高含硫天然氣站場泄漏擴散數(shù)值模擬分析*

楊圓鑒 趙志杰 朱愚 黃杰 林燦

(1.重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院(應(yīng)急管理學(xué)院) 重慶 401331；2.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司重慶氣礦 重慶 404100)

0 引言

高含硫天然氣田中含有的H2S是一種無色、比空氣重的劇毒氣體，嚴(yán)重影響著公眾的安全[1]。天然氣站場在天然氣生產(chǎn)和運輸過程中起著重要的樞紐作用，由于站場內(nèi)部工藝較為復(fù)雜，設(shè)備類型多樣且承壓較高，故站場存在較高的泄漏風(fēng)險[2]。相比常規(guī)天然氣，含硫天然氣一旦發(fā)生泄漏，若應(yīng)急處理不到位，將可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的安全事故。例如2003年“12·23”中石油川東北氣礦事故，共波及重慶市開州區(qū)4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，造成243人死亡、6.5萬居民疏散和9.3萬人受災(zāi)[3]。針對含硫天然氣站場泄漏事故開展數(shù)值模擬分析，能準(zhǔn)確預(yù)測突發(fā)事件下的H2S濃度分布范圍，從而為應(yīng)急疏散和救援提供依據(jù)。

含硫天然氣在大氣中的擴散屬于氣體污染物在大氣中的擴散范疇，眾多學(xué)者已對該領(lǐng)域進行了較為深入全面的研究并建立了一系列模型，主要有高斯(Gaussian)模型、Sutton模型、BM(Britter and Mc Quaid)模型、FEM3(3-D Finite Elelment Model)模型、重氣模型、板塊模型等[4]。在氣體擴散理論模型方面，國外研究起步較早，并進行了大量開創(chuàng)性研究；國內(nèi)學(xué)者主要將不同模型應(yīng)用到不同條件下進行案例研究并優(yōu)化模型，這些模型從研究方法及計算公式方面對經(jīng)典模型進行了不同程度的修正。近年來，關(guān)于天然氣泄漏擴散的理論分析已趨于成熟，研究趨勢是基于CFD軟件考慮實地地形因素并結(jié)合氣象場，利用先進的污染物擴散模型對泄漏后的天然氣進行模擬以將擴散規(guī)律及區(qū)域可視化。

鑒于此，本文以某含硫天然氣站場為例，利用CFD模擬軟件FLACS構(gòu)建站場設(shè)備三維立體模型，模擬不同泄漏源與泄漏量下的氣體擴散特性，并對其危險區(qū)域進行分析探討。

1 模型及其邊界條件

1.1 數(shù)學(xué)模型

天然氣在泄漏過程中遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，控制方程[5]如下：

連續(xù)性方程:

(1)

式中，ρ為流體密度，kg/m3；ui為x或y方向的速度，m/s。

動量方程:

(2)

式中，f為單位質(zhì)量力矢量，m/s2；u為速度，m/s；μ為動力粘度，Pa·s；p為流體微元上的壓力，Pa。

能量方程:

(3)

式中，E為流體微團總能，J；hj為組分j的焓，J/kg；keff為有效傳導(dǎo)系數(shù)，cm2/s；Jj為組分j的擴散通量，mol/(m2·s)。

1.2 物理模型建立

利用FLACS前置建模軟件對站場開展三維精細(xì)建模，如圖1所示，站場長為40 m，寬為100 m，中間設(shè)置有分離器、收發(fā)球裝置、井口裝置、水套爐以及各種管線。

圖1 站場三維模型

1.3 網(wǎng)格劃分

選取站場40 m×100 m、垂直方向20 m為核心區(qū)域，由于泄漏口附近氣體的泄漏速度和壓力隨時間的變化較大，需要對泄漏口附近的網(wǎng)格密集化處理，隨著氣體的擴散慢慢趨于平衡，在滿足計算的同時可將網(wǎng)格進行稀疏，以提高計算效率。對核心區(qū)域網(wǎng)格尺寸選取為2 m一個網(wǎng)格，擴展區(qū)域網(wǎng)格以1.19倍為單位向周邊延伸，如圖2所示。

