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(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院 4.陜西省工業(yè)過程安全與應(yīng)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(yán)重的傷亡事故、經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，30個(gè)村中9.3萬余人受災(zāi)，6.5萬余人被迫疏散轉(zhuǎn)移，事故導(dǎo)致243人遇難[4]。因此對(duì)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(xué)者對(duì)含硫氣井井噴危險(xiǎn)氣體的泄漏擴(kuò)散過程進(jìn)行了研究。邱奎[5]等選擇高斯煙羽模型，計(jì)算了不同氣象、地理等條件下含硫天然氣井井噴的擴(kuò)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(chǎng)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(duì)硫化氫擴(kuò)散的影響；穆劍等[9]利用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)含硫氣井井噴事故過程進(jìn)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(duì)于點(diǎn)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(kuò)散規(guī)律為基礎(chǔ)，利用PHAST軟件研究風(fēng)速和井口壓力對(duì)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(yīng)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(jí)社研發(fā)，是一款定量計(jì)算事故后果的專業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括廠區(qū)選址、廠區(qū)設(shè)計(jì)和平面布置、模擬計(jì)算事故后果的嚴(yán)重程度等，為有針對(duì)性地采取相應(yīng)的安全措施、制定應(yīng)急救援計(jì)劃、定量風(fēng)險(xiǎn)分析等提供參考[10]。

1.2 計(jì)算模型

1.2.1 UDM模型

PHAST軟件采用UDM模型計(jì)算擴(kuò)散過程，對(duì)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(fēng)向距離，m；

σz(x)，σy(x)—質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差的垂直、水平擴(kuò)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(fēng)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?jǐn)?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(shí)間短，釋放的熱輻射也十分有限，因此不考慮其對(duì)周圍的熱輻射效應(yīng)，只考慮作用范圍內(nèi)的熱輻射傷害[11]。一般認(rèn)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(duì)象，針對(duì)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(jìn)行計(jì)算，并比較分析不同風(fēng)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(duì)某高含硫氣井現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，該天然氣埋藏壓力為40.45MPa，設(shè)計(jì)井深4322m，垂深3410m，水平段長700m。井噴發(fā)生時(shí)，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?jǐn)?shù)為85%，硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?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(fēng)速分別為1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s時(shí)，井口壓力分別為7MPa、8MPa、9MPa、10MPa、11MPa時(shí)，井噴持續(xù)5min的事故后果。

2.2 對(duì)硫化氫擴(kuò)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(fēng)速下，水平高度1m處，硫化氫ERPG-2濃度值的下風(fēng)向距離，如圖1、2。

圖1 硫化氫ERPG-2濃度值下風(fēng)向距離與井口壓力關(guān)系

圖2 硫化氫ERPG-2濃度值下風(fēng)向距離與風(fēng)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(fēng)向擴(kuò)散距離呈線性增長，因此井噴壓力對(duì)毒性危害范圍影響很大。

由圖2可知，當(dāng)風(fēng)速小于2m/s時(shí)，風(fēng)速的增大對(duì)毒性氣體的穩(wěn)定擴(kuò)散具有促進(jìn)作用，硫化氫毒性危害范圍呈增大趨勢(shì)；若風(fēng)速進(jìn)一步增大，增加擴(kuò)散速度的同時(shí)泄漏氣云也被快速稀釋，因此風(fēng)速大于2m/s時(shí)，ERPG-2濃度值下風(fēng)向擴(kuò)散距離隨著風(fēng)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(qiáng)度的影響范圍

對(duì)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(jì)算噴射火造成的輕傷半徑和重傷半徑。以此為標(biāo)準(zhǔn)，分析不同壓力和不同風(fēng)速下噴射火熱輻射強(qiáng)度等級(jí)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(qiáng)度沿下風(fēng)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(fēng)向的擴(kuò)散，同一熱輻射強(qiáng)度等級(jí)的影響范圍增大，危險(xiǎn)性增加。圖4為不同壓力下熱輻射強(qiáng)度沿下風(fēng)向分布情況，可見同一壓力條件下，噴射火熱輻射強(qiáng)度沿下風(fēng)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(dá)到的最大熱輻射強(qiáng)度越大，同一輻射強(qiáng)度等級(jí)的傷害半徑也就越大。

圖5 傷害半徑與風(fēng)速關(guān)系

圖6 不同風(fēng)速下熱輻射強(qiáng)度沿下風(fēng)向分布情況

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

2.4 閃火范圍的影響

閃火是可燃?xì)怏w泄漏后在擴(kuò)散過程中，遇點(diǎn)火源在無約束空間產(chǎn)生的無爆炸性燃燒[13]。計(jì)算結(jié)果分析中，以爆炸下限為標(biāo)準(zhǔn)劃定閃火范圍。不同壓力和不同風(fēng)速下，井噴天然氣擴(kuò)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(fēng)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?xì)怏w的擴(kuò)散，形成的氣云越大，閃火范圍也就越大，危險(xiǎn)性越大。

從圖8可看出，隨著風(fēng)速的增大，閃火范圍逐漸減小，且減小的速率隨風(fēng)速的增大逐漸變緩。風(fēng)速的增大促進(jìn)了可燃?xì)怏w的平流運(yùn)輸和湍流運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化了擴(kuò)散過程空氣對(duì)氣云的稀釋作用，導(dǎo)致下風(fēng)向可燃?xì)怏w濃度的降低，從而縮小了閃火范圍。

3 結(jié)論

運(yùn)用PHAST軟件計(jì)算不同井口壓力和風(fēng)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(fēng)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(shì)，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(fēng)速的加大會(huì)使硫化氫毒性范圍和天然氣閃火范圍縮小，但是風(fēng)速增大對(duì)噴射火具有促進(jìn)作用，會(huì)增加其熱輻射強(qiáng)度，擴(kuò)大其傷害半徑。

（3）事先計(jì)算分析不同井口壓力等工況條件和不同氣象因素對(duì)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(duì)中毒、噴射火及閃火等后果的危害范圍快速給出量化預(yù)判，可為事故應(yīng)急處置提供決策依據(jù)，對(duì)減少井噴事故危害具有重要意義。

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