泄放气体落地浓度与扩散设计计算书

泄放气体落地浓度与扩散设计计算书——某天然气处理装置原料气脱硫单元放空系统安全阀泄放工况计算书编号JC—HSE—DISP—2026—018项目名称某天然气处理装置（酸性气处理）建设项目装置／单元原料气脱硫单元放空系统（安全阀＋放空立管）设计阶段基础工程设计（BasicEngineeringDesign）文件类型安全环保专项设计计算书计算介质含硫化氢酸性天然气（H₂S体积分数4%）版次／状态A版（送审稿）设计单位××工程设计有限公司工艺安全与环保专业编制审核批准日期

目录TOC\z\o"1-3"\u\h1总则 11.1编制目的 11.2编制依据 11.3适用范围 21.4计算原则与技术路线 22设计基础数据与泄放源项分析 42.1泄放工况识别与设计工况确定 42.2泄放介质物性参数 42.3泄放量与源强计算 52.4泄放源几何与出口参数 63大气扩散模型与参数选取 73.1扩散模型选择与适用性 73.2气象参数与大气稳定度分级 73.3扩散参数σ_y、σ_z的确定 73.4抬升高度与有效源高 84落地浓度计算 94.1连续泄放高斯烟羽模型 94.2最大落地浓度及其出现距离 94.3多工况对比计算 94.4瞬时泄放烟团模型 114.5组分浓度换算 125安全核验 135.1毒性危害核验 135.2可燃性（爆炸极限）核验 135.3窒息与低温危害核验 145.4危害影响距离汇总 146结果分析与工程指导意义 156.1计算结果分析 156.2工程指导意义 156.3模型不确定性与敏感性分析 167结论与建议 178免责声明 18附录A主要符号表 19PAGE161总则1.1编制目的本计算书针对某天然气处理装置原料气脱硫单元放空系统，在安全阀超压泄放（事故排放）工况下，对泄放气体在大气中的扩散行为与落地浓度进行定量设计计算。计算目的在于：确定含硫化氢酸性天然气泄放后有害组分在地面的浓度分布规律、最大落地浓度及其出现距离、各毒性阈值与可燃阈值所对应的影响距离，为放空立管高度的确定、装置内外安全间距的校核、可燃及有毒气体探测报警器的布置、以及事故应急预案的编制提供量化设计依据。本计算书所给出的各项结论均以设计输入数据与所选用模型为前提，其结果用于工程设计与安全管理决策，不替代现场实测与专项安全评价的判定。1.2编制依据本计算书的编制遵循下列现行标准、规范与导则（表1—1）。当引用标准发生修订时，应以最新版本为准。表1—1主要编制依据序号标准／规范编号标准／规范名称本计算书主要引用内容1GB/T150.1—2024压力容器第1部分：通用要求超压泄放工况与火灾工况泄放量计算原则2HG/T20570.2—1995工艺系统工程设计技术规定安全阀的设置和选用安全阀泄放工况划分与泄放量计算3GB/T3840—1991制定地方大气污染物排放标准的技术方法大气扩散模型与扩散参数选取方法4HJ2.2—2018环境影响评价技术导则大气环境估算模式、稳定度分级与抬升计算5HJ169—2018建设项目环境风险评价技术导则事故源项分析、毒性终点浓度与后果预测6GBZ2.1—2019工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素硫化氢职业接触限值（MAC）7GBZ1—2010工业企业设计卫生标准卫生防护与车间空气质量控制8GBZ/T259—2014硫化氢职业危害防护导则硫化氢危害识别与防护措施9GB50058—2014爆炸危险环境电力装置设计规范可燃气体爆炸极限数据与危险区域划分10GB50160—2008（2018年版）石油化工企业设计防火标准放空管口高度与安全间距要求11GB50493—2019石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准探测报警器布置与报警值设定12GB36894—2018危险化学品生产装置和储存设施风险基准个人风险与社会风险可接受基准13AQ/T3046—2013化工企业定量风险评价导则事故后果定量计算与风险表征14APIStd520/521压力泄放装置计算与泄放系统（参考）临界流动泄放量与泄放系统设计（参考）1.3适用范围本计算书适用于本装置安全阀及放空系统在超压、外部火灾等工况下气相泄放的大气扩散影响计算。