復(fù)雜地形含硫氣體擴(kuò)散定量風(fēng)險評價技術(shù)

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(shù)咨詢服務(wù)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(shù)監(jiān)督研究院，四川 成都 610213)

0 引言

目前，我國氣體擴(kuò)散定量風(fēng)險技術(shù)多在平原地區(qū)應(yīng)用和研究，平原地區(qū)含硫氣體擴(kuò)散模擬難以準(zhǔn)確反映復(fù)雜地形含硫氣體擴(kuò)散的真實情況，復(fù)雜地形氣體擴(kuò)散定量風(fēng)險分析技術(shù)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(jié)構(gòu)，具有地形復(fù)雜、周邊人口稠密的特點(diǎn)，因此針對復(fù)雜地形條件下氣體擴(kuò)散的定量風(fēng)險評價技術(shù)開展研究，具有重要現(xiàn)實意義。

復(fù)雜地形氣體擴(kuò)散定量風(fēng)險評價技術(shù)研究將從復(fù)雜地表對氣流的阻擋，氣流風(fēng)場跟地形的耦合度強(qiáng)弱，毒性氣體濃度時空分布，山地丘陵氣體擴(kuò)散復(fù)雜性等方面結(jié)合定量風(fēng)險評價技術(shù)方法來彌補(bǔ)平原區(qū)域氣體擴(kuò)散技術(shù)的局限性。工程技術(shù)人員和安全管理者可借助復(fù)雜地形氣體擴(kuò)散定量風(fēng)險評價技術(shù)所獲得的數(shù)據(jù)和結(jié)論，結(jié)合工程實際綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、可靠性和安全性等因素，制定適當(dāng)?shù)娘L(fēng)險管理程序，為管理層提供決策技術(shù)支撐，如確定外部安全防護(hù)距離、建設(shè)項目選址及廠區(qū)平面布置、重大風(fēng)險場景研究、個人年度風(fēng)險分析、裝置設(shè)備風(fēng)險排序、重點(diǎn)防護(hù)高風(fēng)險裝置風(fēng)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(shù)研究并應(yīng)用于復(fù)雜地形含硫天然氣井噴的三維擴(kuò)散風(fēng)險評價中，進(jìn)而提高定量風(fēng)險分析的可靠性。

1 復(fù)雜地形氣體擴(kuò)散定量風(fēng)險評價技術(shù)

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

圖1 復(fù)雜地形定量風(fēng)險評價技術(shù)

1.1 復(fù)雜地形數(shù)字高程模型和網(wǎng)格劃分技術(shù)

復(fù)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(diǎn)進(jìn)行采集，而且還可以對某區(qū)域各點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格抽取。采用的算法是對等高線和高程點(diǎn)建立不規(guī)則三角網(wǎng)，在此基礎(chǔ)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(dá)到仿真的目的。不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)果數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)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(biāo)，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(fù)雜表面，特別是當(dāng)?shù)匦伟罅刻卣?，如斷裂線、構(gòu)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(jìn)行網(wǎng)格劃分。用采樣點(diǎn)方法讀取到網(wǎng)格劃分，利用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和貼地網(wǎng)格技術(shù)，根據(jù)項目實際建模后進(jìn)行劃分創(chuàng)建高質(zhì)量的四面或六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并能進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)和簡化，對個別區(qū)域用網(wǎng)格局部加密技術(shù)，求解任意復(fù)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(zhǔn)確。網(wǎng)格是流體動力學(xué)模型的幾何表達(dá)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(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)、與相臨區(qū)域網(wǎng)格連續(xù)、完全非結(jié)構(gòu)化的混合網(wǎng)格有助于計算結(jié)果的精確度。通過這2項技術(shù)可以更好地揭示復(fù)雜地表對氣流的阻擋趨勢分布及氣流風(fēng)場跟地形的耦合強(qiáng)弱程度。

1.2 流體動力學(xué)模型

流體動力學(xué)(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(diǎn)上變量值的集合來代替，通過一定原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上各場變量之間關(guān)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(jī)和離散化數(shù)值方法來求解流體力學(xué)的控制方程，對流體力學(xué)進(jìn)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(fù)的控制體積，每一個控制體積都有一個節(jié)點(diǎn)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(guān)于節(jié)點(diǎn)上未知量的離散方程，對待求函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)對時間及空間的變化型線或插值方式做出假設(shè)；有限體積算法對網(wǎng)格的適應(yīng)性很好，能與流固藕合分析更好融合。其優(yōu)點(diǎn)是具有很好的守恒性，更加靈活的假設(shè)，解決復(fù)雜毒性氣體濃度時空分布，山地丘陵氣體擴(kuò)散復(fù)雜等以往技術(shù)方面的難題。

1.3 氣體擴(kuò)散風(fēng)險評價

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

量化風(fēng)險計算結(jié)果一般用2種風(fēng)險值度量，分別為個人風(fēng)險及社會(群體)風(fēng)險。特定場所個人風(fēng)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(fēng)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(guān)系。個人風(fēng)險和社會風(fēng)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(diǎn)，每個網(wǎng)格點(diǎn)上都要進(jìn)行個人風(fēng)險計算。在單一網(wǎng)格點(diǎn)上確定個人風(fēng)險的過程，即在一個網(wǎng)格點(diǎn)。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(jìn)行計算。確定每個網(wǎng)格單元人數(shù)，假設(shè)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(fēng)險是由上述因素綜合貢獻(xiàn)確定，個人風(fēng)險是空間位置坐標(biāo)的函數(shù)，體現(xiàn)為區(qū)域地圖上的風(fēng)險等值線。

