章 博，陳國(guó)明，龔金海，王 勇

（1.中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東東營(yíng) 257061;2.中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院，河南濮陽 457001）

基于計(jì)算流體力學(xué)的集氣站氣體檢測(cè)報(bào)警儀布置優(yōu)化

章 博1，陳國(guó)明1，龔金海2，王 勇2

（1.中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東東營(yíng) 257061;2.中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院，河南濮陽 457001）

提出氣體檢測(cè)報(bào)警儀的布置優(yōu)化方法，以某高含硫氣田集氣站天然氣泄漏為例，構(gòu)建集氣站計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型并將站內(nèi)氣體檢測(cè)報(bào)警儀設(shè)置為模型中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過對(duì)天然氣泄漏及擴(kuò)散過程的數(shù)值模擬獲得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的甲烷和硫化氫濃度，據(jù)此對(duì)可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀布置高度、可燃及有毒氣體檢測(cè)報(bào)警儀探測(cè)有效性及反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析。結(jié)果表明:對(duì)于高含硫天然氣泄漏檢測(cè)，可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀高位布置檢測(cè)效果優(yōu)于低位布置;硫化氫檢測(cè)報(bào)警儀探測(cè)有效性高于可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀。建議高含硫氣田集氣站氣體檢測(cè)報(bào)警儀布置可以硫化氫檢測(cè)報(bào)警儀為主并輔以可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀。

計(jì)算流體力學(xué);集氣站;氣體檢測(cè)報(bào)警儀;布置優(yōu)化;高含硫

高含硫氣田集氣站設(shè)備受多種因素影響，具有較高的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。因此，優(yōu)化布置氣體檢測(cè)報(bào)警儀，提高泄漏探測(cè)有效性及速度，對(duì)減少人員傷亡、提高應(yīng)急救援效果具有重要意義。對(duì)于氣體檢測(cè)報(bào)警儀的布置優(yōu)化，首先須獲取泄漏氣體的濃度場(chǎng)，計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）方法以其低成本和較高精度的特點(diǎn)得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛應(yīng)用。于洪喜等［1］模擬的含硫天然氣管道泄漏、章博等［2］模擬的硫化氫泄漏擴(kuò)散、Kassomenos 等［3］模擬的車間內(nèi)部空間氯乙烯泄漏、Silvana等［4］模擬的一氧化碳在城市街道的擴(kuò)散、Scargiali等［5］模擬的重氣在復(fù)雜地形條件下的擴(kuò)散，都取得了較好效果。氣體檢測(cè)報(bào)警儀布置優(yōu)化的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了大體原則，但未涉及優(yōu)化［6-9］，Kelsey 等［10-11］研究了海洋平臺(tái)上可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)報(bào)警儀網(wǎng)絡(luò)探測(cè)的有效性，但針對(duì)高含硫天然氣泄漏的氣體檢測(cè)報(bào)警儀布置優(yōu)化未見報(bào)道。筆者通過CFD方法研究高含硫氣田集氣站天然氣泄漏各階段的擴(kuò)散規(guī)律，并對(duì)集氣站氣體檢測(cè)報(bào)警儀布置進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 布置優(yōu)化方法

通過各種安全系統(tǒng)分析方法預(yù)先辨識(shí)待檢測(cè)場(chǎng)所可能出現(xiàn)的泄漏源及泄漏工況，獲取泄漏及擴(kuò)散過程的氣體濃度場(chǎng)并據(jù)此進(jìn)行優(yōu)化分析，以提高待檢測(cè)場(chǎng)所泄漏檢測(cè)有效性及靈敏性、減少報(bào)警時(shí)間并節(jié)省設(shè)備投資。步驟如下:①對(duì)待檢測(cè)場(chǎng)所潛在的泄漏源進(jìn)行辨識(shí)，分析可能出現(xiàn)的泄漏工況，根據(jù)辨識(shí)結(jié)果結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)初步確定檢測(cè)報(bào)警儀的布置方案;②建立待檢測(cè)場(chǎng)所氣體泄漏擴(kuò)散三維CFD精細(xì)模型，考慮泄漏現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)速、風(fēng)向、地形、地表粗糙度、氣溫等因素，設(shè)定正確的邊界條件，將各檢測(cè)報(bào)警儀的位置設(shè)置為CFD模型中的監(jiān)測(cè)點(diǎn);③求解CFD模型，獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)氣體濃度信息;④根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體濃度信息和檢測(cè)報(bào)警儀的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)報(bào)警儀種類、探測(cè)有效性、靈敏性及報(bào)警時(shí)間等優(yōu)化分析，確定優(yōu)化布置方案。