计算对象为放空立管管口持续泄放的酸性天然气，评价因子以硫化氢（H₂S）为主，并兼顾可燃性（爆炸极限）与窒息、低温等次生危害。本计算书不适用于：液相物料泄漏与液池蒸发、射流火灾热辐射、蒸气云爆炸超压、以及地形显著起伏与密集建筑群干扰条件下的精细扩散计算；上述情形应另行开展专项评价。1.4计算原则与技术路线本计算书遵循“工况取严、参数取不利、模型取适用”的原则，技术路线如下：（1）泄放工况识别。按GB/T150.1与HG/T20570.2的有关规定识别可能的超压工况，取后果最严重的工况作为设计泄放工况。（2）源项计算。按气体临界流动模型计算安全阀泄放质量流量，确定泄放源强与出口几何、出口流速等源参数。（3）扩散模型选择。采用高斯烟羽模型（连续点源）作为基础扩散模型，并以烟团模型补充瞬时／短时泄放工况；对可能出现的重气效应进行适用性判别与保守处理。（4）参数确定。采用修订的帕斯奎尔（Pasquill）法划分大气稳定度，采用布里格斯（Briggs）公式计算横向与垂向扩散参数，采用Holland公式计算排放抬升高度。（5）落地浓度计算。计算地面轴线浓度、最大落地浓度及其出现距离，并按多稳定度、多风速进行对比与敏感性分析。（6）安全核验与结论。以职业接触限值、急性暴露指导浓度、立即威胁生命和健康浓度及爆炸下限为判据开展安全核验，给出工程指导建议。2设计基础数据与泄放源项分析2.1泄放工况识别与设计工况确定根据HG/T20570.2的规定，安全阀应考虑的超压工况通常包括：出口阻塞、公用工程失效（冷却水、电力、蒸汽中断）、控制阀故障、换热器管程破裂、外部火灾、以及液体热膨胀等。本装置原料气脱硫单元为含硫天然气处理设施，外部火灾工况下的泄放量通常最大，且伴随硫化氢的毒性风险，故本计算书取“原料气脱硫单元气液分离设备在外部火灾工况下的安全阀泄放”为设计泄放工况。表2—1安全阀超压工况识别与设计工况确定工况编号超压工况泄放相态相对泄放强度是否作为设计工况GC—1出口下游阀门阻塞气相中否GC—2冷却水／电力中断气相中否GC—3控制阀故障全开气相较大否GC—4外部火灾（湿润面积受热）气相最大是（设计工况）GC—5液体热膨胀液相小否（不属本计算范围）2.2泄放介质物性参数泄放介质为含硫化氢的酸性天然气。其组成与主要物性参数见表2—2。各组分摩尔质量按IUPAC常用值取值，混合气摩尔质量按摩尔分数加权计算。表2—2泄放介质组成与摩尔质量计算组分摩尔分数y/%摩尔质量M/(g·mol⁻¹)y·M/(g·mol⁻¹)CH485.0016.04313.6365C2H66.0030.0701.8042C3H83.0044.0971.3229H2S4.0034.0811.3632CO22.0044.0090.8802合计100.00—19.0071表2—3泄放介质主要物性参数物性参数符号数值单位数据来源／说明混合气摩尔质量M19.01g·mol⁻¹按组成加权相对空气密度d0.656—M/28.9620℃、101.325kPa密度ρ0.7906kg·m⁻³理想气体状态方程绝热指数k1.28—按烃类混合气取值压缩因子Z0.95—泄放条件下取值硫化氢质量分数φ(H20.0717—由组成换算硫化氢爆炸下限—4.3%（体积）GB50058—2014混合气爆炸下限L4.78%（体积）LeChatelier法2.3泄放量与源强计算安全阀在外部火灾工况下的泄放量按气体临界流动模型计算。