目前，我国含硫天然气(硫化氢体积分数>1 %)的储量占全国天然气储量的四分之一[1]。一部分气田含硫天然气中H2S含量很高[2]，油气田作业现场地形较为复杂，由于硫化氢气体为剧毒重气体，在开采过程中一旦由于技术或操作等原因，造成含硫天然气的泄漏，往往会产生严重的后果[3-4], 给人民的生命财产安全带来危害。国内外由于井喷事故所造成的人员伤亡事故也屡见不鲜，如1980年阿拉伯湾海上钻井作业中H2S泄漏[5]与2003年的重庆开县井喷事故均造成多人死亡[6]。因此，研究井喷事故中硫化氢的扩散规律显得尤为重要。
在对工业有毒有害气体的扩散研究方面主要有两种方法, 即试验研究方法和数值模拟方法[7]。随着计算机技术的不断更新和计算方法的不断发展，数值模拟方法越来越受到人们的重视。在CFD软件中, Fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一[8]。到目前为止，已经有很多的学者利用Fluent软件对气体的扩散情况进行了模拟，如对开县“12.23”井喷事故、管道泄漏模拟事故等进行模拟，其模拟结果与实际情况扩散形式趋于一致，证明数值模拟方法在研究硫化氢扩散方面是可行的。
本文对井口周围山地丘陵地区的人员地理环境进行了分析，建立了三维地形，利用Fluent软件模拟了含硫天然气井在发生井喷事故时硫化氢在风的影响下的扩散情况，并分析了对工人和附近居民可能造成的伤害。在数据分析时利用Tecplot进行后期的可视化处理。
井喷模拟的是井场及周边的环境，模拟的区域范围长500 m，宽300 m，高100 m。井口距区域左侧边缘30 m，场房距井口70 m。为模拟山区丘陵复杂地形下的扩散状态，得到障碍物对硫化氢的扩散影响，在扩散的下风向设置两个形状相同的几何体模拟丘陵作为障碍物。模拟丘陵的高度不同，丘陵A高度为50 m，丘陵B高度为30 m，在丘陵A和丘陵B的右侧分别坐落村落A和村落B。村落的房屋以及井场的房屋均用长方体替代，详见图 1、图 2及表 1。
网格的划分运用gambit软件完成，划分时采用六面体网格。因为井口形状为圆形，生成结构化网格较为困难，因此在保证网格质量的情况下应用非结构化网格进行计算。由于模型选取较大，若对所选区域进行细致的网格划分会生成数量巨大的计算节点。数量巨大的计算节点对计算机的要求很高，并且计算时间长，不易收敛，影响计算，因此在允许的精度范围内对网格进行稀疏化处理。由于井口较小，因此井口周围的网格会较密，与距离网格较远处的网格大小差距较大，会对计算造成一定的影响。为了保证网格质量使网格大小不会发生骤变而影响计算，采用在井口周围进行柱体切割从而使网格从小到大逐步过渡的方法。网格划分完毕后，EquiAngle Skew通过单元夹角计算的扭曲度最大值为0.65，其值在0.4以下的网格占整体网格的99.45%，符合计算的要求。图 3和图 4分别为网格划分总体图和井口附近过渡图。
计算采用标准k-e模型。在Fluent中，标准k-e模型自从被Launder and Spalding提出之后，就成为工程流场计算中的主要工具。它是个半经验的公式，是从实验现象中总结出来的，k方程是个精确方程，e方程是个由经验公式导出的方程。它适用范围广、经济、具有合理的精度。其控制方程可用下式表示[9]：
式(1)中从左至右四项依次为非定常项、对流项、扩散项和源项，其中符号φ为通用变量，符号Γ为广义扩散系数。
含硫天然气中的主要成分为甲烷和硫化氢, 其次为二氧化碳，并夹杂少量乙烷、丙烷、丁烷之类烷烃，以及一氧化碳，氢气等。为简化起见，将含硫天然气设为甲烷、硫化氢、二氧化碳三种气体的混合物。在Fluent的流体物质中调出三种物质并在随后的入口边界条件设置中将三者质量分数分别设为0.85、0.1和0.05。
计算中将计算区域的左侧边界设定为风速入口，且风速入口设为速度入口，其大小设定为2 m/s(轻风)。为简化计算，节约计算时间，喷射入口也采用速度入口，设定其喷射速度为117 m/s[10]。风速入口和喷射入口二者的速度方向均垂直于边界面且沿轴向的正方向，其余边界条件除底部外均采用压力出口，压力均为大气压。
