尹 恒 ，鄒慶，廖柯熹，彭善碧

1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸公司武漢計(jì)量研究中心，湖北 武漢430000

2.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都610500

引言

天然氣管道站場(chǎng)是輸送天然氣的重要場(chǎng)所。由于站場(chǎng)內(nèi)處理設(shè)備布局復(fù)雜、管道眾多，處理介質(zhì)為天然氣，易燃易爆、有毒有害，且操作復(fù)雜，極易引發(fā)可燃?xì)怏w和有毒氣體泄漏事故，輕則造成資源浪費(fèi)，情況嚴(yán)重時(shí)可能引起火災(zāi)、爆炸、中毒等事故，導(dǎo)致慘重的人員傷亡、巨大的經(jīng)濟(jì)損失以及不良的社會(huì)影響[1-3]。

目前，可燃及有毒氣體泄漏檢測(cè)儀的設(shè)置方法主要由相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定，石化企業(yè)各類天然氣站場(chǎng)以及可燃、有毒氣體作業(yè)儲(chǔ)存場(chǎng)所均依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行氣體檢測(cè)儀的設(shè)置[4-5]。

章博[6]對(duì)高含硫天然氣集氣站的泄漏檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)置。Berry 等[7-8]針對(duì)市政水管網(wǎng)在受到污染情況下如何優(yōu)化布置水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的問(wèn)題，建立混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題（MIP），提出了系統(tǒng)整體的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。Legg 等[9-11]在分析石化工廠氣體泄漏氣體檢測(cè)儀布置方法時(shí)，建立考慮多個(gè)泄漏位置、包含不同工藝單元的數(shù)值模型，考慮不同風(fēng)向、風(fēng)速等不確定因素的影響，使用軟件模擬多個(gè)泄漏場(chǎng)景，通過(guò)建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件，提出了一系列系統(tǒng)整體優(yōu)化布置的方案。吳夢(mèng)雨[12]針對(duì)成品油管道泄漏事故，討論了管徑大小、泄漏位置等因素對(duì)油品滲流擴(kuò)散范圍的影響。

李洋等[13]利用CFD 軟件中多孔介質(zhì)流動(dòng)數(shù)值模擬方法研究了土壤孔隙率、土壤含水量、油品密度、油品黏度與泄漏油品縱向擴(kuò)散深度的關(guān)系，研究表明，縱向擴(kuò)散深度與土壤孔隙率、油品密度、油品黏度呈正相關(guān)，與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)；并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)研究了四因素對(duì)其影響程度強(qiáng)弱，發(fā)現(xiàn)由強(qiáng)到弱為土壤含水率、土壤孔隙率、油品密度及油品黏度。

彭偉等[14]建立了雙泄漏孔的燃?xì)夤艿滥Ｐ?，研究雙泄漏孔間距對(duì)燃?xì)庑孤┖头植嫉挠绊?，泄漏孔越大，氣體在地下的分布面積越大，泄漏孔越大，對(duì)深埋氣管泄漏的影響越大。頂部與側(cè)壁的漏孔擴(kuò)散速度幾乎相同，底部漏孔擴(kuò)散比例比前兩個(gè)要低很多。雙泄漏孔的距離越小，甲烷擴(kuò)散越快。泄漏孔的形狀對(duì)深埋輸氣管道的泄漏和分布影響不大。

張敬陽(yáng)等[15]利用ICEM 建立典型建筑物幾何模型，研究住宅陽(yáng)臺(tái)燃?xì)夤艿佬孤┌l(fā)生后的室內(nèi)泄漏燃?xì)鈹U(kuò)散規(guī)律，以及建筑開(kāi)窗條件對(duì)燃?xì)鈹U(kuò)散的影響，發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)生建筑內(nèi)風(fēng)場(chǎng)通路的開(kāi)窗工況下，擴(kuò)散形成的可燃?xì)怏w聚集范圍更小，此時(shí)室內(nèi)形成的爆炸區(qū)域主要集中在廚房外側(cè)的頂部。