1.4 參數(shù)條件設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，分別選擇站場分離器及管道開展泄漏擴散模擬。該站場處理的含硫天然氣為多組分混合氣體，其中主要成分為甲烷、二氧化碳、硫化氫，成分比例分別為84.35%、8.48%、7.17%。為便于研究，其他組分暫忽略不計。

圖2 網(wǎng)格劃分

站場所處地區(qū)常年平均風(fēng)速約2 m/s，風(fēng)向以東北風(fēng)為主。結(jié)合站場所處位置的實際情況及周邊人居分布的方向，設(shè)置模擬風(fēng)速為2 m/s，風(fēng)向為NE。

根據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則》(AQ/T 3046—2013)，孔口泄漏場景可劃分為小孔泄漏、中孔泄漏和大孔泄漏，不同泄漏孔徑范圍及代表值如表1所示。

表1 泄漏場景劃分 mm

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 管道泄漏模擬

天然氣管道泄漏形式在多數(shù)情況下為孔口泄漏。假設(shè)天然氣在管道內(nèi)的流動為等溫流動，在泄漏點的流動為等熵流動，并將孔口泄漏瞬間的流動視為一維流動，建立起以圓形孔口為基礎(chǔ)的孔口泄漏模型，模型示意如圖3所示。

圖3 管道孔口泄漏模型示意

在天然氣管道發(fā)生孔口泄漏時，若泄漏孔徑較小，則可將整個泄漏過程視為穩(wěn)態(tài)泄漏。假設(shè)管道內(nèi)壓力不受泄漏影響發(fā)生變化，氣體膨脹過程為等熵過程，同時忽略管道壁摩擦的影響，可將管道泄漏時的初始泄漏流量作為整個泄漏過程中的恒定流量。

2.1.1 小孔泄漏

管道發(fā)生小孔泄漏時，泄漏的氣體流量較小，所以泄漏危險性相對較小。針對小孔泄漏毒性影響范圍，硫化氫體積分?jǐn)?shù)≥0.000 2%的影響范圍達(dá)到峰值時的濃度分布情況如圖4(a)所示，影響范圍前沿距泄漏口的距離為332 m，最大寬度為170 m；硫化氫體積分?jǐn)?shù)≥0.002%的影響范圍達(dá)到峰值時的濃度分布情況如圖4(b)所示，影響范圍基本位于站場內(nèi)部，前沿距泄漏口的距離為83 m，最大寬度為20 m。

(a)體積分?jǐn)?shù)≥0.000 2%

2.1.2 中孔泄漏

發(fā)生中孔泄漏時，泄漏的氣體量比小孔泄漏的大，硫化氫毒性影響范圍迅速擴大，其濃度迅速達(dá)到危險濃度臨界值。站內(nèi)管道發(fā)生中孔泄漏約240 s時，硫化氫毒性影響范圍達(dá)到峰值，其濃度分布如圖5所示。可以看到，當(dāng)硫化氫體積分?jǐn)?shù)≥0.002%的影響范圍達(dá)到峰值時，前沿距泄漏口的距離為340 m，最大寬度為190 m；當(dāng)硫化氫體積分?jǐn)?shù)≥0.01%的影響范圍達(dá)到峰值時，前沿距泄漏口的距離為254 m，最大寬度為135 m；當(dāng)硫化氫體積分?jǐn)?shù)≥0.03%的影響范圍達(dá)到峰值時，前沿距泄漏口的距離為125 m，最大寬度為72 m。

