海洋平台泄漏硫化氢中毒事故后果动态评估

杨冬冬，陈国明，朱渊，师吉浩

（中国石油大学（华东）海洋油气装备与安全技术研究中心，山东青岛266580）

引 言

当前，国内外关于海洋平台工艺事故的研究主要关注可燃气体泄漏与燃爆事故[1-7]，海洋平台硫化氢泄漏方面的研究较少且主要关注泄漏硫化氢空间积聚的变化[8-11]。陆上工业装置有毒气体泄漏扩散研究较多[12-20]，但所用事故后果评估方法主要是“静态评估方法”[13-16]和“半动态评估方法”[17-19]。“静态评估方法”假设受灾人员在事故过程中处于静止状态，不采取任何应急响应与疏散行为。实际事故场景中，平台作业人员接收到硫化氢探测器报警后必然会进行应急响应。因此，“静态评估方法”的准确性较低且主要适用于确定危险区域。“半动态评估方法”考虑受灾人员的应急疏散行为，但是未考虑泄漏有毒气体扩散行为与积聚特点的时空变化，只提取某一时刻（通常为事故后果最严重的时刻）的泄漏气云积聚状态结合受灾人员的应急疏散轨迹进行后果评估，不考虑应急疏散过程中泄漏有毒气体积聚状态随时间的变化。实际事故场景中，气体泄漏速率受到过程保护系统（ESD系统、放空系统等）的影响是动态变化的，导致泄漏气体的积聚状态很难达到稳定状态。因此，“半动态评估方法”提高了评估结果的准确度，但更适用于稳态泄漏场景下的事故后果评估。

基于此，笔者提出硫化氢泄漏事故后果动态评估方法，全面考虑泄漏气体的时间变化过程与空间发展轨迹，兼顾海洋平台受灾人员的应急疏散行为，关注受灾人员应急疏散过程中硫化氢气云的发展变化。并将此方法应用于海洋平台，结合海洋平台应急救援特点对海洋平台硫化氢泄漏中毒事故后果进行评估，以期为海洋平台的应急救援提供参考。

1 动态评估方法

图1为泄漏硫化氢中毒事故后果动态评估方法的主要流程，主要包括泄漏硫化氢扩散过程模拟与硫化氢毒害后果预测。“半动态评估方法”与“静态评估方法”的主要流程也在图1中进行了展示。

图1 泄漏硫化氢中毒事故后果动态评估流程Fig.1 Dynamic assessment procedure of consequences for poisoning accidents caused by H2S release

首先要进行场景确认，确认事故场景的泄漏参数与风场参数等[21-22]。需要注意的是，场景确认时需要关注ESD 系统、放空系统等可能导致泄漏气体积聚特性发生变化的因素。

场景确认后，需要对泄漏气体扩散过程进行预测。基于CFD 的数值模拟具有可重复性、低成本和相对较高的计算精度[23-24]而被推荐使用。被大量验证和广泛应用的CFD 软件Flame Acceleration Simulator (FLACS)被应用于本次研究[25-31]。CFD 模拟结果输出之前要进行敏感性分析，以确保计算结果满足收敛性标准。

随后将CFD 模拟结果输出。数值模拟结果类型包括不同监测点硫化氢气体浓度，硫化氢气云2-D切片与硫化氢气云3-D分布云图。

提取CFD 模拟结果后，结合受灾人员疏散轨迹，根据受灾人员所处位置实时提取硫化氢气体浓度，进而计算受灾人员的硫化氢气体动态吸入剂量。所谓“动态”指的是计算受灾人员硫化氢吸入剂量时充分考虑受灾人员疏散过程中位置的变化与硫化氢气体积聚状态的变化。这也是“动态评估方法”区别于“静态评估方法”与“半动态评估方法”的关键所在。“半动态评估方法”提取某一时刻气云分布状态结合受灾人员疏散轨迹评估事故后果；“静态评估方法”假设受灾人员处于静止状态，不考虑受灾人员的应急响应行为。

1.1 硫化氢吸入剂量计算

剂量响应模型是当前被广泛认可的量化有毒物质毒害效应的工具[32-34]。毒物学研究以动物为研究对象开展实验，通过对大量实验现象的归纳推理，得出了不同有毒物质吸入剂量与个体死亡率之间的关系。根据修正的哈珀法则[35]，个体暴露于有毒气体中有毒气体吸入剂量D：

