油田場站硫化氫泄漏擴散事故危害區域劃分

王安鵬 劉洋 王偉斌

摘要：對油田高含硫場站調研取得數據，基于CFD理論計算不同風速影響下的硫化氫泄漏擴散范圍、濃度，分析研究硫化氫泄漏事故災變過程，并根據濃度閾值進行了危害區域的劃分。對某場站硫化氫泄漏進行了事故模擬研究，得到了不同時刻危害區域劃分情況，繪制了各級危害區域下風向、側風向最遠距離隨時間的變化曲線，分析了危害區域增長變化情況。

關鍵詞：硫化氫;CFD;氣體擴散

1 引言

硫化氫（H₂S）是僅次于氰化物，易致人死亡的有毒氣體，可能存在于油田生產過程中鉆井、井下、采油氣、注水、集輸等各工藝流程，不僅嚴重威脅著員工的生命安全，也會造成嚴重的設備破壞和環境污染^[1]。

本研究以勝利河口采油廠高含硫化氫的聯合站和單井為研究對象，確定硫化氫泄漏事故典型場景，結合河口區當地自然、社會環境參數，應用FLACS軟件對硫化氫泄漏擴散范圍和濃度進行數值模擬，得到了不同時刻危害區域劃分情況。通過本研究，將會為安全管理部門的硫化氫防護制度修訂和風險分級管理提供參考依據，為含硫油氣場站風險評估、安全防護、應急救援提供支持，促進油田安全生產。

2 涉硫化氫場站和自然社會環境概況

2.1 場站概況

某聯合站位于東營市河口區，距離河口區直線距離約8km，南側有化工廠，東側零星分布民房，距離海邊約26km，受海洋氣候影響較大。河口采油廠某聯合站相關設備設施以及選取的某高含硫單井情況如下表：

表2.1-2 河口采油廠某聯合站含硫設備情況一覽表

2.2 自然環境概況

以平均風速和D等級大氣穩定度分析硫化氫泄漏后最可能遇到的天氣條件。同時為保守預測硫化氫泄漏擴散后的危害情況，以1.5m/s低風速和F等級大氣穩定度開展硫化氫泄漏擴散分析。

2.3 硫化氫泄漏數值模擬

1）泄漏源模型

⑴ 天然氣處理裝置/脫硫裝置

站內入口管線發生泄漏，泄漏孔徑為小泄漏5mm，中泄漏25mm，大泄漏管線破裂^[2]。對小、中孔泄漏，依據氣體泄漏速率公式計算，其基本形式為：

??（1）

式中，C₀，流量系數;A泄漏面積，m²;P0，壓力，Pa;k，氣體熱容比;M，氣體摩爾質量，kg/mol;R，理想氣體常數，kg/mol/K;T₀，溫度;K，對大孔泄漏，認為泄漏速率為裝置的處理量^[5]。

⑵ 泵房

泵房內法蘭發生泄漏，計算公式為：

??（2）

式中：h，墊片與法蘭的間隙cm;△P，管道內外壓差，Mpa;r₂/r₁，墊片內外半徑比;η，動力粘度Pas;ρ，介質密度，kg/m³。

泵房內管線發生泄漏，以泵輸量預測泄漏速率。

⑶ 儲罐呼吸口

參考公式（1）計算泄漏速率。

2.4 結果分析和危害區域劃分

數值模擬采用Gexcon公司-FLACS軟件。計算模擬過程包括兩個階段，第一階段對計算區域的環境場開展模擬，以獲得在不同風場環境下的大氣流動情況，其將對硫化氫的擴散起到積極的影響作用;第二階段將泄漏的硫化氫耦合入已經完成的風場環境中，實現風場運動作用下的硫化氫擴散過程的分析，最終確定硫化氫在特定環境條件下的分布情況，進而支持根據硫化氫對人員的傷害作用，確定含硫設施設備發生泄漏后擴散硫化氫的危害區域。

（1）天然氣分離器管線泄漏

由于硫化氫含量高，某聯合站天然氣處理裝置發生泄漏后，在設備周邊將會形成立即威脅生命和健康濃度范圍，其最大影響距離為東南風、西北風、南風、北風低風速下的7m，其最小影響范圍也可達到設備周邊2.5m，可對人員造成急性傷害影響并致死。

