酸气回注过程泄漏扩散危险区域模拟及应急预案研究

陆诗建

(中石化节能环保工程科技有限公司，山东 东营 257026)

酸气回注是指将从石油天然气工业或其他大型排放源中捕集的酸气(主要为 CO2和H2S)通过井口增压注入到非作业或者非经济地层中(如枯竭油气藏)封存。在管道输送阶段，酸气未充分脱水，导致管道被腐蚀，易发生泄漏。泄漏的H2S作为一种剧毒且易燃的酸性气体，极其轻微的泄漏即可致人中毒甚至死亡，浓度达到爆炸极限易造成爆炸事故。PHAST由DNV挪威船级社独立开发,是一款专门用于石油石化和天然气领域的危险分析和计算软件。PHAST软件被广泛应在事故后果的研究领域[1]，张林等人运用Phast软件研究泄漏孔径、风速、泄漏时间和大气稳定度

对海上平台天然气泄漏扩散面积的影响[2]。(2018)赵昆淇对液化天然气储蓄站的泄漏扩散和火灾爆炸情况进行定量的计算和定性影响的分析，提出了风险防范准备措施[3]。(2015)蒋立军等分别对西气东输某站天然气扩散和火灾爆炸影响进行了定量计算和影响分析，并得出此站场的个人风险图表提出了风险防范依据，为提高天然气输气站场安全管理水平，降低事故风险提供依据，为输气站的安全设计提供指导[4]。(2012)劳敏用PHAST 软件分别对扩散和火灾爆炸进行了事故后果影响分析，提出风险防范措施，为提高CNG 加气站安全管理水平，降低事故风险提供依据[5]。(2016)王坤利用PHAST 软件对某大型LNG 储罐建立事故模拟模型，进行泄漏事故模拟分析，定量计算了LNG 储罐发生泄漏后的扩散、闪火、爆炸、池火影响范围,比较分析了不同风速条件下的事故影响能力[6]。

由上述总结可以看出Phast软件广泛应用在天然气泄漏方面的研究，LNG爆炸热辐射研究以及相关毒性气体泄漏扩散模型的验证，但是国内外对酸气回注过程中酸气的泄漏扩散研究较少。酸气回注主要包括酸气增压、脱水、管道输送、井口注入四个部分，其中在管道输送阶段，由于脱水不完全，管道易被酸腐蚀，很有可能导致酸气的泄漏扩散[7]。而酸气泄漏最常见的就是孔洞泄漏扩散，因此研究输送管道中酸气的孔洞泄漏扩散危险区域，对预防事故发生，减小事故损失，保证酸气回注过程的安全具有重要意义。

本文应用Phast软件研究不同泄漏孔径、风速、泄漏时间和大气稳定度对酸气泄漏扩散面积的影响，再根据模拟结果分析，制定相关的应急预案。

1 PHAST软件简介

PHAST(Process Hazard Analysis Software Tool)软件是定量地计算后果的软件，由DNV(挪威船级社)公司在多年积累的安全管理技术评价领域工程经验的基础上，独立开发的一款专门用于石油石化和天然气领域危险分析和安全计算的软件。可以通过计算得到各种类型风险的排序。PHAST 在考虑各种事故后果模型、事件树、人口分布、点火源信息、气象信息、事故概率后进行以下各方面的后果评估：①物料最大泄漏速率；②不同气象条件下，气体、液体及气液两相流的大气扩散；③气体凝结成液滴；④液池的形成、扩展和蒸发；⑤模拟各种气象条件；⑥计算火灾后果(包括喷射火、池火、闪火和沸腾液体扩展为蒸汽爆炸)；⑦计算爆炸后果(受限和不受限、TNT、TNO、BLEVE)；⑧毒气泄漏后果(致死概率、应急响应计划指南浓度(ERPG), 立即威胁生命或健康的浓度(IDLH))；⑨以图形的方式在地图上动态显示计算结果；⑩以文字的方式对结果简单的分析等。生成的评估报告可以广泛应用于：①模拟计算事故后果；②厂区选址、厂区设计和平面布置；③为有针对性地采取相应的安全措施提供参考；④制定应急救援计划；⑤保证与法律法规的相符性；⑥提高安全意识；⑦进行定量风险分析(QRA)。

