含硫天然气管道破裂硫化氢扩散的影响分析.pdf

石 油化 工安 全 环保 技 术 P E T R O C H E MI C A L S A F E T Y A N D E N V I R 0 N ME N T A L P R O T E C T I O N T E C HN O L O G Y 2 0 1 0年第2 6卷第2期 事 故 分 析 与 预 防 含硫天然气管道破裂硫化氢 扩散的影响分析 张林霞，杨 琴，向启贵，胥云丽 中国石化西南油气田分公 司安全环保与技术监督研究院， 四川 成都6 1 0 2 1 3 摘要 气体扩散过程十分复杂，受诸 多因素的影响。同时，含硫 天然气的运输存在一 定的安全风险，因此 ，研究含硫天然气管道破 裂后硫化氢扩散 的影响范围具有重要 的意义。 通过对不同长度的含硫天然气管道 泄漏后硫化氢扩散影响 范围的分析 ，得 出硫化 氢含量，风 速、破裂面积以及地形地貌对事故后果的影响规律 ，以期为含硫天然气管道 的安全标准提供 参考。 关键词 天然气管道 ；气体扩散 ；硫化氢；风速 ；破裂面积；地形地貌 我国是高含硫气 田储量较多 的国家之一，高 含硫储量已经达到上千亿立方米。随着我 国对石 油天然气能源的依赖程度加深 ，开发利用高含硫 气田的资源具有十分重要的现实意义。但是高含 硫气 田开采具有很大 的难度 ，其生产过程 中会碰 到比低含硫或不含硫气 田更多和更复杂的问题 ， 具有相当大的环境风险和安全风险。而且 国内目 前对于高含硫天然气的开采还处于初期 ，存在一 系列的技术问题尚待解决 ，其中最重要 的是缺乏 公众安全的行业标 准，而国外发达 国家如美 国、 加拿大的相关标准并不适合我 国的情况，尤其是 四川地区的气 田地形为山地结构，且周边人 口稠 密，更不可照搬国外的安全标准以及分级标准。 天然气管道发生泄漏扩散是输气管道事故危害 的根本原因，研究含硫天然气管道公众安全防护问 题 ，需要对硫化氢的扩散规律、影响范围等进行深 入研究。影响天然气管道泄漏后气体扩散的影响因 素包括气象条件，地形、泄漏源位置等。因此，通 过模拟不同长度管道的硫化氢扩散 ，并考虑各种因 素的影响，研究硫化氢扩散影响距离 ，为含硫天然 气管道的安全标准提供参考。 1 扩散模型 1 ． 1 扩散模型比较 国外关于危险胜气体在大气中扩散的研究工 作始于七 、八十年代 ，直到现在该领域的研究还 比较活跃。在此期间，提 出了不少扩散 的计算模 型 ，同时也进行了许多大规模试验。表 1 列 出了 几种主要的扩散模型，包括高斯烟羽模型 ，高斯 烟团模型 ，B M 模 型，S u t t o n模 型及 F E M 3模型 等。高斯模 型只适用 于 中性 气体，模拟 精度较 差 ，但它可模拟连续性泄漏和瞬时泄漏两种泄漏 方式 ，由于提出的时间 比较早 ，实验数据多 ，因 而较为成熟 ，具有模型简单 ，易于理解 ，运算量 小 ，计算结果与实验值能较好吻合等特点 ，使该 模型得到 了广 泛的应用。如美 国环 境保护协会 E P A所采用的许多标准都是以高斯模型为基础而 制定的。 1 ． 2 高斯模型 高斯模型用来描述危险物质泄漏形成的非重 气云扩散行为，或描述重气云在重力作用消失后 的远场扩散行为 J 。 1 泄漏危险源为瞬时排放时，如果排放质 量为 Q k g ，则空间某一点在 t 时刻的浓度 由下 式 得 出 收稿 日期 2 0 0 91 1 一 O 7 。 