含硫气田水罐爆炸可能性探讨

高晓根 邓 翔 周潮光 张 镨

1. 中国石油西南油气田公司天然气研究院, 四川 成都 610213; 2. 中国石油西南油气田公司川中油气矿, 四川 遂宁 629000; 3. 四川长宁天然气开发有限责任公司, 四川 成都 610056

0 前言

天然气作为一种绿色清洁能源,具有广阔的发展前景,其开发和利用越来越受到人们重视[1]。可燃性气体爆炸是天然气行业安全危害之一,随着国家安全环保要求的日益提高,企业和研究学者日益关注行业主要生产环节的可燃性气体爆炸风险[2-5]。含硫气田水的储存作为气田生产辅助的一部分,中毒风险已逐步被大家所熟知[6-9],然而由于作业过程的特殊性,其爆炸风险却少有提及。本文分析含硫气田水的储存过程中的爆炸风险,通过建立计算模型,帮助生产管理者了解爆炸可能性的计算方法,从而优化生产过程,减少安全风险。

1 爆炸可能性分析

1.1 工作过程及特点

含硫气田开采过程中,井口采出的高压含硫天然气经气液分离得到的含硫气田水先存储于站内的含硫气田水罐,再拉运或转输至回注站或处理站,典型流程见图1。

含硫气田水从高压分离器到达接近常压的含硫气田水罐，由于压力降低以及输送到达新罐中流动扰动导致液面饱和蒸气压下降,都会闪蒸出一部分溶解在气田水中的H2S、CO2、烃类及有机硫等气体[10],合称闪蒸气。由于含硫气田水罐的非连续进水及不定期转水,闪蒸气的压力产生波动变化,分离器排水时压力最大,排水结束后逐渐趋于稳定,含硫气田水罐向外转水时压力逐渐下降,转水结束压力逐渐恢复,由于含硫气田水罐转水导致的罐内液体体积急速下降,为了平衡管内压力,含硫气田水罐与大气相连的呼吸管或多或少将倒吸进入空气。典型站场含硫气田水闪蒸气常规组分见表1。

图1 典型含硫气田水处理系统图Fig.1 Typical work process of water treatment system in sour gas field

表1 典型站场含硫气田水闪蒸气常规组分表

Tab.1 Conventional components of water flash steam in typical sour gas field (%)

取样点φH2SφHeφH2φO2φN2φCO2φCH4φC2φC3+西眉清管站6.320.010.061.387.4413.3771.340.08—西区集气站9.970.010.30—0.0520.2669.340.07—磨溪22井区试采集气站20.92—0.03—0.0936.5642.370.03—北6集气站8.72—0.028.0136.0720.3226.830.03—

从表1可以看出,闪蒸气主要组成为H2S、CO2、CH4,其中西眉清管站和北6集气站气田水闪蒸气中检测出N2和O2,氮氧比接近4,可知有空气进入。

1.2 爆炸可能来源

爆炸是一种急剧的物理或化学变化过程,是在限制状态下系统潜能突然释放并转化为机械能而对周围介质发生作用的过程。爆炸伴随着巨大的能量释放,表现的破坏形式有多种,冲击波是爆炸最直接、最主要的破坏力量。如果容器发生爆炸,一部分能量会驱动容器破裂产生的碎片对外界目标形成打击作用,工业中的爆炸事故通常伴随碎片打击伤害[11]。

可燃性气体爆炸是工业生产领域爆炸灾害的主要形式之一,自1857年英国发生城市煤气管道爆炸以来,许多学者就开始了对气体爆炸的研究工作[12]。近年来,各种工业场所可燃性气体火灾爆炸事故已屡见不鲜,严重威胁着天然气储运、石油化工等行业安全生产,给人民生命财产带来极大危害。

