一種海相氣田高含硫天然氣集輸裝置泄漏快速模擬方法
【專利摘要】本發明公開了一種海相氣田高含硫天然氣集輸裝置泄漏快速模擬方法，通過分析人口密集區高含硫天然氣泄漏擴散分布規律和對高斯擴散模型參數選取方法的優化，獲取針對集輸管道含硫天然氣、凈化廠脫硫裝置含天然氣泄漏的擴散模擬程序，實現對氣體泄漏擴散后果的快速模擬。本發明選用高斯模型，充分考慮地面粗糙度、大氣穩定度、泄漏量對氣體泄漏擴散的影響，結合井場周邊環境對相關參數進行修正，實現了含硫天然氣集輸管線泄漏、凈化廠脫硫裝置含硫化氫富液泄漏、管線含硫化氫富液泄漏、場站管線氣體泄漏四種情況下泄漏擴散后果的快速定量模擬，得到泄漏擴散后硫化氫濃度100ppm、1000ppm所能到的最遠距離。
【專利說明】
-種海相氣田高含硫天然氣集輸裝置泄漏快速模擬方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于氣體泄漏擴散技術領域，尤其設及一種海相氣田高含硫天然氣集輸裝 置泄漏快速模擬方法。
【背景技術】
[0002] 為減少集輸管線或脫硫裝置發生泄漏事故，因此，實現氣體泄漏擴散后果的快速 模擬，確定公眾安全防護距離，對事故應急救援具有重要意義。國外學者提出了很多氣體擴 散模型，并開展了大量的風桐試驗中高斯模型、Sutton模型、BM模型、FEM3模型是比較經典 的幾種氣體擴散模型（桑博等，2011)。高斯模型是最早開發的也是應用最廣泛的管道氣體 泄漏擴散過程的數學模型，基于統計方法，考察擴散質的質量分數分布(Arystanbekova N K，2004;Spijkerboer H P，Beniers J EJaspers D，et al，2002)，適用于點源的擴散。BM 模型也稱為唯象模型，該模型與實驗曲線吻合較好(Britter R E，Mc Quaid J，1988)，主要 適用于中性或重氣體的擴散研究。FEM3模型的原型由1979年提出，該模型采用有限元法，使 用K理論(梯度運輸理論)來處理端流問題巧rmak D L，化an S T，1986)，適用于重氣連續及 有限時間內的泄放，但計算量較大。國內一些學者在研究氣體擴散規律的同時，將氣體擴散 模型與GIS集成可視化，對天然氣泄漏擴散情況進行模擬分析（王旭東等，2010;陳浩鵬， 2013)。另一些學者利用ArcGIS Engine平臺，采用不同的方法模擬并分析含硫天然氣的高 后果區域(冷海芹，2012;王超群，2012)。與此同時，很多學者利用Fluent軟件對氣體擴散進 行數值模擬(于洪喜等，2008;侯志強等，2015)。對于高含硫天然氣泄漏擴散后的安全防護 距離研究，王洪德等（2014)模擬分析了天然氣儲罐瞬時泄漏后的擴散距離和面積。李冰晶 等(2013)利用高斯煙團模型對脫硫裝置發生特大災害性事故狀態下的硫化氨泄漏進行模 擬，最后確定安全距離為下方向250m。
[0003] 然而，在已有的研究中更多的關注風速、風向、介質泄漏壓力等對氣體泄漏擴散的 影響，有關復雜地形等因素對氣體泄漏擴散的影響關注不多，對于氣體泄漏后的安全防護 距離的確定更少。在很多實際場站安全防護距離評價中，需要一種快速簡便的計算方法。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種海相氣田高含硫天然氣集輸裝置泄漏快速模擬方法， 旨在解決現有的氣體擴散方法存在關注風速、風向、介質泄漏壓力等對氣體泄漏擴散的影 響，對復雜地形等因素對氣體泄漏擴散的影響關注不多，所帶來的無法準確確定氣體泄漏 后的安全防護距離，降低救援效率的問題。
