复杂地形含硫气体扩散定量风险评价技术

余清秀 张林霞 刘 坤 杨珍希

(1.四川天宇石油环保安全技术咨询服务有限公司，四川 成都 610213；2.中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院，四川 成都 610213)

0 引言

目前，我国气体扩散定量风险技术多在平原地区应用和研究，平原地区含硫气体扩散模拟难以准确反映复杂地形含硫气体扩散的真实情况，复杂地形气体扩散定量风险分析技术在国内研究较少，川渝地区高含硫气田的地形多为山地丘陵地形结构，具有地形复杂、周边人口稠密的特点，因此针对复杂地形条件下气体扩散的定量风险评价技术开展研究，具有重要现实意义。

复杂地形气体扩散定量风险评价技术研究将从复杂地表对气流的阻挡，气流风场跟地形的耦合度强弱，毒性气体浓度时空分布，山地丘陵气体扩散复杂性等方面结合定量风险评价技术方法来弥补平原区域气体扩散技术的局限性。工程技术人员和安全管理者可借助复杂地形气体扩散定量风险评价技术所获得的数据和结论，结合工程实际综合考虑经济、环境、可靠性和安全性等因素，制定适当的风险管理程序，为管理层提供决策技术支撑，如确定外部安全防护距离、建设项目选址及厂区平面布置、重大风险场景研究、个人年度风险分析、装置设备风险排序、重点防护高风险装置风险管控等，有针对性地解决企业安全问题。本文通过该技术研究并应用于复杂地形含硫天然气井喷的三维扩散风险评价中，进而提高定量风险分析的可靠性。

1 复杂地形气体扩散定量风险评价技术

复杂地形气体扩散定量风险评价技术是对某复杂区域采用数字高程模型和网格划分技术，借助流体动力学模型，具体针对某设施或作业活动中发生事故的频率和后果进行表达的系统方法。它是一种对风险进行量化管理的工程技术手段，量化风险评价是由一个工作组完成，其成员主要包括安全、工艺、设备、仪表、自控、化学、流体力学等各专业技术人员，评价的过程是建立模型，然后再进行模型计算。评价工作组把评价目标模型化，各专业技术人员对过程本身进行精确描述，对所有涉及相关数据详细收集、准确分析，对评价边界进行限定。工程技术人员通过这项技术对某个复杂地形区域危险源进行识别，不仅对事故的原因、过程、后果进行定性分析，而且对事故发生的频率和后果进行定量计算，并将计算出的风险与风险标准相比较，判断风险的可接受性，提出降低风险的建议措施。复杂地形气体扩散定量风险评价技术，如图1。

图1 复杂地形定量风险评价技术

1.1 复杂地形数字高程模型和网格划分技术

复杂地形数字高程模型是针对地形地貌的一种数字建模过程，是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，不仅利用已有地形图上等高线、高程点进行采集，而且还可以对某区域各点坐标数据进行网格抽取。采用的算法是对等高线和高程点建立不规则三角网，在此基础上通过线性和双线性内插建立数字高程模型，描述地表高程信息空间分布的三维有限序列，建模后的场景能够描述高程在内的各种地貌因子，真实再现该区域从而达到仿真的目的。不规则三角网结果数据的优点是以不同层次的分辨率描述地表形态。分辨率是数字模型刻画地形精确程度的一个重要指标，同时也是决定数字高程模型主要影响因素。它与其他数据模型算法相比，不规则三角网在某一特定分辨率下能用更少空间和时间精确地表示复杂表面，特别是当地形包含大量特征，如断裂线、构造线时，不规则三角网模型能较好评价地貌的特征。

在建好的数字高程模型上进行网格划分。用采样点方法读取到网格划分，利用非结构网格和贴地网格技术，根据项目实际建模后进行划分创建高质量的四面或六面体结构化网格，并能进行几何结构的修补和简化，对个别区域用网格局部加密技术，求解任意复杂的几何形体，保障建立的几何和网格的稳定性和保真性，从而使几何和网格高质量准确。网格是流体动力学模型的几何表达形式，也是模拟和分析的载体，网格划分质量对计算精度和计算效率有重大影响。因此高效生成复杂几何区域内、与相临区域网格连续、完全非结构化的混合网格有助于计算结果的精确度。通过这2项技术可以更好地揭示复杂地表对气流的阻挡趋势分布及气流风场跟地形的耦合强弱程度。

