陸詩(shī)建

(中石化節(jié)能環(huán)保工程科技有限公司，山東 東營(yíng) 257026)

酸氣回注是指將從石油天然氣工業(yè)或其他大型排放源中捕集的酸氣(主要為 CO2和H2S)通過(guò)井口增壓注入到非作業(yè)或者非經(jīng)濟(jì)地層中(如枯竭油氣藏)封存。在管道輸送階段，酸氣未充分脫水，導(dǎo)致管道被腐蝕，易發(fā)生泄漏。泄漏的H2S作為一種劇毒且易燃的酸性氣體，極其輕微的泄漏即可致人中毒甚至死亡，濃度達(dá)到爆炸極限易造成爆炸事故。PHAST由DNV挪威船級(jí)社獨(dú)立開(kāi)發(fā),是一款專(zhuān)門(mén)用于石油石化和天然氣領(lǐng)域的危險(xiǎn)分析和計(jì)算軟件。PHAST軟件被廣泛應(yīng)在事故后果的研究領(lǐng)域[1]，張林等人運(yùn)用Phast軟件研究泄漏孔徑、風(fēng)速、泄漏時(shí)間和大氣穩(wěn)定度

對(duì)海上平臺(tái)天然氣泄漏擴(kuò)散面積的影響[2]。(2018)趙昆淇對(duì)液化天然氣儲(chǔ)蓄站的泄漏擴(kuò)散和火災(zāi)爆炸情況進(jìn)行定量的計(jì)算和定性影響的分析，提出了風(fēng)險(xiǎn)防范準(zhǔn)備措施[3]。(2015)蔣立軍等分別對(duì)西氣東輸某站天然氣擴(kuò)散和火災(zāi)爆炸影響進(jìn)行了定量計(jì)算和影響分析，并得出此站場(chǎng)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)圖表提出了風(fēng)險(xiǎn)防范依據(jù)，為提高天然氣輸氣站場(chǎng)安全管理水平，降低事故風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)，為輸氣站的安全設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)[4]。(2012)勞敏用PHAST 軟件分別對(duì)擴(kuò)散和火災(zāi)爆炸進(jìn)行了事故后果影響分析，提出風(fēng)險(xiǎn)防范措施，為提高CNG 加氣站安全管理水平，降低事故風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)[5]。(2016)王坤利用PHAST 軟件對(duì)某大型LNG 儲(chǔ)罐建立事故模擬模型，進(jìn)行泄漏事故模擬分析，定量計(jì)算了LNG 儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏后的擴(kuò)散、閃火、爆炸、池火影響范圍,比較分析了不同風(fēng)速條件下的事故影響能力[6]。

由上述總結(jié)可以看出Phast軟件廣泛應(yīng)用在天然氣泄漏方面的研究，LNG爆炸熱輻射研究以及相關(guān)毒性氣體泄漏擴(kuò)散模型的驗(yàn)證，但是國(guó)內(nèi)外對(duì)酸氣回注過(guò)程中酸氣的泄漏擴(kuò)散研究較少。酸氣回注主要包括酸氣增壓、脫水、管道輸送、井口注入四個(gè)部分，其中在管道輸送階段，由于脫水不完全，管道易被酸腐蝕，很有可能導(dǎo)致酸氣的泄漏擴(kuò)散[7]。而酸氣泄漏最常見(jiàn)的就是孔洞泄漏擴(kuò)散，因此研究輸送管道中酸氣的孔洞泄漏擴(kuò)散危險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)預(yù)防事故發(fā)生，減小事故損失，保證酸氣回注過(guò)程的安全具有重要意義。

本文應(yīng)用Phast軟件研究不同泄漏孔徑、風(fēng)速、泄漏時(shí)間和大氣穩(wěn)定度對(duì)酸氣泄漏擴(kuò)散面積的影響，再根據(jù)模擬結(jié)果分析，制定相關(guān)的應(yīng)急預(yù)案。

