CN106021817B - 一种海相气田高含硫天然气集输装置泄漏快速模拟方法 - Google Patents
一种海相气田高含硫天然气集输装置泄漏快速模拟方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种海相气田高含硫天然气集输装置泄漏快速模拟方法，通过分析人口密集区高含硫天然气泄漏扩散分布规律和对高斯扩散模型参数选取方法的优化，获取针对集输管道含硫天然气、净化厂脱硫装置含天然气泄漏的扩散模拟程序，实现对气体泄漏扩散后果的快速模拟。本发明选用高斯模型，充分考虑地面粗糙度、大气稳定度、泄漏量对气体泄漏扩散的影响，结合井场周边环境对相关参数进行修正，实现了含硫天然气集输管线泄漏、净化厂脱硫装置含硫化氢富液泄漏、管线含硫化氢富液泄漏、场站管线气体泄漏四种情况下泄漏扩散后果的快速定量模拟，得到泄漏扩散后硫化氢浓度100ppm、1000ppm所能到的最远距离。
Description
技术领域
本发明属于气体泄漏扩散技术领域，尤其涉及一种海相气田高含硫天然气集输装置泄漏快速模拟方法。
背景技术
为减少集输管线或脱硫装置发生泄漏事故，因此，实现气体泄漏扩散后果的快速模拟，确定公众安全防护距离，对事故应急救援具有重要意义。国外学者提出了很多气体扩散模型，并开展了大量的风洞试验中高斯模型、Sutton模型、BM模型、FEM3模型是比较经典的几种气体扩散模型(桑博等，2011)。高斯模型是最早开发的也是应用最广泛的管道气体泄漏扩散过程的数学模型，基于统计方法，考察扩散质的质量分数分布(Arystanbekova NK，2004；Spijkerboer H P，Beniers J E，Jaspers D，et al，2002)，适用于点源的扩散。BM模型也称为唯象模型，该模型与实验曲线吻合较好(Britter R E，Mc Quaid J，1988)，主要适用于中性或重气体的扩散研究。FEM3模型的原型由1979年提出，该模型采用有限元法，使用K理论(梯度运输理论)来处理湍流问题(Ermak D L，Chan S T，1986)，适用于重气连续及有限时间内的泄放，但计算量较大。国内一些学者在研究气体扩散规律的同时，将气体扩散模型与GIS集成可视化，对天然气泄漏扩散情况进行模拟分析(王旭东等，2010；陈浩鹏，2013)。另一些学者利用ArcGIS Engine平台，采用不同的方法模拟并分析含硫天然气的高后果区域(冷海芹，2012；王超群，2012)。与此同时，很多学者利用Fluent软件对气体扩散进行数值模拟(于洪喜等，2008；侯志强等，2015)。对于高含硫天然气泄漏扩散后的安全防护距离研究，王洪德等(2014)模拟分析了天然气储罐瞬时泄漏后的扩散距离和面积。李冰晶等(2013)利用高斯烟团模型对脱硫装置发生特大灾害性事故状态下的硫化氢泄漏进行模拟，最后确定安全距离为下方向250m。
然而，在已有的研究中更多的关注风速、风向、介质泄漏压力等对气体泄漏扩散的影响，有关复杂地形等因素对气体泄漏扩散的影响关注不多，对于气体泄漏后的安全防护距离的确定更少。在很多实际场站安全防护距离评价中，需要一种快速简便的计算方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海相气田高含硫天然气集输装置泄漏快速模拟方法，旨在解决现有的气体扩散方法存在关注风速、风向、介质泄漏压力等对气体泄漏扩散的影响，对复杂地形等因素对气体泄漏扩散的影响关注不多，所带来的无法准确确定气体泄漏后的安全防护距离，降低救援效率的问题。
本发明是这样实现的，一种海相气田高含硫天然气集输装置泄漏快速模拟方法，所述海相气田高含硫天然气集输装置泄漏快速模拟方法选择高斯烟羽模型为基础进行建模，采用高斯模型确定泄漏源强以及大气扩散系数，通过初始源强及泄漏达到稳态前各时刻源强可计算得到等效源强，利用等效源强进行含硫化氢天然气泄漏扩散模拟。
