含硫氣田水罐爆炸可能性探討

高曉根 鄧 翔 周潮光 張 鐠

1. 中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院, 四川 成都 610213; 2. 中國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦, 四川 遂寧 629000; 3. 四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司, 四川 成都 610056

0 前言

天然氣作為一種綠色清潔能源,具有廣闊的發(fā)展前景,其開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越受到人們重視[1]。可燃性氣體爆炸是天然氣行業(yè)安全危害之一,隨著國(guó)家安全環(huán)保要求的日益提高,企業(yè)和研究學(xué)者日益關(guān)注行業(yè)主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的可燃性氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)[2-5]。含硫氣田水的儲(chǔ)存作為氣田生產(chǎn)輔助的一部分,中毒風(fēng)險(xiǎn)已逐步被大家所熟知[6-9],然而由于作業(yè)過(guò)程的特殊性,其爆炸風(fēng)險(xiǎn)卻少有提及。本文分析含硫氣田水的儲(chǔ)存過(guò)程中的爆炸風(fēng)險(xiǎn),通過(guò)建立計(jì)算模型,幫助生產(chǎn)管理者了解爆炸可能性的計(jì)算方法,從而優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程,減少安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 爆炸可能性分析

1.1 工作過(guò)程及特點(diǎn)

含硫氣田開(kāi)采過(guò)程中,井口采出的高壓含硫天然氣經(jīng)氣液分離得到的含硫氣田水先存儲(chǔ)于站內(nèi)的含硫氣田水罐,再拉運(yùn)或轉(zhuǎn)輸至回注站或處理站,典型流程見(jiàn)圖1。

含硫氣田水從高壓分離器到達(dá)接近常壓的含硫氣田水罐，由于壓力降低以及輸送到達(dá)新罐中流動(dòng)擾動(dòng)導(dǎo)致液面飽和蒸氣壓下降,都會(huì)閃蒸出一部分溶解在氣田水中的H2S、CO2、烴類(lèi)及有機(jī)硫等氣體[10],合稱(chēng)閃蒸氣。由于含硫氣田水罐的非連續(xù)進(jìn)水及不定期轉(zhuǎn)水,閃蒸氣的壓力產(chǎn)生波動(dòng)變化,分離器排水時(shí)壓力最大,排水結(jié)束后逐漸趨于穩(wěn)定,含硫氣田水罐向外轉(zhuǎn)水時(shí)壓力逐漸下降,轉(zhuǎn)水結(jié)束壓力逐漸恢復(fù),由于含硫氣田水罐轉(zhuǎn)水導(dǎo)致的罐內(nèi)液體體積急速下降,為了平衡管內(nèi)壓力,含硫氣田水罐與大氣相連的呼吸管或多或少將倒吸進(jìn)入空氣。典型站場(chǎng)含硫氣田水閃蒸氣常規(guī)組分見(jiàn)表1。

圖1 典型含硫氣田水處理系統(tǒng)圖Fig.1 Typical work process of water treatment system in sour gas field

表1 典型站場(chǎng)含硫氣田水閃蒸氣常規(guī)組分表

Tab.1 Conventional components of water flash steam in typical sour gas field (%)

取樣點(diǎn)φH2SφHeφH2φO2φN2φCO2φCH4φC2φC3+西眉清管站6.320.010.061.387.4413.3771.340.08—西區(qū)集氣站9.970.010.30—0.0520.2669.340.07—磨溪22井區(qū)試采集氣站20.92—0.03—0.0936.5642.370.03—北6集氣站8.72—0.028.0136.0720.3226.830.03—

從表1可以看出,閃蒸氣主要組成為H2S、CO2、CH4,其中西眉清管站和北6集氣站氣田水閃蒸氣中檢測(cè)出N2和O2,氮氧比接近4,可知有空氣進(jìn)入。

1.2 爆炸可能來(lái)源

爆炸是一種急劇的物理或化學(xué)變化過(guò)程,是在限制狀態(tài)下系統(tǒng)潛能突然釋放并轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而對(duì)周?chē)橘|(zhì)發(fā)生作用的過(guò)程。爆炸伴隨著巨大的能量釋放,表現(xiàn)的破壞形式有多種,沖擊波是爆炸最直接、最主要的破壞力量。如果容器發(fā)生爆炸,一部分能量會(huì)驅(qū)動(dòng)容器破裂產(chǎn)生的碎片對(duì)外界目標(biāo)形成打擊作用,工業(yè)中的爆炸事故通常伴隨碎片打擊傷害[11]。

