天然氣凈化廠管道泄漏H2S毒害后果影響因素?cái)?shù)值分析*

董 澈，陳國(guó)明，李新宏，劉 悅，姜盛玉，朱紅衛(wèi)

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東 青島 266580)

0 引言

含H2S氣田在全球分布廣泛，目前世界上已探明四百多個(gè)具有工業(yè)價(jià)值的含H2S氣田[1]。隨著含硫氣田的大規(guī)模開發(fā)與使用，H2S泄漏事故頻率逐漸增大，一旦事故發(fā)生有可能造成巨大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，如重慶開縣、河北趙縣、天津大港等地發(fā)生的事故[2]。

鑒于硫化氫泄漏事故風(fēng)險(xiǎn)突出，目前許多學(xué)者已開展相關(guān)研究。鄧海發(fā)等[3-6]采用CFD對(duì)地形、障礙物、擴(kuò)散空間等因素影響下含硫氣管道泄漏毒害氣云的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了探討，但未對(duì)硫化氫的毒害風(fēng)險(xiǎn)展開研究；Bagheri和章博等[7-8]分別采用事故場(chǎng)景發(fā)生概率與人員中毒死亡概率和毒害物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)相結(jié)合的方法研究含硫氣管道泄漏個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)及區(qū)域危險(xiǎn)等級(jí)劃分，卻未對(duì)不同因素對(duì)毒害后果的影響展開研究；朱淵[9]雖然對(duì)含硫氣泄漏毒害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了影響因素分析，但所采用的ERCB H2S事故評(píng)價(jià)模型較為粗糙。

基于上述研究，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)向、泄漏速度、泄漏方向(以下簡(jiǎn)稱因素)對(duì)含硫氣管道泄漏毒害后果影響的定量分析，筆者將正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與 CFD相結(jié)合，以某天然氣凈化廠為例，通過(guò)危險(xiǎn)性分析收集典型場(chǎng)景，利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法針對(duì)影響含硫氣泄漏毒害后果的因素設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)表，設(shè)定吸入劑量、毒害面積、最大毒害面積到達(dá)時(shí)間、毒害體積、最大毒害體積到達(dá)時(shí)間為毒害效應(yīng)指標(biāo)，采用數(shù)理分析方法定量確定影響因素對(duì)各指標(biāo)敏感性，據(jù)此提出后果控制措施，可為天然氣凈化廠、集氣站、聯(lián)合站等場(chǎng)所氣體泄漏毒害后果影響因素分析及防控提供方法指導(dǎo)。

1 氣體泄漏擴(kuò)散數(shù)值仿真模型

1.1 控制方程

泄漏擴(kuò)散過(guò)程遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒方程及組分輸運(yùn)方程，質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程統(tǒng)一表示如下[10-11]：

(1)

式中：t為時(shí)間，s；ρ為密度，kg/m3；φ為通用變量；u為速度，m/s；Γ為擴(kuò)散系數(shù)；S為源項(xiàng)。

組分輸運(yùn)方程為：

(2)

(3)

式中：Yi為物質(zhì)i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；vi是傳輸速度矢量，m/s；Fi是組分間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物i的速率，無(wú)反應(yīng)發(fā)生時(shí)可以忽略，m/s；Si是因用戶定義而產(chǎn)生的物質(zhì)i的速率，m/s；Ji是物質(zhì)i的質(zhì)量擴(kuò)散通量。

1.2 物理及網(wǎng)格模型

以某天然氣凈化廠含硫氣管道為研究對(duì)象，物理模型建立如圖1所示，共6個(gè)立罐、3棟辦公及生活樓、1個(gè)放空火炬、1個(gè)大操作間、2個(gè)小操作間、2個(gè)配電房，模型長(zhǎng)210 m、寬195 m、高100 m，泄漏孔為圓形，直徑200 mm、距地面0.5 m，泄漏孔中心坐標(biāo)為(65, 118, 0.5)，采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分方法，對(duì)泄漏孔附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，并對(duì)建筑物及立罐壁面添加邊界層。為消除網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量對(duì)計(jì)算的影響，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，依據(jù)質(zhì)量和數(shù)量2個(gè)指標(biāo)控制泄漏方向不同時(shí)網(wǎng)格模型的差異[12]，網(wǎng)格模型參數(shù)對(duì)比如表1所示，各泄漏方向下網(wǎng)格質(zhì)量大于0.6的占比較高且相互之間偏差較小，不同泄漏方向下的網(wǎng)格數(shù)量差別較小。

