CN114441513B - 一种含硫化氢设备泄漏扩散距离的估算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含硫化氢设备泄漏扩散距离的估算方法，其中估算方法为：步骤一：测量待测硫化氢设备中硫化氢浓度；步骤二：计算标准状态下硫化氢的潜在泄漏量；步骤三：将硫化氢危害浓度分级指标设定为三种：可接受暴露安全极限值20ppm、危险临界浓度100ppm和立即威胁生命健康浓度300ppm。本发明的有益效果是：本发明实现了含硫化氢设备泄漏扩散距离的快速计算，计算简单快捷，结果准确度较高，为场站含硫化氢设备安全防护提供有力的理论指导。

Description

一种含硫化氢设备泄漏扩散距离的估算方法
技术领域
本发明涉及油田气体扩散技术领域，特别涉及一种含硫化氢设备泄漏扩散距离的估算方法。
背景技术
含硫化氢油田生产设备容易发生泄漏，且具有隐蔽性强、事发突然和危害性大的特征，一旦泄漏硫化氢大面积扩散可能造成急性的重大人员伤亡事故，严重威胁现场工作人员，甚至可能造成公众伤害，是油田生产必须要解决的安全事故问题。目前对硫化氢泄漏扩散影响距离的研究以进行数值模拟为主。数值模拟计算方法结果精确，但计算过程复杂，耗费大量时间，并不适用于实际的生产和工程。因此需要一种简单快捷的计算方法，为场站含硫化氢设备安全防护提供有力的理论指导。
发明内容
为了能够简单快捷的计算出硫化氢设备泄漏扩散距离，为场站含硫化氢设备安全防护提供有力的指导，本发明提供了一种含硫化氢设备泄漏扩散距离的估算方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种含硫化氢设备泄漏扩散距离的估算方法，具体方法为：
步骤一：测量待测硫化氢设备中硫化氢浓度；
步骤二：计算标准状态下硫化氢的潜在泄漏量；其中，标准状态是指设备外界大气压为标准大气压1.013×105、气温标准为20℃。
步骤三：将硫化氢危害浓度分级指标设定为三种：可接受暴露安全极限值20ppm、危险临界浓度100ppm和立即威胁生命健康浓度300ppm；
步骤四：将步骤一和步骤二得到的硫化氢浓度及潜在泄漏量，代入公式(1)、公式(2)和公式(3)中，得出步骤三中的三个分级指标下的扩散距离值。
其中，所述步骤一中，采用比色法测量硫化氢设备中硫化氢浓度。
所述步骤二中，所述潜在泄漏量为：待测硫化氢设备中现有气相空间总体积，与3min内从存量组中其它设备添加到所述待测硫化氢设备中的气体体积之和；其中，所述存量组在GB/T26610.5-2014中给出了定义：“介质泄露时，通过快速隔离阀(或其他快速隔离装置)将介质泄漏量限制在尽量少的范围内，该范围之外其他设备内的介质量对实际泄漏量没有影响，把该范围内的相关设备划分为一个存量组”。
所述待测硫化氢设备中气相空间总体积的测量方法为：利用液位计测量待测硫化氢设备的液面高度、并计算液体体积，再利用待测硫化氢设备总体积减去液体体积得出待测硫化氢设备气相空间总体积；
所述3min内流入待测硫化氢设备中的硫化氢体积的测量方法为：通过输气管的管径和气体流速来计算；其中气体流速通过输气管的流量计测量得到。
所述公式(1)为：
L20ppm＝0.1755(HQ)0.369，
其中，L20ppm为待测硫化氢设备泄漏扩散浓度为20ppm的扩散距离，m；H为含硫化氢设备中硫化氢浓度，ppm；Q为标准状态下硫化氢的潜在泄漏量，m3/3min。
所述公式(2)为：
L100ppm＝7.686×10-3(HQ)0.6285。
其中，L100ppm为待测硫化氢设备泄漏扩散浓度为20ppm的扩散距离，m；H为含硫化氢设备中硫化氢浓度，ppm；Q为标准状态下硫化氢的潜在泄漏量，m3/3min。
所述公式(3)为：
L300ppm＝1.842×10-3(HQ)0.6285。
