复杂地形高含硫天然气风洞扩散实验及安全防护距离

辛保泉 喻健良 党文义 姜 雪 林官明

1.大连理工大学化工学院 2.中国石化青岛安全工程研究院 3.北京大学环境科学与工程学院

0 引言

在《高含硫化氢气田集气站场安全规程：SY 6779—2010》中，将硫化氢（H2S）含量（体积）超过5%即定义为高含硫，而我国高含硫气田天然气中H2S 的含量通常达到15%甚至更高。高含硫天然气在泄漏事故状态下存在着易燃易爆和人员中毒等风险。对位于山区的天然气生产装置和储存设施而言，由于近场人员集中场所较少，较之于爆炸事故，H2S的远场扩散可能会导致更远的外部安全防护距离[1]。关于安全防护距离，在《含硫化氢天然气井公众安全防护距离：AQ 2018—2008》、《高含硫化氢天然气净化厂公众安全防护距离：SY/T 6781—2010》等标准中，建议的搬迁和应急撤离距离为200～1 500 m。这些规定为事故应急防护提供了一个初步参照。但不同的规定差别较大且未考虑地形、气象条件和事故概率对风险的影响，在工业应用中难以直接作为人员搬迁和应急防护的有效依据[2]。气体扩散的研究方法主要有数值模拟、现场实验和风洞实验等方法。显然，传统的二维事故后果模拟很难有效考虑地形影响。在山区复杂地形条件下进行现场实验的实际难度很大，不具有可行性。计算流体力学（CFD）模拟是一种研究气体扩散行为较为有效的方法，但由于CFD 计算结果的准确度取决于对复杂流场仿真前置处理时的初始条件、边界条件、物性参数等的定义是否合理，以及后处理是否准确等方面[3]，研究结果的可信度仍不足够。对于较大尺度的远场扩散，风洞实验由于其准确性高、重复性好的特点，被认为是模拟和预测真实工况下气体泄漏扩散的重要方法[4-5]。通过风洞实验，可以有效确定不同气象条件和复杂地形条件下危险气体的浓度分布和影响距离。

泄漏区域地形特征对于高含硫天然气的扩散影响显著[6-9]，国外对此已开展了较多的风洞实验[10-12]，但更多关注环境污染和风场特征等方面。国内有少部分关于气体扩散的风洞实验研究[13-15]。这些研究通常基于风洞实验与数值模拟方法，对单一条件下的气体扩散过程进行了验证性测试，但是对多种风速、风向条件的气云空间分布特征及危害区域关注较少且未考虑泄漏频率和风险。为此，笔者从定量风险评估（QRA）和外部安全防护距离的角度出发，根据风洞实验和基于风险的方法，研究了含硫天然气的泄漏扩散规律以及安全防护距离问题。对于含硫天然气这类有毒且易燃气体，关注的目标不应该仅仅是浓度大小，还应该包括暴露于危险环境的个体风险等[16-17]。针对我国西南山地某天然气集气站，采用风洞实验技术，在自有的大气边界层风洞中进行了1∶1 000 比例的模型实验，得到了地表真实浓度的分布特征和影响距离，并基于风险的方法计算了安全防护距离。以期为高含硫天然气泄漏事故的应急防护和人员搬迁区域等工作提供参考。

1 厂区自然条件及实验理论

1.1 地形和气象特征分析

集气站位于山区，山坡非常陡峭。NW 方向约2 km 外为高速公路及河谷，N 方向为较高的台地，NE 方向地形较低，E 及SE 方向都比较高，S 方向是陡峭山谷。所在的山地地势陡峭，正南方100 m落差达50 m、坡度26°，集气站所在场地标高海拔760～780 m。拟模拟的半径3 km 范围内，最低点位于SW 方向的河谷（海拔约350 m），最高点位于站场东南3 km，海拔1 100 m。风洞实验范围内的地势总高差达到了750 m，这显著增加了实验难度。站场所在地区年平均风速约2 m/s，主导风向为E。

1.2 大气边界层流动相似模拟条件

大气流动的物理模拟的理论基础是量纲分析与相似理论[18]，通过对大气边界层流动的基本方程组的进一步推导和转化，得到无量纲形式的方程见式（1）～（3）。

式中ρ表示空气密度，kg/m3；t表示时间，s；u表示流速，m/s；下标i，j，k分别表示参数值在i，j，k方向的分量；ε表示耗散率，m2/s3；wj表示科氏力系数；Ro、Ri、Re、Pr和Ec的意义见表1；pi表示压力，Pa；∆T表示空气温度与中性大气温度的差，K；T表示空气温度，K；T0表示特征温度，K；δij表示Kronecker 张量；u'j表示脉冲速度，m/s；θ'表示脉冲温度，K；表示耗散函数；U表示特征速度，m/s；L表示特征长度，m；v表示动力学黏性系数，Pa·s；g表示重力加速度，m/s2；K表示空气的传热系数；CP表示空气的定压比热，J/(kg·K)。

