酸氣回注過程泄漏擴散危險區域模擬及應急預案研究

陸詩建

(中石化節能環保工程科技有限公司，山東 東營 257026)

酸氣回注是指將從石油天然氣工業或其他大型排放源中捕集的酸氣(主要為 CO2和H2S)通過井口增壓注入到非作業或者非經濟地層中(如枯竭油氣藏)封存。在管道輸送階段，酸氣未充分脫水，導致管道被腐蝕，易發生泄漏。泄漏的H2S作為一種劇毒且易燃的酸性氣體，極其輕微的泄漏即可致人中毒甚至死亡，濃度達到爆炸極限易造成爆炸事故。PHAST由DNV挪威船級社獨立開發,是一款專門用于石油石化和天然氣領域的危險分析和計算軟件。PHAST軟件被廣泛應在事故后果的研究領域[1]，張林等人運用Phast軟件研究泄漏孔徑、風速、泄漏時間和大氣穩定度

對海上平臺天然氣泄漏擴散面積的影響[2]。(2018)趙昆淇對液化天然氣儲蓄站的泄漏擴散和火災爆炸情況進行定量的計算和定性影響的分析，提出了風險防范準備措施[3]。(2015)蔣立軍等分別對西氣東輸某站天然氣擴散和火災爆炸影響進行了定量計算和影響分析，并得出此站場的個人風險圖表提出了風險防范依據，為提高天然氣輸氣站場安全管理水平，降低事故風險提供依據，為輸氣站的安全設計提供指導[4]。(2012)勞敏用PHAST 軟件分別對擴散和火災爆炸進行了事故后果影響分析，提出風險防范措施，為提高CNG 加氣站安全管理水平，降低事故風險提供依據[5]。(2016)王坤利用PHAST 軟件對某大型LNG 儲罐建立事故模擬模型，進行泄漏事故模擬分析，定量計算了LNG 儲罐發生泄漏后的擴散、閃火、爆炸、池火影響范圍,比較分析了不同風速條件下的事故影響能力[6]。

由上述總結可以看出Phast軟件廣泛應用在天然氣泄漏方面的研究，LNG爆炸熱輻射研究以及相關毒性氣體泄漏擴散模型的驗證，但是國內外對酸氣回注過程中酸氣的泄漏擴散研究較少。酸氣回注主要包括酸氣增壓、脫水、管道輸送、井口注入四個部分，其中在管道輸送階段，由于脫水不完全，管道易被酸腐蝕，很有可能導致酸氣的泄漏擴散[7]。而酸氣泄漏最常見的就是孔洞泄漏擴散，因此研究輸送管道中酸氣的孔洞泄漏擴散危險區域，對預防事故發生，減小事故損失，保證酸氣回注過程的安全具有重要意義。

本文應用Phast軟件研究不同泄漏孔徑、風速、泄漏時間和大氣穩定度對酸氣泄漏擴散面積的影響，再根據模擬結果分析，制定相關的應急預案。

1 PHAST軟件簡介

PHAST(Process Hazard Analysis Software Tool)軟件是定量地計算后果的軟件，由DNV(挪威船級社)公司在多年積累的安全管理技術評價領域工程經驗的基礎上，獨立開發的一款專門用于石油石化和天然氣領域危險分析和安全計算的軟件。可以通過計算得到各種類型風險的排序。PHAST 在考慮各種事故后果模型、事件樹、人口分布、點火源信息、氣象信息、事故概率后進行以下各方面的后果評估：①物料最大泄漏速率；②不同氣象條件下，氣體、液體及氣液兩相流的大氣擴散；③氣體凝結成液滴；④液池的形成、擴展和蒸發；⑤模擬各種氣象條件；⑥計算火災后果(包括噴射火、池火、閃火和沸騰液體擴展為蒸汽爆炸)；⑦計算爆炸后果(受限和不受限、TNT、TNO、BLEVE)；⑧毒氣泄漏后果(致死概率、應急響應計劃指南濃度(ERPG), 立即威脅生命或健康的濃度(IDLH))；⑨以圖形的方式在地圖上動態顯示計算結果；⑩以文字的方式對結果簡單的分析等。生成的評估報告可以廣泛應用于：①模擬計算事故后果；②廠區選址、廠區設計和平面布置；③為有針對性地采取相應的安全措施提供參考；④制定應急救援計劃；⑤保證與法律法規的相符性；⑥提高安全意識；⑦進行定量風險分析(QRA)。

