查即可,若要計算可燃混合氣體,尤其是含惰性氣體的可燃混合氣體爆炸極限,則需要根據理·查特里公式及其修正公式進行推導,由于本體系屬于含惰性氣體(CO2)的可燃混合氣體,可根據以下步驟計算[20-21]。

1)不含惰性氣體的可燃氣體混合物爆炸極限：

(1)

式中:L為不含惰性氣體的可燃混合氣體爆炸極限(上限或下限)，%;φi為單一可燃氣體在不含惰性氣體燃氣中所占的體積含量，%;Li為單一可燃氣體的爆炸極限(上限或下限)，%。

2)不含O2、含惰性氣體的可燃氣體混合物爆炸極限:

(2)

式中:LD為含惰性氣體的可燃混合氣體爆炸極限(上限或下限),%;φD為惰性氣體在混合燃氣中所占的體積含量,%。

2.3 爆炸混合物的形成過程模擬

圖2 含硫氣田水罐工作過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of working process of water tank in sour gas field

含硫氣田水罐工作過程見圖2。轉水前由于罐內處于最高液位,罐內微正壓,頂部氣相空間內全部是可燃氣體和惰性氣體的混合物。轉水時,液位逐漸下降,氣相空間突增,罐內壓力逐漸下降,空氣由放散管進入并與原罐內可燃氣體混合,轉水結束時液位降至最低,O2含量最大,當再次有氣田水進入罐內,罐內重新閃蒸出可燃氣體,罐內的混合氣體就會從呼吸管溢出,罐內可燃氣體的含量將逐步增加。

因此,可以設定最高液位時的氣相空間為初始點,體積V1,爆炸極限為LD上和LD下,液位下降過程中進入的空氣量等于轉出水量Qi,此時可燃氣體體積含量為φi(φi=100V1/(V1+Qi)),判斷若LD下≤φi≤LD上,說明此工況形成的混合氣體具有爆炸風險,否則則沒有。

3 案例分析

以三個生產站場A站、B站、C站為例,污水罐體積均為56.6 m3,最高轉水液位均為1 800 mm,根據初始氣質按式(1)～(2)可以計算其爆炸上限和爆炸下限,站場基本情況見表3。

表3 站場基本情況表

Tab.3 Basic situation of Natural gas station

站場氣田水罐體積/m3轉水最高液位/mm最高液位對應氣量/m3φH2S/(%)φCH4/(%)φCO2/(%)混合氣體爆炸下限/(%)混合氣體爆炸上限/(%)A站56.61 8009.921672.411.64.4918.89B站56.61 8009.921070.020.05.3019.66C站56.61 8009.922550.025.04.1724.20

通過前文建立的計算方法,可繪得A站、B站、C站轉水過程中不同液位下對應閃蒸氣含量及與爆炸極限關系,見圖3～5。

圖3 A站轉水中含硫氣田水罐液位和閃蒸氣含量關系圖Fig.3 Relationship between water level and flash gas content in transferring of gas field water tank-station A

圖4 B站轉水中含硫氣田水罐液位和閃蒸氣含量關系圖Fig.4 Relationship between water level and flash gas content in transferring of gas field water tank-station B

圖5 C站轉水中含硫氣田水罐液位和閃蒸氣含量關系圖Fig.5 Relationship between water level and flash gas content in transferring of gas field water tank-station C

從圖3～5可知,A站轉水至130 mm以下,B站轉水至230 mm以下,C站轉水至645 mm以下時,混合氣體含量處于爆炸極限范圍內。若要避免形成爆炸極限范圍的爆炸混合物,應控制轉水最低液位在極限液位(達到爆炸極限的最低液位)以上。

目前,大多數新建站場在呼吸管上均設有阻火器,防止火苗從呼吸管回火導致含硫氣田水罐發生爆炸,但阻火器若設置不合理或者失效卡堵可能導致緊急放空不暢,亦存在含硫氣田水罐超壓爆裂的風險,若能結合爆炸極限的計算進行預測,根據預測結果綜合考慮阻火器的設置,考慮改變工作模式,轉水時采用手動分離器進水的方式,或采用向含硫氣田水罐內補氣的方式維持污水罐一定的微正壓,并控制轉水速度,緩慢轉水,以阻止空氣進入。在沒有其他防范措施條件下,應盡量限制轉水液位在最低轉水液位之上。

以含硫氣田水罐容積20 m3為例,含硫氣田水罐每次轉水13 m3,剩余緩沖5 m3空間,轉水前壓力0.2 MPa,轉水后避免壓力<0 MPa,若沒有進水補充,轉水結束時,氣相空間為18 m3,而轉水前壓力0.2 MPa,5 m3氣相空間最多釋放為15 m3常壓氣體,剩余3 m3氣相空間不能覆蓋,因此可能形成負壓,如果每次轉水10 m3,則不會形成負壓。反之同理,如果需要轉水13 m3,則需要轉水前壓力達到0.26 MPa。

此外,為了減少FeS自燃導致的爆炸事故,建議優先考慮采用非金屬管道和設備,開罐檢維修前進行N2吹掃。此外,為防止靜電火花導致爆炸,需要做好設備的防靜電接地。

4 結論

當前工作模式下含硫氣田水罐轉水過程中可能導致爆炸混合氣體形成,爆炸極限可根據含惰性氣體的混合可燃氣進行計算。應明確在液位下降過程中可燃氣體濃度是否會在爆炸極限范圍內,為降低爆炸風險,優先考慮改變工作方式,維持罐內微正壓以防止空氣進入,針對轉水存在爆炸風險,建議在呼吸管上設置阻火器,做好防靜電接地,采用非金屬管道和設備,在開罐檢維修前進行N2吹掃等等。