不同的无量纲化方法会得到不同的相似准则。对于恒定来流的物理模拟，表征时间尺度的Strouhal数相似，可略去[19]。实验时不必考虑模拟所有的相似条件，只需根据具体情况满足其主要的控制条件即可。这5 个相似参数说明如表1 所示。

表1 相似参数说明表

1.3 浓度场的对应

压力容器及其相连管线最易泄漏，等效泄漏孔径选择比较可信的中孔泄漏（50 mm）[20]。泄漏类型为点源连续释放，获得的浓度相当于现场事故的小时浓度。对于关心区域内的某无量纲空间点（x,y,z），在某风场条件、某固定的空间点源排放条件下，其无量纲浓度C*可表示为：

式中C*采用体积浓度，无量纲；u表示特征速度，m/s；y方向为垂直于x方向的水平方向；x方向为顺风向下游；z方向为垂直于地面向上；坐标原点在泄漏源地表；σy表示下风距离x处水平扩散参数；σz表示下风距离x处垂直扩散参数；C0表示排放口毒气体积浓度，无量纲；Q表示毒气总释放流量，m3/s；下标p 表示原型；下标m 表示模型。

从模型浓度到原型浓度的转换关系为：

模型上的风场与原型的风场一致，因此um/up=1。对1∶1 000 模型，相似关系为：

高含硫天然气的主要组分是CH4（分子量16）和H2S（分子量34），平均分子量约25。因此，使用乙烯（分子量28）作为示踪气进行扩散实验。实验时，根据实际测试得到的浓度及分析仪器的量程，最终将排放口乙烯配置为100%，即模型释放口浓度C0m＝1，因此，原型浓度表示为：

式中C0p表示原型释放口所排天然气浓度。

现场原型泄漏源孔径大小为50 mm，中性层结风洞无法模拟高压小孔射流情形，因而将100 倍管径处近似设为无穷远稳定流动，相应的距离为5 m。依然在现场的建筑物或地表植被高度之下，对应于模型上的5 mm，因而简化为用内径5 mm管模拟事故排放，管口向上，流量保持Q/(1 000)2，即遵循出口动量相似的准则，用无阻流量（142×104m3/d）做源强。

2 实验设备及仪器

2.1 风洞设备

该风洞为开闭两用吹式，本次实验使用开口吹式。其实验段长27 m、宽4 m、高3 m（侧壁有扩散角），风速在0.5～20 m/s 连续可调。由于模型本身足够长，加上很长的实验段及风洞实验段起始段的粗糙源，可以满足模拟所需风速廓线的要求[21]。风洞实验室外观见图1。

2.2 风速测量

图1 风洞实验室外观照片

风速廓线的测量使用美国TSI 产热线（膜）风速仪，精度0.1%，空气速度测量范围：0～50 m/s。具体测量前用其自备的校正单元（射流风洞）进行校正。速度信号经A/D 转换由计算机采样并进行处理。A/D 数据采集卡为4 通道，1 MHz 采样率，12 位输出。来流的监视使用TSI 便携式风速仪，风速测量范围0～30 m/s，分辨率0.01 m/s。

2.3 浓度测量

浓度测量使用Eranntex MS 600 光离子气体检测仪，仪器量程0～2 000 cm3/m3（体积浓度），精度1 cm3/m3。使用时，将光离子气体监测仪固定在坐标架上，信号经20 m USB 延长线连接到计算机，编写专用串口通讯程序，应答式获得浓度数据（图2）。

图2 MS 600 光离子气体监测仪采样分析示意图

由于本次实验模拟的区域地形复杂，高差较大，不便于坐标架的自动移动。因此通过人工监视、手动控制坐标架的方式进行浓度采样。采样时，将光离子气体监测系统的采样头通过坐标架移动到布点位置，监测仪自动利用内置气泵抽取样品并分析。采样程序会自动记录相应测点的浓度。采用佳能XA50 数码摄录像机放大图像并实时跟踪，监测仪数据显示于计算机显示屏上，直接读取分析仪表盘读数。

