基于SAFETI的高含硫天然气净化装置硫化氢泄漏模拟扩散评估

基于SAFETI的高含硫天然气净化装置硫化氢泄漏模拟扩散评估

任聪[1] 曹文全 刘刚 杨玉玲

（中国石油化工股份有限公司西南油气分公司，四川成都 610095）

摘要选取元坝净化厂二联合再生塔作为研究对象，选取不同泄漏孔径、泄漏高度、泄漏方向和风速作为研究对象，运用挪威船级社（DNV）SAFETI软件，建立泄漏场景，通过对风速、泄漏孔径、泄漏高度、泄漏方向这些不同的条件使用控制变量法，模拟研究相应变量下的硫化氢扩散规律。

关键词硫化氢泄漏；天然气净化；SAFETI

0引言

天然气净化厂中溶剂再生塔为脱硫单元主要塔器设备，再生塔运行过程中，高压低温的富胺液进入闪蒸罐产生闪蒸气后再进入贫富溶剂换热器与再生塔底出来的贫溶剂换热，富胺液压力下降，温度上升，再从贫富胺液换热器垂直上升后进入再生塔，当富胺液由高压低温条件向低压高温条件的转化时，大量H2S和CO2等酸性气析出，管道内的胺液由液态转变为气液混合态，管道易发生剧烈振动，存在胺液泄漏后硫化氢扩散风险。

1 软件介绍

本次研究使用SAFETI软件对二联合装置含硫设备再生塔发生硫化氢气体泄漏事故的扩散规律进行了研究。SAFETI的计算主要包括泄漏模块、扩散模块、后果影响模块（泄漏气体的毒性和燃烧性）以及风险模块。

2 物理模型及边界条件

选定元坝净化厂二联合装置含硫设备中再生塔（脱硫装置区域）和胺液管线为泄漏点，将溶剂酸性气分液灌顶部发生腐蚀泄漏选为事故场景。二联合再生塔设计压力为0.09MPa，运行压力为0.09MP。其他模拟工况见表2-1所示。

表2-1再生塔模拟参数选取一览表

基于上述讨论，本文通过对风速、扩散浓度、泄漏孔径、泄漏角度和泄漏高度这些不同的条件控制变量，模拟了不同场景下的泄漏结果，研究这些变量对硫化氢扩散的影响。

3 模拟条件

表3-1 相关模拟参数设置

4 数据分析

4.1 泄漏孔径

在考察了近年来再生塔硫化氢腐蚀泄漏事故后，决定将5mm、25mm和100mm分别作为小、中、大泄漏孔径的相应变量。本文主要讨论在1000ppm、100ppm、20ppm扩散浓度下，风速为2m/s，泄漏高度为1m，泄漏方向为水平条件下的扩散结果。

（1）硫化氢扩散1000ppm

表4-1 1000ppm扩散浓度不同泄漏孔径硫化氢泄漏扩散结果

根据计算结果，再生塔大孔泄漏波及的范围最远，波及三联合装置，通过模拟计算硫化氢浓度（1000ppm）波及三联合装置的时间，再生塔大孔泄漏距离再生塔85m，波及开始时间20.4s，波及结束时间196.9s，波及总时长176.5s，硫化氢最大浓度1147.6ppm。

（2）硫化氢扩散100ppm

表4-2 100ppm扩散浓度不同泄漏孔径硫化氢泄漏扩散结果

通过模拟计算再生塔不同孔径泄漏硫化氢浓度（100ppm）波及控制室、一联合装置、三联合装置、四联合装置的时间，再生塔中孔泄漏时距离一联合装置85m，波及时间最长（2946.5s），硫化氢最大浓度172ppm；再生塔大孔泄漏时距离一联合装置85m，波及时间207s，硫化氢最大浓度最高（1147.7ppm）。

（3）硫化氢扩散20ppm

表4-3 20ppm扩散浓度不同泄漏孔径硫化氢泄漏扩散结果

通过模拟计算再生塔不同孔径泄漏硫化氢浓度（20ppm）波及控制室、一联合装置、三联合装置、四联合装置和站外民房的时间，再生塔中孔泄漏时波及一联合装置的时间最长，为2981s

，硫化氢最大浓度172ppm；再生塔大孔泄漏时一联合装置的硫化氢浓度最高，波及时间235.4s，硫化氢最大浓度1139.8ppm。

由上述图表可知，泄漏孔径的增大将极大程度地提高硫化氢云团的浓度，相应泄漏事故的危害级别也会显著提升；泄漏事故发生后，硫化氢云团和高危区域的位置会随着泄漏量的增多向下风向略微平移[3]。

4.2 泄漏高度

取风速为2m/s，泄漏方向为水平，泄漏孔径为大孔径（100mm），分别在1m、10m、20m、30m、37m的泄漏高度下的不同硫化氢关注浓度（1000ppm、100ppm、20ppm)[4]的影响范围如下表4-4所示。

 表4-4不同泄漏高度下风方向硫化氢浓度影响范围结果表

由表4-4可以看出，硫化氢扩散的落地距离(扩散范围上边界）主要受到泄漏高度的影响，当泄漏高度越高时，硫化氢在下风向扩散的范围越窄，主要是因为硫化氢气体从空中沉降到地表的时间受到泄漏高度的影响，在同样的风速条件下，泄漏高度越高，泄漏的硫化氢气体落地所需时间越长；硫化氢浓度在不同泄漏高度的泄漏水平方向上比较接近，但是不同泄漏高度条件下硫化氢在大气中扩散的时间不同，硫化氢气团受到气湍流的稀释程度不同，当落地所需时间越长，硫化氢云团在下落过程受到的稀释作用越强，硫化氢云团与空气混合得更加充分，从而使硫化氢的分布范围变广，进而使影响范围变小。