2 CFD模擬

2.1 模擬的工程實(shí)例簡(jiǎn)介

選定某酸性氣田集氣站，該集氣站所處理天然氣中甲烷、硫化氫、二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)分別為76.2%，15.16%和8.64%。事故場(chǎng)景設(shè)定為集氣站內(nèi)部分設(shè)備因腐蝕等原因出現(xiàn)泄漏，應(yīng)用CFD方法建模并求解泄漏各組分的濃度場(chǎng)。

2.2 CFD建模

集氣站長(zhǎng)150 m、寬60 m，為減小邊界條件對(duì)模擬的影響，計(jì)算區(qū)域定為長(zhǎng)×寬×高為250 m×120 m×30 m，y軸正向?yàn)檎龞|方向，x軸正向?yàn)檎狈较?，z為垂直方向?？紤]集氣站內(nèi)真實(shí)的設(shè)備布局情況，使用Gambit建模并用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和size函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)泄漏口及障礙物處加密網(wǎng)格，通過多面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)換后得到最后的網(wǎng)格總數(shù)為418 746。集氣站模型如圖1所示。

圖1 集氣站CFD模型Fig.1 CFD model of gas gathering station

為研究多種泄漏工況下氣體檢測(cè)報(bào)警儀的探測(cè)效果，模擬共設(shè)3個(gè)泄漏源（圖1（b））:泄漏源1為清管球發(fā)射器，泄漏方向同x軸負(fù)向;泄漏源2為匯管管架，泄漏方向同y軸正向;泄漏源3為井口裝置，泄漏方向同y軸正向。對(duì)各泄漏源考慮3種質(zhì)量流速分別為0.1，0.5，1.0 kg/s。風(fēng)速設(shè)定為當(dāng)?shù)啬昶骄L(fēng)速1.3 m/s，風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)、北風(fēng)、西南風(fēng)、東北風(fēng)4種。模擬選用標(biāo)準(zhǔn)的k－ε模型，密度確定方法為不可壓縮理想氣體，用基于壓力的隱式求解器求解。

氣體檢測(cè)報(bào)警儀的布置參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)在設(shè)備密集有可能出現(xiàn)泄漏處及站控室附近。共設(shè)置19處，其水平位置及編號(hào)如圖2所示。每個(gè)水平位置設(shè)3個(gè)高度不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中2個(gè)用于記錄甲烷體積分?jǐn)?shù)變化，1個(gè)用于記錄泄漏過程中硫化氫體積分?jǐn)?shù)變化。參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，非封閉場(chǎng)所檢測(cè)密度小于空氣的可燃?xì)怏w或有毒氣體的檢側(cè)器，其安裝高度宜高出釋放源0.5～2 m，檢測(cè)密度大于空氣的可燃?xì)怏w或有毒氣體的檢測(cè)器，其安裝高度應(yīng)距地坪 0.3 ～0.6 m［6，9］，故甲烷監(jiān)測(cè)點(diǎn)高度設(shè)為距地面0.5和1.5 m兩處，用于對(duì)比檢測(cè)效果，硫化氫監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)為0.3 m。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖ig.2 Sketch map of positions of monitoring points

2.3 模擬過程

模擬分3個(gè)階段:①構(gòu)建不同風(fēng)向的基本風(fēng)場(chǎng);②以構(gòu)建的基本風(fēng)場(chǎng)為泄漏初始條件模擬10 min的連續(xù)泄漏;③模擬停止泄漏后硫化氫隨風(fēng)場(chǎng)的5 min自由擴(kuò)散。