可燃性氣體爆炸是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域爆炸災(zāi)害的主要形式之一,自1857年英國(guó)發(fā)生城市煤氣管道爆炸以來(lái),許多學(xué)者就開(kāi)始了對(duì)氣體爆炸的研究工作[12]。近年來(lái),各種工業(yè)場(chǎng)所可燃性氣體火災(zāi)爆炸事故已屢見(jiàn)不鮮,嚴(yán)重威脅著天然氣儲(chǔ)運(yùn)、石油化工等行業(yè)安全生產(chǎn),給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)極大危害。

眾所周知,密閉空間爆炸的產(chǎn)生必須同時(shí)具備三個(gè)基本條件,即可燃物質(zhì)、可燃物質(zhì)與空氣(或O2)混合達(dá)到爆炸濃度、引起爆炸的引燃能量。從含硫氣田水罐的工作過(guò)程中可知,含硫氣田水罐上部氣相空間存在可燃?xì)怏w(主要為CH4和H2S),若轉(zhuǎn)水結(jié)束形成負(fù)壓可能將環(huán)境中的空氣倒吸入罐,形成爆炸性混合氣體。對(duì)于金屬罐體和管道,靜電火花可能形成點(diǎn)火源,腐蝕產(chǎn)物FeS遇到O2將產(chǎn)生自燃,另外,含硫氣田水罐放散管往往緊挨放空火炬,少數(shù)井站甚至同時(shí)將長(zhǎng)明火點(diǎn)燃,若產(chǎn)生回火,將導(dǎo)致含硫氣田水罐具備點(diǎn)火條件，存在爆炸的可能。如果通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)含硫氣田水罐內(nèi)閃蒸氣爆炸規(guī)律,預(yù)測(cè)整個(gè)爆炸過(guò)程,則可有效提出減災(zāi)防災(zāi)措施,最大程度減少由于爆炸所造成的損失。

2 爆炸過(guò)程計(jì)算方式探索

2.1 氣體爆炸原理

可燃物質(zhì)(可燃?xì)怏w、蒸氣和粉塵)與空氣(或O2)必須在一定的濃度范圍內(nèi)均勻混合,形成預(yù)混氣體,遇火源才會(huì)發(fā)生爆炸,這個(gè)濃度范圍稱(chēng)為爆炸極限或爆炸濃度極限。可燃性混合物能夠發(fā)生爆炸的最低濃度和最高濃度,分別稱(chēng)為爆炸下限和爆炸上限[13](或著火下限和著火上限),爆炸上下限的范圍越寬,爆炸的危險(xiǎn)性越大[14]?？扇?xì)怏w混合物在低于爆炸下限時(shí)不爆炸也不著火,高于爆炸上限不爆炸但會(huì)著火。這是由于前者的可燃物濃度不夠,過(guò)量空氣的冷卻作用,阻止了火焰蔓延;而后者則是空氣不足,導(dǎo)致火焰不能蔓延。當(dāng)可燃物的濃度大致相當(dāng)于反應(yīng)當(dāng)量濃度時(shí),具有最大的爆炸威力(即根據(jù)完全燃燒反應(yīng)方程式計(jì)算的濃度比例)。爆炸極限是在常溫、常壓等標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)定出來(lái)的,這一范圍隨著初始溫度、壓力、氧含量、惰性介質(zhì)、點(diǎn)火能、容器材質(zhì)及尺寸等條件的變化而有所變化[15-17]。

2.2 含硫氣田水罐可能的爆炸極限計(jì)算方式

含硫氣田水罐中氣相空間中主要含H2S、CH4和CO2,前兩者為可燃物質(zhì),其在空氣中的爆炸極限見(jiàn)表2[18]。CO2為惰性氣體,可知該體系為含惰性氣體的爆炸混合氣體。