进一步，所述海相气田高含硫天然气集输装置泄漏快速模拟方法包括以下步骤：
首先，计算初始源强，则：
式中：Cd为气体泄漏系数；A为裂口面积；p为管内气体压强；M为相对分子质量；R为气体常数，j/mol*k；K为气体温度；
计算等效源强，根据气体状态方程：
PV＝nRT；
式中：P为气体压强；V为气体体积；n为气体摩尔数；R为气体常数；T为气体温度，泄漏过程中等式右边部分可视为常量，则：
PV＝P′V+P0V0；
式中：P′为管道内剩余气体压强；P0为环境压强；V0为泄漏到大气中的混合气体在标准大气压下的体积；根据高斯烟团模型，模拟源强即为硫化氢泄漏总量，即：
Q＝Q0；
式中，Q为源强，mg；Q0为硫化氢泄露总量，mg；
其次，扩散系数计算；
最后，计算最远防护距离及到达时间：
根据高斯烟羽模型变形得到100ppm、1000ppm的浓度曲线：
式中，C为连续源物质泄漏达到稳态后在空间任意一点(x,y,z)的有毒物质的质量浓度，mg/m3；Q为源强，对于连续泄露源强为有毒物质的泄露速率，mg/s；u为泄漏时环境的平均风速，m/s；H为泄漏源有效高度，m；σx、σy、σz分别为x、y、z方向的扩散系数，与大气稳定度和下风向距离x有关；
根据高斯烟团模型，在源强确定后，硫化氢云团中心硫化氢浓度降至1000ppm或100ppm时刻，云团中心距泄露源点的距离即为相应浓度能够达到的最远距离。
进一步，所述Cd为气体泄漏系数，裂口形状为圆形取1.00，三角形0.95，长方形0.90。
本发明提供的海相气田高含硫天然气集输装置泄漏快速模拟方法，选用高斯模型，充分考虑地面粗糙度、大气稳定度、泄漏量对气体泄漏扩散的影响，结合井场周边环境对相关参数进行修正，实现了含硫天然气集输管线泄漏、净化厂脱硫装置含硫化氢富液泄漏、管线含硫化氢富液泄漏、场站管线气体泄漏四种情况下泄漏扩散后果的快速定量模拟，得到泄漏扩散后硫化氢浓度100ppm、1000ppm所能到的最远距离。
本发明对高斯扩散模型进行了深入分析，确定了其适用环境、模拟参数、模拟精度等，并针对集输管线含硫天然气、净化厂脱硫装置硫化氢泄漏扩散事故实际情况，对不同风速和地形条件下高斯模型模拟参数进行了修正，特别是利用GIS工具对扩散范围进行了地形修正。
本发明对高斯烟羽模型中的泄漏源强进行了改进修正。采用高斯烟羽模型进行模拟时，泄漏源强即为泄漏速率。但由于随泄漏时间增长，管道内介质压强逐渐降低，管道内气体泄漏速率也随之减小。为更切合实际情况，通过初始源强及泄漏达到稳态前各时刻源强可计算得到等效源强，利用等效源强进行含硫化氢天然气泄漏扩散模拟，从而提高模拟精度。
本发明已经初步实现了在GIS平台上对含硫化氢天然气泄漏扩散的快速模拟及安全防护距离的确定，本发明以最大泄漏量及稳定的环境进行模拟，在一定程度上扩大了事故影响范围。
附图说明
图1是本发明实施例提供的海相气田高含硫天然气集输装置泄漏快速模拟方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例的海相气田高含硫天然气集输装置泄漏快速模拟方法包括以下步骤：
S101：泄漏源强等效计算；
S102：扩散系数计算；
S103：最远防护距离及到达时间计算。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明通过分析川西人口密集区高含硫天然气泄漏扩散分布规律，通过对高斯扩散模型参数选取方法的优化，设计了一种快速分析评价方法，形成一套针对集输管道含硫天然气、净化厂脱硫装置含天然气泄漏的扩散模拟程序，实现对气体泄漏扩散后果的快速模拟。以彭州1井为例，模拟分析不同地形参数条件下集输管线、净化厂脱硫装置发生泄露后在风速0.5m/s、1.5m/s时的扩散模拟情况，及泄漏扩散后硫化氢浓度1000ppm、100ppm所能到的最远安全距离，为确定公众防护距离评价提供决策支持。
1实验方法
1.1技术流程