圖1 網(wǎng)格模型Fig.1 Grid model

泄漏方向網(wǎng)格數(shù)量網(wǎng)格質(zhì)量>0.6的占比/%Z軸正向567 64088.869Z偏X正向45°546 63492.546Z偏X負(fù)向45°546 84988.812

1.3 求解算法及過(guò)程

采用可實(shí)現(xiàn)的κ-ε模型對(duì)氣體擴(kuò)散過(guò)程中的湍流特性建模，求解算法選擇基于壓力求解器的SIMPLE算法，壓力、動(dòng)量、組分、能量采用二階迎風(fēng)格式，湍動(dòng)能以及湍流擴(kuò)散率使用一階迎風(fēng)格式[13]。計(jì)算過(guò)程分2步完成，第1步打開風(fēng)速入口模擬計(jì)算域內(nèi)穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng)[14]；第2步，打開天然氣泄漏口設(shè)定泄漏條件。

2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)事故場(chǎng)景分析，選取典型風(fēng)速和風(fēng)向，采用公式(4)計(jì)算氣體泄漏量[15]，甲烷和硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.85和0.15，取標(biāo)準(zhǔn)速度的0.5倍及1.5倍分別作為泄漏速度水平1和水平3，泄漏方向取豎直方向、豎直偏左及偏右45°。

(4)

式中：Q為質(zhì)量流速，kg/s；d為泄漏孔徑，d=0.02 m；γ為傳熱系數(shù)，γ=1.472 3；ρ0為天然氣密度，ρ0=45.566 5 kg/m3；p0為管道壓力，p0=7×106Pa。

根據(jù)確定的因素及相應(yīng)水平數(shù)，選擇L9(34正交表)，查閱表頭設(shè)計(jì)方案[16]制定實(shí)驗(yàn)方案表，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Test plans

3 毒害效應(yīng)計(jì)算

3.1 吸入劑量

1)劑量計(jì)算公式[17]

(5)

式中：t0為泄漏開始時(shí)刻，t0=5 min；tend為擴(kuò)散結(jié)束時(shí)刻，tend=10 min；c為毒害氣體濃度，ppm；n為與毒害氣體性質(zhì)相關(guān)聯(lián)的常數(shù)，n=1.43；Δt為測(cè)量時(shí)間間隔，Δt=1 s;ci為Δt時(shí)間內(nèi)的平均氣體濃度；k為擴(kuò)散過(guò)程中的測(cè)量次數(shù)，k=300。

2)濃度計(jì)算

在凈化廠內(nèi)有人活動(dòng)的建筑物、廠房等周圍均勻設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)高度h取監(jiān)測(cè)點(diǎn)平臺(tái)高度與人鼻子高度1.5 m之和[17]，監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置情況如圖2所示，共有監(jiān)測(cè)點(diǎn)67個(gè)。將t時(shí)刻所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)危害氣體濃度取平均作為此場(chǎng)景下該時(shí)刻的濃度值。

O-GlcNAc修飾調(diào)節(jié)心血管功能的作用是復(fù)雜的。隨著深入研究發(fā)現(xiàn)，O-GlcNAc修飾對(duì)心血管蛋白的修飾是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)維持心肌細(xì)胞的正常功能至關(guān)重要。O-GlcNAc修飾從基因水平到蛋白質(zhì)水平調(diào)節(jié)著細(xì)胞。新證據(jù)表明，蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾也有助于調(diào)節(jié)自噬、表觀遺傳學(xué)以及線粒體生物合成[22,45-46]。在細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)以及線粒體中也存在不同的OGT和OGA亞細(xì)胞庫(kù)，它們可能對(duì)特定刺激做出不同的反應(yīng)。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.2 Layout of monitoring points

3.2 最大面積及達(dá)到時(shí)間

由于人體口鼻高度大約在1.5 m，因此含硫氣泄漏擴(kuò)散后，采用美國(guó)職業(yè)安全與健康局(OSHA)規(guī)定的硫化氫可接受上限濃度(ACC)30 mg/m3(20 ppm)，監(jiān)測(cè)不同泄漏場(chǎng)景下1.5 m高平面上硫化氫毒害區(qū)域面積隨泄漏過(guò)程的變化情況，并記錄達(dá)到最大面積所需時(shí)間。

3.3 最大體積及達(dá)到時(shí)間

在凈化廠區(qū)域內(nèi)，監(jiān)測(cè)不同場(chǎng)景下可接受上限濃度的等值體體積隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，記錄最大體積及其到達(dá)時(shí)間。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 因素對(duì)吸入劑量的影響

