硫磺裝置酸性氣泄漏事故影響因素研究

姜春雨，趙桂利，趙祥迪，楊帥，陳國(guó)鑫，張日鵬，王正

硫磺裝置酸性氣泄漏事故影響因素研究

姜春雨，趙桂利，趙祥迪，楊帥，陳國(guó)鑫，張日鵬，王正

（中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266071）

針對(duì)石化廠區(qū)硫磺回收裝置酸性氣泄漏事故進(jìn)行了模擬分析，選用CFD軟件FLACS，模擬了不同因素對(duì)酸性氣泄漏事故后果的影響。結(jié)果表明：泄漏方向?qū)U(kuò)散影響最為顯著，與泄漏方向垂直向上相比，泄漏方向水平于地面的擴(kuò)散濃度明顯增高，事故后果更加嚴(yán)重，且氣云核心更加接近泄漏源；風(fēng)速越快，擴(kuò)散速度越快，其與風(fēng)速成近似比例關(guān)系；泄漏高度越高，硫化氫氣云在地表沉積的區(qū)域越遠(yuǎn)，這對(duì)氣體檢測(cè)儀的布置有所影響；泄漏孔徑主要影響擴(kuò)散濃度，其與泄漏孔面積成近似比例關(guān)系。該結(jié)果對(duì)情景構(gòu)建工作中最壞事故場(chǎng)景的確定以及企業(yè)的事故應(yīng)急疏散具有一定的指導(dǎo)意義。

FLACS； 酸性氣； 泄漏； 擴(kuò)散模擬

近年來(lái)，隨著高含硫原油加工的逐漸增多，硫磺回收裝置在煉油及天然氣加工處理過(guò)程中扮演著越來(lái)越重要的角色，而硫化氫（H2S）作為硫磺回收裝置中主要的有毒氣體，其存在的安全風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。相比于天然氣管道，硫磺回收裝置的壓力較小，但在其酸性氣分液罐中H2S的濃度可達(dá)90%以上，一旦發(fā)生泄漏事故，后果嚴(yán)重，對(duì)廠區(qū)員工的生命安全以及周圍環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生惡劣影響，所以對(duì)硫磺回收裝置硫化氫泄漏事故進(jìn)行模擬分析，研究不同事故因素對(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)周圍居民的影響[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。

1 軟件介紹

本文首次采用FLACS9.0軟件模擬計(jì)算硫磺回收裝置酸性氣泄漏的事故后果。FLACS是Gexcon(CMR/CMI）公司自1980年基于CFD技術(shù)開發(fā)的軟件包，用于模擬復(fù)雜建筑和生產(chǎn)區(qū)域的通風(fēng)、有毒氣體擴(kuò)散、蒸汽云爆炸和沖擊波，同時(shí)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行細(xì)致展現(xiàn)，量化和管理建筑和生產(chǎn)區(qū)域發(fā)生有毒氣體泄漏、爆炸、火災(zāi)的事故風(fēng)險(xiǎn)。FLACS具有氣體擴(kuò)散、爆炸、火災(zāi)及通風(fēng)等多個(gè)子模塊，針對(duì)化工裝置泄漏的氣體擴(kuò)散模塊，其功能異常發(fā)達(dá)。

FLACS是一個(gè)用有限體積法在三維笛卡爾網(wǎng)格下求解N-S方程的CFD軟件，針對(duì)氣體擴(kuò)散模塊使用標(biāo)準(zhǔn)的-ε湍流模型，并進(jìn)行了一系列重要的修正。采用分布式多孔結(jié)構(gòu)的思想(distributed porosity concept)表現(xiàn)幾何形狀是FLACS相比其他CFD工具的重要優(yōu)勢(shì)之一，其程序能夠研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)的通風(fēng)情況，定義泄漏源的種類，氣體泄漏到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散過(guò)程，和點(diǎn)燃這樣一個(gè)真實(shí)云團(tuán)，在更真實(shí)場(chǎng)景下研究爆炸的過(guò)程。因此，這個(gè)特點(diǎn)使FLACS可以研究風(fēng)向、風(fēng)速、泄漏孔徑等因素對(duì)泄漏擴(kuò)散的影響。

該程序分為三個(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)-ε模型。第三部分成為FLOWVIS，即結(jié)果展示模塊，可以以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。