周寧等[16]為研究石化管廊管道氣體的泄漏擴(kuò)散規(guī)律，采用CFD 軟件對(duì)不同環(huán)境風(fēng)速和泄漏初始速度下，石化管道丁烷氣體泄漏的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，丁烷泄漏氣體以射流形式從泄漏口噴出，爆炸極限區(qū)域集中于泄漏口上方；隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，丁烷氣體高濃度區(qū)域面積縮小，處于爆炸極限范圍區(qū)域的面積擴(kuò)大，危險(xiǎn)區(qū)域面積擴(kuò)大，丁烷氣體整體呈上浮趨勢(shì)；丁烷氣體泄漏初始速度越大，丁烷泄漏氣體自由擴(kuò)散的作用越強(qiáng)，處于爆炸極限范圍區(qū)域的面積越大，丁烷氣體沉降趨勢(shì)明顯、縱深增加。

李文英等[17]利用美國(guó)熱電子公司生產(chǎn)的680HVM 型碳?xì)浠蠚怏w分析儀兩次對(duì)川西北氣礦平丹輸氣管線上4 個(gè)輸氣場(chǎng)站的設(shè)備進(jìn)行泄漏檢測(cè)，并用美國(guó)ENVIROMETRICS 軟件公司的FEMS（fugitive emissions management system）泄漏管理軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出了所需要的天然氣泄漏量的有關(guān)數(shù)據(jù)（即天然氣泄漏量、泄漏點(diǎn)、泄漏點(diǎn)匯總及泄漏率報(bào)告等）。

胡憶溈[18]分析了天然氣管道產(chǎn)品泄漏的原因，介紹了在不影響正常運(yùn)行的情況下消除泄漏的動(dòng)密封技術(shù)，并討論了法蘭泄漏、直管泄漏、三通泄漏及天然氣輸送管道泄漏的具體消除方法。

劉恩斌等[19]研究了一種新型的基于瞬態(tài)模型的管道泄漏檢測(cè)方法，并對(duì)傳統(tǒng)的特征線法差分格式進(jìn)行了改進(jìn)，求解結(jié)果表明該方法不僅大大減少了仿真過(guò)程中由啟動(dòng)到穩(wěn)定所經(jīng)歷的時(shí)間，提高了仿真系統(tǒng)的適應(yīng)性，而且求解速度快，同時(shí)還能夠滿足實(shí)時(shí)仿真的要求，能夠?qū)艿赖男孤┳龀黾皶r(shí)準(zhǔn)確的報(bào)警，定位誤差在被測(cè)管長(zhǎng)的1%以內(nèi)。

張文艷等[20]通過(guò)研究風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系，確定了風(fēng)速分布的規(guī)律；考慮管道出流的擴(kuò)散特性、管道出流的射流效應(yīng)和膨脹效應(yīng)，以及重力對(duì)地表的影響，主要考慮水平風(fēng)速的影響計(jì)算公式。

馬梅等[21]采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，對(duì)管道泄漏后在土壤和空氣環(huán)境中連續(xù)擴(kuò)散的問(wèn)題進(jìn)行研究，結(jié)果表明，空氣區(qū)域中甲烷體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化分為快速增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)和穩(wěn)定3 個(gè)階段，泄漏發(fā)生60 min 后隧道頂部6 m 長(zhǎng)的區(qū)域處于爆炸極限濃度范圍內(nèi)。侯永亮等[22]通過(guò)FLUENT 軟件進(jìn)行泄漏擴(kuò)散模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)向作用下泄漏氣體的影響范圍較小、影響的設(shè)備也較少。部分學(xué)者同時(shí)也研究了泄漏擴(kuò)散的相關(guān)機(jī)理[23-24]。

綜上所述，環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向及泄漏速率對(duì)天然氣擴(kuò)散影響較大，但目前相關(guān)研究集中在理論研究上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用較少。因此，本文建立天然氣站場(chǎng)模型，研究不同風(fēng)速、不同風(fēng)向及不同泄漏速率對(duì)天然氣擴(kuò)散的影響。從提高檢測(cè)有效性入手提出適合于天然氣管道站場(chǎng)的更有效的可燃性氣體檢測(cè)儀設(shè)置建議。