危險臨界濃度的影響范圍，最大出現在西北風低風速條件下的22m，最小影響范圍為5m，由于可對人員造成嚴重傷害，且最大距離較大，設備周邊應該加強防范和警示。

雖然達到公眾應急通知濃度的距離都小于50m，最大為北風低風速時的35.5m，但是該設備位置非?？拷鼑鷫?，其外側為公路，不排除事故狀態下影響到外部的可能性，如果發生事故需要對外部可能存在的公眾傷害和告知有所準備。

安全臨界濃度可造成的最大影響距離為北風低風速下的39m，此范圍覆蓋面很大，員工在日常工作中需要防范可能的硫化氫泄漏毒害。

（2）泵房泄漏

① 管線泄漏

在室內會形成立即威脅生命和健康濃度范圍，以及危險臨界濃度范圍，如果有人員靠近設備泄漏源且沒有正確防護，可能造成嚴重的人員傷害甚至死亡。由于室內空間封閉、有限，計算顯示泄漏硫化氫擴散迅速，波及面覆蓋整個泵房。

② 法蘭泄漏

即便法蘭泄漏量較小，仍然在室內形成立即威脅生命和健康濃度范圍，以及危險臨界濃度范圍，如果有人員靠近設備泄漏源且沒有正確防護，可能造成嚴重的人員傷害甚至死亡。由于室內空間封閉、有限，計算顯示泄漏硫化氫擴散迅速，波及面覆蓋整個泵房。

（3）儲罐呼吸口排放

儲罐呼吸口位于拱頂罐的頂端，距離地面位置高，周邊空闊，非常有利于硫化氫的擴散，各個風向下的計算結果相同，根據計算情況，不會造成立即威脅生命和健康濃度和危險臨界濃度范圍。

如果發現硫化氫泄漏，會在泄漏口周邊1.7m范圍內超過安全臨界濃度，同時閾限值濃度最大在4.8m之外，鑒于罐頂空間有限，硫化氫急劇刺激性，容易造成人員恐慌，罐頂作業仍然存在一定的硫化氫傷害隱患，需要引起關注。

（4）危害區域劃分

根據SY 6137-2012《含硫化氫的油氣生產和天然氣處理裝置作業的推薦作法》確定硫化氫擴散后的危害影響區域，劃分為：

（1）受影響區：小于10ppm;

（2）輕度危害區：10ppm～20ppm

（3）中度危害區：20ppm～50ppm

（4）重度危害區：大于100ppm。

發生硫化氫泄漏或中毒事故時，現場作業人員應停止作業并撤離，啟動應急預案。事故搶險救援人員應佩戴正壓式空氣呼吸器。急救人員對中毒人員進行施救時，應穿戴好防護用品，將中毒人員脫離現場并移至空氣新鮮的上風方向，立即給氧。對呼吸、心跳驟停者應立即進行搶救，禁止口對口人工呼吸，并轉送醫院。事故現場應劃出危險區域，設立警示標識和警戒線，無關人員和車輛不得進入。

3 結論

本文利用FLACS軟件，實現了對不同時刻空間濃度場的模擬計算。對流硫化氫泄漏危害區域進行劃分時，選取適當的危害濃度閾值，將危害區域劃分為受影響區、輕度危害區、中度危害區、重度危害區等四級危害區域，并對各危害區的情況進行了說明。對河口采油廠某聯合站內設備設施進行了模擬，研究結果表明發生泄漏事故后，硫化氫擴散將在10min時達到穩定，受影響區域下風向、側風向最遠距離能達到22m。若事故發生，應對不同危害區域采取相應的應急對策，減少事故損失與人員傷亡。

參考文獻

[1]孫少光.油田企業生產過程硫化氫危害及預防[J].安全、健康和環境，2005，（6）.

[2]張永成，王洪輝，李應祥，等.青海油田三廠硫化氫形成機理及腐蝕性研究[J].西南石油大學學報（自然科學版），2011，（1）.