第一階段，構(gòu)建基本風(fēng)場(chǎng)，來風(fēng)方向邊界定義為速度入口，頂部為對(duì)稱邊界條件，去風(fēng)方向邊界定義為出流邊界條件，地面為固壁邊界條件。速度入口的速度及湍流參數(shù)由以下UDF（user defined function）給定［4，12］:式中，u為距離地面z高度的風(fēng)速，m/s;u*為摩阻流速，m/s;κ為馮·卡門常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)得到的κ值為0.35～0.41，一般取0.40;z0為地面粗糙度長(zhǎng)度，設(shè)定計(jì)算區(qū)域?yàn)樗嗟孛妫0=0.01 m。k和ε的值則由以下方法確定［13-15］:

式中，Cμ為k－ε模型常數(shù)，取0.09。用穩(wěn)態(tài)求解模擬泄漏前的基本風(fēng)場(chǎng)，通過迭代可得到收斂的基本風(fēng)場(chǎng)。

第二階段，以所得到的基本風(fēng)場(chǎng)作為初始條件，將天然氣的泄漏口改為質(zhì)量入口，即天然氣泄漏的質(zhì)量流速，用非穩(wěn)態(tài)求解模擬泄漏過程，步長(zhǎng)0.5 s，其他邊界條件不變。

第三階段，10 min后天然氣停止泄漏，將天然氣泄漏口改為固壁邊界條件，模擬天然氣停止泄漏之后隨風(fēng)場(chǎng)的5 min自由擴(kuò)散，其他邊界條件不變。

3 模擬結(jié)果及布置優(yōu)化分析

3.1 可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀位置優(yōu)化

設(shè)定泄漏源1泄漏流速為1.0 kg/s，風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)，模擬泄漏擴(kuò)散過程。P2，P6兩點(diǎn)距離泄漏源較近，位于1.5和0.5 m兩個(gè)高度的甲烷體積分?jǐn)?shù)變化如圖3所示。由圖看出，1.5 m處的甲烷體積分?jǐn)?shù)要明顯高于0.5 m處，距泄漏源較遠(yuǎn)的如P14，P15，P16則高低位置上甲烷體積分?jǐn)?shù)相差不大。這是因?yàn)樾孤鈭F(tuán)在擴(kuò)散過程中由于卷吸效應(yīng)和湍流作用等因素已形成中性浮力［16］。通過高低位置甲烷體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知針對(duì)高含硫天然氣集氣站泄漏檢測(cè)，因天然氣主要成分甲烷密度小于空氣，可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀高位布置將有利于提高檢測(cè)效率。

可燃?xì)怏w一級(jí)報(bào)警（高限）設(shè)定值小于或等于25%爆炸下限，二級(jí)報(bào)警（高高限）設(shè)定值小于或等于50%爆炸下限［9］。集氣站泄漏的天然氣成分中甲烷爆炸下限為5%，硫化氫爆炸下限為4%［7］，故設(shè)定可燃?xì)怏w報(bào)警高限和高高限體積分?jǐn)?shù)分別為1%和2%。從各點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，在該工況下甲烷監(jiān)測(cè)點(diǎn)能達(dá)到高限的只有P2，該點(diǎn)高位布置的檢測(cè)報(bào)警儀達(dá)到高限所需時(shí)間比低位布置少0.5 s，相差不大;達(dá)到高高限所需時(shí)間兩者均為0.5 s。考慮到高位布置符合氣體擴(kuò)散規(guī)律并有利于提高檢測(cè)靈敏性，推薦在符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)盡可能將可燃?xì)怏w 檢測(cè)報(bào)警儀布置在高處。

圖3 P2，P6高低兩處CH4體積分?jǐn)?shù)變化Fig.3 CH4volume fraction change for high and low placement of P2，P6

3.2 硫化氫和可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀探測(cè)有效性

硫化氫檢測(cè)報(bào)警儀一級(jí)報(bào)警質(zhì)量濃度閾值設(shè)置在15 mg/m3（體積分?jǐn)?shù)10×10－6），二級(jí)報(bào)警閾值設(shè)置在30 mg/m3（體積分?jǐn)?shù) 20 ×10－6）［7］。以泄漏源1在西風(fēng)場(chǎng)0.1 kg/s泄漏為例，該工況下可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀中僅有P2能有效報(bào)警，達(dá)到高限所需時(shí)間為4.5 s，但此時(shí)多個(gè)硫化氫監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示仍能有效報(bào)警，如表1所示。

