復(fù)雜地形高含硫天然氣風(fēng)洞擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)及安全防護(hù)距離

辛保泉 喻健良 黨文義 姜 雪 林官明

1.大連理工大學(xué)化工學(xué)院 2.中國(guó)石化青島安全工程研究院 3.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

在《高含硫化氫氣田集氣站場(chǎng)安全規(guī)程：SY 6779—2010》中，將硫化氫（H2S）含量（體積）超過(guò)5%即定義為高含硫，而我國(guó)高含硫氣田天然氣中H2S 的含量通常達(dá)到15%甚至更高。高含硫天然氣在泄漏事故狀態(tài)下存在著易燃易爆和人員中毒等風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)位于山區(qū)的天然氣生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施而言，由于近場(chǎng)人員集中場(chǎng)所較少，較之于爆炸事故，H2S的遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散可能會(huì)導(dǎo)致更遠(yuǎn)的外部安全防護(hù)距離[1]。關(guān)于安全防護(hù)距離，在《含硫化氫天然氣井公眾安全防護(hù)距離：AQ 2018—2008》、《高含硫化氫天然氣凈化廠公眾安全防護(hù)距離：SY/T 6781—2010》等標(biāo)準(zhǔn)中，建議的搬遷和應(yīng)急撤離距離為200～1 500 m。這些規(guī)定為事故應(yīng)急防護(hù)提供了一個(gè)初步參照。但不同的規(guī)定差別較大且未考慮地形、氣象條件和事故概率對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響，在工業(yè)應(yīng)用中難以直接作為人員搬遷和應(yīng)急防護(hù)的有效依據(jù)[2]。氣體擴(kuò)散的研究方法主要有數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等方法。顯然，傳統(tǒng)的二維事故后果模擬很難有效考慮地形影響。在山區(qū)復(fù)雜地形條件下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際難度很大，不具有可行性。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬是一種研究氣體擴(kuò)散行為較為有效的方法，但由于CFD 計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度取決于對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)仿真前置處理時(shí)的初始條件、邊界條件、物性參數(shù)等的定義是否合理，以及后處理是否準(zhǔn)確等方面[3]，研究結(jié)果的可信度仍不足夠。對(duì)于較大尺度的遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)由于其準(zhǔn)確性高、重復(fù)性好的特點(diǎn)，被認(rèn)為是模擬和預(yù)測(cè)真實(shí)工況下氣體泄漏擴(kuò)散的重要方法[4-5]。通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，可以有效確定不同氣象條件和復(fù)雜地形條件下危險(xiǎn)氣體的濃度分布和影響距離。

泄漏區(qū)域地形特征對(duì)于高含硫天然氣的擴(kuò)散影響顯著[6-9]，國(guó)外對(duì)此已開(kāi)展了較多的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[10-12]，但更多關(guān)注環(huán)境污染和風(fēng)場(chǎng)特征等方面。國(guó)內(nèi)有少部分關(guān)于氣體擴(kuò)散的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究[13-15]。這些研究通?；陲L(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬方法，對(duì)單一條件下的氣體擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證性測(cè)試，但是對(duì)多種風(fēng)速、風(fēng)向條件的氣云空間分布特征及危害區(qū)域關(guān)注較少且未考慮泄漏頻率和風(fēng)險(xiǎn)。為此，筆者從定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（QRA）和外部安全防護(hù)距離的角度出發(fā)，根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和基于風(fēng)險(xiǎn)的方法，研究了含硫天然氣的泄漏擴(kuò)散規(guī)律以及安全防護(hù)距離問(wèn)題。對(duì)于含硫天然氣這類有毒且易燃?xì)怏w，關(guān)注的目標(biāo)不應(yīng)該僅僅是濃度大小，還應(yīng)該包括暴露于危險(xiǎn)環(huán)境的個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)等[16-17]。針對(duì)我國(guó)西南山地某天然氣集氣站，采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在自有的大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行了1∶1 000 比例的模型實(shí)驗(yàn)，得到了地表真實(shí)濃度的分布特征和影響距離，并基于風(fēng)險(xiǎn)的方法計(jì)算了安全防護(hù)距離。以期為高含硫天然氣泄漏事故的應(yīng)急防護(hù)和人員搬遷區(qū)域等工作提供參考。

