石油与天然气化工  2015, Vol. 44 Issue (3): 129-132
SLAB View软件在含硫天然气井井喷泄漏扩散模拟中的应用
罗钦 1,2, 赵煜晖 3, 廖柯熹 2, 向方倩 3, 周东 1     
1. 中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院;
2. 西南石油大学;
3. 中国石油西南油气田公司
收稿日期：2014-12-15
作者简介：罗钦(1986-)，女，2007年6月毕业于西南石油大学，学士，工程师，现任职于中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院，从事科研项目管理。luo_qin@petrochina.com.cn.
摘要：介绍了SLAB重气泄漏扩散模型，并运用SLAB View软件模拟了某含硫气井发生井喷事故H2S云团的扩散过程和危害区域，得出了H2S云团在指定浓度平均时间下的影响范围，以及指定浓度H2S云团出现在最远距离的时间和最远下风向扩散距离。结果表明，SLAB View软件能方便、快速地模拟平坦地形下含硫天然气井喷泄漏扩散过程，预测事故泄漏扩散后果和影响范围。
关键词：SLAB模型    井喷    H2S云团    扩散距离    
Use of SLAB View for simulation of natural gas diffusion in blowouts of sour gas well
Luo Qin1,2 , Zhao Yuhui3 , Liao Kexi2 , Xiang Fangqian3 , Zhou Dong1     
1. Safety, Environment and Technology Supervision Research Institute, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610041, China;
2. Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;
3. PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610051, China
Abstract: This paper describes the SLAB heavy gas dispersion modeling and uses SLAB View to simulate the H2S diffusion process and hazardous areas in a sour gas well blowouts. It identifies the influence range of H2S cloud cluster at specified concentration averaging time, the time when the H2S cloud cluster of specified concentration reaches the furthest distance, and the furthest diffuse distance in wind direction. The comparison shows that SLAB View offers an easier and faster option to simulate leakage and diffusion process during sour gas well blowouts on flat terrains, and therefore it is a useful tool for the prediction of the diffusion consequence and influence range.
Key Words: SLAB model    blowout    H2S cloud cluster    diffuse distance    

SLAB模型由美国的Lawrence Livermore国家实验室开发，是一种针对突发意外事故时危险化学物质泄漏扩散过程的模拟工具，适用于平坦地形条件下重气排放的大气扩散模拟。该模型用于模拟地面蒸发池、高位水平喷射、烟囱或高位垂直喷射、瞬间排放的4种污染源类型的连续、限时、瞬时排放过程，可以预测有害危险区域和边界、泄漏的持续时间长短、化学物泄漏之后在特定气象条件下的扩散运动过程。该模型克服了一维模型的缺点，同时保留了三维模型能够准确模拟扩散过程中各种场变化的优点。该模型适用于模拟比空气稠密的气体泄放或者液体溢漏而蒸发出的稠密气体扩散[1]。而含硫天然气的泄漏扩散主要考虑组分中H2S气体扩散的影响，H2S密度大于空气。因此，结合SLAB模型的特点，可以模拟分析H2S气体在大气中的扩散过程和状态。

SLAB View软件是基于SLAB模型开发的一种风险管理工具，可以通过输入相关的源项数据、边界条件和气象参数建立事故模型，通过模拟计算，可得出在特定气象条件下污染物云团随时间变化的扩散状态以及在指定浓度平均时间下的影响范围。该软件的3D平台集成了可视化工具，可生成气体扩散过程动态图，能更直观预测事故泄漏扩散后果和影响范围。

1 SLAB重气泄漏扩散模型

SLAB模型以泄放源为原点、以下风向为x轴方向、横风向为y轴方向、竖直方向为z轴方向建立坐标系统，并且假设气体的泄漏方向为x轴正方向。对稳定状态的烟羽扩散将气体云分成高h，宽2B，厚Δx的气体云板块，如图 1所示。通过其总体质量平衡方程、扩散质量平衡方程、动量平衡方程、能量平衡方程，并考虑由于湍流而引起气体云对周围空气的卷吸，三维空间内的每一点气体浓度可由平均浓度及浓度分布函数得到式(1)。对于瞬时泄漏(见图 2)，泄漏物质围绕泄漏源形成气团, 随时间推移，气团一边向四周扩散，一边随风漂移，气体浓度用式(2)计算[2-7]。