2 物理模型

2.1 擴(kuò)散基本方程

硫化氫比重大于空氣，其在大氣中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)主要通過(guò)大氣湍流實(shí)現(xiàn)的，在低層大氣層，風(fēng)速遠(yuǎn)小于音速，故硫化氫分子在空氣中的運(yùn)動(dòng)可以看作不可壓縮流體運(yùn)動(dòng)，可以用Navier-Stokes方程進(jìn)行描述。如下公式：

（1）質(zhì)量守恒方程

（2）動(dòng)量守恒方程

（3）能量守恒方程

式中：——混合氣體密度；

u——,,三個(gè)坐標(biāo)軸方向的速度；

——擴(kuò)散時(shí)間；

——絕對(duì)壓力；

——擴(kuò)散過(guò)程焓變化；

——有效導(dǎo)熱系數(shù)；

g——重力加速度。

2.2 湍流模型選擇

在應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)解決擴(kuò)散問(wèn)題過(guò)程中，需要使用湍流模型對(duì)NS方程進(jìn)行收斂封閉。標(biāo)準(zhǔn)-ε模型適合完全湍流的流動(dòng)過(guò)程模擬，此模型中流體的湍流粘度與湍流動(dòng)能和湍流耗散率有如下關(guān)系：

式中：c——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)-ε模型方程如下式所示：

方程：

ε方程：

其中：——?jiǎng)幽茼?xiàng)；

G——由平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，N/s；

u、u為流體在、方向上的速率，m/s；

G——受浮力影響的湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，N/s；

Y——可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響，m/s；

——溫度，K；

ε——耗散項(xiàng)；

σ——與湍流動(dòng)能對(duì)應(yīng)的特朗普常數(shù)；

σε——與湍流動(dòng)能耗散率對(duì)應(yīng)的特朗普常數(shù)；

1ε、2ε、3ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別取1ε=1.44、2ε=1.92、3ε=0.09；

μ——湍流粘度，Pa·s，表達(dá)式為：μ=μρ2/ε。

3 模擬場(chǎng)景及邊界條件

選定某石化企業(yè)220 kt/a硫磺回收裝置為研究對(duì)象，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。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)檩S方向：0~200 m，軸方向：0~1 500 m，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)泄漏口周圍進(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)景軸向距離過(guò)大，取前200 m網(wǎng)格分布進(jìn)行展示：

圖1 模擬場(chǎng)景網(wǎng)格分布（Y<200 m）

邊界條件方面，軸方向上上邊界定義XLO，即“xlow”，下邊界定義為XHI，即“xhigh”，依次規(guī)定、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。

4 模擬條件

基于上文討論，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)景條件如下表所示。

表1 模擬參數(shù)表

5 模擬結(jié)果分析

5.1 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下：

圖2 不同泄漏方向模擬對(duì)比圖

表2 不同泄漏方向硫化氫擴(kuò)散數(shù)據(jù)表

由圖2和表2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，地表最大濃度將高于100 ppm，會(huì)出現(xiàn)死亡風(fēng)險(xiǎn)，且水平泄漏氣云核心出現(xiàn)在緊靠泄漏點(diǎn)的400 m以內(nèi)的位置，而垂直泄漏主要影響500 m以外較遠(yuǎn)的距離。在橫向擴(kuò)散距離方面，在距離泄漏點(diǎn)300 m、600 m、900 m處，垂直泄漏分別為17 m、30 m、38 m，遠(yuǎn)大于水平泄漏的8 m、12 m、13 m，說(shuō)明垂直泄漏的擴(kuò)散范圍大于水平泄漏。

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)直接開始向地面沉降，由于沒有向上進(jìn)入大氣，湍流作用很小，幾乎沒有得到稀釋，故沉降后的氣云濃度極高，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。

5.2 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，得到以下結(jié)果：

圖3 不通風(fēng)速模擬對(duì)比圖

表3 不同風(fēng)速硫化氫泄漏擴(kuò)散數(shù)據(jù)表

分析圖3和表3可得，風(fēng)速主要影響泄漏硫化氫的擴(kuò)散距離，即擴(kuò)散范圍下邊界，其比例近似于風(fēng)速之比，即347∶644∶1 492約等于1∶2∶5。隨著風(fēng)速增大，地表最大濃度略有降低，最大濃度范圍向下風(fēng)向移動(dòng)。在橫向擴(kuò)散距離方面，在不同風(fēng)速同樣到達(dá)的范圍，擴(kuò)散距離較為近似。