2 酸气泄漏事故模拟

2.1 危险性分析

高压下的液化酸气泄漏后立即气化，形成大范围气体扩散。酸气中主要气体成分为H2S，塔河油田，酸气回注管道中输送的酸气成分，主要是CO2(20%)和H2S(70%)。H2S的物性参数：其水溶液为氢硫酸。分子量为34.08，蒸汽压为2026.5kPa/25.5℃，闪点为<-50℃，熔点是-85.5℃，沸点是-60.4℃，相对密度为(空气=1)1.19。微溶于水，形成弱酸，称为"氢硫酸"。燃点为292℃。硫化氢为易燃危化品，与空气或氧气以适当的比例(4.3%～46%)混合就会爆炸。

酸气回注过程中都是高压液相输送，管道发生泄漏后，液化硫化氢气化扩散，在空气中易形成爆炸性混合物，遇明火发生火灾或爆炸危害。H2S气体具有剧毒性，吸入极小量便会中毒死亡。不同风速、泄漏孔径、泄漏时间以及大气稳定程度对H2S泄漏扩散范围有着不同的影响。

2.2 模拟参数

酸气回注规模：1000Nm3/h；

酸气回注增压站出口压力：8MPa；

增压站出口温度：25℃；

大气相对湿度：0.82；

当地风速设为：静风1m/s,全年平均风速2m/s和季风风速4m/s.大气稳定度设为：B(不稳定)、D(稳定)和F(非常稳定)；

泄漏孔直径设为：小孔(5mm)、中孔(30mm)、大孔(100mm)；

泄漏时间设定为：1min、5min、15min；

扩散高度：距离地面1.5m；

扩散浓度：考虑到毒性伤害，硫化氢阈限质量浓度15mg/m3、安全临界质量浓度为30mg/m3和危险质量浓度为150mg/m3。本文中H2S监测质量浓度为150mg/m3。

2.3 结果与分析

2.3.1 风速大小对扩散面积的影响

图为在大气稳定度、泄漏孔径和泄漏时间都相同的情况下，泄漏气体扩散面积与风速的关系如图1。

图1 风速对扩散面积影响

从图1可以看出，风速对泄漏气体的扩散有显著的影响。随着风速的增加，泄漏的扩散面积也随之增大。当风速有1m/s提升到4m/s，扩散面积明显变大了。

2.3.2 泄漏孔径对扩散面积的影响

图2为在泄漏时间、大气稳定度和风速都相同的情况下，泄漏气体扩散面积与孔径的关系。

图2 扩散面积和孔径关系

从图2可以看出，孔径从5mm增加至100mm，扩散面积的变化相当大，孔径对泄漏扩散的影响很显著。

2.3.3 大气稳定度对扩散面积的影响

图3为分别在不稳定(B)、稳定(D)和非常稳定(F)三个不同大气稳定度下，泄漏气体扩散面积的变化情况。

图3 扩散面积和大气稳定度关系

大气稳定度是影响气体在大气中扩散的重要因素之一，它是评价空气层垂直对流程度的指标。从图中可以看出气体的扩散在大气越稳定的情况下扩散距离越远，扩散面积越大。

3 酸气泄漏应急预案研究

3.1 应急预案的制定

应急区主要包含以下两种：①危险区，根据硫化氢放空量及附近人口等因素来确定危险区范围；②应急方案区，人可以居住在此区域，但是要对居民进行风险教育，一旦遇到紧急情况必须立即疏散。

