復雜地形含硫氣體擴散定量風險評價技術

余清秀 張林霞 劉 坤 楊珍希

(1.四川天宇石油環(huán)保安全技術咨詢服務有限公司，四川 成都 610213；2.中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術監(jiān)督研究院，四川 成都 610213)

0 引言

目前，我國氣體擴散定量風險技術多在平原地區(qū)應用和研究，平原地區(qū)含硫氣體擴散模擬難以準確反映復雜地形含硫氣體擴散的真實情況，復雜地形氣體擴散定量風險分析技術在國內(nèi)研究較少，川渝地區(qū)高含硫氣田的地形多為山地丘陵地形結構，具有地形復雜、周邊人口稠密的特點，因此針對復雜地形條件下氣體擴散的定量風險評價技術開展研究，具有重要現(xiàn)實意義。

復雜地形氣體擴散定量風險評價技術研究將從復雜地表對氣流的阻擋，氣流風場跟地形的耦合度強弱，毒性氣體濃度時空分布，山地丘陵氣體擴散復雜性等方面結合定量風險評價技術方法來彌補平原區(qū)域氣體擴散技術的局限性。工程技術人員和安全管理者可借助復雜地形氣體擴散定量風險評價技術所獲得的數(shù)據(jù)和結論，結合工程實際綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)境、可靠性和安全性等因素，制定適當?shù)娘L險管理程序，為管理層提供決策技術支撐，如確定外部安全防護距離、建設項目選址及廠區(qū)平面布置、重大風險場景研究、個人年度風險分析、裝置設備風險排序、重點防護高風險裝置風險管控等，有針對性地解決企業(yè)安全問題。本文通過該技術研究并應用于復雜地形含硫天然氣井噴的三維擴散風險評價中，進而提高定量風險分析的可靠性。

1 復雜地形氣體擴散定量風險評價技術

復雜地形氣體擴散定量風險評價技術是對某復雜區(qū)域采用數(shù)字高程模型和網(wǎng)格劃分技術，借助流體動力學模型，具體針對某設施或作業(yè)活動中發(fā)生事故的頻率和后果進行表達的系統(tǒng)方法。它是一種對風險進行量化管理的工程技術手段，量化風險評價是由一個工作組完成，其成員主要包括安全、工藝、設備、儀表、自控、化學、流體力學等各專業(yè)技術人員，評價的過程是建立模型，然后再進行模型計算。評價工作組把評價目標模型化，各專業(yè)技術人員對過程本身進行精確描述，對所有涉及相關數(shù)據(jù)詳細收集、準確分析，對評價邊界進行限定。工程技術人員通過這項技術對某個復雜地形區(qū)域危險源進行識別，不僅對事故的原因、過程、后果進行定性分析，而且對事故發(fā)生的頻率和后果進行定量計算，并將計算出的風險與風險標準相比較，判斷風險的可接受性，提出降低風險的建議措施。復雜地形氣體擴散定量風險評價技術，如圖1。

圖1 復雜地形定量風險評價技術

1.1 復雜地形數(shù)字高程模型和網(wǎng)格劃分技術

復雜地形數(shù)字高程模型是針對地形地貌的一種數(shù)字建模過程，是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型，不僅利用已有地形圖上等高線、高程點進行采集，而且還可以對某區(qū)域各點坐標數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格抽取。采用的算法是對等高線和高程點建立不規(guī)則三角網(wǎng)，在此基礎上通過線性和雙線性內(nèi)插建立數(shù)字高程模型，描述地表高程信息空間分布的三維有限序列，建模后的場景能夠描述高程在內(nèi)的各種地貌因子，真實再現(xiàn)該區(qū)域從而達到仿真的目的。不規(guī)則三角網(wǎng)結果數(shù)據(jù)的優(yōu)點是以不同層次的分辨率描述地表形態(tài)。分辨率是數(shù)字模型刻畫地形精確程度的一個重要指標，同時也是決定數(shù)字高程模型主要影響因素。它與其他數(shù)據(jù)模型算法相比，不規(guī)則三角網(wǎng)在某一特定分辨率下能用更少空間和時間精確地表示復雜表面，特別是當?shù)匦伟罅刻卣?，如斷裂線、構造線時，不規(guī)則三角網(wǎng)模型能較好評價地貌的特征。