1 廠區(qū)自然條件及實(shí)驗(yàn)理論

1.1 地形和氣象特征分析

集氣站位于山區(qū)，山坡非常陡峭。NW 方向約2 km 外為高速公路及河谷，N 方向?yàn)檩^高的臺(tái)地，NE 方向地形較低，E 及SE 方向都比較高，S 方向是陡峭山谷。所在的山地地勢(shì)陡峭，正南方100 m落差達(dá)50 m、坡度26°，集氣站所在場(chǎng)地標(biāo)高海拔760～780 m。擬模擬的半徑3 km 范圍內(nèi)，最低點(diǎn)位于SW 方向的河谷（海拔約350 m），最高點(diǎn)位于站場(chǎng)東南3 km，海拔1 100 m。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的地勢(shì)總高差達(dá)到了750 m，這顯著增加了實(shí)驗(yàn)難度。站場(chǎng)所在地區(qū)年平均風(fēng)速約2 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋。

1.2 大氣邊界層流動(dòng)相似模擬條件

大氣流動(dòng)的物理模擬的理論基礎(chǔ)是量綱分析與相似理論[18]，通過(guò)對(duì)大氣邊界層流動(dòng)的基本方程組的進(jìn)一步推導(dǎo)和轉(zhuǎn)化，得到無(wú)量綱形式的方程見(jiàn)式（1）～（3）。

式中ρ表示空氣密度，kg/m3；t表示時(shí)間，s；u表示流速，m/s；下標(biāo)i，j，k分別表示參數(shù)值在i，j，k方向的分量；ε表示耗散率，m2/s3；wj表示科氏力系數(shù)；Ro、Ri、Re、Pr和Ec的意義見(jiàn)表1；pi表示壓力，Pa；?T表示空氣溫度與中性大氣溫度的差，K；T表示空氣溫度，K；T0表示特征溫度，K；δij表示Kronecker 張量；u'j表示脈沖速度，m/s；θ'表示脈沖溫度，K；表示耗散函數(shù)；U表示特征速度，m/s；L表示特征長(zhǎng)度，m；v表示動(dòng)力學(xué)黏性系數(shù)，Pa·s；g表示重力加速度，m/s2；K表示空氣的傳熱系數(shù)；CP表示空氣的定壓比熱，J/(kg·K)。

不同的無(wú)量綱化方法會(huì)得到不同的相似準(zhǔn)則。對(duì)于恒定來(lái)流的物理模擬，表征時(shí)間尺度的Strouhal數(shù)相似，可略去[19]。實(shí)驗(yàn)時(shí)不必考慮模擬所有的相似條件，只需根據(jù)具體情況滿足其主要的控制條件即可。這5 個(gè)相似參數(shù)說(shuō)明如表1 所示。

表1 相似參數(shù)說(shuō)明表

1.3 濃度場(chǎng)的對(duì)應(yīng)

壓力容器及其相連管線最易泄漏，等效泄漏孔徑選擇比較可信的中孔泄漏（50 mm）[20]。泄漏類型為點(diǎn)源連續(xù)釋放，獲得的濃度相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)事故的小時(shí)濃度。對(duì)于關(guān)心區(qū)域內(nèi)的某無(wú)量綱空間點(diǎn)（x,y,z），在某風(fēng)場(chǎng)條件、某固定的空間點(diǎn)源排放條件下，其無(wú)量綱濃度C*可表示為：

