胡百中 陳序 何泊龍 陳平 黃程 陳文龍

(1. 中國石油浙江油田分公司， 杭州 310013；2. 重慶科技學院安全工程學院(應急管理學院)， 重慶 401331；3. 中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦， 四川 瀘州 646000)

含硫天然氣中硫化氫(H2S)的含量較高，在大氣中的擴散屬于混合重氣擴散，其擴散規(guī)律相對復雜。定量分析含硫天然氣集輸管道不同氣候、不同管線破裂程度下的氣體泄漏擴散特點及影響范圍，準確劃分不同泄漏擴散條件下的應急計劃區(qū)，對正確指導應急處置工作具有重要意義。

自20世紀70年代以來，國外學者就針對含H2S重氣擴散模擬問題提出了FEM3模型、BM模型、箱及相似模型、Zemman模型等仿真模型[1-5]。由于含H2S氣體擴散受H2S濃度、邊界條件、氣體組分等諸多因素的影響，重氣擴散模型模擬的擴散規(guī)律并不準確。此外，研究者多采用Phast、Fluent[6-7]、Flacs等模擬軟件對含硫天然氣的泄漏擴散問題進行分析。其中，F(xiàn)lacs軟件是目前該領(lǐng)域模擬精度最高的模擬軟件之一[8-9]。本次研究主要針對四川某地面集氣干線“周邊人口密集”和“高速公路穿越”兩個高后果區(qū)，結(jié)合其所處地理環(huán)境、氣候條件等特征，構(gòu)建三維場景模型。應用流體動力學軟件Flacs開展三維數(shù)值模擬，量化分析高后果區(qū)在不同氣候、不同管線破裂程度下的含硫天然氣泄漏擴散特點及影響范圍，劃分應急計劃區(qū)，以保障應急處置的高效性和精準度。

1 高后果區(qū)三維場景模型構(gòu)建

高后果區(qū)內(nèi)的管段為實施風險評價和完整性評價的重點管段。高后果區(qū)，是指管道發(fā)生泄漏后會危及公眾安全，對財產(chǎn)、環(huán)境造成嚴重破壞后果的區(qū)域。隨著人口和環(huán)境資源的變化，高后果區(qū)的地理位置和范圍也會發(fā)生改變。按照中國石油企業(yè)標準Q/SY1180.2 — 2009第二部分中關(guān)于輸油管道HCAs的8條識別準則和評分方法，選定了四川某地面集氣干線“周邊人口密集”和“高速公路穿越”兩個高后果區(qū)進行分析。

1.1 高速公路穿越高后果區(qū)地理模型

根據(jù)高速公路穿越高后果區(qū)現(xiàn)場勘察情況，應用Google Earth軟件進行區(qū)域信息采集，應用Flacs前置處理軟件CASD建立三維地理模型。模擬區(qū)域長(x)700 m，寬(y)700 m，高度差(z)參照實際海拔高度。以泄漏點為基準點，區(qū)域面積按1∶10的比例縮放。該區(qū)域劃分為4 900個10 m×10 m單位元，根據(jù)每個單位元的位置及高度等參數(shù)建立地理模型(見圖1)。

圖1 高速公路穿越高后果區(qū)地理模型

模型中，參照當?shù)氐乩憝h(huán)境實際尺寸，突出了地形和建筑物。為了保證達到計算精度，提高計算效率，以泄漏點為中心，將模型網(wǎng)格設(shè)置為核心區(qū)域與非核心區(qū)域。以整個模型所在的區(qū)域(700 m×700 m)作為監(jiān)控區(qū)域，監(jiān)控區(qū)域上空取100 m的高度作為上頂界。根據(jù)實際工程經(jīng)驗，泄漏點核心區(qū)域網(wǎng)格距離設(shè)置為1 m，非核心區(qū)域以1.194倍的規(guī)模遞增擴展。

1.2 人群密集高后果區(qū)地理模型

根據(jù)人群密集高后果區(qū)現(xiàn)場調(diào)研勘察情況，應用Google Earth軟件采集區(qū)域信息，應用Flacs前置處理軟件中的CASD建立三維地理模型。模擬區(qū)域長(x)1 000 m，寬(y)600 m，高度差(z)參照實際海拔高度。建模過程中，以泄漏點為基準點，區(qū)域面積按1∶20的比例縮放。該區(qū)域劃分為1 500個20 m×20 m單位元，以每個單位元位置及高度參數(shù)建立地理模型(見圖2)。以整個模型所在的區(qū)域(1 000 m ×600 m)作為監(jiān)控區(qū)域，監(jiān)控區(qū)域上空取100 m的高度作為上頂界。根據(jù)實際工程經(jīng)驗，泄漏點核心區(qū)域網(wǎng)格距離設(shè)置為1 m，非核心區(qū)域以1.194倍的規(guī)模遞增擴展。