作者简 介 张林 霞，女，2 0 0 6年毕业 于西 南石油大 学油 气储运专 业，现工作 于西 南油 气 田公 司安全 环 保与技术监督研 究院，工程师。电话 0 2 8 - 8 5 6 0 4 5 5 5 塑 盗 韭 盟 L 熊 堂 一 表 1 各 模型特性比较表 模型名称 适用 对象 适用范围 难 易程度 计算量 计算精度 高斯烟羽模型 中性气体 大规模 、长时间 较易 少 较差 高斯烟团模型 中性气体 大规模 、长时间 较易 少 较差 B M模型 中性或重气体 大规模 、长时间 较易 少 一般 S u t t o n模型 中性 气体 大规模 、长时问 较易 少 较差 F E M 3模 型 重气体 不受限制 较难 大 较好 式 中 下风方向到泄漏源点 的距离 ，IT l ； Y、 z 侧风方 向、垂直 向上方 向的离泄 漏源点的距离 ，m； M 风速 ，m ／ s ； ， ， 分别为 X ，Y ，z 方 向的扩散 参数 ； ￡ 扩散时间，S 。 2 若 泄漏 源 为 连续 排 放 ，泄 漏 速率 为 Q k g ／ s 时 ，则空间某一点在 t 时刻的浓度由下式 得 出 c e x p [ - [ 蓦 妄 ] ] 7r ，M L rr rr J 2 式中符号意义同上。 对于扩散参数 ， ，这里引用 T N O有关的 公式 a X c X 表 2扩散 系数 稳定度级 别 b d A 0 ． 5 2 7 0 ． 8 6 5 0． 2 8 0 ． 9 O B O ． 3 7 1 0． 8 6 6 0． 2 3 0 ． 8 5 C 0 ． 2 0 9 0． 8 9 7 O． 2 2 0 ． 8 0 D O ． 1 2 3 O． 9 O 5 O ． 2 0 O ． 7 6 E 0 ． 0 9 8 0． 9 0 2 O ．1 5 O ． 7 3 F 0 ． 0 6 5 0． 9 0 2 0 ．1 2 O ． 6 7 根据上述两个大气扩散公式 ，即可算 出有毒 气体泄漏后造成的毒害区域。 2 硫化氢泄漏扩散危害分析 H S为强烈的神经性毒 物，对粘膜 有强烈的 刺激作用 ，其毒性较 C O大 56倍 ，几乎与氰 同 样剧毒 。另外硫化氢还为爆炸性气体 ，其爆炸极 限范围为 4％ ～4 6％ 体积 比 。泄 漏 出的含 H S天然气 ，若 自始 自终未遇火源 ，将在其 自身 动量和气象条件下 ，与空气混合、扩散形成毒性 云团，毒性云团中心线浓度随下风 向距 离增加而 变化。 含硫化氢 的油气 生产和天然气 处理装置作 业推荐作法 S Y ／ T 6 1 3 7 ． 2 0 0 5 规定 ，因处于高 浓度 [ 超过 1 5 0 m L ／ m 1 0 0 m l Jm ]的硫化氢 环境 中，人会 由于嗅觉神经受到麻痹而快速失去 嗅觉 ，因此 当检测 到 硫 化氢 浓度 达 1 5 0 m g ／ i n 1 0 0 m L ／ m 时现场作业人员应立即组织撤离 ， 当硫化氢浓度达 3 0 0 mL ／ m 时，会立 即危害生命 和健康 ，导致不可逆转 的影响 ，并影响人员逃离 能力。 泄漏出的含硫化氢天然气 ，若在泄漏 口未遇 火源，将在其 自身动量作用下 ，与空气混合 、扩 散形成毒 性云 团。在 泄漏过 程 中，受到 气质条 件 、气象和气候 、地形地貌 、压力 、管 长、管径 以及破裂面积 、泄漏位置等因素 的影响。在泄漏 过程结束后 ，毒性云团将脱离泄漏点并 向下风向 移动 ，直至被空气完全稀释。 3硫化 氢泄 漏影 响实例 分析 3 ． 