高含硫天然气管道泄漏扩散探索

高含硫天然气管道泄漏扩散探索

张帆

中原油田天然气产销厂 河南濮阳 457001

摘要：普光高含硫气田管网中的天然气未经脱硫处理，一旦发生管道泄漏事故，管道中的硫化氢气体伴随着天然气喷出，将对周边群众的人身安全造成极大的危险，将对企业造成巨大的经济损失以及不良的社会影响。目前，随着普光气田开发生产已经超过十年，在为国家、企业带来空前价值的同时，高含硫天然气管线及酸液管线的铺设长度也由之初的不足50公里增长到现在的200余公里，管线泄漏导致的硫化氢扩散这一不可忽视的安全问题愈加受到企业及地方政府的关注。

关键词：硫化氢、管道、泄漏

目前有关危险性气体泄漏扩散的研究多集中在不考虑实际条件的理论模型与基本方程，得出的大多是理论结果，在大多数的文献中均提到危险性气体的泄漏扩散受泄漏源位置、泄漏速度、方向以及气象条件、风速等因素的影响。并不完全符合普光特有的人文地貌、生产环境，此次研究的方向就是通过结合普光地貌特征结合高含硫天然气的危害，探索其泄漏后的扩散规律。结合典型泄漏事故，对比分析风速、泄漏孔径以及泄漏时间对扩散危害区域的影响。

1 酸气管道泄漏的危害

普光气田开采出的天然气在未经脱硫前，天然气中硫化氢平均含量高达15%，在从井口输往集气站、净化厂的过程中，一旦发生泄漏，将会造成重大的人员伤亡和经济损失，如若伴随着爆炸，其后果更加严重，通常天然气爆炸的破坏形式通常有直接的爆炸、冲击波的破坏和火灾三种：

1.1直接的爆炸

爆炸对周围设备、建筑和人的直接作用，它直接造成机械设备、容器和建筑的毁坏以及人员伤亡。机械设备和建筑物碎片的飞出，会在相当范围内造成危险，碎片击中人体则可能造成伤亡。

1.2冲击波的破坏

爆炸时产生的高温高压气体产物以极高的速度膨胀，像活塞一样挤压周围空气，把爆炸反应释放出的部分能量传递给这周围的空气层。空气受到冲击而发生扰动，这种扰动在空气中的传播就称为冲击波。冲击波可以在周围环境中的固体、液体、气体介质(如金属、建筑材料、岩石、水、空气等)中传播。在传播的过程中，可以对这些介质产生破坏作用，从而造成周围环境中的机械设备、建筑物的毁坏和人员伤亡。冲击波还可在它的作用区域产生震荡作用，使物体因震荡而产生松散，甚至破坏。

1.3造成火灾

天然气泄漏后与空气的混合物发生爆炸一般都会引起燃烧起火，会形成火灾。与常规天然气相比，酸性天然气泄漏的危害性更大，因为含硫化氢的天然气具有很强的毒性。硫化氢对人体首先刺激呼吸道，使其嗅觉钝化、咳嗽，严重时灼伤；其次刺激神经系统，导致头晕、丧失平衡、呼吸困难、心跳加速，严重时缺氧而死。硫化氢引起机体的全身中毒反应，是它在机体内被氧化成为硫代硫酸盐及硫酸盐以前。也就是说，硫化氢只能以游离状态与机体产生反应。在这种情况下，硫化氢能与细胞色素氧化酶及这一类酶中的二硫键作用，以致其影响细胞氧化过程，造成组织缺氧。因为中枢神经系统对缺氧最敏感，所以最先受到影响，硫化氢的浓度超过1050mg/m3 时，可刺激颈动脉而产生反射技术研究交流性窒息。当浓度稍高时，由于过度刺激呼吸中枢反而抑制了呼吸，造成呼吸停止而窒息。

2 气体扩散模拟方法

气体扩散模拟方法可归纳为两类，即扩散模式和数值计算。现对两者的优缺点做简要分析。

2.1扩散模式

高斯烟羽和高斯烟团等扩散模式提出较早，试验数据多，较为成熟，而且具有概念清晰、计算量较小等特点，在事故应急反应中，能够快速准确的对中性气体扩散的威胁做出判断，特别适合于危险性评价，己成为事故应急反应和环境影响评价领域的重要组成部分。但其自身存在固有的局限性，必须假定速度和浓度的相似分布，并假设扩散气体在平稳、均匀湍流的理想状态下扩散，然而实际中通常涉及不连续界面，因此具有一定的不确定性。因此，需要根据各种气象参数和环境条件进行不断的修正和完善，以使其能经验地满足各种扩展推广和应用需要。此外，还需针对不同泄漏源(如瞬时源、连续源)分别考虑。

