含硫天然氣重大突發(fā)泄漏事件數(shù)值模擬研究

趙子文

(中國石化國際石油工程有限公司，北京 100020)

我國天然氣管道大多埋設(shè)于地下，穿越地區(qū)廣、地形復(fù)雜、土壤性質(zhì)差別大，輸送介質(zhì)工作壓力高，日常檢測比較困難，容易受到環(huán)境、腐蝕和自然災(zāi)害的影響，加上違法占壓和第三方破壞等原因，存在重大事故隱患。而且大部分是含硫天然氣，含有的硫化氫屬于高毒性氣體，少量硫化氫就會造成人員急性中毒甚至死亡。如果發(fā)生重大突發(fā)泄漏事件，由于應(yīng)急處置不當(dāng)或應(yīng)急能力不足等問題，很可能會造成群死群傷，產(chǎn)生不良的社會影響。川西地區(qū)某公司一井站位于低洼地方，周邊地勢較高，周邊居民分布零散，附近有一個旅游度假區(qū)，人員眾多。而井站的出氣管線穿過梯田，埋深不足，極易發(fā)生第三方破壞情況，造成重大泄漏事件，如果不能及時應(yīng)對和疏散周圍人群，會產(chǎn)生嚴重后果。面對高毒氣體泄漏突發(fā)事件，必須采用有效方法提前預(yù)測事故影響范圍，確定疏散人員區(qū)域及準備相應(yīng)的應(yīng)急措施和物資。

對于氣體泄漏擴散的研究，可以采用實驗和數(shù)值模擬兩種方法。但是對于大量氣體泄漏，特別是有毒氣體，實驗方法條件要求嚴、操作困難、危險性大。而數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞實驗結(jié)果又可以取得良好的擬合效果[1-2]。本文要研究的是含硫天然氣重大突發(fā)泄漏事件，泄漏氣體量大，影響范圍廣，因此選用數(shù)值模擬方法進行泄漏事故后果分析。很多研究人員采用二維模擬軟件進行了燃氣管道泄漏的研究，但三維模擬更直觀形象[3-6]。本文采用CFD仿真軟件進行事故后果分析，可以給出實時氣體因地形等影響因素擴散區(qū)域的變化，為事故狀態(tài)下應(yīng)急救援提供更有針對性的指導(dǎo)。

1 情景介紹

“情景”是對某種對象在未來如何演變的科學(xué)化描述。研究重大突發(fā)事件“情景”，是對未來一定時期內(nèi)一個國家、地區(qū)或行業(yè)可能發(fā)生的重大突發(fā)事件的一種合理的設(shè)想，是對不確定的未來災(zāi)難開展應(yīng)急準備的一種思維工具。重大突發(fā)事件雖然是小概率事件，但其破壞強度、波及范圍和災(zāi)變行為又千差萬別，對應(yīng)急救援是一個很大的挑戰(zhàn)，前瞻性地對重大突發(fā)事件進行研究對一個國家、地區(qū)、企業(yè)都極其重要[7-9]。

在研究國內(nèi)外典型有毒氣體泄漏事故、結(jié)合現(xiàn)場情況、與企業(yè)技術(shù)人員交流的基礎(chǔ)上，對該公司井站出口酸氣原料管道可能發(fā)生的重大突發(fā)泄漏事件情景做出如下假設(shè)。

a)酸性原料氣管道因第三方破壞發(fā)生泄漏。

b)管道完全斷裂，泄漏口面積即為管道橫截面。

c)同溝敷設(shè)的酸氣管道、燃料氣管道、通信光纜、自控光纜全部被挖斷。

d)井站安全閥失效，緊急截斷失??；放空閥未起跳，放空系統(tǒng)失效；井站無法實現(xiàn)遠程關(guān)斷，泄漏點下游集氣站實現(xiàn)遠程關(guān)斷。

e)人員手動關(guān)閉時井站安全閥時，已連續(xù)泄漏30 min。

f)氣象數(shù)據(jù)為氣溫26℃，多云，主風(fēng)向東南、風(fēng)速2 m/s。

g)事故發(fā)生處于旅游旺季，泄漏點周邊1 500 m范圍內(nèi)約有4 000人。

鑒于硫化氫的高毒特性，主要對硫化氫的影響后果進行分析。

2 情景后果模擬分析

本文選用的軟件是專門用于模擬與污染和危險性相關(guān)的大氣診斷工具。它使用三維計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)模型來計算經(jīng)過復(fù)雜地形的風(fēng)場，以及污染物擴散；使用三維有限體積方法(FVM)求解模擬空氣運動的Navier-Stokes(N-S)方程；含內(nèi)置的自動三維網(wǎng)格生成工具，可以在障礙周圍生成用于計算的有限體積網(wǎng)格，并且沿起伏地形成貼體網(wǎng)格。