当泄放口处的下游压力与上游压力之比不大于临界压力比时，泄放气流在喉部达到声速（临界流），其质量流量按式（2—1）计算： W=Kd·A·p表2—4泄放量计算参数参数符号数值单位安全阀额定排放系数K0.975—喉部流通面积A8.0425e-04m²喉部直径d32mm泄放压力（绝压）p1.86MPa泄放温度T40℃绝热指数k1.28—压缩因子Z0.95—摩尔质量M19.01g·mol⁻¹将表2—4参数代入式（2—1），得安全阀泄放质量流量： W=2.684kg·s-1=9.66t·h泄放源强（单位时间释放的有害物质质量）取泄放质量流量，即式（2—3）： Q=W=2.684kg·s-1=2.684×102.4泄放源几何与出口参数安全阀出口接放空立管，泄放气经立管引至高处排入大气。排放口几何高度与出口内径按设备布置确定；出口流速由质量流量与出口密度计算，见式（2—4）： vs=Wρ表2—5泄放源几何与出口参数参数符号数值单位排放口几何高度H15m排放管内径d0.40m出口流通面积A0.1257m²出口气密度ρ0.7906kg·m⁻³出口体积流量Q3.395m³·s⁻¹出口流速v27.01m·s⁻¹3大气扩散模型与参数选取3.1扩散模型选择与适用性本泄放气相对空气密度为0.66，接近中性偏轻，且经放空立管升至一定高度后排入大气，垂向扩散受地形与重气下沉影响较小，故采用高斯烟羽模型作为连续泄放工况的基础扩散模型。该模型适用于均一稳定气象条件下开阔平坦地带的连续点源扩散计算，其基本假设为：污染物连续稳定排放、风速与风向均匀稳定、浓度在横向（y）与垂向（z）服从高斯分布、扩散过程质量守恒。对于安全阀短时泄放（瞬时或准瞬时排放）工况，采用高斯烟团模型进行补充计算。对于极端低温、高密度泄放可能诱发的重气效应，本计算书以不考虑抬升的保守假设进行处理，并在第6.3节的敏感性分析中说明其影响。3.2气象参数与大气稳定度分级大气稳定度采用修订的帕斯奎尔（Pasquill）分级法。首先由云量与太阳高度角确定太阳辐射等级，再结合地面风速确定稳定度级别，依次分为强不稳定（A）、不稳定（B）、弱不稳定（C）、中性（D）、较稳定（E）和稳定（F）六级。稳定度分级直接影响扩散参数取值，本计算书以中性（D）为主要计算工况，并对全部六级进行对比计算。表3—1为主要设计气象参数。表3—1主要设计气象参数气象参数符号取值单位说明环境温度T20℃设计基准环境大气压p101.325kPa标准大气压10m高度设计风速u3.0m·s⁻¹中性层结代表风速大气稳定度—D类—主计算工况地表粗糙度类别—乡村—开阔地带3.3扩散参数σ_y、σ_z的确定扩散参数采用Briggs提出的显式公式（乡村地表），其形式如式（3—1）： σy=ax1+bx-表3—2Briggs扩散参数（乡村地表）稳定度σσzAa=0.22，b=0.0001σBa=0.16，b=0.0001σCa=0.11，b=0.0001σDa=0.08，b=0.0001σEa=0.06，b=0.0001σFa=0.04，b=0.0001σ3.4抬升高度与有效源高泄放气流具有一定的出口动量与较小的温差，采用Holland公式计算排放抬升高度，如式（3—2）： ΔH=vsdu本工况出口温度与环境温度接近（Ts≈Ta），浮力项趋近于零，抬升主要由出口动量贡献。代入vs=27.01m·s⁻¹、d=0.40m、u=3.0m·s⁻¹，得抬升高度ΔH=5.40m He=H0即有效源高取闭合值H_e≈20m。