1 泄漏速率与泄漏时问 硫化氢 含 量 为 1 O％ 的管 道 6 2 0 0 ，压力 4 M P a 以 1 0 0％A的尺寸泄漏时，其泄漏速率 呈指数急剧下降 ，初始泄漏率 即最大泄漏率 为 3 4 1 k g ／ s 。长度为 1 k m的管道，最大泄漏时间 3 7 s ，长度为 7 k m的管道 ，最大泄漏时间 6 7 5 s 。 不同长度 的管道泄 漏速率 随时 问的变化 趋势见 图 1 I 1 一 y 1 2 一 一 ． 一 一仃 一 2 石油化工安全环保技术 2 0 1 0年第 2 6卷第 2期 l k m ⋯J j j j j } j j j j j 】 { I } j l } l j ； j J j j j j j J j j 2 k m q u 3 k in 3 2 3 一 4 k in ～ 5 k in 3 o ． 6 k in o n 7 k in 2 6 O 2 4 0 2 2 。 2 0 0 蠢 l8 o 1 6 0 - 蠖 1 4 0 1 2 O - l o o 8 0 6 0 ， ～ 弋 ． 蔓壹 童姿 t“ q t“q寻-q tq誊爱裹 尊尊荨 尊善离 离蓉蓉 运暮 图 1 天然气泄漏速率随时间变化趋势 从图 1可以看出，相 同条件下 ，不同长度 的 管道 ，在管道爆炸泄漏 的初始时刻，均以相同的 初始泄漏速率释放天然气 ，在 前 3 0 S的泄漏时 段，泄漏速率明显下降。同时，随着管道长度的 增加，其最大泄漏时间也相应的增加。 在模拟气体扩散时，气体泄漏速率是一个 重要的影响 因素，如 以初始 时刻 的泄漏速 率计 算气体扩散的影 响范围 ，其 结果较 为保守 ，因 此 ，这里 以平均 泄漏速率计算硫 化氢 的扩 散影 响范围。 3 ． 2 泄漏影响范围 研究 H s泄漏后，在不同模拟条件下 H S浓 度落地浓度为 3 0 0 m L ／ m 出现的距离。 3 ． 2 ． 1 模拟条件 1 气质条件 考虑了各种不同 H ， s含量的情况 气质条件 1 甲烷为 9 8％ 、硫化氢为 2％ 气质条件 2 甲烷为 9 0％、硫化氢为 1 0％ 气质条件 3 甲烷为 8 5％、硫化氢为 1 5％ 2 泄漏面积 管道泄漏 主要 发生在 管道 、法 兰和接 头等 处 ，其泄漏典型特征及损坏尺寸 见表 3 。 模拟管段 2 0％A、5 0％A、1 0 0％A管径水 平方向泄漏或释放天然气。 表 3 管道泄漏典型泄漏与损坏尺寸 典型特征 损坏尺寸 管道泄漏 1 0 0％或 2 0％A 法兰泄漏 2 O％A 接头泄漏 l O O％或 2 O％A 注 表 中 “ A” 为管 道 横 截 面 面积 。 3 气象条件模拟气象条件为风速 1 ． 5 m ／ s 和 3 ． 0 m ／ s 、大气稳定度分别为 F 。 4 地形 地貌 平原 泄漏 点周 围无 障碍 物 ，并裸露于地面。地形系数为 0 ． 1 。 3 ． 2 ． 2 模拟结果 风速 l 5 m／ s 大气稳定度 F 管径 2 0 0m m 压力 5MP a 破裂面积 1 0 o％A 地形地貌 平原 H ， S 浓度3 0 0 m L ／ m3 图 2 不 同气质条件下 H S的扩散距离曲线 2 0 1 0年 第 2 6卷 第 2期 张林霞等 ．含硫 天然 气管道破 裂硫化氢扩散的影响分析 一 2 不同风速 其增幅亦随之加剧 。