本发明以彭州1井为例，对含硫化氢天然气泄漏扩散进行模拟。彭州1井位于四川省彭州市庆兴镇跃进村四组，原金深1井同井场。通过现场踏勘调查，经过对井场周边环境、人口分布调查，井口500m范围内居住情况得到表1。从表1中数据可以看到，彭州1井500m范围内居住居民500余人，并有建筑设施及河流道路等。一旦硫化氢天然气发生泄漏扩散，不仅影响天然气管道的正常运行，而且严重危及人们的生命财产安全，并造成建筑物破坏，河流污染等。因此，对含硫化氢天然气泄漏扩散进行模拟分析具有重要的意义。
表1彭州1井井场周围居民分布
| 距井口距离 | 200m范围内 | 300m范围内 | 500m范围内 |
| 住户统计(户/人) | 14户39人 | 147户485人 | 164户545人 |
| 建筑统计 | 113 | / | 1栋民房 |
| 水源统计 | 2条河流(宽8米) | / | / |
| 道路统计 | 宽3米的 | / | / |
| 医院、学校统计 | / | / | / |
1.2参数选取
川西高含硫气田天然气泄漏扩散模拟选用高斯模型。其中，集输管线含硫天然气扩散、管线富液泄漏认为是连续泄漏，故选择高斯烟羽模型为基础进行建模。净化厂富液泄露、场站管线气体泄漏扩散属于瞬时泄漏，故选择高斯烟团模型为基础进行建模。采用高斯模型进行硫化氢泄漏扩散模拟需要确定泄漏源强以及大气扩散系数等参数。
(1)泄漏源强等效计算
利用高斯烟羽模型进行扩散模拟时，泄漏源强即为硫化氢泄漏速率。但由于随泄漏时间增长，管道内介质压强逐渐降低，管道内气体泄漏速率也随之减小。为更切合实际情况，通过求取模拟时间段的等效源强进行扩散模拟。
首先，计算初始源强。气体泄漏属于音速泄漏(刘寰宇等，2014)，且将天然气视为不可压缩流体，则:
式中：Cd为气体泄漏系数(裂口形状为圆形取1.00，三角形0.95，长方形0.90)；A为裂口面积；p为管内气体压强；M为相对分子质量；R为气体常数，j/mol*k；K为气体温度。
其次，计算等效源强，根据气体状态方程：
PV＝nRT(1-2)
式中：P为气体压强；V为气体体积；n为气体摩尔数；R为气体常数；T为气体温度，对于含硫天然气连续泄漏过程，可认为气体温度不变，则泄漏过程中等式右边部分可视为常量，则可知：
PV＝P′V+P0V0(1-3)
式中：P′为管道内剩余气体压强；P0为环境压强；V0为泄漏到大气中的混合气体在标准大气压下的体积。由此可以推理得到泄漏过程中各时刻的管内压强，根据初始源强及泄漏达到稳态前各时刻源强可计算得到泄漏过程的等效源强。根据高斯烟团模型，其模拟源强即为硫化氢泄漏总量，即：
Q＝Q0(1-4)
式中，Q为源强，mg；Q0为硫化氢泄露总量，mg。
(2)扩散系数计算
气体的扩散速度与地面粗糙度有关。一般地，地面粗糙度越大，气体扩散速度越慢。因此，由于平原、山顶、山谷条件下地面粗糙度不同，对扩散系数做相应修正。针对连续泄漏大气扩散系数，王洪德等(2014)已经给出了扩散参数及扩散参数的求法，对于瞬时泄漏大气扩散参数，谯琳等(2012)给出的扩散参数计算方法，并参照《环境评价技术导则——大气环境》对高斯烟团的回归系数进行取值计算。
(3)最远防护距离及到达时间计算
根据高斯烟羽模型变形可以得到100ppm、1000ppm的浓度曲线：
式中，C为连续源物质泄漏达到稳态后在空间任意一点(x,y,z)的有毒物质的质量浓度，mg/m3；Q为源强，对于连续泄露源强为有毒物质的泄露速率，mg/s；u为泄漏时环境的平均风速，m/s；H为泄漏源有效高度，m；σx、σy、σz分别为x、y、z方向的扩散系数，与大气稳定度和下风向距离x有关。