1 模型建立及求解方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

發(fā)生天然氣泄漏事故后，比空氣輕的天然氣會(huì)迅速擴(kuò)散至整個(gè)天然氣管道站場(chǎng)，F(xiàn)LACS 采用Dispersion 模塊計(jì)算天然氣的泄漏擴(kuò)散過(guò)程，模型的計(jì)算方程主要包括3 大控制方程（質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程）、組分控制方程以及湍流方程（湍流動(dòng)能方程和湍流動(dòng)能耗散率方程）。

質(zhì)量守恒方程

式中：

ρ—混合物的密度，kg/m3；

t—時(shí)間，s；

uj3—個(gè)方向的速度分量，m/s，j=x，y，z。

動(dòng)量守恒方程

式中：p—絕對(duì)壓力，Pa；

μt—流體的湍流黏度，Pa·s；

ρa(bǔ)—空氣密度，kg/m3；

gi—3 個(gè)方向的重力加速度分量，m/s2，i=x，y，z。

能量守恒方程

式中：T—流體的溫度，K；

ut—該溫度下的速度，m/s；

σT—湍流普朗特?cái)?shù)，無(wú)因次；

cpv—泄漏物質(zhì)的定壓比熱，J（/kg·K）；

cpa—空氣的定壓比熱，J（/kg·K）；

cp—混合流體的定壓比熱，J（/kg·K）；

σc—湍流施密特?cái)?shù)，無(wú)因次；

w—組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，無(wú)因次。

混合組分方程

式中：Di—流體的湍流擴(kuò)散系數(shù)，m/s2。

湍流動(dòng)能方程

湍流動(dòng)能耗散率方程

式中：

k—湍流動(dòng)能，J；

ueff—有效黏度，mPa·s；

G—層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J；

ε—湍流動(dòng)能耗散率，無(wú)因次；

C1，C2，C3—無(wú)因次常數(shù)。

由于模型計(jì)算復(fù)雜，因此，為了簡(jiǎn)化計(jì)算及分析，做出如下假設(shè)：模擬過(guò)程中，環(huán)境壓力為大氣壓力恒定不變，泄漏速率保持恒定，溫度保持恒定，不考慮化學(xué)反應(yīng)。

1.2 物理模型

本文結(jié)合川氣東送的調(diào)研數(shù)據(jù)，以其設(shè)備布局、尺寸數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立站場(chǎng)的簡(jiǎn)化三維模型，該站場(chǎng)東西長(zhǎng)70.0 m，南北長(zhǎng)108.9 m，分別沿東西、南北方向建立X軸、Y軸，豎直方向建立Z軸。站內(nèi)分為收發(fā)球筒區(qū)、過(guò)濾分離區(qū)、調(diào)壓區(qū)、計(jì)量區(qū)、自用氣區(qū)以及辦公區(qū)6 大功能區(qū)，簡(jiǎn)化模型忽略了站場(chǎng)內(nèi)部的輔助設(shè)施和結(jié)構(gòu)，以站場(chǎng)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備的外形結(jié)構(gòu)和空間位置為建模目標(biāo)，模型包括收發(fā)球筒、分離裝置（旋風(fēng)分離器和過(guò)濾分離器）、調(diào)壓撬塊、計(jì)量撬塊、自用氣撬塊以及各設(shè)備之間主要的地上工藝管道和站內(nèi)辦公樓。站場(chǎng)簡(jiǎn)化的全尺寸幾何模型如圖1 所示。

圖1 站場(chǎng)全尺寸三維實(shí)體模型Fig.1 Full-scale 3D solid model of the station yard

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

在Grid 中進(jìn)行網(wǎng)格搭建，考慮風(fēng)的影響，網(wǎng)格區(qū)域需足夠大以保證重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域風(fēng)速穩(wěn)定，故設(shè)置計(jì)算域?yàn)?10 m×327 m×30 m。因泄漏點(diǎn)處的濃度梯度較大，為準(zhǔn)確模擬泄漏孔附近天然氣濃度的分布情況，對(duì)泄漏孔附近的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，并對(duì)整體進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。FLACS 中普通網(wǎng)格尺寸對(duì)于網(wǎng)格數(shù)量具有重要影響，本文設(shè)定細(xì)化網(wǎng)格尺寸為0.25 m，普通網(wǎng)格選用0.25，0.50，1.00，1.25與1.50 m 等5 種尺寸分別進(jìn)行泄漏模擬，結(jié)果如表1所示。通過(guò)對(duì)比，普通網(wǎng)格尺寸1 m 以內(nèi)時(shí)模擬結(jié)果趨于穩(wěn)定，考慮到時(shí)間計(jì)算成本以及計(jì)算精度，本文模擬時(shí)選用細(xì)化網(wǎng)格0.25 m、普通網(wǎng)格1.00 m的網(wǎng)格劃分方法。