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到設(shè)定值時(shí)間Table 1 Time needed for monitoring points to reach alarm levels s

此外，泄漏源2，3的各種工況泄漏模擬結(jié)果也表明兩類檢測(cè)報(bào)警儀的探測(cè)有效性有明顯差別。表2所示各泄漏工況下的硫化氫監(jiān)測(cè)點(diǎn)均能有效探測(cè)并報(bào)警，而所有甲烷監(jiān)測(cè)點(diǎn)的甲烷體積分?jǐn)?shù)均未能達(dá)到高限而不能報(bào)警。各泄漏工況下最快達(dá)到一級(jí)閾值的硫化氫監(jiān)測(cè)點(diǎn)及所需時(shí)間如表2所示。

表2 最快達(dá)到一級(jí)閾值的H2S監(jiān)測(cè)點(diǎn)及所需時(shí)間Table 2 Monitoring points firstly reaching alarm level 1 and corresponding time_

針對(duì)硫化氫檢測(cè)報(bào)警儀能有效探測(cè)而可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀未能有效探測(cè)的情況，對(duì)降低可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警儀報(bào)警設(shè)定值進(jìn)行了分析，將可燃?xì)怏w一級(jí)報(bào)警（高限）設(shè)定為12.5%爆炸下限即體積分?jǐn)?shù)0.5%來討論其探測(cè)有效性。表2各種工況中，僅有泄漏源3在東北風(fēng)場(chǎng)0.5 kg/s泄漏時(shí)，P14的甲烷監(jiān)測(cè)點(diǎn)在泄漏26.5 s后能達(dá)到體積分?jǐn)?shù)0.5%，其他各點(diǎn)仍未能達(dá)到降低后的高限，不能實(shí)現(xiàn)有效探測(cè)，而同位置的硫化氫監(jiān)測(cè)點(diǎn)可在3.5 s即達(dá)到一級(jí)閾值;若再降低可燃?xì)怏w高限設(shè)定值則有增大誤報(bào)的可能?？梢娊档蛨?bào)警設(shè)定值未能顯著提高可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀的探測(cè)有效性但可提高探測(cè)靈敏性，故推薦在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)結(jié)合儀器測(cè)量精度，選用較低的報(bào)警設(shè)定值，用于提高可燃?xì)怏w探測(cè)靈敏性。

3.3 檢測(cè)報(bào)警儀報(bào)警時(shí)間分析

檢測(cè)報(bào)警儀報(bào)警時(shí)間相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:可燃?xì)怏w擴(kuò)散式小于30 s，吸入式小于20 s;有毒氣體擴(kuò)散式小于60 s，吸入式小于30 s［8］。本研究中以泄漏源1泄漏為例來討論2類檢測(cè)報(bào)警儀報(bào)警時(shí)間的差別。若采用吸入式檢測(cè)報(bào)警儀，并將可燃?xì)怏w一級(jí)報(bào)警（高限）設(shè)定值定為優(yōu)化后的體積分?jǐn)?shù)0.5%，泄漏源1在西風(fēng)場(chǎng)1.0 kg/s泄漏工況下能有效報(bào)警的監(jiān)測(cè)點(diǎn)及加上報(bào)警滯后時(shí)間的最大報(bào)警所需時(shí)間如表3所示。由表3可知:P2甲烷監(jiān)測(cè)點(diǎn)能在泄漏后立即達(dá)到高限，可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀最大報(bào)警所需時(shí)間為20 s;P2硫化氫檢測(cè)報(bào)警儀最大報(bào)警所需時(shí)間為30 s。對(duì)比可知在可燃?xì)怏w和硫化氫檢測(cè)報(bào)警儀同時(shí)達(dá)到報(bào)警設(shè)定值的情況下，由于可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀的國(guó)標(biāo)規(guī)定滯后時(shí)間小于硫化氫檢測(cè)報(bào)警儀，故總體時(shí)間有一定優(yōu)勢(shì)。但是，大多數(shù)情況下，硫化氫檢測(cè)報(bào)警儀的報(bào)警速度要快于可燃?xì)怏w檢測(cè) 報(bào)警儀。