個人風(fēng)險計算：分別計算各個網(wǎng)格點(diǎn)的個人風(fēng)險。網(wǎng)格點(diǎn)的個人風(fēng)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(fēng)險值，(

x

,

y

)網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)；

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(fēng)向

φ

的概率，8個風(fēng)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(fēng)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(fēng)向及起火事件簡單綜合的預(yù)期死亡人數(shù)，再次計算所有網(wǎng)格單元的預(yù)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(fēng)險與周圍人口密度相結(jié)合的危險活動的風(fēng)險量度，社會風(fēng)險關(guān)注的是面，反映的是公眾所面臨的風(fēng)險，是為保護(hù)社會公眾而設(shè)置的。

社會風(fēng)險計算：根據(jù)天氣等級和風(fēng)向的單個組合，計算每個網(wǎng)格單元的預(yù)計死亡人數(shù)。然后再對井噴失控、天氣等級和風(fēng)向的各個組合，分別計算所有網(wǎng)格單元的預(yù)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(fēng)險按式(2)計算：

R

=∑

P

×

P

×

P

(≥

N

),

N

(2)

式中：

R

—社會風(fēng)險值，次/年；

N

—死亡人數(shù)，人。

本文采用的界區(qū)外個人風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)為1.6×10/年，表示對位于該風(fēng)險等值線內(nèi)的居民來說，該項目帶來的風(fēng)險是不可接受的；而表示社會風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)曲線。

2 定量風(fēng)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(fēng)速條件下的擴(kuò)散影響區(qū)域、個人風(fēng)險等值線和社會風(fēng)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(diǎn)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(jìn)行劃分，劃出復(fù)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(fēng)險源項及概率

風(fēng)險源項數(shù)據(jù)：泄漏點(diǎn)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(xué)防治 2017年我們進(jìn)行了大生M-45、多霉清、復(fù)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(jié)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(fēng)向、6個天氣等級的出現(xiàn)概率，見表1、2。

表1 風(fēng)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(jié)果及分析

2.4.1 HS擴(kuò)散區(qū)域范圍

本文對不同氣象條件組合進(jìn)行HS的擴(kuò)散模擬預(yù)測，部分結(jié)果，如圖4，見表3。

表3 不同濃度H2S擴(kuò)散影響范圍表(風(fēng)向：WN)

根據(jù)計算結(jié)果，隨著來風(fēng)速度的增大，含HS的天然氣云團(tuán)擴(kuò)散也隨之加快，泄漏的含硫天然氣質(zhì)量減少，擴(kuò)散云團(tuán)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(fēng)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(fēng)向WN，風(fēng)速5m/s，穩(wěn)定度D下144.14mg/m的HS在900s的擴(kuò)散俯視和側(cè)視云圖。

圖4 144.14mg/m2的H2S的擴(kuò)散云圖

風(fēng)洞實驗驗證，流體動力學(xué)模型計算結(jié)果能夠真實反映復(fù)雜地形條件下含HS天然氣泄漏擴(kuò)散過程及影響范圍。

個人風(fēng)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(fēng)險水平，如圖5。10個人風(fēng)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(yīng)該越過企業(yè)邊界；10個人風(fēng)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(yīng)該有商業(yè)區(qū)和低隱患工業(yè)區(qū)；10個人風(fēng)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(fēng)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(hù)目標(biāo)(文化、教育、醫(yī)療衛(wèi)生、社會福利、軍事設(shè)施及文物保護(hù)單位)。

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

圖5 高H2S氣井井噴個人風(fēng)險等值線圖

社會風(fēng)險F-N曲線表示可以接受的風(fēng)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(guān)系，人口密度對社會風(fēng)險計算影響大。F-N曲線值的計算是累加的，通過2條風(fēng)險分界線將社會風(fēng)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(fēng)險水平超過容許上限10不可容許區(qū)，表示該風(fēng)險不能接受；若風(fēng)險水平低于10容許下限，顯示該風(fēng)險是可以被接受的，無需采取安全改進(jìn)措施；若風(fēng)險水平在10～10，應(yīng)在可實現(xiàn)的范圍內(nèi)，盡可能采取安全改進(jìn)措施降低社會風(fēng)險。本項目高含硫氣田開發(fā)本身存在較大風(fēng)險，但井場周邊區(qū)域人口密度較低，因此社會風(fēng)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(shù)合理可行、成本盡可能低的風(fēng)險控制措施。

圖6 高硫化氫氣井井噴社會風(fēng)險F-N曲線

3 結(jié)論

復(fù)雜地形氣體擴(kuò)散定量風(fēng)險評價技術(shù)通過綜合運(yùn)用復(fù)雜地形數(shù)字高程模型、基于CFD原理的有限元擴(kuò)散模擬和自主研發(fā)的氣體擴(kuò)散定量風(fēng)險評價軟件，能夠客觀真實地反映復(fù)雜地形條件下的泄漏擴(kuò)散過程，計算出個人風(fēng)險和社會風(fēng)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(guān)系到地形的仿真程度，從而真實體現(xiàn)地形對氣體擴(kuò)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(shè)置關(guān)系到模擬流場與實際擴(kuò)散的耦合程度，對得出真實模擬結(jié)果至關(guān)重要。

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