王乃民 張喜強 吳 鑫 馬思瑤 頓張靜

（海洋石油工程股份有限公司）

LNG 接收站是對船運LNG 進行接收、儲存、汽化及外輸?shù)茸鳂I(yè)的場站。LNG 的組分主要是甲烷，儲存溫度-162 ℃，具有易燃易爆易蒸發(fā)、快速相變及低溫等特性，一旦泄漏會迅速蒸發(fā)形成可燃氣云團，遇火源就可能發(fā)生火災(zāi)爆炸，后果嚴重。

為了更好地保障LNG 接收站的安全生產(chǎn)，需要建立一套性能穩(wěn)定、安全、動作響應(yīng)及時的可燃氣體探測報警系統(tǒng)［1］。

1 可燃氣探測報警系統(tǒng)布置與覆蓋率要求與現(xiàn)狀

可燃氣探測報警系統(tǒng)通常由可燃氣體探測器（以下簡稱探測器）對主要氣體進行現(xiàn)場探測，中控室邏輯控制器采集報警信號，根據(jù)邏輯運算結(jié)果啟動相應(yīng)的消防/報警設(shè)備。

國內(nèi)相關(guān)標準對探測器的布置進行了明確規(guī)定，但并未對其覆蓋率有所要求，而國外相關(guān)標準或執(zhí)行程序則對覆蓋率提出了具體要求［2］，詳見表1。

表1 標準或執(zhí)行程序?qū)μ綔y器的布置要求與覆蓋率的要求

報警系統(tǒng)作為LNG 接收站正常運行的重要安全保障，對其可靠性要求非常高，一旦失效會導(dǎo)致泄漏事故進一步擴散， 后果等級嚴重升級。報警系統(tǒng)的整體有效性不僅取決于系統(tǒng)本身的安全可用性和減緩有效性，更取決于探測器的覆蓋率［2，3］，而決定探測器覆蓋率的主要因素則是探測器布置的合理性。

在目前國內(nèi)實施的項目中，探測器布置一般參照國家標準和行業(yè)標準執(zhí)行，大多是基于傳統(tǒng)經(jīng)驗方法［4，5］，雖然在平面區(qū)域上可能已經(jīng)覆蓋到所有泄漏點，但受氣象環(huán)境差異及探測器表決方式所限， 探測器覆蓋率實際上很難達到要求，從而降低了系統(tǒng)整體的安全完整性等級，因此對探測器覆蓋率進行分析，對于保證可燃氣體報警系統(tǒng)的整體有效性尤為重要。

2 探測器覆蓋率分析方法

探測器覆蓋率分析，實際上就是定量評價泄漏危險事件被探測器有效探測到的概率。 探測器覆蓋率分析主要有幾何覆蓋和情景覆蓋兩種［2］，表2 是兩種方法的優(yōu)、缺點對比。

表2 探測器覆蓋率常用分析方法優(yōu)、缺點對比

3 基于PHAST 的泄漏擴散模擬

PHAST （Process Hazard Analysis Software Tool）軟件是由挪威船級社（DNV）公司開發(fā)的專門用于石油石化與天然氣領(lǐng)域進行危險分析和安全計算的軟件，已被廣泛應(yīng)用。 PHAST 軟件內(nèi)嵌了燃燒(包括池火、噴射火和沸騰液體擴展為蒸氣爆炸）、泄漏和擴散、爆炸和毒氣擴散4 種計算模型。

UDM 模型適用于任何泄漏方式，包括連續(xù)泄漏/瞬時泄漏，泄漏的是重氣、中性氣體或浮性氣體。

PHAST 軟件運用UDM 模型描述氣體泄漏擴散過程及其造成的影響，由于模擬結(jié)果與現(xiàn)實場景接近，在精準、直觀等方面有著良好的表現(xiàn)。

利用PHAST 軟件進行泄漏擴散模擬的流程如圖1 所示。 首先設(shè)置比例尺和坐標原點，然后輸入操作壓力、操作溫度、介質(zhì)屬性及物料存量等，之后確定小孔、中孔、大孔及完全破裂，泄漏高度（默認1 m）、泄漏方向（默認水平），最后設(shè)置風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、大氣溫度、相對濕度及太陽輻射通量等，通過圖1 操作步驟得出模擬結(jié)果。