1.2 流体动力学模型

流体动力学(Computational Fluid Dynamic，CFD)是把原来在时间域及空间域上连续的物理量场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上变量值的集合来代替，通过一定原则和方式建立起关于这些离散点上各场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得各场变量的近似值，可以看作是流体基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)的数值模拟。通过计算机和离散化数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体力学进行模拟和分析，得到流场内各位置上基本物理量的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，数值模拟对数值求解控制流体的微分方程，得出流场连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。基于有限体积法将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，每一个控制体积都有一个节点作代表，将待求守恒型微分方程在任一控制体积及一定时间间隔内对空间与时间作积分；按选定的线型做出积分并整理成一组关于节点上未知量的离散方程，对待求函数及其导数对时间及空间的变化型线或插值方式做出假设；有限体积算法对网格的适应性很好，能与流固藕合分析更好融合。其优点是具有很好的守恒性，更加灵活的假设，解决复杂毒性气体浓度时空分布，山地丘陵气体扩散复杂等以往技术方面的难题。

1.3 气体扩散风险评价

根据风险计算法开发一款具有自主知识产权的气体扩散定量风险计算软件，气体扩散风险计算软件可以计算有毒物质和可燃性气体扩散个人风险与社会风险。根据项目工艺条件初步定性定量分析确定主要危险点，气体扩散风险软件对主要危险点进行精确量化分析，识别主要风险，输入项目所在地的大气稳定度、风向及风速联合频率，导入数字高程地形模型、人口分布及关注敏感点的地理坐标，计算出关注敏感点的风险值、个人风险等值线以及表示社会风险水平的F-N曲线(即死亡人数和发生频率的对应曲线)。该软件计算结果有2种：一是描述单个设备发生危险时会对周围人员及设备造成影响的独立设备风险，软件将每个设备的影响区域标注在地图上，形成风险轮廓图，用于结果分析；二是描述对社会总体影响的F-N曲线。技术人员可通过对软件提供的结果进一步分析，得到精确的量化分析及准确的安全分析结果。

量化风险计算结果一般用2种风险值度量，分别为个人风险及社会(群体)风险。特定场所个人风险是表示界区外某一个体持续出现在某一特定场所遭遇的某种危险发生的频率，通常以每年个人死亡率来表示；社会(群体)风险常用单位时间(每年)的死亡人数概率来表示，即用F-N曲线表示累积频率(

F

)和死亡人数(

N

)之间关系。个人风险和社会风险计算从定义计算区域网格开始，网格单元的中心称为网格点，每个网格点上都要进行个人风险计算。在单一网格点上确定个人风险的过程，即在一个网格点。作为参考，如果重要事件的影响距离小于300m，网格单元的尺寸不大于25mm×25mm；重要事件的影响距离大于300m，则采用100mm×100mm的网格单元；也可根据情况采用混合网格单元进行计算。确定每个网格单元人数，假设一个人口区域是一个网格单元，然后将起火的概率分配到每一个网格单位。每个网格的个人风险是由上述因素综合贡献确定，个人风险是空间位置坐标的函数，体现为区域地图上的风险等值线。

个人风险计算：分别计算各个网格点的个人风险。网格点的个人风险按式(1)计算：

R

(

x

,

y

)=

P

P

P

P

(

x

,

y

)

(1)

式中：

R

(

x

,

y

)—(

x

,

y

)位置的个人风险值，(

x

,

y

)网格点的坐标；

P

—井喷失控事故概率；

P

—天气等级

M

出现的频率，6种天气等级的概率；

P

—在给定天气等级

M

情况下风向

φ

的概率，8个风向的概率；

P

(

x

,

y

)—(

x

,

y

)位置处受体致死概率，为有毒气体浓度及接触时间的函数。

社会风险首先对每一个网格单元计算每一个容器泄漏事件、天气等级、风向及起火事件简单综合的预期死亡人数，再次计算所有网格单元的预期死亡人数，最后确定引起≥死亡人数的所有事故累积频率。社会风险与周围人口密度相结合的危险活动的风险量度，社会风险关注的是面，反映的是公众所面临的风险，是为保护社会公众而设置的。

社会风险计算：根据天气等级和风向的单个组合，计算每个网格单元的预计死亡人数。然后再对井喷失控、天气等级和风向的各个组合，分别计算所有网格单元的预计死亡人数。最后，确定死亡人数超过

N

的累积频率。社会风险按式(2)计算：

R

=∑

P

×

P

×

P

(≥

N

),

N

(2)

式中：

R

—社会风险值，次/年；

N

—死亡人数，人。

本文采用的界区外个人风险标准为1.6×10/年，表示对位于该风险等值线内的居民来说，该项目带来的风险是不可接受的；而表示社会风险标准的F-N曲线则采用累积最大概率9.3×10/年，斜率为-1，累积死亡人数的最大值为1 000的标准曲线。

2 定量风险模拟计算实例

以某高含硫气田在钻井过程中发生井喷失控为例，模拟计算泄漏出来的含硫天然气在不同风速条件下的扩散影响区域、个人风险等值线和社会风险等值线。

2.1 建模

对井场实际调查，考虑人口分布和井喷引起含硫气体的泄漏量对周围地区的最大影响，用含硫天然气井场所在区域的1:10 000数字高程图数据建立三维地理模型。提取事故发生点周围2km内的DEM地形图，如图2。通过软件提取等高线的轨迹，得出地形矢量图和实际场景完全吻合。