3 实验模型及风险评估

3.1 湍流和扩散模型

对于气体扩散，采用有限体积法在三维笛卡尔坐标下求解描述流体特性的质量、动量、能量及组分守恒的N-S 方程，即

式中φ表示通用求解变量；ρ表示气体密度；xj表示j方向上的积分；表示i方向上的速度矢量；Γφ表示扩散系数；Sφ表示源项。

对于湍流条件，使用k-ε湍流模型。标准k-ε模型需要求解湍动能及其耗散率方程[9]。该模型假设流动过程为完全湍流，分子黏性的影响可以忽略。大气边界层使用入口边界的速度、温度和湍流参数断面来模拟。入口风断面依赖于Monin-Obukhov 长度L和大气粗糙度长度Z0。在风险评估研究中，L通常是未知的，需要使用大气稳定度来估算，这里采用较为稳定的大气稳定度F。

3.2 物理模型

为保证流场边条件的几何相似，严格按等比例尺寸进行模拟。以集气站中心为模型中心，在半径约3 km 范围内按照1∶1 000 的比例建立了风洞实验模型（图3）。泄漏源位于模型地表。

图3 正东南西北模型图

根据站场地形及厂区建筑物布局，为了保证较高的地表粗糙和地表湍流度，对厂区附近区域地形按20 m 等高线进行建模。站区建筑基本都低于10 m，相对地形来说可忽略，因此不再进行建筑物建模。

一般来说，风洞模型横截面与实验段截面的阻塞比要保证在5%以下，模拟大气边界层的环境风洞的实验段长度一般不小于20 m，宽度和高度一般不小于2 m。本风洞试验段长27 m、宽4 m、高3 m，可以形成充分发展的湍流边界层。

3.3 测点布置

实验共计24 个组合工况。其中包括8 个风向：N、NE、E、SE、S、SW、W、NW。3 个风速：低风速1 m/s、常年平均风速2 m/s、较高风速4 m/s[22]。对每组工况进行地表浓度采样，垂直方向网格间距多为100 m，邻近源剖面适当加密，测得所有工况的地表浓度数据，进而绘制出各组合条件下的浓度等值线图。

3.4 外部安全防护距离

3.4.1 方法概述

安全防护距离的确定方法可分为后果法和风险法两种。后果法由于不考虑事故场景发生可能性，主要根据毒性剂量或爆炸超压值直接判断影响范围，确定的安全防护距离与选择的场景有较大关系，在数值模拟中有较大随机性和差异性[23-24]。因此，选择了基于风险的方法，同时考虑事故后果和发生频率，然后根据不同防护目标的风险基准确防护距离。计算过程采用国际上比较流行的风险计算程序SAFETI 8.23。

3.4.2 风险计算场景

高含硫天然气是一种含有多种复杂组分的混合物，根据该站点的真实测试结果，将天然气简化为4种主要组分：甲烷含量75.4%，硫化氢含量15.2%，二氧化碳含量8.8%，氮气含量0.6%。泄漏类型考虑小孔、中孔、大孔和相连管道断裂4 种场景。操作压力：9 MPa，操作温度：45 ℃。假设最大泄漏时间为30 min，平均风速为2 m/s，地面粗糙度为1 m（山区地形）。泄漏频率采用国际石油与天然气生产者协会（OGP）的推荐值[25]，风险场景及频率如表2 所示。

表2 风险计算场景及其发生频率表

4 实验结果及分析

4.1 实验测试浓度

根据风洞实验测得了24 组工况的地表浓度数据。其中N、E、S 和W 这4 个典型风向的浓度分布见图4。

图4 表明，风速和风向都会对天然气的扩散产生显著影响，且水平和垂直方向的浓度分布差异较大。由于N 向为山坡，S 向为山谷，风向N 和S 分别表示天然气的“下坡扩散”和“上坡扩散”，统称“顺坡扩散”。研究发现在顺坡扩散过程中，较高浓度的天然气沿着山坡在横向（垂直于山坡坡度方向）具有较宽的扩散锋面，且下坡扩散的锋面宽度大于上坡扩散，但是局地浓度较小。在风向E 和W 时，扩散锋面与坡度方向垂直相切，简称“切坡扩散”，扩散锋面较窄，但是局地浓度较高。4 种风向下不同浓度的等高线分布如图5 所示。

8 种风向下测得的地表气体最大来流浓度见图6。图中LT表示根据SLOT（特定毒性水平）换算的毒性荷载，即暴露人员1%～5%死亡的剂量浓度，经计算，硫化氢1 min 的毒性荷载为1 190 cm3/m3[26]。LCLo表示人吸入30 min 的急性致死浓度，为600 cm3/m3。