[0005] 本發明是運樣實現的，一種海相氣田高含硫天然氣集輸裝置泄漏快速模擬方法， 所述海相氣田高含硫天然氣集輸裝置泄漏快速模擬方法選擇高斯煙羽模型為基礎進行建 模，采用高斯模型確定泄漏源強W及大氣擴散系數，通過初始源強及泄漏達到穩態前各時 刻源強可計算得到等效源強，利用等效源強進行含硫化氨天然氣泄漏擴散模擬。
[0006] 進一步，所述海相氣田高含硫天然氣集輸裝置泄漏快速模擬方法包括W下步驟：
[0007]首先，計算初始源強，則：
[000引
[0009] 式中：Cd為氣體泄漏系數;A為裂口面積;P為管內氣體壓強;M為相對分子質量;R為 氣體常數，j/mol*k;K為氣體溫度；
[0010] 計算等效源強，根據氣體狀態方程：
[0011] PV = nRT；
[0012] 式中：P為氣體壓強;V為氣體體積;n為氣體摩爾數;R為氣體常數;T為氣體溫度，泄 漏過程中等式右邊部分可視為常量，則：
[0013] PV = P' V+PoVo；
[0014] 式中：P/為管道內剩余氣體壓強;Po為環境壓強;Vo為泄漏到大氣中的混合氣體在 標準大氣壓下的體積;根據高斯煙團模型，模擬源強即為硫化氨泄漏總量，即：
[0015] Q = Qo;
[0016] 式中，Q為源強，mg; Qo為硫化氨泄露總量，mg;
[0017] 其次，擴散系數計算；
[0018] 最后，計算最遠防護距離及到達時間：
[0019] 根據高斯煙羽模型變形得到l(K)ppm、10(K)ppm的濃度曲線：
[0020]
[0021] 式中，C為連續源物質泄漏達到穩態后在空間任意一點(x，y，z)的有毒物質的質量 濃度，mg/m3;Q為源強，對于連續泄露源強為有毒物質的泄露速率，mg/s;u為泄漏時環境的 平均風速，m/s;H為泄漏源有效高度，m;〇x、〇y、〇z分別為x、y、z方向的擴散系數，與大氣穩定 度和下風向距離X有關；
[0022] 根據高斯煙團模型，在源強確定后，硫化氨云團中屯、硫化氨濃度降至1000 ppm或 10化pm時刻，云團中屯、距泄露源點的距離即為相應濃度能夠達到的最遠距離。
[0023] 進一步，所述Cd為氣體泄漏系數，裂口形狀為圓形取1.00，S角形0.95,長方形 0.90。
[0024] 本發明提供的海相氣田高含硫天然氣集輸裝置泄漏快速模擬方法，選用高斯模 型，充分考慮地面粗糖度、大氣穩定度、泄漏量對氣體泄漏擴散的影響，結合井場周邊環境 對相關參數進行修正，實現了含硫天然氣集輸管線泄漏、凈化廠脫硫裝置含硫化氨富液泄 漏、管線含硫化氨富液泄漏、場站管線氣體泄漏四種情況下泄漏擴散后果的快速定量模擬， 得到泄漏擴散后硫化氨濃度10化pm、100化pm所能到的最遠距離。
[0025] 本發明對高斯擴散模型進行了深入分析，確定了其適用環境、模擬參數、模擬精度 等，并針對集輸管線含硫天然氣、凈化廠脫硫裝置硫化氨泄漏擴散事故實際情況，對不同風 速和地形條件下高斯模型模擬參數進行了修正，特別是利用GIS工具對擴散范圍進行了地 形修正。
[0026] 本發明對高斯煙羽模型中的泄漏源強進行了改進修正。采用高斯煙羽模型進行模 擬時，泄漏源強即為泄漏速率。但由于隨泄漏時間增長，管道內介質壓強逐漸降低，管道內 氣體泄漏速率也隨之減小。為更切合實際情況，通過初始源強及泄漏達到穩態前各時刻源 強可計算得到等效源強，利用等效源強進行含硫化氨天然氣泄漏擴散模擬，從而提高模擬 精度。
[0027] 本發明已經初步實現了在GIS平臺上對含硫化氨天然氣泄漏擴散的快速模擬及安 全防護距離的確定，本發明W最大泄漏量及穩定的環境進行模擬，在一定程度上擴大了事 故影響范圍。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發明實施例提供的海相氣田高含硫天然氣集輸裝置泄漏快速模擬方法流 程圖。
