含硫天然气集输管道气体泄漏扩散三维数值模拟

胡百中 陈序 何泊龙 陈平 黄程 陈文龙

(1. 中国石油浙江油田分公司， 杭州 310013；2. 重庆科技学院安全工程学院(应急管理学院)， 重庆 401331；3. 中国石油西南油气田分公司蜀南气矿， 四川 泸州 646000)

含硫天然气中硫化氢(H2S)的含量较高，在大气中的扩散属于混合重气扩散，其扩散规律相对复杂。定量分析含硫天然气集输管道不同气候、不同管线破裂程度下的气体泄漏扩散特点及影响范围，准确划分不同泄漏扩散条件下的应急计划区，对正确指导应急处置工作具有重要意义。

自20世纪70年代以来，国外学者就针对含H2S重气扩散模拟问题提出了FEM3模型、BM模型、箱及相似模型、Zemman模型等仿真模型[1-5]。由于含H2S气体扩散受H2S浓度、边界条件、气体组分等诸多因素的影响，重气扩散模型模拟的扩散规律并不准确。此外，研究者多采用Phast、Fluent[6-7]、Flacs等模拟软件对含硫天然气的泄漏扩散问题进行分析。其中，Flacs软件是目前该领域模拟精度最高的模拟软件之一[8-9]。本次研究主要针对四川某地面集气干线“周边人口密集”和“高速公路穿越”两个高后果区，结合其所处地理环境、气候条件等特征，构建三维场景模型。应用流体动力学软件Flacs开展三维数值模拟，量化分析高后果区在不同气候、不同管线破裂程度下的含硫天然气泄漏扩散特点及影响范围，划分应急计划区，以保障应急处置的高效性和精准度。

1 高后果区三维场景模型构建

高后果区内的管段为实施风险评价和完整性评价的重点管段。高后果区，是指管道发生泄漏后会危及公众安全，对财产、环境造成严重破坏后果的区域。随着人口和环境资源的变化，高后果区的地理位置和范围也会发生改变。按照中国石油企业标准Q/SY1180.2 — 2009第二部分中关于输油管道HCAs的8条识别准则和评分方法，选定了四川某地面集气干线“周边人口密集”和“高速公路穿越”两个高后果区进行分析。

1.1 高速公路穿越高后果区地理模型

根据高速公路穿越高后果区现场勘察情况，应用Google Earth软件进行区域信息采集，应用Flacs前置处理软件CASD建立三维地理模型。模拟区域长(x)700 m，宽(y)700 m，高度差(z)参照实际海拔高度。以泄漏点为基准点，区域面积按1∶10的比例缩放。该区域划分为4 900个10 m×10 m单位元，根据每个单位元的位置及高度等参数建立地理模型(见图1)。

图1 高速公路穿越高后果区地理模型

模型中，参照当地地理环境实际尺寸，突出了地形和建筑物。为了保证达到计算精度，提高计算效率，以泄漏点为中心，将模型网格设置为核心区域与非核心区域。以整个模型所在的区域(700 m×700 m)作为监控区域，监控区域上空取100 m的高度作为上顶界。根据实际工程经验，泄漏点核心区域网格距离设置为1 m，非核心区域以1.194倍的规模递增扩展。

1.2 人群密集高后果区地理模型

根据人群密集高后果区现场调研勘察情况，应用Google Earth软件采集区域信息，应用Flacs前置处理软件中的CASD建立三维地理模型。模拟区域长(x)1 000 m，宽(y)600 m，高度差(z)参照实际海拔高度。建模过程中，以泄漏点为基准点，区域面积按1∶20的比例缩放。该区域划分为1 500个20 m×20 m单位元，以每个单位元位置及高度参数建立地理模型(见图2)。以整个模型所在的区域(1 000 m ×600 m)作为监控区域，监控区域上空取100 m的高度作为上顶界。根据实际工程经验，泄漏点核心区域网格距离设置为1 m，非核心区域以1.194倍的规模递增扩展。

图2 人群密集高后果区地理模型

2 含硫天然气泄漏扩散三维数值模拟

2.1 工况条件

集输管道原料气输送规模为550×104m3/d，输送压力为6.7 MPa。原料气中，CH4质量分数为92%，CO2质量分数为7%，H2S质量分数为1%。

研究区地处浅丘，海拔为350～450 m，属亚热带季风湿润性气候，年平均气温为18.5 ℃。夏季受海陆气温差异的影响，吹东南风；冬季受西伯利亚寒风的影响，吹西北风。全年平均风速为5 m/s，湿度为60%～80%。

研究区泄漏工况参数包括泄漏孔的孔径大小、气体从管道泄漏出来的方向、泄漏时的风向以及风速大小等。

2.2 高速公路穿越高后果区泄漏扩散三维数值模拟

泄漏孔隙一般分为大孔、中孔、小孔。泄漏孔径为50～150 mm，为大孔泄漏，其代表孔径为100 mm；泄漏孔径为10～50 m，为中孔泄漏，其代表孔径为25 mm；泄漏孔径为0～10 mm，为小孔泄漏，其代表孔径为5 mm。取5个泄漏方向作为代表方向：上(+z)、西南(+x)、东北(-x)、东南(+y)、西北(-y)。风向根据气候条件和地形条件取东南(+y)、西北(-y)方向。风速按照实际气候条件取3个有代表性的值：1 m/s，无风或者微风；3 m/s，正常风速；5 m/s，风速较大。将泄漏孔径、泄漏方向、风向和风速等4个参数进行排列组合，得到高速公路穿越高后果区泄漏三维数值模拟方案，共90种方案。图3所示为不同工况组合下的代表性气体泄漏云图。这些云图包括：100 mm孔径+向西北泄漏+东南风向+3 m/s风速下气体泄漏云图；100 mm孔径+向上泄漏+东南风向+1 m/s风速下气体泄漏云图；100 mm孔径+向上泄漏+东南风向+5 m/s风速下气体泄漏云图；100 mm孔径+向上泄漏+西北风向+1 m/s风速下气体泄漏云图；25 mm孔径+向东南泄漏+西北风向+5 m/s风速下气体泄漏云图；100 mm孔径+向东南泄漏+西北风+向 5 m/s风速下气体泄漏云图。