图6 表明，随着风速的增大，8 个风向测得的天然气浓度均会降低，但最大浓度对风速的敏感程度会显著减小，在较高风速4 m/s 时浓度趋于平缓。W风向测得的最大浓度显著高于其他风向，风速1 m/s、2 m/s 和4 m/s 时的最大浓度分别为19 550 cm3/m3、9 990 cm3/m3和5 804 cm3/m3。其次为SW 方向的浓度。S 风向测得的浓度最小，风速1 m/s、2 m/s 和4 m/s 时的最大浓度分别为1 074 cm3/m3、373 cm3/m3和254 cm3/m3。W 风向分别是N 风向最大浓度的18.2 倍、26.8 倍和22.9 倍。风向对浓度的显著影响充分说明，对于复杂地形条件，风向的影响不可忽略。

4.2 危害区域及分布特征

根据专门编制的事故工况浓度预测程序，获得了不同风速下的天然气浓度分布（图7）。

对于高含硫天然气扩散的安全防护距离，H2S的影响通常更远[27]。为了便于分析，根据不同浓度H2S 对人体的毒理反应，将危害区域划分为4 个危害等级，如表3 所示。

根据实验结果，扩散过程可以预测为：在早期，烟羽主要聚集在泄漏源附近的集气站场内，之后向东北方向顺风扩散。主要轨迹包括东北山坡和西南山谷，以及山坡周围的西北和东南方向。此外，通过风洞实验还发现了以下特点：

图4 风洞实验测得的来流浓度分布图

1）低风速时，毒气更倾向于“绕过”山体，高风速时，则倾向于“翻越”山体。

2）若泄漏源位于从山谷吹来的风（谷风）的下游，例如来流为SE、SW、W，由于泄漏源下游为山峰条件，气体可能与山体碰撞或在山体背后的山坡上形成高浓度的累积。

3）来流E 扫过了集气站，但由于站场西侧存在山沟，易形成尾涡，其山坡上也是危险区域。尽管来流S 不如来流SW、W 导致的危险影响范围大，但靠近集气站位置也会形成很高的浓度。

4）在风速、风向和地形的相互作用下，危害区域总是分布在顺风的山坡前部或者山谷洼地。但是，如果不通过风洞实验进行具体分析，则很难对分布区域进行准确预测。与平坦地形的情况完全不同的是，除顺风方向外，危险区域会沿多个方向延伸。潜在的运动轨迹可能出现在泄漏源附近的洼地和顺风方向附近的山坡。

进一步对8 个风向、3 种风速时测得的稳定状态时的危害区域进行分析，其最大影响距离见表4。

根据图6 和表4 可知，风向W 和SW 危险影响区域最大，风向N、E 和NE 危险区域最小。严重危险区域大多围绕在泄漏源附件的集气站和山体背风处。影响距离最远的是风速1 m/s时的西风（W），其中，Ⅲ～Ⅱ级危险区域的最大影响距离是NE 方向1 500 m；Ⅰ级危险区域的最大影响距离是NE 方向1 200 m。分布特点如下：

1）低风速U1＝1 m/s 情形下，以泄漏源为圆心的500 m 半径范围内在各风向都是危险的。特别是SW、W、NW 及SE 方向来流都会导致站外出现极危险的区域，保守估计1 000 m 内存在小时致死可能。

图5 天然气顺坡扩散和切坡扩散浓度分布图

图6 不同风向下测得的高含硫天然气最大来流浓度图

2）在常年平均风速U2＝2 m/s 情形下，以泄漏源为圆心的300 m 范围内都是非常危险的，NW、SE方向来流会导致距泄漏源300 m 内出现小时致死浓度。SW、W 来流则在距泄漏源800 m 内出现小时致死浓度区域。

3）较高风速U3＝4 m/s 情形下,气体扩散充分。但需要注意下风向背风窝的高浓度，小时致死浓度区域多在距泄漏源500～700 m。

4）受复杂地形影响，不同位置的气云浓度变化很大，且不同浓度的气云影响范围很不规则。在低风速时，不同浓度的硫化氢分布形状最不规则，表明低风速时的浓度分布受地形影响更大。但是低风速时，不同浓度的影响范围差异较小。较高风速时，不同浓度的硫化氢分布形状趋于圆润，表明高风速时的浓度分布受地形影响减小。但是高风速时，不同浓度的影响范围差异较大。