【具體實施方式】
[0029] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，W下結合實施例，對本發明 進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發明，并不用于 限定本發明。
[0030] 下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。
[0031] 如圖1所示，本發明實施例的海相氣田高含硫天然氣集輸裝置泄漏快速模擬方法 包括W下步驟：
[0032] SlOl:泄漏源強等效計算；
[0033] S102:擴散系數計算；
[0034] S103:最遠防護距離及到達時間計算。
[0035] 下面結合具體實施例對本發明的應用原理作進一步的描述。
[0036] 本發明通過分析川西人口密集區高含硫天然氣泄漏擴散分布規律，通過對高斯擴 散模型參數選取方法的優化，設計了一種快速分析評價方法，形成一套針對集輸管道含硫 天然氣、凈化廠脫硫裝置含天然氣泄漏的擴散模擬程序，實現對氣體泄漏擴散后果的快速 模擬。W彭州1井為例，模擬分析不同地形參數條件下集輸管線、凈化廠脫硫裝置發生泄露 后在風速0.5m/s、1.5m/s時的擴散模擬情況，及泄漏擴散后硫化氨濃度lOOOppm、IOOppm所 能到的最遠安全距離，為確定公眾防護距離評價提供決策支持。
[0037] 1實驗方法
[0038] 1.1技術流程
[0039] 本發明W彭州1井為例，對含硫化氨天然氣泄漏擴散進行模擬。彭州1井位于四川 省彭州市慶興鎮躍進村四組，原金深1井同井場。通過現場踏勘調查，經過對井場周邊環境、 人口分布調查，井口 500m范圍內居住情況得到表1。從表1中數據可W看到，彭州1井500m范 圍內居住居民500余人，并有建筑設施及河流道路等。一旦硫化氨天然氣發生泄漏擴散，不 僅影響天然氣管道的正常運行，而且嚴重危及人們的生命財產安全，并造成建筑物破壞，河 流污染等。因此，對含硫化氨天然氣泄漏擴散進行模擬分析具有重要的意義。
[0040] 表1彭州1井井場周圍居民分布
[0041]
[0042] ~I. 2 參數選取^'
' ' '
[0043] 川西高含硫氣田天然氣泄漏擴散模擬選用高斯模型。其中，集輸管線含硫天然氣 擴散、管線富液泄漏認為是連續泄漏，故選擇高斯煙羽模型為基礎進行建模。凈化廠富液泄 露、場站管線氣體泄漏擴散屬于瞬時泄漏，故選擇高斯煙團模型為基礎進行建模。采用高斯 模型進行硫化氨泄漏擴散模擬需要確定泄漏源強W及大氣擴散系數等參數。
[0044] (1)泄漏源強等效計算
[0045] 利用高斯煙羽模型進行擴散模擬時，泄漏源強即為硫化氨泄漏速率。但由于隨泄 漏時間增長，管道內介質壓強逐漸降低，管道內氣體泄漏速率也隨之減小。為更切合實際情 況，通過求取模擬時間段的等效源強進行擴散模擬。
[0046] 首先，計算初始源強。氣體泄漏屬于音速泄漏巧IJ梟宇等，2014)，且將天然氣視為 不可壓縮流體，則：
[0047]
[004引式中：Cd為氣體泄漏系數(裂口形狀為圓形取1.00，S角形0.95，長方形0.90);A為 裂口面積;P為管內氣體壓強;M為相對分子質量;R為氣體常數，j/mo l*k; K為氣體溫度。
[0049] 其次，計算等效源強，根據氣體狀態方程：
[0050] PV = nRT(l-2)
[0051] 式中：P為氣體壓強;V為氣體體積;n為氣體摩爾數;R為氣體常數;T為氣體溫度，對 于含硫天然氣連續泄漏過程，可認為氣體溫度不變，則泄漏過程中等式右邊部分可視為常 量，則可知：
