YC天然气输气站泄漏后果数值模拟分析

程智勇

大庆油田有限责任公司采气分公司

输气站作为天然气管网系统的一个重要枢纽,一般位于天然气井与天然气处理厂之间,起到汇集天然气、初步气液分离、增压外输等作用,其各类设备安全、平稳、高效运行是保证天然气供应的关键.输气站的管道及装置均为带压运行,在发生泄漏时造成气体快速扩散;设备或管道因阀门内漏、腐蚀、安装质量差、温度骤变等原因,极易引起气体泄漏;放空设施故障会导致天然气的聚集,易造成火灾;在设备检修过程中由于违章动火作业,易引起爆炸.由此可见,油气管线泄漏不仅会污染环境,而且会造成大量的经济损失和社会危害[1].

天然气的主要成分为各类烷烃类混合物,其中以甲烷为主,含有少量乙烷、丙烷、丁烷;部分地层采出的天然气还含有硫化氢,为剧毒物,吸入少量高浓度硫化氢可于短时间内致命.空气中天然气的体积分数达到5%~15%时为其爆炸极限[2].当输气站发生泄漏时,管道、压力容器中的天然气快速扩散至空气中,极易达到天然气的爆炸极限,如遇明火易导致火灾爆炸事故,造成严重的经济财产损失和环境污染,甚至人员伤亡[3].因此,对于特定的输气站,根据其所处环境、设备性质等条件模拟天然气泄漏时的波及范围,对预防和降低输气站场事故具有重要的现实意义.

1 YC输气站气源计算

YC站内的天然气源于北内环MX线已处理的净化气,由YC站《天然气气质分析资料报告表》可知,YC站内净化气含有少量的二氧化碳和硫化氢,其具体成分见表1.

表1 YC输气站气质成分Tab.1 Temperament composition of YC gas transmission station

表2 YC站天然气理化参数Tab.2 Natural gas physical and chemical parameters of YC station

本文中所涉及的气象条件有大气稳定度为F、风速为1.5 m/s,大气稳定度为D、风速为1.5 m/s,大气稳定度为D、风速为5 m/s 3种情况;且设定此时大气温度为9.85℃,大气压力为101.3 kPa,大气相对湿度为0.7.

2 泄漏量计算

天然气泄漏的前提是管道或容器失效,主要讨论破孔和完全破裂2种情况[5].天然气泄漏速率的计算是进行泄漏模拟的前提,泄漏速率计算结果的精确性与整个泄漏模型密切相关.目前常用的泄漏速率模型有2种:瞬间泄漏模型和持续稳定泄漏模型.针对管道泄漏,可以根据泄漏孔的大小建立不同的模型,泄漏孔尺寸见表3.

表3 失效后果计算采用的泄漏孔尺寸Tab.3 Leakage hole size used for calculation of failure consequences

(1)小孔模型.当泄漏孔孔径小于25 mm以下时,假设管内压力不随泄漏而发生变化,忽略摩擦的影响,气体泄漏率恒定.由伯努利方程推导得到气态燃气的泄漏量,燃气泄漏的质量流量与其流动状态有关[6].

式中:qmG为气体泄漏的质量流量,kg/s;Cdg为气体泄漏系数,泄漏孔为圆形时取1.00,三角形时取0.95,长方形时取0.90,由内腐蚀引起的减缩小孔取0.90~1.00,由外腐蚀或外力冲击所形成的渐扩孔取0.60~0.90;κ为气体绝热指数(也称比热比),双原子气体取1.4,多原子气体取1.29,单原子气体取1.66;M为燃气的摩尔质量,kg/mol;R为气体常数,8.314 J/(mol.K);T为气体温度,K;A为泄漏孔面积,m2;p为容器内介质压力,Pa;p0为环境压力,Pa;

(2)大孔模型.当管内为亚音速流,泄漏孔为音速流时,则满足以下关系式[7]

(3)计算结果.不同孔径泄漏量计算结果见表4.

表4 不同孔径泄漏量计算结果Tab.4 Calculation result of leakage amount for defferent aperture

3 失效后果及分析

利用DNV PHAST软件,以干管泄漏孔径为6.4 mm、大气稳定度为F、风速为1.5 m/s为例,进行失效后果模拟(图1、图2和图3).

