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車89井區(qū)高含硫化氫集輸系統(tǒng)事故模擬計算研究

文檔作者：張新國梁愛國夏瑋史建英陳鈞文檔來源：中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司		點擊數(shù)：	更新時間： 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89井區(qū)高含硫化氫集輸系統(tǒng)事故模擬計算研究
張新國，梁愛國，夏 瑋，史建英，陳 鈞
(中國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、火災等潛在危險。通過采用重大事
故后果數(shù)學模擬方法，定量計算出車89井區(qū)集輸系統(tǒng)在運行過程中發(fā)生硫化氫泄漏后的安全
影響半徑和發(fā)生火災后的熱輻射影響半徑，為該井區(qū)集輸系統(tǒng)建設過程中的安全防范提供了
有針對性和實用性的依據(jù)，保證安全生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞：車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89井區(qū)位于準噶爾盆地西部隆起
車排子凸起。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
儲集器加大罐拉油的工藝，原油處理采用大罐熱
化學沉降工藝。由于車89井區(qū)的含硫化氫原油在
生產(chǎn)集輸過程中存在著硫化氫泄漏中毒、火災等
潛在的危險-，J。因此，在該區(qū)塊的集輸系統(tǒng)建設
前，采用了安全工程中的重大事故模擬法，通過
參照新疆油田車89井區(qū)的集輸工藝、地形、周邊
環(huán)境、溫度濕度等因素對車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)生火災后的熱
輻射影響半徑進行數(shù)學模擬定量計算，為集輸系
統(tǒng)在建設過程中的安全距離設定以及安全防范提
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算
根據(jù)近幾年來國內(nèi)外硫化氫泄漏事件的統(tǒng)
計，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；設備超期服役；有機介質(zhì)溶
解，震蕩后溢出 。
表1 硫化氫造成傷害濃度對比 ％
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 無風的情況
1．1．1 儲油罐發(fā)生氣體泄漏
現(xiàn)場檢測車89井區(qū)儲油罐氣體距液面20 cm
時的硫化氫濃度分別為905．74 mg／m 和815．17
mg／m 。在無風徑向擴散的理想狀態(tài)下，由于擴
散泄漏速度慢，且有罐內(nèi)油品中硫化氫擴散至氣
相中作補充，可設該值為恒值，則泄漏為連續(xù)泄
漏形式。根據(jù)質(zhì)量守恒定律可導出泄漏物質(zhì)濃度
變化的湍流擴散微分方程，經(jīng)簡化后得
Oc
a +““ 意= K + Ky d~O vz5c- +Kz O～z2( 1)
當連續(xù)泄漏點源的源強Q為常量時，則任意
一點的濃度僅是其位置的函數(shù)，而與時間無關(guān)，
可得譬=0；在無風條件下，u=0，則式(1)可
簡化為
Kx + Ky
d
0
v
~
c
+Kz Oz2=0 (2)
初始條件： =y=z=0時，c一∞
邊界條件： ，Y， 一∞ 時，c 0
則源強為Q的無風連續(xù)泄露點源的濃度分布
收稿日期：2012—06—14。
作者簡介：張新國，2007年畢業(yè)于西南石油大學油
氣田開發(fā)工程專業(yè)，博士，主要從事油氣田開發(fā)管
理工作，現(xiàn)任中國石油新疆油田公司采油一廠廠長，
高級工程師。E—mail：zxg—zy@petrochina．con．a(chǎn)n
2012年第28卷第6期 ★ 張新國等．車89井區(qū)高含硫化氫集輸系統(tǒng)事故拱擬計算研究 謝
C( ，Y， )方程為：
4叮r( K ) ( ≯+ Y +z )
(3)
式中：Q—— 泄漏的強度，mg,／s；
c——為泄露物質(zhì)離地面某高度處的蒸氣濃
度，mg／m ；
方向上的湍流擴散系數(shù)，m ／s；
K ——)，方向上的湍流擴散系數(shù)m ／s；
1 方向上的湍流擴散系數(shù)m ／s；
— — 下風向距離，rn；
y——橫風向距離，m；
z——距離地面高度，nl。
上述建立的擴散模型均假定湍流擴散系數(shù)
， K， 為恒定值。但實際上這些參數(shù)將隨位
置、時間、風速、主導氣象條件的變化而發(fā)生相
應改變。為了便于應用，定義擴散參數(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為風速，t為時間。根據(jù)帕斯奎爾一吉福
德(P．G)擴散曲線法，在其它條件不變的情況下，
分別查出u=2 m／s、 1=1 km時的 、 、 。
= Kx = = = 一s．556
Kz=害= 麗 _7·． 877
取儲油罐氣體距液面20 cm時硫化氫的最高
濃度為905．74 rag／m ，連續(xù)泄漏硫化氫的源強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)帶入無風連續(xù)泄漏點源的濃度分