众所周知,密闭空间爆炸的产生必须同时具备三个基本条件,即可燃物质、可燃物质与空气(或O2)混合达到爆炸浓度、引起爆炸的引燃能量。从含硫气田水罐的工作过程中可知,含硫气田水罐上部气相空间存在可燃气体(主要为CH4和H2S),若转水结束形成负压可能将环境中的空气倒吸入罐,形成爆炸性混合气体。对于金属罐体和管道,静电火花可能形成点火源,腐蚀产物FeS遇到O2将产生自燃,另外,含硫气田水罐放散管往往紧挨放空火炬,少数井站甚至同时将长明火点燃,若产生回火,将导致含硫气田水罐具备点火条件，存在爆炸的可能。如果通过研究发现含硫气田水罐内闪蒸气爆炸规律,预测整个爆炸过程,则可有效提出减灾防灾措施,最大程度减少由于爆炸所造成的损失。

2 爆炸过程计算方式探索

2.1 气体爆炸原理

可燃物质(可燃气体、蒸气和粉尘)与空气(或O2)必须在一定的浓度范围内均匀混合,形成预混气体,遇火源才会发生爆炸,这个浓度范围称为爆炸极限或爆炸浓度极限。可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度,分别称为爆炸下限和爆炸上限[13](或着火下限和着火上限),爆炸上下限的范围越宽,爆炸的危险性越大[14]。可燃气体混合物在低于爆炸下限时不爆炸也不着火,高于爆炸上限不爆炸但会着火。这是由于前者的可燃物浓度不够,过量空气的冷却作用,阻止了火焰蔓延;而后者则是空气不足,导致火焰不能蔓延。当可燃物的浓度大致相当于反应当量浓度时,具有最大的爆炸威力(即根据完全燃烧反应方程式计算的浓度比例)。爆炸极限是在常温、常压等标准条件下测定出来的,这一范围随着初始温度、压力、氧含量、惰性介质、点火能、容器材质及尺寸等条件的变化而有所变化[15-17]。

2.2 含硫气田水罐可能的爆炸极限计算方式

含硫气田水罐中气相空间中主要含H2S、CH4和CO2,前两者为可燃物质,其在空气中的爆炸极限见表2[18]。CO2为惰性气体,可知该体系为含惰性气体的爆炸混合气体。

表2 含硫气田水罐内可燃气体在空气中的爆炸极限表

Tab.2 Explosion limits of flammable gases of water tank in sour gas field

气体空气中的爆炸极限/(%)下限上限CH45.015.0H2S4.345.5

可燃气体爆炸是工业中最常见的一种爆炸事故形式,根据爆炸气体的组成情况,爆炸一般可划分为两大类:一类是可燃单一气体爆炸,另一类是可燃混合气体爆炸[19]。从含硫气田水罐闪蒸气的组成来看属于含惰性气体(CO2)的可燃混合气体爆炸。

判断可燃单一气体的浓度是否处于爆炸极限范围内对照表1进行检查即可,若要计算可燃混合气体,尤其是含惰性气体的可燃混合气体爆炸极限,则需要根据理·查特里公式及其修正公式进行推导,由于本体系属于含惰性气体(CO2)的可燃混合气体,可根据以下步骤计算[20-21]。

1)不含惰性气体的可燃气体混合物爆炸极限：

(1)

式中:L为不含惰性气体的可燃混合气体爆炸极限(上限或下限)，%;φi为单一可燃气体在不含惰性气体燃气中所占的体积含量，%;Li为单一可燃气体的爆炸极限(上限或下限)，%。

2)不含O2、含惰性气体的可燃气体混合物爆炸极限:

(2)

式中:LD为含惰性气体的可燃混合气体爆炸极限(上限或下限),%;φD为惰性气体在混合燃气中所占的体积含量,%。

2.3 爆炸混合物的形成过程模拟

图2 含硫气田水罐工作过程示意图Fig.2 Schematic diagram of working process of water tank in sour gas field

含硫气田水罐工作过程见图2。转水前由于罐内处于最高液位,罐内微正压,顶部气相空间内全部是可燃气体和惰性气体的混合物。转水时,液位逐渐下降,气相空间突增,罐内压力逐渐下降,空气由放散管进入并与原罐内可燃气体混合,转水结束时液位降至最低,O2含量最大,当再次有气田水进入罐内,罐内重新闪蒸出可燃气体,罐内的混合气体就会从呼吸管溢出,罐内可燃气体的含量将逐步增加。