在建好的數(shù)字高程模型上進行網(wǎng)格劃分。用采樣點方法讀取到網(wǎng)格劃分，利用非結構網(wǎng)格和貼地網(wǎng)格技術，根據(jù)項目實際建模后進行劃分創(chuàng)建高質(zhì)量的四面或六面體結構化網(wǎng)格，并能進行幾何結構的修補和簡化，對個別區(qū)域用網(wǎng)格局部加密技術，求解任意復雜的幾何形體，保障建立的幾何和網(wǎng)格的穩(wěn)定性和保真性，從而使幾何和網(wǎng)格高質(zhì)量準確。網(wǎng)格是流體動力學模型的幾何表達形式，也是模擬和分析的載體，網(wǎng)格劃分質(zhì)量對計算精度和計算效率有重大影響。因此高效生成復雜幾何區(qū)域內(nèi)、與相臨區(qū)域網(wǎng)格連續(xù)、完全非結構化的混合網(wǎng)格有助于計算結果的精確度。通過這2項技術可以更好地揭示復雜地表對氣流的阻擋趨勢分布及氣流風場跟地形的耦合強弱程度。

1.2 流體動力學模型

流體動力學(Computational Fluid Dynamic，CFD)是把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上變量值的集合來代替，通過一定原則和方式建立起關于這些離散點上各場變量之間關系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得各場變量的近似值，可以看作是流體基本方程(質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程)的數(shù)值模擬。通過計算機和離散化數(shù)值方法來求解流體力學的控制方程，對流體力學進行模擬和分析，得到流場內(nèi)各位置上基本物理量的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，數(shù)值模擬對數(shù)值求解控制流體的微分方程，得出流場連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬流體流動情況?；谟邢摅w積法將計算區(qū)域劃分為一系列不重復的控制體積，每一個控制體積都有一個節(jié)點作代表，將待求守恒型微分方程在任一控制體積及一定時間間隔內(nèi)對空間與時間作積分；按選定的線型做出積分并整理成一組關于節(jié)點上未知量的離散方程，對待求函數(shù)及其導數(shù)對時間及空間的變化型線或插值方式做出假設；有限體積算法對網(wǎng)格的適應性很好，能與流固藕合分析更好融合。其優(yōu)點是具有很好的守恒性，更加靈活的假設，解決復雜毒性氣體濃度時空分布，山地丘陵氣體擴散復雜等以往技術方面的難題。

1.3 氣體擴散風險評價

根據(jù)風險計算法開發(fā)一款具有自主知識產(chǎn)權的氣體擴散定量風險計算軟件，氣體擴散風險計算軟件可以計算有毒物質(zhì)和可燃性氣體擴散個人風險與社會風險。根據(jù)項目工藝條件初步定性定量分析確定主要危險點，氣體擴散風險軟件對主要危險點進行精確量化分析，識別主要風險，輸入項目所在地的大氣穩(wěn)定度、風向及風速聯(lián)合頻率，導入數(shù)字高程地形模型、人口分布及關注敏感點的地理坐標，計算出關注敏感點的風險值、個人風險等值線以及表示社會風險水平的F-N曲線(即死亡人數(shù)和發(fā)生頻率的對應曲線)。該軟件計算結果有2種：一是描述單個設備發(fā)生危險時會對周圍人員及設備造成影響的獨立設備風險，軟件將每個設備的影響區(qū)域標注在地圖上，形成風險輪廓圖，用于結果分析；二是描述對社會總體影響的F-N曲線。技術人員可通過對軟件提供的結果進一步分析，得到精確的量化分析及準確的安全分析結果。

量化風險計算結果一般用2種風險值度量，分別為個人風險及社會(群體)風險。特定場所個人風險是表示界區(qū)外某一個體持續(xù)出現(xiàn)在某一特定場所遭遇的某種危險發(fā)生的頻率，通常以每年個人死亡率來表示；社會(群體)風險常用單位時間(每年)的死亡人數(shù)概率來表示，即用F-N曲線表示累積頻率(

F

)和死亡人數(shù)(

N

)之間關系。個人風險和社會風險計算從定義計算區(qū)域網(wǎng)格開始，網(wǎng)格單元的中心稱為網(wǎng)格點，每個網(wǎng)格點上都要進行個人風險計算。在單一網(wǎng)格點上確定個人風險的過程，即在一個網(wǎng)格點。作為參考，如果重要事件的影響距離小于300m，網(wǎng)格單元的尺寸不大于25mm×25mm；重要事件的影響距離大于300m，則采用100mm×100mm的網(wǎng)格單元；也可根據(jù)情況采用混合網(wǎng)格單元進行計算。確定每個網(wǎng)格單元人數(shù)，假設一個人口區(qū)域是一個網(wǎng)格單元，然后將起火的概率分配到每一個網(wǎng)格單位。每個網(wǎng)格的個人風險是由上述因素綜合貢獻確定，個人風險是空間位置坐標的函數(shù)，體現(xiàn)為區(qū)域地圖上的風險等值線。