式中，D 为有毒气体吸入剂量；c 为有毒气体浓度，mg/m3；n 为常数，当有毒气体为硫化氢时，n 取值为1.43；t为受灾人员暴露于有毒气体的时间，min。

式（1）假设有毒气体的浓度保持恒定。为克服这一缺点，考虑有毒气体浓度随时间的变化对式（1）进行改进，见式（2）[36]。但是式（2）假设受灾人员在事故过程中处于静止状态，不采取应急救援行为。

式中，t1和t2分别为暴露于有毒气体的开始时间与结束时间，min。

在静态吸入剂量计算方法的基础上，考虑受灾人员的应急疏散行为发展了半动态吸入剂量计算方法，见式（3）。式（3）考虑了受灾人员逃生轨迹上不同位置有毒气体浓度的变化，但是各位置有毒气体浓度随时间的变化并没有被充分考虑。

式中，v 为受灾人员的应急疏散速度，m/s；t0为硫化氢泄漏后的某一特定时刻，min；(xi,yi,zi)为受灾人员疏散轨迹L上不同位置的坐标。

基于以上讨论，兼顾受灾人员的应急疏散与有毒气体积聚状态的时空发展，提出有毒气体吸入剂量动态计算模型。根据受灾人员所处实时位置提取有毒气体实时浓度，计算有毒气体吸入剂量：

式中，ti指的是受灾人员到达(xi, yi, zi)所对应的实际时间。

1.2 概率模型

确定受灾人员的有毒气体吸入剂量后，通过概率模型计算个体的死亡率。式（5）给出了概率单位Y 与有毒气体吸入剂量的关系，概率单位与个体死亡率P的转换关系如式（6）所示[34]。

式中，A 和B 为常数，取值与毒性物质种类有关，对于硫化氢A和B分别取-31.42和3.008。

2 泄漏气体扩散理论模型

2.1 基本控制方程

FLACS 使用有限体积法在三维笛卡尔坐标系下求解RANs 方程。泄漏气体的扩散过程满足连续性方程，质量、动量、能量、组分守恒方程，这些方程可以用统一的形式表达：

式中，φ 为通用变量，包括质量、动量、能量、物料组分等；ρ为密度，kg/m3；uj为j方向的速度分量，m/s；Гφ为通用变量φ的交换系数，m2/s；Sφ为能量源项。

2.2 湍流模型

引入雷诺应力张量描述泄漏气体扩散过程的湍流，根据Boussinesq 涡流黏度假设，选择湍流动能运输方程和湍流动能耗散方程求解雷诺应力张量和k-ε方程。雷诺应力张量、湍流动能运输方程和湍流动能耗散方程为：

式中，ui代表i 方向上的速度分量，m/s；μeff为有效湍流黏度，Pa·s；k 为湍流动能，m2/s2；δij为克罗内克符号函数；ε为湍流动能耗散率，m2/s3；βv为体积孔隙度；βj为j方向上的面积孔隙度；σk和σε分别为k和ε 的Prandtl-Schmidt 数，分别取1.0 和1.3；Pk为湍流动能产物；Pε为耗散产物；C2ε为常数，1.92。

2.3 CFD模型验证

FLACS 软件被广泛应用于油气行业的通风扩散、爆炸分析。通过大量不同尺度的实验以及工业事故调查，FLACS 软件计算结果的可靠性已得到证实。针对海洋油气模块气体泄漏场景（共计66个泄漏场景，包括不同的泄漏速率、泄漏位置和泄漏方向，不同的风速和风向，不同的受限程度），Savvides等[25]分别通过实验和基于FLACS的数值计算对泄漏气体的积聚状态进行预测，通过对比验证了FLACS在海洋油气模块气体扩散模拟方面的准确性tffu。Dadashzadeh 等[1]运用FLACS 对“深水地平线事故”进行模拟，研究结果与BP公司的事故调查结果具有很好的一致性。Hansen 等[27]运用FLACS 开展LNG蒸气云扩散模拟，将模拟结果与LNG 泄漏扩散实验数据进行对比，论证了FLACS 的可靠性。并且，挪威石油技术法规与标准NORSOK Z-013，国际标准化组织ISO13072（石油和天然气工业要求和指南），国际标准化组织ISO/DIS 19901-3，美国石油学会标准API/RP 752/753，欧盟EN1473等国际权威标准均推荐在油气行业中运用FLACS开展安全设计。

