姜春雨，趙祥迪，張日鵬，陳國(guó)鑫，趙桂利，楊 帥，王 正

(中國(guó)石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

隨著高含硫原油在我國(guó)整體石油加工板塊中所占比例不斷增加，適應(yīng)高硫重質(zhì)原油加工成為我國(guó)石油加工工業(yè)的首要任務(wù)。重質(zhì)原油含硫量的增多所帶來(lái)的硫及硫化物的危害日趨嚴(yán)重，其中以硫化氫中毒為首要安全隱患，嚴(yán)重威脅職工的生命安全和安全生產(chǎn)。研究不同泄漏條件對(duì)事故后果的影響，對(duì)指導(dǎo)突發(fā)事故的應(yīng)急救援工作有著重大意義[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于CFD原理，利用不同的軟件和模型，對(duì)工業(yè)場(chǎng)所有毒氣體的泄漏進(jìn)行了研究。章博等[2]利用Fluent軟件建立3D模型，模擬了硫化氫在不同風(fēng)速下的泄漏擴(kuò)散規(guī)律，并建立二維模型評(píng)估了對(duì)3 km范圍內(nèi)周?chē)用竦挠绊慬3]；高少華等[4]利用PHAST軟件，分析了風(fēng)速、孔徑及氣象條件對(duì)硫化氫擴(kuò)散的影響；孟凡偉等[5]采用SEVEX風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型分析了硫化氫泄漏風(fēng)險(xiǎn)影響區(qū)域。在以上研究中，主要考慮了風(fēng)速、孔徑、泄漏位置、大氣穩(wěn)定度和泄漏壓力等因素，但沒(méi)有研究泄漏源噴射方向?qū)U(kuò)散的影響，硫化氫比重大于空氣，泄漏方向不同，泄漏事故后果相差很大。

本文根據(jù)化工生產(chǎn)實(shí)際，確定石化廠區(qū)中硫黃回收裝置中硫化氫含量較為集中，其中酸性氣分液罐中的酸性氣硫化氫含量極高，甚至可達(dá)90%以上，一旦發(fā)生硫化氫泄漏事故，后果會(huì)很?chē)?yán)重。針對(duì)這一高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，根據(jù)該裝置的工藝手冊(cè)，確定相關(guān)的工藝參數(shù)，從而確定在不同事故場(chǎng)景下硫化氫的泄漏速度。運(yùn)用挪威船級(jí)社(DNV)Flacs軟件，建立理想泄漏場(chǎng)景，即無(wú)障礙物且地勢(shì)平坦，模擬探究風(fēng)速、風(fēng)向、泄漏孔徑、泄漏高度、泄漏方向等條件對(duì)硫化氫云團(tuán)擴(kuò)散的影響，并豐富對(duì)硫化氫泄漏事故后果的評(píng)價(jià)參數(shù)，即在濃度分布的基礎(chǔ)上，增加擴(kuò)散速度、擴(kuò)散范圍的評(píng)價(jià)。通過(guò)以上分析，得出該裝置最危險(xiǎn)的泄漏場(chǎng)景。

1 軟件介紹

本文首次采用Flacs9.0軟件模擬計(jì)算硫黃回收裝置硫化氫氣體泄漏的擴(kuò)散結(jié)果。該程序分為3個(gè)部分：第一部分為CASD，即場(chǎng)景定義，通過(guò)該模塊可以完成導(dǎo)入計(jì)算模型、劃分區(qū)域網(wǎng)格、輸入?yún)?shù)以及泄漏場(chǎng)景的構(gòu)建。第二部分為FLACS，即核心求解器，該求解器運(yùn)用Navier-Stokes方程求解，在本文中湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。第三部分為FLOWVIS，即結(jié)果展示，可以2D和3D的形式展示計(jì)算結(jié)果，并具有繪圖功能[6]。Flacs作為一款新型的事故后果模擬軟件，在氣體擴(kuò)散[7-9]、火災(zāi)[10]和爆炸[11]模擬領(lǐng)域得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的證實(shí)和廣泛的應(yīng)用[1]。