图 1     稳态烟羽扩散模型示意图 Figure 1     Schematic diagram of steady state plume dispersion model

图 2     瞬时泄漏模型 Figure 2     Instantaneous leakage model

$ C\left( {x, y, z, t} \right) = 2 \cdot B \cdot h \cdot {C_{\left( x \right)}} \cdot {C_1}\left( {y, b, \beta } \right) \cdot {C_2}\left( {z, {Z_c}, \sigma } \right) $ (1)
$ C\left( {x, y, z, t} \right) = 4 \cdot {B_x} \cdot {B_y} \cdot h \cdot {C_{\left( x \right)}} \cdot {C_1}\left( {x-{X_c}, {b_x}, {\beta _x}} \right) \cdot {C_1}\left( {y, {b_y}, {\beta _y}} \right) \cdot {C_2}\left( {z, {Z_c}, \sigma } \right) $ (2)

式中：

$ {C_{\left( x \right)}} = \frac{{{M_{\rm{a}}} \cdot m}}{{{M_{\rm{s}}} + \left( {{M_{\rm{a}}}-{M_{\rm{s}}}} \right) \cdot m}} $ (3)
$ {C_1}\left( {y, b, \beta } \right) = \frac{1}{{4b}}\left[{{\rm{erf}}\left( {\frac{{y + b}}{{\sqrt 2 \cdot \beta }}} \right)-{\rm{erf}}\left( {\frac{{y-b}}{{\sqrt 2 \cdot \beta }}} \right)} \right] $ (4)
$ {B^2} = {b^2} + 3{\beta ^2} $ (5)
$ \begin{array}{l} {C_2}\left( {z, {Z_c}, \sigma } \right) = \\ {\left[{\frac{1}{{2\pi }}} \right]^{\frac{1}{2}}} \cdot \frac{1}{\sigma } \cdot \left[{\exp \left( {-\frac{{{{\left( {z-{Z_c}} \right)}^2}}}{{2 \cdot {\sigma ^2}}}} \right) + \exp \left( {-\frac{{{{\left( {z + {Z_c}} \right)}^2}}}{{2 \cdot {\sigma ^2}}}} \right)} \right] \end{array} $ (6)
$ {\sigma ^2} = \left\{ \begin{array}{l} {h^2}/12\;\;\;\;\;\;{Z_c} > h/2\\ {\left( {h-{Z_c}} \right)^2}/3\;\;\;\;\;{Z_c} \le h/2 \end{array} \right. $ (7)

式中，x为下风向距离，m；y为横向距离，m；z为垂直方向距离，m；t为时间，s；σ为扩散参数，与泄漏参数和气象参数有关；m为品质分率，kg/kg；Ma为干空气的摩尔质量，kg/kmol；Ms为泄放气体的摩尔质量，kg/kmol；B为气云宽度，m；h为气云高度，m；b为气云半宽参数，m；β为特征宽度，m；Zc为气云高度参数，m；C1为水平侧风向浓度轮廓函数，10-6；C2为垂直浓度轮廓函数，10-6。

2 软件模拟应用及分析
2.1 模拟条件

假设某高含硫气井发生井喷失控(该井的工程基本参数见表 1)，则可能导致大量含硫天然气泄漏并引起中毒死亡事故。假定H2S释放时间为15 min[8]，在大气稳定度为F，风速为3.0 m/s的情况下，计算H2S危险临界质量浓度为150 mg/m3[9]对人员生命和健康产生不可逆转或延迟性影响的危害范围，得出H2S体积分数达到100×10-6、300×10-6和1 000×10-6的扩散距离。