個人風險計算：分別計算各個網(wǎng)格點的個人風險。網(wǎng)格點的個人風險按式(1)計算：

R

(

x

,

y

)=

P

P

P

P

(

x

,

y

)

(1)

式中：

R

(

x

,

y

)—(

x

,

y

)位置的個人風險值，(

x

,

y

)網(wǎng)格點的坐標；

P

—井噴失控事故概率；

P

—天氣等級

M

出現(xiàn)的頻率，6種天氣等級的概率；

P

—在給定天氣等級

M

情況下風向

φ

的概率，8個風向的概率；

P

(

x

,

y

)—(

x

,

y

)位置處受體致死概率，為有毒氣體濃度及接觸時間的函數(shù)。

社會風險首先對每一個網(wǎng)格單元計算每一個容器泄漏事件、天氣等級、風向及起火事件簡單綜合的預期死亡人數(shù)，再次計算所有網(wǎng)格單元的預期死亡人數(shù)，最后確定引起≥死亡人數(shù)的所有事故累積頻率。社會風險與周圍人口密度相結合的危險活動的風險量度，社會風險關注的是面，反映的是公眾所面臨的風險，是為保護社會公眾而設置的。

社會風險計算：根據(jù)天氣等級和風向的單個組合，計算每個網(wǎng)格單元的預計死亡人數(shù)。然后再對井噴失控、天氣等級和風向的各個組合，分別計算所有網(wǎng)格單元的預計死亡人數(shù)。最后，確定死亡人數(shù)超過

N

的累積頻率。社會風險按式(2)計算：

R

=∑

P

×

P

×

P

(≥

N

),

N

(2)

式中：

R

—社會風險值，次/年；

N

—死亡人數(shù)，人。

本文采用的界區(qū)外個人風險標準為1.6×10/年，表示對位于該風險等值線內(nèi)的居民來說，該項目帶來的風險是不可接受的；而表示社會風險標準的F-N曲線則采用累積最大概率9.3×10/年，斜率為-1，累積死亡人數(shù)的最大值為1 000的標準曲線。

2 定量風險模擬計算實例

以某高含硫氣田在鉆井過程中發(fā)生井噴失控為例，模擬計算泄漏出來的含硫天然氣在不同風速條件下的擴散影響區(qū)域、個人風險等值線和社會風險等值線。

2.1 建模

對井場實際調(diào)查，考慮人口分布和井噴引起含硫氣體的泄漏量對周圍地區(qū)的最大影響，用含硫天然氣井場所在區(qū)域的1:10 000數(shù)字高程圖數(shù)據(jù)建立三維地理模型。提取事故發(fā)生點周圍2km內(nèi)的DEM地形圖，如圖2。通過軟件提取等高線的軌跡，得出地形矢量圖和實際場景完全吻合。

圖2 高含硫氣田地形三維模型

建好三維模型后，網(wǎng)格以井口為中心建立一個邊長4km的正方形區(qū)域進行劃分，劃出復雜場景的網(wǎng)格。質(zhì)量高的網(wǎng)格有助于計算的收斂，如圖3。

圖3 高含硫氣田區(qū)域網(wǎng)格劃分圖

2.2 井噴事故風險源項及概率

風險源項數(shù)據(jù)：泄漏點離地面高1m處，垂直方向，井噴持續(xù)時間15min，釋放速率為最大絕對無阻流量：1260×10m/d，HS含量為16%(體積比)，天然氣密度0.9kg/m，溫度25℃。井噴失控事故概率4.5×10/年。

4.3 化學防治 2017年我們進行了大生M-45、多霉清、復方多菌靈、甲基托布津等殺菌劑防治金絲小棗漿爛果病對比試驗。結果表明，不同藥劑防治金絲小棗漿爛果病效果差異顯著，其中800倍液80%大生M-45防效最好。

