表6-9不同地面粗糙度下页岩气采输井场动火作业燃爆区域扩散距离6.模型优化利用事故风险后果定量模拟实验进行反演，页岩气采输井场作业安全防护数学模型优化的重点在于泄漏量的确定，而影响泄漏量的因素包括泄漏孔径、大气稳定度、地面粗糙度等。因此，页岩气采输井场作业安全防护距离的确定应综合考虑地形、人口分布、工艺、环境等因素，并注意其差异性。......
2023-06-28
页岩气采输井场作业安全防护模型解析
【摘要】：页岩气采输过程出现泄漏会造成不同的后果，可能会对作业现场人员、泄漏地点附近居民的生命和财产造成巨大的威胁。结合页岩气采输井场实际，发生泄漏时，气体大多呈音速流动。考虑到页岩气采输井场的地址和地形复杂，其扩散选用高斯烟团模型。同时，页岩气采输井场的页岩气泄漏大多在地面以上，且无论作业人员还是附近居民都在地面活动，只考虑地面的页岩气质量浓度。⑤ 安全防护距离的确定。
1.潜在事故分析
页岩气采输过程中最重大的危险是火灾爆炸，火灾爆炸可能发生在每一个油气可能泄漏的区域，其次的危险是压力容器的物理爆炸。页岩气采输过程出现泄漏会造成不同的后果，可能会对作业现场人员、泄漏地点附近居民的生命和财产造成巨大的威胁。灾害类型以及相关的破坏形式取决于管道的失效模式（即泄漏或断裂）、气体的泄漏方式（即垂直或倾斜喷射、有阻挡或无阻挡喷射）和燃烧时间（即立即燃烧或延迟燃烧）。页岩气采输过程出现泄漏可能造成的后果，如图5-2所示。
图5-2 页岩气采输泄漏后果示意
2.模型建立及其边界条件
（1）模型建立
① 页岩气泄漏量的确定。页岩气管道任一位置泄漏后，泄漏速率主要取决于气体流动是属于亚声速流动还是声速流动，其判断准则为
式中：Pa——大气压力，单位为Pa；
γ——气体比热比。
Pc——泄漏处压力，单位为Pa；
若式（5-16）成立，气体流动属于亚声速流动；若式（5-17）成立时，气体流动属于声速流动。
结合页岩气采输井场实际，发生泄漏时，气体大多呈音速流动。因此页岩气泄漏速率为
式中：Qs——页岩气泄漏速率，单位为kg/s；
α——页岩气泄漏系数，与裂口形状相关，取0.9；
P2——页岩气管道中的绝对压强，单位为Pa；
T2——管道内上游温度，单位为K；
M——页岩气分子质量，单位为kg/mol；
R——理想气体常数，单位为J/（mol·K）；
Z——气体压缩因子；
γ——绝热指数。
Ah——泄漏孔面积，单位为m2；
由页岩气泄漏速率，进而可以确定页岩气泄漏量为
式中：qm——页岩气可能泄漏的量，单位为kg；
Qs——页岩气泄漏速率，单位为kg/s；
t——页岩气泄漏时间，单位为s。
② 蒸汽云爆炸的爆炸波伤害范围计算。
蒸汽云对爆炸冲击波有实际贡献的燃料质量为
式中：Wc——蒸汽云对爆炸冲击波有实际贡献的燃料质量，单位为kg；
qm——页岩气可能泄漏的量，单位为kg。
爆源总能量为
式中：E0——爆源总能量，单位为J；
α——与蒸汽云爆炸的有实际贡献的燃料占泄漏燃料的百分比，平均值为4%；
Wc——蒸汽云对爆炸冲击波有实际贡献的燃料质量，单位为kg；
Qc——燃料的燃烧热，单位为J/kg。
死亡区外径为
式中：R0.5——基于超压—冲量准则确定的蒸汽云爆炸死亡区外径，单位为m。
重伤区外径为
式中：Re0.5——基于超压—冲量准则确定的蒸汽云爆炸重伤区外径，单位为m；
Pa——大气压力，取1.013 25×105Pa。
轻伤区外径为
式中：Re0.01——基于超压—冲量准则确定的蒸汽云爆炸轻伤区外径，单位为m；
Pa——大气压力，取1.013 25×105Pa。
③ 蒸汽云爆炸的爆炸火球伤害范围计算。
蒸汽云对爆炸火球有实际贡献的燃料质量为
式中：W——蒸汽云对爆炸火球有实际贡献的燃料质量，单位为kg；
qm——页岩气可能泄漏的量，单位为kg。
死亡半径为
式中：Rs——基于热剂量伤害准则，在瞬间火灾条件下得出爆炸火球的死亡半径，单位为m；
W——蒸汽云对爆炸火球有实际贡献的燃料质量，单位为kg。
重伤半径为
式中：Rz——基于热剂量伤害准则，在瞬间火灾条件下得出爆炸火球的重伤半径，单位为m；
W——蒸汽云对爆炸火球有实际贡献的燃料质量，单位为kg。
轻伤半径为
式中：RQ——基于热剂量伤害准则，在瞬间火灾条件下得出爆炸火球的轻伤半径，单位为m；
