硫化氫擴散影響因素分析

李旭東，張園園，張巨偉，奚譽寧，韓明桓

（遼寧石油化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧撫順 113001）

硫化氫是一種重要的化工物料，具有易燃易爆、有毒等特點。管道閥門或法蘭密封不良、儲罐溫度或壓力過大、液位過高等因素都可能導(dǎo)致硫化氫泄漏，遇火源可能發(fā)生爆炸；若未遇到火源則可能在空氣中散逸致人員中毒[1]。不同劑量硫化氫導(dǎo)致人體損害程度不同。分析硫化氫擴散的影響因素，特別是分析隨著不同影響因素量的變化導(dǎo)致硫化氫擴散后果的變化情況，對于制定應(yīng)急救援預(yù)案，安排人員疏散具有重要意義。

1 理論簡介

硫化氫擴散后果以湍流擴散微分方程為基礎(chǔ)進行分析[2]。根據(jù)泄漏原因有連續(xù)泄漏和瞬時泄漏，擴散模型根據(jù)泄漏類型分為煙團模型和煙羽模型。

1.1 瞬時泄漏分析

如果石油化工裝置爆破片破裂、安全閥錯誤開啟或者管道發(fā)生斷裂、石油化工裝置發(fā)生沖料、放空閥門異常開啟等導(dǎo)致大量介質(zhì)瞬間泄漏，擴散后果用煙團模型來描述，煙團模型分為無風(fēng)煙團模型和有風(fēng)煙團模型[3]。

1.1.1 無風(fēng)情況

無風(fēng)情況下泄漏擴散后果模型[4-5]見式（1）。

式中：C為氣云濃度，kg/m3；Q為泄漏源強，kg/s；Kx、Ky、Kz為x、y、z湍流擴散系數(shù)；x，y，z為x，y，z軸；t為時間，s。

1.1.2 有風(fēng)情況

有風(fēng)情況下泄漏擴散后果模型[6-8]見式（2）。

式中：u為環(huán)境風(fēng)速，m/s。

1.2 連續(xù)泄漏分析

連續(xù)泄漏一般發(fā)生在石油化工裝置出現(xiàn)穿孔、裂紋等，導(dǎo)致介質(zhì)長時間緩慢持續(xù)泄漏。介質(zhì)擴散過程類似羽毛一樣緩慢飄散稱作煙羽模型[9-11]。煙羽模型需要考慮無風(fēng)和有風(fēng)兩種狀況。

1.2.1 無風(fēng)情況

無風(fēng)情況下泄漏擴散后果模型[12-13]具體見式（3）。

1.2.2 有風(fēng)情況

有風(fēng)情況下泄漏擴散后果模型[14-16]具體見式（4）。

2 MATLAB 數(shù)值模擬及影響因素分析

2.1 數(shù)值模擬條件

硫化氫的擴散受到風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、源高、源強等因素影響，該文采用MATLAB軟件模擬多因素對硫化氫擴散后果的影響。模擬過程中只讓某一種因素的量值發(fā)生變化，其它因素保持固定，分析擴散后果的變化情況。模擬的參數(shù)為：地形平坦，有風(fēng)，硫化氫連續(xù)泄漏，大氣穩(wěn)定度為中性。

通過模擬軟件對有風(fēng)連續(xù)煙羽模型下的6 種不同情況進行擴散后果模擬。具體模擬參數(shù)如表1 所示，模擬結(jié)果如圖1所示。

表1 擴散后果模擬參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

條件（1）模擬結(jié)果如圖1（a）所示。在橫軸x等于41 m 處硫化氫達到峰值濃度，峰值濃度為374.26 mg/m3。條件（2）源強變?yōu)樵瓉淼?倍，模擬結(jié)果如圖1（2）所示，峰值濃度變?yōu)?48.52 mg/m3為原來2倍，仍出現(xiàn)在x等于41 m處。

條件（3）源強變?yōu)樵瓉淼?倍，硫化氫峰值濃度模擬結(jié)果為1 497.04 mg/m3（模擬圖省略），峰值濃度亦變?yōu)樵瓉? 倍。說明擴散峰值濃度會隨著泄漏源強的增加呈等倍數(shù)變化，但峰值出現(xiàn)位置不變。