1 PHAST軟件簡(jiǎn)介

PHAST(Process Hazard Analysis Software Tool)軟件是定量地計(jì)算后果的軟件，由DNV(挪威船級(jí)社)公司在多年積累的安全管理技術(shù)評(píng)價(jià)領(lǐng)域工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，獨(dú)立開(kāi)發(fā)的一款專(zhuān)門(mén)用于石油石化和天然氣領(lǐng)域危險(xiǎn)分析和安全計(jì)算的軟件?？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算得到各種類(lèi)型風(fēng)險(xiǎn)的排序。PHAST 在考慮各種事故后果模型、事件樹(shù)、人口分布、點(diǎn)火源信息、氣象信息、事故概率后進(jìn)行以下各方面的后果評(píng)估：①物料最大泄漏速率；②不同氣象條件下，氣體、液體及氣液兩相流的大氣擴(kuò)散；③氣體凝結(jié)成液滴；④液池的形成、擴(kuò)展和蒸發(fā)；⑤模擬各種氣象條件；⑥計(jì)算火災(zāi)后果(包括噴射火、池火、閃火和沸騰液體擴(kuò)展為蒸汽爆炸)；⑦計(jì)算爆炸后果(受限和不受限、TNT、TNO、BLEVE)；⑧毒氣泄漏后果(致死概率、應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃指南濃度(ERPG), 立即威脅生命或健康的濃度(IDLH))；⑨以圖形的方式在地圖上動(dòng)態(tài)顯示計(jì)算結(jié)果；⑩以文字的方式對(duì)結(jié)果簡(jiǎn)單的分析等。生成的評(píng)估報(bào)告可以廣泛應(yīng)用于：①模擬計(jì)算事故后果；②廠區(qū)選址、廠區(qū)設(shè)計(jì)和平面布置；③為有針對(duì)性地采取相應(yīng)的安全措施提供參考；④制定應(yīng)急救援計(jì)劃；⑤保證與法律法規(guī)的相符性；⑥提高安全意識(shí)；⑦進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)分析(QRA)。

2 酸氣泄漏事故模擬

2.1 危險(xiǎn)性分析

高壓下的液化酸氣泄漏后立即氣化，形成大范圍氣體擴(kuò)散。酸氣中主要?dú)怏w成分為H2S，塔河油田，酸氣回注管道中輸送的酸氣成分，主要是CO2(20%)和H2S(70%)。H2S的物性參數(shù)：其水溶液為氫硫酸。分子量為34.08，蒸汽壓為2026.5kPa/25.5℃，閃點(diǎn)為<-50℃，熔點(diǎn)是-85.5℃，沸點(diǎn)是-60.4℃，相對(duì)密度為(空氣=1)1.19。微溶于水，形成弱酸，稱(chēng)為"氫硫酸"。燃點(diǎn)為292℃。硫化氫為易燃?；?，與空氣或氧氣以適當(dāng)?shù)谋壤?4.3%～46%)混合就會(huì)爆炸。

酸氣回注過(guò)程中都是高壓液相輸送，管道發(fā)生泄漏后，液化硫化氫氣化擴(kuò)散，在空氣中易形成爆炸性混合物，遇明火發(fā)生火災(zāi)或爆炸危害。H2S氣體具有劇毒性，吸入極小量便會(huì)中毒死亡。不同風(fēng)速、泄漏孔徑、泄漏時(shí)間以及大氣穩(wěn)定程度對(duì)H2S泄漏擴(kuò)散范圍有著不同的影響。

2.2 模擬參數(shù)

酸氣回注規(guī)模：1000Nm3/h；

酸氣回注增壓站出口壓力：8MPa；

增壓站出口溫度：25℃；

大氣相對(duì)濕度：0.82；

當(dāng)?shù)仫L(fēng)速設(shè)為：靜風(fēng)1m/s,全年平均風(fēng)速2m/s和季風(fēng)風(fēng)速4m/s.大氣穩(wěn)定度設(shè)為：B(不穩(wěn)定)、D(穩(wěn)定)和F(非常穩(wěn)定)；

泄漏孔直徑設(shè)為：小孔(5mm)、中孔(30mm)、大孔(100mm)；

泄漏時(shí)間設(shè)定為：1min、5min、15min；

擴(kuò)散高度：距離地面1.5m；

擴(kuò)散濃度：考慮到毒性傷害，硫化氫閾限質(zhì)量濃度15mg/m3、安全臨界質(zhì)量濃度為30mg/m3和危險(xiǎn)質(zhì)量濃度為150mg/m3。本文中H2S監(jiān)測(cè)質(zhì)量濃度為150mg/m3。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 風(fēng)速大小對(duì)擴(kuò)散面積的影響