表1 5 種不同網(wǎng)格下計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results under five different grids

泄漏場(chǎng)景下，風(fēng)流入流出邊界設(shè)置為Wind條件，其他邊界設(shè)置為Nozzle 條件。根據(jù)站場(chǎng)的環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，站場(chǎng)溫度、壓力設(shè)置為20°C、101.325 kPa。為正確反映輸氣站場(chǎng)內(nèi)部的風(fēng)場(chǎng)情況，設(shè)置10 s 風(fēng)場(chǎng)仿真計(jì)算，待風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)定后再進(jìn)行泄漏擴(kuò)散模擬。

1.4 參數(shù)設(shè)置

1.4.1 可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)GB 50493—2019《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警技術(shù)規(guī)范》規(guī)定“探測(cè)器與周圍設(shè)備之間距離不低于0.5 m，且檢測(cè)比重小于空氣的可燃?xì)怏w的探測(cè)器，其安裝高度應(yīng)高出釋放源0.5～2.0 m”。本文研究的可燃?xì)怏w為天然氣，主要成分為甲烷，密度小于空氣，泄漏時(shí)容易向上方擴(kuò)散，結(jié)合工藝裝置的高度，在泄漏源上方設(shè)置4 層監(jiān)測(cè)點(diǎn)。布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)考慮到模型的網(wǎng)格，F(xiàn)LACS 中要求監(jiān)測(cè)點(diǎn)不能位于網(wǎng)格線上或壁面附近，故本文每層監(jiān)測(cè)點(diǎn)間隔1 m，兩層監(jiān)測(cè)點(diǎn)間隔0.5 m，最終確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)以8×6×4 對(duì)稱布置，其分布示意圖見(jiàn)圖2，以0.5 m 高度為例，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體位置如表2 所示。

表2 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Tab.2 Location of some monitoring points

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of monitoring point distribution

1.4.2 監(jiān)測(cè)選項(xiàng)設(shè)置

GB 50493—2019《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警技術(shù)規(guī)范》規(guī)定“可燃?xì)怏w的一級(jí)報(bào)警設(shè)定值應(yīng)小于或等于25%LEL（爆炸下限），可燃?xì)怏w的二級(jí)警報(bào)設(shè)定值應(yīng)小于或等于50%LEL”。本文選擇摩爾濃度作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的輸出選項(xiàng)，本文可燃?xì)怏w由98.93%CH4、0.22% C2H6以及0.85%CO2組成，其爆炸下限為5.3%，爆炸上限為15.5%，因此，定義可燃?xì)怏w危險(xiǎn)濃度為0.013 25～0.155 00。同時(shí)，GB 15322—2019《可燃?xì)怏w探測(cè)器》規(guī)定，可燃?xì)怏w探測(cè)器在泄漏30 s 內(nèi)做出報(bào)警響應(yīng)視為合理。

1.4.3 工況設(shè)置

基于站場(chǎng)失效臺(tái)賬，本文以收球筒為泄漏源，基于控制變量法研究站場(chǎng)發(fā)生天然氣泄漏后，在不同泄漏速率、風(fēng)速和風(fēng)向下天然氣的擴(kuò)散規(guī)律。根據(jù)API581《基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)》，泄漏分為小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏以及完全破裂，當(dāng)管道發(fā)生大孔泄漏或完全破裂時(shí)，泄漏氣體會(huì)瞬間積聚，可燃?xì)怏w探測(cè)器可以馬上響應(yīng)，且這兩種失效事故實(shí)際生產(chǎn)中很少發(fā)生，故本文選擇6.4、15.9 以及25.4 mm 的泄漏孔徑作為研究對(duì)象，并通過(guò)式（7）計(jì)算泄漏率；根據(jù)金壇站場(chǎng)的風(fēng)向玫瑰圖，風(fēng)速分別取無(wú)風(fēng)（0）、年平均風(fēng)速（3.1 m/s）、勁風(fēng)（8.0 m/s），風(fēng)向取4 個(gè)主風(fēng)向，即東風(fēng)（?X）、南風(fēng)（+Y）、西風(fēng)（+X）和北風(fēng)（?Y）。具體模擬工況見(jiàn)表3。

