程智勇

大慶油田有限責(zé)任公司采氣分公司

輸氣站作為天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)重要樞紐,一般位于天然氣井與天然氣處理廠之間,起到匯集天然氣、初步氣液分離、增壓外輸?shù)茸饔?其各類設(shè)備安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行是保證天然氣供應(yīng)的關(guān)鍵.輸氣站的管道及裝置均為帶壓運(yùn)行,在發(fā)生泄漏時(shí)造成氣體快速擴(kuò)散;設(shè)備或管道因閥門內(nèi)漏、腐蝕、安裝質(zhì)量差、溫度驟變等原因,極易引起氣體泄漏;放空設(shè)施故障會(huì)導(dǎo)致天然氣的聚集,易造成火災(zāi);在設(shè)備檢修過程中由于違章動(dòng)火作業(yè),易引起爆炸.由此可見,油氣管線泄漏不僅會(huì)污染環(huán)境,而且會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)危害[1].

天然氣的主要成分為各類烷烴類混合物,其中以甲烷為主,含有少量乙烷、丙烷、丁烷;部分地層采出的天然氣還含有硫化氫,為劇毒物,吸入少量高濃度硫化氫可于短時(shí)間內(nèi)致命.空氣中天然氣的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%~15%時(shí)為其爆炸極限[2].當(dāng)輸氣站發(fā)生泄漏時(shí),管道、壓力容器中的天然氣快速擴(kuò)散至空氣中,極易達(dá)到天然氣的爆炸極限,如遇明火易導(dǎo)致火災(zāi)爆炸事故,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染,甚至人員傷亡[3].因此,對(duì)于特定的輸氣站,根據(jù)其所處環(huán)境、設(shè)備性質(zhì)等條件模擬天然氣泄漏時(shí)的波及范圍,對(duì)預(yù)防和降低輸氣站場(chǎng)事故具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 YC輸氣站氣源計(jì)算

YC站內(nèi)的天然氣源于北內(nèi)環(huán)MX線已處理的凈化氣,由YC站《天然氣氣質(zhì)分析資料報(bào)告表》可知,YC站內(nèi)凈化氣含有少量的二氧化碳和硫化氫,其具體成分見表1.

表1 YC輸氣站氣質(zhì)成分Tab.1 Temperament composition of YC gas transmission station

表2 YC站天然氣理化參數(shù)Tab.2 Natural gas physical and chemical parameters of YC station

本文中所涉及的氣象條件有大氣穩(wěn)定度為F、風(fēng)速為1.5 m/s,大氣穩(wěn)定度為D、風(fēng)速為1.5 m/s,大氣穩(wěn)定度為D、風(fēng)速為5 m/s 3種情況;且設(shè)定此時(shí)大氣溫度為9.85℃,大氣壓力為101.3 kPa,大氣相對(duì)濕度為0.7.

2 泄漏量計(jì)算

天然氣泄漏的前提是管道或容器失效,主要討論破孔和完全破裂2種情況[5].天然氣泄漏速率的計(jì)算是進(jìn)行泄漏模擬的前提,泄漏速率計(jì)算結(jié)果的精確性與整個(gè)泄漏模型密切相關(guān).目前常用的泄漏速率模型有2種:瞬間泄漏模型和持續(xù)穩(wěn)定泄漏模型.針對(duì)管道泄漏,可以根據(jù)泄漏孔的大小建立不同的模型,泄漏孔尺寸見表3.

表3 失效后果計(jì)算采用的泄漏孔尺寸Tab.3 Leakage hole size used for calculation of failure consequences

(1)小孔模型.當(dāng)泄漏孔孔徑小于25 mm以下時(shí),假設(shè)管內(nèi)壓力不隨泄漏而發(fā)生變化,忽略摩擦的影響,氣體泄漏率恒定.由伯努利方程推導(dǎo)得到氣態(tài)燃?xì)獾男孤┝?燃?xì)庑孤┑馁|(zhì)量流量與其流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)[6].

式中:qmG為氣體泄漏的質(zhì)量流量,kg/s;Cdg為氣體泄漏系數(shù),泄漏孔為圓形時(shí)取1.00,三角形時(shí)取0.95,長(zhǎng)方形時(shí)取0.90,由內(nèi)腐蝕引起的減縮小孔取0.90~1.00,由外腐蝕或外力沖擊所形成的漸擴(kuò)孔取0.60~0.90;κ為氣體絕熱指數(shù)(也稱比熱比),雙原子氣體取1.4,多原子氣體取1.29,單原子氣體取1.66;M為燃?xì)獾哪栙|(zhì)量,kg/mol;R為氣體常數(shù),8.314 J/(mol.K);T為氣體溫度,K;A為泄漏孔面積,m2;p為容器內(nèi)介質(zhì)壓力,Pa;p0為環(huán)境壓力,Pa;

(2)大孔模型.當(dāng)管內(nèi)為亞音速流,泄漏孔為音速流時(shí),則滿足以下關(guān)系式[7]

(3)計(jì)算結(jié)果.不同孔徑泄漏量計(jì)算結(jié)果見表4.

表4 不同孔徑泄漏量計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation result of leakage amount for defferent aperture

3 失效后果及分析

利用DNV PHAST軟件,以干管泄漏孔徑為6.4 mm、大氣穩(wěn)定度為F、風(fēng)速為1.5 m/s為例,進(jìn)行失效后果模擬(圖1、圖2和圖3).

