天然气长输管道环境风险及对策

2015-01-30胡慧

资源节约与环保 2015年11期

胡慧

（中海油能源发展股份有限公司上海人力安全技术服务中心上海 200030）

随着经济大幅增长，由此带来的资源、环境重负日益加大，市场对能源结构调整、优化和能源供应安全的客观要求更为迫切，天然气因其洁净、环保和安全的特点对优化能源结构和改善环境质量具有重要意义。长输管道作为输气枢纽，天然气的广泛使用，使得长输管道越来越多的遍布于山川河流和道路村庄边。天然气为甲类易燃、易爆化学品，一旦发生火灾、爆炸事故，对环境和人身安全造成危害。

1 长输管道风险识别

1.1 物质风险识别

长输管道工程涉及的危险物质为天然气，危险货物编号21007,危险性类别为第2.1类易燃气体[1]。

1.2 生产设备风险识别

长输管道的主要生产设施包括输气站场和管道。存在的潜在危险性主要为振动造成法兰连接松动或接口破裂；分离器、设备故障；阀门松动、锈损失灵；管内超过安全流速或轴承过压；管道弯头、焊接点破裂。产生的后果为泄漏，遇明火燃烧、爆炸。

1.3 环境风险事故因素分析

通过生产过程潜在危险性分析表明，各单元具有火灾、爆炸、泄漏扩散等潜在危险性，这正是安全生产和环境风险隐患所在。造成事故隐患的因素很多，主要有以下几类：外部破坏；腐蚀；管道质量缺陷；其他因素。

1.4 风险事故类型

1.4.1 主要风险事故类型

根据物质和生产设备风险识别结果，输送过程中涉及的天然气属易燃易爆品，具有火灾和爆炸的危险性。天然气泄漏后发生火灾、爆炸会产生热辐射、冲击波影响。天然气属于低毒性物质，其主要成分为甲烷，空气中甲烷浓度过高能使人无知觉地窒息、死亡。因此在管输过程中具有发生窒息的危险性。若泄漏的天然气中硫化氢超过300ppm时，可能会导致漏点附近人员中毒。

1.4.2 风险事故过程中的次生污染

天然气发生泄漏时，遇到火源将引起火灾爆炸，燃烧时将产生NOx。天然气管道火灾、爆炸事故生成极少量的CO（百万分之一到万分之一），由于管道输送的天然气中检测到硫化物的含量极低，所以燃烧时产生的SO2极低。检索国内外文献及资料，未见报道在天然气火灾、爆炸事故中由于CO和SO2引起的人员中毒和伤亡事件。因此，主要考虑天然气泄漏后造成的窒息危害和燃烧爆炸过程产生的NOX进行预测。

1.5 最大可信事故

天然气管道在输气过程中，最大可信事故为：管道出现破裂或孔洞/裂纹，发生天然气泄漏事故。

2 长输管道环境事故后果预测与分析

以某省天然气输送管道为例，某段管道全长约72km，设置输气站场1座，阀室3座，管道管径为Φ813，设计压力为7.5MPa，工程设计到2020年供气量达3.69×108Nm3/a。分输站场设置有站控系统，监控阀室设置远程终端装置RTU，监视阀室设置截断阀远程监视集成设备，通过通信系统将各站场及阀室的工艺参数及设备工作状态上传到总调控中心进行集中监视和管理。全线两个相邻紧急关停阀门间距最大为19.59km。

2.1 窒息影响、次生污染影响预测与分析

2.1.1 预测模式

按最大可信事故源项的设定，长输管线泄漏后天然气在大气中的扩散多采用烟团模式，天然气遇火源燃烧产生的伴生污染物NOx其密度虽然大于空气，但其燃烧时有大量空气，浓度较小，湍流扩散占主导，因此仍可用高斯烟团模型模拟。

2.1.2 评价标准

设定天然气的评价标准为窒息浓度。二次污染物NO2设立三级标准，一级为半致死浓度标准，二级为IDLH（伤害浓度）浓度标准，三级为影响浓度（“短时间接触容许浓度”）标准。[2]

2.1.3 泄漏事故影响分析

根据泄漏扩散的模型分析，输气管线发生泄漏事故后扩散影响范围分别为：输气管道发生针孔/裂纹泄漏时，在下风向不形成窒息浓度。发生管道破裂时，在风速为1.7m/s，大气稳定度为D时，天然气管道泄漏窒息浓度范围最大为下风向77m；在风速为1.5m/s，大气稳定度为F时，天然气管道泄漏窒息浓度范围最大为下风向83m。当发生天然气泄漏事故后，窒息浓度范围内的居民应紧急向上风向撤离。

2.1.4 火灾事故伴生污染影响分析

对伴生的NOx进行预测评价（NO2以90%计）。计算结果可知，当高压天然气泄漏遇火源形成喷射火时产生的伴生污染物在下风向不形成LC50浓度、伤害浓度和短时间接触容许浓度，因此对环境影响相对较小。

2.2 热辐射、冲击波影响预测与分析

根据美国石油学会相关资料报道，燃气泄漏后各表现形式的概率分别为安全排放0.8、喷射火焰0.1、闪火0.06、蒸气云爆炸0.04[3]。本文选取燃烧方式为喷射火以及危险性较大的蒸气云爆炸为风险事故来评价。

火灾通过热辐射的方式影响周围环境。当火灾产生的热辐射强度足够大时，可使周围的物体燃烧或变形。强烈的热辐射可能烧伤或烧死人员，造成财产损失。热辐射造成伤害或损坏的情况取决于人员或物体受辐射热影响的大小[3]。不同热辐射强度造成损失的情况取值国家安监总局《安全评价(第三版）》[4]。

不同热辐射强度对应的死伤情况不同，距火源热辐射强度37.5kw/m2所在的位置为死亡半径，热辐射强度25.0kw/m2所在的位置为重伤半径，热辐射强度12.5kw/m2所在的位置为轻伤半径。

2.2.1 预测模式

预测模式采选热辐射通量、热辐射强度、蒸气云团爆炸的冲击波影响半径模式[5]。

2.2.2 喷射火和蒸气云爆炸事故预测结果

2.2.2.1 喷射火热辐射结果。输气管道天然气泄漏速率是随时间增加和管内压力下降而逐渐减小的，本文针对泄漏开始10min内的平均泄漏速率进行模拟计算。根据最大可信事故为发生全管径泄漏时的火灾事故，采用热辐射强度公式，计算全管径泄漏点发生火灾形成喷射火的热辐射影响距离。根据计算结果，当发生喷射火的风险时，距离着火点中心的死亡半径、重伤半径和轻伤半径分别是116.2m、141.2m、197.0m。

2.2.2.2 最大泄漏量下蒸气云爆炸结果。考虑此段管道某处完全破裂，发生整个管道泄漏，系统紧急自动关闭，天然气泄漏量为管道内在线量，考虑泄点与分输站放空阀的距离关系，当事故发生在分输站附近时间将出现最大的泄漏，相当于管内在线量的50%。两个相邻紧急关停阀门间管段的全部在线天然气为最大可能泄流量。假设最大可能泄漏量时发生蒸气云爆炸，以两个相邻紧急关停阀门最大间距19.59km计算，其形成的冲击波对环境造成的事故影响死亡半径、重伤半径和轻伤半径分别是319m、678m、1216m。

根据预测结果，蒸气云爆炸重伤影响范围、窒息浓度范围综合比喷射火热辐射的危害要大很多。当此类型事故发生时，应充分考虑蒸气云冲击波的影响，以其重伤半径做为安全疏散距离，对距离点火处两侧至少500m范围内的居民进行疏散，以确保人身安全。