2.3 氣象條件及人口分布

根據(jù)井場所在地區(qū)氣象資料分析，分別確定8個風向、6個天氣等級的出現(xiàn)概率，見表1、2。

表1 風向概率表

對井場周圍2km現(xiàn)場調(diào)查，區(qū)域內(nèi)人口數(shù)量為1 340人。其中100m范圍內(nèi)0人，100～300m范圍內(nèi)155人，300～500m范圍內(nèi)115人。

表2 天氣等級概率表

2.4 計算結果及分析

2.4.1 HS擴散區(qū)域范圍

本文對不同氣象條件組合進行HS的擴散模擬預測，部分結果，如圖4，見表3。

表3 不同濃度H2S擴散影響范圍表(風向：WN)

根據(jù)計算結果，隨著來風速度的增大，含HS的天然氣云團擴散也隨之加快，泄漏的含硫天然氣質(zhì)量減少，擴散云團高度降低。另外，由于井場周邊山谷溝壑眾多，受山體和溝壑阻擋，出現(xiàn)低風速帶或形成渦流，由于HS比空氣重，容易在溝壑、山谷地帶沉積。圖4顯示風向WN，風速5m/s，穩(wěn)定度D下144.14mg/m的HS在900s的擴散俯視和側視云圖。

圖4 144.14mg/m2的H2S的擴散云圖

風洞實驗驗證，流體動力學模型計算結果能夠真實反映復雜地形條件下含HS天然氣泄漏擴散過程及影響范圍。

個人風險等值線繪制在高含硫氣井場周圍2km×2km的地圖上，等值線顯示井場周邊不同區(qū)域的個人風險水平，如圖5。10個人風險等值線表示1萬年中1次死亡事故的安全總體水平，在該區(qū)域內(nèi)不應該越過企業(yè)邊界；10個人風險等值線表示10萬年中1次死亡事故的安全總體水平，在該范圍內(nèi)不應該有商業(yè)區(qū)和低隱患工業(yè)區(qū)；10個人風險等值線表示100萬年中1次死亡事故的安全總體水平，該區(qū)域內(nèi)不能有住宅開發(fā)區(qū)；10個人風險等值線表示1 000萬年中1次死亡事故的安全總體水平，該區(qū)域內(nèi)不能有高敏感防護目標(文化、教育、醫(yī)療衛(wèi)生、社會福利、軍事設施及文物保護單位)。

根據(jù)本文所采用的界區(qū)外個人風險標準，圖5中10等值線區(qū)域內(nèi)個人風險處于不可接受水平，因此，此區(qū)域內(nèi)居民應搬遷。

圖5 高H2S氣井井噴個人風險等值線圖

社會風險F-N曲線表示可以接受的風險水平，它表示頻率與事故引起的人員傷亡數(shù)目之間的關系，人口密度對社會風險計算影響大。F-N曲線值的計算是累加的，通過2條風險分界線將社會風險分為3個區(qū)域，即不可能容許區(qū)、可容許區(qū)、盡可能容許區(qū)，如圖6。若風險水平超過容許上限10不可容許區(qū)，表示該風險不能接受；若風險水平低于10容許下限，顯示該風險是可以被接受的，無需采取安全改進措施；若風險水平在10～10，應在可實現(xiàn)的范圍內(nèi)，盡可能采取安全改進措施降低社會風險。本項目高含硫氣田開發(fā)本身存在較大風險，但井場周邊區(qū)域人口密度較低，因此社會風險F-N曲線處于最低合理可行區(qū)域(As Low As Reasonable Practice，ALARP)，建議采取技術合理可行、成本盡可能低的風險控制措施。

圖6 高硫化氫氣井井噴社會風險F-N曲線

3 結論

復雜地形氣體擴散定量風險評價技術通過綜合運用復雜地形數(shù)字高程模型、基于CFD原理的有限元擴散模擬和自主研發(fā)的氣體擴散定量風險評價軟件，能夠客觀真實地反映復雜地形條件下的泄漏擴散過程，計算出個人風險和社會風險。對計算實例綜合分析，得知：

(1)高精度數(shù)字高程圖數(shù)據(jù)關系到地形的仿真程度，從而真實體現(xiàn)地形對氣體擴散的影響。

(2)合適的計算模型、網(wǎng)格合理劃分及求解處理參數(shù)的正確設置關系到模擬流場與實際擴散的耦合程度，對得出真實模擬結果至關重要。

(3)在趨于真實的模擬結果基礎上得出的正確風險計算結果，并結合合理的風險可接受標準，得出的評價結論將有效為高含硫氣田開發(fā)制定合理的安全距離和應急范圍提供相應的數(shù)據(jù)支持。