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車(chē)89井區(qū)高含硫化氫集輸系統(tǒng)事故模擬計(jì)算研究

文檔作者：張新國(guó) 梁愛(ài)國(guó) 夏瑋史建英陳鈞文檔來(lái)源：中國(guó)石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月30日
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女 石油化工安全環(huán)保技術(shù) 纛
PETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY 2012年第28卷第6期
車(chē)89井區(qū)高含硫化氫集輸系統(tǒng)事故模擬計(jì)算研究
張新國(guó)，梁愛(ài)國(guó)，夏 瑋，史建英，陳 鈞
(中國(guó)石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依834000)
摘要：新疆油田車(chē)89井區(qū)產(chǎn)油量350 t左右，油氣中的硫化氫含量平均在1 000 mg／m
以上。含硫化氫的油氣集輸系統(tǒng)存在著硫化氫泄漏中毒、火災(zāi)等潛在危險(xiǎn)。通過(guò)采用重大事
故后果數(shù)學(xué)模擬方法，定量計(jì)算出車(chē)89井區(qū)集輸系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生硫化氫泄漏后的安全
影響半徑和發(fā)生火災(zāi)后的熱輻射影響半徑，為該井區(qū)集輸系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中的安全防范提供了
有針對(duì)性和實(shí)用性的依據(jù)，保證安全生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞：車(chē)89井區(qū) 硫化氫 集輸系統(tǒng)事故模擬安全防范
新疆油田車(chē)89井區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起
車(chē)排子凸起。該井區(qū)目前日常液量400 t左右，
綜合含水9％ ，井區(qū)所產(chǎn)的原油中均含有硫化氫，
其中含硫化氫最高的井其濃度達(dá)到了12 521．30
mg／m 。目前，該井區(qū)原油的單井集輸主要采用
儲(chǔ)集器加大罐拉油的工藝，原油處理采用大罐熱
化學(xué)沉降工藝。由于車(chē)89井區(qū)的含硫化氫原油在
生產(chǎn)集輸過(guò)程中存在著硫化氫泄漏中毒、火災(zāi)等
潛在的危險(xiǎn)-，J。因此，在該區(qū)塊的集輸系統(tǒng)建設(shè)
前，采用了安全工程中的重大事故模擬法，通過(guò)
參照新疆油田車(chē)89井區(qū)的集輸工藝、地形、周邊
環(huán)境、溫度濕度等因素對(duì)車(chē)89井區(qū)集輸系統(tǒng)發(fā)生
硫化氫泄露后的安全影響半徑和發(fā)生火災(zāi)后的熱
輻射影響半徑進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬定量計(jì)算，為集輸系
統(tǒng)在建設(shè)過(guò)程中的安全距離設(shè)定以及安全防范提
供了依據(jù)，保證了安全生產(chǎn)。
1 硫化氫發(fā)生泄漏后的中毒半徑計(jì)算
根據(jù)近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外硫化氫泄漏事件的統(tǒng)
計(jì)，引起硫化氫泄漏事件的主要原因有：違規(guī)操
作；腐蝕引發(fā)泄漏；設(shè)備超期服役；有機(jī)介質(zhì)溶
解，震蕩后溢出 。
表1 硫化氫造成傷害濃度對(duì)比 ％
吸入5～lO min 吸物質(zhì)名稱 入 0．5～1 h 吸人 0．5～1 h
致死濃度 致死濃度 致重病濃度
硫化氫 O．08～1 0．042～0．06 0．036—0．05
