王琴梅 林盛陽(yáng)

（1.國(guó)家管網(wǎng)西部管道公司塔里木輸油氣分公司；2.中國(guó)石油塔里木石化分公司）

油氣站場(chǎng)可燃?xì)怏w泄漏會(huì)造成設(shè)備損壞、環(huán)境污染、火災(zāi)、爆炸甚至人員傷亡等后果。根據(jù)GB 50183—2004 《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和GB/T 50493—2019 《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，應(yīng)在任何可能泄漏可燃?xì)怏w的地方設(shè)計(jì)可燃?xì)怏w探測(cè)器［1，2］。

在開(kāi)放式區(qū)域中，可燃?xì)怏w無(wú)法形成有效聚集，導(dǎo)致傳統(tǒng)的固定式可燃?xì)怏w探測(cè)器無(wú)法有效檢測(cè)可燃?xì)怏w的泄漏。 隨著可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了超聲氣體泄漏探測(cè)器、激光對(duì)射可燃?xì)怏w探測(cè)器及云臺(tái)掃描式激光可燃?xì)怏w探測(cè)器等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)放式區(qū)域可燃?xì)怏w泄漏的有效檢測(cè)，目前已在國(guó)內(nèi)部分油氣行業(yè)得到應(yīng)用，取得了較好的效果［3～6］。

大風(fēng)天氣下，開(kāi)放式區(qū)域泄漏的可燃?xì)怏w易被快速吹散，因此對(duì)可燃?xì)怏w探測(cè)器的性能提出了更高要求。 筆者選擇超聲氣體泄漏探測(cè)器、激光對(duì)射可燃?xì)怏w探測(cè)器和云臺(tái)掃描式激光可燃?xì)怏w探測(cè)器這3 種探測(cè)器，通過(guò)模擬大風(fēng)天氣對(duì)開(kāi)放式區(qū)域可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)的影響，給出可燃?xì)怏w探測(cè)器的選型建議。

1 3 種可燃?xì)怏w探測(cè)器

1.1 超聲氣體泄漏探測(cè)器

超聲氣體泄漏探測(cè)器采用聲學(xué)檢測(cè)原理，對(duì)帶壓氣體泄漏時(shí)產(chǎn)生的超聲波信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，探測(cè)半徑為15 m，具有響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)，適用于氣體不易聚集的開(kāi)放性區(qū)域，但該類(lèi)型探測(cè)器對(duì)環(huán)境背景噪聲非常敏感，直接影響其有效覆蓋面積，且存在一定的誤報(bào)率。 目前，超聲氣體泄漏探測(cè)器主要為國(guó)外進(jìn)口設(shè)備， 市場(chǎng)價(jià)格在10萬(wàn)～12 萬(wàn)元［7～9］。

1.2 激光對(duì)射可燃?xì)怏w探測(cè)器

激光對(duì)射可燃?xì)怏w探測(cè)器基于可調(diào)諧激光光譜吸收原理，通過(guò)不同氣體分子之間具有互不干擾的波長(zhǎng)吸收特性對(duì)可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行測(cè)量，可測(cè)量濃度大于200ppm （1ppm=0.001‰VOL）的天然氣泄漏，最大橫向覆蓋距離為35 m，具有探測(cè)精度高、單個(gè)設(shè)備探測(cè)距離長(zhǎng)和覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，更容易探測(cè)到微量泄漏。 但該探測(cè)器受大風(fēng)影響較大，存在一定的漏報(bào)率。 目前，激光對(duì)射可燃?xì)怏w探測(cè)器已有國(guó)產(chǎn)設(shè)備， 市場(chǎng)價(jià)格在12萬(wàn)～16 萬(wàn)元。

1.3 云臺(tái)掃描式激光可燃?xì)怏w探測(cè)器

云臺(tái)掃描式激光可燃?xì)怏w探測(cè)器基于光譜吸收原理和主動(dòng)探尋激光檢測(cè)原理，可實(shí)現(xiàn)360°無(wú)死角實(shí)時(shí)在線(xiàn)探測(cè)， 探測(cè)距離較遠(yuǎn)，5%精度內(nèi)最低有效半徑為50 m。但由于激光無(wú)法穿透遮擋物，故該類(lèi)型探測(cè)器不適用于站場(chǎng)工藝管道布置高低錯(cuò)落且數(shù)量較多的場(chǎng)合。 目前，國(guó)內(nèi)設(shè)備制造廠(chǎng)家技術(shù)可靠，國(guó)產(chǎn)云臺(tái)掃描式激光可燃?xì)怏w探測(cè)器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好， 形成了一定規(guī)模，市場(chǎng)價(jià)格在25 萬(wàn)～30 萬(wàn)元［3］。

