摘要 含硫天然氣開發風險主要來自于井噴或地面設施失效時硫化氫泄漏擴散引起的中毒。為了開展復雜地形條件下含硫天然氣開發定量風險評價，在含硫天然氣泄漏擴散模擬中引入計算流體力學，運用復雜地形數字高程模型和網格劃分技術，模擬事故狀態下硫化氫的時空分布，并基于定量風險評價基本原理集成了復雜地形條件下的定量風險評價技術。以位于復雜地形下的某含硫氣田發生天然氣井噴泄漏事故為例，運用“含硫天然氣泄漏擴散中毒定量風險評價軟件”進行了個人風險值和社會風險值的計算。結果表明，基于數值模擬的定量風險評價技術較常用的拉格朗日煙團模型計算出的風險等值線，更能夠客觀真實地反映復雜地形條件下的風險水平分布。

關鍵詞  川渝地區  復雜地形  定量風險評價  計算流體力學  事故概率  風險可接受標準

從20世紀70年代開始，部分國家的核工業及化工行業開始應用定量風險技術(QRA)并在20世紀90年代逐步規范化，在英國、荷蘭、新加坡、香港及澳大利亞城市地區的人口密集區，已將定量風險評價作為高風險行業風險評估與控制的法律手段。我國在2011年發布的安監總局40號令《危險化學品重大危險源監督管理暫行規定》也要求采用定量風險評價技術對重大危險源實施評估和監管。

硫化氫是一種劇毒、可燃氣體，含硫天然氣特別是高含硫天然氣開發主要風險來自事故導致硫化氫釋放的中毒風險。在天然氣勘探開發過程中一旦發生事故，大量含硫天然氣泄漏擴散會導致人員中毒死亡。據不完全統計，近l0年來我國石油天然氣行業超過70％的傷亡事故是因為硫化氫中毒所致，因此，針對含硫天然氣勘探開發開展定量風險評價顯得尤為重要。

1 川渝地區開展QRA的特殊性

1.1 復雜地形的影響

復雜地形條件下的大氣邊界層特征和污染物擴散規律一直是邊界層氣象學研究的難點與熱點。四川盆地四周為海拔l 000～4 000 m的山地所環抱，四周叢山阻隔，地形閉塞，冬季北來的冷空氣難以浸入，夏季無臺風影響，素有“死水區”之稱^[1]。盡管盆地大氣混合層雖高，但其復雜的地形特征形成了特殊的氣象條件——靜風頻率高、污染系數大，是全國大氣凈化能力最弱的地區之一。

氣象和地形條件對污染物的擴散過程有著決定性的影響。由于山區起伏地形和不均勻下墊面的強烈影響，低層大氣在水平和垂直兩個方向上形成特殊的風場和溫度場，如靜風、逆溫等，直接影響大氣污染物在近地面的分布、擴散、沉降等情況，導致污染物不易擴散。

目前，川渝地區分布多處高含硫天然氣區塊，這些區塊主要為山地丘陵地形，而且人口分布稠密。由于復雜地形對意外釋放含硫天然氣的擴散有阻擋作用，局地風場跟地形的耦合度強，使位于丘陵山區的氣體擴散過程變得非常復雜。筆者運用復雜地形數字高程模型和網格劃分技術，引入流體力學計算方法，在高性能計算機系統上并行運算，能夠較真實地模擬受復雜地形和局地風場影響的含硫天然氣云團擴散過程。圖1為復雜地形數字高程圖。

1.2 泄漏概率的確定

QRA方法的核心是對事故發生概率和事故后果進行擬合^[2]。目前，國內外在事故后果方面的研究較多，認識也比較成熟，而在事故發生概率方面的研究則相對較少。氣田集氣場站、天然氣凈化廠、集氣管道等設備失效概率可參考的數據庫包括英國HSE烴類泄漏數據庫(UK HSE)、美國化學流程工業設備可靠性數據庫(CCPS)、基于風險的檢驗導則(API 581)、英國陸上管道作業者協會(UKOPA)、歐洲氣體管道事故數據庫(EGIG)等。中國石油西南油氣田公司(以下簡稱西南油氣田公司)從20世紀60年代開始在含硫天然氣開發方面積累了一定的經驗，也收集了相關設備失效數據，形成了不同氣質條件下的管道失效數據庫。筆者所述事故概率通過借鑒并修正采用國外失效數據庫與西南油氣田公司同類設備歷史統計數據相結合的方式來確定。借鑒國外數據時考慮擬評價對象的工藝、介質、自然和社會環境狀況，分析數據來源及其可靠性，應用事故樹模型進行裝置事故發生概率計算，然后結合項目設備及風險管理實際情況進行修正采用^[3]。