硫化氢的嗅觉阈值约为0.012 mg/m3~0.03 mg/m3[11] (约0.008×10-6~0.02×10-6)，在一定浓度范围内硫化氢的嗅味会随浓度的增高而增强，但硫化氢浓度达到一定程度后，人会出现嗅觉疲劳反而不能发觉硫化氢的存在，这是非常危险的。随着硫化氢浓度的不断增高，很可能会对人的生命安全带来巨大危害。表 2列出了人体暴露于不同浓度硫化氢下的症状。结果分析中的等浓度曲线划分标准以此数值为依据。
为了使计算的结果能够直观化，将Fluent的计算结果导入Tecplot软件进行分析，重要的是要获取硫化氢的不同浓度扩散范围的图像，这需要确定硫化氢的等浓度曲线，等浓度曲线划分时以表 2中的参考值为标准。图 5分别显示了5分钟、20分钟、60分钟时的等浓度曲线。为了获取硫化氢在地面的扩散情况，从而分析对地面人员的影响，截面均选取为计算边界Z=0米面。
从图 5中可以看出，井喷事故发生后，硫化氢受风的影响较大，沿风的方向扩散，并随着距离的增加纵向扩散的范围逐渐增大。5分钟时井场房屋周围的浓度部分达到14×10-6以上，而大于0.01×10-6的范围随着风势扩散得较广。在风的影响下，20分钟后较低浓度硫化氢已经将两个村落完全覆盖，这些区域的人们都能嗅到硫化氢，并且村落并未因为丘陵的阻挡而使硫化氢的扩散有明显减少。60分钟时的扩散情况与20分钟时的扩散情况差别不大，此时的扩散大体上已经进入比较稳定的状态。另外可以明显看出在风的影响下硫化氢扩散呈现带状分布，即横向的扩散距离要大于纵向的扩散距离。
硫化氢的相对密度为1.19，为重气体[12]。重气体的扩散属于负浮力扩散，其扩散规律与传统的中性气体扩散有着一定的区别。重气体一个明显的特点是在扩散时有重力沉降效应，容易在地表及低洼处聚集。为了研究硫化氢扩散时的重力沉降效应，选取了四个不同高度的截面进行分析。图 6为60分钟时硫化氢在Z=0 m、Z=30 m、Z=50 m、Z=80 m时的等浓度曲线分布。
从图 6中可以看出，在硫化氢气体扩散60分钟时，其不同高度的硫化氢的浓度范围有一定区别，并且在Z=0 m的截面上其硫化氢浓度大于14×10-6的范围较其他截面范围小，其余三个截面的范围相差不大。并且随着高度的增加其浓度范围沿着风速的方向推移，相比之下硫化氢最高浓度的中心位置在Z=80 m的截面较Z=0 m的截面沿风向推移了约250 m。可见风对硫化氢的扩散影响很大，分析主要原因可能是硫化氢的密度与空气比较接近，在风的作用下其很容易与空气混合并随空气一起扩散，导致硫化氢的重力沉降效应不明显。
为了更好地研究丘陵等障碍物对硫化氢扩散的影响情况，在60分钟时截取Z=10 m的截面，为观察图像方便起见，等浓度曲线的截取以0.5×10-6，1×10-6，5×10-6为标准，截取结果如图 7所示。
图 7显示出在村落B的上方出现烟团扩散，而烟团左侧与丘陵B右侧之间有一段地带硫化氢浓度极低，接近于零。正是由于丘陵的阻挡作用使硫化氢在通过丘陵扩散时出现局部的扰动等因素导致了硫化氢扩散的短时间间断，从而形成烟团和无硫化氢地带。这一无硫化氢地带的出现很可能会给人们造成错觉，产生此地带“安全”的错误认识，影响撤离疏散的进程。但随着时间的推移，这一地带可能会出现硫化氢沉积，甚至因为气流扰动出现高于周围浓度的硫化氢。这也说明虽然丘陵等障碍物的阻挡不会影响硫化氢的总体扩散趋势，但可能会诱发烟团扩散。
(1) 由于硫化氢和空气的密度相差不大，在泄漏发生的初始阶段硫化氢的重气沉降效应不明显。
(2) 在风的影响下，硫化氢会在障碍物的背面发生扰动，造成扩散的不连续，有可能形成烟团扩散。
(3) 硫化氢扩散时受风的影响较大，且呈现带状分布趋势，因此在发生事故时下风区的人员应迅速沿风向的两侧撤离。
(4) 存在问题及今后工作方向：由于建立的模型和现有计算机硬件的限制，网格的划分受到一定限制，使计算精度受到一定影响，今后要提高硬件配置，进行更为精确有效的模拟。
2011, Vol. 40 Issue (5): 531-534, 542
2011, Vol. 40 Issue (5): 531-534, 542