條件（3）風(fēng)速變?yōu)?倍。模擬結(jié)果如圖1（3）所示，硫化氫峰值濃度變?yōu)?87.13 mg/m3，為原來1/2，仍出現(xiàn)在x等于41 m處；當模擬條件為：源高H＝8 m，源強Q＝0.35 kg/s，風(fēng)速u＝12 m/s，風(fēng)速變?yōu)闂l件（1）4倍，模擬結(jié)果硫化氫峰值濃度為93.56 mg/m3（模擬圖省略），峰值濃度變?yōu)樵瓉淼?/4倍。說明泄漏峰值濃度會隨著風(fēng)速的增加成相反倍數(shù)的變化，但是峰值出現(xiàn)在x軸的位置不變。風(fēng)速對峰值濃度的出現(xiàn)具有稀釋作用。

條件（4）和（1）相比，源高變?yōu)樵瓉淼?倍。模擬結(jié)果如圖1（4）所示，硫化氫峰值濃度由374.26 mg/m3改變?yōu)?3.76 mg/m3，峰值濃度變?yōu)樵瓉淼?/4倍，峰值濃度出現(xiàn)在x等于82 m處；

條件（5）和（1）相比，源高為原來4 倍，模擬結(jié)果如圖1（5）所示，硫化氫峰值濃度為23.53 mg/m3，為原來的1/16 倍，峰值濃度出現(xiàn)在x等于166 m處；

條件（6）和（1）相比，源高為原來8 倍，模擬結(jié)果如圖1（6）所示，硫化氫峰值濃度為5.92 mg/m3，為原來的1/63，峰值濃度出現(xiàn)在x等于341 m 處；可看出源高對擴散區(qū)域峰值影響較大，隨著源高增高，擴散區(qū)域峰值濃度下降較快。隨著源高的變化，擴散峰值所在x軸的位置基本與源高呈等比例變化。

圖1 6種情況模擬結(jié)果

3 模擬結(jié)果的應(yīng)用分析

硫化氫泄漏后最關(guān)鍵的問題是組織人員疏散。以上模擬結(jié)果對于組織人員疏散和制定應(yīng)急救援預(yù)案具有重要的指導(dǎo)意義。

根據(jù)模擬結(jié)果可知：源強和風(fēng)速的變化不會影響硫化氫擴散后峰值濃度出現(xiàn)的位置，但是源高的變化會影響硫化氫擴散后峰值濃度出現(xiàn)的位置，所以管理人員在應(yīng)急救援疏散的時候可以根據(jù)以上規(guī)律，避開硫化氫峰值濃度出現(xiàn)的區(qū)域，組織人員向遠離峰值濃度出現(xiàn)的區(qū)域疏散。

4 結(jié)論

（1）該文分析了硫化氫連續(xù)泄漏過程中，源強、平均風(fēng)速、泄漏源高度呈倍數(shù)變化后擴散區(qū)域峰值的變化的結(jié)果，擴散區(qū)域峰值所處x位置的變化結(jié)果。

（2）模擬結(jié)果表明，源強、平均風(fēng)速、泄漏源高度的變化都會影響擴散區(qū)域硫化氫峰值濃度。源強的增加會增加擴散區(qū)域硫化氫峰值的濃度，泄漏峰值濃度會隨著泄漏源強的增加等倍數(shù)的變化，但不會改變硫化氫峰值濃度出現(xiàn)的區(qū)域。平均風(fēng)速的增加會稀釋擴散區(qū)域硫化氫峰值的濃度，泄漏峰值濃度會隨著平均風(fēng)速的增加呈相反倍數(shù)的變化，不會改變硫化氫峰值濃度出現(xiàn)的區(qū)域。隨著泄漏源高度的增加，擴散區(qū)域硫化氫峰值濃度顯著下降。

（3）石油化工企業(yè)硫化氫中毒事故造成嚴重后果，以上研究結(jié)果對企業(yè)安全預(yù)防具有重要意義。