天然气净化厂管道泄漏H2S毒害后果影响因素数值分析*

董 澈，陈国明，李新宏，刘 悦，姜盛玉，朱红卫

(中国石油大学(华东) 海洋油气装备与安全技术研究中心，山东 青岛 266580)

0 引言

含H2S气田在全球分布广泛，目前世界上已探明四百多个具有工业价值的含H2S气田[1]。随着含硫气田的大规模开发与使用，H2S泄漏事故频率逐渐增大，一旦事故发生有可能造成巨大人员伤亡和财产损失，如重庆开县、河北赵县、天津大港等地发生的事故[2]。

鉴于硫化氢泄漏事故风险突出，目前许多学者已开展相关研究。邓海发等[3-6]采用CFD对地形、障碍物、扩散空间等因素影响下含硫气管道泄漏毒害气云的运移规律进行了探讨，但未对硫化氢的毒害风险展开研究；Bagheri和章博等[7-8]分别采用事故场景发生概率与人员中毒死亡概率和毒害物质体积分数场相结合的方法研究含硫气管道泄漏个人风险及区域危险等级划分，却未对不同因素对毒害后果的影响展开研究；朱渊[9]虽然对含硫气泄漏毒害风险进行了影响因素分析，但所采用的ERCB H2S事故评价模型较为粗糙。

基于上述研究，为实现风速、风向、泄漏速度、泄漏方向(以下简称因素)对含硫气管道泄漏毒害后果影响的定量分析，笔者将正交实验设计方法与 CFD相结合，以某天然气净化厂为例，通过危险性分析收集典型场景，利用正交实验设计法针对影响含硫气泄漏毒害后果的因素设计正交实验表，设定吸入剂量、毒害面积、最大毒害面积到达时间、毒害体积、最大毒害体积到达时间为毒害效应指标，采用数理分析方法定量确定影响因素对各指标敏感性，据此提出后果控制措施，可为天然气净化厂、集气站、联合站等场所气体泄漏毒害后果影响因素分析及防控提供方法指导。

1 气体泄漏扩散数值仿真模型

1.1 控制方程

泄漏扩散过程遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒方程及组分输运方程，质量、动量、能量守恒方程统一表示如下[10-11]：

(1)

式中：t为时间，s；ρ为密度，kg/m3；φ为通用变量；u为速度，m/s；Γ为扩散系数；S为源项。

组分输运方程为：

(2)

(3)

式中：Yi为物质i的质量分数；vi是传输速度矢量，m/s；Fi是组分间发生化学反应时，反应产物i的速率，无反应发生时可以忽略，m/s；Si是因用户定义而产生的物质i的速率，m/s；Ji是物质i的质量扩散通量。

1.2 物理及网格模型

以某天然气净化厂含硫气管道为研究对象，物理模型建立如图1所示，共6个立罐、3栋办公及生活楼、1个放空火炬、1个大操作间、2个小操作间、2个配电房，模型长210 m、宽195 m、高100 m，泄漏孔为圆形，直径200 mm、距地面0.5 m，泄漏孔中心坐标为(65, 118, 0.5)，采用非结构四面体网格划分方法，对泄漏孔附近进行网格加密，并对建筑物及立罐壁面添加边界层。为消除网格质量和数量对计算的影响，进行网格独立性验证，依据质量和数量2个指标控制泄漏方向不同时网格模型的差异[12]，网格模型参数对比如表1所示，各泄漏方向下网格质量大于0.6的占比较高且相互之间偏差较小，不同泄漏方向下的网格数量差别较小。

图1 网格模型Fig.1 Grid model

泄漏方向网格数量网格质量>0.6的占比/%Z轴正向567 64088.869Z偏X正向45°546 63492.546Z偏X负向45°546 84988.812

1.3 求解算法及过程

采用可实现的κ-ε模型对气体扩散过程中的湍流特性建模，求解算法选择基于压力求解器的SIMPLE算法，压力、动量、组分、能量采用二阶迎风格式，湍动能以及湍流扩散率使用一阶迎风格式[13]。计算过程分2步完成，第1步打开风速入口模拟计算域内稳定风场[14]；第2步，打开天然气泄漏口设定泄漏条件。

2 正交实验设计

依据事故场景分析，选取典型风速和风向，采用公式(4)计算气体泄漏量[15]，甲烷和硫化氢质量分数分别为0.85和0.15，取标准速度的0.5倍及1.5倍分别作为泄漏速度水平1和水平3，泄漏方向取竖直方向、竖直偏左及偏右45°。