其中，L300ppm为待测硫化氢设备泄漏扩散浓度为20ppm的扩散距离，m；H为含硫化氢设备中硫化氢浓度，ppm；Q为标准状态下硫化氢的潜在泄漏量，m3/3min。
所述待测硫化氢设备为硫化氢浓度在15000mg/m3以下、且硫化氢分压小于或等于0.00035MPa的硫化氢设备。
本发明的有益效果是：本发明实现了含硫化氢设备泄漏扩散距离的快速计算，计算简单快捷，结果准确度较高，为场站含硫化氢设备安全防护提供有力的理论指导。
具体实施方式
传统的数值模拟计算方法，通常需要现场勘查测量建筑物、设备尺寸，之后通过专业软件建立三维模型，再对模型划分网格确定泄漏场景，通过软件计算硫化氢泄漏后的扩散范围，仅对一座站场的含硫化氢设备泄漏模拟需要至少1-2个月时间，而本发明的计算方法可以简化到以公式表达硫化氢泄漏的扩散距离，其目的是便于基层安全人员开展风险分析、应急管理处置等工作。此外，发明人通过对东部油田高含硫化氢联合站、集输站、接转站、井场等开展了大量的油田高含硫站场数值模拟工作，模拟了主要设备在各类风向、风速、泄漏孔径及不同工况下的泄漏场景，计算出结果，通过对结果拟合出的计算公式，该公式计算的是下风向的硫化氢泄漏距离，即扩散距离最远的一种情况，室外温度对泄漏扩散的影响很小，因此可以忽略不计。
本发明的计算方法是这样得到的，首先构建硫化氢危害浓度分级指标；然后根据对目标含硫联合站设备进行多种工况条件的数值模拟，统计含硫化氢设备泄漏后在不同危害浓度指标的影响距离；然后根据大量数值模拟结果拟合含硫化氢设备泄漏扩散距离公式，以实现一种计算含硫化氢设备泄漏扩散距离的方法。
考虑国内外广泛使用的暴露伤害标准AEGLs(Acute Exposure GuidelineLevels，急性暴露指导水平)、ERPGs(Emergency Response Planning Guideline，应急响应计划指南)、TEELs(Temporary Emergency Exposure Limits，暂定应急暴露限值)、PACs(protective action criteria assessment and protective actions,保护行动标准)、AQ 2012-2007《石油天然气安全规程》、SY/T 6137-2017《硫化氢环境天然气采集与处理安全规范》、SY/T 6277-2017《硫化氢环境人身防护规范》等。在安全、保守的前提下确定硫化氢危害浓度分级指标——20ppm可接受暴露安全极限值(AEL)、100ppm危险临界浓度和300ppm立即威胁生命和健康浓度(IDLH)。
选取目标含硫联合站，围绕联合站内分离器管线泄漏、天然气处理装置管线泄漏、脱硫装置管线泄漏、储罐呼吸口排放、输油泵房内管线泄漏等，以及4个计量间管线泄漏，分室外、室内2种情况，在小、中、大、破裂4种泄漏孔径，在最危险低风速1.5m/s、代表最常见情况的年平均风速和代表罕见高风速的8.5m/s，4个主要风向作用下的站内设备泄漏硫化氢扩散过程，涵盖了888种计算工况。得到不同工况条件下，含硫设备泄漏在不同硫化氢危害浓度分级指标下达到的危害影响距离。
为了快速确定含硫设备泄漏造成的危害影响距离，基于联合站含硫化氢设备泄漏扩散模拟的数据，参考得克萨斯铁路委员会条例第3章《石油和天然气部分》(Oil and GasDivision)第36节《含硫区域内的石油、天然气和地热作业》(Oil Gas or GeothermalResource Operation in Hydrogen Sulfide Areas)，构建含硫化氢设备泄漏扩散距离与含硫设备硫化氢浓度和泄漏量的函数。具体的，利用MATLAB的cftool工具箱对数值模拟所得到的数据进行拟合，并对拟合结果进行验证，建立泄漏扩散距离的函数公式，用于判断含硫化氢设备潜在的危害影响距离。