2 物理模型及邊界條件

選定某石化企業(yè)220 kt/a硫黃回收裝置，事故場(chǎng)景為溶劑酸性氣分液灌頂部發(fā)生腐蝕泄漏，風(fēng)向沿y軸正方向。由該裝置技術(shù)規(guī)程得到該分液罐高4 m，直徑2.4 m，壁厚0.16 m。罐內(nèi)介質(zhì)酸性氣組分為93.38%H2S、3.49%CO2、3.09%N2、0.02%烴類(lèi)。罐內(nèi)溫度為40 ℃，壓力為0.6 MPa。

模擬選用3D模型，計(jì)算區(qū)域?yàn)閤軸方向：0～200 m，y軸方向：0～1 500 m，z軸方向：0～20 m，泄漏點(diǎn)位置為(100，0，4)。在每個(gè)坐標(biāo)軸方向上，對(duì)泄漏口周?chē)M(jìn)行網(wǎng)格加密，在遠(yuǎn)距離選擇較大尺寸網(wǎng)格，然后進(jìn)行“Smooth”操作，使網(wǎng)格從小到大自然過(guò)渡，最終得到總共為85 850個(gè)網(wǎng)格。具體場(chǎng)景軸向網(wǎng)格分布如下圖所示，由于場(chǎng)景Y軸向距離過(guò)大，取前200 m網(wǎng)格分布進(jìn)行展示。

邊界條件方面，X軸方向上邊界定義XLO，即“xlow”，下邊界定義為XHI，即“xhigh”，依次規(guī)定Y、Z軸上下邊界。設(shè)定XLO、XHI、YHI、ZLO、ZHI邊界為“NOZZLE”即風(fēng)流出口條件，YLO邊界為“WIND”即速度和質(zhì)量入口條件。廠區(qū)所在地區(qū)各大氣穩(wěn)定度ABCDEF年頻率百分?jǐn)?shù)分別為0.33%、6.87%、8.22%、47.26%、14.76%、17.69%[12]，故選取大氣穩(wěn)定度為“D”級(jí),取風(fēng)速為2 m/s，方向沿y軸正方向，泄漏時(shí)間10 min。由于本文主要研究硫化氫的泄漏擴(kuò)散規(guī)律，不考慮復(fù)雜地形及障礙物對(duì)擴(kuò)散的影響，地標(biāo)粗糙度選取“RURAL”，泄漏高度4 m。在泄漏點(diǎn)軸向地表上，設(shè)定4個(gè)硫化氫濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)(monitor points)，檢測(cè)硫化氫濃度隨時(shí)間的變化，具體信息如表1，表中FMOLE代表硫化氫的體積比濃度。

圖1 模擬場(chǎng)景網(wǎng)格分布(Y<200 m)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置監(jiān)測(cè)信息M1(100,100,0)FMOLEM2(100,200,0)FMOLEM3(100,300,0)FMOLEM4(100,400,0)FMOLE

3 模擬條件

基于上述討論，模擬8個(gè)條件下的硫化氫泄漏場(chǎng)景，分析泄漏方向、泄漏高度、泄漏孔徑和風(fēng)速對(duì)硫化氫擴(kuò)散的影響，每個(gè)模擬場(chǎng)景條件如表2所示。

表2 模擬參數(shù)

本文選取的分析參數(shù)均具有安全意義，擴(kuò)散距離和垂直風(fēng)向擴(kuò)散距離決定了硫化氫泄漏的影響范圍，最大濃度決定了硫化氫泄漏的危險(xiǎn)程度，最大濃度距離決定了高危區(qū)的位置和范圍，從而得出不同條件下硫化氫擴(kuò)散的安全特性。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 泄漏孔徑

通過(guò)對(duì)近年來(lái)硫黃回收裝置腐蝕泄漏事故的考察，采用3 cm、5 cm、10 cm作為酸性氣分液灌的小、中、大泄漏孔徑?？讖酱笮≈苯佑绊懙叫孤┝?，即源強(qiáng)大小。酸性氣分液灌內(nèi)壓力為0.6 MPa，在泄漏過(guò)程中滿(mǎn)足(1)式，泄漏呈聲速流動(dòng)，流動(dòng)狀態(tài)為臨界流。其泄漏量可以通過(guò)公式(2)計(jì)算：