式中C*采用體積濃度，無(wú)量綱；u表示特征速度，m/s；y方向?yàn)榇怪庇趚方向的水平方向；x方向?yàn)轫橈L(fēng)向下游；z方向?yàn)榇怪庇诘孛嫦蛏?；坐?biāo)原點(diǎn)在泄漏源地表；σy表示下風(fēng)距離x處水平擴(kuò)散參數(shù)；σz表示下風(fēng)距離x處垂直擴(kuò)散參數(shù)；C0表示排放口毒氣體積濃度，無(wú)量綱；Q表示毒氣總釋放流量，m3/s；下標(biāo)p 表示原型；下標(biāo)m 表示模型。

從模型濃度到原型濃度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

模型上的風(fēng)場(chǎng)與原型的風(fēng)場(chǎng)一致，因此um/up=1。對(duì)1∶1 000 模型，相似關(guān)系為：

高含硫天然氣的主要組分是CH4（分子量16）和H2S（分子量34），平均分子量約25。因此，使用乙烯（分子量28）作為示蹤氣進(jìn)行擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)實(shí)際測(cè)試得到的濃度及分析儀器的量程，最終將排放口乙烯配置為100%，即模型釋放口濃度C0m＝1，因此，原型濃度表示為：

式中C0p表示原型釋放口所排天然氣濃度。

現(xiàn)場(chǎng)原型泄漏源孔徑大小為50 mm，中性層結(jié)風(fēng)洞無(wú)法模擬高壓小孔射流情形，因而將100 倍管徑處近似設(shè)為無(wú)窮遠(yuǎn)穩(wěn)定流動(dòng)，相應(yīng)的距離為5 m。依然在現(xiàn)場(chǎng)的建筑物或地表植被高度之下，對(duì)應(yīng)于模型上的5 mm，因而簡(jiǎn)化為用內(nèi)徑5 mm管模擬事故排放，管口向上，流量保持Q/(1 000)2，即遵循出口動(dòng)量相似的準(zhǔn)則，用無(wú)阻流量（142×104m3/d）做源強(qiáng)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

2.1 風(fēng)洞設(shè)備

該風(fēng)洞為開(kāi)閉兩用吹式，本次實(shí)驗(yàn)使用開(kāi)口吹式。其實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)27 m、寬4 m、高3 m（側(cè)壁有擴(kuò)散角），風(fēng)速在0.5～20 m/s 連續(xù)可調(diào)。由于模型本身足夠長(zhǎng)，加上很長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)段及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段起始段的粗糙源，可以滿足模擬所需風(fēng)速廓線的要求[21]。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室外觀見(jiàn)圖1。

2.2 風(fēng)速測(cè)量

圖1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室外觀照片

風(fēng)速廓線的測(cè)量使用美國(guó)TSI 產(chǎn)熱線（膜）風(fēng)速儀，精度0.1%，空氣速度測(cè)量范圍：0～50 m/s。具體測(cè)量前用其自備的校正單元（射流風(fēng)洞）進(jìn)行校正。速度信號(hào)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換由計(jì)算機(jī)采樣并進(jìn)行處理。A/D 數(shù)據(jù)采集卡為4 通道，1 MHz 采樣率，12 位輸出。來(lái)流的監(jiān)視使用TSI 便攜式風(fēng)速儀，風(fēng)速測(cè)量范圍0～30 m/s，分辨率0.01 m/s。

2.3 濃度測(cè)量

濃度測(cè)量使用Eranntex MS 600 光離子氣體檢測(cè)儀，儀器量程0～2 000 cm3/m3（體積濃度），精度1 cm3/m3。使用時(shí)，將光離子氣體監(jiān)測(cè)儀固定在坐標(biāo)架上，信號(hào)經(jīng)20 m USB 延長(zhǎng)線連接到計(jì)算機(jī)，編寫(xiě)專用串口通訊程序，應(yīng)答式獲得濃度數(shù)據(jù)（圖2）。

