含硫天然气重大突发泄漏事件数值模拟研究

赵子文

(中国石化国际石油工程有限公司，北京 100020)

我国天然气管道大多埋设于地下，穿越地区广、地形复杂、土壤性质差别大，输送介质工作压力高，日常检测比较困难，容易受到环境、腐蚀和自然灾害的影响，加上违法占压和第三方破坏等原因，存在重大事故隐患。而且大部分是含硫天然气，含有的硫化氢属于高毒性气体，少量硫化氢就会造成人员急性中毒甚至死亡。如果发生重大突发泄漏事件，由于应急处置不当或应急能力不足等问题，很可能会造成群死群伤，产生不良的社会影响。川西地区某公司一井站位于低洼地方，周边地势较高，周边居民分布零散，附近有一个旅游度假区，人员众多。而井站的出气管线穿过梯田，埋深不足，极易发生第三方破坏情况，造成重大泄漏事件，如果不能及时应对和疏散周围人群，会产生严重后果。面对高毒气体泄漏突发事件，必须采用有效方法提前预测事故影响范围，确定疏散人员区域及准备相应的应急措施和物资。

对于气体泄漏扩散的研究，可以采用实验和数值模拟两种方法。但是对于大量气体泄漏，特别是有毒气体，实验方法条件要求严、操作困难、危险性大。而数值模拟结果与风洞实验结果又可以取得良好的拟合效果[1-2]。本文要研究的是含硫天然气重大突发泄漏事件，泄漏气体量大，影响范围广，因此选用数值模拟方法进行泄漏事故后果分析。很多研究人员采用二维模拟软件进行了燃气管道泄漏的研究，但三维模拟更直观形象[3-6]。本文采用CFD仿真软件进行事故后果分析，可以给出实时气体因地形等影响因素扩散区域的变化，为事故状态下应急救援提供更有针对性的指导。

1 情景介绍

“情景”是对某种对象在未来如何演变的科学化描述。研究重大突发事件“情景”，是对未来一定时期内一个国家、地区或行业可能发生的重大突发事件的一种合理的设想，是对不确定的未来灾难开展应急准备的一种思维工具。重大突发事件虽然是小概率事件，但其破坏强度、波及范围和灾变行为又千差万别，对应急救援是一个很大的挑战，前瞻性地对重大突发事件进行研究对一个国家、地区、企业都极其重要[7-9]。

在研究国内外典型有毒气体泄漏事故、结合现场情况、与企业技术人员交流的基础上，对该公司井站出口酸气原料管道可能发生的重大突发泄漏事件情景做出如下假设。

a)酸性原料气管道因第三方破坏发生泄漏。

b)管道完全断裂，泄漏口面积即为管道横截面。

c)同沟敷设的酸气管道、燃料气管道、通信光缆、自控光缆全部被挖断。

d)井站安全阀失效，紧急截断失败；放空阀未起跳，放空系统失效；井站无法实现远程关断，泄漏点下游集气站实现远程关断。

e)人员手动关闭时井站安全阀时，已连续泄漏30 min。

f)气象数据为气温26℃，多云，主风向东南、风速2 m/s。

g)事故发生处于旅游旺季，泄漏点周边1 500 m范围内约有4 000人。

鉴于硫化氢的高毒特性，主要对硫化氢的影响后果进行分析。

2 情景后果模拟分析

本文选用的软件是专门用于模拟与污染和危险性相关的大气诊断工具。它使用三维计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)模型来计算经过复杂地形的风场，以及污染物扩散；使用三维有限体积方法(FVM)求解模拟空气运动的Navier-Stokes(N-S)方程；含内置的自动三维网格生成工具，可以在障碍周围生成用于计算的有限体积网格，并且沿起伏地形成贴体网格。

2.1 控制方程

软件基本方程为N-S方程，同时求解物质的浓度、质量和能量方程。对于湍流模式，求解上述方程的雷诺平均形式。雷诺应力模型使用线性涡粘性模型(LEVM)，方程如下。

a)物质浓度守恒

(1)

b)连续性方程

式(1)对所有物质求和，得到连续方程(质量守恒)