2 大風(fēng)天氣對(duì)可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)的影響

以某法蘭面泄漏點(diǎn)為例， 在0～25 m/s 風(fēng)速之間每隔5 m/s 設(shè)置一個(gè)計(jì)算工況， 采用三維CFD 軟件FLACS 進(jìn)行仿真模擬， 分析大風(fēng)天氣對(duì)可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)的影響［10～12］。

設(shè)可燃?xì)怏w云團(tuán)濃度大于200ppm， 當(dāng)無(wú)風(fēng)力作用時(shí)， 云團(tuán)噴射方向一直向前， 分布如圖1所示，其中藍(lán)色網(wǎng)面為可燃?xì)怏w探測(cè)器掃描的有效面，此時(shí)云團(tuán)可觸發(fā)可燃?xì)怏w探測(cè)器報(bào)警。

圖1 無(wú)風(fēng)力作用時(shí)可燃?xì)怏w云團(tuán)分布

在5 m/s 風(fēng)速作用下， 可燃?xì)怏w云團(tuán)偏離了原來(lái)的噴射方向，沿著風(fēng)力的方向飄散（圖2），可觸發(fā)可燃?xì)怏w探測(cè)器報(bào)警，此時(shí)橫向覆蓋距離為36 m。

圖2 風(fēng)速為5 m/s 時(shí)可燃?xì)怏w云團(tuán)分布

在10 m/s 風(fēng)速作用下，可燃?xì)怏w云團(tuán)偏離原噴射方向，沿風(fēng)力方向飄散，可觸發(fā)可燃?xì)怏w探測(cè)器報(bào)警，此時(shí)橫向覆蓋距離為23 m，云團(tuán)明顯縮小，如圖3 所示。 在15 m/s 風(fēng)速作用下，云團(tuán)仍可觸發(fā)可燃?xì)怏w探測(cè)器報(bào)警，但橫向覆蓋距離縮短至16 m，云團(tuán)明顯縮小，如圖4 所示。

圖3 風(fēng)速為10 m/s 時(shí)可燃?xì)怏w云團(tuán)分布

圖4 風(fēng)速為15 m/s 時(shí)可燃?xì)怏w云團(tuán)分布

在20 m/s 風(fēng)速作用下， 可燃?xì)怏w云團(tuán)仍可觸發(fā)可燃?xì)怏w探測(cè)器報(bào)警，但已至云團(tuán)邊界，橫向覆蓋距離縮短至9 m，云團(tuán)較之前明顯減小，如圖5所示。在25 m/s 風(fēng)速作用下，可燃?xì)怏w云團(tuán)已無(wú)法觸發(fā)可燃?xì)怏w探測(cè)器報(bào)警（圖6），探測(cè)器所在位置云團(tuán)濃度約為100ppm，低于報(bào)警濃度。 即當(dāng)風(fēng)速超過(guò)25 m/s 時(shí)， 由于所形成的可燃?xì)怏w云團(tuán)濃度較低，導(dǎo)致可燃?xì)怏w探測(cè)器難以發(fā)揮探測(cè)效果。

圖5 風(fēng)速為20 m/s 時(shí)可燃?xì)怏w云團(tuán)分布

圖6 風(fēng)速為25 m/s 時(shí)可燃?xì)怏w云團(tuán)分布

3 可燃?xì)怏w探測(cè)器的選型

以西氣東輸管線(xiàn)某壓氣站場(chǎng)為例，該開(kāi)放式工藝區(qū)前后匯管的間距為25.5 m，根據(jù)實(shí)際情況建立三維仿真模型如圖7 所示。

圖7 開(kāi)放式工藝區(qū)的三維仿真模型

針對(duì)此工藝區(qū)分析所有可能存在的泄漏點(diǎn)，對(duì)距離相近的泄漏點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)合并， 共計(jì)42 個(gè)泄漏點(diǎn)。 同時(shí)，考慮平均風(fēng)速、最大風(fēng)速和高頻風(fēng)向的影響以及工藝區(qū)設(shè)備的陣列特性，每個(gè)泄漏點(diǎn)根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算多個(gè)泄漏方向，共計(jì)108 個(gè)計(jì)算工況。

