天然氣凈化廠管道泄漏H2S毒害后果影響因素數值分析*

董 澈，陳國明，李新宏，劉 悅，姜盛玉，朱紅衛

(中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，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具有工業價值的含H2S氣田[1]。隨著含硫氣田的大規模開發與使用，H2S泄漏事故頻率逐漸增大，一旦事故發生有可能造成巨大人員傷亡和財產損失，如重慶開縣、河北趙縣、天津大港等地發生的事故[2]。

鑒于硫化氫泄漏事故風險突出，目前許多學者已開展相關研究。鄧海發等[3-6]采用CFD對地形、障礙物、擴散空間等因素影響下含硫氣管道泄漏毒害氣云的運移規律進行了探討，但未對硫化氫的毒害風險展開研究；Bagheri和章博等[7-8]分別采用事故場景發生概率與人員中毒死亡概率和毒害物質體積分數場相結合的方法研究含硫氣管道泄漏個人風險及區域危險等級劃分，卻未對不同因素對毒害后果的影響展開研究；朱淵[9]雖然對含硫氣泄漏毒害風險進行了影響因素分析，但所采用的ERCB H2S事故評價模型較為粗糙。

基于上述研究，為實現風速、風向、泄漏速度、泄漏方向(以下簡稱因素)對含硫氣管道泄漏毒害后果影響的定量分析，筆者將正交實驗設計方法與 CFD相結合，以某天然氣凈化廠為例，通過危險性分析收集典型場景，利用正交實驗設計法針對影響含硫氣泄漏毒害后果的因素設計正交實驗表，設定吸入劑量、毒害面積、最大毒害面積到達時間、毒害體積、最大毒害體積到達時間為毒害效應指標，采用數理分析方法定量確定影響因素對各指標敏感性，據此提出后果控制措施，可為天然氣凈化廠、集氣站、聯合站等場所氣體泄漏毒害后果影響因素分析及防控提供方法指導。

1 氣體泄漏擴散數值仿真模型

1.1 控制方程

泄漏擴散過程遵循質量守恒、動量守恒、能量守恒方程及組分輸運方程，質量、動量、能量守恒方程統一表示如下[10-11]：

(1)

式中：t為時間，s；ρ為密度，kg/m3；φ為通用變量；u為速度，m/s；Γ為擴散系數；S為源項。

組分輸運方程為：

(2)

(3)

式中：Yi為物質i的質量分數；vi是傳輸速度矢量，m/s；Fi是組分間發生化學反應時，反應產物i的速率，無反應發生時可以忽略，m/s；Si是因用戶定義而產生的物質i的速率，m/s；Ji是物質i的質量擴散通量。

1.2 物理及網格模型

以某天然氣凈化廠含硫氣管道為研究對象，物理模型建立如圖1所示，共6個立罐、3棟辦公及生活樓、1個放空火炬、1個大操作間、2個小操作間、2個配電房，模型長210 m、寬195 m、高100 m，泄漏孔為圓形，直徑200 mm、距地面0.5 m，泄漏孔中心坐標為(65, 118, 0.5)，采用非結構四面體網格劃分方法，對泄漏孔附近進行網格加密，并對建筑物及立罐壁面添加邊界層。為消除網格質量和數量對計算的影響，進行網格獨立性驗證，依據質量和數量2個指標控制泄漏方向不同時網格模型的差異[12]，網格模型參數對比如表1所示，各泄漏方向下網格質量大于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格數量差別較小。

圖1 網格模型Fig.1 Grid model

泄漏方向網格數量網格質量>0.6的占比/%Z軸正向567 64088.869Z偏X正向45°546 63492.546Z偏X負向45°546 84988.812

1.3 求解算法及過程

采用可實現的κ-ε模型對氣體擴散過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、動量、組分、能量采用二階迎風格式，湍動能以及湍流擴散率使用一階迎風格式[13]。計算過程分2步完成，第1步打開風速入口模擬計算域內穩定風場[14]；第2步，打開天然氣泄漏口設定泄漏條件。

