高含硫天然气站场泄漏扩散数值模拟分析*

杨圆鉴 赵志杰 朱愚 黄杰 林灿

(1.重庆科技学院安全工程学院(应急管理学院) 重庆 401331；2.中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司重庆气矿 重庆 404100)

0 引言

高含硫天然气田中含有的H2S是一种无色、比空气重的剧毒气体，严重影响着公众的安全[1]。天然气站场在天然气生产和运输过程中起着重要的枢纽作用，由于站场内部工艺较为复杂，设备类型多样且承压较高，故站场存在较高的泄漏风险[2]。相比常规天然气，含硫天然气一旦发生泄漏，若应急处理不到位，将可能导致更严重的安全事故。例如2003年“12·23”中石油川东北气矿事故，共波及重庆市开州区4个乡镇，造成243人死亡、6.5万居民疏散和9.3万人受灾[3]。针对含硫天然气站场泄漏事故开展数值模拟分析，能准确预测突发事件下的H2S浓度分布范围，从而为应急疏散和救援提供依据。

含硫天然气在大气中的扩散属于气体污染物在大气中的扩散范畴，众多学者已对该领域进行了较为深入全面的研究并建立了一系列模型，主要有高斯(Gaussian)模型、Sutton模型、BM(Britter and Mc Quaid)模型、FEM3(3-D Finite Elelment Model)模型、重气模型、板块模型等[4]。在气体扩散理论模型方面，国外研究起步较早，并进行了大量开创性研究；国内学者主要将不同模型应用到不同条件下进行案例研究并优化模型，这些模型从研究方法及计算公式方面对经典模型进行了不同程度的修正。近年来，关于天然气泄漏扩散的理论分析已趋于成熟，研究趋势是基于CFD软件考虑实地地形因素并结合气象场，利用先进的污染物扩散模型对泄漏后的天然气进行模拟以将扩散规律及区域可视化。

鉴于此，本文以某含硫天然气站场为例，利用CFD模拟软件FLACS构建站场设备三维立体模型，模拟不同泄漏源与泄漏量下的气体扩散特性，并对其危险区域进行分析探讨。

1 模型及其边界条件

1.1 数学模型

天然气在泄漏过程中遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，控制方程[5]如下：

连续性方程:

(1)

式中，ρ为流体密度，kg/m3；ui为x或y方向的速度，m/s。

动量方程:

(2)

式中，f为单位质量力矢量，m/s2；u为速度，m/s；μ为动力粘度，Pa·s；p为流体微元上的压力，Pa。

能量方程:

(3)

式中，E为流体微团总能，J；hj为组分j的焓，J/kg；keff为有效传导系数，cm2/s；Jj为组分j的扩散通量，mol/(m2·s)。

1.2 物理模型建立

利用FLACS前置建模软件对站场开展三维精细建模，如图1所示，站场长为40 m，宽为100 m，中间设置有分离器、收发球装置、井口装置、水套炉以及各种管线。

图1 站场三维模型

1.3 网格划分

选取站场40 m×100 m、垂直方向20 m为核心区域，由于泄漏口附近气体的泄漏速度和压力随时间的变化较大，需要对泄漏口附近的网格密集化处理，随着气体的扩散慢慢趋于平衡，在满足计算的同时可将网格进行稀疏，以提高计算效率。对核心区域网格尺寸选取为2 m一个网格，扩展区域网格以1.19倍为单位向周边延伸，如图2所示。

1.4 参数条件设置

根据现场实际情况，分别选择站场分离器及管道开展泄漏扩散模拟。该站场处理的含硫天然气为多组分混合气体，其中主要成分为甲烷、二氧化碳、硫化氢，成分比例分别为84.35%、8.48%、7.17%。为便于研究，其他组分暂忽略不计。

图2 网格划分

站场所处地区常年平均风速约2 m/s，风向以东北风为主。结合站场所处位置的实际情况及周边人居分布的方向，设置模拟风速为2 m/s，风向为NE。

根据《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046—2013)，孔口泄漏场景可划分为小孔泄漏、中孔泄漏和大孔泄漏，不同泄漏孔径范围及代表值如表1所示。

表1 泄漏场景划分 mm

2 模拟结果及分析

2.1 管道泄漏模拟

天然气管道泄漏形式在多数情况下为孔口泄漏。假设天然气在管道内的流动为等温流动，在泄漏点的流动为等熵流动，并将孔口泄漏瞬间的流动视为一维流动，建立起以圆形孔口为基础的孔口泄漏模型，模型示意如图3所示。

图3 管道孔口泄漏模型示意

在天然气管道发生孔口泄漏时，若泄漏孔径较小，则可将整个泄漏过程视为稳态泄漏。假设管道内压力不受泄漏影响发生变化，气体膨胀过程为等熵过程，同时忽略管道壁摩擦的影响，可将管道泄漏时的初始泄漏流量作为整个泄漏过程中的恒定流量。

