硫化氢扩散影响因素分析

李旭东，张园园，张巨伟，奚誉宁，韩明桓

（辽宁石油化工大学环境与安全工程学院，辽宁抚顺 113001）

硫化氢是一种重要的化工物料，具有易燃易爆、有毒等特点。管道阀门或法兰密封不良、储罐温度或压力过大、液位过高等因素都可能导致硫化氢泄漏，遇火源可能发生爆炸；若未遇到火源则可能在空气中散逸致人员中毒[1]。不同剂量硫化氢导致人体损害程度不同。分析硫化氢扩散的影响因素，特别是分析随着不同影响因素量的变化导致硫化氢扩散后果的变化情况，对于制定应急救援预案，安排人员疏散具有重要意义。

1 理论简介

硫化氢扩散后果以湍流扩散微分方程为基础进行分析[2]。根据泄漏原因有连续泄漏和瞬时泄漏，扩散模型根据泄漏类型分为烟团模型和烟羽模型。

1.1 瞬时泄漏分析

如果石油化工装置爆破片破裂、安全阀错误开启或者管道发生断裂、石油化工装置发生冲料、放空阀门异常开启等导致大量介质瞬间泄漏，扩散后果用烟团模型来描述，烟团模型分为无风烟团模型和有风烟团模型[3]。

1.1.1 无风情况

无风情况下泄漏扩散后果模型[4-5]见式（1）。

式中：C为气云浓度，kg/m3；Q为泄漏源强，kg/s；Kx、Ky、Kz为x、y、z湍流扩散系数；x，y，z为x，y，z轴；t为时间，s。

1.1.2 有风情况

有风情况下泄漏扩散后果模型[6-8]见式（2）。

式中：u为环境风速，m/s。

1.2 连续泄漏分析

连续泄漏一般发生在石油化工装置出现穿孔、裂纹等，导致介质长时间缓慢持续泄漏。介质扩散过程类似羽毛一样缓慢飘散称作烟羽模型[9-11]。烟羽模型需要考虑无风和有风两种状况。

1.2.1 无风情况

无风情况下泄漏扩散后果模型[12-13]具体见式（3）。

1.2.2 有风情况

有风情况下泄漏扩散后果模型[14-16]具体见式（4）。

2 MATLAB 数值模拟及影响因素分析

2.1 数值模拟条件

硫化氢的扩散受到风速、大气稳定度、源高、源强等因素影响，该文采用MATLAB软件模拟多因素对硫化氢扩散后果的影响。模拟过程中只让某一种因素的量值发生变化，其它因素保持固定，分析扩散后果的变化情况。模拟的参数为：地形平坦，有风，硫化氢连续泄漏，大气稳定度为中性。

通过模拟软件对有风连续烟羽模型下的6 种不同情况进行扩散后果模拟。具体模拟参数如表1 所示，模拟结果如图1所示。

表1 扩散后果模拟参数

2.2 模拟结果分析

条件（1）模拟结果如图1（a）所示。在横轴x等于41 m 处硫化氢达到峰值浓度，峰值浓度为374.26 mg/m3。条件（2）源强变为原来的2倍，模拟结果如图1（2）所示，峰值浓度变为748.52 mg/m3为原来2倍，仍出现在x等于41 m处。

条件（3）源强变为原来的4倍，硫化氢峰值浓度模拟结果为1 497.04 mg/m3（模拟图省略），峰值浓度亦变为原来4 倍。说明扩散峰值浓度会随着泄漏源强的增加呈等倍数变化，但峰值出现位置不变。

条件（3）风速变为2倍。模拟结果如图1（3）所示，硫化氢峰值浓度变为187.13 mg/m3，为原来1/2，仍出现在x等于41 m处；当模拟条件为：源高H＝8 m，源强Q＝0.35 kg/s，风速u＝12 m/s，风速变为条件（1）4倍，模拟结果硫化氢峰值浓度为93.56 mg/m3（模拟图省略），峰值浓度变为原来的1/4倍。说明泄漏峰值浓度会随着风速的增加成相反倍数的变化，但是峰值出现在x轴的位置不变。风速对峰值浓度的出现具有稀释作用。

条件（4）和（1）相比，源高变为原来的2倍。模拟结果如图1（4）所示，硫化氢峰值浓度由374.26 mg/m3改变为93.76 mg/m3，峰值浓度变为原来的1/4倍，峰值浓度出现在x等于82 m处；

条件（5）和（1）相比，源高为原来4 倍，模拟结果如图1（5）所示，硫化氢峰值浓度为23.53 mg/m3，为原来的1/16 倍，峰值浓度出现在x等于166 m处；

条件（6）和（1）相比，源高为原来8 倍，模拟结果如图1（6）所示，硫化氢峰值浓度为5.92 mg/m3，为原来的1/63，峰值浓度出现在x等于341 m 处；可看出源高对扩散区域峰值影响较大，随着源高增高，扩散区域峰值浓度下降较快。随着源高的变化，扩散峰值所在x轴的位置基本与源高呈等比例变化。

图1 6种情况模拟结果

3 模拟结果的应用分析

硫化氢泄漏后最关键的问题是组织人员疏散。以上模拟结果对于组织人员疏散和制定应急救援预案具有重要的指导意义。

根据模拟结果可知：源强和风速的变化不会影响硫化氢扩散后峰值浓度出现的位置，但是源高的变化会影响硫化氢扩散后峰值浓度出现的位置，所以管理人员在应急救援疏散的时候可以根据以上规律，避开硫化氢峰值浓度出现的区域，组织人员向远离峰值浓度出现的区域疏散。

4 结论

（1）该文分析了硫化氢连续泄漏过程中，源强、平均风速、泄漏源高度呈倍数变化后扩散区域峰值的变化的结果，扩散区域峰值所处x位置的变化结果。

（2）模拟结果表明，源强、平均风速、泄漏源高度的变化都会影响扩散区域硫化氢峰值浓度。源强的增加会增加扩散区域硫化氢峰值的浓度，泄漏峰值浓度会随着泄漏源强的增加等倍数的变化，但不会改变硫化氢峰值浓度出现的区域。平均风速的增加会稀释扩散区域硫化氢峰值的浓度，泄漏峰值浓度会随着平均风速的增加呈相反倍数的变化，不会改变硫化氢峰值浓度出现的区域。随着泄漏源高度的增加，扩散区域硫化氢峰值浓度显著下降。

（3）石油化工企业硫化氢中毒事故造成严重后果，以上研究结果对企业安全预防具有重要意义。