L20ppm＝0.1755(HQ)0.369 (1)
L100ppm＝7.686×10-3(HQ)0.6285 (2)
L300ppm＝1.842×10-3(HQ)0.6285 (3)
式中，L为含硫化氢设备泄漏扩散距离，m；H为含硫化氢设备中硫化氢浓度，ppm；Q为标准状态下硫化氢的潜在泄漏量，m3/3min，为设备内现有硫化氢泄漏总体积加上3min内从存量组中其它设备添加到设备中的硫化氢体积。
通过标准状态下硫化氢的潜在泄漏量和含硫化氢设备中硫化氢浓度，就可计算得该装置在发生泄漏时周边环境中硫化氢浓度能达到20ppm/100ppm/300ppm的最远距离。
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
实施例1
本发明实施例提供了一种含硫化氢设备泄漏扩散距离的估算方法，具体方法为：
步骤一：测量待测硫化氢设备中硫化氢浓度；
步骤二：计算标准状态下硫化氢的潜在泄漏量；其中，标准状态是指设备外界大气压为标准大气压1.013×105、气温标准为20℃。
步骤三：将硫化氢危害浓度分级指标设定为三种：可接受暴露安全极限值20ppm、危险临界浓度100ppm和立即威胁生命健康浓度300ppm；
步骤四：将步骤一和步骤二得到的硫化氢浓度及潜在泄漏量，代入公式(1)、公式(2)和公式(3)中，得出步骤三中的三个分级指标下的扩散距离值。
其中，所述步骤一中，采用比色法测量硫化氢设备中硫化氢浓度。
所述步骤二中，所述潜在泄漏量为：待测硫化氢设备中现有气相空间总体积，与3min内从存量组中其它设备添加到所述待测硫化氢设备中的气体体积之和；
所述待测硫化氢设备中气相空间总体积的测量方法为：利用液位计测量待测硫化氢设备的液面高度、并计算液体体积，再利用待测硫化氢设备总体积减去液体体积得出待测硫化氢设备气相空间总体积；
所述3min内流入待测硫化氢设备中的硫化氢体积的测量方法为：通过输气管的管径和气体流速来计算；其中气体流速通过输气管的流量计测量得到。
所述公式(1)为：
L20ppm＝0.1755(HQ)0.369，
其中，L20ppm为待测硫化氢设备泄漏扩散浓度为20ppm的扩散距离，m；H为含硫化氢设备中硫化氢浓度，ppm；Q为标准状态下硫化氢的潜在泄漏量，m3/3min。
所述公式(2)为：
L100ppm＝7.686×10-3(HQ)0.6285。
其中，L100ppm为待测硫化氢设备泄漏扩散浓度为20ppm的扩散距离，m；H为含硫化氢设备中硫化氢浓度，ppm；Q为标准状态下硫化氢的潜在泄漏量，m3/3min。
所述公式(3)为：
L300ppm＝1.842×10-3(HQ)0.6285。
其中，L300ppm为待测硫化氢设备泄漏扩散浓度为20ppm的扩散距离，m；H为含硫化氢设备中硫化氢浓度，ppm；Q为标准状态下硫化氢的潜在泄漏量，m3/3min。
所述待测硫化氢设备为硫化氢浓度在15000mg/m3以下、且硫化氢分压小于或等于0.00035MPa的硫化氢设备。
实施例2
某集气站单井立式外输分离器尺寸为Φ600×3600，估算容器内气相空间体积为0.5m3(根据设备如油田站场常用的分离器的尺寸计算设备容积，通常对油田站场分离器等设备来说，气相空间大概占其容积的1/3，基层人员具有相应的经验，了解含硫化氢设备基本结构，能够估算该设备气相空间体积)，该卧式分离器每天处理气量7000m3，站场工作人员在分离器取样口检测到的硫化氢含量浓度H为100ppm；
即：
设备中硫化氢浓度为H＝100ppm；
标准状态下硫化氢的潜在泄漏量Q＝0.5+(7000×3)/(24×60)＝18.083m3/3min；
根据公式(1)L20ppm＝0.1755(HQ)0.369，得到该集气站单井立式外输分离器泄漏后硫化氢浓度达到100ppm的危险距离为2.6m。