应急预案的响应包括：①当硫化氢气体的浓度达到阈限值10 ppm 时，应立即安排专人观测风向，风速，确定受害的危险区域，切断危险区内的不防爆电器，安排专人到危险区检查泄漏点；②当硫化氢气体的浓度达到20ppm时，应立即向上级第一负责人报告，派专人在主要下风口100m以外监测硫化氢，启动井控应急程序来控制硫化氢的泄漏，撤离现场非应急人员，通知救援机构；③当井喷失控，井口下风处100m以外硫化氢气体的浓度达到50 ppm 时，向当地政府报告，协助疏散距井口500m范围内的居民，关停生产设施，设立警戒区，请求援助；④当井喷失控，井场硫化氢气体的浓度达到100ppm时，现场作业人员按照应急预案程序立即撤离，按照应急通讯表通知相关机构和负责人，向国家安全生产主管部门上报，在采取措施控制消除事故后，继续监测危险区大气中硫化氢和二氧化硫气体的浓度，以确定何时能够安全进入。

3.2 事故应急

急救人员不能盲目地去救助，应防止事故扩大。迅速将中毒者从毒气区抬到空气新鲜的上风地区，并送医院抢救，在转运途中要坚持继续抢救，对呼吸困难者应进行输氧，对粘膜损伤者应及时用生理盐水冲洗患处。如中毒者停止呼吸，应将中毒者撤至空气新鲜处，立即进行人工呼吸，因为脑细胞对氧的需要十分迫切，在常温下缺氧4～6 min就会发生病变，时间稍长就会发生严重的伤害，以至不能恢复，所以人工呼吸对挽救伤员的生命意义重大。如果发生硫化氢中毒，那怕轻微中毒，也要保持几天的休息，不得再度受硫化氢的伤害，因被硫化氢伤害过的人对硫化氢的抵抗力更低。现场急救措施：

(1)硫化氢中毒事故发生后，中毒人员应迅速脱离中毒现场至空气新鲜处，有条件的要给予吸氧，保持呼吸道通畅，并保持安静，卧床休息，注意保暖，严密观察病情变化。

(2)对中毒人员中的呼吸、心跳骤停者，救援人员应立即对其进行心肺复苏，对休克者让其平卧，头稍低，对昏迷者及时清除其口腔内异物，保持呼吸道通畅。以上人员应迅速送往医院抢救。

(3)中毒人员中有眼部损伤者，应尽快用清水反复冲洗，迅速送往医院进一步处理。

(4)救援人员必须佩戴个人防护器具方可进入中毒环境，并在危险区外留有监护人员，做好救护准备，尽可能减少自身中毒或伤亡事故发生。

3.3 应急管理程序

进入含硫地区进行石油钻探作业前，必须制定一个切实可行和行之有效的应急管理预案，它不仅能够保证石油钻探作业的顺利进行，一旦硫化氢气体泄漏，还能够控制事故的扩大，降低事故后果的严重程度，避免财产损失，保证作业人员和周边公众的生命安全。制定应急预案前应当对作业区内可能涉及的范围的环境、人员、设施进行全面调查，展开科学的分析和论证，要使制定的预案严密、统一、完整并真正具有科学性；预案应当符合当地客观情况，要充分考虑周围居民和公众的利益，便于操作，能够起到迅速准确控制事故的作用；预案所涉及的内容应当符合国家有关标准，应急预案制定或修订后，应当上报上一级部门和相关部门备案，保证预案具有一定的权威性和法律保保障。

4 结论

本文利用phast软件对酸气回注过程中管道发生泄漏的影响因素进行模拟，模拟结果表明了风速、大气稳定度、泄漏孔径对酸气回注管道发生泄漏后扩散情况的影响。模拟结果可以为酸气回注地区的选址和应急预案的编制提供一定的直到作用。在模拟的基础上对酸气回注中涉及的含硫区域的事故应急和事故响应程序进行了总结。