吸入劑量隨時(shí)間的變化如圖3所示，由于場(chǎng)景3毒害氣云擴(kuò)散后期在操作間附近不斷積聚，因此場(chǎng)景3吸入劑量增長(zhǎng)曲線斜率較大，而場(chǎng)景2由于風(fēng)速為X軸負(fù)向，泄漏速度較大且泄漏方向?yàn)閆軸正向，泄漏開始后毒害氣體迅速爬升，然后向下風(fēng)向擴(kuò)散，毒害氣體未曾到達(dá)建筑物附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因此吸入劑量為0，其余場(chǎng)景下吸入劑量同時(shí)間基本成正比關(guān)系。

圖3 各場(chǎng)景吸入劑量與時(shí)間變化關(guān)系Fig.3 Relationship between inhaled dose and time in each scene

各因素對(duì)吸入劑量影響分析見表3。R為因子不同水平之間主效應(yīng)的極差，反映了因子的水平變化對(duì)吸入劑量的影響，即因子的重要程度。由表3可知，風(fēng)向是影響吸入劑量的最重要因素，這是由于風(fēng)向決定毒害氣體擴(kuò)散方向和影響區(qū)域位置，尤其當(dāng)風(fēng)向?yàn)閄軸負(fù)向時(shí)，毒害氣體往凈化廠外擴(kuò)散，設(shè)在凈化廠建筑物周圍的監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度較低，甚至無(wú)毒害氣體出現(xiàn)；其次，風(fēng)速是影響吸入劑量的重要因素，風(fēng)速主要對(duì)毒害氣體高濃度區(qū)存留時(shí)間產(chǎn)生影響，風(fēng)速越小毒害氣體高濃度區(qū)存留時(shí)間越長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)吸入劑量越高。因子水平順序依次為：風(fēng)向>風(fēng)速>泄漏方向>泄漏速度，使吸入劑量達(dá)到最大的因素組合為：A3B1C3D2。

表3 因素對(duì)吸入劑量影響分析Table 3 Analysis of factors affecting inhalation dose

4.2 因素對(duì)最大面積的影響

表4為各因素對(duì)最大面積影響的分析表。由表4可知，各場(chǎng)景泄漏后1.5 m高平面上毒害區(qū)域最大面積均較低，這是由于毒害氣體在較大初始動(dòng)量作用下，迅速向計(jì)算域上部噴射并在高空集聚，到達(dá)1.5 m平面時(shí)未能充分?jǐn)U散，而高空中集聚的毒害氣體在重力作用下向下擴(kuò)散到達(dá)1.5 m平面所需時(shí)間較長(zhǎng)，因此在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)1.5 m高平面毒害區(qū)域面積較??；其次，由于凈化廠建筑結(jié)構(gòu)及廠區(qū)布置形式復(fù)雜，不同風(fēng)向造成風(fēng)場(chǎng)差異較大，形成的湍流以及旋渦的大小和位置差異明顯，因此風(fēng)向?qū)π孤┟娣e影響最大；此外，由于氣體泄漏后到達(dá)統(tǒng)計(jì)平面所需時(shí)間極短，所以泄漏速度、泄漏方向、風(fēng)向?qū)ξ：^(qū)域面積的影響沒有明顯差異。因素主次順序?yàn)椋猴L(fēng)向>泄漏速度>風(fēng)速>泄漏方向，導(dǎo)致毒害區(qū)域面積最大的因素組合為：A2B2C1D1

表4 因素對(duì)最大面積影響分析Table 4 Analysis of factors affecting maximum area

。

4.3 因素對(duì)最大面積到達(dá)時(shí)間的影響

表5 因素對(duì)最大面積到達(dá)時(shí)間影響分析Table 5 Analysis of factors affecting the arrival time of maximum area

4.4 因素對(duì)最大體積的影響

不同因素對(duì)最大體積影響分析如表6所示，由表6可知，風(fēng)速對(duì)氣云體積的影響最大，且統(tǒng)計(jì)氣云體積隨風(fēng)速增高而減小，這是由于風(fēng)速較高時(shí)毒害氣云擴(kuò)散較快，但隨著總體積的增大高濃度危害區(qū)體積逐漸減??；泄漏速度是影響氣云體積的次重要因素，泄漏量越高氣云體積越大。各影響因素因子水平依次為：風(fēng)速>泄漏速度>泄漏方向>風(fēng)向；使毒害區(qū)域面積達(dá)到最大的組合是：A1B3C3D3。

