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，陳國鑫，張日鵬，王正

（中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266071）

針對石化廠區硫磺回收裝置酸性氣泄漏事故進行了模擬分析，選用CFD軟件FLACS，模擬了不同因素對酸性氣泄漏事故后果的影響。結果表明：泄漏方向對擴散影響最為顯著，與泄漏方向垂直向上相比，泄漏方向水平于地面的擴散濃度明顯增高，事故后果更加嚴重，且氣云核心更加接近泄漏源；風速越快，擴散速度越快，其與風速成近似比例關系；泄漏高度越高，硫化氫氣云在地表沉積的區域越遠，這對氣體檢測儀的布置有所影響；泄漏孔徑主要影響擴散濃度，其與泄漏孔面積成近似比例關系。該結果對情景構建工作中最壞事故場景的確定以及企業的事故應急疏散具有一定的指導意義。

FLACS； 酸性氣； 泄漏； 擴散模擬

近年來，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程中扮演著越來越重要的角色，而硫化氫（H2S）作為硫磺回收裝置中主要的有毒氣體，其存在的安全風險不容忽視。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90%以上，一旦發生泄漏事故，后果嚴重，對廠區員工的生命安全以及周圍環境都會產生惡劣影響，所以對硫磺回收裝置硫化氫泄漏事故進行模擬分析，研究不同事故因素對事故后果的影響，對指導突發事故的應急救援工作有著重大意義[1]。

目前，國內外學者基于CFD原理，利用不同的軟件和模型，對工業場所有毒氣體的泄漏進行了研究。章博等[2]利用Fluent軟件建立3D模型，模擬了硫化氫在不同風速下的泄漏擴散規律，并建立二維模型評估了對3 km范圍內周圍居民的影響[3]；高少華等[4]利用PHAST軟件，分析了風速、孔徑及氣象條件對硫化氫擴散的影響；孟凡偉等[5]采用SEVEX風險預測模型分析了硫化氫泄漏風險影響區域。在以上研究中，主要考慮了風速、孔徑、泄漏位置、大氣穩定度和泄漏壓力等因素，但沒有研究泄漏源噴射方向對擴散的影響。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技術開發的軟件包，用于模擬復雜建筑和生產區域的通風、有毒氣體擴散、蒸汽云爆炸和沖擊波，同時對模擬結果進行細致展現，量化和管理建筑和生產區域發生有毒氣體泄漏、爆炸、火災的事故風險。FLACS具有氣體擴散、爆炸、火災及通風等多個子模塊，針對化工裝置泄漏的氣體擴散模塊，其功能異常發達。

FLACS是一個用有限體積法在三維笛卡爾網格下求解N-S方程的CFD軟件，針對氣體擴散模塊使用標準的-ε湍流模型，并進行了一系列重要的修正。采用分布式多孔結構的思想(distributed porosity concept)表現幾何形狀是FLACS相比其他CFD工具的重要優勢之一，其程序能夠研究復雜結構的通風情況，定義泄漏源的種類，氣體泄漏到復雜結構的擴散過程，和點燃這樣一個真實云團，在更真實場景下研究爆炸的過程。因此，這個特點使FLACS可以研究風向、風速、泄漏孔徑等因素對泄漏擴散的影響。

該程序分為三個部分：第一部分為CASD,即場景定義，通過該模塊可以完成導入計算模型、劃分區域網格、輸入參數以及泄漏場景的構建。第二部分為FLACS，即核心求解器，該求解器運用Navier-Stokes方程求解，在本文中湍流模型選擇標準-ε模型。第三部分成為FLOWVIS，即結果展示模塊，可以以2D和3D的形式展示計算結果，并具有繪圖功能[6]。FLACS作為一款新型的事故后果模擬軟件，在氣體擴散[7-9]，火災[10]和爆炸[11]模擬領域得到了實驗數據的證實和廣泛的應用。

2 物理模型

2.1 擴散基本方程

硫化氫比重大于空氣，其在大氣中的擴散運動主要通過大氣湍流實現的，在低層大氣層，風速遠小于音速，故硫化氫分子在空氣中的運動可以看作不可壓縮流體運動，可以用Navier-Stokes方程進行描述。如下公式：