(1)

(2)

式中：P——酸性氣分液灌內(nèi)的壓力，Pa；

P0——大氣壓力，Pa；

γ——?dú)怏w絕熱系數(shù)，對(duì)于硫化氫氣體取1.3；

Cd——?dú)怏w泄漏系數(shù)，圓孔泄漏，取1.0；

Q0——泄漏量，kg/s；

A——泄漏口面積，m2；

R——?dú)怏w常數(shù)，J/(mol·K)；

M——摩爾質(zhì)量，kg；

T——泄漏源溫度，K。

由式(2)可看出，當(dāng)泄漏氣體組成及工藝條件確定以后，Q0∝A，即泄漏量與泄漏口徑的平方呈正比。代入數(shù)據(jù)算出3 cm、5 cm、10 cm泄漏口徑所對(duì)應(yīng)的泄漏源強(qiáng)分別為0.102 5 kg/s、0.284 8 kg/s、1.138 9 kg/s。得到模擬結(jié)果如表3所示。

表3 不同泄漏孔徑硫化氫泄漏擴(kuò)散數(shù)據(jù)

由圖2和表3分析可看出，泄漏孔徑的增大對(duì)泄漏云團(tuán)在地表的最大濃度影響顯著，其比例接近泄漏量之比，即32∶52∶102。泄漏孔徑的增大對(duì)泄漏云團(tuán)的濃度分布影響很小，擴(kuò)散距離及最大濃度距離隨著泄漏量的上升向下風(fēng)向略微移動(dòng)，最大濃度范圍略微增大。垂直風(fēng)向的擴(kuò)散距離幾乎不隨泄漏孔徑的變化而變化，即擴(kuò)散范圍基本不變。

由表3數(shù)據(jù)可知，泄漏孔徑的增大大幅增加了硫化氫云團(tuán)的濃度，且由于泄漏噴射速度變大，在地面沉降的水平距離也略有變大，但由于硫化氫在空氣中依舊比例較小，并不改變大氣風(fēng)力對(duì)泄漏云團(tuán)的湍流和運(yùn)輸作用，故泄漏量的增大對(duì)硫化氫擴(kuò)散的影響范圍影響較小。

泄漏孔徑的增大直接影響了硫化氫云團(tuán)的濃度，使泄漏事故的危害顯著增加，隨著泄漏量的增多，硫化氫云團(tuán)和高危區(qū)的位置會(huì)向下風(fēng)向略微平移，但云團(tuán)自身在地表的濃度分布以及影響范圍幾乎沒(méi)有變化，故泄漏孔徑越大，事故影響范圍不變，事故危險(xiǎn)性越高。

4.2 風(fēng)速

取1號(hào)、7號(hào)、8號(hào)場(chǎng)景模擬結(jié)果進(jìn)行分析，考慮到模擬場(chǎng)景構(gòu)建的限制，取泄漏時(shí)間為5 min，得到圖2、表4。

圖2 不通風(fēng)速各監(jiān)測(cè)點(diǎn)硫化氫濃度隨時(shí)間的變化

分析圖3和表4可得，風(fēng)速的增大對(duì)擴(kuò)散范圍及其上下邊界影響十分顯著，其中下邊界距離之比近似于風(fēng)速之比。泄漏云團(tuán)的最大濃度隨風(fēng)速增大而減小，最大濃度范圍略微增大，其上下邊界沿風(fēng)向有一定程度的移動(dòng)。泄漏云團(tuán)的x軸向擴(kuò)散距離隨風(fēng)速增大而減小，在200 m以?xún)?nèi)的近距離差別較大。隨著距離增大，差距變小；分析圖4可得，隨著風(fēng)速增大，擴(kuò)散云團(tuán)到達(dá)各點(diǎn)時(shí)間越短，各點(diǎn)穩(wěn)定濃度越小。各點(diǎn)不同風(fēng)速之間濃度差距隨著距離變大而變小，其中從M4點(diǎn)可看出，1 m/s和2 m/s兩個(gè)樣本在400 m后濃度趨于一致。 M2、M3、M4在風(fēng)速為1 m/s時(shí)出現(xiàn)了明顯的濃度峰值，說(shuō)明泄漏云團(tuán)核心發(fā)生了移動(dòng)。