表3 模擬工況參數(shù)設(shè)定Tab.3 Simulation working condition parameter setting

式中：

Q—?dú)怏w泄漏率，kg/s；

C0—?dú)怏w泄漏系數(shù)，無(wú)因次；

A—泄漏孔口面積，m2；

p1—泄漏孔處壓力，Pa；

M—?dú)怏w摩爾質(zhì)量，kg/mol；

k0—泄漏氣體絕熱指數(shù)，無(wú)因次；

Z—?dú)怏w壓縮因子，無(wú)因次；

R—理想氣體常數(shù)，R=8.314 J（/mol·K）。

1.5 模型驗(yàn)證

本文借助Liu[25]的天然氣泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)對(duì)FLACS 的Dispersion 模塊進(jìn)行驗(yàn)證。Liu 等研究了3 種不同建筑布局對(duì)天然氣泄漏擴(kuò)散情況的影響，得到不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)可燃?xì)怏w隨時(shí)間變化的濃度情況。以監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 為驗(yàn)證對(duì)象，本文在相同的條件下采用FLACS 進(jìn)行模擬計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)值并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖3 及表4。

表4 各工況最大誤差Tab.4 Maximum error of each working condition

圖3 實(shí)驗(yàn)值與模擬值比較Fig.3 Comparison of experimental and simulated values

可以看出，實(shí)驗(yàn)和模擬中，同一點(diǎn)濃度隨著泄漏時(shí)間增加的變化趨勢(shì)大致相同，且最大相對(duì)誤差為8.72%，小于10.00%，因此，基于FLACS 的天然氣泄漏擴(kuò)散模擬具有一定的可靠性。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 不同泄漏速率下的擴(kuò)散范圍

圖4～圖5 為以泄漏速率為變量，在模擬工況方案1、2、3 條件下的模擬結(jié)果。

由圖4，圖5 可以看出，泄漏初期，氣體受泄漏方向影響向+X方向噴射，隨著氣體擴(kuò)散動(dòng)能的減弱開(kāi)始逐漸受到風(fēng)的作用而向?X方向擴(kuò)散；氣體擴(kuò)散前期只有較小云團(tuán)，隨著泄漏量的增加，氣體擴(kuò)散范圍逐漸變大，在泄漏30 s后，研究區(qū)內(nèi)可燃?xì)怏w體積不再發(fā)生劇烈變化，說(shuō)明此時(shí)擴(kuò)散基本達(dá)到平衡，高濃度氣體分布基本穩(wěn)定，氣體擴(kuò)散范圍達(dá)到最大。

GB 15322—2019 規(guī)定，可燃?xì)怏w探測(cè)器應(yīng)在泄漏30 s 內(nèi)作出報(bào)警響應(yīng)，故以30 s 形成的氣體及其擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離作為依據(jù)評(píng)價(jià)天然氣泄漏后的嚴(yán)重程度。結(jié)合圖4～圖5 以及表5 可知，泄漏速率越大，研究區(qū)域內(nèi)可燃?xì)怏w體積越大，氣體的擴(kuò)散范圍越大，危險(xiǎn)程度越高。

表5 不同泄漏速率條件下可燃?xì)怏w擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離（30 s）Tab.5 The longest distance of flammable gas diffusion under different leakage rate conditions（30 s）

圖4 不同泄漏速率下氣體發(fā)展情況Fig.4 Gas cloud development under different leakage rates

圖5 不同泄漏速率下可燃?xì)怏w體積變化情況Fig.5 Changes in the volume of flammable gas cloud under different leakage rates

結(jié)合距泄漏源距離以及泄漏方向，表6 列出了不同泄漏速率、不同監(jiān)測(cè)高度下，19#～24#等6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的報(bào)警時(shí)間。由表6 可知，泄漏速率越大、監(jiān)測(cè)高度越低，探測(cè)器報(bào)警速度越快；經(jīng)過(guò)比較，23#點(diǎn)位在不同泄漏速率、不同監(jiān)測(cè)高度下報(bào)警時(shí)間均最短，這是由于天然氣泄漏初期，氣體會(huì)隨著泄漏方向沿+X方向噴射一段距離，隨后進(jìn)行穩(wěn)定擴(kuò)散。