1．1 無(wú)風(fēng)的情況
1．1．1 儲(chǔ)油罐發(fā)生氣體泄漏
現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)車(chē)89井區(qū)儲(chǔ)油罐氣體距液面20 cm
時(shí)的硫化氫濃度分別為905．74 mg／m 和815．17
mg／m 。在無(wú)風(fēng)徑向擴(kuò)散的理想狀態(tài)下，由于擴(kuò)
散泄漏速度慢，且有罐內(nèi)油品中硫化氫擴(kuò)散至氣
相中作補(bǔ)充，可設(shè)該值為恒值，則泄漏為連續(xù)泄
漏形式。根據(jù)質(zhì)量守恒定律可導(dǎo)出泄漏物質(zhì)濃度
變化的湍流擴(kuò)散微分方程，經(jīng)簡(jiǎn)化后得
Oc
a +““ 意= K + Ky d~O vz5c- +Kz O～z2( 1)
當(dāng)連續(xù)泄漏點(diǎn)源的源強(qiáng)Q為常量時(shí)，則任意
一點(diǎn)的濃度僅是其位置的函數(shù)，而與時(shí)間無(wú)關(guān)，
可得譬=0；在無(wú)風(fēng)條件下，u=0，則式(1)可
簡(jiǎn)化為
Kx + Ky
d
0
v
~
c
+Kz Oz2=0 (2)
初始條件： =y=z=0時(shí)，c一∞
邊界條件： ，Y， 一∞ 時(shí)，c 0
則源強(qiáng)為Q的無(wú)風(fēng)連續(xù)泄露點(diǎn)源的濃度分布
收稿日期：2012—06—14。
作者簡(jiǎn)介：張新國(guó)，2007年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油
氣田開(kāi)發(fā)工程專業(yè)，博士，主要從事油氣田開(kāi)發(fā)管
理工作，現(xiàn)任中國(guó)石油新疆油田公司采油一廠廠長(zhǎng)，
高級(jí)工程師。E—mail：zxg—zy@petrochina．con．a(chǎn)n
2012年第28卷第6期 ★ 張新國(guó)等．車(chē)89井區(qū)高含硫化氫集輸系統(tǒng)事故拱擬計(jì)算研究 謝
C( ，Y， )方程為：
4叮r( K ) ( ≯+ Y +z )
(3)
式中：Q—— 泄漏的強(qiáng)度，mg,／s；
c——為泄露物質(zhì)離地面某高度處的蒸氣濃
度，mg／m ；
方向上的湍流擴(kuò)散系數(shù)，m ／s；
K ——)，方向上的湍流擴(kuò)散系數(shù)m ／s；
1 方向上的湍流擴(kuò)散系數(shù)m ／s；
— — 下風(fēng)向距離，rn；
y——橫風(fēng)向距離，m；
z——距離地面高度，nl。
上述建立的擴(kuò)散模型均假定湍流擴(kuò)散系數(shù)
， K， 為恒定值。但實(shí)際上這些參數(shù)將隨位
置、時(shí)間、風(fēng)速、主導(dǎo)氣象條件的變化而發(fā)生相
應(yīng)改變。為了便于應(yīng)用，定義擴(kuò)散參數(shù) ， ，
分別為：
2
= 2Kx 2／q詈
：=2 t=2K
M
2
：
= 2Kzt=2K2
令 =or ，Kx=Ky且其中K ，K ，K2為恒
定值，u為風(fēng)速，t為時(shí)間。根據(jù)帕斯奎爾一吉福
德(P．G)擴(kuò)散曲線法，在其它條件不變的情況下，
分別查出u=2 m／s、 1=1 km時(shí)的 、 、 。
= Kx = = = 一s．556
Kz=害= 麗 _7·． 877
取儲(chǔ)油罐氣體距液面20 cm時(shí)硫化氫的最高
濃度為905．74 rag／m ，連續(xù)泄漏硫化氫的源強(qiáng)Q
約為181 148 mg／s。吸人0．5—1 h致重病濃度
(0．036％ ～0．05％)換算為質(zhì)量濃度為546 mg／
rn ，將上述數(shù)據(jù)帶入無(wú)風(fēng)連續(xù)泄漏點(diǎn)源的濃度分
布c( ，Y，z)方程：
c( ，0，0)=——— ——T-
4,rr( K )丁
： ! ． ：546
4耵(8．556×8．556×7．877)言
可得：在無(wú)風(fēng)狀況下，儲(chǔ)油罐內(nèi)有毒氣體泄