2 酸氣泄漏事故模擬

2.1 危險性分析

高壓下的液化酸氣泄漏后立即氣化，形成大范圍氣體擴散。酸氣中主要氣體成分為H2S，塔河油田，酸氣回注管道中輸送的酸氣成分，主要是CO2(20%)和H2S(70%)。H2S的物性參數：其水溶液為氫硫酸。分子量為34.08，蒸汽壓為2026.5kPa/25.5℃，閃點為<-50℃，熔點是-85.5℃，沸點是-60.4℃，相對密度為(空氣=1)1.19。微溶于水，形成弱酸，稱為"氫硫酸"。燃點為292℃。硫化氫為易燃危化品，與空氣或氧氣以適當的比例(4.3%～46%)混合就會爆炸。

酸氣回注過程中都是高壓液相輸送，管道發生泄漏后，液化硫化氫氣化擴散，在空氣中易形成爆炸性混合物，遇明火發生火災或爆炸危害。H2S氣體具有劇毒性，吸入極小量便會中毒死亡。不同風速、泄漏孔徑、泄漏時間以及大氣穩定程度對H2S泄漏擴散范圍有著不同的影響。

2.2 模擬參數

酸氣回注規模：1000Nm3/h；

酸氣回注增壓站出口壓力：8MPa；

增壓站出口溫度：25℃；

大氣相對濕度：0.82；

當地風速設為：靜風1m/s,全年平均風速2m/s和季風風速4m/s.大氣穩定度設為：B(不穩定)、D(穩定)和F(非常穩定)；

泄漏孔直徑設為：小孔(5mm)、中孔(30mm)、大孔(100mm)；

泄漏時間設定為：1min、5min、15min；

擴散高度：距離地面1.5m；

擴散濃度：考慮到毒性傷害，硫化氫閾限質量濃度15mg/m3、安全臨界質量濃度為30mg/m3和危險質量濃度為150mg/m3。本文中H2S監測質量濃度為150mg/m3。

2.3 結果與分析

2.3.1 風速大小對擴散面積的影響

圖為在大氣穩定度、泄漏孔徑和泄漏時間都相同的情況下，泄漏氣體擴散面積與風速的關系如圖1。

圖1 風速對擴散面積影響

從圖1可以看出，風速對泄漏氣體的擴散有顯著的影響。隨著風速的增加，泄漏的擴散面積也隨之增大。當風速有1m/s提升到4m/s，擴散面積明顯變大了。

2.3.2 泄漏孔徑對擴散面積的影響

圖2為在泄漏時間、大氣穩定度和風速都相同的情況下，泄漏氣體擴散面積與孔徑的關系。

圖2 擴散面積和孔徑關系

從圖2可以看出，孔徑從5mm增加至100mm，擴散面積的變化相當大，孔徑對泄漏擴散的影響很顯著。

2.3.3 大氣穩定度對擴散面積的影響

圖3為分別在不穩定(B)、穩定(D)和非常穩定(F)三個不同大氣穩定度下，泄漏氣體擴散面積的變化情況。

圖3 擴散面積和大氣穩定度關系

大氣穩定度是影響氣體在大氣中擴散的重要因素之一，它是評價空氣層垂直對流程度的指標。從圖中可以看出氣體的擴散在大氣越穩定的情況下擴散距離越遠，擴散面積越大。

3 酸氣泄漏應急預案研究

3.1 應急預案的制定

應急區主要包含以下兩種：①危險區，根據硫化氫放空量及附近人口等因素來確定危險區范圍；②應急方案區，人可以居住在此區域，但是要對居民進行風險教育，一旦遇到緊急情況必須立即疏散。