圖1 中心線濃度與距離的關(guān)系Fig.1 Relationship between centerline concentration and distance

圖2 氣團(tuán)近地濃度Fig.2 Air mass near-ground concentration

圖3 氣團(tuán)擴(kuò)散濃度(側(cè)視)Fig.3 Air mass diffusion concentration(side view)

在天然氣泄漏擴(kuò)散濃度圖中,A區(qū)域天然氣濃度大于120 mg/L,高于YC站天然氣爆炸上限,為準(zhǔn)危險(xiǎn)區(qū)域;B區(qū)域天然氣濃度為32~120 mg/L,處于YC站天然氣爆炸界限內(nèi),一旦出現(xiàn)明火源,將會(huì)發(fā)生爆炸,為危險(xiǎn)區(qū)域;C區(qū)域天然氣濃度為16~32 mg/L,低于YC站天然氣爆炸下限,為安全區(qū)域;綠色區(qū)域以外區(qū)域天然氣濃度低于16 mg/L,同樣為安全區(qū)域[7].

準(zhǔn)危險(xiǎn)區(qū)域約在下風(fēng)向2.49 m以內(nèi);危險(xiǎn)區(qū)域約在下風(fēng)向2.49~12.73 m以內(nèi);更外圍的區(qū)域都為安全區(qū)域.各個(gè)區(qū)域氣體擴(kuò)散濃度范圍面積見表5,擴(kuò)散產(chǎn)生的熱輻射強(qiáng)度見圖4.

表5 氣體擴(kuò)散各濃度范圍面積Tab.5 Gas diffusion range of each concentration range

圖4 熱輻射強(qiáng)度曲線Fig.4 Thermal radiation intensity curve

爆炸燃燒而產(chǎn)生的熱輻射將會(huì)對(duì)人員和設(shè)備造成傷害和破壞,表6反映了不同的熱輻射值所造成的傷害情況[8].

表6 熱輻射值與破壞程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.6 Correspondence between heat radiation value and damage degree

由熱輻射強(qiáng)度曲線可得輻射影響范圍,具體數(shù)據(jù)見表7,由爆炸引起的超壓影響范圍見圖5.

圖5 爆炸超壓影響范圍Fig.5 Explosion overpressure range

爆炸的發(fā)生會(huì)使周圍空氣局部壓力劇增從而超壓,產(chǎn)生的沖擊波和爆炸噪聲都會(huì)導(dǎo)致人員死傷、設(shè)備破壞、建筑倒塌[9].爆炸強(qiáng)度及其對(duì)工藝設(shè)備和建設(shè)物的危害程度見表8,對(duì)人員的傷害程度見表9.

表7 熱輻射影響距離計(jì)算明細(xì)Tab.7 Calculation details of heat radiation influence distance

表8 爆炸對(duì)建筑物造成的破壞Tab.8 Damage to building damage

表9 爆炸對(duì)人員的傷害Tab.9 Damage to personnel caused by explosion

由圖5可知,若發(fā)生爆炸,在爆炸中心3.6 m處,爆炸沖擊波大于100 kPa,大部分人員會(huì)死亡,除防地震建筑物外,其余建筑物都會(huì)破壞;在距爆炸中心3.6~5.5 m內(nèi),爆炸沖擊波為50~100 kPa,導(dǎo)致此范圍內(nèi)人員的內(nèi)臟嚴(yán)重?fù)p傷或人員死亡,鋼骨架和輕型鋼筋混凝土建筑物將會(huì)被破壞;在距爆炸中心5.5~7.4 m內(nèi),爆炸沖擊波為30~50 kPa,該范圍內(nèi)的人員將受到中等損傷,表現(xiàn)為聽覺器官損傷、內(nèi)臟輕度出血、骨折等,建筑物將遭顯著破壞;在距爆炸中心7.4~9.5 m內(nèi),爆炸沖擊波為20~30 kPa,該范圍內(nèi)的人員將會(huì)有輕微挫傷,建筑物會(huì)有部分破壞;在距爆炸中心9.5 m以外,爆炸沖擊波低于20 kPa,建筑物只有部分損壞,可視為安全區(qū)域[10-12].

4 結(jié)論

通過對(duì)各種孔徑、氣候條件下天然氣站泄漏后果的模擬,得出以下結(jié)論:

(1)在相同氣候條件下,天然氣泄漏擴(kuò)散范圍在泄漏孔徑為6.4、25、102、152和813 mm時(shí)依次增大;因此,氣體泄漏量隨泄漏孔徑的增大而增加,氣體擴(kuò)散范圍也隨泄漏量的增加而擴(kuò)大.

(2)當(dāng)泄漏孔徑相同、環(huán)境風(fēng)速一樣時(shí),大氣穩(wěn)定度為D較之大氣穩(wěn)定度為F朝下風(fēng)向擴(kuò)散距離遠(yuǎn).這說明大氣條件越穩(wěn)定,氣體越不容易向高空和遠(yuǎn)處消散,而是貼近地面擴(kuò)散;大氣穩(wěn)定度越差,空氣垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)越強(qiáng),泄漏氣體消散速度就越快.

(3)當(dāng)泄漏孔徑相同、大氣穩(wěn)定度一樣時(shí),風(fēng)速為5 m/s較之風(fēng)速為1.5 m/s在下風(fēng)向氣體泄漏濃度小.風(fēng)速對(duì)擴(kuò)散有顯著的影響,高的風(fēng)速更有利于氣團(tuán)的擴(kuò)散.一方面,風(fēng)加劇了氣云的平流輸送作用;另一方面,風(fēng)速增大,氣體稀釋,擴(kuò)散的過冷氣體溫度迅速上升,從而降低其危害程度.