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高含硫天然气泄漏爆炸与毒性影响因素分析

发表时间：2020/11/11 来源：《基层建设》2020年第22期作者：宋凯

[导读] 摘要：为探究高含硫天然气发生泄漏时危害影响因素的相互关系，基于火焰加速模拟器(FLACS)软件模拟，采用单因素分析和均匀设计法研究CH4和H2S体积分数含量比、通风速率和管道压力对高含硫天然气泄漏爆炸与毒性的影响。

        中原油田普光分公司采气厂四川达州 635000
        摘要：为探究高含硫天然气发生泄漏时危害影响因素的相互关系，基于火焰加速模拟器(FLACS)软件模拟，采用单因素分析和均匀设计法研究CH4和H2S体积分数含量比、通风速率和管道压力对高含硫天然气泄漏爆炸与毒性的影响。
        关键词：高含硫；天然气；泄漏爆炸；毒性影响因素
        1模型建立
        1.1气体泄漏数学模型
        高含硫天然气管道泄漏如图1所示。1为管道起始端中心点，2为泄漏端中心点，3为泄漏口中天然气管道的气体泄漏量参考亚临界状态的大孔泄漏，气体泄漏量计算公式为：

式中:Q为气体泄漏量，kg/s；A为泄漏口面积，m2；P1为输气起点1处压力，Pa；Mai为i处马赫数；M为物质摩尔质量，g/mol；κ为气体绝热系数；Ｒ为气体常量，通常取8.314kJ/kmol•K；T1为输气起点1处温度，K。

        图1 天然气管道
        1.2爆炸极限数学模型
        对于2种或2种以上可燃性气体混合物，其爆炸极限可用下式计算:

        式中:Ln为混合气体爆炸极限，%；L1、L2分别为形成混合气体的各单元组分爆炸极限，%；V1、V2为各单独组分在混合气体中的体积分数，%，V1+V2=100%。
        1.3物理模型
        根据工程案例，建立如图2所示的居民楼物理模型。参数为:层高3m，共8层，每层8户；中间走廊宽2m，沿东西走向，走廊两端设置通风窗口1.5m×2m，楼梯宽2m；每户由大房与小房连接形成，大房为6.5m×9m，小房为4m×6.5m，房门为1m×2m，泄漏相关状态参数见表1。试验设置模型窗户及房门为敞开，由于气流运动具有随机性，室内环境各异，文中只研究统一室内布置状态。

        图2 模型建立与网格划分
        整个计算空间运用均匀网格划分，为方便观察空间中天然气运移，当管道处于完好状态时，设置整个计算区域中X、Y与Z轴网格数分别为40、40和25，网格总数为40000；当管道处于泄漏状态时，由于泄漏口附近速度梯度较大，为提高计算精度，适当加密网格，设置X、Y与Z轴网格数分别为40、44和35网格总数为61600，网格划分如图2所示。
        表1 泄漏状态参数

        图3 不同因素影响条件下空间中CH4质量积累曲线
        文中研究采用的火焰加速模拟器(FlameAccelerationSimulator，FLACS)为3D建模软件工具，主要分为3部分:预处理器(ComputerAidedScenarioDesign，CASD)、模拟器和后处理器。CASD用于准备输入数据或作业数据，该数据定义了FLACS模拟的几何模型、计算网格、孔和场景描述；模拟器为仿真计算并监视计算过程；后处理器为输出计算数据和图形动画。FLACS广泛用于石油和天然气及过程工业的扩散和爆炸影响分析，因此，文中模拟分析选用FLACS软件。
        2模拟结果分析
        2.1单因素分析
        通过FLACS软件模拟，得到单因素影响空间CH4积累质量变化情况，如图3所示。其中:C为CH4和H2S体积分数含量比，CH4与H2S总体积分数为100%；v为通风速率，m/s；P为管道压力，kPa，t为泄漏时间，s；F为空间CH4积累质量，kg。图3a表明:当其他影响因素不变，CH4与H2S含量比越高，F斜率越大，即天然气泄漏速率越快，空间所积累CH4质量越多；由图3a和图3b可知:CH4含量增加10%或P增加3kPa，空间中CH4稳定质量积累差均约为40kg，P越大，曲线F斜率越大，空间中CH4质量积累速率越快；图3c表明:在天然气泄漏初期，v作用并不明显，100s后，v增大导致气流扩散作用增大，局部空间F减少，气体泄漏范围扩大。
        运用Matlab软件拟合图3曲线，分别得到空间内CH4的F、t(0＜t＜300s)、C(3＜C＜19)、P(1.5kPa＜P＜7.5kPa)、v(1m/s＜v＜5m/s)的函数关系:

由式(3)可知:保持P和v不变时，将F对C一阶偏导，当3＜C＜19时，FC＞0，表明:当t一定时，空间内F随C增大而增大。
F(t，P)=737.3+1.5t－940P－0.57tP+384P2－62.5P3+3.5P4(4)由式(4)可知:保持C和v不变，将F对P一阶偏导，当1.5kPa＜P＜7.5kPa时，FP＞0，表明:当t一定时，空间内F随P增大而逐渐增大。

        由式(5)可知:保持C和P不变，将F对v一阶偏导，当1m/s＜v＜5m/s时，Fv＜0，表明:当t一定时，空间F随着v增大而减小。
        由式(3)—式(5)可知:C对空间内F有促进作用，呈正相关；对于P而言，它与C对空间内F所起的作用几乎相似，也呈正相关；相比而言，v对空间内F所起作用与前两者相反，呈负相关，但增大了天然气的泄漏扩散范围。
        由于天然气泄漏的安全问题主要来自于CH4与H2S混合气体爆炸危险性以及H2S毒性。为进一步研究各自变量对评价指标的影响程度，运用Matlab进行关联度分析，结果见表2。
        关联系数的绝对值大小作为变量间影响作用的评判标准，绝对值越大，关联程度越高，对应变量的作用效果越明显。结合单因素分析与关联度分析结果表明:v对各因变量的作用效果的关联系数绝对值在0.78以上，但呈负相关，相比于其他2个变量，v对空间爆炸危险性的影响最大，提高通风速率可以抑制天然气的爆炸危险性；P的影响其次，关联系数约在为0.67，为正相关，所以在能保证正常天然气供应情况下，应当尽量降低P，降低事故发生的危险性；C影响程度最小，关联系数在0.55左右，呈正相关，所以应适当降低C。通过以上分析得出:关联度分析与拟合曲线函数的分析结果一致，验证了变量之间相互关系的准确性。
        表2 自变量与因变量间关联度系数

        2.2均匀设计分析
        为研究各关键影响因素对CH4与H2S混合气体的爆炸危险性和H2S毒性的综合影响程度，文中选用均匀设计法来分析，5种方案设计见表3。此设计各试验点均衡分散，无需调整水平试验顺序。
        表3 方案设计

        结束语
        单因素分析得到影响天然气爆炸危险性的主次因素顺序为:风速＞管道压力＞CH4与H2S的含量比。其中，CH4与H2S的含量比和管道压力与天然气爆炸危险性呈正相关，而风速为负相关。
        参考文献
        [1]刘雨寒.含H2S天然气管道泄漏模型研究[D].成都:西南石油大学，2018.
        [2]翟国昌.H2S的职业危害与防护[J].现代职业安全，2015(12):108－110.