(2)

c)N-S方程(动量守恒)

(3)

d)能量方程

(4)

式中：ρ——密度；

U——速度矢量；

ym——物质m的质量分数；

T——温度;

p——压力；

Dm——物种m的有效扩散系数；

τ——粘性应力张量；

Cp——定压比热；

q——热通量向量，q=-k▽T；

k——有效热传导系数；

Sm——物种m浓度守恒方程的源项；

Sp——连续性方程的源项；

SU——动量守恒方程的源项；

ST——能量守恒方程的源项。

模拟选用湍流模型为k-ε模型，此是两方程线性涡粘性模型。使用修正浮力和可压缩性标准高雷诺数格式。求解湍流动能k的运输方程及其耗散率ε方程如下：

(5)

式中：k——湍流动能；

Pk——k的机械产生速率；

Pb——k的浮力产生速率；

μl——层流空气粘性；

μt——涡粘性；

ε——k的耗散率；

Cε1，Cε2，Cε3——给定的常数。

2.2 物理模型

利用软件内置绘图功能按照1∶1比例对井站周边地形进行三维模型的绘制，见图1。

图1 泄漏点周边地形

网格越精密，计算精度越高，但是计算时间也会更长。同时，通过模拟测试得知，网格达到一定密度，模拟结果将不再随着网格的加密而发生变化。模拟过程中，通过网格独立性检验，得到最合适的网格密度来进行模拟计算，以最短时间得到准确计算结果，网格见图2。

“顺德海事，顺德海事，我船走锚失控，现与一船舶发生碰撞，他船沉没，我船有碰撞七滘大桥可能，请求救助……”11月15日9时许，VHF甚高频中传来的急促呼叫声，打破了佛山市顺德区水上交通（溢油）应急指挥分中心的宁静。这不是电影，这是2018年佛山市“桥安水畅 河美佛山”水上交通突发事件应急救援演习的真实场景。

图2 水平网格和贴面网格

2.3 计算参数

气象数据：事发当日，多云，气温26 ℃，大气压0.101 MPa，空气湿度75%，风向东南风、风速2 m/s。

其他参数：管道直径168 mm；管内压力8 MPa；管内温度25 ℃；混合气体体积分数CH4(95%)，H2S(5%)；根据泄漏气体泄漏计算公式[10]，可得气体最大泄漏速率280 kg/s，泄漏时间30 min。

2.4 后果分析

硫化氢是一种高毒无色气体，在低浓度下，通过硫化氢的气味特性能觉察到它的存在。但不能依靠气味来警示危险浓度，因为处于高浓度150 mg/m3(100 μmol/mol)的硫化氢环境中，人会由于嗅觉神经受到麻痹而快速失去嗅觉。长时间处于低硫化氢浓度的大气中也会使嗅觉灵敏度减弱，其安全临界浓度为30 mg/m3(20 μmol/mol) ，高于该浓度区域内的人员应进行疏散撤离。当浓度达到1 500 mg/m3(1 000 μmol/mol)时，会使人瞬间窒息死亡[11]。因此本文选取这3个浓度对事故后果进行分析。

2.4.1影响距离

20，100，1000 μmol/mol浓度硫化氢在泄漏过程中影响距离随时间的变化曲线见图3。

图3 不同浓度H2S影响距离随时间变化曲线

由图3可知，泄漏过程中，不同浓度的硫化氢在一定时间内在大气中会达到拟稳态，影响距离将不会再变化，而且浓度越高，到达稳定度的时间越短；硫化氢浓度越低，扩散的速度越快；该场景中，20 μmol/mol的最远影响距离为1 296 m，100 μmol/mol的最远影响距离为512 m，1 000 μmol/mol最远影响距离为107 m。

