油田场站硫化氢泄漏扩散事故危害区域划分

王安鹏 刘洋 王伟斌

摘要：对油田高含硫场站调研取得数据，基于CFD理论计算不同风速影响下的硫化氢泄漏扩散范围、浓度，分析研究硫化氢泄漏事故灾变过程，并根据浓度阈值进行了危害区域的划分。对某场站硫化氢泄漏进行了事故模拟研究，得到了不同时刻危害区域划分情况，绘制了各级危害区域下风向、侧风向最远距离随时间的变化曲线，分析了危害区域增长变化情况。

关键词：硫化氢;CFD;气体扩散

1 引言

硫化氢（H₂S）是仅次于氰化物，易致人死亡的有毒气体，可能存在于油田生产过程中钻井、井下、采油气、注水、集输等各工艺流程，不仅严重威胁着员工的生命安全，也会造成严重的设备破坏和环境污染^[1]。

本研究以胜利河口采油厂高含硫化氢的联合站和单井为研究对象，确定硫化氢泄漏事故典型场景，结合河口区当地自然、社会环境参数，应用FLACS软件对硫化氢泄漏扩散范围和浓度进行数值模拟，得到了不同时刻危害区域划分情况。通过本研究，将会为安全管理部门的硫化氢防护制度修订和风险分级管理提供参考依据，为含硫油气场站风险评估、安全防护、应急救援提供支持，促进油田安全生产。

2 涉硫化氢场站和自然社会环境概况

2.1 场站概况

某联合站位于东营市河口区，距离河口区直线距离约8km，南侧有化工厂，东侧零星分布民房，距离海边约26km，受海洋气候影响较大。河口采油厂某联合站相关设备设施以及选取的某高含硫单井情况如下表：

表2.1-2 河口采油厂某联合站含硫设备情况一览表

2.2 自然环境概况

以平均风速和D等级大气稳定度分析硫化氢泄漏后最可能遇到的天气条件。同时为保守预测硫化氢泄漏扩散后的危害情况，以1.5m/s低风速和F等级大气稳定度开展硫化氢泄漏扩散分析。

2.3 硫化氢泄漏数值模拟

1）泄漏源模型

⑴ 天然气处理装置/脱硫装置

站内入口管线发生泄漏，泄漏孔径为小泄漏5mm，中泄漏25mm，大泄漏管线破裂^[2]。对小、中孔泄漏，依据气体泄漏速率公式计算，其基本形式为：

  （1）

式中，C₀，流量系数;A泄漏面积，m²;P0，压力，Pa;k，气体热容比;M，气体摩尔质量，kg/mol;R，理想气体常数，kg/mol/K;T₀，温度;K，对大孔泄漏，认为泄漏速率为装置的处理量^[5]。

⑵ 泵房

泵房内法兰发生泄漏，计算公式为：

  （2）

式中：h，垫片与法兰的间隙cm;△P，管道内外压差，Mpa;r₂/r₁，垫片内外半径比;η，动力粘度Pas;ρ，介质密度，kg/m³。

泵房内管线发生泄漏，以泵输量预测泄漏速率。

⑶ 储罐呼吸口

参考公式（1）计算泄漏速率。

2.4 结果分析和危害区域划分

数值模拟采用Gexcon公司-FLACS软件。计算模拟过程包括两个阶段，第一阶段对计算区域的环境场开展模拟，以获得在不同风场环境下的大气流动情况，其将对硫化氢的扩散起到积极的影响作用;第二阶段将泄漏的硫化氢耦合入已经完成的风场环境中，实现风场运动作用下的硫化氢扩散过程的分析，最终确定硫化氢在特定环境条件下的分布情况，进而支持根据硫化氢对人员的伤害作用，确定含硫设施设备发生泄漏后扩散硫化氢的危害区域。

（1）天然气分离器管线泄漏

由于硫化氢含量高，某联合站天然气处理装置发生泄漏后，在设备周边将会形成立即威胁生命和健康浓度范围，其最大影响距离为东南风、西北风、南风、北风低风速下的7m，其最小影响范围也可达到设备周边2.5m，可对人员造成急性伤害影响并致死。