实施例3
某联合站内卧式分离器尺寸为Φ2200×8204，估算气相空间体积为5m3(根据设备如油田站场常用的分离器的尺寸计算设备容积，通常对油田站场分离器等设备来说，气相空间大概占其容积的1/3，基层人员具有相应的经验，了解含硫化氢设备基本结构，能够估算该设备气相空间体积)，该卧式分离器正常情况处理气量10000m3/d，站场工作人员在分离器取样口检测到的硫化氢含量浓度H为200ppm；
即：
设备中硫化氢浓度为H＝200ppm；
标准状态下硫化氢的潜在泄漏量Q＝5+(10000×3)/(24×60)＝25.833m3/3min；
根据公式(2)L100ppm＝7.686×10-3(HQ)0.6285，得到泄漏后硫化氢浓度达到100ppm的危险距离为1.7m。
实施例4
某联合站内卧式分离器尺寸为Φ2400×11204，估算容器内气相空间体积为10m3(根据设备如油田站场常用的分离器的尺寸计算设备容积，通常对油田站场分离器等设备来说，气相空间大概占其容积的1/3，基层人员具有相应的经验，了解含硫化氢设备基本结构，能够估算该设备气相空间体积)，该卧式分离器每天处理气量40000m3，站场工作人员在分离器取样口检测到的硫化氢含量浓度为600ppm；
即：
设备中硫化氢浓度为H＝600ppm；
标准状态下硫化氢的潜在泄漏量Q＝10+(40000×3)/(24×60)＝93.333m3/3min；
根据公式(3)L300ppm＝1.842×10-3(HQ)0.6285，得到泄漏后硫化氢浓度达到300ppm的危险距离为1.8m。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种含硫化氢设备泄漏扩散距离的估算方法，其特征在于，所述方法为：
步骤一：测量待测硫化氢设备中硫化氢浓度；
步骤二：计算标准状态下硫化氢的潜在泄漏量；
步骤三：将硫化氢危害浓度分级指标设定为三种：可接受暴露安全极限值20ppm、危险临界浓度100ppm和立即威胁生命健康浓度300ppm；
步骤四：将步骤一和步骤二得到的硫化氢浓度及潜在泄漏量，代入公式（1）、公式（2）和公式（3）中，得出步骤三中的三个分级指标下的扩散距离值；
其中，所述步骤一中，采用比色法测量硫化氢设备中硫化氢浓度；
所述步骤二中，所述潜在泄漏量为：待测硫化氢设备中现有气相空间总体积，与3min内从存量组中其它设备添加到所述待测硫化氢设备中的气体体积之和；
所述待测硫化氢设备中气相空间总体积的测量方法为：利用液位计测量待测硫化氢设备的液面高度、并计算液体体积，再利用待测硫化氢设备总体积减去液体体积得出待测硫化氢设备气相空间总体积；
所述3min内流入待测硫化氢设备中的硫化氢体积的测量方法为：通过输气管的管径和气体流速来计算；其中气体流速通过输气管的流量计测量得到；
所述公式（1）为：
，
其中，L20ppm为待测硫化氢设备泄漏扩散浓度为20ppm的扩散距离，m；H为含硫化氢设备中硫化氢浓度，ppm；Q为标准状态下硫化氢的潜在泄漏量，m3/3min；
所述公式（2）为：
；
其中，L100ppm为待测硫化氢设备泄漏扩散浓度为20ppm的扩散距离，m；H为含硫化氢设备中硫化氢浓度，ppm；Q为标准状态下硫化氢的潜在泄漏量，m3/3min；
所述公式（3）为：
；
其中，L300ppm为待测硫化氢设备泄漏扩散浓度为20ppm的扩散距离，m；H为含硫化氢设备中硫化氢浓度，ppm；Q为标准状态下硫化氢的潜在泄漏量，m3/3min。
2.根据权利要求1所述的估算方法，其特征在于，所述待测硫化氢设备为硫化氢浓度在15000mg/m3以下、且硫化氢分压小于或等于0.00035MPa的硫化氢设备。
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