由此可以模拟得到硫化氢连续泄露扩散达到稳态后硫化氢浓度100ppm、1000ppm边界，以及各浓度能够扩散达到的最远距离。连续源高斯烟羽扩散模拟达到最远距离时间即连续源扩散达到稳态的时间。根据高斯烟团模型，在源强确定后，硫化氢云团中心硫化氢浓度降至1000ppm或100ppm时刻，云团中心距泄露源点的距离即为相应浓度能够达到的最远距离。因此，根据高斯烟团扩散模型可以通过时间迭代模拟得到硫化氢浓度分布图以及各浓度能够扩散达到的最远距离。相对于连续源高斯烟羽扩散模拟而言，瞬时泄漏高斯烟团模型因其污染物质总量一定，因此达到最远距离后由于硫化氢的扩散，烟团浓度逐渐降低，1000ppm、100ppm的边界又将逐渐向泄漏源点靠近，因此达到最远距离的时间即为达到最远扩散距离的时刻。
通过调查分析川西硫气田天然气组分、周边环境(大气稳定度、地形等)等具体情况，首先根据地表粗糙度，对扩散系数进行修正；其次，对泄漏源强进行修正，提出等效源强的计算方法。
下面结合实验对本发明的应用效果作详细的描述。
1本发明在Visual Studio 2010开发平台下，模拟并实现了含硫天然集输管线泄漏、净化厂脱硫装置含硫化氢富液泄漏、管线含硫化氢富液泄漏、场站管线气体泄漏四种情况下的含硫化氢天然气泄漏扩散的安全防护距离。根据川西硫气田实际情况，在不同情况下含硫化氢泄漏扩散参数取值如下：
(1)含硫天然气集输管线泄漏扩散模拟
表2集输管线含硫天然气扩散模拟参数表
(2)净化厂脱硫装置含硫化氢富液泄漏扩散模拟
表3平原条件下净化厂脱硫装置富液泄漏扩散模拟参数表
(3)平原条件下管线含硫化氢富液泄漏模拟
表4平原条件管线富液泄漏扩散模拟参数表
(4)平原条件下场站管线气体扩散模拟
表5平原条件场站下集输管线含硫天然气扩散模拟参数表
2实验结果与分析
2.1模拟软件结果
首先进行模拟参数设置，针对连续泄漏，计算初始源强及等效源强；对于瞬时泄漏，计算其泄漏速率。其次，根据已设置的模拟参数对高含硫天然气泄漏扩散进行模拟。模拟得到应急撤离距离、搬迁距离以及最远扩散时间。
以下2.2至2.5小节是含硫天然气集输管线泄漏、净化厂脱硫装置含硫化氢富液泄漏、管线含硫化氢富液泄漏、场站管线气体泄漏四种情况在不同风速、地形参数条件下的软件模拟结果。
2.2含硫天然气集输管线泄漏扩散模拟结果分析
(1)不同参数取值下模拟结果
表6不同参数取值下模拟结果列表
(2)安全防护距离分析
根据以上分析结果可以得出，在不同模拟参数下集输管道发生泄漏后扩散距离随着口径、地面粗糙度及风速的不同，搬迁距离(1000ppm浓度)、应急撤离距离(100ppm浓度)随之发生变化。
泄漏口径在0.2cm可视为点蚀穿孔情况，在1.5m风速下平原条件搬迁距离为10m、应急撤离距离35米；山顶条件下，搬迁距离为11m、应急撤离距离16.9m；山谷条件下，搬迁距离为10m、应急撤离距离32m。
随着孔径继续增大，在0.5cm孔径在1.5m风下搬迁距离为27m，应急撤离距离为90m；山顶条件下，搬迁距离为30m、应急撤离距离99m；山谷条件下，搬迁距离为25m、应急撤离距离83m。
2.3净化厂脱硫装置含硫化氢富液泄漏扩散模拟结果分析
(1)不同风速下扩散模拟结果
表7平原静风条件下净化厂脱硫装置泄露不同时间硫化氢扩散距离
表8平原有风条件净化厂脱硫装置泄漏不同时间硫化氢扩散距离
(2)安全防护距离分析
静风条件下(风速0.5m/s)平原净化厂脱硫装置发生泄漏事故后硫化氢浓度大于1000ppm的距离最远为76.5m，耗时150s；硫化氢浓度大于100ppm的距离最远为170m，耗时300s。
有风条件下(风速1.5m/s)平原净化厂脱硫装置发生泄漏事故后硫化氢浓度大于1000ppm的距离最远为225m，耗时150s；硫化氢浓度大于100ppm的距离最远为493m，耗时约330s。
从模拟数据分析可以看到，两种风速下，1000ppm约用时150s达到最远距离稳态；100ppm用时300～330s达到最远距离稳态，因此风速对给定净化脱硫装置的少量富液泄漏后硫化氢扩散距离影响较大，但对达到稳态的扩散时间影响较小。
2.4平原条件下管线含硫化氢富液泄漏模拟结果分析
(1)不同参数取值下扩散模拟结果
表9不同参数取值下模拟结果列表
(2)安全防护距离分析