2 正交實驗設計

依據事故場景分析，選取典型風速和風向，采用公式(4)計算氣體泄漏量[15]，甲烷和硫化氫質量分數分別為0.85和0.15，取標準速度的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為質量流速，kg/s；d為泄漏孔徑，d=0.02 m；γ為傳熱系數，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。

根據確定的因素及相應水平數，選擇L9(34正交表)，查閱表頭設計方案[16]制定實驗方案表，如表2所示。

表2 實驗方案Table 2 Test plans

3 毒害效應計算

3.1 吸入劑量

1)劑量計算公式[17]

(5)

式中：t0為泄漏開始時刻，t0=5 min；tend為擴散結束時刻，tend=10 min；c為毒害氣體濃度，ppm；n為與毒害氣體性質相關聯的常數，n=1.43；Δt為測量時間間隔，Δt=1 s;ci為Δt時間內的平均氣體濃度；k為擴散過程中的測量次數，k=300。

2)濃度計算

在凈化廠內有人活動的建筑物、廠房等周圍均勻設置監測點，監測點高度h取監測點平臺高度與人鼻子高度1.5 m之和[17]，監測點設置情況如圖2所示，共有監測點67個。將t時刻所有監測點危害氣體濃度取平均作為此場景下該時刻的濃度值。

O-GlcNAc修飾調節心血管功能的作用是復雜的。隨著深入研究發現，O-GlcNAc修飾對心血管蛋白的修飾是一個動態過程，對維持心肌細胞的正常功能至關重要。O-GlcNAc修飾從基因水平到蛋白質水平調節著細胞。新證據表明，蛋白質O-GlcNAc修飾也有助于調節自噬、表觀遺傳學以及線粒體生物合成[22,45-46]。在細胞核、細胞質以及線粒體中也存在不同的OGT和OGA亞細胞庫，它們可能對特定刺激做出不同的反應。

圖2 監測點布置示意Fig.2 Layout of monitoring points

3.2 最大面積及達到時間

由于人體口鼻高度大約在1.5 m，因此含硫氣泄漏擴散后，采用美國職業安全與健康局(OSHA)規定的硫化氫可接受上限濃度(ACC)30 mg/m3(20 ppm)，監測不同泄漏場景下1.5 m高平面上硫化氫毒害區域面積隨泄漏過程的變化情況，并記錄達到最大面積所需時間。

3.3 最大體積及達到時間

在凈化廠區域內，監測不同場景下可接受上限濃度的等值體體積隨時間的變化趨勢，記錄最大體積及其到達時間。

4 計算結果及分析

4.1 因素對吸入劑量的影響

吸入劑量隨時間的變化如圖3所示，由于場景3毒害氣云擴散后期在操作間附近不斷積聚，因此場景3吸入劑量增長曲線斜率較大，而場景2由于風速為X軸負向，泄漏速度較大且泄漏方向為Z軸正向，泄漏開始后毒害氣體迅速爬升，然后向下風向擴散，毒害氣體未曾到達建筑物附近的監測點，因此吸入劑量為0，其余場景下吸入劑量同時間基本成正比關系。

圖3 各場景吸入劑量與時間變化關系Fig.3 Relationship between inhaled dose and time in each scene

各因素對吸入劑量影響分析見表3。R為因子不同水平之間主效應的極差，反映了因子的水平變化對吸入劑量的影響，即因子的重要程度。由表3可知，風向是影響吸入劑量的最重要因素，這是由于風向決定毒害氣體擴散方向和影響區域位置，尤其當風向為X軸負向時，毒害氣體往凈化廠外擴散，設在凈化廠建筑物周圍的監測點濃度較低，甚至無毒害氣體出現；其次，風速是影響吸入劑量的重要因素，風速主要對毒害氣體高濃度區存留時間產生影響，風速越小毒害氣體高濃度區存留時間越長，監測點吸入劑量越高。因子水平順序依次為：風向>風速>泄漏方向>泄漏速度，使吸入劑量達到最大的因素組合為：A3B1C3D2。