2.1.1 小孔泄漏

管道发生小孔泄漏时，泄漏的气体流量较小，所以泄漏危险性相对较小。针对小孔泄漏毒性影响范围，硫化氢体积分数≥0.000 2%的影响范围达到峰值时的浓度分布情况如图4(a)所示，影响范围前沿距泄漏口的距离为332 m，最大宽度为170 m；硫化氢体积分数≥0.002%的影响范围达到峰值时的浓度分布情况如图4(b)所示，影响范围基本位于站场内部，前沿距泄漏口的距离为83 m，最大宽度为20 m。

(a)体积分数≥0.000 2%

2.1.2 中孔泄漏

发生中孔泄漏时，泄漏的气体量比小孔泄漏的大，硫化氢毒性影响范围迅速扩大，其浓度迅速达到危险浓度临界值。站内管道发生中孔泄漏约240 s时，硫化氢毒性影响范围达到峰值，其浓度分布如图5所示。可以看到，当硫化氢体积分数≥0.002%的影响范围达到峰值时，前沿距泄漏口的距离为340 m，最大宽度为190 m；当硫化氢体积分数≥0.01%的影响范围达到峰值时，前沿距泄漏口的距离为254 m，最大宽度为135 m；当硫化氢体积分数≥0.03%的影响范围达到峰值时，前沿距泄漏口的距离为125 m，最大宽度为72 m。

(a)体积分数≥0.002%

2.1.3 大孔泄漏

大孔泄漏后的情况比较严重，泄漏的气体流量大，泄漏速率较高，硫化氢危害范围迅速扩大，其体积分数能达到0.1%以上。在硫化氢危害毒性影响范围达到峰值时，不同浓度的分布如图6所示。可以看到，此时毒性影响范围前沿距泄漏口的距离分别为366、276、242、207 m，最大宽度分别为254、174、152、133 m。

(a)体积分数≥0.002%

总结不同泄漏孔径下的硫化氢毒性影响范围如表2所示。由表可知，管道泄漏后的硫化氢气体云团的前沿距离及宽度随泄漏孔径的扩大而增加，其中低浓度云团的距离范围先迅速增大然后缓慢增大，且在大孔泄漏条件下，随着云团浓度的增加，云团距离下降较慢，中高浓度云团占比会相应扩大。

2.2 分离器泄漏模拟

分离器在泄漏初期的内部压力较大，泄漏孔径越大，气体喷射而出的初始泄漏流量越大。由于分离器的容积有限，随着压力的不断降低，泄漏流量由初始泄漏流量迅速下降，且大部分天然气在泄漏初期就可全部泄漏出来。随着泄漏孔径的减小，动态泄漏流量与初始泄漏流量的差距减小，泄漏持续时间增加。因此，分离器的泄漏事故表现出大孔径迅速泄漏、小孔径持续泄漏的特点。

表2 不同泄漏孔径条件下硫化氢的毒性影响范围 m

由于分离器的体积是固定的，故发生泄漏的气体总量是有限的，以大孔泄漏为例，只需约20 s，分离器内的气体就可几乎完全泄漏。针对大孔泄漏情况，从不同时间节点出发，进一步分析硫化氢的浓度分布。当气体完全泄漏后，短时间内会形成含硫天然气云团，由于云团携带初始动能，故会继续扩散。分离器发生大孔泄漏后不同时刻硫化氢体积分数≥0.002%分布情况如图7所示。可以看出，在泄漏30、50、100、120、150、200 s时，硫化氢毒性影响范围在短时间内呈现扩大趋势，并随着扩散缓慢缩小。在泄漏约100 s时，硫化氢体积分数≥0.002%的影响范围达到峰值，其长度为168 m，宽度为93 m。此后，硫化氢的毒性影响范围逐渐减小，特别是在约150 s时减小得比较迅速，直至约220 s时完全稀释消散。

(a) t=30 s (b) t=50 s (c) t=100 s

(d) t=120 s (e) t=150 s (f) t=200 s图7 分离器大孔泄漏下不同时刻云团分布

3 结论

本文利用CFD软件FLACS对某高含硫天然气站场分离器和管道开展了泄漏扩散模拟，通过对模拟结果分析得出以下结论：

(1)泄漏口处硫化氢浓度最高，并且沿着泄漏射线方向降低，直至扩散稀释到无毒。

(2)随着泄漏孔径的增大，气体泄漏速率增大，云团前沿距离与宽度增大，硫化氢气体毒性影响范围扩大。

(3)由于分离器的容积有限，发生泄漏后容器内部压力迅速降低，气体泄漏流量迅速下降，特别是当发生大孔泄漏后，气体在短时间内泄漏完，云团迅速扩散稀释。与分离器泄漏相比，在相同泄漏时间内，管道的泄漏量较大，且泄漏后不容易被发现；在相同条件下，管道泄漏后的硫化氢毒性影响范围远大于分离器泄漏后的。