即当泄漏高度越低时，越接近泄漏源的区域硫化氢浓度越高，泄漏事故造成的后果更加严重。此外当泄漏高度升高时，地面测出空气中含有过量硫化氢的时间越慢，对企业预警硫化氢中毒事故就越不利。

4.3 泄漏方向

由于设备泄漏可能有不同的方向，本工程考虑三种不同的泄漏角度（0°（水平泄漏）、45°、90°（垂直泄漏）），泄漏孔径为100ppm，泄漏高度为1m，硫化氢关注浓度为1000ppm、100ppm和20ppm下对硫化氢扩散距离的影响，通过模拟计算结果如下：

表4-5不同泄漏方向下风方向硫化氢浓度（1000ppm、100ppm，20ppm）影响范围结果表

由表4-5可以看出，硫化氢泄漏扩散受到泄漏方向的影响很大。主要是因为硫化氢的气体密度比空气略大，泄漏方向的不同将对泄漏后的扩散方向产生直接影响。当硫化氢水平泄漏时，其在得到一个初始水平加速度的同时得到垂直加速度，该场景没有向上的速度，未进入大气，几乎没有受到湍流作用，也并未稀释，所以下降到地面的硫化氢气云浓度很高，到达地面后，地表对其有阻滞作用，扩散速度降低，所以硫化氢水平泄漏时且横向扩散很少。

4.4 风速

根据项目所在地气象数据，最大风速19.8m/s（极端风速），考虑实际情况，本论文考虑三种不同的风速（2m/s（低风速），5m/s（中风速），8m/s（高风速））对硫化氢扩散的影响。泄漏孔径为100mm，泄漏高度1m，硫化氢关注浓度为1000ppm、100ppm和20ppm下的最大云足迹。

 表4-6不同风速下风方向硫化氢浓度（1000ppm、100ppm，20ppm）影响范围结果表

分析表4-6可得，扩散范围受到风速的增大的影响十分明显。风速直接决定硫化氢云团的扩散速度，风速越大，硫化氢的扩散速度越大，硫化氢云团的快速移动增大了硫化氢的影响范围。同时随着风速增大，硫化氢气云前端的扩散速度越大，相应云团内部的最高浓度变小，虽然硫化氢泄漏的高危区域的位置和范围基本不变，但硫化氢的影响范围显著增大。

5 结论与建议

（1）泄漏孔径对扩散浓度有较大影响，直接决定了硫化氢泄漏的危害程度，当硫化氢发生泄漏，首先应开展泄漏源控制，尽可能切断泄漏源头，可采取联锁关断、切断流程、关闭阀门、紧急放空燃烧、切换至备用设备等措施，或根据现场泄漏情况，采取紧急堵漏，将泄漏量控制减少到最小

[5]。

（2）硫化氢扩散受到泄漏方向的影响非常明显，当硫化氢泄漏方向不同时，气云的影响范围差距显著，但都集中沉积在泄漏源附近，建议泄漏时可采取强风车加速空气对流，促使硫化氢蒸汽云向高处或其他安全地带扩散，同时也可以采用消防水炮或水枪喷射雾状水并在消防水中加入中和剂，驱散、稀释、中和泄漏的硫化氢。

（3）泄漏高度对硫化氢的落地距离有一定的影响，当硫化氢的泄漏高度越高时，落地距离也就越远，硫化氢检测仪的布置应该因地制宜，建议根据泄漏量、环境风向或安全距离边界，设置远传式硫化氢监测仪器，随时掌握扩散情况，及时疏散无关人群。

（4）风速能极大程度上影响硫化氢泄漏事故的传播速度和范围，若有居民区和公路分布在泄漏地点周围，应考虑极端风速。建议在模拟硫化氢泄漏应急演练和安排逃生路线时，泄漏区域设置隔离区，在安全区外视情况设立隔离带，合理设置疏散出入口，根据实时的风向，向上风向或侧风向转移，在疏散或撤离路线上设立哨位，指明方向，在安全区设立哨位，清点撤离人员人数。

参  考  文  献

[1] 刘墨山. 川渝地区含硫天然气管道泄漏事故后果模拟研究[D].中国地质大学（北京）,2010.

[2] 高少华,邹兵,严龙,等.含硫天然气净化厂硫化氢泄漏分析及对策[J].中国安全生产科学技术,2012,8(02):174-179.

[3] 吴鹏斌,崔吉宏,曹文全,等.高含硫天然气净化厂环境影响评价[J/OL].化工环保:1-8[2022-07-30].

[4] 廖伟杰. 高含硫天然气净化厂H2S泄漏模拟及环境应急管理体系研究[D].武汉理工大学,2020.

[5] 刘晓欢,杨洋.川西海相气田高含硫天然气集输装置泄漏快速模拟方法[J].测绘与空间地理信息,2016,39(10):98-102+106.

作者简介]：任聪，男，1988年生，硕士研究生，高级工程师，主要从事石油天然气开发安全环保管理工作，电话18582528197，电邮rencong.xnyq@sinopec.com。

（收稿日期：2023-05-30）。