圖2 MS 600 光離子氣體監(jiān)測(cè)儀采樣分析示意圖

由于本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M的區(qū)域地形復(fù)雜，高差較大，不便于坐標(biāo)架的自動(dòng)移動(dòng)。因此通過(guò)人工監(jiān)視、手動(dòng)控制坐標(biāo)架的方式進(jìn)行濃度采樣。采樣時(shí)，將光離子氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采樣頭通過(guò)坐標(biāo)架移動(dòng)到布點(diǎn)位置，監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)利用內(nèi)置氣泵抽取樣品并分析。采樣程序會(huì)自動(dòng)記錄相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的濃度。采用佳能XA50 數(shù)碼攝錄像機(jī)放大圖像并實(shí)時(shí)跟蹤，監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)顯示于計(jì)算機(jī)顯示屏上，直接讀取分析儀表盤(pán)讀數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图帮L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1 湍流和擴(kuò)散模型

對(duì)于氣體擴(kuò)散，采用有限體積法在三維笛卡爾坐標(biāo)下求解描述流體特性的質(zhì)量、動(dòng)量、能量及組分守恒的N-S 方程，即

式中φ表示通用求解變量；ρ表示氣體密度；xj表示j方向上的積分；表示i方向上的速度矢量；Γφ表示擴(kuò)散系數(shù)；Sφ表示源項(xiàng)。

對(duì)于湍流條件，使用k-ε湍流模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型需要求解湍動(dòng)能及其耗散率方程[9]。該模型假設(shè)流動(dòng)過(guò)程為完全湍流，分子黏性的影響可以忽略。大氣邊界層使用入口邊界的速度、溫度和湍流參數(shù)斷面來(lái)模擬。入口風(fēng)斷面依賴于Monin-Obukhov 長(zhǎng)度L和大氣粗糙度長(zhǎng)度Z0。在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究中，L通常是未知的，需要使用大氣穩(wěn)定度來(lái)估算，這里采用較為穩(wěn)定的大氣穩(wěn)定度F。

3.2 物理模型

為保證流場(chǎng)邊條件的幾何相似，嚴(yán)格按等比例尺寸進(jìn)行模擬。以集氣站中心為模型中心，在半徑約3 km 范圍內(nèi)按照1∶1 000 的比例建立了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停▓D3）。泄漏源位于模型地表。

圖3 正東南西北模型圖

根據(jù)站場(chǎng)地形及廠區(qū)建筑物布局，為了保證較高的地表粗糙和地表湍流度，對(duì)廠區(qū)附近區(qū)域地形按20 m 等高線進(jìn)行建模。站區(qū)建筑基本都低于10 m，相對(duì)地形來(lái)說(shuō)可忽略，因此不再進(jìn)行建筑物建模。

一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)洞模型橫截面與實(shí)驗(yàn)段截面的阻塞比要保證在5%以下，模擬大氣邊界層的環(huán)境風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度一般不小于20 m，寬度和高度一般不小于2 m。本風(fēng)洞試驗(yàn)段長(zhǎng)27 m、寬4 m、高3 m，可以形成充分發(fā)展的湍流邊界層。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)共計(jì)24 個(gè)組合工況。其中包括8 個(gè)風(fēng)向：N、NE、E、SE、S、SW、W、NW。3 個(gè)風(fēng)速：低風(fēng)速1 m/s、常年平均風(fēng)速2 m/s、較高風(fēng)速4 m/s[22]。對(duì)每組工況進(jìn)行地表濃度采樣，垂直方向網(wǎng)格間距多為100 m，鄰近源剖面適當(dāng)加密，測(cè)得所有工況的地表濃度數(shù)據(jù)，進(jìn)而繪制出各組合條件下的濃度等值線圖。

3.4 外部安全防護(hù)距離

3.4.1 方法概述

安全防護(hù)距離的確定方法可分為后果法和風(fēng)險(xiǎn)法兩種。后果法由于不考慮事故場(chǎng)景發(fā)生可能性，主要根據(jù)毒性劑量或爆炸超壓值直接判斷影響范圍，確定的安全防護(hù)距離與選擇的場(chǎng)景有較大關(guān)系，在數(shù)值模擬中有較大隨機(jī)性和差異性[23-24]。因此，選擇了基于風(fēng)險(xiǎn)的方法，同時(shí)考慮事故后果和發(fā)生頻率，然后根據(jù)不同防護(hù)目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)確防護(hù)距離。計(jì)算過(guò)程采用國(guó)際上比較流行的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算程序SAFETI 8.23。