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：在無風狀況下，儲油罐內(nèi)有毒氣體泄
漏后，吸人0．5～1 h致重病的氣團的中毒半徑為
X =3．17 m。
1．1．2 分離器氣體發(fā)生泄漏
通過實測，車89井區(qū)分離器氣體中硫化氫濃
度為1 328．42 mg／m。，設該值為恒值，在無風徑
向擴散的理想狀態(tài)下，連續(xù)泄漏硫化氫的源強0
約為39 852．6 mg／s，則將上述數(shù)據(jù)帶人無風連續(xù)
泄漏點源的濃度分布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：在無風狀況下，分離器氣體中硫化氫
濃度泄漏后，吸人0．5—1 h致重病的氣團的中毒
半徑為X=7．0 m。
1．1．3 油罐車氣體發(fā)生泄漏
現(xiàn)場實測，車89井區(qū)油罐車氣體中硫化氫濃
度為15．62 mg／m ，經(jīng)計算得出該氣體中硫化氫
體積分數(shù)為0．001％ ，該濃度遠低于吸入0．5～
1 h致重病濃度(0．036％ ～0．05％)。故不論是否
有風，油罐車內(nèi)氣體泄漏均不會造成人員中毒。
1．2 有風的情況
1．2．1 計算模型
有風情況下，容器內(nèi)原含硫化氫氣體迅速被
吹至下風向，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。選擇有風瞬間
泄漏點源(煙團)擴散模型，即帕斯奎爾一吉福德
煙團擴散模型：
， 、 門
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，mg；
— — 在x軸(即風向)方向上的擴散參數(shù)；
— — 在x軸(即風向)垂直方向上的擴散
參數(shù)；
— — 在與地面垂直方向上的擴散參數(shù)；
u—— 地面風速，m／s；
￡——擴散時間，s。
通常計算時，取 ： 。擴散參數(shù)的冪函數(shù)
表達式為： =axb， =exd，取值參照表2進行。
蠢 石油化工安全環(huán)保技術(shù) ☆ 2012年第28卷第6期
表2 擴散系數(shù)對比
擴散系數(shù)
穩(wěn)定度級別
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
該有毒氣團呈半球形隨風向下風向漂移，導
致人中毒的半徑先增大，后迅速減小。任何時
刻，中心處濃度均最高，且逐漸降低。當中心濃
度隨風漂移，降到中毒濃度下限時，漂移的距離
就是有毒氣團的最大影響距離。從大氣穩(wěn)定度來
考慮，大氣越穩(wěn)定，有毒氣團漂移距離越遠。
從空間來說，考慮地面濃度，所以z=0；從
方向上來說，下風向軸線處的濃度最高，所以
Y=0；煙團中心處濃度最高，且該處 =ut。
公式(4)可簡化為：
出 ) ㈩
1 000 in 油罐，按儲油80％計算，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)定時的各擴
散參數(shù)帶人上式得：
546=181 148／0．003 99×X · ’
可得：在有風情況下，1 000 m 油罐內(nèi)有毒
氣體泄漏，吸人0．5～1 h致重病的氣團最遠能向
下風向漂移X=97．1 m。
1．2．2 計算結(jié)果
對于硫化氫，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)氣體泄漏不會導
致人員立即致死。吸人0．5～1 h致重病的氣團最
遠能向下風向漂移97．1 m，按風速2 m／s計算，
人員能接觸該有毒氣團的時間低于1 min，也不
會導致接觸者重病，但在下風向97．1 m范圍內(nèi)的
人員會短暫暴露于有毒氣團中，產(chǎn)生不適。
2 原油儲罐發(fā)生火災熱輻射半徑計算
在原油儲罐存在點火源的情況下發(fā)生火災，
一般會放出巨大的熱量，此類燃燒屬于擴散火
焰，燃燒能量傷害對比見表3。
表3 燃燒能量傷害對比
入射通量／(KW ·m ) 對設備的損害 對人的傷害
37 1％死亡／10 S
． 5 操作設備全部損壞 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以上感覺疼痛
1．6 長期輻射無不舒服感
同時，發(fā)生火災時，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
利用克希霍夫輻射傳熱公式進行計算：
Ql- = 刪S 而T1 (
十
從表3和計算結(jié)果可知，若1 000 ITI 油罐罐
體發(fā)生火災，其輻射能量十分強大，完全可以至
人于死亡的半徑為84．6 m。
3 結(jié)語
通過對車89井區(qū)發(fā)生重大事故的后果進行模
擬計算得出，在極端條件下，如果該井區(qū)容積為
1 000 m 的儲油罐發(fā)生有毒氣體泄漏，吸入0．5～
1 h可以致人病的氣團最遠能向下風向漂移距離為
97．1 m。如果1 000 IIl 的儲油罐發(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89
井區(qū)集輸系統(tǒng)設計的安全距離應該遠大于97．1 in。
參考文獻：
『1] GB 18218-2009危險化學品重大危險源辨
識[S]．北京：中國標準出版社，2009．
[2] SY／T 6631-2OO5危害辨識、風險評價和
風險控制推薦作法[s]．北京：石油工
業(yè)出版社．2005．

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