表3 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警所需時(shí)間Table 3 Time needed for monitoring points to alarm s

值得注意的是，由于報(bào)警滯后時(shí)間較長(zhǎng)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警時(shí)硫化氫體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)升至較高水平，尤其是離泄漏源較近的P2，P6及P5點(diǎn)，分別達(dá)到3 694×10－6，2143 ×10－6和976 ×10－6，短時(shí)間接觸即可能造成人員死亡［2，7，17］，可見目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大報(bào)警滯后時(shí)間較為寬松，氣體檢測(cè)報(bào)警儀報(bào)警滯后時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)增大現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的暴露風(fēng)險(xiǎn)，建議選擇反應(yīng)靈敏、報(bào)警滯后時(shí)間短的檢測(cè)報(bào)警儀產(chǎn)品。

4 結(jié)論與建議

（1）對(duì)于氣體檢測(cè)報(bào)警儀的布置優(yōu)化，首先辨識(shí)泄漏源及泄漏工況，再通過CFD技術(shù)模擬泄漏區(qū)域的實(shí)時(shí)濃度場(chǎng)，最后進(jìn)行布置優(yōu)化分析和確定優(yōu)化方案。

（2）對(duì)于天然氣泄漏，相同水平位置可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀高位布置檢測(cè)效果優(yōu)于低位布置。

（3）硫化氫檢測(cè)報(bào)警儀普遍能夠有效探測(cè)并報(bào)警，但同等泄漏工況下，布置在同一水平位置的可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀探測(cè)有效性明顯低于硫化氫檢測(cè)報(bào)警儀，尤其是小流量泄漏差別更為明顯。建議高含硫氣田集氣站氣體檢測(cè)報(bào)警儀布置可以硫化氫檢測(cè)報(bào)警儀為主并輔以可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀。對(duì)于可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器的報(bào)警限值，建議在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)結(jié)合儀器的測(cè)量精度，選用較低的報(bào)警設(shè)定值，用于提高可燃?xì)怏w探測(cè)靈敏性。

（4）對(duì)于高含硫天然氣泄漏，氣體檢測(cè)報(bào)警儀報(bào)警滯后時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致報(bào)警時(shí)刻的硫化氫濃度遠(yuǎn)高于報(bào)警限值，增加現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的暴露風(fēng)險(xiǎn)，建議選擇反應(yīng)靈敏，報(bào)警滯后時(shí)間短的氣體檢測(cè)報(bào)警儀產(chǎn)品。

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Optimization of gas detection and alarm instrument networks at gas gathering station based on CFD

ZHANG Bo1，CHEN Guo-ming1，GONG Jin-hai2，WANG Yong2

（1.Centre for Offshore Engineering and Safety Technology，China University of Petroleum，Dongying257061，China;2.Petroleum Prospecting and Design Institute，Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau，Puyang457001，China）

The method of gas detection and alarm instrument networks optimization was presented.Then，a CFD model for natural gas leakage in a gas gathering station of a high sulfide gas field was set up and the gas detection and alarm instruments were set up as monitoring points.The methane and hydrogen sulfide volume fractions of monitoring points were recorded by the simulation of natural gas release and dispersion process.The sensitivity to high and low level placement of combustible gas detectors，validity and response time of both combustible and toxic gas detectors in large and small release rates were investigated.The results show that，for high-sulfide natural gas leakage，better detection can be achieved when combustible detectors are set higher and hydrogen sulfide detectors are more effective compare to combustible gas detectors.Therefore，the leakage detection system is recommended to be configured mainly with hydrogen sulfide detectors supplemented by combustible gas alarm detectors.

computational fluid dynamics（CFD）;gas station;gas detection and alarm instrument;optimization;high sulfide

X 928.03

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.05.026

2010－06－10

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題（2008ZX05017）

章博（1980－），男（漢族），湖北枝江人，講師，博士，主要從事油氣安全工程研究。

（編輯 劉為清）