2.1 控制方程

軟件基本方程為N-S方程，同時求解物質(zhì)的濃度、質(zhì)量和能量方程。對于湍流模式，求解上述方程的雷諾平均形式。雷諾應(yīng)力模型使用線性渦粘性模型(LEVM)，方程如下。

a)物質(zhì)濃度守恒

(1)

b)連續(xù)性方程

式(1)對所有物質(zhì)求和，得到連續(xù)方程(質(zhì)量守恒)

(2)

c)N-S方程(動量守恒)

(3)

d)能量方程

(4)

式中：ρ——密度；

U——速度矢量；

ym——物質(zhì)m的質(zhì)量分數(shù)；

T——溫度;

p——壓力；

Dm——物種m的有效擴散系數(shù)；

τ——粘性應(yīng)力張量；

Cp——定壓比熱；

q——熱通量向量，q=-k▽T；

k——有效熱傳導(dǎo)系數(shù)；

Sm——物種m濃度守恒方程的源項；

Sp——連續(xù)性方程的源項；

SU——動量守恒方程的源項；

ST——能量守恒方程的源項。

模擬選用湍流模型為k-ε模型，此是兩方程線性渦粘性模型。使用修正浮力和可壓縮性標準高雷諾數(shù)格式。求解湍流動能k的運輸方程及其耗散率ε方程如下：

(5)

式中：k——湍流動能；

Pk——k的機械產(chǎn)生速率；

Pb——k的浮力產(chǎn)生速率；

μl——層流空氣粘性；

μt——渦粘性；

ε——k的耗散率；

Cε1，Cε2，Cε3——給定的常數(shù)。

2.2 物理模型

利用軟件內(nèi)置繪圖功能按照1∶1比例對井站周邊地形進行三維模型的繪制，見圖1。

圖1 泄漏點周邊地形

網(wǎng)格越精密，計算精度越高，但是計算時間也會更長。同時，通過模擬測試得知，網(wǎng)格達到一定密度，模擬結(jié)果將不再隨著網(wǎng)格的加密而發(fā)生變化。模擬過程中，通過網(wǎng)格獨立性檢驗，得到最合適的網(wǎng)格密度來進行模擬計算，以最短時間得到準確計算結(jié)果，網(wǎng)格見圖2。

“順德海事，順德海事，我船走錨失控，現(xiàn)與一船舶發(fā)生碰撞，他船沉沒，我船有碰撞七滘大橋可能，請求救助……”11月15日9時許，VHF甚高頻中傳來的急促呼叫聲，打破了佛山市順德區(qū)水上交通（溢油）應(yīng)急指揮分中心的寧靜。這不是電影，這是2018年佛山市“橋安水暢 河美佛山”水上交通突發(fā)事件應(yīng)急救援演習(xí)的真實場景。

圖2 水平網(wǎng)格和貼面網(wǎng)格

2.3 計算參數(shù)

氣象數(shù)據(jù)：事發(fā)當(dāng)日，多云，氣溫26 ℃，大氣壓0.101 MPa，空氣濕度75%，風(fēng)向東南風(fēng)、風(fēng)速2 m/s。

其他參數(shù)：管道直徑168 mm；管內(nèi)壓力8 MPa；管內(nèi)溫度25 ℃；混合氣體體積分數(shù)CH4(95%)，H2S(5%)；根據(jù)泄漏氣體泄漏計算公式[10]，可得氣體最大泄漏速率280 kg/s，泄漏時間30 min。