1.3 風險可接受標準的確定

目前國內除《危險化學品重大危險源監督管理暫行規定》確定了重大危險源對人口密集場所、學校等敏感目標的個體風險標準值以及重大危險源的社會風險F-N曲線外，還沒有其他適用于偏遠地區、人居分散條件下含硫天然氣開發的個人風險標準值可供參考。為此，研究英國、荷蘭等國家風險標準值制訂的歷史、背景等資料后^[4]，分析我國近10年采掘業事故傷亡率、公眾意外死亡風險以及石油天然氣行業傷亡情況，提出了員工個人風險(1.5×10^-3)、公眾個人風險(0.8×10^-4)以及社會風險的基準值l.4×10^-3 (N=1)，斜率為-1。風險可接受標準的最終確定應由相應的風險承擔方與風險制造方在客觀風險基礎上平等協商決定。

2 基于計算流體力學的后果計算

計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)是把原來在時間域及空間域上連續的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上各場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組獲得各場變量的近似值^[5]。利用基于CFD原理的有限元軟件來完成復雜地形條件下含硫天然氣井噴或地面設施泄漏所致的含硫天然氣三維擴散數值模擬。

CFD可以看作是在流動基本方程(質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程)控制下對流動數值的模擬。通過這種數值模擬，可以得到極其復雜問題的流場內各個位置上基本物理量(如速度、壓力、溫度、濃度等)的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況。由于含硫天然氣是混合物質，因此，控制方程還應包括組分守恒方程。4個方程的表達式如下。

式中ρ為密度；t為時間；u為速度矢量；μ為動力黏度；p為壓力；T為溫度；k為傳熱系數；C_p為比熱容；C為體積濃度；D為擴散系數；S_u為源項。

對于含硫天然氣擴散引起的風險，需要計算特定位置硫化氫含量的變化情況，即各網格點或敏感目標處硫化氫含量隨時間變化情況。分別以某井場井噴和某天然氣凈化裝置事故為例，得到事故發生時硫化氫的時空分布情況(圖2～5)。

3 定量風險計算實例

以某高含硫氣田在鉆井過程中發生井噴失控事故為例，利用具有自主知識產權的定量風險計算軟件(QRA-AYY)，通過建立事故模型，導入項目地形圖，輸入項目所在地的大氣穩定度、風向及風速聯合頻率，模擬計算泄漏出來的含硫天然氣在不同氣象條件下的擴散影響區域范圍，然后輸入人口分布及關心點的地理坐標，可計算出關心點的風險值、個人風險等值線以及表示社會風險水平的F-N曲線。

源項數據：泄漏點離地面1 m高，垂直方向，井噴持續時間為15 min^[6]，釋放速率(最大絕對無阻流量)為1 260×10⁴ m³／d，H₂S含量為16％(體積分數)，天然氣密度為0.9 kg／m³，溫度為25℃，井噴失控事故概率為4.5×10^-4／a。計算結果如圖6、7所示。

個人風險等值線的變化與井場所在的地形、局地風場密切相關。若分別按1×10^-4、1×10^-5、1×10^-6作為風險呵接受標準進行評價，井口外個人風險等值線最遠處分別為東南350 m、430 m和700 m，最近處距井口 l00-150 m，相應的不規則區域范圍外人員風險處于可接受水平。社會風險F-N曲線說明井噴的風險處于可接受區域，但還是應采取技術合理可行、成本盡可能低的控制措施進一步降低風險。

4 結論

1)基于計算流體力學(CFD)的有毒氣體擴散模擬方法，建立了適用于復雜地形條件下含硫天然氣井噴或地面設施泄漏所致的硫化氫擴散仿真模型，在此基礎上進行定量風險計算，其個人風險等值線能與地形、氣象條件很好地吻合。

2)事故概率通過借鑒并修正采用國外失效數據庫與西南油氣田公司同類設備歷史統計數據相結合的方式來確定，符合我國含硫天然氣開發技術現狀及社會、自然環境特征，據此完成的定量風險計算結果能有效地為含硫天然氣開發場所風險排序、風險削減措施的取舍等提供更科學的依據。

參考文獻

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[5] 王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[6] 國家安全生產監督管理總局.AQ201 6含硫化氫天然氣井失控井口點火時間規定[S].北京：中國標準出版社，2008.

本文作者：翁幫華張林霞 胥云麗 劉坤 周東 李宇

作者單位：中國石油西南油氣田公司安全環保與技術監督研究院