(4)

式中：Q为质量流速，kg/s；d为泄漏孔径，d=0.02 m；γ为传热系数，γ=1.472 3；ρ0为天然气密度，ρ0=45.566 5 kg/m3；p0为管道压力，p0=7×106Pa。

根据确定的因素及相应水平数，选择L9(34正交表)，查阅表头设计方案[16]制定实验方案表，如表2所示。

表2 实验方案Table 2 Test plans

3 毒害效应计算

3.1 吸入剂量

1)剂量计算公式[17]

(5)

式中：t0为泄漏开始时刻，t0=5 min；tend为扩散结束时刻，tend=10 min；c为毒害气体浓度，ppm；n为与毒害气体性质相关联的常数，n=1.43；Δt为测量时间间隔，Δt=1 s;ci为Δt时间内的平均气体浓度；k为扩散过程中的测量次数，k=300。

2)浓度计算

在净化厂内有人活动的建筑物、厂房等周围均匀设置监测点，监测点高度h取监测点平台高度与人鼻子高度1.5 m之和[17]，监测点设置情况如图2所示，共有监测点67个。将t时刻所有监测点危害气体浓度取平均作为此场景下该时刻的浓度值。

O-GlcNAc修饰调节心血管功能的作用是复杂的。随着深入研究发现，O-GlcNAc修饰对心血管蛋白的修饰是一个动态过程，对维持心肌细胞的正常功能至关重要。O-GlcNAc修饰从基因水平到蛋白质水平调节着细胞。新证据表明，蛋白质O-GlcNAc修饰也有助于调节自噬、表观遗传学以及线粒体生物合成[22,45-46]。在细胞核、细胞质以及线粒体中也存在不同的OGT和OGA亚细胞库，它们可能对特定刺激做出不同的反应。

图2 监测点布置示意Fig.2 Layout of monitoring points

3.2 最大面积及达到时间

由于人体口鼻高度大约在1.5 m，因此含硫气泄漏扩散后，采用美国职业安全与健康局(OSHA)规定的硫化氢可接受上限浓度(ACC)30 mg/m3(20 ppm)，监测不同泄漏场景下1.5 m高平面上硫化氢毒害区域面积随泄漏过程的变化情况，并记录达到最大面积所需时间。

3.3 最大体积及达到时间

在净化厂区域内，监测不同场景下可接受上限浓度的等值体体积随时间的变化趋势，记录最大体积及其到达时间。

4 计算结果及分析

4.1 因素对吸入剂量的影响

吸入剂量随时间的变化如图3所示，由于场景3毒害气云扩散后期在操作间附近不断积聚，因此场景3吸入剂量增长曲线斜率较大，而场景2由于风速为X轴负向，泄漏速度较大且泄漏方向为Z轴正向，泄漏开始后毒害气体迅速爬升，然后向下风向扩散，毒害气体未曾到达建筑物附近的监测点，因此吸入剂量为0，其余场景下吸入剂量同时间基本成正比关系。

图3 各场景吸入剂量与时间变化关系Fig.3 Relationship between inhaled dose and time in each scene

各因素对吸入剂量影响分析见表3。R为因子不同水平之间主效应的极差，反映了因子的水平变化对吸入剂量的影响，即因子的重要程度。由表3可知，风向是影响吸入剂量的最重要因素，这是由于风向决定毒害气体扩散方向和影响区域位置，尤其当风向为X轴负向时，毒害气体往净化厂外扩散，设在净化厂建筑物周围的监测点浓度较低，甚至无毒害气体出现；其次，风速是影响吸入剂量的重要因素，风速主要对毒害气体高浓度区存留时间产生影响，风速越小毒害气体高浓度区存留时间越长，监测点吸入剂量越高。因子水平顺序依次为：风向>风速>泄漏方向>泄漏速度，使吸入剂量达到最大的因素组合为：A3B1C3D2。

表3 因素对吸入剂量影响分析Table 3 Analysis of factors affecting inhalation dose

4.2 因素对最大面积的影响

表4为各因素对最大面积影响的分析表。由表4可知，各场景泄漏后1.5 m高平面上毒害区域最大面积均较低，这是由于毒害气体在较大初始动量作用下，迅速向计算域上部喷射并在高空集聚，到达1.5 m平面时未能充分扩散，而高空中集聚的毒害气体在重力作用下向下扩散到达1.5 m平面所需时间较长，因此在统计时间内1.5 m高平面毒害区域面积较小；其次，由于净化厂建筑结构及厂区布置形式复杂，不同风向造成风场差异较大，形成的湍流以及旋涡的大小和位置差异明显，因此风向对泄漏面积影响最大；此外，由于气体泄漏后到达统计平面所需时间极短，所以泄漏速度、泄漏方向、风向对危害区域面积的影响没有明显差异。因素主次顺序为：风向>泄漏速度>风速>泄漏方向，导致毒害区域面积最大的因素组合为：A2B2C1D1

