趙 猛 史 合 李 青 程方明，4 梁 利

1.北京豐瑞新科能源科技發(fā)展有限公司 2.中國空間技術(shù)研究院西安分院3.西安科技大學 安全科學與工程學院 4.陜西省工業(yè)過程安全與應急救援工程技術(shù)研究中心

我國所有天然氣井中含硫天然氣井占60%[1]，一旦發(fā)生井噴事故，極易造成嚴重的傷亡事故、經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。

據(jù)統(tǒng)計，建國以來，國內(nèi)先后發(fā)生過千余起井噴事故[2-3]，其中重慶開縣“12.23”特大井噴事故，造成附近的4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，30個村中9.3萬余人受災，6.5萬余人被迫疏散轉(zhuǎn)移，事故導致243人遇難[4]。因此對含硫氣井井噴事故后果的研究顯得尤為重要。

目前，國內(nèi)許多學者對含硫氣井井噴危險氣體的泄漏擴散過程進行了研究。邱奎[5]等選擇高斯煙羽模型，計算了不同氣象、地理等條件下含硫天然氣井井噴的擴散范圍；練章華[6]等用CFD軟件建立重慶開縣特大井噴事故現(xiàn)場的三維地貌模型。張寶柱[7]、王偲丞[8]用Fluent軟件模擬了障礙物對硫化氫擴散的影響；穆劍等[9]利用計算流體力學方法對含硫氣井井噴事故過程進行數(shù)值模擬，并給出了井口氣體速度分布和濃度分布。上述研究從不同角度研究了含硫氣井井噴事故的毒性危害范圍，然而對于點火后形成噴射火的危害范圍和可能發(fā)生閃火的范圍及其影響因素研究的不多。因此，本文以含硫氣井井噴事故中CH4和H2S氣體擴散規(guī)律為基礎(chǔ)，利用PHAST軟件研究風速和井口壓力對硫化氫毒性危害范圍、井噴噴射火熱輻射危害范圍和閃火范圍的影響，以期為類似事故的防控與應急處置提供參考。

1 軟件介紹

1.1 軟件簡介

PHAST軟件由挪威船級社研發(fā)，是一款定量計算事故后果的專業(yè)風險評估軟件，主要應用領(lǐng)域包括廠區(qū)選址、廠區(qū)設(shè)計和平面布置、模擬計算事故后果的嚴重程度等，為有針對性地采取相應的安全措施、制定應急救援計劃、定量風險分析等提供參考[10]。

1.2 計算模型

1.2.1 UDM模型

PHAST軟件采用UDM模型計算擴散過程，對于連續(xù)泄露，其質(zhì)量濃度c(x, y, ξ)為式（1）：

式中：

c0—中心線質(zhì)量濃度，kg/m3；

ξ—距煙羽中心線的距離，m；

y—橫風向距離，m；

σz(x)，σy(x)—質(zhì)量濃度標準偏差的垂直、水平擴散參數(shù)，m；

n(x)—質(zhì)量濃度垂直分布函數(shù)指數(shù)；

m(x)—質(zhì)量濃度橫風向分布函數(shù)指數(shù)。

1.2.2 噴射火模型

PHAST軟件中錐模型將噴射火焰以截頂圓錐建模，其火焰表面放射功率Ws為式（2）：

式中：

fs—火焰表面放輻射分數(shù)；

Q—質(zhì)量釋放流量，kg/s；

Hc—燃燒熱，kJ/kg；

A—火焰表面積，m2。

1.2.3 閃火模型

閃火持續(xù)時間短，釋放的熱輻射也十分有限，因此不考慮其對周圍的熱輻射效應，只考慮作用范圍內(nèi)的熱輻射傷害[11]。一般認為蒸氣云濃度在爆炸上限與爆炸下限之間屬于閃火范圍。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

以某含硫化氫天然氣井為研究對象，針對其發(fā)生井噴事故后的毒性、噴射火及閃火等危害后果，使用PHAST建立事故模型并進行計算，并比較分析不同風速和不同井口壓力條件下事故后果的危害范圍。

2.1 模擬參數(shù)選擇

通過對某高含硫氣井現(xiàn)場調(diào)研，該天然氣埋藏壓力為40.45MPa，設(shè)計井深4322m，垂深3410m，水平段長700m。井噴發(fā)生時，井口內(nèi)部壓力大約9MPa。氣井氣體組分大致為甲烷質(zhì)量分數(shù)為85%，硫化氫質(zhì)量分數(shù)為15%。該地區(qū)主要大氣穩(wěn)定度為F，地面粗糙度為0.1，井口溫度為300K左右，井噴口為直徑0.44m的圓形斷面。研究井口風速分別為1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s時，井口壓力分別為7MPa、8MPa、9MPa、10MPa、11MPa時，井噴持續(xù)5min的事故后果。