（1）質量守恒方程

（2）動量守恒方程

（3）能量守恒方程

式中：——混合氣體密度；

u——,,三個坐標軸方向的速度；

——擴散時間；

——絕對壓力；

——擴散過程焓變化；

——有效導熱系數；

g——重力加速度。

2.2 湍流模型選擇

在應用計算流體力學解決擴散問題過程中，需要使用湍流模型對NS方程進行收斂封閉。標準-ε模型適合完全湍流的流動過程模擬，此模型中流體的湍流粘度與湍流動能和湍流耗散率有如下關系：

式中：c——經驗常數。

標準-ε模型方程如下式所示：

方程：

ε方程：

其中：——動能項；

G——由平均速度梯度引起的湍流動能產生項，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能產生項，N/s；

Y——可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響，m/s；

——溫度，K；

ε——耗散項；

σ——與湍流動能對應的特朗普常數；

σε——與湍流動能耗散率對應的特朗普常數；

1ε、2ε、3ε——經驗常數，分別取1ε=1.44、2ε=1.92、3ε=0.09；

μ——湍流粘度，Pa·s，表達式為：μ=μρ2/ε。

3 模擬場景及邊界條件

選定某石化企業220 kt/a硫磺回收裝置為研究對象，事故場景為溶劑酸性氣分液灌頂部發生腐蝕泄漏，風向沿軸正方向。由該裝置技術規程得到該分液罐高4 m，直徑2.4 m，壁厚0.16 m。罐內介質酸性氣組分為93.38% H2S、3.49% CO2、3.09% N2、0.02%烴類。罐內溫度為40 ℃，壓力為0.6 MPa。

模擬選用3D模型，計算區域為軸方向：0~200 m，軸方向：0~1 500 m，軸方向：0~20 m，泄漏點位置為(100,0,4)。在每個坐標軸方向上，對泄漏口周圍進行網格加密，在遠距離選擇較大尺寸網格，然后進行“Smooth”操作，使網格從小到大自然過渡，最終得到總共為85 850個網格。具體場景軸向網格分布如下圖所示，由于場景軸向距離過大，取前200 m網格分布進行展示：

圖1 模擬場景網格分布（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”，依次規定、軸上下邊界。設定XLO、XHI、YHI、ZLO、ZHI邊界為“NOZZLE”即風流出口條件，YLO邊界為“WIND”即速度和質量入口條件。廠區所在地區各大氣穩定度ABCDEF年頻率百分數分別為0.33%、6.87%、8.22%、47.26%、14.76%、17.69%[12]，故選取大氣穩定度為“D”級, 取風速為2 m/s，方向沿軸正方向，泄漏時間10 min。由于本文主要研究硫化氫的泄漏擴散規律，不考慮復雜地形及障礙物對擴散的影響，地標粗糙度選取“RURAL”，泄漏高度4 m。

4 模擬條件

基于上文討論，模擬8個條件下的硫化氫泄漏場景，分析泄漏方向、泄漏高度、泄漏孔徑和風速對硫化氫擴散的影響，每個模擬場景條件如下表所示。

表1 模擬參數表

5 模擬結果分析

5.1 泄漏方向

選取1號、2號場景模擬結果，對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比圖

表2 不同泄漏方向硫化氫擴散數據表

由圖2和表2可得，泄漏方向對硫化氫泄漏擴散影響很大。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，會出現死亡風險，且水平泄漏氣云核心出現在緊靠泄漏點的400 m以內的位置，而垂直泄漏主要影響500 m以外較遠的距離。在橫向擴散距離方面，在距離泄漏點300 m、600 m、900 m處，垂直泄漏分別為17 m、30 m、38 m，遠大于水平泄漏的8 m、12 m、13 m，說明垂直泄漏的擴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散。在水平泄漏場景下，硫化氫氣體水平于地面噴出，在獲得軸向速度的同時直接開始向地面沉降，由于沒有向上進入大氣，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，擴散速度降低，故水平泄漏硫化氫主要沉積在泄漏點較近的區域，且橫向擴散不多。

5.2 風速

取1號、7號、8號場景模擬結果進行分析，考慮到模擬場景構建的限制，取泄漏時間為5 min，得到以下結果：

圖3 不通風速模擬對比圖

表3 不同風速硫化氫泄漏擴散數據表

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

由數據可知：首先，風速決定著硫化氫擴散的主體速度，風速越大，單位時間內硫化氫擴散的距離越遠，氣云的快速運動增大了其影響的區域；其次，風速增大加大了空氣對硫化氫氣云的湍流作用，組分間的傳質隨之增強，使其在地面沉降的濃度降低；第三，較大的風力賦予硫化氫氣云在軸向上更大的動能，而其受重力影響的沉降作用表現得較小，整體表現為沿軸向運動，硫化氫氣云在較遠的位置沉降，導致在近距離垂直軸向上的擴散距離減小較為明顯，隨著擴散的持續，在遠距離上硫化氫濃度與橫向擴散距離都趨于近似。