表4 因素对最大面积影响分析Table 4 Analysis of factors affecting maximum area

。

4.3 因素对最大面积到达时间的影响

表5 因素对最大面积到达时间影响分析Table 5 Analysis of factors affecting the arrival time of maximum area

4.4 因素对最大体积的影响

不同因素对最大体积影响分析如表6所示，由表6可知，风速对气云体积的影响最大，且统计气云体积随风速增高而减小，这是由于风速较高时毒害气云扩散较快，但随着总体积的增大高浓度危害区体积逐渐减小；泄漏速度是影响气云体积的次重要因素，泄漏量越高气云体积越大。各影响因素因子水平依次为：风速>泄漏速度>泄漏方向>风向；使毒害区域面积达到最大的组合是：A1B3C3D3。

表6 因素对最大体积影响分析Table 6 Analysis of factors affecting the maximum volume

4.5 因素对最大体积到达时间的影响

因素对最大体积到达时间影响分析如表7所示。由表7可见，尽管泄漏初期毒害气体扩散主要受初始动能影响，但随着气云继续扩散，风向对气云形态及运移轨迹影响较大，且扩散后期气云运移速度主要受风速影响，因此最大体积到达时间对风向和风速较为敏感，因子水平主次顺序为：风向>风速>泄漏方向>泄漏速度；使最大体积到达时间最短的组合为：A3B1C1D1。

表7 因素对最大体积到达时间影响分析Table 7 Analysis of factors affecting the arrival time of maximum volume

5 毒害后果控制建议

依据该天然气净化厂的气体泄漏毒害后果影响因素分析，首先对该天然气净化厂提出针对性后果控制措施，其次为燃气终端设施、联合站、化工园区等具有毒害气体泄漏风险的场所提出一般性建议：

1)厂区规划建设：该天然气净化厂在建设时应当使X轴负向与全年最大频率风向保持一致，并选取通风良好位置作为厂址，将人员密集设施修建在上风向，并控制上风向建筑物高度，防止建筑高度过高影响气体扩散造成毒害气体集聚；厂区布置规划过程中，应对设计方案进行预先危险性分析，结合当地自然因素辨识泄漏场景，采用文中方法实施影响因素分析，依据分析结果调整建设方案，避免风向、风速和建设布局恶化泄漏后果。

2)泄漏监测：由于泄漏后气云迅速向高空集聚，因此探测器布置过程中应注意在高空的排布；毒害气体探测器布置方案应结合不同泄漏场景中气云运移轨迹设计。

3)应急预案编制：依据该天然气净化厂各泄漏场景毒害剂量的变化趋势，应使应急撤离时间尽量减小，考虑到1.5 m高平面毒害区域面积较小且主要集中在泄漏口附近，选择撤离路线时应充分利用厂内空间；应急预案编制应考虑不同泄漏场景毒害气体扩散特点，应急撤离集合地点、疏散路线应避开毒害气体集聚地点，撤离时机、路线的选择应结合监测点毒气浓度、毒害气云面积、体积的变化情况。

6 结论

1)将正交实验设计方法与CFD相结合，采用吸入剂量、毒害面积、最大毒害面积到达时间、毒害体积、最大毒害体积到达时间作为后果指标，可对毒害后果影响因素进行定量敏感性分析，为天然气净化厂、集气站、联合站、化工园区等场所的气体泄漏毒害后果影响因素分析及控制提供指导。

2)风速较低时，此净化厂高浓度含硫气集聚时间较长，造成吸入剂量较高。各场景下1.5 m高平面的毒害区域面积均较小，且因素对达到最大面积所需时间的影响差异较大，危害区域体积主要受风速和泄漏速度影响。

3)该天然气净化厂建设时应使X轴负向与全年最大频率风向一致，选址应在通风性能良好地带，办公住宅楼高度应适当降低防止对厂区通风性能产生负面影响，同时应建立有效的安全监控和维修制度，防止发生管道大孔径泄漏事故。