表4 不同風(fēng)速硫化氫泄漏擴(kuò)散數(shù)據(jù)

風(fēng)速對(duì)硫化氫擴(kuò)散的影響:首先，風(fēng)速?zèng)Q定著硫化氫擴(kuò)散的主體速度，風(fēng)速越大，單位時(shí)間內(nèi)硫化氫擴(kuò)散的距離越遠(yuǎn)，氣云的快速運(yùn)動(dòng)增大了其影響的區(qū)域；其次，風(fēng)速增大加大了空氣對(duì)硫化氫氣云的湍流作用，組分間的傳質(zhì)隨之增強(qiáng)，使其在地面沉降的濃度降低；第三，較大的風(fēng)力賦予硫化氫氣云在軸向上更大的動(dòng)能，而其受重力影響的沉降作用表現(xiàn)得較小，整體表現(xiàn)為沿軸向運(yùn)動(dòng)，硫化氫氣云在較遠(yuǎn)的位置沉降，導(dǎo)致在近距離垂直軸向上的擴(kuò)散距離減小較為明顯，隨著擴(kuò)散的持續(xù)，在遠(yuǎn)距離上硫化氫濃度與橫向擴(kuò)散距離都趨于近似。

風(fēng)速主要影響硫化氫氣云沿風(fēng)向擴(kuò)散的距離。因?yàn)闅庠魄岸肆蚧瘹涞臄U(kuò)散速度與風(fēng)速一直，隨著風(fēng)速增大，云團(tuán)的最高濃度變小，高危區(qū)的位置和范圍基本不變，但泄漏事故的影響范圍顯著增大，故在小孔徑泄漏事故中，低風(fēng)速相比高風(fēng)速在近距離更具危害性；在大孔徑泄漏事故中，高風(fēng)速在遠(yuǎn)距離相比低風(fēng)速更具危害性，但風(fēng)速對(duì)事故高危區(qū)影響較小。

4.3 泄漏方向

選取1號(hào)、2號(hào)場(chǎng)景模擬結(jié)果，對(duì)比分析垂直泄漏和水平泄漏如表5。

表5 不同泄漏方向硫化氫擴(kuò)散數(shù)據(jù)

由表5可得，泄漏方向?qū)α蚧瘹湫孤U(kuò)散影響很大。水平泄漏與垂直泄漏最大濃度之比接近10∶1，若泄漏孔徑取5 cm或10 cm，可直接達(dá)到致死濃度，且水平泄漏氣云核心出現(xiàn)在緊靠泄漏點(diǎn)的400 m以?xún)?nèi)的位置，而垂直泄漏主要影響500 m以外較遠(yuǎn)的距離。在橫向上，垂直泄漏的擴(kuò)散距離遠(yuǎn)大于水平泄漏。

硫化氫是一種比重略大于空氣的氣體，泄漏噴射方向的不同直接影響了其泄漏后的擴(kuò)散。在水平泄漏場(chǎng)景下，硫化氫氣體水平于地面噴出，在獲得軸向速度的同時(shí)直接開(kāi)始向地面沉降，由于沒(méi)有向上進(jìn)入大氣，湍流作用很小，幾乎沒(méi)有得到稀釋?zhuān)食两岛蟮臍庠茲舛葮O高，在迅速沉降到地面后，受地表阻滯作用，擴(kuò)散速度降低，故水平泄漏硫化氫主要沉積在泄漏點(diǎn)較近的區(qū)域且橫向擴(kuò)散不多。