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

4.2 因素對最大面積的影響

表4為各因素對最大面積影響的分析表。由表4可知，各場景泄漏后1.5 m高平面上毒害區域最大面積均較低，這是由于毒害氣體在較大初始動量作用下，迅速向計算域上部噴射并在高空集聚，到達1.5 m平面時未能充分擴散，而高空中集聚的毒害氣體在重力作用下向下擴散到達1.5 m平面所需時間較長，因此在統計時間內1.5 m高平面毒害區域面積較??；其次，由于凈化廠建筑結構及廠區布置形式復雜，不同風向造成風場差異較大，形成的湍流以及旋渦的大小和位置差異明顯，因此風向對泄漏面積影響最大；此外，由于氣體泄漏后到達統計平面所需時間極短，所以泄漏速度、泄漏方向、風向對危害區域面積的影響沒有明顯差異。因素主次順序為：風向>泄漏速度>風速>泄漏方向，導致毒害區域面積最大的因素組合為：A2B2C1D1

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

。

4.3 因素對最大面積到達時間的影響

表5 因素對最大面積到達時間影響分析Table 5 Analysis of factors affecting the arrival time of maximum area

4.4 因素對最大體積的影響

不同因素對最大體積影響分析如表6所示，由表6可知，風速對氣云體積的影響最大，且統計氣云體積隨風速增高而減小，這是由于風速較高時毒害氣云擴散較快，但隨著總體積的增大高濃度危害區體積逐漸減??；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：風速>泄漏速度>泄漏方向>風向；使毒害區域面積達到最大的組合是：A1B3C3D3。

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

4.5 因素對最大體積到達時間的影響

因素對最大體積到達時間影響分析如表7所示。由表7可見，盡管泄漏初期毒害氣體擴散主要受初始動能影響，但隨著氣云繼續擴散，風向對氣云形態及運移軌跡影響較大，且擴散后期氣云運移速度主要受風速影響，因此最大體積到達時間對風向和風速較為敏感，因子水平主次順序為：風向>風速>泄漏方向>泄漏速度；使最大體積到達時間最短的組合為：A3B1C1D1。

表7 因素對最大體積到達時間影響分析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，首先對該天然氣凈化廠提出針對性后果控制措施，其次為燃氣終端設施、聯合站、化工園區等具有毒害氣體泄漏風險的場所提出一般性建議：

1)廠區規劃建設：該天然氣凈化廠在建設時應當使X軸負向與全年最大頻率風向保持一致，并選取通風良好位置作為廠址，將人員密集設施修建在上風向，并控制上風向建筑物高度，防止建筑高度過高影響氣體擴散造成毒害氣體集聚；廠區布置規劃過程中，應對設計方案進行預先危險性分析，結合當地自然因素辨識泄漏場景，采用文中方法實施影響因素分析，依據分析結果調整建設方案，避免風向、風速和建設布局惡化泄漏后果。

2)泄漏監測：由于泄漏后氣云迅速向高空集聚，因此探測器布置過程中應注意在高空的排布；毒害氣體探測器布置方案應結合不同泄漏場景中氣云運移軌跡設計。

3)應急預案編制：依據該天然氣凈化廠各泄漏場景毒害劑量的變化趨勢，應使應急撤離時間盡量減小，考慮到1.5 m高平面毒害區域面積較小且主要集中在泄漏口附近，選擇撤離路線時應充分利用廠內空間；應急預案編制應考慮不同泄漏場景毒害氣體擴散特點，應急撤離集合地點、疏散路線應避開毒害氣體集聚地點，撤離時機、路線的選擇應結合監測點毒氣濃度、毒害氣云面積、體積的變化情況。

6 結論

1)將正交實驗設計方法與CFD相結合，采用吸入劑量、毒害面積、最大毒害面積到達時間、毒害體積、最大毒害體積到達時間作為后果指標，可對毒害后果影響因素進行定量敏感性分析，為天然氣凈化廠、集氣站、聯合站、化工園區等場所的氣體泄漏毒害后果影響因素分析及控制提供指導。

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

3)該天然氣凈化廠建設時應使X軸負向與全年最大頻率風向一致，選址應在通風性能良好地帶，辦公住宅樓高度應適當降低防止對廠區通風性能產生負面影響，同時應建立有效的安全監控和維修制度，防止發生管道大孔徑泄漏事故。