圖為在大氣穩(wěn)定度、泄漏孔徑和泄漏時(shí)間都相同的情況下，泄漏氣體擴(kuò)散面積與風(fēng)速的關(guān)系如圖1。

圖1 風(fēng)速對(duì)擴(kuò)散面積影響

從圖1可以看出，風(fēng)速對(duì)泄漏氣體的擴(kuò)散有顯著的影響。隨著風(fēng)速的增加，泄漏的擴(kuò)散面積也隨之增大。當(dāng)風(fēng)速有1m/s提升到4m/s，擴(kuò)散面積明顯變大了。

2.3.2 泄漏孔徑對(duì)擴(kuò)散面積的影響

圖2為在泄漏時(shí)間、大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速都相同的情況下，泄漏氣體擴(kuò)散面積與孔徑的關(guān)系。

圖2 擴(kuò)散面積和孔徑關(guān)系

從圖2可以看出，孔徑從5mm增加至100mm，擴(kuò)散面積的變化相當(dāng)大，孔徑對(duì)泄漏擴(kuò)散的影響很顯著。

2.3.3 大氣穩(wěn)定度對(duì)擴(kuò)散面積的影響

圖3為分別在不穩(wěn)定(B)、穩(wěn)定(D)和非常穩(wěn)定(F)三個(gè)不同大氣穩(wěn)定度下，泄漏氣體擴(kuò)散面積的變化情況。

圖3 擴(kuò)散面積和大氣穩(wěn)定度關(guān)系

大氣穩(wěn)定度是影響氣體在大氣中擴(kuò)散的重要因素之一，它是評(píng)價(jià)空氣層垂直對(duì)流程度的指標(biāo)。從圖中可以看出氣體的擴(kuò)散在大氣越穩(wěn)定的情況下擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)，擴(kuò)散面積越大。

3 酸氣泄漏應(yīng)急預(yù)案研究

3.1 應(yīng)急預(yù)案的制定

應(yīng)急區(qū)主要包含以下兩種：①危險(xiǎn)區(qū)，根據(jù)硫化氫放空量及附近人口等因素來(lái)確定危險(xiǎn)區(qū)范圍；②應(yīng)急方案區(qū)，人可以居住在此區(qū)域，但是要對(duì)居民進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)教育，一旦遇到緊急情況必須立即疏散。

應(yīng)急預(yù)案的響應(yīng)包括：①當(dāng)硫化氫氣體的濃度達(dá)到閾限值10 ppm 時(shí)，應(yīng)立即安排專(zhuān)人觀測(cè)風(fēng)向，風(fēng)速，確定受害的危險(xiǎn)區(qū)域，切斷危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的不防爆電器，安排專(zhuān)人到危險(xiǎn)區(qū)檢查泄漏點(diǎn)；②當(dāng)硫化氫氣體的濃度達(dá)到20ppm時(shí)，應(yīng)立即向上級(jí)第一負(fù)責(zé)人報(bào)告，派專(zhuān)人在主要下風(fēng)口100m以外監(jiān)測(cè)硫化氫，啟動(dòng)井控應(yīng)急程序來(lái)控制硫化氫的泄漏，撤離現(xiàn)場(chǎng)非應(yīng)急人員，通知救援機(jī)構(gòu)；③當(dāng)井噴失控，井口下風(fēng)處100m以外硫化氫氣體的濃度達(dá)到50 ppm 時(shí)，向當(dāng)?shù)卣畧?bào)告，協(xié)助疏散距井口500m范圍內(nèi)的居民，關(guān)停生產(chǎn)設(shè)施，設(shè)立警戒區(qū)，請(qǐng)求援助；④當(dāng)井噴失控，井場(chǎng)硫化氫氣體的濃度達(dá)到100ppm時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員按照應(yīng)急預(yù)案程序立即撤離，按照應(yīng)急通訊表通知相關(guān)機(jī)構(gòu)和負(fù)責(zé)人，向國(guó)家安全生產(chǎn)主管部門(mén)上報(bào)，在采取措施控制消除事故后，繼續(xù)監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)區(qū)大氣中硫化氫和二氧化硫氣體的濃度，以確定何時(shí)能夠安全進(jìn)入。

