摘要 含硫天然气开发风险主要来自于井喷或地面设施失效时硫化氢泄漏扩散引起的中毒。为了开展复杂地形条件下含硫天然气开发定量风险评价，在含硫天然气泄漏扩散模拟中引入计算流体力学，运用复杂地形数字高程模型和网格划分技术，模拟事故状态下硫化氢的时空分布，并基于定量风险评价基本原理集成了复杂地形条件下的定量风险评价技术。以位于复杂地形下的某含硫气田发生天然气井喷泄漏事故为例，运用“含硫天然气泄漏扩散中毒定量风险评价软件”进行了个人风险值和社会风险值的计算。结果表明，基于数值模拟的定量风险评价技术较常用的拉格朗日烟团模型计算出的风险等值线，更能够客观真实地反映复杂地形条件下的风险水平分布。

关键词  川渝地区  复杂地形  定量风险评价  计算流体力学  事故概率  风险可接受标准

从20世纪70年代开始，部分国家的核工业及化工行业开始应用定量风险技术(QRA)并在20世纪90年代逐步规范化，在英国、荷兰、新加坡、香港及澳大利亚城市地区的人口密集区，已将定量风险评价作为高风险行业风险评估与控制的法律手段。我国在2011年发布的安监总局40号令《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》也要求采用定量风险评价技术对重大危险源实施评估和监管。

硫化氢是一种剧毒、可燃气体，含硫天然气特别是高含硫天然气开发主要风险来自事故导致硫化氢释放的中毒风险。在天然气勘探开发过程中一旦发生事故，大量含硫天然气泄漏扩散会导致人员中毒死亡。据不完全统计，近l0年来我国石油天然气行业超过70％的伤亡事故是因为硫化氢中毒所致，因此，针对含硫天然气勘探开发开展定量风险评价显得尤为重要。

1 川渝地区开展QRA的特殊性

1.1 复杂地形的影响

复杂地形条件下的大气边界层特征和污染物扩散规律一直是边界层气象学研究的难点与热点。四川盆地四周为海拔l 000～4 000 m的山地所环抱，四周丛山阻隔，地形闭塞，冬季北来的冷空气难以浸入，夏季无台风影响，素有“死水区”之称^[1]。尽管盆地大气混合层虽高，但其复杂的地形特征形成了特殊的气象条件——静风频率高、污染系数大，是全国大气净化能力最弱的地区之一。

气象和地形条件对污染物的扩散过程有着决定性的影响。由于山区起伏地形和不均匀下垫面的强烈影响，低层大气在水平和垂直两个方向上形成特殊的风场和温度场，如静风、逆温等，直接影响大气污染物在近地面的分布、扩散、沉降等情况，导致污染物不易扩散。

目前，川渝地区分布多处高含硫天然气区块，这些区块主要为山地丘陵地形，而且人口分布稠密。由于复杂地形对意外释放含硫天然气的扩散有阻挡作用，局地风场跟地形的耦合度强，使位于丘陵山区的气体扩散过程变得非常复杂。笔者运用复杂地形数字高程模型和网格划分技术，引入流体力学计算方法，在高性能计算机系统上并行运算，能够较真实地模拟受复杂地形和局地风场影响的含硫天然气云团扩散过程。图1为复杂地形数字高程图。

1.2 泄漏概率的确定

QRA方法的核心是对事故发生概率和事故后果进行拟合^[2]。目前，国内外在事故后果方面的研究较多，认识也比较成熟，而在事故发生概率方面的研究则相对较少。气田集气场站、天然气净化厂、集气管道等设备失效概率可参考的数据库包括英国HSE烃类泄漏数据库(UK HSE)、美国化学流程工业设备可靠性数据库(CCPS)、基于风险的检验导则(API 581)、英国陆上管道作业者协会(UKOPA)、欧洲气体管道事故数据库(EGIG)等。中国石油西南油气田公司(以下简称西南油气田公司)从20世纪60年代开始在含硫天然气开发方面积累了一定的经验，也收集了相关设备失效数据，形成了不同气质条件下的管道失效数据库。笔者所述事故概率通过借鉴并修正采用国外失效数据库与西南油气田公司同类设备历史统计数据相结合的方式来确定。借鉴国外数据时考虑拟评价对象的工艺、介质、自然和社会环境状况，分析数据来源及其可靠性，应用事故树模型进行装置事故发生概率计算，然后结合项目设备及风险管理实际情况进行修正采用^[3]。