(a)體積分?jǐn)?shù)≥0.002%

2.1.3 大孔泄漏

大孔泄漏后的情況比較嚴(yán)重，泄漏的氣體流量大，泄漏速率較高，硫化氫危害范圍迅速擴大，其體積分?jǐn)?shù)能達(dá)到0.1%以上。在硫化氫危害毒性影響范圍達(dá)到峰值時，不同濃度的分布如圖6所示。可以看到，此時毒性影響范圍前沿距泄漏口的距離分別為366、276、242、207 m，最大寬度分別為254、174、152、133 m。

(a)體積分?jǐn)?shù)≥0.002%

總結(jié)不同泄漏孔徑下的硫化氫毒性影響范圍如表2所示。由表可知，管道泄漏后的硫化氫氣體云團的前沿距離及寬度隨泄漏孔徑的擴大而增加，其中低濃度云團的距離范圍先迅速增大然后緩慢增大，且在大孔泄漏條件下，隨著云團濃度的增加，云團距離下降較慢，中高濃度云團占比會相應(yīng)擴大。

2.2 分離器泄漏模擬

分離器在泄漏初期的內(nèi)部壓力較大，泄漏孔徑越大，氣體噴射而出的初始泄漏流量越大。由于分離器的容積有限，隨著壓力的不斷降低，泄漏流量由初始泄漏流量迅速下降，且大部分天然氣在泄漏初期就可全部泄漏出來。隨著泄漏孔徑的減小，動態(tài)泄漏流量與初始泄漏流量的差距減小，泄漏持續(xù)時間增加。因此，分離器的泄漏事故表現(xiàn)出大孔徑迅速泄漏、小孔徑持續(xù)泄漏的特點。

表2 不同泄漏孔徑條件下硫化氫的毒性影響范圍 m

由于分離器的體積是固定的，故發(fā)生泄漏的氣體總量是有限的，以大孔泄漏為例，只需約20 s，分離器內(nèi)的氣體就可幾乎完全泄漏。針對大孔泄漏情況，從不同時間節(jié)點出發(fā)，進一步分析硫化氫的濃度分布。當(dāng)氣體完全泄漏后，短時間內(nèi)會形成含硫天然氣云團，由于云團攜帶初始動能，故會繼續(xù)擴散。分離器發(fā)生大孔泄漏后不同時刻硫化氫體積分?jǐn)?shù)≥0.002%分布情況如圖7所示。可以看出，在泄漏30、50、100、120、150、200 s時，硫化氫毒性影響范圍在短時間內(nèi)呈現(xiàn)擴大趨勢，并隨著擴散緩慢縮小。在泄漏約100 s時，硫化氫體積分?jǐn)?shù)≥0.002%的影響范圍達(dá)到峰值，其長度為168 m，寬度為93 m。此后，硫化氫的毒性影響范圍逐漸減小，特別是在約150 s時減小得比較迅速，直至約220 s時完全稀釋消散。

(a) t=30 s (b) t=50 s (c) t=100 s

(d) t=120 s (e) t=150 s (f) t=200 s圖7 分離器大孔泄漏下不同時刻云團分布

3 結(jié)論

本文利用CFD軟件FLACS對某高含硫天然氣站場分離器和管道開展了泄漏擴散模擬，通過對模擬結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

(1)泄漏口處硫化氫濃度最高，并且沿著泄漏射線方向降低，直至擴散稀釋到無毒。

(2)隨著泄漏孔徑的增大，氣體泄漏速率增大，云團前沿距離與寬度增大，硫化氫氣體毒性影響范圍擴大。

(3)由于分離器的容積有限，發(fā)生泄漏后容器內(nèi)部壓力迅速降低，氣體泄漏流量迅速下降，特別是當(dāng)發(fā)生大孔泄漏后，氣體在短時間內(nèi)泄漏完，云團迅速擴散稀釋。與分離器泄漏相比，在相同泄漏時間內(nèi)，管道的泄漏量較大，且泄漏后不容易被發(fā)現(xiàn)；在相同條件下，管道泄漏后的硫化氫毒性影響范圍遠(yuǎn)大于分離器泄漏后的。