3.2 事故應(yīng)急

急救人員不能盲目地去救助，應(yīng)防止事故擴(kuò)大。迅速將中毒者從毒氣區(qū)抬到空氣新鮮的上風(fēng)地區(qū)，并送醫(yī)院搶救，在轉(zhuǎn)運(yùn)途中要堅(jiān)持繼續(xù)搶救，對(duì)呼吸困難者應(yīng)進(jìn)行輸氧，對(duì)粘膜損傷者應(yīng)及時(shí)用生理鹽水沖洗患處。如中毒者停止呼吸，應(yīng)將中毒者撤至空氣新鮮處，立即進(jìn)行人工呼吸，因?yàn)槟X細(xì)胞對(duì)氧的需要十分迫切，在常溫下缺氧4～6 min就會(huì)發(fā)生病變，時(shí)間稍長(zhǎng)就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的傷害，以至不能恢復(fù)，所以人工呼吸對(duì)挽救傷員的生命意義重大。如果發(fā)生硫化氫中毒，那怕輕微中毒，也要保持幾天的休息，不得再度受硫化氫的傷害，因被硫化氫傷害過(guò)的人對(duì)硫化氫的抵抗力更低?，F(xiàn)場(chǎng)急救措施：

(1)硫化氫中毒事故發(fā)生后，中毒人員應(yīng)迅速脫離中毒現(xiàn)場(chǎng)至空氣新鮮處，有條件的要給予吸氧，保持呼吸道通暢，并保持安靜，臥床休息，注意保暖，嚴(yán)密觀察病情變化。

(2)對(duì)中毒人員中的呼吸、心跳驟停者，救援人員應(yīng)立即對(duì)其進(jìn)行心肺復(fù)蘇，對(duì)休克者讓其平臥，頭稍低，對(duì)昏迷者及時(shí)清除其口腔內(nèi)異物，保持呼吸道通暢。以上人員應(yīng)迅速送往醫(yī)院搶救。

(3)中毒人員中有眼部損傷者，應(yīng)盡快用清水反復(fù)沖洗，迅速送往醫(yī)院進(jìn)一步處理。

(4)救援人員必須佩戴個(gè)人防護(hù)器具方可進(jìn)入中毒環(huán)境，并在危險(xiǎn)區(qū)外留有監(jiān)護(hù)人員，做好救護(hù)準(zhǔn)備，盡可能減少自身中毒或傷亡事故發(fā)生。

3.3 應(yīng)急管理程序

進(jìn)入含硫地區(qū)進(jìn)行石油鉆探作業(yè)前，必須制定一個(gè)切實(shí)可行和行之有效的應(yīng)急管理預(yù)案，它不僅能夠保證石油鉆探作業(yè)的順利進(jìn)行，一旦硫化氫氣體泄漏，還能夠控制事故的擴(kuò)大，降低事故后果的嚴(yán)重程度，避免財(cái)產(chǎn)損失，保證作業(yè)人員和周邊公眾的生命安全。制定應(yīng)急預(yù)案前應(yīng)當(dāng)對(duì)作業(yè)區(qū)內(nèi)可能涉及的范圍的環(huán)境、人員、設(shè)施進(jìn)行全面調(diào)查，展開(kāi)科學(xué)的分析和論證，要使制定的預(yù)案嚴(yán)密、統(tǒng)一、完整并真正具有科學(xué)性；預(yù)案應(yīng)當(dāng)符合當(dāng)?shù)乜陀^情況，要充分考慮周?chē)用窈凸姷睦妫阌诓僮?，能夠起到迅速?zhǔn)確控制事故的作用；預(yù)案所涉及的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)急預(yù)案制定或修訂后，應(yīng)當(dāng)上報(bào)上一級(jí)部門(mén)和相關(guān)部門(mén)備案，保證預(yù)案具有一定的權(quán)威性和法律保保障。

4 結(jié)論

本文利用phast軟件對(duì)酸氣回注過(guò)程中管道發(fā)生泄漏的影響因素進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果表明了風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、泄漏孔徑對(duì)酸氣回注管道發(fā)生泄漏后擴(kuò)散情況的影響。模擬結(jié)果可以為酸氣回注地區(qū)的選址和應(yīng)急預(yù)案的編制提供一定的直到作用。在模擬的基礎(chǔ)上對(duì)酸氣回注中涉及的含硫區(qū)域的事故應(yīng)急和事故響應(yīng)程序進(jìn)行了總結(jié)。