摘要 含硫天然氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)主要來自于井噴或地面設(shè)施失效時(shí)硫化氫泄漏擴(kuò)散引起的中毒。為了開展復(fù)雜地形條件下含硫天然氣開發(fā)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，在含硫天然氣泄漏擴(kuò)散模擬中引入計(jì)算流體力學(xué)，運(yùn)用復(fù)雜地形數(shù)字高程模型和網(wǎng)格劃分技術(shù)，模擬事故狀態(tài)下硫化氫的時(shí)空分布，并基于定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)基本原理集成了復(fù)雜地形條件下的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)。以位于復(fù)雜地形下的某含硫氣田發(fā)生天然氣井噴泄漏事故為例，運(yùn)用“含硫天然氣泄漏擴(kuò)散中毒定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件”進(jìn)行了個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)值的計(jì)算。結(jié)果表明，基于數(shù)值模擬的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)較常用的拉格朗日煙團(tuán)模型計(jì)算出的風(fēng)險(xiǎn)等值線，更能夠客觀真實(shí)地反映復(fù)雜地形條件下的風(fēng)險(xiǎn)水平分布。

關(guān)鍵詞  川渝地區(qū)  復(fù)雜地形  定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)  計(jì)算流體力學(xué)  事故概率  風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)

從20世紀(jì)70年代開始，部分國家的核工業(yè)及化工行業(yè)開始應(yīng)用定量風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)(QRA)并在20世紀(jì)90年代逐步規(guī)范化，在英國、荷蘭、新加坡、香港及澳大利亞城市地區(qū)的人口密集區(qū)，已將定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)作為高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制的法律手段。我國在2011年發(fā)布的安監(jiān)總局40號(hào)令《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》也要求采用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)對(duì)重大危險(xiǎn)源實(shí)施評(píng)估和監(jiān)管。

硫化氫是一種劇毒、可燃?xì)怏w，含硫天然氣特別是高含硫天然氣開發(fā)主要風(fēng)險(xiǎn)來自事故導(dǎo)致硫化氫釋放的中毒風(fēng)險(xiǎn)。在天然氣勘探開發(fā)過程中一旦發(fā)生事故，大量含硫天然氣泄漏擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致人員中毒死亡。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近l0年來我國石油天然氣行業(yè)超過70％的傷亡事故是因?yàn)榱蚧瘹渲卸舅?，因此，針?duì)含硫天然氣勘探開發(fā)開展定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)顯得尤為重要。

1 川渝地區(qū)開展QRA的特殊性

1.1 復(fù)雜地形的影響

復(fù)雜地形條件下的大氣邊界層特征和污染物擴(kuò)散規(guī)律一直是邊界層氣象學(xué)研究的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。四川盆地四周為海拔l 000～4 000 m的山地所環(huán)抱，四周叢山阻隔，地形閉塞，冬季北來的冷空氣難以浸入，夏季無臺(tái)風(fēng)影響，素有“死水區(qū)”之稱^[1]。盡管盆地大氣混合層雖高，但其復(fù)雜的地形特征形成了特殊的氣象條件——靜風(fēng)頻率高、污染系數(shù)大，是全國大氣凈化能力最弱的地區(qū)之一。

氣象和地形條件對(duì)污染物的擴(kuò)散過程有著決定性的影響。由于山區(qū)起伏地形和不均勻下墊面的強(qiáng)烈影響，低層大氣在水平和垂直兩個(gè)方向上形成特殊的風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)，如靜風(fēng)、逆溫等，直接影響大氣污染物在近地面的分布、擴(kuò)散、沉降等情況，導(dǎo)致污染物不易擴(kuò)散。

目前，川渝地區(qū)分布多處高含硫天然氣區(qū)塊，這些區(qū)塊主要為山地丘陵地形，而且人口分布稠密。由于復(fù)雜地形對(duì)意外釋放含硫天然氣的擴(kuò)散有阻擋作用，局地風(fēng)場(chǎng)跟地形的耦合度強(qiáng)，使位于丘陵山區(qū)的氣體擴(kuò)散過程變得非常復(fù)雜。筆者運(yùn)用復(fù)雜地形數(shù)字高程模型和網(wǎng)格劃分技術(shù)，引入流體力學(xué)計(jì)算方法，在高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上并行運(yùn)算，能夠較真實(shí)地模擬受復(fù)雜地形和局地風(fēng)場(chǎng)影響的含硫天然氣云團(tuán)擴(kuò)散過程。圖1為復(fù)雜地形數(shù)字高程圖。

1.2 泄漏概率的確定

QRA方法的核心是對(duì)事故發(fā)生概率和事故后果進(jìn)行擬合^[2]。目前，國內(nèi)外在事故后果方面的研究較多，認(rèn)識(shí)也比較成熟，而在事故發(fā)生概率方面的研究則相對(duì)較少。氣田集氣場(chǎng)站、天然氣凈化廠、集氣管道等設(shè)備失效概率可參考的數(shù)據(jù)庫包括英國HSE烴類泄漏數(shù)據(jù)庫(UK HSE)、美國化學(xué)流程工業(yè)設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(CCPS)、基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)導(dǎo)則(API 581)、英國陸上管道作業(yè)者協(xié)會(huì)(UKOPA)、歐洲氣體管道事故數(shù)據(jù)庫(EGIG)等。中國石油西南油氣田公司(以下簡(jiǎn)稱西南油氣田公司)從20世紀(jì)60年代開始在含硫天然氣開發(fā)方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，也收集了相關(guān)設(shè)備失效數(shù)據(jù)，形成了不同氣質(zhì)條件下的管道失效數(shù)據(jù)庫。筆者所述事故概率通過借鑒并修正采用國外失效數(shù)據(jù)庫與西南油氣田公司同類設(shè)備歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式來確定。借鑒國外數(shù)據(jù)時(shí)考慮擬評(píng)價(jià)對(duì)象的工藝、介質(zhì)、自然和社會(huì)環(huán)境狀況，分析數(shù)據(jù)來源及其可靠性，應(yīng)用事故樹模型進(jìn)行裝置事故發(fā)生概率計(jì)算，然后結(jié)合項(xiàng)目設(shè)備及風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)際情況進(jìn)行修正采用^[3]。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)的確定

