趙子文

(中國石化國際石油工程有限公司，北京 100020)

我國天然氣管道大多埋設于地下，穿越地區(qū)廣、地形復雜、土壤性質差別大，輸送介質工作壓力高，日常檢測比較困難，容易受到環(huán)境、腐蝕和自然災害的影響，加上違法占壓和第三方破壞等原因，存在重大事故隱患。而且大部分是含硫天然氣，含有的硫化氫屬于高毒性氣體，少量硫化氫就會造成人員急性中毒甚至死亡。如果發(fā)生重大突發(fā)泄漏事件，由于應急處置不當或應急能力不足等問題，很可能會造成群死群傷，產(chǎn)生不良的社會影響。川西地區(qū)某公司一井站位于低洼地方，周邊地勢較高，周邊居民分布零散，附近有一個旅游度假區(qū)，人員眾多。而井站的出氣管線穿過梯田，埋深不足，極易發(fā)生第三方破壞情況，造成重大泄漏事件，如果不能及時應對和疏散周圍人群，會產(chǎn)生嚴重后果。面對高毒氣體泄漏突發(fā)事件，必須采用有效方法提前預測事故影響范圍，確定疏散人員區(qū)域及準備相應的應急措施和物資。

對于氣體泄漏擴散的研究，可以采用實驗和數(shù)值模擬兩種方法。但是對于大量氣體泄漏，特別是有毒氣體，實驗方法條件要求嚴、操作困難、危險性大。而數(shù)值模擬結果與風洞實驗結果又可以取得良好的擬合效果[1-2]。本文要研究的是含硫天然氣重大突發(fā)泄漏事件，泄漏氣體量大，影響范圍廣，因此選用數(shù)值模擬方法進行泄漏事故后果分析。很多研究人員采用二維模擬軟件進行了燃氣管道泄漏的研究，但三維模擬更直觀形象[3-6]。本文采用CFD仿真軟件進行事故后果分析，可以給出實時氣體因地形等影響因素擴散區(qū)域的變化，為事故狀態(tài)下應急救援提供更有針對性的指導。

1 情景介紹

“情景”是對某種對象在未來如何演變的科學化描述。研究重大突發(fā)事件“情景”，是對未來一定時期內(nèi)一個國家、地區(qū)或行業(yè)可能發(fā)生的重大突發(fā)事件的一種合理的設想，是對不確定的未來災難開展應急準備的一種思維工具。重大突發(fā)事件雖然是小概率事件，但其破壞強度、波及范圍和災變行為又千差萬別，對應急救援是一個很大的挑戰(zhàn)，前瞻性地對重大突發(fā)事件進行研究對一個國家、地區(qū)、企業(yè)都極其重要[7-9]。

在研究國內(nèi)外典型有毒氣體泄漏事故、結合現(xiàn)場情況、與企業(yè)技術人員交流的基礎上，對該公司井站出口酸氣原料管道可能發(fā)生的重大突發(fā)泄漏事件情景做出如下假設。

a)酸性原料氣管道因第三方破壞發(fā)生泄漏。

b)管道完全斷裂，泄漏口面積即為管道橫截面。

c)同溝敷設的酸氣管道、燃料氣管道、通信光纜、自控光纜全部被挖斷。

d)井站安全閥失效，緊急截斷失敗；放空閥未起跳，放空系統(tǒng)失效；井站無法實現(xiàn)遠程關斷，泄漏點下游集氣站實現(xiàn)遠程關斷。

e)人員手動關閉時井站安全閥時，已連續(xù)泄漏30 min。

f)氣象數(shù)據(jù)為氣溫26℃，多云，主風向東南、風速2 m/s。

g)事故發(fā)生處于旅游旺季，泄漏點周邊1 500 m范圍內(nèi)約有4 000人。

鑒于硫化氫的高毒特性，主要對硫化氫的影響后果進行分析。

2 情景后果模擬分析

本文選用的軟件是專門用于模擬與污染和危險性相關的大氣診斷工具。它使用三維計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)模型來計算經(jīng)過復雜地形的風場，以及污染物擴散；使用三維有限體積方法(FVM)求解模擬空氣運動的Navier-Stokes(N-S)方程；含內(nèi)置的自動三維網(wǎng)格生成工具，可以在障礙周圍生成用于計算的有限體積網(wǎng)格，并且沿起伏地形成貼體網(wǎng)格。