[0052] PV = P'V+P〇V〇(l-3)
[0053] 式中：P/為管道內剩余氣體壓強;Po為環境壓強;Vo為泄漏到大氣中的混合氣體在 標準大氣壓下的體積。由此可W推理得到泄漏過程中各時刻的管內壓強，根據初始源強及 泄漏達到穩態前各時刻源強可計算得到泄漏過程的等效源強。根據高斯煙團模型，其模擬 源強即為硫化氨泄漏總量，即：
[0054] Q = Q〇(l-4)
[005引式中，Q為源強，mg;Q0為硫化氨泄露總量，mg。
[0056] (2)擴散系數計算
[0057] 氣體的擴散速度與地面粗糖度有關。一般地，地面粗糖度越大，氣體擴散速度越 慢。因此，由于平原、山頂、山谷條件下地面粗糖度不同，對擴散系數做相應修正。針對連續 泄漏大氣擴散系數，王洪德等（2014)已經給出了擴散參數及擴散參數的求法，對于瞬時泄 漏大氣擴散參數，樵琳等(2012)給出的擴散參數計算方法，并參照《環境評價技術導則一一 大氣環境》對高斯煙團的回歸系數進行取值計算。
[005引（3)最遠防護距離及到達時間計算
[0059] 根據高斯煙羽模型變形可W得到l(K)ppm、10(K)ppm的濃度曲線：
[0060]
[0061] 式中，C為連續源物質泄漏達到穩態后在空間任意一點(x，y，z)的有毒物質的質量 濃度，mg/m3;Q為源強，對于連續泄露源強為有毒物質的泄露速率，mg/s;u為泄漏時環境的 平均風速，m/s;H為泄漏源有效高度，m;〇x、〇y、〇z分別為x、y、z方向的擴散系數，與大氣穩定 度和下風向距離X有關。
[0062] 由此可W模擬得到硫化氨連續泄露擴散達到穩態后硫化氨濃度10化pm、100化pm 邊界，W及各濃度能夠擴散達到的最遠距離。連續源高斯煙羽擴散模擬達到最遠距離時間 即連續源擴散達到穩態的時間。根據高斯煙團模型，在源強確定后，硫化氨云團中屯、硫化氨 濃度降至1000 ppm或10化pm時刻，云團中屯、距泄露源點的距離即為相應濃度能夠達到的最 遠距離。因此，根據高斯煙團擴散模型可W通過時間迭代模擬得到硫化氨濃度分布圖W及 各濃度能夠擴散達到的最遠距離。相對于連續源高斯煙羽擴散模擬而言，瞬時泄漏高斯煙 團模型因其污染物質總量一定，因此達到最遠距離后由于硫化氨的擴散，煙團濃度逐漸降 低，100化pmUOOppm的邊界又將逐漸向泄漏源點靠近，因此達到最遠距離的時間即為達到 最遠擴散距離的時刻。
[0063] 通過調查分析川西硫氣田天然氣組分、周邊環境(大氣穩定度、地形等)等具體情 況，首先根據地表粗糖度，對擴散系數進行修正;其次，對泄漏源強進行修正，提出等效源強 的計算方法。
[0064] 下面結合實驗對本發明的應用效果作詳細的描述。
[0065] 1本發明在Visual Studio 2010開發平臺下，模擬并實現了含硫天然集輸管線泄 漏、凈化廠脫硫裝置含硫化氨富液泄漏、管線含硫化氨富液泄漏、場站管線氣體泄漏四種情 況下的含硫化氨天然氣泄漏擴散的安全防護距離。根據川西硫氣田實際情況，在不同情況 下含硫化氨泄漏擴散參數取值如下：
[0066] (1)含硫天然氣集輸管線泄漏擴散模擬
[0067] 表2集輸管線含硫天然氣擴散模擬參數表 [006引
[0069] (2)凈化廠脫硫裝置含硫化氨富液泄漏擴散模擬
[0070] 表3平原條件下凈化廠脫硫裝置富液泄漏擴散模擬參數表
[00711
[C
[C
[C
[C
[C
[C
[0078] 2實驗結果與分析
[00巧]2.1模擬軟件結果
[0080] 首先進行模擬參數設置，針對連續泄漏，計算初始源強及等效源強；對于瞬時泄 漏，計算其泄漏速率。其次，根據已設置的模擬參數對高含硫天然氣泄漏擴散進行模擬。模 擬得到應急撤離距離、搬遷距離W及最遠擴散時間。
