天然气站场的事故后果模拟计算及应用

2022-11-06

在现代石油化工业安全管理模式中, 安全预评价越来越受到社会的认同, 对于安全生产所起的技术支撑作用也较为明显。因此从预防和控制的角度出发, 本文对有可能发生的天然气泄漏事故进行定量模拟计算, 在分析过程中运用了数学模型, 为制定事故应急预案提供参考。

1 事故后果模拟计算

重大泄漏事故模拟主要考虑最常见发生的喷射燃烧和H2S中毒所对应的影响范围。

1.1 喷射燃烧模拟

泄漏的天然气若在泄漏口遇火源, 将形成喷射火焰。API RP521模式假设喷射火焰在风力作用下呈近似弯曲香蕉形, 并用火焰中心线上10个圆截面的半径 (R) 、圆心坐标 (X, 0, Z) 、圆截面与水平方向的倾斜角 (Phi) 等特征参数来描述喷射火形状。

喷射火长度 (Lf) 和宽度 (df) 由下式确定:

1.1.1其中:

式中:ρg, a---为大气压条件下气团相对密度;

du---为喷射口直径。

火焰周围空间任点从接受到的热辐射Ri:

式中:Ri——火焰周围空间任点接受到的热辐射, k W/m2;

V——视觉因子;

Ressive——火焰表面辐射强度, k W/m2;

τ——大气透射系数;

β1——火焰源表面倾斜角;

β2——视角而倾斜角度 (见图4-3) ;

D——空间某点从距火焰任一微表面S1的距离, m。

求得目标接受到的热辐射通量后, 结合热辐射的伤害和破坏作用关系, 即可求得喷射火产生的热辐射的伤害和破坏作用。

1.2 H2S中毒模拟

如果气体混合体中含有有毒成份, 则可用被稀释的该成份的毒性值及混合体的物理性质共同计算。

当绝热扩散或湍流喷射扩散结束之后, 若边界处H2S浓度还大于评价目标浓度, 则应应用中性毒性气体在风力作用下的高斯扩散模式, 直至边界处H2S浓度小于或等于评价目标浓度。

中性毒性气体在风力作用下的高斯扩散模式如下:

式中:

C (xyz, t) ——瞬时泄漏, 给定点 (x、y、z) 和时间t的毒物浓度, mg/m3;

C (xyz) ——连续泄漏时, 给定点 (x、y、z) 和时间t的毒物浓度, mg/m3;

Q*——瞬时泄漏的物料质量, mg;

Q——连续泄漏的物料流量, mg/s;

U——平均风速, m/s;

T——瞬时泄漏时毒物的运行时间, s;

X——下风向距离, m;

Y——横风向距离, m;

Z——离地面的距离, m;

σx、σy、σz——x、y、z方向的扩散参数。

2 事故后果模拟条件

站场井口、进出站管道上设有紧急截断 (ESD) 阀, 当站内发生泄漏事故时, ESD可在120s内自动关闭、切断气源, 同时紧急放空系统自动开启, 泄压放空。选取生产规模最大的井站、集气站和集气末站进行计算, 所采用的模拟参数见表2。

注:释放量为120s的泄漏量;泄漏孔径为设备连接管线直径。

对扩散起决定作用的气象条件主要包括风速、大气稳定度、环境温度等, 评估时根据当地常规气象条件, 扩散模拟计算风速为1.3m/s和3.0m/s、稳定度F, 选取20%A和100%A管道直径作为泄漏口径进行计算, 根据当地地形条件, 地面粗糙度为0.17。

3 模拟结果

3.1 喷射燃烧

站场发生天然气水平泄漏事故后, 若以最大泄漏速率泄漏, 并在泄漏口遇火源, 将形成喷射火焰。喷射火焰热辐射强度随下风向距离的增加而变化, 人在4.0kw/m2的环境下滞留20s只感觉疼痛, 因此, 一般以4.0 kw/m2 (地面1m高处) 出现的距离为热辐射影响距离。

在下风向302m的范围热辐射强度达到12.5KW/m2以内的未加保护人员, 若持续暴露1min以上, 会被严重烧伤, 设备设施将遭受严重破坏。在下风向368m的范围, 热辐射强度达到4.0KW/m2以内的未加保护人员超过20秒会引起疼痛, 但可以逃生。

3.2 H2S扩散

释放出的含硫天然气若未遇火源, 将与空气混合、扩散形成含H2S的毒性云团, 其在自身动量和气象条件下迅速向前移动, 当移动速度降低到风速时, 扩散速度将只受气象条件和地形的影响。在不同模拟气象条件下, 不同浓度H2S (云团中心线浓度) 影响距离及对应时间计算结果见表5, H2S浓度为100ppm的毒性云团将扩散距离至712m。