3 硫化氢泄漏扩散模拟

3.1 场景确认

对假想的某海洋平台硫化氢泄漏中毒事故后果进行评估。参照海洋平台实际尺寸与设备装置布局建立几何模型。考虑管廊、管线等结构物对泄漏气体扩散后果的影响，对工艺区进行精细化建模，将生活区设置合理的孔隙度以匹配其通风装置。构建完成的海洋平台几何模型如图2所示。

图2 海洋平台几何模型Fig.2 Geometric model of an offshore platform

图3 给出了平台下层甲板的布局，泄漏源位于距离S 点竖直高度6 m 处。泄漏源为直径4 cm 的锋利圆孔，泄漏方向竖直向下，泄漏气体初始压力为0.1 MPa，温度为300 K，泄漏装置内气体初始质量为1340 kg。为简化事故场景，不考虑火灾、爆炸等连锁事故及其引发的多米诺效应。参照DNV 相关指导假设ESD 系统启动时间为90 s（监测到泄漏耗时30 s，完成隔离耗时60 s），ESD 系统启动后50 s放空系统（放空阀面积为0.01 m2）启动。因此匀速泄漏时间为90s，之后因ESD 系统、放空系统的干涉泄漏速率不断减小。基于气体泄漏速率计算模型，结合设备运行参数、泄漏源参数及过程保护系统启动时序，借助数学软件Matlab 求解泄漏速率动态变化时程曲线（图4）。此外，泄漏气体成分及含量见表1。风向取船艉来风且风速为3 m/s。

图3 海洋平台下层甲板布局Fig.3 Layout of the modules in the lower deck

图4 泄漏速率动态变化时程曲线Fig.4 Transient leakage rate profile

表1 泄漏气体成分及含量Table 1 Composition and content of released gas

3.2 CFD求解

基于海洋平台几何模型的尺寸设置由核心区域和拓展区域组成的计算域，计算域尺寸为160 m×150 m×90 m。基于FLACS 用户手册相关指导及网格敏感性分析，核心区域网格尺寸设置为1 m，对泄漏点附近非泄漏方向网格进行局部细分，使用“smooth”功能保证细分区域网格平稳过渡，扩展区域以1.2倍的比例延伸至网格边界。

风场出口面与海平面边界类型设置为“Nozzle”，其余边界类型设置为“Wind”。采用帕斯奎尔分类法表征大气稳定度且设置帕斯奎尔稳定度等级为D，为使泄漏气体扩散理论模型方程组封闭，需要对计算域内的风速进行考虑，结合帕斯奎尔稳定度等级基于式(11)、式(12)求解不同高度风速值。

式中，uz为距离海平面高度z处的风速，m/s；a为von Karman 常数，取值0.41；zd为冠层高度，m；z0为大气粗糙度，取值0.0002 m；u0为当地标准风速，m/s；μ*为摩擦速度，m/s，通过式(13)进行求解。

式中，zref为标准风速所在高度，本研究中取值为10 m。

3.3 CFD模拟结果输出

CFD 求解完成后，以同样的监测区间分别提取不同时刻距离下层甲板1.5 m 平面[37-38]硫化氢分布状态（2-D 切片）和硫化氢气云空间积聚状态（3-D云图），见图5。

针对距离下层甲板1.5 m 平面，在稳态泄漏阶段（0～90 s），硫化氢分布范围于65 s 进入相对稳定状态；65～90 s 高浓度硫化氢分布区域变大，但硫化氢分布范围无明显变化；90 s后进入衰减泄漏阶段，硫化氢分布范围也不断变小且高于危险临界质量浓度[39-40]的硫化氢积聚区域也随之减小；140 s 后在ESD系统与放空系统的共同干预下泄漏速率衰减加剧，硫化氢分布区域及高浓度硫化氢浓度分布区域大幅度减小。