4落地浓度计算4.1连续泄放高斯烟羽模型连续点源在高斯烟羽模型下的任一点浓度（考虑地面全反射）按式（4—1）计算： Cx,y,z=Q2πu地面（z=0）浓度由式（4—1）化简为式（4—2）： Cx,y,0=Qπu地面轴线（y=0）浓度为式（4—3）： Cx,0,0=Qπu4.2最大落地浓度及其出现距离对式（4—3）关于下风向距离求极值，可得最大落地浓度出现的条件为σ_z=H_e/√2，此时最大落地浓度按式（4—4）计算，出现距离可由扩散参数反算： Cmax=2Qeπu σzxmax=以设计工况（D类稳定度、u=3.0m·s⁻¹、He=20.4m、Q=2.684kg·s⁻¹）计算，最大落地浓度出现在下风向约275m处，对应地面轴线浓度Cmax4.3多工况对比计算为考察大气稳定度对落地浓度的影响，在固定风速u=3.0m·s⁻¹条件下对A—F六级稳定度分别计算最大落地浓度及其出现距离，结果见表4—1。表4—1不同大气稳定度下最大落地浓度对比（u=3.0m·s⁻¹）大气稳定度最大浓度距离x_max/m最大落地总浓度C_max/(mg·m⁻³)其中H₂S浓度/(mg·m⁻³)A72.0459.232.93B120.5379.727.24C183.5362.826.02D275.4321.023.02E541.4221.815.91F1133.7157.211.27由表4—1可见，不稳定层结（A、B、C类）垂向扩散强烈，最大落地浓度出现距离近、峰值高；稳定层结（E、F类）抑制垂向扩散，烟羽抬升后不易下传，最大落地浓度出现距离远、峰值低。D类（中性）为代表性工况。进一步考察风速对落地浓度的影响，在D类稳定度下计算不同风速的最大落地浓度，结果见表4—2。表4—2不同风速下最大落地浓度对比（D类稳定度）风速u/(m·s⁻¹)最大浓度距离x_max/m最大落地总浓度C_max/(mg·m⁻³)其中H₂S浓度/(mg·m⁻³)1.0275962.969.062.0275481.534.533.0275321.023.025.0275192.613.81由表4—2可见，风速越小，单位时间内通过扩散空间的空气量越少，稀释能力越弱，落地浓度越高；小风速（1m·s⁻¹）工况的落地浓度约为3m·s⁻¹工况的3.0倍，是毒性风险控制的不利工况。图4—1设计工况地面轴线浓度分布曲线图4—2不同大气稳定度下地面轴线浓度对比曲线4.4瞬时泄放烟团模型安全阀在超压瞬间可能发生短时大流量泄放，应按瞬时源（烟团）模型校核。烟团模型地面浓度按式（4—5）计算： Cx,y,z,t=Qi取安全阀一次泄放持续时间10s、瞬时释放量Qi=W×t=26.8kg，在D类稳定度、u=3.0m·s⁻¹条件下，泄放发生60s后烟团中心位于x≈180m处，该处地面中心浓度为181.1mg·m⁻³4.5组分浓度换算泄放气中各组分的落地浓度按其质量分数由总浓度换算，见式（4—6）： Ci=φi其中φ(H2S)=0.0717。据此可得分换算后的硫化氢落地浓度：在最大落地浓度工况下，H₂S浓度为5安全核验5.1毒性危害核验以硫化氢为毒性评价因子，选取职业接触限值、急性暴露指导浓度（AEGL）、应急响应计划指南浓度（ERPG）以及立即威胁生命和健康浓度（IDLH）作为判据，见表5—1。表5—1硫化氢毒性判据一览判据类别限值指标浓度值/(mg·m⁻³)换算说明／来源职业接触限值MAC（最高容许浓度）10.0GBZ2.1—2019急性暴露指导浓度AEGL-2（60min）37.627ppm×1.394应急响应指南ERPG-241.830ppm×1.394立即威胁生命健康IDLH139.4100ppm×1.394（NIOSH）设计工况下最大落地总浓度对应H₂S浓度为23.02mg·m⁻³，低于AEGL-2、ERPG-2及IDLH等急性伤害阈值，表明泄放不会造成厂界外人员的急性不可逆健康损害。