4.3 风速和风向影响

受山区地形条件影响，不同风向时的危险影响区域有较大差异。根据不同浓度的危害影响范围大小，得到了不同风速、风向条件下的高含硫天然气分布危险性顺序（表5）。

图7 预测的3 种风速不同浓度等值线分布图

表3 H2 S 危害区域划分表

在3 种风速中，SW 和W 风向最为危险，N 风向危险性最低。风驱使危险区域向顺风方向扩散，这是影响危险区域分布的主要因素。此外，由于空间聚集和障碍物的作用，不同风向的危险影响区域有较大变化。但是，由于地形的特征差异和不均匀分布，改变的效果很难给出统一的解释，应该具体情况具体分析。

综上所述，在进行高含硫天然气泄漏扩散的后果分析和风险评估时，建议选择较低的风速和稳定的大气湍流条件。如果泄漏源所在位置具有复杂的地形条件，则地形和风向对事故后果的影响不可忽略。

表4 不同风速和风向下的最大影响距离表

4.4 基于风险的安全防护距离

《危险化学品生产装置和储存设施风险基准：GB 36894—2018》是我国危化品领域的主要风险控制标准。该标准对不同重要程度的防护目标规定了不同的个体风险（IR）基准，其中在役生产装置和设施的风险基准分为三类：3×10－6/a，1×10－5/a 和3×10－5/a。根据表2 中的场景，计算不同防护目标的个体风险等高线（图8）。各类防护目标在不同方向的影响距离如图9 所示。

由图9 可知，不同重要程度的防护目标，其安全防护距离有较大差异。在地形和风向共同作用下，泄漏源不同方向的外部安全防护距离也有显著不同。在本研究中，SW 方向（山谷方向）安全距离最远，介于129.8～727.8 m。SE 和NW 方向（山坡方向）安全距离最近且较为接近，介于60.5～432.8 m。

表5 不同风速、风向条件下硫化氢分布危险性排序表

图9 不同防护目标的外部安全距离图

在不同方向的外部安全防护距离分别：①第三类防护目标为60.5～129.8 m，相差2.1 倍；②第二类防护目标为183.7～371.9 m，相差2.0倍；③高敏感、重要和第一类防护目标为424.7～727.8 m，相差1.7倍。风险法充分考虑了事故发生频率以及防护目标的重要程度，并且可以根据国家标准给出不同的安全防护距离，可作为站场选址、土地使用规划和应急防护的参考，与风洞实验形成互补。

5 结论

1）高含硫天然气的扩散过程可以归纳为“顺坡扩散”和“切坡扩散”两种模式。在顺坡扩散过程中，较高浓度的天然气沿着山坡在横向（垂直于山坡坡度方向）有较宽的扩散锋面，且下坡扩散的锋面宽度大于上坡扩散，但是局地浓度较小。而切坡扩散的扩散锋面较窄，但是局地浓度较高。

2）风速、风向、地形及其相互作用，是影响扩散过程和危害范围的重要因素。较高的风速有利于加快天然气的消散，降低天然气的危害范围。但是随着风速的增大，最大浓度对风速的敏感程度会显著减小。同时风速的增加会抑制地形对浓度分布的影响，也会增加不同浓度影响范围的差异。

3）在山区复杂地形条件下，风向对高含硫天然气浓度分布和危害区域的影响不可忽略。风向W 和SW 危险影响区域最大，风向N、E 和NE 危险区域最小。影响距离最远的是风速1 m/s 时的西风（W），其中，Ⅲ～Ⅱ级危险区域的最大影响距离是NE 方向1 500 m，Ⅰ级危险区域的最大影响距离是NE 方向1 200 m。风速1 m/s、2 m/s 和4 m/s 时，W 风向最大浓度分别是N 风向最大浓度的18.2 倍、26.8 倍和22.9 倍。

4）风速、风向和地形的共同作用，对高含硫天然气的扩散影响非常复杂，不仅表现出非均匀、非定常特征,而且随着地形的改变和风速、风向的变化，这种影响也是各异的。与平坦地形的情况完全不同的是，除顺风方向外，危险区域会沿多个方向不规则扩展，且形状很不规则。在进行泄漏扩散后果分析或风险评估时，建议选择较低的风速和稳定的大气湍流条件。

5）对于不同重要程度的防护目标，在地形和风向共同作用下，泄漏源不同方向的外部安全防护距离会有显著不同。本文研究中，各类防护目标在不同方向的外部安全防护距离为60.5～727.8 m，同一类防护目标在不同方向的安全距离相差约2 倍。该方法考虑了事故发生频率，与风洞实验可以形成互补。