[0081] W下2.2至2.5小節是含硫天然氣集輸管線泄漏、凈化廠脫硫裝置含硫化氨富液泄 漏、管線含硫化氨富液泄漏、場站管線氣體泄漏四種情況在不同風速、地形參數條件下的軟 件模擬結果。
[0082] 2.2含硫天然氣集輸管線泄漏擴散模擬結果分析
[0083] (1)不同參數取值下模擬結果
[0084] 表6不同參數取值下模擬結果列表
[0085]
[0086] (2)安全防護距離分析
[0087] 根據W上分析結果可W得出，在不同模擬參數下集輸管道發生泄漏后擴散距離隨 著口徑、地面粗糖度及風速的不同，搬遷距離（100化pm濃度）、應急撤離距離（IOOppm濃度） 隨之發生變化。
[008引泄漏口徑在0.2cm可視為點蝕穿孔情況，在1.5m風速下平原條件搬遷距離為10m、 應急撤離距離35米；山頂條件下，搬遷距離為11m、應急撤離距離16.9m;山谷條件下，搬遷距 離為10m、應急撤離距離32m。
[0089] 隨著孔徑繼續增大，在0.5cm孔徑在1.5m風下搬遷距離為27m，應急撤離距離為 90m;山頂條件下，搬遷距離為30m、應急撤離距離99m;山谷條件下，搬遷距離為25m、應急撤 離距離83m。
[0090] 2.3凈化廠脫硫裝置含硫化氨富液泄漏擴散模擬結果分析
[0091] (1)不同風速下擴散模擬結果
[0092] 表7平原靜風條件下凈化廠脫硫裝置泄露不同時間硫化氨擴散距離
[0093]
[C
[C
[C
[0097] (2)安全防護距離分析
[0098] 靜風條件下(風速0.5m/s)平原凈化廠脫硫裝置發生泄漏事故后硫化氨濃度大于 1000 ppm的距離最遠為76.5m，耗時150s;硫化氨濃度大于IOOppm的距離最遠為170m，耗時 300s。
[0099] 有風條件下(風速1.5m/s)平原凈化廠脫硫裝置發生泄漏事故后硫化氨濃度大于 1000 ppm的距離最遠為225m，耗時150s;硫化氨濃度大于IOOppm的距離最遠為493m，耗時約 330s。
[0100] 從模擬數據分析可W看到，兩種風速下，IO(K)PPm約用時150s達到最遠距離穩態； I(K)PPm用時300~330s達到最遠距離穩態，因此風速對給定凈化脫硫裝置的少量富液泄漏 后硫化氨擴散距離影響較大，但對達到穩態的擴散時間影響較小。
[0101 ] 2.4平原條件下管線含硫化氨富液泄漏模擬結果分析
[0102] (1)不同參數取值下擴散模擬結果
[0103] 表9不同參數取值下模擬結果列表
[0104]
[01化](2)安全防護距離分析
[0106] 根據W上分析結果可W得出，在不同模擬參數下管線富液發生泄漏后擴散距離隨 著口徑、風速的不同，搬遷距離（IO(K)PPm濃度）、應急撤離距離（IOOppm濃度)隨之發生變化， 泄漏口徑決定富液源強泄漏速度。
[0107] 泄漏口徑在0.2cm可視為點蝕穿孔情況，在1.5m風速下搬遷距離為2m、應急撤離距 離9米;在0.5m風速下平原條件搬遷距離為4m、應急撤離距離15米。
[0108] 隨著孔徑繼續增大，在0.5cm孔徑在1.5m風下搬遷距離為12米，應急撤離距離為40 米;在0.5m風下搬遷距離為7米，應急撤離距離為22米。
[0109] 孔徑繼續增大到3cm，在0.5cm孔徑在1.5m風下搬遷距離為43米，應急撤離距離為 147米;在0.5m風下搬遷距離為77米，應急撤離距離為271米。
[0110] 2.5平原條件下場站管線氣體泄漏擴散模擬結果分析
[0111] (1)不同風速下擴散模擬結果
[0112] 表10平原靜風條件站場管線泄露不同時間硫化氨擴散距離