由數(shù)據(jù)可知：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。

5.3 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)比分析如下：

圖4 不同泄漏高度模擬對(duì)比XY

圖5 不同泄漏高度模擬對(duì)比YZ圖

表4 不同泄漏高度硫化氫泄漏擴(kuò)散數(shù)據(jù)表

由圖4與表4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，當(dāng)泄漏高度分別為2 m、4 m、8 m時(shí)，落地距離分別為0 m、37 m、58 m，泄漏高度越高，落地距離越遠(yuǎn)，而擴(kuò)散距離分別為480 m、481 m和486 m，較為近似。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)，

由表4可知，隨著泄漏高度增加，地表最大濃度降低，由31 ppm降低為14 ppm，可由圖5解釋，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，受到大氣湍流對(duì)氣云的稀釋作用不同，落地時(shí)間越長(zhǎng)，收到的稀釋作用越強(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4數(shù)據(jù)可知，泄漏高度越高，地表的最大濃度越小。

5.4 泄漏孔徑

通過(guò)對(duì)近年來(lái)硫磺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。孔徑大小直接影響到泄漏量，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)程中滿足(7)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(8)計(jì)算：

式中：—酸性氣分液灌內(nèi)的壓力，Pa；

0—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；

C—?dú)怏w泄漏系數(shù)，圓孔泄漏，取1.0；

0—泄漏量，kg/s；

—泄漏口面積，m2；

—?dú)怏w常數(shù)，J/(mol·K)；

—摩爾質(zhì)量，kg；

—泄漏源溫度，K。

由式(8)可看出，當(dāng)泄漏氣體組成及工藝條件確定以后，0∝，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。得到以下模擬結(jié)果：

圖6 不同泄漏孔徑模擬結(jié)果圖

表5 不同泄漏孔徑硫化氫泄漏擴(kuò)散數(shù)據(jù)表

由圖6和表5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35∶80∶280約等于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)散距離在距離泄漏點(diǎn)300 m、600 m、900 m處均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所占比例較小，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。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文利用FLACS軟件，首次模擬了不同泄漏方向?qū)α蚧瘹湫孤U(kuò)散的影響，同時(shí)也分析了泄漏高度、泄漏孔徑和風(fēng)速等條件對(duì)硫化氫泄漏擴(kuò)散的影響，討論了不同條件對(duì)硫磺回收裝置硫化氫泄漏事故后果的影響，對(duì)化工企業(yè)的應(yīng)急救援演練以及情景構(gòu)建中最壞事故場(chǎng)景的確定具有一定的指導(dǎo)意義。具體結(jié)論如下：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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)周圍存在居民區(qū)或公路時(shí)，應(yīng)考慮較大風(fēng)速，以便開展應(yīng)急演練和安排逃生路線。

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Study on Influence Factors of Sour Gas leakage Accidentin Sulfur Recovery Units

（Sinopec Research Institute of Safety Engineering, Shandong Qingdao 266071, China）

In order to study the severity and diffusion area of H2S leakage accident, FLACS software was used to simulate hydrogen sulfide leakage from a sulfide recycle installation in different leakage directions, leakage heights, wind speeds and leakage hole sizes by implementing a 3D Computational Fluid Dynamics(CFD) model without any obstacle. Leakage direction was firstly studied as a parameter. The results show that leakage direction is the determining factor which influences the severity and diffusion area of hydrogen sulfide leakage accident in chemical plant. H2S concentration of horizontal leakage is much higher than that of vertical leakage, and the highest concentration area is closer to leakage source. As the leakage height increases, hydrogen sulfide gas cloud falls to the ground in longer distance which makes a difference to H2S detector arrangement. Wind speed mainly affects diffusion distance. Higher wind speed makes diffusion distance longer. In a relatively bigger wind speed situation, gas disperses quickly along and perpendicular to the wind direction and concentration of dispersion cloud decreases slightly. As the leak hole becomes bigger, the concentration of hydrogen sulfide gas cloud on the ground increases remarkably. The study result has guiding significance for determining the worst accident in the process of scene construction and emergency rescue.

FLACS; sour gas; leak; diffusion simulation

2017-10-19

姜春雨（1991-），男，助理工程師，碩士，山東省青島市人，2017年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），研究方向：化工安全工程。

王正（1977-），男，高級(jí)工程師，博士，研究方向：化工安全工程。

國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)“易燃易爆危險(xiǎn)化學(xué)品災(zāi)害事故應(yīng)急處置技術(shù)裝備研發(fā)與應(yīng)用示范”，項(xiàng)目號(hào)：2016YFC0801300。

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1004-0935（2017）12-1235-06