圖1 PHAST 軟件泄漏模擬流程

通過對泄漏點進行泄漏擴散模擬，分別計算出LNG 泄漏時間為5 s 和穩(wěn)態(tài)時的擴散距離，表3 是某LNG 儲罐低壓泵管線泄漏擴散數(shù)據(jù)。

表3 某LNG 儲罐低壓泵管線泄漏擴散數(shù)據(jù)

LNG 泄漏擴散時20%LEL 和50%LEL 的包絡(luò)圖如圖2 所示，通過包絡(luò)圖可以計算出擴散的地理范圍。 根據(jù)泄漏擴散數(shù)據(jù)，調(diào)整探測器布置 位置，以達到要求的探測器覆蓋率。

圖2 LNG 泄漏擴散時20%LEL 和50%LEL 的包絡(luò)圖

4 應(yīng)用舉例

以某LNG 儲罐罐頂泵平臺為例， 共有4 臺低壓泵，每臺低壓泵在罐頂平臺分布1 根外輸管線，管線上根據(jù)現(xiàn)行標準和以往工程項目經(jīng)驗初步布置的可燃氣探頭如圖3 所示。 可燃氣探測器均為點紅外式，每臺泵布置1 個探測器。 為簡化分析，分8 個風(fēng)向，N（北）、EN（東北）、E（東）、ES（東南）、S（南）、WS（西南）、W（西）、西北（WN），其中主風(fēng)向為WN，全年概率65%，其他各風(fēng)向分別為5%。 每臺泵及管線簡化為1 個泄漏點（中孔泄漏）， 相應(yīng)的可燃氣探測器布置在泄漏點的主風(fēng)向下側(cè)，本區(qū)域所有4 個探測器為1oo4 表決。

圖3 探測器初步布置圖

以其中一臺泵泄漏為例，在主風(fēng)向時，現(xiàn)有探測器能探測到泄漏， 但1#泵管線泄漏在W 風(fēng)向和N 風(fēng)向上可被探測到，2#、3#泵管線泄漏在E、W、N 和WN 風(fēng)向上可被探測到，4#泵管線泄漏在W、N、E 和WN 風(fēng)向上可被探測到， 在其他風(fēng)向時4 臺探測器都不能探測到泄漏（表4）。

由表4 計算得出， 探測器1oo4 的探測覆蓋率為82.5%， 顯然不滿足1ooN 覆蓋率不小于90%的要求。

表4 4 臺探測器的探測結(jié)果

改進設(shè)計通常改變探測器的布置方位或探測器的表決模式， 但按照目前4 個探測器的設(shè)計，在主風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)布置的覆蓋率應(yīng)該是最大的，以上方法都不能滿足要求。 如果要提高探測器覆蓋率，則需要增加探測器數(shù)量。

從經(jīng)濟合理的角度出發(fā)，在主風(fēng)向下風(fēng)側(cè)和主風(fēng)向相反180°側(cè)分別設(shè)置1 臺開路式紅外探測器，如圖4 所示。按照目前的布置，只有1#泵管線在E 風(fēng)向和EN 風(fēng)向時沒有探測器能夠探測到泄漏，對于1oo6 表決模式，其他任何情況的泄漏都會被探測到。

由圖4 得到表3 的探測結(jié)果見表5， 根據(jù)表中數(shù)據(jù)計算得出，1oo6 模式的探測器覆蓋率達到了97.5%， 滿足行業(yè)標準和執(zhí)行程序?qū)缶瘎幼鲄^(qū)域探測器覆蓋率不小于90%的要求。

表5 改進探測器的探測結(jié)果

圖4 改進后的探測器布置圖

5 結(jié)束語

探測器覆蓋率作為影響可燃氣體探測報警系統(tǒng)整體有效性的重要因素，國內(nèi)目前還沒有明確要求。 參照國外標準和執(zhí)行程序，通過PHAST軟件模擬泄漏場景，建立擴散模型，利用得到的泄漏擴散結(jié)果進行探測器布置優(yōu)化設(shè)計，并評估探測器布置合理性，提高了探測器覆蓋率，保證了可燃氣體探測報警系統(tǒng)的整體有效性。