圖2 人群密集高后果區(qū)地理模型

2 含硫天然氣泄漏擴散三維數(shù)值模擬

2.1 工況條件

集輸管道原料氣輸送規(guī)模為550×104m3/d，輸送壓力為6.7 MPa。原料氣中，CH4質(zhì)量分數(shù)為92%，CO2質(zhì)量分數(shù)為7%，H2S質(zhì)量分數(shù)為1%。

研究區(qū)地處淺丘，海拔為350～450 m，屬亞熱帶季風濕潤性氣候，年平均氣溫為18.5 ℃。夏季受海陸氣溫差異的影響，吹東南風；冬季受西伯利亞寒風的影響，吹西北風。全年平均風速為5 m/s，濕度為60%～80%。

研究區(qū)泄漏工況參數(shù)包括泄漏孔的孔徑大小、氣體從管道泄漏出來的方向、泄漏時的風向以及風速大小等。

2.2 高速公路穿越高后果區(qū)泄漏擴散三維數(shù)值模擬

泄漏孔隙一般分為大孔、中孔、小孔。泄漏孔徑為50～150 mm，為大孔泄漏，其代表孔徑為100 mm；泄漏孔徑為10～50 m，為中孔泄漏，其代表孔徑為25 mm；泄漏孔徑為0～10 mm，為小孔泄漏，其代表孔徑為5 mm。取5個泄漏方向作為代表方向：上(+z)、西南(+x)、東北(-x)、東南(+y)、西北(-y)。風向根據(jù)氣候條件和地形條件取東南(+y)、西北(-y)方向。風速按照實際氣候條件取3個有代表性的值：1 m/s，無風或者微風；3 m/s，正常風速；5 m/s，風速較大。將泄漏孔徑、泄漏方向、風向和風速等4個參數(shù)進行排列組合，得到高速公路穿越高后果區(qū)泄漏三維數(shù)值模擬方案，共90種方案。圖3所示為不同工況組合下的代表性氣體泄漏云圖。這些云圖包括：100 mm孔徑+向西北泄漏+東南風向+3 m/s風速下氣體泄漏云圖；100 mm孔徑+向上泄漏+東南風向+1 m/s風速下氣體泄漏云圖；100 mm孔徑+向上泄漏+東南風向+5 m/s風速下氣體泄漏云圖；100 mm孔徑+向上泄漏+西北風向+1 m/s風速下氣體泄漏云圖；25 mm孔徑+向東南泄漏+西北風向+5 m/s風速下氣體泄漏云圖；100 mm孔徑+向東南泄漏+西北風+向 5 m/s風速下氣體泄漏云圖。

2.3 人群密集高后果區(qū)泄漏擴散三維數(shù)值模擬

與上述泄漏標準相同，大孔泄漏代表孔徑為100 mm，中孔泄漏代表孔徑為25 mm，小孔泄漏代表孔徑為5 mm。取5個泄漏方向作為代表方向：上(+z)、東(+x)、西(-x)、北(+y)、南(-y)。風向根據(jù)氣候條件取西風(-x)、南風(-y)方向。風速按照實際氣候條件取3個代表值：1 m/s，無風或微風；3 m/s，正常風速；5 m/s，風速較大。將泄漏孔徑、泄漏方向、風向和風速等4個參數(shù)進行排列組合，得到人群密集高后果區(qū)泄漏三維數(shù)值模擬方案，共90種方案。圖4所示為不同工況組合下的代表性氣體泄漏云圖，整個氣體云可視質(zhì)量分數(shù)為1 000×10-6，折算后H2S質(zhì)量分數(shù)為10×10-6。這些云圖包括：5 mm孔徑+向西泄漏+西風向+3 m/s風速下氣體泄漏云圖；25 mm孔徑+向西泄漏+西風向+3 m/s風速下氣體泄漏云圖；100 mm孔徑+向西泄漏+南風向+3 m/s風速下氣體泄漏云圖；100 mm孔徑+向西泄漏+西風向+3 m/s風速下氣體泄漏云圖；100 mm孔徑+向東泄漏+西風向+5 m/s風速下氣體泄漏云圖；100 mm孔徑+向北泄漏+南風向+1 m/s風速下氣體泄漏云圖。