W——蒸汽云对爆炸火球有实际贡献的燃料质量，单位为kg。
④ 燃爆区域划分。由于页岩气的主要成分是甲烷，甲烷的爆炸极限是5%～15%。参照美国标准和欧洲及中国标准关于燃爆区域划分，认为页岩气采输井场的燃爆危险浓度为5%，即空气中页岩气质量浓度达到4×104mg/m3，只要有能量高于最小点燃能量的点火源就会引起爆炸。考虑到页岩气采输井场的地址和地形复杂，其扩散选用高斯烟团模型。
同时，页岩气采输井场的页岩气泄漏大多在地面以上，且无论作业人员还是附近居民都在地面活动，只考虑地面的页岩气质量浓度。因此高斯烟团模型简化为
式中：c（x，y，z）——扩散页岩气的体积分数；
Vm——页岩气可能泄漏的最大体积量，单位为m3；
σx、σy、σz分别为下风向、横风向、竖风向的扩散系数，与泄漏源到计算点的下风向距离、大气稳定度的函数、烟团的排放高度及地面粗糙度有关。
y——横风向距离，单位为m。
⑤ 安全防护距离的确定。为了确保页岩气采输井场作业人员和周围居民的安全，避免在采输作业过程中发生泄漏事故时遭受伤害，采用安全防护距离计算模型确定其安全防护距离为
式中：Dij——安全防护距离，单位为m；
RQi——不同情况下求出的蒸汽云爆炸波导致轻伤半径RQ1、蒸汽云爆炸火球导致轻伤半径RQ2和燃爆区域的下限RQ3。
（2）边界条件
① 泄漏孔径。由统计资料，管道的泄漏孔径分类（代表性孔径）及相应的大小范围如表5-6所示。由于小孔径泄漏概率最大，最能代表实际泄漏情况。因此，选取代表性孔径为25 mm。
表5-6 泄漏孔径分类及相应的大小范围
② 泄漏时间。页岩气采输站场进出站总管上设有紧急截断（ESD）阀，当站内或干线发生重大事故时自动关闭、切断气源。并在站内入口和出口设有紧急放空系统，当站内发生重大事故时紧急放空系统自动开启，泄压放空。以站场进出站总管上设有ESD阀，并在发生重大事故时自动关闭、切断气源的设计为基础，假设以120 s的泄漏量进行后果模拟计算。
③ 气象参数。模拟气象条件一般为风速1.1 m/s、2.0 m/s、5.0 m/s，稳定度为D、F（在此稳定度下，不利于扩散，有相对较大的危险性）。其中5.0 m/s为计算的最大风速，2.0 m/s为年平均风速，1.1 m/s为接近静风条件的最小风速。因此，选择风速为5.0 m/s，地面粗糙度为1 m。
3.页岩气采输井场安全防护距离的确定
基于边界条件，选取2 MPa作为页岩气采输井场泄漏口的绝对压强，由式（5-18）计算可得页岩气在常温下的泄漏速率为1.506 kg/s。在120 s的泄漏时间内，由式（5-19）可知，页岩气可能泄漏的量为180.72 kg。
鉴于页岩气的主要成分是甲烷，甲烷的燃烧热值Qc是55.164 MJ/kg，由式（5-21）计算可得爆源总能量E0是3.99×108J。
由式（5-22）、式（5-23）和式（5-24）可得蒸汽云爆炸的爆炸波伤害范围，如表5-7所示。
表5-7 蒸汽云爆炸的爆炸波伤害范围
由式（5-26）、式（5-27）和式（5-28）可得蒸汽云爆炸的爆炸火球伤害范围，如表5-8所示。
表5-8 蒸汽云爆炸的爆炸火球伤害范围
由式（5-11）、式（5-12）和式（5-13）可得基于Pasquill-Gifford模型的硫化氢危害范围，如表5-4所示。
由于页岩气的主要成分是甲烷，甲烷的爆炸极限是5%～15%，其中5%爆炸下限对应的浓度为4×104mg/m3。由式（5-29），利用自编程序模拟页岩气采输井场动火作业燃爆区域，采用的浓度分别为1×104mg/m3、1.8×104mg/m3、2.5×104mg/m3、3.2×104mg/m3和4×104mg/m3，如图5-3所示。
图5-3 页岩气采输井场动火作业燃爆区域
由图5-3，页岩气采输井场动火作业燃爆区域下风向X的扩散距离和Y的扩散距离，如表5-9所示。
表5-9 页岩气采输井场动火作业燃爆区域下风向X的扩散距离和Y的扩散距离
考虑到页岩气采输过程中最重大的危险是火灾爆炸，由计算得到的蒸汽云爆炸波导致轻伤半径RQ1、蒸汽云爆炸火球导致轻伤半径RQ2和燃爆区域的下限RQ3，确定页岩气采输井场作业安全防护距离73.2 m。
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