參考英國(guó)安全與健康執(zhí)行局（HSE）《Offshore Hydrocarbon Releases Statistics and Analysis》附錄2 部分，按照可能會(huì)引起潛在災(zāi)害的程度，將可燃?xì)怏w泄漏分為3 個(gè)等級(jí)： 微量泄漏0.0～0.1 kg/s，中型泄漏0.1～1.0 kg/s， 大量泄漏1.0 kg/s 或者更大。 該壓氣站場(chǎng)開(kāi)放式區(qū)域可燃?xì)怏w探測(cè)器的選擇需要滿(mǎn)足中型泄漏和大量泄漏的檢測(cè)與報(bào)警要求，同時(shí)還應(yīng)滿(mǎn)足一定微量泄漏的檢測(cè)要求。

在開(kāi)放式區(qū)域可燃?xì)怏w探測(cè)器選型過(guò)程中，當(dāng)可燃?xì)怏w泄漏濃度為0～10 000ppm 時(shí)，激光對(duì)射可燃?xì)怏w探測(cè)器應(yīng)作為首選，因?yàn)槠涮綔y(cè)精度高，單個(gè)設(shè)備的探測(cè)距離長(zhǎng)、覆蓋范圍廣，更容易探測(cè)到微量泄漏。 馬振軍［13］指出激光對(duì)射可燃?xì)怏w探測(cè)器的最大探測(cè)距離為9 m，超過(guò)9 m 后，可燃?xì)怏w濃度明顯下降， 雖然還在探測(cè)范圍之內(nèi)，但氣團(tuán)在風(fēng)力作用下出現(xiàn)了中間階段的低濃度區(qū)域，所以為了實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的完全覆蓋，加上兩端邊界及調(diào)壓區(qū)域的保護(hù)，對(duì)于無(wú)風(fēng)站場(chǎng)或者平均風(fēng)速在5 m/s 以?xún)?nèi)且少有風(fēng)速超過(guò)25 m/s 的站場(chǎng)，布置4 臺(tái)激光對(duì)射可燃?xì)怏w探測(cè)器和1 臺(tái)超聲氣體泄漏探測(cè)器，以實(shí)現(xiàn)壓氣站場(chǎng)工藝區(qū)的全覆蓋，如圖8 所示。

圖8 某壓氣站場(chǎng)工藝區(qū)可燃?xì)怏w探測(cè)器布置圖

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10 m/s 時(shí)，單臺(tái)激光對(duì)射可燃?xì)怏w探測(cè)器只能覆蓋23 m 以?xún)?nèi)的區(qū)域。 當(dāng)風(fēng)速達(dá)到15 m/s 時(shí)，單臺(tái)激光對(duì)射可燃?xì)怏w探測(cè)器只能覆蓋16 m 以?xún)?nèi)的區(qū)域， 如果要在該風(fēng)速條件下實(shí)現(xiàn)全覆蓋則需增加一臺(tái)探測(cè)器。 當(dāng)風(fēng)速超過(guò)25 m/s 時(shí)，在風(fēng)力的作用下，泄漏的可燃?xì)怏w很容易被快速吹散，很難聚集，此時(shí)激光對(duì)射可燃?xì)怏w探測(cè)器很難發(fā)揮作用，故可以采用云臺(tái)掃描式激光可燃?xì)怏w探測(cè)器和超聲氣體泄漏探測(cè)器相搭配的檢測(cè)方式。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于易發(fā)生大風(fēng)天氣的開(kāi)放式區(qū)域，微量的可燃?xì)怏w泄漏不易形成氣體云，采用激光對(duì)射可燃?xì)怏w探測(cè)器會(huì)存在一定的漏報(bào)；超聲氣體泄漏探測(cè)器對(duì)于微量泄漏的檢測(cè)效果較差；云臺(tái)掃描式激光可燃?xì)怏w探測(cè)器可實(shí)現(xiàn)360°無(wú)死角探測(cè)，且探測(cè)精度高、響應(yīng)時(shí)間短，但其成本最高，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足，穩(wěn)定性和可靠性還需要經(jīng)過(guò)時(shí)間的驗(yàn)證。 因此，在開(kāi)放式區(qū)域可燃?xì)怏w探測(cè)器選型時(shí)，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)大風(fēng)等級(jí)，結(jié)合不同類(lèi)型可燃?xì)怏w探測(cè)器的靈敏度、檢測(cè)半徑、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和使用壽命，選擇不同類(lèi)型的可燃?xì)怏w探測(cè)器或者互相搭配的方式實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w的在線(xiàn)檢測(cè)與報(bào)警。