2.2数值计算

应用数值计算方法计算流体力学模型能够更加准确地描述污染物在大气湍流运动中的物理现象，具有广泛的通用性，通过该方法模拟非均匀稳定的流场以及有障碍物或明显地形变化的复杂过程其结果更为可靠。但数值计算过程较为复杂，且计算量巨大，需要高性能的硬件设备，在实际应用中受到了很大的限制，而不得不采用大网格处理，这样又会降低计算精度。由于事故的突发性以及事故现场条件的复杂性，难以精确获得数值仿真过程中的某些参数。

3酸气气体泄漏扩散的研究方法

目前，对于酸气气体泄漏扩散的研究方法主要有以下几种方法：

3.1实测研究法

为了对危险性气体的扩散机理进行深入的研究，以及验证数学物理模型，欧美等发达国家做了大量现场试验和实验室试验，这种方法得到的结果比较客观，能反映泄漏气体扩散后实际的流动及分布情况，但试验往往耗时耗力，对测试人员和试验研究人员要求较高，只能对有限的情况进行试验研究。例如，吴晋湘，张丽娟等人针对比重大于空气的液化石油气，建立了一个包括泄漏源及门窗的模拟房间，模拟室内气体泄漏后的浓度场变化规律，对其进行了实测研究。然而实际情况比较复杂，具有很大的随机性，很难通过试验找到泄漏后形成的流场及浓度场的变化规律，并且不具有预测性。

3.2风洞试验法

风洞试验是比较可靠的测试方法。例如，王淑兰、丁信伟等建立了由稳定段、收缩段、测试段和扩压段组成的直流式风洞实验系统来测试可燃气体泄漏后的体积分数。浓度分布采用 102G 型气相层析仪分析，风速采用 EM9 型风速表测量。通过对CO2、C2H6、C3H8 气体在不同泄放源条件下进行了定常风洞扩散试验，给出了易燃易爆气体在不同泄放速率和风速条件下扩散时的危险体积分数和危害范围。但是，实际气体的扩散受到多方面的因素限制，用风洞试验的方法难以进行究。另外，风洞试验的代价非常昂贵，周期也较长，这给实际应用带来了非常大的困难。

3.3计算机数值模拟计算法

随着数值算法和计算机技术的飞速发展，数值模拟方法已成为研究该类课题的一种有力工具。计算机数值模拟是在计算机上对气体泄漏的动力学方程进行数值求解，从而模拟实际的扩散过程。计算机模拟不受实际条件限制，只要在计算机程序中改变相应的边界条件，就可以对不同情况进行模拟，获得详尽信息。数值模拟方法最大的缺陷在于其可靠性，即一仿真结果的可信度，这可以通过先验性的方法研究解决，即对同类问题采用合适的数学物理模型进行模拟，并和实验结果对比确定其可靠性，然后将验证过的程序用于类似的扩散模拟。从而保证模拟结果的可靠性。例如，丁信伟、徐国庆等采用了板块扩散模型对危险性气体的扩散进行数值模拟，为了验证模型的合理性，设计简易风洞，进行风洞扩散试验，然后将模型计算结果与试验数据比较，从而来验证模型的合理性。

4结束语

本文主要围绕高含硫天然气泄漏扩散及其毒性危害进行研究，首先分析了酸气管道泄漏的危害，气体扩散模拟方法可归纳为两类，即扩散模式和数值计算，总结了三种酸气气体泄漏扩散的研究方法。

参考文献：

1. 吴晋湘，张丽娟，等.室内可燃气体泄漏后浓度场变化的实验研究[J].消防科学与技术，2005,24（2）：169-171

2. 王淑兰，丁信伟，等.易燃气体扩散体积分数的实验研究[J].化学工程，2003,31（5）：62

3. 丁信伟，徐国庆，等.可燃及毒性气体扩散研究[J].化学工程，2000,28（1）：33-34

作者简介：张帆，男，中原油田天然气产销厂输气技师，主要从事天然气输送、油气管道保护等方面工作。