危险临界浓度的影响范围，最大出现在西北风低风速条件下的22m，最小影响范围为5m，由于可对人员造成严重伤害，且最大距离较大，设备周边应该加强防范和警示。

虽然达到公众应急通知浓度的距离都小于50m，最大为北风低风速时的35.5m，但是该设备位置非常靠近围墙，其外侧为公路，不排除事故状态下影响到外部的可能性，如果发生事故需要對外部可能存在的公众伤害和告知有所准备。

安全临界浓度可造成的最大影响距离为北风低风速下的39m，此范围覆盖面很大，员工在日常工作中需要防范可能的硫化氢泄漏毒害。

（2）泵房泄漏

① 管线泄漏

在室内会形成立即威胁生命和健康浓度范围，以及危险临界浓度范围，如果有人员靠近设备泄漏源且没有正确防护，可能造成严重的人员伤害甚至死亡。由于室内空间封闭、有限，计算显示泄漏硫化氢扩散迅速，波及面覆盖整个泵房。

② 法兰泄漏

即便法兰泄漏量较小，仍然在室内形成立即威胁生命和健康浓度范围，以及危险临界浓度范围，如果有人员靠近设备泄漏源且没有正确防护，可能造成严重的人员伤害甚至死亡。由于室内空间封闭、有限，计算显示泄漏硫化氢扩散迅速，波及面覆盖整个泵房。

（3）储罐呼吸口排放

储罐呼吸口位于拱顶罐的顶端，距离地面位置高，周边空阔，非常有利于硫化氢的扩散，各个风向下的计算结果相同，根据计算情况，不会造成立即威胁生命和健康浓度和危险临界浓度范围。

如果发现硫化氢泄漏，会在泄漏口周边1.7m范围内超过安全临界浓度，同时阈限值浓度最大在4.8m之外，鉴于罐顶空间有限，硫化氢急剧刺激性，容易造成人员恐慌，罐顶作业仍然存在一定的硫化氢伤害隐患，需要引起关注。

（4）危害区域划分

根据SY 6137-2012《含硫化氢的油气生产和天然气处理装置作业的推荐作法》确定硫化氢扩散后的危害影响区域，划分为：

（1）受影响区：小于10ppm;

（2）轻度危害区：10ppm～20ppm

（3）中度危害区：20ppm～50ppm

（4）重度危害区：大于100ppm。

发生硫化氢泄漏或中毒事故时，现场作业人员应停止作业并撤离，启动应急预案。事故抢险救援人员应佩戴正压式空气呼吸器。急救人员对中毒人员进行施救时，应穿戴好防护用品，将中毒人员脱离现场并移至空气新鲜的上风方向，立即给氧。对呼吸、心跳骤停者应立即进行抢救，禁止口对口人工呼吸，并转送医院。事故现场应划出危险区域，设立警示标识和警戒线，无关人员和车辆不得进入。

3 结论

本文利用FLACS软件，实现了对不同时刻空间浓度场的模拟计算。对流硫化氢泄漏危害区域进行划分时，选取适当的危害浓度阈值，将危害区域划分为受影响区、轻度危害区、中度危害区、重度危害区等四级危害区域，并对各危害区的情况进行了说明。对河口采油厂某联合站内设备设施进行了模拟，研究结果表明发生泄漏事故后，硫化氢扩散将在10min时达到稳定，受影响区域下风向、侧风向最远距离能达到22m。若事故发生，应对不同危害区域采取相应的应急对策，减少事故损失与人员伤亡。

参考文献

[1]孙少光.油田企业生产过程硫化氫危害及预防[J].安全、健康和环境，2005，（6）.

[2]张永成，王洪辉，李应祥，等.青海油田三厂硫化氢形成机理及腐蚀性研究[J].西南石油大学学报（自然科学版），2011，（1）.