應急預案的響應包括：①當硫化氫氣體的濃度達到閾限值10 ppm 時，應立即安排專人觀測風向，風速，確定受害的危險區域，切斷危險區內的不防爆電器，安排專人到危險區檢查泄漏點；②當硫化氫氣體的濃度達到20ppm時，應立即向上級第一負責人報告，派專人在主要下風口100m以外監測硫化氫，啟動井控應急程序來控制硫化氫的泄漏，撤離現場非應急人員，通知救援機構；③當井噴失控，井口下風處100m以外硫化氫氣體的濃度達到50 ppm 時，向當地政府報告，協助疏散距井口500m范圍內的居民，關停生產設施，設立警戒區，請求援助；④當井噴失控，井場硫化氫氣體的濃度達到100ppm時，現場作業人員按照應急預案程序立即撤離，按照應急通訊表通知相關機構和負責人，向國家安全生產主管部門上報，在采取措施控制消除事故后，繼續監測危險區大氣中硫化氫和二氧化硫氣體的濃度，以確定何時能夠安全進入。

3.2 事故應急

急救人員不能盲目地去救助，應防止事故擴大。迅速將中毒者從毒氣區抬到空氣新鮮的上風地區，并送醫院搶救，在轉運途中要堅持繼續搶救，對呼吸困難者應進行輸氧，對粘膜損傷者應及時用生理鹽水沖洗患處。如中毒者停止呼吸，應將中毒者撤至空氣新鮮處，立即進行人工呼吸，因為腦細胞對氧的需要十分迫切，在常溫下缺氧4～6 min就會發生病變，時間稍長就會發生嚴重的傷害，以至不能恢復，所以人工呼吸對挽救傷員的生命意義重大。如果發生硫化氫中毒，那怕輕微中毒，也要保持幾天的休息，不得再度受硫化氫的傷害，因被硫化氫傷害過的人對硫化氫的抵抗力更低。現場急救措施：

(1)硫化氫中毒事故發生后，中毒人員應迅速脫離中毒現場至空氣新鮮處，有條件的要給予吸氧，保持呼吸道通暢，并保持安靜，臥床休息，注意保暖，嚴密觀察病情變化。

(2)對中毒人員中的呼吸、心跳驟停者，救援人員應立即對其進行心肺復蘇，對休克者讓其平臥，頭稍低，對昏迷者及時清除其口腔內異物，保持呼吸道通暢。以上人員應迅速送往醫院搶救。

(3)中毒人員中有眼部損傷者，應盡快用清水反復沖洗，迅速送往醫院進一步處理。

(4)救援人員必須佩戴個人防護器具方可進入中毒環境，并在危險區外留有監護人員，做好救護準備，盡可能減少自身中毒或傷亡事故發生。

3.3 應急管理程序

進入含硫地區進行石油鉆探作業前，必須制定一個切實可行和行之有效的應急管理預案，它不僅能夠保證石油鉆探作業的順利進行，一旦硫化氫氣體泄漏，還能夠控制事故的擴大，降低事故后果的嚴重程度，避免財產損失，保證作業人員和周邊公眾的生命安全。制定應急預案前應當對作業區內可能涉及的范圍的環境、人員、設施進行全面調查，展開科學的分析和論證，要使制定的預案嚴密、統一、完整并真正具有科學性；預案應當符合當地客觀情況，要充分考慮周圍居民和公眾的利益，便于操作，能夠起到迅速準確控制事故的作用；預案所涉及的內容應當符合國家有關標準，應急預案制定或修訂后，應當上報上一級部門和相關部門備案，保證預案具有一定的權威性和法律保保障。

4 結論

本文利用phast軟件對酸氣回注過程中管道發生泄漏的影響因素進行模擬，模擬結果表明了風速、大氣穩定度、泄漏孔徑對酸氣回注管道發生泄漏后擴散情況的影響。模擬結果可以為酸氣回注地區的選址和應急預案的編制提供一定的直到作用。在模擬的基礎上對酸氣回注中涉及的含硫區域的事故應急和事故響應程序進行了總結。