表6 不同泄漏速率條件下監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的報(bào)警時(shí)間（30 s）Tab.6 Alarm time of monitoring points under different leakage rate conditions（30 s）

如圖6 所示，選擇最小泄漏速率0.456 kg/s 的工況下，報(bào)警速度最快的23#監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)高度越低，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間越短，但總體時(shí)間間隔并不大，均在可接受范圍內(nèi)。

圖6 23#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位在不同高度下的氣體監(jiān)測(cè)情況（0.456 kg/s）Fig.6 The gas monitoring situation of monitoring points at different heights of 23#（0.456 kg/s）

選擇最小泄漏速率0.456 kg/s 的工況下，高度為0.5 m、與23#同X坐標(biāo)的7#、15#監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖7 所示，在30 s內(nèi)，距離泄漏源越近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)（23#），報(bào)警響應(yīng)的速度越快，距離泄漏源遠(yuǎn)的點(diǎn)位（7#）甚至無(wú)法達(dá)成響應(yīng)。

圖7 高度為0.5 m 的不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)情況（0.456 kg/s）Fig.7 Monitoring situation at different monitoring point with a height of 0.5 m（0.456 kg/s）

2.2 不同風(fēng)速的影響

圖8～圖9 為以泄漏速率為變量，在模擬工況方案1、4、5 條件下的模擬結(jié)果?？梢钥闯?，有風(fēng)存在的情況下，可燃?xì)怏w的擴(kuò)散形態(tài)與不同泄漏速率影響下一致，氣體噴射一段距離后受風(fēng)向影響而向?X方向擴(kuò)散，且風(fēng)速越大，對(duì)氣體的稀釋作用越強(qiáng)，形成的可燃?xì)怏w越小；無(wú)風(fēng)條件下，泄漏氣體遇障礙物向兩邊擴(kuò)散，并在站場(chǎng)圍墻處存在氣體堆積現(xiàn)象，氣體濃度較高，達(dá)到擴(kuò)散平衡后，研究區(qū)域內(nèi)的可燃?xì)怏w體積也最大。結(jié)合圖8～圖9 以及表7 可知，風(fēng)速越小，可燃?xì)怏w不易擴(kuò)散，研究區(qū)域內(nèi)可燃?xì)怏w體積越大，氣云的擴(kuò)散范圍越大，危險(xiǎn)程度越高。

表7 不同風(fēng)速條件下可燃?xì)怏w擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離（30 s）Tab.7 The longest distance of flammable gas diffusion under different wind speed conditions（30 s）

圖8 不同風(fēng)速下氣體發(fā)展情況Fig.8 Gas cloud development under different wind speeds

圖9 不同風(fēng)速下可燃?xì)怏w體積變化情況Fig.9 Variation of flammable gas cloud volume under different wind speeds

表8 中列出了不同泄漏速率、不同監(jiān)測(cè)高度下，19#～24#等6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的報(bào)警時(shí)間。由表8可知，風(fēng)速越大、監(jiān)測(cè)高度越低，探測(cè)器報(bào)警速度越快。如圖10 所示，選擇最大風(fēng)速8.0 m/s 的工況下，報(bào)警速度最快的23#監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)高度越低，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間越短，但時(shí)間間隔小，對(duì)實(shí)際事故搶修并不會(huì)造成影響。選擇最大風(fēng)速8.0 m/s 的工況下，高度為0.5 m、與23#同X坐標(biāo)的7#、15#監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖11 所示，在30 s內(nèi)，距離泄漏源越近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)（23#），報(bào)警響應(yīng)的速度越快。

圖10 不同高度下同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣體監(jiān)測(cè)情況（8.0 m/s）Fig.10 Gas monitoring at different heights at the same monitoring points（8.0 m/s）

圖11 高度為0.5 m 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)情況（8.0 m/s）Fig.11 Monitoring situation of the different monitoring point with a height of 0.5 m（8.0 m/s）