漏后，吸人0．5～1 h致重病的氣團(tuán)的中毒半徑為
X =3．17 m。
1．1．2 分離器氣體發(fā)生泄漏
通過(guò)實(shí)測(cè)，車(chē)89井區(qū)分離器氣體中硫化氫濃
度為1 328．42 mg／m。，設(shè)該值為恒值，在無(wú)風(fēng)徑
向擴(kuò)散的理想狀態(tài)下，連續(xù)泄漏硫化氫的源強(qiáng)0
約為39 852．6 mg／s，則將上述數(shù)據(jù)帶人無(wú)風(fēng)連續(xù)
泄漏點(diǎn)源的濃度分布c(X，Y，Z)方程：
c( ，0，0)=——— L— ～
41T(K Ky )
： 墨 ：546
4 (8．556 X 8．556×7．877)亍
可得：在無(wú)風(fēng)狀況下，分離器氣體中硫化氫
濃度泄漏后，吸人0．5—1 h致重病的氣團(tuán)的中毒
半徑為X=7．0 m。
1．1．3 油罐車(chē)氣體發(fā)生泄漏
現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，車(chē)89井區(qū)油罐車(chē)氣體中硫化氫濃
度為15．62 mg／m ，經(jīng)計(jì)算得出該氣體中硫化氫
體積分?jǐn)?shù)為0．001％ ，該濃度遠(yuǎn)低于吸入0．5～
1 h致重病濃度(0．036％ ～0．05％)。故不論是否
有風(fēng)，油罐車(chē)內(nèi)氣體泄漏均不會(huì)造成人員中毒。
1．2 有風(fēng)的情況
1．2．1 計(jì)算模型
有風(fēng)情況下，容器內(nèi)原含硫化氫氣體迅速被
吹至下風(fēng)向，容器內(nèi)部只存在油品緩慢逸出的硫
化氫，因此，可看作是瞬間泄漏。選擇有風(fēng)瞬間
泄漏點(diǎn)源(煙團(tuán))擴(kuò)散模型，即帕斯奎爾一吉福德
煙團(tuán)擴(kuò)散模型：
， 、 門(mén)
c( ，y， ，t) — 一X
‘可 o xOryo z
唧卜 一 2一芻】 (4)
式中：Q——為泄漏硫化氫重量，即源強(qiáng)，mg；
— — 在x軸(即風(fēng)向)方向上的擴(kuò)散參數(shù)；
— — 在x軸(即風(fēng)向)垂直方向上的擴(kuò)散
參數(shù)；
— — 在與地面垂直方向上的擴(kuò)散參數(shù)；
u—— 地面風(fēng)速，m／s；
￡——擴(kuò)散時(shí)間，s。
通常計(jì)算時(shí)，取 ： 。擴(kuò)散參數(shù)的冪函數(shù)
表達(dá)式為： =axb， =exd，取值參照表2進(jìn)行。
蠢 石油化工安全環(huán)保技術(shù) ☆ 2012年第28卷第6期
表2 擴(kuò)散系數(shù)對(duì)比
擴(kuò)散系數(shù)
穩(wěn)定度級(jí)別
b d
A 0．527 0．865 0．28 0．90
B O．371 0．866 O．23 0．85
C 0．209 0．897 O．22 0．80
D 0．123 0．905 0．20 O．76
E 0．098 0．902 0．15 O．73
F 0．065 0．902 0．12 0．67
該有毒氣團(tuán)呈半球形隨風(fēng)向下風(fēng)向漂移，導(dǎo)
致人中毒的半徑先增大，后迅速減小。任何時(shí)
刻，中心處濃度均最高，且逐漸降低。當(dāng)中心濃
度隨風(fēng)漂移，降到中毒濃度下限時(shí)，漂移的距離
就是有毒氣團(tuán)的最大影響距離。從大氣穩(wěn)定度來(lái)
考慮，大氣越穩(wěn)定，有毒氣團(tuán)漂移距離越遠(yuǎn)。
從空間來(lái)說(shuō)，考慮地面濃度，所以z=0；從
方向上來(lái)說(shuō)，下風(fēng)向軸線處的濃度最高，所以
Y=0；煙團(tuán)中心處濃度最高，且該處 =ut。
公式(4)可簡(jiǎn)化為：
出 ) ㈩
1 000 in 油罐，按儲(chǔ)油80％計(jì)算，將有200
in 有毒氣體，取其最高濃度905．74 mg／1TI ，瞬
間能泄漏硫化氫181 148 mg。吸人0．5—1 h致重
病濃度(0．036％ ～0．05％)，換算為質(zhì)量濃度為