2.1 控制方程

軟件基本方程為N-S方程，同時求解物質的濃度、質量和能量方程。對于湍流模式，求解上述方程的雷諾平均形式。雷諾應力模型使用線性渦粘性模型(LEVM)，方程如下。

a)物質濃度守恒

(1)

b)連續(xù)性方程

式(1)對所有物質求和，得到連續(xù)方程(質量守恒)

(2)

c)N-S方程(動量守恒)

(3)

d)能量方程

(4)

式中：ρ——密度；

U——速度矢量；

ym——物質m的質量分數(shù)；

T——溫度;

p——壓力；

Dm——物種m的有效擴散系數(shù)；

τ——粘性應力張量；

Cp——定壓比熱；

q——熱通量向量，q=-k▽T；

k——有效熱傳導系數(shù)；

Sm——物種m濃度守恒方程的源項；

Sp——連續(xù)性方程的源項；

SU——動量守恒方程的源項；

ST——能量守恒方程的源項。

模擬選用湍流模型為k-ε模型，此是兩方程線性渦粘性模型。使用修正浮力和可壓縮性標準高雷諾數(shù)格式。求解湍流動能k的運輸方程及其耗散率ε方程如下：

(5)

式中：k——湍流動能；

Pk——k的機械產(chǎn)生速率；

Pb——k的浮力產(chǎn)生速率；

μl——層流空氣粘性；

μt——渦粘性；

ε——k的耗散率；

Cε1，Cε2，Cε3——給定的常數(shù)。

2.2 物理模型

利用軟件內(nèi)置繪圖功能按照1∶1比例對井站周邊地形進行三維模型的繪制，見圖1。

圖1 泄漏點周邊地形

網(wǎng)格越精密，計算精度越高，但是計算時間也會更長。同時，通過模擬測試得知，網(wǎng)格達到一定密度，模擬結果將不再隨著網(wǎng)格的加密而發(fā)生變化。模擬過程中，通過網(wǎng)格獨立性檢驗，得到最合適的網(wǎng)格密度來進行模擬計算，以最短時間得到準確計算結果，網(wǎng)格見圖2。

“順德海事，順德海事，我船走錨失控，現(xiàn)與一船舶發(fā)生碰撞，他船沉沒，我船有碰撞七滘大橋可能，請求救助……”11月15日9時許，VHF甚高頻中傳來的急促呼叫聲，打破了佛山市順德區(qū)水上交通（溢油）應急指揮分中心的寧靜。這不是電影，這是2018年佛山市“橋安水暢 河美佛山”水上交通突發(fā)事件應急救援演習的真實場景。

圖2 水平網(wǎng)格和貼面網(wǎng)格

2.3 計算參數(shù)

氣象數(shù)據(jù)：事發(fā)當日，多云，氣溫26 ℃，大氣壓0.101 MPa，空氣濕度75%，風向東南風、風速2 m/s。

其他參數(shù)：管道直徑168 mm；管內(nèi)壓力8 MPa；管內(nèi)溫度25 ℃；混合氣體體積分數(shù)CH4(95%)，H2S(5%)；根據(jù)泄漏氣體泄漏計算公式[10]，可得氣體最大泄漏速率280 kg/s，泄漏時間30 min。