表2 含硫氣田水罐內(nèi)可燃?xì)怏w在空氣中的爆炸極限表

Tab.2 Explosion limits of flammable gases of water tank in sour gas field

氣體空氣中的爆炸極限/(%)下限上限CH45.015.0H2S4.345.5

可燃?xì)怏w爆炸是工業(yè)中最常見(jiàn)的一種爆炸事故形式,根據(jù)爆炸氣體的組成情況,爆炸一般可劃分為兩大類(lèi):一類(lèi)是可燃單一氣體爆炸,另一類(lèi)是可燃混合氣體爆炸[19]。從含硫氣田水罐閃蒸氣的組成來(lái)看屬于含惰性氣體(CO2)的可燃混合氣體爆炸。

判斷可燃單一氣體的濃度是否處于爆炸極限范圍內(nèi)對(duì)照表1進(jìn)行檢查即可,若要計(jì)算可燃混合氣體,尤其是含惰性氣體的可燃混合氣體爆炸極限,則需要根據(jù)理·查特里公式及其修正公式進(jìn)行推導(dǎo),由于本體系屬于含惰性氣體(CO2)的可燃混合氣體,可根據(jù)以下步驟計(jì)算[20-21]。

1)不含惰性氣體的可燃?xì)怏w混合物爆炸極限：

(1)

式中:L為不含惰性氣體的可燃混合氣體爆炸極限(上限或下限)，%;φi為單一可燃?xì)怏w在不含惰性氣體燃?xì)庵兴嫉捏w積含量，%;Li為單一可燃?xì)怏w的爆炸極限(上限或下限)，%。

2)不含O2、含惰性氣體的可燃?xì)怏w混合物爆炸極限:

(2)

式中:LD為含惰性氣體的可燃混合氣體爆炸極限(上限或下限),%;φD為惰性氣體在混合燃?xì)庵兴嫉捏w積含量,%。

2.3 爆炸混合物的形成過(guò)程模擬

圖2 含硫氣田水罐工作過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of working process of water tank in sour gas field

含硫氣田水罐工作過(guò)程見(jiàn)圖2。轉(zhuǎn)水前由于罐內(nèi)處于最高液位,罐內(nèi)微正壓,頂部氣相空間內(nèi)全部是可燃?xì)怏w和惰性氣體的混合物。轉(zhuǎn)水時(shí),液位逐漸下降,氣相空間突增,罐內(nèi)壓力逐漸下降,空氣由放散管進(jìn)入并與原罐內(nèi)可燃?xì)怏w混合,轉(zhuǎn)水結(jié)束時(shí)液位降至最低,O2含量最大,當(dāng)再次有氣田水進(jìn)入罐內(nèi),罐內(nèi)重新閃蒸出可燃?xì)怏w,罐內(nèi)的混合氣體就會(huì)從呼吸管溢出,罐內(nèi)可燃?xì)怏w的含量將逐步增加。

因此,可以設(shè)定最高液位時(shí)的氣相空間為初始點(diǎn),體積V1,爆炸極限為L(zhǎng)D上和LD下,液位下降過(guò)程中進(jìn)入的空氣量等于轉(zhuǎn)出水量Qi,此時(shí)可燃?xì)怏w體積含量為φi(φi=100V1/(V1+Qi)),判斷若LD下≤φi≤LD上,說(shuō)明此工況形成的混合氣體具有爆炸風(fēng)險(xiǎn),否則則沒(méi)有。

3 案例分析

以三個(gè)生產(chǎn)站場(chǎng)A站、B站、C站為例,污水罐體積均為56.6 m3,最高轉(zhuǎn)水液位均為1 800 mm,根據(jù)初始?xì)赓|(zhì)按式(1)～(2)可以計(jì)算其爆炸上限和爆炸下限,站場(chǎng)基本情況見(jiàn)表3。

表3 站場(chǎng)基本情況表

Tab.3 Basic situation of Natural gas station

站場(chǎng)氣田水罐體積/m3轉(zhuǎn)水最高液位/mm最高液位對(duì)應(yīng)氣量/m3φH2S/(%)φCH4/(%)φCO2/(%)混合氣體爆炸下限/(%)混合氣體爆炸上限/(%)A站56.61 8009.921672.411.64.4918.89B站56.61 8009.921070.020.05.3019.66C站56.61 8009.922550.025.04.1724.20

通過(guò)前文建立的計(jì)算方法,可繪得A站、B站、C站轉(zhuǎn)水過(guò)程中不同液位下對(duì)應(yīng)閃蒸氣含量及與爆炸極限關(guān)系,見(jiàn)圖3～5。