546 mg／nl ，將上述數(shù)據(jù)以及大氣穩(wěn)定時(shí)的各擴(kuò)
散參數(shù)帶人上式得：
546=181 148／0．003 99×X · ’
可得：在有風(fēng)情況下，1 000 m 油罐內(nèi)有毒
氣體泄漏，吸人0．5～1 h致重病的氣團(tuán)最遠(yuǎn)能向
下風(fēng)向漂移X=97．1 m。
1．2．2 計(jì)算結(jié)果
對(duì)于硫化氫，由于吸人5～10 min致死濃度
為0．08％(1 200 mg／1TI )，高于油罐內(nèi)硫化氫最
高濃度905．74 mg／m ，故油罐內(nèi)氣體泄漏不會(huì)導(dǎo)
致人員立即致死。吸人0．5～1 h致重病的氣團(tuán)最
遠(yuǎn)能向下風(fēng)向漂移97．1 m，按風(fēng)速2 m／s計(jì)算，
人員能接觸該有毒氣團(tuán)的時(shí)間低于1 min，也不
會(huì)導(dǎo)致接觸者重病，但在下風(fēng)向97．1 m范圍內(nèi)的
人員會(huì)短暫暴露于有毒氣團(tuán)中，產(chǎn)生不適。
2 原油儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)熱輻射半徑計(jì)算
在原油儲(chǔ)罐存在點(diǎn)火源的情況下發(fā)生火災(zāi)，
一般會(huì)放出巨大的熱量，此類燃燒屬于擴(kuò)散火
焰，燃燒能量傷害對(duì)比見(jiàn)表3。
表3 燃燒能量傷害對(duì)比
入射通量／(KW ·m ) 對(duì)設(shè)備的損害 對(duì)人的傷害
37 1％死亡／10 S
． 5 操作設(shè)備全部損壞 100％死亡／1
min
25 木材燃燒的最低 能量 重大燒傷／10 S
100％死亡／1 min
12 1度燒傷／10 S
． 5 塑料熔化最低能量 1％死亡／1
min
4．0 20 s以上感覺(jué)疼痛
1．6 長(zhǎng)期輻射無(wú)不舒服感
同時(shí)，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，利用三維守恒方程：
· Vu=(iu+ + )(i + +k OU)
0 oy
· = (iu+jr+kw)(i + + OIZ)
0 0 0z
= ( u+jv+kw)( + 十 蓑)
pu = (A等)?Qs
利用克?；舴蜉椛鋫鳠峁竭M(jìn)行計(jì)算：
Ql- = 刪S 而T1 (
十
從表3和計(jì)算結(jié)果可知，若1 000 ITI 油罐罐
體發(fā)生火災(zāi)，其輻射能量十分強(qiáng)大，完全可以至
人于死亡的半徑為84．6 m。
3 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)車(chē)89井區(qū)發(fā)生重大事故的后果進(jìn)行模
擬計(jì)算得出，在極端條件下，如果該井區(qū)容積為
1 000 m 的儲(chǔ)油罐發(fā)生有毒氣體泄漏，吸入0．5～
1 h可以致人病的氣團(tuán)最遠(yuǎn)能向下風(fēng)向漂移距離為
97．1 m。如果1 000 IIl 的儲(chǔ)油罐發(fā)生爆炸，爆炸能
量完全可以致死的輻射半徑為84．6 in。因此，車(chē)89
井區(qū)集輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全距離應(yīng)該遠(yuǎn)大于97．1 in。
參考文獻(xiàn)：
『1] GB 18218-2009危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨
識(shí)[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009．
[2] SY／T 6631-2OO5危害辨識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和
風(fēng)險(xiǎn)控制推薦作法[s]．北京：石油工
業(yè)出版社．2005．

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