1.3 风险可接受标准的确定

目前国内除《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》确定了重大危险源对人口密集场所、学校等敏感目标的个体风险标准值以及重大危险源的社会风险F-N曲线外，还没有其他适用于偏远地区、人居分散条件下含硫天然气开发的个人风险标准值可供参考。为此，研究英国、荷兰等国家风险标准值制订的历史、背景等资料后^[4]，分析我国近10年采掘业事故伤亡率、公众意外死亡风险以及石油天然气行业伤亡情况，提出了员工个人风险(1.5×10^-3)、公众个人风险(0.8×10^-4)以及社会风险的基准值l.4×10^-3 (N=1)，斜率为-1。风险可接受标准的最终确定应由相应的风险承担方与风险制造方在客观风险基础上平等协商决定。

2 基于计算流体力学的后果计算

计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上各场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得各场变量的近似值^[5]。利用基于CFD原理的有限元软件来完成复杂地形条件下含硫天然气井喷或地面设施泄漏所致的含硫天然气三维扩散数值模拟。

CFD可以看作是在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动数值的模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况。由于含硫天然气是混合物质，因此，控制方程还应包括组分守恒方程。4个方程的表达式如下。

式中ρ为密度；t为时间；u为速度矢量；μ为动力黏度；p为压力；T为温度；k为传热系数；C_p为比热容；C为体积浓度；D为扩散系数；S_u为源项。

对于含硫天然气扩散引起的风险，需要计算特定位置硫化氢含量的变化情况，即各网格点或敏感目标处硫化氢含量随时间变化情况。分别以某井场井喷和某天然气净化装置事故为例，得到事故发生时硫化氢的时空分布情况(图2～5)。

3 定量风险计算实例

以某高含硫气田在钻井过程中发生井喷失控事故为例，利用具有自主知识产权的定量风险计算软件(QRA-AYY)，通过建立事故模型，导入项目地形图，输入项目所在地的大气稳定度、风向及风速联合频率，模拟计算泄漏出来的含硫天然气在不同气象条件下的扩散影响区域范围，然后输入人口分布及关心点的地理坐标，可计算出关心点的风险值、个人风险等值线以及表示社会风险水平的F-N曲线。

源项数据：泄漏点离地面1 m高，垂直方向，井喷持续时间为15 min^[6]，释放速率(最大绝对无阻流量)为1 260×10⁴ m³／d，H₂S含量为16％(体积分数)，天然气密度为0.9 kg／m³，温度为25℃，井喷失控事故概率为4.5×10^-4／a。计算结果如图6、7所示。

个人风险等值线的变化与井场所在的地形、局地风场密切相关。若分别按1×10^-4、1×10^-5、1×10^-6作为风险呵接受标准进行评价，井口外个人风险等值线最远处分别为东南350 m、430 m和700 m，最近处距井口 l00-150 m，相应的不规则区域范围外人员风险处于可接受水平。社会风险F-N曲线说明井喷的风险处于可接受区域，但还是应采取技术合理可行、成本尽可能低的控制措施进一步降低风险。

4 结论

1)基于计算流体力学(CFD)的有毒气体扩散模拟方法，建立了适用于复杂地形条件下含硫天然气井喷或地面设施泄漏所致的硫化氢扩散仿真模型，在此基础上进行定量风险计算，其个人风险等值线能与地形、气象条件很好地吻合。

2)事故概率通过借鉴并修正采用国外失效数据库与西南油气田公司同类设备历史统计数据相结合的方式来确定，符合我国含硫天然气开发技术现状及社会、自然环境特征，据此完成的定量风险计算结果能有效地为含硫天然气开发场所风险排序、风险削减措施的取舍等提供更科学的依据。

参考文献

[1] 王汉臣.大气保护与能源利用[M].北京：中国环境科学出版社，1 992.

[2] UIJT de HAAG P A M，ALE B J M.CPRl8E Guideline for quantitative risk assessment[S].Hague：VROM，2005.

[3] APLAPI 581 Risk based inspection[S].Washington：American Petroleum Institute，2008.

[4] Center for Chemical Process Safety(CCPS).Guidelines for developing quantitative safety risk criteria[S].New York：John Wiley＆Sons Inc.，2009.

[5] 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[6] 国家安全生产监督管理总局.AQ201 6含硫化氢天然气井失控井口点火时间规定[S].北京：中国标准出版社，2008.

本文作者：翁帮华张林霞 胥云丽 刘坤 周东 李宇

作者单位：中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院