表6 因素對(duì)最大體積影響分析Table 6 Analysis of factors affecting the maximum volume

4.5 因素對(duì)最大體積到達(dá)時(shí)間的影響

因素對(duì)最大體積到達(dá)時(shí)間影響分析如表7所示。由表7可見，盡管泄漏初期毒害氣體擴(kuò)散主要受初始動(dòng)能影響，但隨著氣云繼續(xù)擴(kuò)散，風(fēng)向?qū)庠菩螒B(tài)及運(yùn)移軌跡影響較大，且擴(kuò)散后期氣云運(yùn)移速度主要受風(fēng)速影響，因此最大體積到達(dá)時(shí)間對(duì)風(fēng)向和風(fēng)速較為敏感，因子水平主次順序?yàn)椋猴L(fēng)向>風(fēng)速>泄漏方向>泄漏速度；使最大體積到達(dá)時(shí)間最短的組合為：A3B1C1D1。

表7 因素對(duì)最大體積到達(dá)時(shí)間影響分析Table 7 Analysis of factors affecting the arrival time of maximum volume

5 毒害后果控制建議

依據(jù)該天然氣凈化廠的氣體泄漏毒害后果影響因素分析，首先對(duì)該天然氣凈化廠提出針對(duì)性后果控制措施，其次為燃?xì)饨K端設(shè)施、聯(lián)合站、化工園區(qū)等具有毒害氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)的場(chǎng)所提出一般性建議：

1)廠區(qū)規(guī)劃建設(shè)：該天然氣凈化廠在建設(shè)時(shí)應(yīng)當(dāng)使X軸負(fù)向與全年最大頻率風(fēng)向保持一致，并選取通風(fēng)良好位置作為廠址，將人員密集設(shè)施修建在上風(fēng)向，并控制上風(fēng)向建筑物高度，防止建筑高度過(guò)高影響氣體擴(kuò)散造成毒害氣體集聚；廠區(qū)布置規(guī)劃過(guò)程中，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行預(yù)先危險(xiǎn)性分析，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀灰蛩乇孀R(shí)泄漏場(chǎng)景，采用文中方法實(shí)施影響因素分析，依據(jù)分析結(jié)果調(diào)整建設(shè)方案，避免風(fēng)向、風(fēng)速和建設(shè)布局惡化泄漏后果。

2)泄漏監(jiān)測(cè)：由于泄漏后氣云迅速向高空集聚，因此探測(cè)器布置過(guò)程中應(yīng)注意在高空的排布；毒害氣體探測(cè)器布置方案應(yīng)結(jié)合不同泄漏場(chǎng)景中氣云運(yùn)移軌跡設(shè)計(jì)。

3)應(yīng)急預(yù)案編制：依據(jù)該天然氣凈化廠各泄漏場(chǎng)景毒害劑量的變化趨勢(shì)，應(yīng)使應(yīng)急撤離時(shí)間盡量減小，考慮到1.5 m高平面毒害區(qū)域面積較小且主要集中在泄漏口附近，選擇撤離路線時(shí)應(yīng)充分利用廠內(nèi)空間；應(yīng)急預(yù)案編制應(yīng)考慮不同泄漏場(chǎng)景毒害氣體擴(kuò)散特點(diǎn)，應(yīng)急撤離集合地點(diǎn)、疏散路線應(yīng)避開毒害氣體集聚地點(diǎn)，撤離時(shí)機(jī)、路線的選擇應(yīng)結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)毒氣濃度、毒害氣云面積、體積的變化情況。

6 結(jié)論

1)將正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與CFD相結(jié)合，采用吸入劑量、毒害面積、最大毒害面積到達(dá)時(shí)間、毒害體積、最大毒害體積到達(dá)時(shí)間作為后果指標(biāo)，可對(duì)毒害后果影響因素進(jìn)行定量敏感性分析，為天然氣凈化廠、集氣站、聯(lián)合站、化工園區(qū)等場(chǎng)所的氣體泄漏毒害后果影響因素分析及控制提供指導(dǎo)。

2)風(fēng)速較低時(shí)，此凈化廠高濃度含硫氣集聚時(shí)間較長(zhǎng)，造成吸入劑量較高。各場(chǎng)景下1.5 m高平面的毒害區(qū)域面積均較小，且因素對(duì)達(dá)到最大面積所需時(shí)間的影響差異較大，危害區(qū)域體積主要受風(fēng)速和泄漏速度影響。

3)該天然氣凈化廠建設(shè)時(shí)應(yīng)使X軸負(fù)向與全年最大頻率風(fēng)向一致，選址應(yīng)在通風(fēng)性能良好地帶，辦公住宅樓高度應(yīng)適當(dāng)降低防止對(duì)廠區(qū)通風(fēng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響，同時(shí)應(yīng)建立有效的安全監(jiān)控和維修制度，防止發(fā)生管道大孔徑泄漏事故。