圖3 A站轉(zhuǎn)水中含硫氣田水罐液位和閃蒸氣含量關(guān)系圖Fig.3 Relationship between water level and flash gas content in transferring of gas field water tank-station A

圖4 B站轉(zhuǎn)水中含硫氣田水罐液位和閃蒸氣含量關(guān)系圖Fig.4 Relationship between water level and flash gas content in transferring of gas field water tank-station B

圖5 C站轉(zhuǎn)水中含硫氣田水罐液位和閃蒸氣含量關(guān)系圖Fig.5 Relationship between water level and flash gas content in transferring of gas field water tank-station C

從圖3～5可知,A站轉(zhuǎn)水至130 mm以下,B站轉(zhuǎn)水至230 mm以下,C站轉(zhuǎn)水至645 mm以下時(shí),混合氣體含量處于爆炸極限范圍內(nèi)。若要避免形成爆炸極限范圍的爆炸混合物,應(yīng)控制轉(zhuǎn)水最低液位在極限液位(達(dá)到爆炸極限的最低液位)以上。

目前,大多數(shù)新建站場(chǎng)在呼吸管上均設(shè)有阻火器,防止火苗從呼吸管回火導(dǎo)致含硫氣田水罐發(fā)生爆炸,但阻火器若設(shè)置不合理或者失效卡堵可能導(dǎo)致緊急放空不暢,亦存在含硫氣田水罐超壓爆裂的風(fēng)險(xiǎn),若能結(jié)合爆炸極限的計(jì)算進(jìn)行預(yù)測(cè),根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果綜合考慮阻火器的設(shè)置,考慮改變工作模式,轉(zhuǎn)水時(shí)采用手動(dòng)分離器進(jìn)水的方式,或采用向含硫氣田水罐內(nèi)補(bǔ)氣的方式維持污水罐一定的微正壓,并控制轉(zhuǎn)水速度,緩慢轉(zhuǎn)水,以阻止空氣進(jìn)入。在沒(méi)有其他防范措施條件下,應(yīng)盡量限制轉(zhuǎn)水液位在最低轉(zhuǎn)水液位之上。

以含硫氣田水罐容積20 m3為例,含硫氣田水罐每次轉(zhuǎn)水13 m3,剩余緩沖5 m3空間,轉(zhuǎn)水前壓力0.2 MPa,轉(zhuǎn)水后避免壓力<0 MPa,若沒(méi)有進(jìn)水補(bǔ)充,轉(zhuǎn)水結(jié)束時(shí),氣相空間為18 m3,而轉(zhuǎn)水前壓力0.2 MPa,5 m3氣相空間最多釋放為15 m3常壓氣體,剩余3 m3氣相空間不能覆蓋,因此可能形成負(fù)壓,如果每次轉(zhuǎn)水10 m3,則不會(huì)形成負(fù)壓。反之同理,如果需要轉(zhuǎn)水13 m3,則需要轉(zhuǎn)水前壓力達(dá)到0.26 MPa。

此外,為了減少FeS自燃導(dǎo)致的爆炸事故,建議優(yōu)先考慮采用非金屬管道和設(shè)備,開(kāi)罐檢維修前進(jìn)行N2吹掃。此外,為防止靜電火花導(dǎo)致爆炸,需要做好設(shè)備的防靜電接地。

4 結(jié)論

當(dāng)前工作模式下含硫氣田水罐轉(zhuǎn)水過(guò)程中可能導(dǎo)致爆炸混合氣體形成,爆炸極限可根據(jù)含惰性氣體的混合可燃?xì)膺M(jìn)行計(jì)算。應(yīng)明確在液位下降過(guò)程中可燃?xì)怏w濃度是否會(huì)在爆炸極限范圍內(nèi),為降低爆炸風(fēng)險(xiǎn),優(yōu)先考慮改變工作方式,維持罐內(nèi)微正壓以防止空氣進(jìn)入,針對(duì)轉(zhuǎn)水存在爆炸風(fēng)險(xiǎn),建議在呼吸管上設(shè)置阻火器,做好防靜電接地,采用非金屬管道和設(shè)備,在開(kāi)罐檢維修前進(jìn)行N2吹掃等等。