图2 高含硫气田地形三维模型

建好三维模型后，网格以井口为中心建立一个边长4km的正方形区域进行划分，划出复杂场景的网格。质量高的网格有助于计算的收敛，如图3。

图3 高含硫气田区域网格划分图

2.2 井喷事故风险源项及概率

风险源项数据：泄漏点离地面高1m处，垂直方向，井喷持续时间15min，释放速率为最大绝对无阻流量：1260×10m/d，HS含量为16%(体积比)，天然气密度0.9kg/m，温度25℃。井喷失控事故概率4.5×10/年。

4.3 化学防治 2017年我们进行了大生M-45、多霉清、复方多菌灵、甲基托布津等杀菌剂防治金丝小枣浆烂果病对比试验。结果表明，不同药剂防治金丝小枣浆烂果病效果差异显著，其中800倍液80%大生M-45防效最好。

2.3 气象条件及人口分布

根据井场所在地区气象资料分析，分别确定8个风向、6个天气等级的出现概率，见表1、2。

表1 风向概率表

对井场周围2km现场调查，区域内人口数量为1 340人。其中100m范围内0人，100～300m范围内155人，300～500m范围内115人。

表2 天气等级概率表

2.4 计算结果及分析

2.4.1 HS扩散区域范围

本文对不同气象条件组合进行HS的扩散模拟预测，部分结果，如图4，见表3。

表3 不同浓度H2S扩散影响范围表(风向：WN)

根据计算结果，随着来风速度的增大，含HS的天然气云团扩散也随之加快，泄漏的含硫天然气质量减少，扩散云团高度降低。另外，由于井场周边山谷沟壑众多，受山体和沟壑阻挡，出现低风速带或形成涡流，由于HS比空气重，容易在沟壑、山谷地带沉积。图4显示风向WN，风速5m/s，稳定度D下144.14mg/m的HS在900s的扩散俯视和侧视云图。

图4 144.14mg/m2的H2S的扩散云图

风洞实验验证，流体动力学模型计算结果能够真实反映复杂地形条件下含HS天然气泄漏扩散过程及影响范围。

个人风险等值线绘制在高含硫气井场周围2km×2km的地图上，等值线显示井场周边不同区域的个人风险水平，如图5。10个人风险等值线表示1万年中1次死亡事故的安全总体水平，在该区域内不应该越过企业边界；10个人风险等值线表示10万年中1次死亡事故的安全总体水平，在该范围内不应该有商业区和低隐患工业区；10个人风险等值线表示100万年中1次死亡事故的安全总体水平，该区域内不能有住宅开发区；10个人风险等值线表示1 000万年中1次死亡事故的安全总体水平，该区域内不能有高敏感防护目标(文化、教育、医疗卫生、社会福利、军事设施及文物保护单位)。

根据本文所采用的界区外个人风险标准，图5中10等值线区域内个人风险处于不可接受水平，因此，此区域内居民应搬迁。

图5 高H2S气井井喷个人风险等值线图

社会风险F-N曲线表示可以接受的风险水平，它表示频率与事故引起的人员伤亡数目之间的关系，人口密度对社会风险计算影响大。F-N曲线值的计算是累加的，通过2条风险分界线将社会风险分为3个区域，即不可能容许区、可容许区、尽可能容许区，如图6。若风险水平超过容许上限10不可容许区，表示该风险不能接受；若风险水平低于10容许下限，显示该风险是可以被接受的，无需采取安全改进措施；若风险水平在10～10，应在可实现的范围内，尽可能采取安全改进措施降低社会风险。本项目高含硫气田开发本身存在较大风险，但井场周边区域人口密度较低，因此社会风险F-N曲线处于最低合理可行区域(As Low As Reasonable Practice，ALARP)，建议采取技术合理可行、成本尽可能低的风险控制措施。

图6 高硫化氢气井井喷社会风险F-N曲线

3 结论

复杂地形气体扩散定量风险评价技术通过综合运用复杂地形数字高程模型、基于CFD原理的有限元扩散模拟和自主研发的气体扩散定量风险评价软件，能够客观真实地反映复杂地形条件下的泄漏扩散过程，计算出个人风险和社会风险。对计算实例综合分析，得知：

(1)高精度数字高程图数据关系到地形的仿真程度，从而真实体现地形对气体扩散的影响。

(2)合适的计算模型、网格合理划分及求解处理参数的正确设置关系到模拟流场与实际扩散的耦合程度，对得出真实模拟结果至关重要。

(3)在趋于真实的模拟结果基础上得出的正确风险计算结果，并结合合理的风险可接受标准，得出的评价结论将有效为高含硫气田开发制定合理的安全距离和应急范围提供相应的数据支持。