2.3 人群密集高后果区泄漏扩散三维数值模拟

与上述泄漏标准相同，大孔泄漏代表孔径为100 mm，中孔泄漏代表孔径为25 mm，小孔泄漏代表孔径为5 mm。取5个泄漏方向作为代表方向：上(+z)、东(+x)、西(-x)、北(+y)、南(-y)。风向根据气候条件取西风(-x)、南风(-y)方向。风速按照实际气候条件取3个代表值：1 m/s，无风或微风；3 m/s，正常风速；5 m/s，风速较大。将泄漏孔径、泄漏方向、风向和风速等4个参数进行排列组合，得到人群密集高后果区泄漏三维数值模拟方案，共90种方案。图4所示为不同工况组合下的代表性气体泄漏云图，整个气体云可视质量分数为1 000×10-6，折算后H2S质量分数为10×10-6。这些云图包括：5 mm孔径+向西泄漏+西风向+3 m/s风速下气体泄漏云图；25 mm孔径+向西泄漏+西风向+3 m/s风速下气体泄漏云图；100 mm孔径+向西泄漏+南风向+3 m/s风速下气体泄漏云图；100 mm孔径+向西泄漏+西风向+3 m/s风速下气体泄漏云图；100 mm孔径+向东泄漏+西风向+5 m/s风速下气体泄漏云图；100 mm孔径+向北泄漏+南风向+1 m/s风速下气体泄漏云图。

图3 高速公路穿越高后果区气体泄漏扩散云图

3 含硫天然气集输管道泄漏应急计划区划分

应急计划区，是指为在发生事故时能及时有效地采取保护公众的防护行动，事先在高后果区周围建立的，制定有应急预案并做好应急准备的区域。基于 H2S 毒性负荷的山区含硫气井 EPZ应急计划区划分方法[10]，考虑了山区复杂地形和RH2S等因素对 H2S 毒性负荷的影响。计算公式如下：

(1)

式中：RH2S为不同 H2S 释放速率；REPZ为EPZ 边界毒性负荷的最大扩散半径。含硫气井 EPZ 的边界定义为：质量浓度为144.14 mg/m3的H2S泄漏60 min时的气体毒性负荷最大扩散距离。

根据集输管道含硫天然气泄漏扩散特点，以及相关标准中不同H2S含量对人体的危害，确定了应急计划区划分标准(见表1)。

表1 应急计划区划分标准

图4 人群密集高后果区气体泄漏扩散云图

3.1 高速公路穿越高后果区应急区域划分

根据含硫天然气管道泄漏三维数值模拟结果可知，小孔径泄漏和中孔径泄漏的气体量不大，对应的H2S质量分数比较小，对高速公路上的车辆人员没有危害，高后果区内的人员不用撤离。大孔径泄漏的气体量相对较大，能达到H2S质量分数安全临界值20×10-6和危险值100×10-6；泄漏源附近的H2S质量分数更高，会对高速公路上的车辆人员造成一定的危害，应该对其采取相应的应急措施。图5所示为高速公路穿越高后果区应急区域划分图。该区域包括100 mm孔径+向上泄漏+风向东南+风速1 m/s工况下划分的应急区域。其中，灰色区域为5 min内H2S质量分数达到20 ×10-6的泄漏范围，气体扩散的最远距离为355 m；蓝色区域为5 min内H2S质量分数达到100 ×10-6的泄漏范围，气体扩散的最远距离为148 m。

图5 高速公路穿越高后果区应急区域图

3.2 人群密集高后果区应急区域划分

图6所示为人群密集高后果区应急区域划分图。该区域包括100 mm泄漏孔径+向东泄漏+风向南+风速3 m/s工况下划分的应急区域。其中，灰色区域为5 min内H2S质量分数达到20×10-6的泄漏范围，气体扩散的最远距离为223 m，蓝色区域为5 min内H2S质量分数达到100×10-6的泄漏范围，气体扩散的最远距离为178 m。

4 结 语

大孔径泄漏容易使H2S大量积聚，H2S质量分数最高可达到100×10-6，危害较大。含硫天然气扩散范围受泄漏孔径、风速、风向、泄漏方向共同作用的影响，其中风速、风向对含硫天然气扩散方向及范围影响较大，泄漏孔径大小和泄漏方向主要影响气体的积聚浓度。对于高后果区域，应重点加强H2S泄漏监测和对居民的安全教育。若一旦发生泄

漏事故，应对蓝色应急区域内人员紧急疏散，或者在该区域内设置交通禁行标志，原则上该区域内不宜有居民继续居住；对于灰色应急区域，应加强H2S泄漏情况监测，提醒该区域内居民有序疏散，或禁止过往车辆入内及通行。