但该值高于工作场所最高容许浓度（MAC，10mg·m⁻³），地面轴线浓度超过MAC对应的下风向区间为x∈[154,705]m，应在该范围内加强有毒气体探测报警与个体防护管理。5.2可燃性（爆炸极限）核验泄放气为可燃气体，须核验气云浓度是否达到爆炸下限。混合气的爆炸下限按LeChatelier公式（式（5—1））计算： Lm=1Σ计算得混合气爆炸下限Lm≈4.78%（体积），换算为质量浓度约37770mg·m⁻³。设计工况下最大落地浓度仅约321mg·m⁻³，远低于爆炸下限，故在排出口一定距离外不存在可燃气云达到爆炸下限的区域，不构成外部爆炸危险区；爆炸危险区域仅局限于排出口近场，应按GB500585.3窒息与低温危害核验泄放气经高压节流后温度显著降低，排出口附近可能形成低温区，存在冻伤风险；同时泄放气中烃类组分在受限空间聚集可造成缺氧窒息。上述风险主要为局部与作业性风险，应通过佩戴个体防护装备、划定隔离警戒区、避免在排出口下风向近距离作业等措施加以控制。5.4危害影响距离汇总表5—2危害影响距离汇总核验项目判据对应总浓度/(mg·m⁻³)影响距离／结论硫化氢职业接触限值MAC10mg·m⁻³139.4下风向154～705m急性伤害阈值AEGL-2524.8未达到（无影响距离）应急响应指南ERPG-2583.1未达到（无影响距离）立即威胁生命健康IDLH1943.6未达到（无影响距离）可燃性爆炸下限37770未达到（近场局部）6结果分析与工程指导意义6.1计算结果分析综合第4、5章计算，可得到如下认识：（1）设计工况（D类稳定度、u=3.0m·s⁻¹）下，泄放气地面轴线最大浓度出现在下风向约275m处，总浓度为321.0mg·m⁻³，其中硫化氢浓度为23.02mg·m⁻³。（2）落地浓度随大气稳定度与风速显著变化：不稳定层结与低风速不利于稀释，落地浓度高；稳定层结与高风速有利于稀释，落地浓度低。低风速工况（u=1m·s⁻¹）为本设计的主要控制工况。（3）硫化氢的急性伤害阈值（AEGL-2、ERPG-2、IDLH）在本设计条件下均未达到，说明泄放不致造成厂外人员急性不可逆伤害；但最高容许浓度在较大范围内被超过，需重点进行职业健康防护。（4）可燃性方面，泄放气云在远端远低于爆炸下限，爆炸危险区局限于排出口近场。6.2工程指导意义基于上述计算结果，提出以下工程设计与管理建议：（1）放空立管高度。建议在满足GB50160关于放空管口高度要求的基础上，综合考虑最大落地浓度出现距离与厂界位置，使最大落地浓度区尽量落在装置区内部或非人员密集区域。（2）安全间距与平面布置。宜将最大落地浓度出现距离所在范围划为重点管控区，控制区内不宜布置人员常驻的操作室、休息室等；对厂界外敏感目标应保持足够防护距离，或按GB36894、AQ/T3046开展定量风险评价校核。（3）气体探测报警。应按GB50493在可能泄漏与聚集的区域及下风向一定范围内布置硫化氢有毒气体探测报警器，并按GB/T18265设置两级报警，报警值不得高于相应职业接触限值。（4）应急管理。应针对低风速、稳定层结等不利气象条件编制专项应急预案，明确警戒范围、疏散路线与个体防护要求；在排出口下风向近距离区域作业时应佩戴正压式呼吸防护装备。6.3模型不确定性与敏感性分析本计算书结果的不确定性主要来源于以下方面，工程使用时应予注意：（1）模型简化。高斯烟羽模型假设风速风向恒定、地形平坦开阔，实际气象与地形条件更为复杂，可能造成浓度预测偏差。（2）扩散参数取值。不同来源的扩散参数经验公式（如Briggs、P-G曲线）存在差异，对最大落地浓度的预测结果有直接影响。（3）抬升高度。抬升高度计算受出口动量与浮力项影响较大；若泄放气经节流后温度显著降低形成重气效应，实际抬升将小于计算值，落地浓度可能偏高，故本计算书对重气效应采取了保守处理。（4）源强假定