3.4.2 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算場(chǎng)景

高含硫天然氣是一種含有多種復(fù)雜組分的混合物，根據(jù)該站點(diǎn)的真實(shí)測(cè)試結(jié)果，將天然氣簡(jiǎn)化為4種主要組分：甲烷含量75.4%，硫化氫含量15.2%，二氧化碳含量8.8%，氮?dú)夂?.6%。泄漏類型考慮小孔、中孔、大孔和相連管道斷裂4 種場(chǎng)景。操作壓力：9 MPa，操作溫度：45 ℃。假設(shè)最大泄漏時(shí)間為30 min，平均風(fēng)速為2 m/s，地面粗糙度為1 m（山區(qū)地形）。泄漏頻率采用國(guó)際石油與天然氣生產(chǎn)者協(xié)會(huì)（OGP）的推薦值[25]，風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景及頻率如表2 所示。

表2 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算場(chǎng)景及其發(fā)生頻率表

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試濃度

根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)得了24 組工況的地表濃度數(shù)據(jù)。其中N、E、S 和W 這4 個(gè)典型風(fēng)向的濃度分布見(jiàn)圖4。

圖4 表明，風(fēng)速和風(fēng)向都會(huì)對(duì)天然氣的擴(kuò)散產(chǎn)生顯著影響，且水平和垂直方向的濃度分布差異較大。由于N 向?yàn)樯狡拢琒 向?yàn)樯焦?，風(fēng)向N 和S 分別表示天然氣的“下坡擴(kuò)散”和“上坡擴(kuò)散”，統(tǒng)稱“順坡擴(kuò)散”。研究發(fā)現(xiàn)在順坡擴(kuò)散過(guò)程中，較高濃度的天然氣沿著山坡在橫向（垂直于山坡坡度方向）具有較寬的擴(kuò)散鋒面，且下坡擴(kuò)散的鋒面寬度大于上坡擴(kuò)散，但是局地濃度較小。在風(fēng)向E 和W 時(shí)，擴(kuò)散鋒面與坡度方向垂直相切，簡(jiǎn)稱“切坡擴(kuò)散”，擴(kuò)散鋒面較窄，但是局地濃度較高。4 種風(fēng)向下不同濃度的等高線分布如圖5 所示。

8 種風(fēng)向下測(cè)得的地表氣體最大來(lái)流濃度見(jiàn)圖6。圖中LT表示根據(jù)SLOT（特定毒性水平）換算的毒性荷載，即暴露人員1%～5%死亡的劑量濃度，經(jīng)計(jì)算，硫化氫1 min 的毒性荷載為1 190 cm3/m3[26]。LCLo表示人吸入30 min 的急性致死濃度，為600 cm3/m3。

圖6 表明，隨著風(fēng)速的增大，8 個(gè)風(fēng)向測(cè)得的天然氣濃度均會(huì)降低，但最大濃度對(duì)風(fēng)速的敏感程度會(huì)顯著減小，在較高風(fēng)速4 m/s 時(shí)濃度趨于平緩。W風(fēng)向測(cè)得的最大濃度顯著高于其他風(fēng)向，風(fēng)速1 m/s、2 m/s 和4 m/s 時(shí)的最大濃度分別為19 550 cm3/m3、9 990 cm3/m3和5 804 cm3/m3。其次為SW 方向的濃度。S 風(fēng)向測(cè)得的濃度最小，風(fēng)速1 m/s、2 m/s 和4 m/s 時(shí)的最大濃度分別為1 074 cm3/m3、373 cm3/m3和254 cm3/m3。W 風(fēng)向分別是N 風(fēng)向最大濃度的18.2 倍、26.8 倍和22.9 倍。風(fēng)向?qū)舛鹊娘@著影響充分說(shuō)明，對(duì)于復(fù)雜地形條件，風(fēng)向的影響不可忽略。