2.2 對硫化氫擴散范圍的影響

硫化氫的ERPG-2濃度值為30ppm[12]。不同井口壓力和不同風速下，水平高度1m處，硫化氫ERPG-2濃度值的下風向距離，如圖1、2。

圖1 硫化氫ERPG-2濃度值下風向距離與井口壓力關(guān)系

圖2 硫化氫ERPG-2濃度值下風向距離與風速關(guān)系

由圖1可見，隨著壓力增大，水平高度1m處硫化氫ERPG-2濃度值的下風向擴散距離呈線性增長，因此井噴壓力對毒性危害范圍影響很大。

由圖2可知，當風速小于2m/s時，風速的增大對毒性氣體的穩(wěn)定擴散具有促進作用，硫化氫毒性危害范圍呈增大趨勢；若風速進一步增大，增加擴散速度的同時泄漏氣云也被快速稀釋，因此風速大于2m/s時，ERPG-2濃度值下風向擴散距離隨著風速的增大而逐漸減小，且減小速率逐漸緩慢。

2.3 噴射火不同熱輻射強度的影響范圍

對噴射火的研究中，通常采用熱通量為4kW/m2和12.5kW/m2作為臨界熱通量來分別計算噴射火造成的輕傷半徑和重傷半徑。以此為標準，分析不同壓力和不同風速下噴射火熱輻射強度等級影響范圍，如圖3和圖5。

圖3 噴射火傷害半徑與井口壓力關(guān)系

圖4 不同壓力下熱輻射強度沿下風向分布情況

分析圖3可見，傷害半徑隨壓力增長呈現(xiàn)近似線性增長，且輕傷半徑增長速率較快。壓力增大，有利于可燃性氣體向下風向的擴散，同一熱輻射強度等級的影響范圍增大，危險性增加。圖4為不同壓力下熱輻射強度沿下風向分布情況，可見同一壓力條件下，噴射火熱輻射強度沿下風向距離呈現(xiàn)先增大然后逐漸減小的特征，而壓力越大，能達到的最大熱輻射強度越大，同一輻射強度等級的傷害半徑也就越大。

圖5 傷害半徑與風速關(guān)系

圖6 不同風速下熱輻射強度沿下風向分布情況

圖5為風速對噴射火傷害半徑的影響結(jié)果，可見當風速小于5m/s時，傷害半徑隨風速的增大而增大，但增大速率逐漸減小，當風速達到5m/s后，傷害半徑趨于穩(wěn)定，受風速影響較小。不同風速下熱輻射強度沿下風向分布情況，如圖6，可見風速越大，能達到的最大輻射強度越大，同一輻射強度等級的傷害半徑越大，且距離井口越近，風速對熱輻射強度的增大作用越顯著。

2.4 閃火范圍的影響

閃火是可燃氣體泄漏后在擴散過程中，遇點火源在無約束空間產(chǎn)生的無爆炸性燃燒[13]。計算結(jié)果分析中，以爆炸下限為標準劃定閃火范圍。不同壓力和不同風速下，井噴天然氣擴散閃火范圍，如圖7、8。

圖7 閃火范圍與壓力關(guān)系

圖8 閃火范圍與風速關(guān)系

由圖7可見，隨著壓力的增大，閃火范圍逐漸增大，且呈線性增長。壓力越高，泄漏速率越大，越不利于可燃氣體的擴散，形成的氣云越大，閃火范圍也就越大，危險性越大。

從圖8可看出，隨著風速的增大，閃火范圍逐漸減小，且減小的速率隨風速的增大逐漸變緩。風速的增大促進了可燃氣體的平流運輸和湍流運動，強化了擴散過程空氣對氣云的稀釋作用，導致下風向可燃氣體濃度的降低，從而縮小了閃火范圍。

3 結(jié)論

運用PHAST軟件計算不同井口壓力和風速下的含硫化氫天然氣井井噴事故后果，得出以下結(jié)論：

（1）隨著壓力增大，下風向毒性危害范圍、噴射火熱輻射危害范圍和閃火范圍均呈現(xiàn)出線性增大的趨勢，因此控制井口壓力，降低泄漏速率，將有效縮小中毒、噴射火和閃火的危害范圍，降低事故損失。

（2）風速的加大會使硫化氫毒性范圍和天然氣閃火范圍縮小，但是風速增大對噴射火具有促進作用，會增加其熱輻射強度，擴大其傷害半徑。

（3）事先計算分析不同井口壓力等工況條件和不同氣象因素對含硫化氫天然氣井井噴事故后果的影響規(guī)律，在井噴事故一旦發(fā)生后，能對中毒、噴射火及閃火等后果的危害范圍快速給出量化預判，可為事故應急處置提供決策依據(jù)，對減少井噴事故危害具有重要意義。

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