[0114]表11平原有風條件站場管線泄漏不同時間硫化氨擴散距離
[0115]
[0'
[0117] (2)安全防護距離分析
[0118] 靜風條件下(風速0.5m/s)站場管線發生泄漏事故后硫化氨濃度大于1000 ppm的距 離最遠為36.5m，耗時約80s;硫化氨濃度大于10化pm的距離最遠為85m，耗時160s。
[0119] 有風條件下(風速1.5m/s)站場管線發生泄漏事故后硫化氨濃度大于1000 ppm的距 離最遠為111.8m，耗時約80s;硫化氨濃度大于IOOppm的距離最遠為248.6m，耗時165s。
[0120] 從模擬數據分析可W看到，100化pm最遠擴散距離約111.8m; IOOppm最遠擴散距離 約248m，盡管風速不同，但整體趨于收斂時間差距不到，其中10化pm約用時160s，100化pm用 時80s，因此風速對給定場站管線富液的較少量富液泄漏后硫化氨擴散距離影響較大，但對 擴散時間達到穩態的影響較小。
[0121] W上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用W限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種海相氣田高含硫天然氣集輸裝置泄漏快速模擬方法，其特征在于，所述海相氣 田高含硫天然氣集輸裝置泄漏快速模擬方法選擇高斯煙羽模型為基礎進行建模，采用高斯 模型確定泄漏源強以及大氣擴散系數，通過初始源強及泄漏達到穩態前各時刻源強可計算 得到等效源強，利用等效源強進行含硫化氫天然氣泄漏擴散模擬。2. 如權利要求1所述的海相氣田高含硫天然氣集輸裝置泄漏快速模擬方法，其特征在 于，所述海相氣田高含硫天然氣集輸裝置泄漏快速模擬方法包括以下步驟： 首先，計算初始源強，則：式中：Cd為氣體泄漏系數;A為裂口面積;p為管內氣體壓強;M為相對分子質量;R為氣體 常數，j/mol*k;K為氣體溫度； 計算等效源強，根據氣體狀態方程： PV = nRT； 式中：P為氣體壓強;V為氣體體積;η為氣體摩爾數;R為氣體常數;T為氣體溫度，泄漏過 程中等式右邊部分可視為常量，貝1J: PV = P7 V+PoVo； 式中：P7為管道內剩余氣體壓強;Po為環境壓強;Vo為泄漏到大氣中的混合氣體在標準 大氣壓下的體積;根據高斯煙團模型，模擬源強即為硫化氫泄漏總量，即： Q=Qo; 式中，Q為源強，mg; Qo為硫化氫泄露總量，mg; 其次，擴散系數計算； 最后，計算最遠防護距離及到達時間： 根據高斯煙羽模型變形得到lOOppm、1000 ppm的濃度曲線：式中，C為連續源物質泄漏達到穩態后在空間任意一點（x，y，z)的有毒物質的質量濃 度，mg/m3;Q為源強，對于連續泄露源強為有毒物質的泄露速率，mg/s;u為泄漏時環境的平 均風速，m/s;H為泄漏源有效高度，111 ;〇)[、〇5^〇2分別為1、7、 2;方向的擴散系數，與大氣穩定度 和下風向距離X有關； 根據高斯煙團模型，在源強確定后，硫化氫云團中心硫化氫濃度降至1000 ppm或IOOppm 時刻，云團中心距泄露源點的距離即為相應濃度能夠達到的最遠距離。3. 如權利要求2所述的海相氣田高含硫天然氣集輸裝置泄漏快速模擬方法，其特征在 于，所述Cd為氣體泄漏系數，裂口形狀為圓形取1.00，三角形0.95，長方形0.90。
【文檔編號】G06F17/50GK106021817SQ201610458102
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月22日
【發明人】楊洋, 劉曉歡
【申請人】西南石油大學