4.2 危害區(qū)域及分布特征

根據(jù)專門(mén)編制的事故工況濃度預(yù)測(cè)程序，獲得了不同風(fēng)速下的天然氣濃度分布（圖7）。

對(duì)于高含硫天然氣擴(kuò)散的安全防護(hù)距離，H2S的影響通常更遠(yuǎn)[27]。為了便于分析，根據(jù)不同濃度H2S 對(duì)人體的毒理反應(yīng)，將危害區(qū)域劃分為4 個(gè)危害等級(jí)，如表3 所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擴(kuò)散過(guò)程可以預(yù)測(cè)為：在早期，煙羽主要聚集在泄漏源附近的集氣站場(chǎng)內(nèi)，之后向東北方向順風(fēng)擴(kuò)散。主要軌跡包括東北山坡和西南山谷，以及山坡周圍的西北和東南方向。此外，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)了以下特點(diǎn)：

圖4 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)得的來(lái)流濃度分布圖

1）低風(fēng)速時(shí)，毒氣更傾向于“繞過(guò)”山體，高風(fēng)速時(shí)，則傾向于“翻越”山體。

2）若泄漏源位于從山谷吹來(lái)的風(fēng)（谷風(fēng)）的下游，例如來(lái)流為SE、SW、W，由于泄漏源下游為山峰條件，氣體可能與山體碰撞或在山體背后的山坡上形成高濃度的累積。

3）來(lái)流E 掃過(guò)了集氣站，但由于站場(chǎng)西側(cè)存在山溝，易形成尾渦，其山坡上也是危險(xiǎn)區(qū)域。盡管來(lái)流S 不如來(lái)流SW、W 導(dǎo)致的危險(xiǎn)影響范圍大，但靠近集氣站位置也會(huì)形成很高的濃度。

4）在風(fēng)速、風(fēng)向和地形的相互作用下，危害區(qū)域總是分布在順風(fēng)的山坡前部或者山谷洼地。但是，如果不通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行具體分析，則很難對(duì)分布區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。與平坦地形的情況完全不同的是，除順風(fēng)方向外，危險(xiǎn)區(qū)域會(huì)沿多個(gè)方向延伸。潛在的運(yùn)動(dòng)軌跡可能出現(xiàn)在泄漏源附近的洼地和順風(fēng)方向附近的山坡。

進(jìn)一步對(duì)8 個(gè)風(fēng)向、3 種風(fēng)速時(shí)測(cè)得的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的危害區(qū)域進(jìn)行分析，其最大影響距離見(jiàn)表4。

根據(jù)圖6 和表4 可知，風(fēng)向W 和SW 危險(xiǎn)影響區(qū)域最大，風(fēng)向N、E 和NE 危險(xiǎn)區(qū)域最小。嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)域大多圍繞在泄漏源附件的集氣站和山體背風(fēng)處。影響距離最遠(yuǎn)的是風(fēng)速1 m/s時(shí)的西風(fēng)（W），其中，Ⅲ～Ⅱ級(jí)危險(xiǎn)區(qū)域的最大影響距離是NE 方向1 500 m；Ⅰ級(jí)危險(xiǎn)區(qū)域的最大影響距離是NE 方向1 200 m。分布特點(diǎn)如下：

1）低風(fēng)速U1＝1 m/s 情形下，以泄漏源為圓心的500 m 半徑范圍內(nèi)在各風(fēng)向都是危險(xiǎn)的。特別是SW、W、NW 及SE 方向來(lái)流都會(huì)導(dǎo)致站外出現(xiàn)極危險(xiǎn)的區(qū)域，保守估計(jì)1 000 m 內(nèi)存在小時(shí)致死可能。

圖5 天然氣順坡擴(kuò)散和切坡擴(kuò)散濃度分布圖

圖6 不同風(fēng)向下測(cè)得的高含硫天然氣最大來(lái)流濃度圖

2）在常年平均風(fēng)速U2＝2 m/s 情形下，以泄漏源為圓心的300 m 范圍內(nèi)都是非常危險(xiǎn)的，NW、SE方向來(lái)流會(huì)導(dǎo)致距泄漏源300 m 內(nèi)出現(xiàn)小時(shí)致死濃度。SW、W 來(lái)流則在距泄漏源800 m 內(nèi)出現(xiàn)小時(shí)致死濃度區(qū)域。