泄漏硫化氢气云的空间覆盖范围呈现相似的变化规律，稳态泄漏阶段硫化氢空间覆盖范围不断增加，90 s 时中层甲板与下层甲板均存在大量高浓度硫化氢气体；衰减泄漏阶段硫化氢空间覆盖范围不断减小，190 s时中层甲板与下层甲板硫化氢覆盖区域明显变小。总体来说，受泄漏速率的影响硫化氢的积聚状态不断变化，因此假设受灾人员处于静止状态或基于特定时间硫化氢空间分布开展后果评估是不合理的。

4 结果与讨论

4.1 应急疏散轨迹

平台常驻作业人员共37人，负责管理、后勤、报务及医护的作业人员共12人，主要工作及活动区域为生活区；需进入工艺区进行巡检及设备操作、维修、保养的作业人员（包括操作工、机修工、电仪工、发电工等）共25人。

假设泄漏事故发生时距离救生船最远的作业人员位于下层甲板船艉侧。其初始位置为A，在下甲板的移动轨迹为A—B（图3），到达B 后通过船艏的扶梯到达紧急集合区。作业人员在下层甲板的移动距离约为46.50 m，在扶梯上的移动距离约为13.83 m。

4.2 应急撤离时间模型

参考IMO 对大型船舶疏散时间的定义[41]，紧急情况下应急疏散时间包括危险感知时间T1、人员响应时间T2、人员移动时间T3和保证救援设备就绪的时间T4。则该作业人员完成应急撤离所需时间Tt为：

式中，T1为从泄漏事故发生到作业人员通过报警器等媒介感知到危险所需的时间；T2为作业人员接触到危险信号到进行应急逃生所需的时间；T3为作业人员从开始移动到抵达紧急集合地点所需的时间；T4为作业人员抵达紧急集合地点后穿戴救生设备、登记点名、决策及准备救生艇等所需的时间。

参考《含硫化氢油气井安全钻井推荐作法》[39]，硫化氢监测报警系统应在硫化氢浓度达到15 mg/m3时报警，且硫化氢监测报警系统的最大允许响应时间为30 s。假设事故发生后硫化氢气体探测器立刻检测到硫化氢，则最大感知时间为30 s。参照海洋平台应急演练，硫化氢监测报警系统报警后作业人员的响应时间设置为30 s。参考海洋平台应急逃生演练并结合国外研究[41]确定准备救援设备时间，其中在集合点佩戴呼吸器耗费80 s（假设佩戴呼吸器后可有效防止硫化氢的吸入）。移动时间需要基于该作业人员的移动速度及疏散轨迹获取，假设作业人员的移动速度不受吸入硫化氢气体影响，且其移动速度见表2[42]。

图5 泄漏硫化氢扩散结果Fig.5 Dispersion results of released H2S

表2 作业人员移动速度Table 2 Moving speed of the operator

4.3 后果分析

4.3.1 静态方法 静态方法假设受灾人员在事故场景下处于固定的位置，不因报警器或其他危险警示的影响而采取应急响应措施。提取该受灾人员初始位置硫化氢实时浓度，见图6。

图6 吸入硫化氢浓度变化(静态方法)Fig.6 Variation of inhaled H2S concentration(static approach)

4.3.2 半动态方法 半动态评估方法考虑受灾人员的应急疏散行为而忽略泄漏硫化氢气体的时间变化过程与空间发展轨迹。基于90s 时硫化氢气体空间分布，结合受灾人员的疏散轨迹，获取基于半动态方法的受灾人员暴露硫化氢浓度变化，见图7。