2.4.2影响区域和时间

事故应急救援过程中，除影响距离外，应该明确主要的影响范围和影响时间，图4是事故过程中，20 μmol/mol硫化氢影响区域随时间的变化云图，可以根据云图变化，确定主要影响区域和影响时间。

图4中能明显看出20 μmol/mol硫化氢随时间变化影响区域及不同时间不同位置处硫化氢的浓度，可知主要影响区域位于泄漏位置的下风向，距离越远浓度越低，硫化氢消散泄漏点往下风向逐渐变化，50 min后硫化氢基本消散。

2.4.3风速风向影响

已知泄漏点东南风下风向地势较高，而西南风下风向区域地势较低，因此研究了风速风向对气体扩散影响，以20 μmol/mol硫化氢影响为例，影响距离对比曲线见图5。

图4 20 μmol/mol硫化氢影响区域云图变化

图5 不同风速风向硫化氢影响距离对比曲线

由图5可知，该事故情景中，相同风速时不同风向下，20 μmol/mol硫化氢的最远影响距离是不同的。而西南风向下风向相比于东南风向下风向地势相对平坦，硫化氢影响距离偏大，地势高方向影响距离小，说明地势对气体扩散有明显的阻挡作用，应急救援过程中应将地势因素考虑在内。

3 结论

a)重大突发事件不仅对企业造成巨大损失，还会危及周边民众的生命财产安全，造成不良的社会影响。因此，涉及易燃、易爆、有毒危化品的企业应对企业内可能发生的重大突发事件情景后果展开研究，根据可能的后果进行应急准备及发现企业应急能力存在的缺陷。

b)本文通过CFD软件对可能发生的含硫天然气管道重大突发泄漏事件后果进行模拟分析，给出硫化氢影响距离、影响区域以及影响时间，为事故状态下应急救援工作提供理论指导。

c)从模拟分析结果可知，硫化氢影响范围广、影响因素多，而事故点周边人员众多，分布零散。应该认真研究，找出在应对如此重大突发事件时应急工作存在的不足，及时改进，特别是如何在短时间内通知到所有人，并给出正确的疏散撤离路线。

d)鉴于软件模拟计算只是理论上的分析，存在很多限制因素，现实环境中又存在很多不确定因素，因此应急救援工作中还要根据具体情况和现场监测数据，合理部署各项救援工作。

4 参考文献

[1] 张宁,蒋维楣.建筑物对大气污染物扩散影响的大涡模拟[J]. 大气科学, 2006, 30(2):212-220.

[2] 蒋维楣, 苗世光, 刘红年,等. 城市街区污染散布的数值模拟与风洞实验的比较分析[J]. 环境科学学报, 2003, 23(5):652-656.

[3] 于洪喜,李振林,张建,等.高含硫天然气集输管道泄漏扩散数值模拟[J].中国石油大学学报,2008, 32(2):119-139.

[4] 肖淑衡,梁栋.厂区天然气泄漏扩散的数值模拟研究[J]. 广州大学学报,2007,6(2): 68-73.

[5] 叶峰,廖开贵,张亚明,等.天然气管道泄漏数值模拟研究[J]. 油气田地面工程,2008, 27(6): 19-20.

[6] 魏利军.重气扩散过程的数值模拟[D]. 北京:北京化工大学,2000.

[7] 王永明. 事故灾难类重大突发事件情景构建概念模型[J].中国安全生产科学技术, 2016, 12(2): 5-8.

[8] 李湖生, 刘铁民. 突发事件应急准备体系研究进展及关键科学问题[J]. 中国安全生产科学技术, 2009, 5(6): 5-10.

[9] 刘铁民. 重大突发事件情景策划与构建研究[J]. 中国应急管理, 2012, (5): 1-2.

[10] 于明, 狄彦, 帅健. 输气管道泄漏率计算与扩散模拟方法述评[J].管道技术与设备,2007(4),15-18.

[11] SY/T 5087-2005含硫化氢油气井安全钻井推荐作法[S].