3）較高風(fēng)速U3＝4 m/s 情形下,氣體擴(kuò)散充分。但需要注意下風(fēng)向背風(fēng)窩的高濃度，小時(shí)致死濃度區(qū)域多在距泄漏源500～700 m。

4）受復(fù)雜地形影響，不同位置的氣云濃度變化很大，且不同濃度的氣云影響范圍很不規(guī)則。在低風(fēng)速時(shí)，不同濃度的硫化氫分布形狀最不規(guī)則，表明低風(fēng)速時(shí)的濃度分布受地形影響更大。但是低風(fēng)速時(shí)，不同濃度的影響范圍差異較小。較高風(fēng)速時(shí)，不同濃度的硫化氫分布形狀趨于圓潤(rùn)，表明高風(fēng)速時(shí)的濃度分布受地形影響減小。但是高風(fēng)速時(shí)，不同濃度的影響范圍差異較大。

4.3 風(fēng)速和風(fēng)向影響

受山區(qū)地形條件影響，不同風(fēng)向時(shí)的危險(xiǎn)影響區(qū)域有較大差異。根據(jù)不同濃度的危害影響范圍大小，得到了不同風(fēng)速、風(fēng)向條件下的高含硫天然氣分布危險(xiǎn)性順序（表5）。

圖7 預(yù)測(cè)的3 種風(fēng)速不同濃度等值線分布圖

表3 H2 S 危害區(qū)域劃分表

在3 種風(fēng)速中，SW 和W 風(fēng)向最為危險(xiǎn)，N 風(fēng)向危險(xiǎn)性最低。風(fēng)驅(qū)使危險(xiǎn)區(qū)域向順風(fēng)方向擴(kuò)散，這是影響危險(xiǎn)區(qū)域分布的主要因素。此外，由于空間聚集和障礙物的作用，不同風(fēng)向的危險(xiǎn)影響區(qū)域有較大變化。但是，由于地形的特征差異和不均勻分布，改變的效果很難給出統(tǒng)一的解釋，應(yīng)該具體情況具體分析。

綜上所述，在進(jìn)行高含硫天然氣泄漏擴(kuò)散的后果分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，建議選擇較低的風(fēng)速和穩(wěn)定的大氣湍流條件。如果泄漏源所在位置具有復(fù)雜的地形條件，則地形和風(fēng)向?qū)κ鹿屎蠊挠绊懖豢珊雎浴?/p>

表4 不同風(fēng)速和風(fēng)向下的最大影響距離表

4.4 基于風(fēng)險(xiǎn)的安全防護(hù)距離

《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)：GB 36894—2018》是我國(guó)危化品領(lǐng)域的主要風(fēng)險(xiǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同重要程度的防護(hù)目標(biāo)規(guī)定了不同的個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)（IR）基準(zhǔn)，其中在役生產(chǎn)裝置和設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)分為三類：3×10－6/a，1×10－5/a 和3×10－5/a。根據(jù)表2 中的場(chǎng)景，計(jì)算不同防護(hù)目標(biāo)的個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)等高線（圖8）。各類防護(hù)目標(biāo)在不同方向的影響距離如圖9 所示。

由圖9 可知，不同重要程度的防護(hù)目標(biāo)，其安全防護(hù)距離有較大差異。在地形和風(fēng)向共同作用下，泄漏源不同方向的外部安全防護(hù)距離也有顯著不同。在本研究中，SW 方向（山谷方向）安全距離最遠(yuǎn)，介于129.8～727.8 m。SE 和NW 方向（山坡方向）安全距離最近且較為接近，介于60.5～432.8 m。