根据以上分析结果可以得出，在不同模拟参数下管线富液发生泄漏后扩散距离随着口径、风速的不同，搬迁距离(1000ppm浓度)、应急撤离距离(100ppm浓度)随之发生变化，泄漏口径决定富液源强泄漏速度。
泄漏口径在0.2cm可视为点蚀穿孔情况，在1.5m风速下搬迁距离为2m、应急撤离距离9米；在0.5m风速下平原条件搬迁距离为4m、应急撤离距离15米。
随着孔径继续增大，在0.5cm孔径在1.5m风下搬迁距离为12米，应急撤离距离为40米；在0.5m风下搬迁距离为7米，应急撤离距离为22米。
孔径继续增大到3cm，在0.5cm孔径在1.5m风下搬迁距离为43米，应急撤离距离为147米；在0.5m风下搬迁距离为77米，应急撤离距离为271米。
2.5平原条件下场站管线气体泄漏扩散模拟结果分析
(1)不同风速下扩散模拟结果
表10平原静风条件站场管线泄露不同时间硫化氢扩散距离
表11平原有风条件站场管线泄漏不同时间硫化氢扩散距离
(2)安全防护距离分析
静风条件下(风速0.5m/s)站场管线发生泄漏事故后硫化氢浓度大于1000ppm的距离最远为36.5m，耗时约80s；硫化氢浓度大于100ppm的距离最远为85m，耗时160s。
有风条件下(风速1.5m/s)站场管线发生泄漏事故后硫化氢浓度大于1000ppm的距离最远为111.8m，耗时约80s；硫化氢浓度大于100ppm的距离最远为248.6m，耗时165s。
从模拟数据分析可以看到，1000ppm最远扩散距离约111.8m；100ppm最远扩散距离约248m，尽管风速不同，但整体趋于收敛时间差距不到，其中100ppm约用时160s，1000ppm用时80s，因此风速对给定场站管线富液的较少量富液泄漏后硫化氢扩散距离影响较大，但对扩散时间达到稳态的影响较小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种海相气田高含硫天然气集输装置泄漏快速模拟方法，其特征在于，所述海相气田高含硫天然气集输装置泄漏快速模拟方法选择高斯烟羽模型为基础进行建模，采用高斯模型确定泄漏源强以及大气扩散系数，通过初始源强及泄漏达到稳态前各时刻源强可计算得到等效源强，利用等效源强进行含硫化氢天然气泄漏扩散模拟；
所述海相气田高含硫天然气集输装置泄漏快速模拟方法包括以下步骤：
首先，计算初始源强，则：
式中：Cd为气体泄漏系数；A为裂口面积；p为管内气体压强；M为相对分子质量；R为气体常数，j/mol*k；T为气体温度；
计算等效源强，根据气体状态方程：
PV＝nRT；
式中：P为气体压强；V为气体体积；n为气体摩尔数；R为气体常数；T为气体温度，泄漏过程中等式右边部分可视为常量，则：
PV＝P′V+P0V0；
式中：P′为管道内剩余气体压强；P0为环境压强；V0为泄漏到大气中的混合气体在标准大气压下的体积；根据高斯烟团模型，模拟源强即为硫化氢泄漏总量，即：
Q＝Q0；
式中，Q为源强，mg；Q0为硫化氢泄露总量，mg；
其次，扩散系数计算；
最后，计算最远防护距离及到达时间：
根据高斯烟羽模型变形得到100ppm、1000ppm的浓度曲线：
式中，C为连续源物质泄漏达到稳态后在空间任意一点(x,y,z)的有毒物质的质量浓度，mg/m3；Q为源强，对于连续泄露源强为有毒物质的泄露速率，mg/s；u为泄漏时环境的平均风速，m/s；H为泄漏源有效高度，m；σx、σy、σz分别为x、y、z方向的扩散系数，与大气稳定度和下风向距离x有关；
根据高斯烟团模型，在源强确定后，硫化氢云团中心硫化氢浓度降至1000ppm或100ppm时刻，云团中心距泄露源点的距离即为相应浓度能够达到的最远距离。
2.如权利要求1所述的海相气田高含硫天然气集输装置泄漏快速模拟方法，其特征在于，所述Cd为气体泄漏系数，裂口形状为圆形取1.00，三角形0.95，长方形0.90。
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