因此,可以设定最高液位时的气相空间为初始点,体积V1,爆炸极限为LD上和LD下,液位下降过程中进入的空气量等于转出水量Qi,此时可燃气体体积含量为φi(φi=100V1/(V1+Qi)),判断若LD下≤φi≤LD上,说明此工况形成的混合气体具有爆炸风险,否则则没有。

3 案例分析

以三个生产站场A站、B站、C站为例,污水罐体积均为56.6 m3,最高转水液位均为1 800 mm,根据初始气质按式(1)～(2)可以计算其爆炸上限和爆炸下限,站场基本情况见表3。

表3 站场基本情况表

Tab.3 Basic situation of Natural gas station

站场气田水罐体积/m3转水最高液位/mm最高液位对应气量/m3φH2S/(%)φCH4/(%)φCO2/(%)混合气体爆炸下限/(%)混合气体爆炸上限/(%)A站56.61 8009.921672.411.64.4918.89B站56.61 8009.921070.020.05.3019.66C站56.61 8009.922550.025.04.1724.20

通过前文建立的计算方法,可绘得A站、B站、C站转水过程中不同液位下对应闪蒸气含量及与爆炸极限关系,见图3～5。

图3 A站转水中含硫气田水罐液位和闪蒸气含量关系图Fig.3 Relationship between water level and flash gas content in transferring of gas field water tank-station A

图4 B站转水中含硫气田水罐液位和闪蒸气含量关系图Fig.4 Relationship between water level and flash gas content in transferring of gas field water tank-station B

图5 C站转水中含硫气田水罐液位和闪蒸气含量关系图Fig.5 Relationship between water level and flash gas content in transferring of gas field water tank-station C

从图3～5可知,A站转水至130 mm以下,B站转水至230 mm以下,C站转水至645 mm以下时,混合气体含量处于爆炸极限范围内。若要避免形成爆炸极限范围的爆炸混合物,应控制转水最低液位在极限液位(达到爆炸极限的最低液位)以上。

目前,大多数新建站场在呼吸管上均设有阻火器,防止火苗从呼吸管回火导致含硫气田水罐发生爆炸,但阻火器若设置不合理或者失效卡堵可能导致紧急放空不畅,亦存在含硫气田水罐超压爆裂的风险,若能结合爆炸极限的计算进行预测,根据预测结果综合考虑阻火器的设置,考虑改变工作模式,转水时采用手动分离器进水的方式,或采用向含硫气田水罐内补气的方式维持污水罐一定的微正压,并控制转水速度,缓慢转水,以阻止空气进入。在没有其他防范措施条件下,应尽量限制转水液位在最低转水液位之上。

以含硫气田水罐容积20 m3为例,含硫气田水罐每次转水13 m3,剩余缓冲5 m3空间,转水前压力0.2 MPa,转水后避免压力<0 MPa,若没有进水补充,转水结束时,气相空间为18 m3,而转水前压力0.2 MPa,5 m3气相空间最多释放为15 m3常压气体,剩余3 m3气相空间不能覆盖,因此可能形成负压,如果每次转水10 m3,则不会形成负压。反之同理,如果需要转水13 m3,则需要转水前压力达到0.26 MPa。

此外,为了减少FeS自燃导致的爆炸事故,建议优先考虑采用非金属管道和设备,开罐检维修前进行N2吹扫。此外,为防止静电火花导致爆炸,需要做好设备的防静电接地。

4 结论

当前工作模式下含硫气田水罐转水过程中可能导致爆炸混合气体形成,爆炸极限可根据含惰性气体的混合可燃气进行计算。应明确在液位下降过程中可燃气体浓度是否会在爆炸极限范围内,为降低爆炸风险,优先考虑改变工作方式,维持罐内微正压以防止空气进入,针对转水存在爆炸风险,建议在呼吸管上设置阻火器,做好防静电接地,采用非金属管道和设备,在开罐检维修前进行N2吹扫等等。