图1 中心线浓度与距离的关系Fig.1 Relationship between centerline concentration and distance

图2 气团近地浓度Fig.2 Air mass near-ground concentration

图3 气团扩散浓度(侧视)Fig.3 Air mass diffusion concentration(side view)

在天然气泄漏扩散浓度图中,A区域天然气浓度大于120 mg/L,高于YC站天然气爆炸上限,为准危险区域;B区域天然气浓度为32~120 mg/L,处于YC站天然气爆炸界限内,一旦出现明火源,将会发生爆炸,为危险区域;C区域天然气浓度为16~32 mg/L,低于YC站天然气爆炸下限,为安全区域;绿色区域以外区域天然气浓度低于16 mg/L,同样为安全区域[7].

准危险区域约在下风向2.49 m以内;危险区域约在下风向2.49~12.73 m以内;更外围的区域都为安全区域.各个区域气体扩散浓度范围面积见表5,扩散产生的热辐射强度见图4.

表5 气体扩散各浓度范围面积Tab.5 Gas diffusion range of each concentration range

图4 热辐射强度曲线Fig.4 Thermal radiation intensity curve

爆炸燃烧而产生的热辐射将会对人员和设备造成伤害和破坏,表6反映了不同的热辐射值所造成的伤害情况[8].

表6 热辐射值与破坏程度的对应关系Tab.6 Correspondence between heat radiation value and damage degree

由热辐射强度曲线可得辐射影响范围,具体数据见表7,由爆炸引起的超压影响范围见图5.

图5 爆炸超压影响范围Fig.5 Explosion overpressure range

爆炸的发生会使周围空气局部压力剧增从而超压,产生的冲击波和爆炸噪声都会导致人员死伤、设备破坏、建筑倒塌[9].爆炸强度及其对工艺设备和建设物的危害程度见表8,对人员的伤害程度见表9.

表7 热辐射影响距离计算明细Tab.7 Calculation details of heat radiation influence distance

表8 爆炸对建筑物造成的破坏Tab.8 Damage to building damage

表9 爆炸对人员的伤害Tab.9 Damage to personnel caused by explosion

由图5可知,若发生爆炸,在爆炸中心3.6 m处,爆炸冲击波大于100 kPa,大部分人员会死亡,除防地震建筑物外,其余建筑物都会破坏;在距爆炸中心3.6~5.5 m内,爆炸冲击波为50~100 kPa,导致此范围内人员的内脏严重损伤或人员死亡,钢骨架和轻型钢筋混凝土建筑物将会被破坏;在距爆炸中心5.5~7.4 m内,爆炸冲击波为30~50 kPa,该范围内的人员将受到中等损伤,表现为听觉器官损伤、内脏轻度出血、骨折等,建筑物将遭显著破坏;在距爆炸中心7.4~9.5 m内,爆炸冲击波为20~30 kPa,该范围内的人员将会有轻微挫伤,建筑物会有部分破坏;在距爆炸中心9.5 m以外,爆炸冲击波低于20 kPa,建筑物只有部分损坏,可视为安全区域[10-12].

4 结论

通过对各种孔径、气候条件下天然气站泄漏后果的模拟,得出以下结论:

(1)在相同气候条件下,天然气泄漏扩散范围在泄漏孔径为6.4、25、102、152和813 mm时依次增大;因此,气体泄漏量随泄漏孔径的增大而增加,气体扩散范围也随泄漏量的增加而扩大.

(2)当泄漏孔径相同、环境风速一样时,大气稳定度为D较之大气稳定度为F朝下风向扩散距离远.这说明大气条件越稳定,气体越不容易向高空和远处消散,而是贴近地面扩散;大气稳定度越差,空气垂直对流运动越强,泄漏气体消散速度就越快.

(3)当泄漏孔径相同、大气稳定度一样时,风速为5 m/s较之风速为1.5 m/s在下风向气体泄漏浓度小.风速对扩散有显著的影响,高的风速更有利于气团的扩散.一方面,风加剧了气云的平流输送作用;另一方面,风速增大,气体稀释,扩散的过冷气体温度迅速上升,从而降低其危害程度.