圖3 高速公路穿越高后果區(qū)氣體泄漏擴散云圖

3 含硫天然氣集輸管道泄漏應急計劃區(qū)劃分

應急計劃區(qū)，是指為在發(fā)生事故時能及時有效地采取保護公眾的防護行動，事先在高后果區(qū)周圍建立的，制定有應急預案并做好應急準備的區(qū)域。基于 H2S 毒性負荷的山區(qū)含硫氣井 EPZ應急計劃區(qū)劃分方法[10]，考慮了山區(qū)復雜地形和RH2S等因素對 H2S 毒性負荷的影響。計算公式如下：

(1)

式中：RH2S為不同 H2S 釋放速率；REPZ為EPZ 邊界毒性負荷的最大擴散半徑。含硫氣井 EPZ 的邊界定義為：質(zhì)量濃度為144.14 mg/m3的H2S泄漏60 min時的氣體毒性負荷最大擴散距離。

根據(jù)集輸管道含硫天然氣泄漏擴散特點，以及相關(guān)標準中不同H2S含量對人體的危害，確定了應急計劃區(qū)劃分標準(見表1)。

表1 應急計劃區(qū)劃分標準

圖4 人群密集高后果區(qū)氣體泄漏擴散云圖

3.1 高速公路穿越高后果區(qū)應急區(qū)域劃分

根據(jù)含硫天然氣管道泄漏三維數(shù)值模擬結(jié)果可知，小孔徑泄漏和中孔徑泄漏的氣體量不大，對應的H2S質(zhì)量分數(shù)比較小，對高速公路上的車輛人員沒有危害，高后果區(qū)內(nèi)的人員不用撤離。大孔徑泄漏的氣體量相對較大，能達到H2S質(zhì)量分數(shù)安全臨界值20×10-6和危險值100×10-6；泄漏源附近的H2S質(zhì)量分數(shù)更高，會對高速公路上的車輛人員造成一定的危害，應該對其采取相應的應急措施。圖5所示為高速公路穿越高后果區(qū)應急區(qū)域劃分圖。該區(qū)域包括100 mm孔徑+向上泄漏+風向東南+風速1 m/s工況下劃分的應急區(qū)域。其中，灰色區(qū)域為5 min內(nèi)H2S質(zhì)量分數(shù)達到20 ×10-6的泄漏范圍，氣體擴散的最遠距離為355 m；藍色區(qū)域為5 min內(nèi)H2S質(zhì)量分數(shù)達到100 ×10-6的泄漏范圍，氣體擴散的最遠距離為148 m。

圖5 高速公路穿越高后果區(qū)應急區(qū)域圖

3.2 人群密集高后果區(qū)應急區(qū)域劃分

圖6所示為人群密集高后果區(qū)應急區(qū)域劃分圖。該區(qū)域包括100 mm泄漏孔徑+向東泄漏+風向南+風速3 m/s工況下劃分的應急區(qū)域。其中，灰色區(qū)域為5 min內(nèi)H2S質(zhì)量分數(shù)達到20×10-6的泄漏范圍，氣體擴散的最遠距離為223 m，藍色區(qū)域為5 min內(nèi)H2S質(zhì)量分數(shù)達到100×10-6的泄漏范圍，氣體擴散的最遠距離為178 m。

4 結(jié) 語

大孔徑泄漏容易使H2S大量積聚，H2S質(zhì)量分數(shù)最高可達到100×10-6，危害較大。含硫天然氣擴散范圍受泄漏孔徑、風速、風向、泄漏方向共同作用的影響，其中風速、風向?qū)蛱烊粴鈹U散方向及范圍影響較大，泄漏孔徑大小和泄漏方向主要影響氣體的積聚濃度。對于高后果區(qū)域，應重點加強H2S泄漏監(jiān)測和對居民的安全教育。若一旦發(fā)生泄

漏事故，應對藍色應急區(qū)域內(nèi)人員緊急疏散，或者在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置交通禁行標志，原則上該區(qū)域內(nèi)不宜有居民繼續(xù)居??；對于灰色應急區(qū)域，應加強H2S泄漏情況監(jiān)測，提醒該區(qū)域內(nèi)居民有序疏散，或禁止過往車輛入內(nèi)及通行。