表5 不同風(fēng)速、風(fēng)向條件下硫化氫分布危險(xiǎn)性排序表

圖9 不同防護(hù)目標(biāo)的外部安全距離圖

在不同方向的外部安全防護(hù)距離分別：①第三類防護(hù)目標(biāo)為60.5～129.8 m，相差2.1 倍；②第二類防護(hù)目標(biāo)為183.7～371.9 m，相差2.0倍；③高敏感、重要和第一類防護(hù)目標(biāo)為424.7～727.8 m，相差1.7倍。風(fēng)險(xiǎn)法充分考慮了事故發(fā)生頻率以及防護(hù)目標(biāo)的重要程度，并且可以根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出不同的安全防護(hù)距離，可作為站場(chǎng)選址、土地使用規(guī)劃和應(yīng)急防護(hù)的參考，與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)形成互補(bǔ)。

5 結(jié)論

1）高含硫天然氣的擴(kuò)散過(guò)程可以歸納為“順坡擴(kuò)散”和“切坡擴(kuò)散”兩種模式。在順坡擴(kuò)散過(guò)程中，較高濃度的天然氣沿著山坡在橫向（垂直于山坡坡度方向）有較寬的擴(kuò)散鋒面，且下坡擴(kuò)散的鋒面寬度大于上坡擴(kuò)散，但是局地濃度較小。而切坡擴(kuò)散的擴(kuò)散鋒面較窄，但是局地濃度較高。

2）風(fēng)速、風(fēng)向、地形及其相互作用，是影響擴(kuò)散過(guò)程和危害范圍的重要因素。較高的風(fēng)速有利于加快天然氣的消散，降低天然氣的危害范圍。但是隨著風(fēng)速的增大，最大濃度對(duì)風(fēng)速的敏感程度會(huì)顯著減小。同時(shí)風(fēng)速的增加會(huì)抑制地形對(duì)濃度分布的影響，也會(huì)增加不同濃度影響范圍的差異。

3）在山區(qū)復(fù)雜地形條件下，風(fēng)向?qū)Ω吆蛱烊粴鉂舛确植己臀：^(qū)域的影響不可忽略。風(fēng)向W 和SW 危險(xiǎn)影響區(qū)域最大，風(fēng)向N、E 和NE 危險(xiǎn)區(qū)域最小。影響距離最遠(yuǎn)的是風(fēng)速1 m/s 時(shí)的西風(fēng)（W），其中，Ⅲ～Ⅱ級(jí)危險(xiǎn)區(qū)域的最大影響距離是NE 方向1 500 m，Ⅰ級(jí)危險(xiǎn)區(qū)域的最大影響距離是NE 方向1 200 m。風(fēng)速1 m/s、2 m/s 和4 m/s 時(shí)，W 風(fēng)向最大濃度分別是N 風(fēng)向最大濃度的18.2 倍、26.8 倍和22.9 倍。

4）風(fēng)速、風(fēng)向和地形的共同作用，對(duì)高含硫天然氣的擴(kuò)散影響非常復(fù)雜，不僅表現(xiàn)出非均勻、非定常特征,而且隨著地形的改變和風(fēng)速、風(fēng)向的變化，這種影響也是各異的。與平坦地形的情況完全不同的是，除順風(fēng)方向外，危險(xiǎn)區(qū)域會(huì)沿多個(gè)方向不規(guī)則擴(kuò)展，且形狀很不規(guī)則。在進(jìn)行泄漏擴(kuò)散后果分析或風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，建議選擇較低的風(fēng)速和穩(wěn)定的大氣湍流條件。

5）對(duì)于不同重要程度的防護(hù)目標(biāo)，在地形和風(fēng)向共同作用下，泄漏源不同方向的外部安全防護(hù)距離會(huì)有顯著不同。本文研究中，各類防護(hù)目標(biāo)在不同方向的外部安全防護(hù)距離為60.5～727.8 m，同一類防護(hù)目標(biāo)在不同方向的安全距離相差約2 倍。該方法考慮了事故發(fā)生頻率，與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可以形成互補(bǔ)。