2.4 后果分析

硫化氫是一種高毒無色氣體，在低濃度下，通過硫化氫的氣味特性能覺察到它的存在。但不能依靠氣味來警示危險濃度，因為處于高濃度150 mg/m3(100 μmol/mol)的硫化氫環(huán)境中，人會由于嗅覺神經(jīng)受到麻痹而快速失去嗅覺。長時間處于低硫化氫濃度的大氣中也會使嗅覺靈敏度減弱，其安全臨界濃度為30 mg/m3(20 μmol/mol) ，高于該濃度區(qū)域內(nèi)的人員應進行疏散撤離。當濃度達到1 500 mg/m3(1 000 μmol/mol)時，會使人瞬間窒息死亡[11]。因此本文選取這3個濃度對事故后果進行分析。

2.4.1影響距離

20，100，1000 μmol/mol濃度硫化氫在泄漏過程中影響距離隨時間的變化曲線見圖3。

圖3 不同濃度H2S影響距離隨時間變化曲線

由圖3可知，泄漏過程中，不同濃度的硫化氫在一定時間內(nèi)在大氣中會達到擬穩(wěn)態(tài)，影響距離將不會再變化，而且濃度越高，到達穩(wěn)定度的時間越短；硫化氫濃度越低，擴散的速度越快；該場景中，20 μmol/mol的最遠影響距離為1 296 m，100 μmol/mol的最遠影響距離為512 m，1 000 μmol/mol最遠影響距離為107 m。

2.4.2影響區(qū)域和時間

事故應急救援過程中，除影響距離外，應該明確主要的影響范圍和影響時間，圖4是事故過程中，20 μmol/mol硫化氫影響區(qū)域隨時間的變化云圖，可以根據(jù)云圖變化，確定主要影響區(qū)域和影響時間。

圖4中能明顯看出20 μmol/mol硫化氫隨時間變化影響區(qū)域及不同時間不同位置處硫化氫的濃度，可知主要影響區(qū)域位于泄漏位置的下風向，距離越遠濃度越低，硫化氫消散泄漏點往下風向逐漸變化，50 min后硫化氫基本消散。

2.4.3風速風向影響

已知泄漏點東南風下風向地勢較高，而西南風下風向區(qū)域地勢較低，因此研究了風速風向對氣體擴散影響，以20 μmol/mol硫化氫影響為例，影響距離對比曲線見圖5。

圖4 20 μmol/mol硫化氫影響區(qū)域云圖變化

圖5 不同風速風向硫化氫影響距離對比曲線

由圖5可知，該事故情景中，相同風速時不同風向下，20 μmol/mol硫化氫的最遠影響距離是不同的。而西南風向下風向相比于東南風向下風向地勢相對平坦，硫化氫影響距離偏大，地勢高方向影響距離小，說明地勢對氣體擴散有明顯的阻擋作用，應急救援過程中應將地勢因素考慮在內(nèi)。

3 結論

a)重大突發(fā)事件不僅對企業(yè)造成巨大損失，還會危及周邊民眾的生命財產(chǎn)安全，造成不良的社會影響。因此，涉及易燃、易爆、有毒危化品的企業(yè)應對企業(yè)內(nèi)可能發(fā)生的重大突發(fā)事件情景后果展開研究，根據(jù)可能的后果進行應急準備及發(fā)現(xiàn)企業(yè)應急能力存在的缺陷。

b)本文通過CFD軟件對可能發(fā)生的含硫天然氣管道重大突發(fā)泄漏事件后果進行模擬分析，給出硫化氫影響距離、影響區(qū)域以及影響時間，為事故狀態(tài)下應急救援工作提供理論指導。

c)從模擬分析結果可知，硫化氫影響范圍廣、影響因素多，而事故點周邊人員眾多，分布零散。應該認真研究，找出在應對如此重大突發(fā)事件時應急工作存在的不足，及時改進，特別是如何在短時間內(nèi)通知到所有人，并給出正確的疏散撤離路線。

d)鑒于軟件模擬計算只是理論上的分析，存在很多限制因素，現(xiàn)實環(huán)境中又存在很多不確定因素，因此應急救援工作中還要根據(jù)具體情況和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，合理部署各項救援工作。

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