泄漏方向顯著影響硫化氫氣云擴(kuò)散的范圍以及濃度。相對(duì)于垂直泄漏，平行泄漏會(huì)使高危區(qū)的濃度急劇上升，硫化氫在泄漏后迅速在地面沉積，故高危區(qū)位置緊臨泄漏點(diǎn)，而垂直擴(kuò)散云團(tuán)經(jīng)過(guò)隨大氣的擴(kuò)散，主要沉積在距離泄漏點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域。故在泄漏量較小時(shí)，平行泄漏在近泄漏點(diǎn)距離內(nèi)更危險(xiǎn)；泄漏量足夠大時(shí)，垂直泄漏的影響范圍較廣，產(chǎn)生的事故后果也更大。

4.4 泄漏高度

選取1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)場(chǎng)景的模擬結(jié)果，研究的時(shí)間點(diǎn)選取為100 s，進(jìn)行對(duì)比分析如圖3、表6。

圖3 不同泄漏高度模擬對(duì)比YZ圖

由圖3與表6可看出，泄漏高度主要影響硫化氫擴(kuò)散的落地距離，即擴(kuò)散范圍上邊界，泄漏高度越高，落地距離越遠(yuǎn)，其主要原因?yàn)樾孤└叨戎饕绊懥蚧瘹錃怏w受重力作用由空中沉降到地表的時(shí)間，釋放源高度越高，同樣風(fēng)速下，落地所需時(shí)間越長(zhǎng)，落地距離越遠(yuǎn)；不同泄漏高度在泄漏點(diǎn)水平方向上濃度相近，但由于在大氣中擴(kuò)散時(shí)間有別，受到氣湍流對(duì)氣云的稀釋作用不同，落地時(shí)間越長(zhǎng)，受到的稀釋作用越強(qiáng)，泄漏出的高濃度硫化氫與空氣更加充分的混合，而分布范圍變廣，故在硫化氫地表沉積的濃度有所差別，由表6數(shù)據(jù)可知，泄漏高度越高，地表的最大濃度越小。

表6 不同泄漏高度硫化氫泄漏擴(kuò)散數(shù)據(jù)

泄漏高度主要影響硫化氫氣云的落地水平距離。泄漏高度越高，氣云落地距離越遠(yuǎn)，氣云在地表沉降的硫化氫濃度降低，氣云核心影響范圍變大；而硫化氫風(fēng)向和垂直風(fēng)向擴(kuò)散距離幾乎不變。故泄漏高度越高，地面可探測(cè)到空氣中過(guò)量硫化氫的時(shí)間越慢，越不利于企業(yè)對(duì)于硫化氫中毒事故的預(yù)警；泄漏高度越低，高危區(qū)越接近于釋放源，硫化氫濃度越高，事故后果越嚴(yán)重。

5 結(jié)論

a)泄漏方向?qū)α蚧瘹鋽U(kuò)散影響非常顯著，在同樣孔徑下，僅因泄漏方向不同，擴(kuò)散濃度提高至近十倍，且集中沉積在泄漏源附近，故除非只考慮泄漏事故對(duì)遠(yuǎn)距離區(qū)域的影響，否則應(yīng)設(shè)定水平泄漏方向?yàn)槭鹿蕡?chǎng)景。

b)泄漏高度主要影響硫化氫落地距離，泄漏高度越高，落地距離越遠(yuǎn)，廠區(qū)內(nèi)應(yīng)根據(jù)泄漏高危點(diǎn)的位置來(lái)布置硫化氫檢測(cè)器。

c)泄漏孔徑主要影響擴(kuò)散濃度，直接決定了泄漏事故的危害程度，故在最壞事故場(chǎng)景構(gòu)建中，應(yīng)盡可能大地設(shè)定泄漏孔徑。

d)風(fēng)速主要影響硫化氫泄漏事故的傳播速度和范圍，當(dāng)事故廠區(qū)周?chē)嬖诰用駞^(qū)或公路時(shí)，應(yīng)考慮較大風(fēng)速，以便開(kāi)展應(yīng)急演練和安排逃生路線。