4.3.3 动态方法 动态评估方法综合考虑泄漏硫化氢的时空发展与受灾人员的应急疏散。实时提取受灾人员应急疏散过程中不同位置的硫化氢浓度，见图8。

4.3.4 对比分析 在该泄漏应急疏散场景中，基于应急撤离时间模型认为受灾人员在前60 s位置未发生变化，因而图6 与图8 在这一时间段的硫化氢浓度曲线是相同的。60 s后受灾人员开始移动，但60～90 s仍处于稳态泄漏阶段且硫化氢空间分布接近动态稳定状态，因而图7 与图8 在这一时间段的硫化氢浓度曲线是相近的。随后受灾人员离开工艺区，所处位置通风效果好，不利于硫化氢的积聚，因而图7 与图8 在这一时间段硫化氢浓度相对较小。可见，动态方法面向事故发展全过程，全面考虑了受灾人员位置的变化与泄漏硫化氢空间积聚的变化。表3给出了基于静态方法、半动态方法、动态方法得到的受灾人员硫化氢吸入剂量与死亡率。相较于静态评估方法，半动态评估方法考虑了作业人员的应急疏散，对应的硫化氢吸入剂量由1.062×105降至7.230×104，死亡率减少了92.74%；相较于半动态评估方法，动态评估方法进一步考虑了泄漏硫化氢气体的时间变化过程与空间发展轨迹，对应的硫化氢吸入剂量由7.230×104降至6.020×104，死亡率减少了83.95%。对比表明动态评估方法综合考虑作业人员与泄漏气体的动态特性，能够更准确地预测硫化氢气体泄漏中毒事故后果的严重程度。

图7 吸入硫化氢浓度变化(半动态方法)Fig.7 Variation of inhaled H2S concentration(semi-dynamic approach)

图8 吸入硫化氢浓度变化(动态方法)Fig.8 Variation of inhaled H2S concentration(dynamic approach)

表3 硫化氢吸入剂量与死亡率Table 3 Inhalation dose of hydrogen sulfide and the corresponding mortality

5 结 论

（1）提出了一种硫化氢泄漏中毒事故后果动态评估方法。该方法综合考虑泄漏硫化氢气体的时空发展过程，兼顾受灾人员的应急疏散行为，根据受灾人员所处的位置提取硫化氢气体实时浓度，进而计算受灾人员的硫化氢气体吸入剂量及个体死亡率。

（2）将所提出的动态评估方法应用于海洋平台硫化氢气体泄漏中毒事故后果评估。将评估结果与基于“静态评估方法”、“半动态评估方法”得到的评估结果进行对比。对比表明动态评估方法能够兼顾作业人员位置与泄漏硫化氢气体积聚的动态特性，对于真实过程工业事故中常见的动态泄漏场景后果评估具有更好的适用性。

（3）基于动态评估结果可对应急物资的配置、疏散通道的规划提供指导，在海洋平台紧张的空间资源背景下具有重要意义。今后可基于所提出的硫化氢气体泄漏中毒事故后果动态评估方法，结合网格理念开展面向全平台的有毒气体泄漏中毒事故后果评估。

符 号 说 明

A,B——常数，取值与毒性物质种类有关，对于硫化氢分别取-31.42和3.008

a——von Karman常数，取值0.41

C2ε——常数，取值1.92

c——有毒气体浓度，mg/m3

D——有毒气体吸入剂量

k——湍流动能，m2/s2

L——应急疏散轨迹

n——常数，取值与毒性物质种类有关，对于硫化氢取1.43

P——个体死亡率

Pk,Pε——分别为湍流动能产物和耗散产物

Sφ——能量源项

Tt——作业人员完成应急撤离所需时间，s

T1,T2,T3,T4——分别为危险感知时间、疏散响应时间、移动时间、保证救援设备就绪时间，s

t——受灾人员暴露硫化氢时间，min

ti——受灾人员到达(xi,yi,zi)所对应的实际时间，min

t0——硫化氢泄漏后的某一特定时刻，min

t1,t2——分别为受灾人员暴露于有毒气体的开始时间与结束时间，min

ui,uj——分别代表流体在i 和j 方向上的速度分量，m/s

uz——距离海平面高度z处的风速，m/s

u0——当地标准风速，m/s

v——受灾人员的应急疏散速度，m/s

(xi,yi,zi)——受灾人员疏散轨迹上不同位置的坐标

Y——概率单位

zd——冠层高度，m

zref——标准风速所在高度，m

z0——大气粗糙度，m

βj——j方向上的面积孔隙度

βv——体积孔隙度

Гφ——通用变量φ的扩散系数，m2/s

δij——克罗内克符号函数，若i=j，δij=1；若i≠j，δij=0

ε——湍流动能耗散率，m2/s3

μ*——摩擦速度，m/s

μeff——有效湍流黏度，Pa·s

ρ——密度，kg/m3

σk,σε——分别为k 和ε 的Prandtl-Schmidt 数，分别取1.0和1.3

φ——通用变量，包括质量、动量、能量、湍流动能等