目前國內(nèi)除《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》確定了重大危險(xiǎn)源對(duì)人口密集場(chǎng)所、學(xué)校等敏感目標(biāo)的個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)值以及重大危險(xiǎn)源的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)F-N曲線外，還沒有其他適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)、人居分散條件下含硫天然氣開發(fā)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)值可供參考。為此，研究英國、荷蘭等國家風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)值制訂的歷史、背景等資料后^[4]，分析我國近10年采掘業(yè)事故傷亡率、公眾意外死亡風(fēng)險(xiǎn)以及石油天然氣行業(yè)傷亡情況，提出了員工個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)(1.5×10^-3)、公眾個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)(0.8×10^-4)以及社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的基準(zhǔn)值l.4×10^-3 (N=1)，斜率為-1。風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)的最終確定應(yīng)由相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)方與風(fēng)險(xiǎn)制造方在客觀風(fēng)險(xiǎn)基礎(chǔ)上平等協(xié)商決定。

2 基于計(jì)算流體力學(xué)的后果計(jì)算

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)是把原來在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上各場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得各場(chǎng)變量的近似值^[5]。利用基于CFD原理的有限元軟件來完成復(fù)雜地形條件下含硫天然氣井噴或地面設(shè)施泄漏所致的含硫天然氣三維擴(kuò)散數(shù)值模擬。

CFD可以看作是在流動(dòng)基本方程(質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程)控制下對(duì)流動(dòng)數(shù)值的模擬。通過這種數(shù)值模擬，可以得到極其復(fù)雜問題的流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上基本物理量(如速度、壓力、溫度、濃度等)的分布，以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況。由于含硫天然氣是混合物質(zhì)，因此，控制方程還應(yīng)包括組分守恒方程。4個(gè)方程的表達(dá)式如下。

式中ρ為密度；t為時(shí)間；u為速度矢量；μ為動(dòng)力黏度；p為壓力；T為溫度；k為傳熱系數(shù)；C_p為比熱容；C為體積濃度；D為擴(kuò)散系數(shù)；S_u為源項(xiàng)。

對(duì)于含硫天然氣擴(kuò)散引起的風(fēng)險(xiǎn)，需要計(jì)算特定位置硫化氫含量的變化情況，即各網(wǎng)格點(diǎn)或敏感目標(biāo)處硫化氫含量隨時(shí)間變化情況。分別以某井場(chǎng)井噴和某天然氣凈化裝置事故為例，得到事故發(fā)生時(shí)硫化氫的時(shí)空分布情況(圖2～5)。

3 定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算實(shí)例

以某高含硫氣田在鉆井過程中發(fā)生井噴失控事故為例，利用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算軟件(QRA-AYY)，通過建立事故模型，導(dǎo)入項(xiàng)目地形圖，輸入項(xiàng)目所在地的大氣穩(wěn)定度、風(fēng)向及風(fēng)速聯(lián)合頻率，模擬計(jì)算泄漏出來的含硫天然氣在不同氣象條件下的擴(kuò)散影響區(qū)域范圍，然后輸入人口分布及關(guān)心點(diǎn)的地理坐標(biāo)，可計(jì)算出關(guān)心點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)值、個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線以及表示社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)水平的F-N曲線。

源項(xiàng)數(shù)據(jù)：泄漏點(diǎn)離地面1 m高，垂直方向，井噴持續(xù)時(shí)間為15 min^[6]，釋放速率(最大絕對(duì)無阻流量)為1 260×10⁴ m³／d，H₂S含量為16％(體積分?jǐn)?shù))，天然氣密度為0.9 kg／m³，溫度為25℃，井噴失控事故概率為4.5×10^-4／a。計(jì)算結(jié)果如圖6、7所示。

個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線的變化與井場(chǎng)所在的地形、局地風(fēng)場(chǎng)密切相關(guān)。若分別按1×10^-4、1×10^-5、1×10^-6作為風(fēng)險(xiǎn)呵接受標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，井口外個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線最遠(yuǎn)處分別為東南350 m、430 m和700 m，最近處距井口 l00-150 m，相應(yīng)的不規(guī)則區(qū)域范圍外人員風(fēng)險(xiǎn)處于可接受水平。社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)F-N曲線說明井噴的風(fēng)險(xiǎn)處于可接受區(qū)域，但還是應(yīng)采取技術(shù)合理可行、成本盡可能低的控制措施進(jìn)一步降低風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

1)基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的有毒氣體擴(kuò)散模擬方法，建立了適用于復(fù)雜地形條件下含硫天然氣井噴或地面設(shè)施泄漏所致的硫化氫擴(kuò)散仿真模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，其個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線能與地形、氣象條件很好地吻合。

2)事故概率通過借鑒并修正采用國外失效數(shù)據(jù)庫與西南油氣田公司同類設(shè)備歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式來確定，符合我國含硫天然氣開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及社會(huì)、自然環(huán)境特征，據(jù)此完成的定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果能有效地為含硫天然氣開發(fā)場(chǎng)所風(fēng)險(xiǎn)排序、風(fēng)險(xiǎn)削減措施的取舍等提供更科學(xué)的依據(jù)。

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本文作者：翁幫華張林霞 胥云麗 劉坤 周東 李宇

作者單位：中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院