由于平原地区泄漏点周围无 硫 化氧含 量为l 0 ％ 任何障碍物 ，更有利于气体的扩散 ，因此在相同 F 条件下 ，平原地区 H2 S扩散距离 明显 比山区条件 管 径 2 0 o m m 下的扩散距离大 ，但随着管道长度 的增加，二者 压 力 5 M P a 之间的增幅逐渐减小 。从图 5可 以看 出，管道长 度为 1 k m时，硫化氢扩散距离平原比山区增加了 5 8 m；而管道长度为7 k m时，扩散距离平原只比 山区增加了 1 8 1 T I 。 图 3 不 同风速条件 下 H S的扩散距离 曲线 硫化氨含量 1 O％ H ， s 浓度 3 0 0 n d J m 大气稳定度 F 管径 2 0 0n u n 压力 l 0 MP a 破裂面积1 0 0％A 地形地貌平原 H， S 浓度 3 0 0 t il L ] l i t 3 图 4 不同破裂面积 H S的扩散距离 曲线 4 地形地貌的影响 硫化氧含量 I O ％ 风速 1 ．5m ／ s 大气稳定度 F 管径 2 0 0 I D n l 压力 7 MP a 地形地貌 平原 H，S 浓度 3 0 0m I J m 3 图 5 不 同地形地貌条件下 H S的扩散 距离曲线 从模拟结果 可 以看 出，硫 化氢含 量 、风速 、 破裂面积和地形地貌对硫化氢扩散 的影响范围随 着管道长度的增加而增加 ，其 中硫化氢含量和风 速的影响最为显著 ，而且随着管道长度的增加 ， 4结论 事故后果模拟结果表明，含硫 天然气管道泄 漏后 ，硫化氢扩散影响范围较大 ，倘若 以事故后 果模拟的结果来确定管道的安全拆迁距离 ，所 面 临的拆迁赔偿 、移 民安置及生计 、生活标准等一 系列问题较难实现。因此 ，应结合事故频率开展 定量风险评价 ，对事故发生的频率和后果进行定 量计算 ，并将计 算 出的风险与 风险标准相 比较 ， 判断风 险的可接受 性 ，提 出降低风 险 的建 议措 施 ，如合 理选 线 ，尽 量避 开人 口密度较 大 的 区 域 ；结合现场实际情况考虑设置截断阀室 ；根据 风险计算确定合理的安全间距 ；提高 H S E管理水 平等。这些措施的实施 ，可以降低工程的整体风 险，周边居民的拆迁范围也可以缩小。 参考文献 [ 1 ] 中国石油化工股份有限公 司青岛安全工程 研 究 院 ．石 化 装 置 定 量 风 险 评 估 指 南 [ M]．北京中国石化 出版社 ，2 0 0 7 ． [ 2 ] 李民权，等译 ．工业污染事故评价技术手册 [ M]． 北京中国环嫱科学出版社，1 9 9 上接 第 1 9页 常现象重视和分析不够 ，对这种辅助安全环保设 施异常事件 的反应能力不强 ，没有经验 ，只重视 重点生产部位而忽略一些细节。 2 加强漏点检查和管理 ，及时消除系统存 在 的漏点。本次低压火炬管线火险事故，说明系 统存在漏点 ，有氧气漏人 系统 ，因为没有氧气 就 不会形成爆鸣气进入到火炬 ，所以，现场一定要 对漏点引起足够的重视。 3 加 强火炬 系统 的巡检 和管理 。系统巡 检要消灭被忽视 的静设 备盲 点和死 区 ，特别是 对火炬 的水封 阻火罐 等加强 维护 ，长期 运行后 的填料罐要在检修 中拆检 ，确认 填料 中无杂物 ， 防止出现类似 事故 。对火炬 线上各 端点 处 的氮 气保护气要定期 巡检 ，保证 火炬线 和其 它氮气 保护系统 内有一 定量 的氮气 流动 ，保证 系统 的 安全。 分析装置低压火炬系统出现 的火险过程 ，原 因是多方面的。希望以上分析能够为做好安全管 理提供参考 ，避免类似事件的发生 。