5.3 泄漏高度

選取1號、3號、4號場景的模擬結果，研究的時間點選取為100 s ，進行對比分析如下：

圖4 不同泄漏高度模擬對比XY

圖5 不同泄漏高度模擬對比YZ圖

表4 不同泄漏高度硫化氫泄漏擴散數據表

由圖4與表4可看出，泄漏高度主要影響硫化氫擴散的落地距離，即擴散范圍上邊界，當泄漏高度分別為2 m、4 m、8 m時，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，而擴散距離分別為480 m、481 m和486 m，較為近似。其主要原因為泄漏高度主要影響硫化氫氣體受重力作用由空中沉降到地表的時間，釋放源高度越高，同樣風速下，落地所需時間越長，落地距離越遠，

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水平方向上濃度相近，但由于在大氣中擴散時間有別，受到大氣湍流對氣云的稀釋作用不同，落地時間越長，收到的稀釋作用越強，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數據可知，泄漏高度越高，地表的最大濃度越小。

5.4 泄漏孔徑

通過對近年來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，即源強大小。酸性氣分液灌內壓力為0.6 MPa，在泄漏過程中滿足(7)式，泄漏呈聲速流動，流動狀態為臨界流。其泄漏量可以通過公式(8)計算：

式中：—酸性氣分液灌內的壓力，Pa；

0—大氣壓力，Pa；

γ—氣體絕熱系數，對于硫化氫氣體取1.3；

C—氣體泄漏系數，圓孔泄漏，取1.0；

0—泄漏量，kg/s；

—泄漏口面積，m2；

—氣體常數，J/(mol·K)；

—摩爾質量，kg；

—泄漏源溫度，K。

由式(8)可看出，當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。代入數據算出3 cm、5 cm、10 cm泄漏口徑所對應的泄漏源強分別為0.102 5 kg/s、0.284 8 kg/s、1.138 9 kg/s。得到以下模擬結果：

圖6 不同泄漏孔徑模擬結果圖

表5 不同泄漏孔徑硫化氫泄漏擴散數據表

由圖6和表5分析可看出，泄漏孔徑的增大對泄漏云團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。泄漏孔徑的增大對泄漏云團的濃度分布影響很小，擴散距離及最大濃度距離隨著泄漏量的上升向下風向略微移動，最大濃度范圍略微增大。垂直風向的擴散距離在距離泄漏點300 m、600 m、900 m處均幾乎不隨泄漏孔徑的變化而變化，即擴散范圍基本不變。

由數據可知，泄漏孔徑的增大大幅增加了硫化氫云團的濃度，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，并不改變大氣風力對泄漏云團的湍流和運輸作用，故泄漏量的增大對硫化氫擴散的影響范圍影響較小。

6 結束語

本文利用FLACS軟件，首次模擬了不同泄漏方向對硫化氫泄漏擴散的影響，同時也分析了泄漏高度、泄漏孔徑和風速等條件對硫化氫泄漏擴散的影響，討論了不同條件對硫磺回收裝置硫化氫泄漏事故后果的影響，對化工企業的應急救援演練以及情景構建中最壞事故場景的確定具有一定的指導意義。具體結論如下：

（1）泄漏方向對硫化氫擴散影響非常顯著，在同樣孔徑下，僅因泄漏方向不同，擴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遠距離區域的影響，否則應設定水平泄漏方向為事故場景。

（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，廠區內應根據泄漏高危點的位置來布置硫化氫檢測器。

（3）泄漏孔徑主要影響擴散濃度，直接決定了泄漏事故的危害程度，故在最壞事故場景構建中，應盡可能大地設定泄漏孔徑。

（4）風速主要影響硫化氫泄漏事故的傳播速度和范圍，當事故廠區周圍存在居民區或公路時，應考慮較大風速，以便開展應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年畢業于中國石油大學（華東），研究方向：化工安全工程。

王正（1977-），男，高級工程師，博士，研究方向：化工安全工程。

國家科技部重點研發計劃專項“易燃易爆危險化學品災害事故應急處置技術裝備研發與應用示范”，項目號：2016YFC0801300。

X 937

A

1004-0935（2017）12-1235-06