2.4 后果分析

硫化氫是一種高毒無色氣體，在低濃度下，通過硫化氫的氣味特性能覺察到它的存在。但不能依靠氣味來警示危險濃度，因為處于高濃度150 mg/m3(100 μmol/mol)的硫化氫環(huán)境中，人會由于嗅覺神經(jīng)受到麻痹而快速失去嗅覺。長時間處于低硫化氫濃度的大氣中也會使嗅覺靈敏度減弱，其安全臨界濃度為30 mg/m3(20 μmol/mol) ，高于該濃度區(qū)域內(nèi)的人員應(yīng)進行疏散撤離。當(dāng)濃度達到1 500 mg/m3(1 000 μmol/mol)時，會使人瞬間窒息死亡[11]。因此本文選取這3個濃度對事故后果進行分析。

2.4.1影響距離

20，100，1000 μmol/mol濃度硫化氫在泄漏過程中影響距離隨時間的變化曲線見圖3。

圖3 不同濃度H2S影響距離隨時間變化曲線

由圖3可知，泄漏過程中，不同濃度的硫化氫在一定時間內(nèi)在大氣中會達到擬穩(wěn)態(tài)，影響距離將不會再變化，而且濃度越高，到達穩(wěn)定度的時間越短；硫化氫濃度越低，擴散的速度越快；該場景中，20 μmol/mol的最遠影響距離為1 296 m，100 μmol/mol的最遠影響距離為512 m，1 000 μmol/mol最遠影響距離為107 m。

2.4.2影響區(qū)域和時間

事故應(yīng)急救援過程中，除影響距離外，應(yīng)該明確主要的影響范圍和影響時間，圖4是事故過程中，20 μmol/mol硫化氫影響區(qū)域隨時間的變化云圖，可以根據(jù)云圖變化，確定主要影響區(qū)域和影響時間。

圖4中能明顯看出20 μmol/mol硫化氫隨時間變化影響區(qū)域及不同時間不同位置處硫化氫的濃度，可知主要影響區(qū)域位于泄漏位置的下風(fēng)向，距離越遠濃度越低，硫化氫消散泄漏點往下風(fēng)向逐漸變化，50 min后硫化氫基本消散。

2.4.3風(fēng)速風(fēng)向影響

已知泄漏點東南風(fēng)下風(fēng)向地勢較高，而西南風(fēng)下風(fēng)向區(qū)域地勢較低，因此研究了風(fēng)速風(fēng)向?qū)怏w擴散影響，以20 μmol/mol硫化氫影響為例，影響距離對比曲線見圖5。

圖4 20 μmol/mol硫化氫影響區(qū)域云圖變化

圖5 不同風(fēng)速風(fēng)向硫化氫影響距離對比曲線

由圖5可知，該事故情景中，相同風(fēng)速時不同風(fēng)向下，20 μmol/mol硫化氫的最遠影響距離是不同的。而西南風(fēng)向下風(fēng)向相比于東南風(fēng)向下風(fēng)向地勢相對平坦，硫化氫影響距離偏大，地勢高方向影響距離小，說明地勢對氣體擴散有明顯的阻擋作用，應(yīng)急救援過程中應(yīng)將地勢因素考慮在內(nèi)。

3 結(jié)論

a)重大突發(fā)事件不僅對企業(yè)造成巨大損失，還會危及周邊民眾的生命財產(chǎn)安全，造成不良的社會影響。因此，涉及易燃、易爆、有毒?；返钠髽I(yè)應(yīng)對企業(yè)內(nèi)可能發(fā)生的重大突發(fā)事件情景后果展開研究，根據(jù)可能的后果進行應(yīng)急準備及發(fā)現(xiàn)企業(yè)應(yīng)急能力存在的缺陷。

b)本文通過CFD軟件對可能發(fā)生的含硫天然氣管道重大突發(fā)泄漏事件后果進行模擬分析，給出硫化氫影響距離、影響區(qū)域以及影響時間，為事故狀態(tài)下應(yīng)急救援工作提供理論指導(dǎo)。

c)從模擬分析結(jié)果可知，硫化氫影響范圍廣、影響因素多，而事故點周邊人員眾多，分布零散。應(yīng)該認真研究，找出在應(yīng)對如此重大突發(fā)事件時應(yīng)急工作存在的不足，及時改進，特別是如何在短時間內(nèi)通知到所有人，并給出正確的疏散撤離路線。

d)鑒于軟件模擬計算只是理論上的分析，存在很多限制因素，現(xiàn)實環(huán)境中又存在很多不確定因素，因此應(yīng)急救援工作中還要根據(jù)具體情況和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，合理部署各項救援工作。

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