表 1    工程基本参数 Table 1    Basic parameters of the project

2.2 模拟计算
2.2.1 定义泄漏污染源类型

模拟发生井喷失控事故H2S的扩散过程，选用烟囱或高位垂直喷射模式进行计算。

2.2.2 定义污染源特性

在化学物数据库中选择H2S，其特性见表 2。

表 2    H2S特性 Table 2    H2S properties

2.2.3 定义泄漏参数

假设发生井喷失控，H2S释放时间按15 min计算，根据该高含硫气井的无阻流量和井口尺寸可计算出发生井喷失控最大污染源质量排放速率和实际开放面积。污染源高度参照井口高度，其参数数值见表 3。

表 3    泄漏参数数值 Table 3    Leakage parameters

2.2.4 定义流场参数

流场参数中的浓度平均时间(TAV)是安全标准相对应的平均时间，而许多有毒污染物有多个安全标准，对于不同的暴露时间，每一个不同的TAV均需要进行计算。

若TAV比烟云持续时间(TCD)大，由于烟团相对较短，观察者暴露在污染物中的时间占TAV的一部分，平均浓度将会被减少。在这种情况下，TAV≤TCD更有意义。对于连续的或限时排放，TCD可以近似为连续污染源持续时间。

H2S危险临界浓度是对人员生命和健康产生不可逆转或延迟性影响的H2S浓度，为150 mg/m3。从表 4中可以得知, H2S体积分数达到100×10-6，3~15 min就会出现咳嗽、眼睛受刺激和失去嗅觉。故TAV取值3 min，即180 s(见表 5)。

表 4    H2S对人的生理影响及危害[6] Table 4    Effects and harms of H2S on human physiology

表 5    流场参数数值 Table 5    Flow field parameters

2.2.5 定义气象参数

气象参数会对气体的扩散产生影响，在稳定度为F的情况下，不利于扩散，有相对较大的危险性。气象参数根据当地气象条件进行定义，其参数数值见表 6。

表 6    气象参数数值 Table 6    Meteorological parameters

2.3 计算结果
2.3.1 危险临界浓度影响范围

通过计算，可以得出该井若发生井喷失控事故，在浓度平均时间为3 min的情况下，体积分数为100×10-6的H2S云团影响范围为距泄漏点1 668 m的区域。图 3所示为中心线上最大浓度随距离的变化情况。由图 3可见, 中心线上最大浓度随着距离的增大而降低。

图 3     中心线上最大浓度与距离的关系 Figure 3     Maximum concentration at the center line

2.3.2 最远下风向扩散距离

通过计算，可以得出该井若发生井喷失控事故并持续至140 s时，含H2S云团扩散至下风向最远距离(见表 7)。其中，体积分数为100×10-6的含H2S云团最远扩散至下风向2 236 m；体积分数为300×10-6的含H2S云团最远扩散至下风向1 067 m；体积分数为1 000×10-6的含H2S云团最远扩散至下风向456 m。

表 7    SLAB软件定量计算井喷事故结果 Table 7    Results from quantitative calculation on a blowout accidents using SLAB software

随着时间的推移，H2S云团慢慢向外扩散，当到达140 s时，云团基本达到稳定，随着继续扩散的影响，云团形状发生变化，当井喷得到控制后，井口及下风向浓度逐渐减小，云团逐渐脱离井口向下风向漂移，并随着扩散而慢慢消失。越靠近地面，H2S云团的浓度就越高。

3 结语

(1) SLAB View软件基于SLAB模型，能方便、快速地模拟计算出发生井喷失控事故时，H2S云团在指定浓度平均时间下的影响范围以及指定H2S浓度出现的最远距离和时间，同时能直观地显示出其云团的扩散过程。

(2) 该软件用于模拟较为平坦地形条件下的重气扩散，因此可用于四川盆地平原地区和川中浅丘地区的含硫天然气钻井井喷失控事故的预测。

(3) 该软件不足之处是没有考虑较为复杂的地形对气体扩散的影响，因此是否适用于山区复杂地形条件下的井喷失控泄漏扩散模拟，还有待进一步研究和验证。但在紧急情况下，也可以方便、快速地计算出事故影响范围，为制定应急疏散区域提供参考。

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