表8 不同風(fēng)速條件下監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的報(bào)警時(shí)間（30 s）Tab.8 Alarm time of monitoring points under different wind speed conditions（30 s）

2.3 不同風(fēng)向的影響

表9 為不同風(fēng)向條件下可燃?xì)怏w擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離，圖12～圖13 為以風(fēng)向?yàn)樽兞?，在工況1、6、7、8條件下的模擬結(jié)果。可以看出，泄漏方向與風(fēng)向成90°時(shí)，風(fēng)與氣體混合的稀釋作用強(qiáng)于順風(fēng)向泄漏，泄漏氣體與風(fēng)發(fā)生動(dòng)量交換，引起強(qiáng)烈湍流，導(dǎo)致可燃?xì)怏w波動(dòng)較大，但同時(shí)大大增加了擴(kuò)散距離；泄漏方向與風(fēng)向相反時(shí)，風(fēng)與泄漏形成的氣體混合強(qiáng)烈，最大程度稀釋了氣體，同時(shí)也最大程度擴(kuò)展了氣體，增加其危害范圍。結(jié)合圖12～圖13 以及表9 可知，風(fēng)向與泄漏方向相同（順風(fēng)場(chǎng)景）可燃?xì)怏w最小，擴(kuò)散范圍最小，危害性最小。

表9 不同風(fēng)向條件下可燃?xì)怏w擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離（30 s）Tab.9 The longest distance of flammable gas diffusion under different wind direction（30 s）

圖12 不同風(fēng)向下可燃?xì)怏w體積變化情況Fig.12 Changes in the volume of combustible gas clouds under different wind direction

圖13 不同風(fēng)向下氣體發(fā)展情況Fig.13 The development of gas cloud under different wind direction

表10 列出了不同泄漏速率、不同監(jiān)測(cè)高度下，19#～24#等6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的報(bào)警時(shí)間。由表10 可知，監(jiān)測(cè)高度越低，探測(cè)器報(bào)警速度越快；逆風(fēng)以及泄漏方向與風(fēng)向成90°場(chǎng)景的探測(cè)器報(bào)警速度快于順風(fēng)場(chǎng)景。如圖14 所示，選擇西風(fēng)（+X）工況下，報(bào)警速度最快的23#監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)高度越低，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間越短，但時(shí)間間隔小，對(duì)實(shí)際事故搶修并不會(huì)造成影響。選擇西風(fēng)（+X）工況下，高度為0.5 m、與23#同+X坐標(biāo)的7#、15#監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖15 所示，在30 s內(nèi)，距離泄漏源越近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)（23#），報(bào)警響應(yīng)的速度越快。

圖14 同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)位在不同高度下的氣體監(jiān)測(cè)情況（西風(fēng)）Fig.14 Gas monitoring at different heights at the same monitoring points（westerly wind）

圖15 高度為0.5 m 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)情況（西風(fēng)）Fig.15 Detection of different monitoring points with a height of 0.5 m（westerly wind）

表10 不同風(fēng)向條件下監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的報(bào)警時(shí)間（30 s）Tab.10 Alarm time of monitoring points under different wind direction（30 s）

2.4 可燃?xì)怏w探測(cè)器設(shè)置位置優(yōu)化

針對(duì)天然氣管道站場(chǎng)，面對(duì)復(fù)雜多變的風(fēng)向、風(fēng)速等外部環(huán)境條件，不同設(shè)備多變的泄漏源強(qiáng)等內(nèi)部條件的模擬結(jié)果，可知距泄漏源越近、高度越低的監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警時(shí)間越短，但其時(shí)間差在工程實(shí)際中可忽略。

為了能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)到泄漏，保證檢測(cè)效果與檢測(cè)靈敏性，結(jié)合收球筒本身的安裝高度及尺寸以及GB 50493—2019 的規(guī)定“檢測(cè)比重小于空氣的可燃?xì)怏w的探測(cè)器，其安裝高度應(yīng)高出釋放源0.5～2.0 m”“探測(cè)器安裝地點(diǎn)與周邊工藝管道或設(shè)備之間的凈空不應(yīng)小于0.5 m”，建議收發(fā)球筒區(qū)可燃?xì)怏w探測(cè)器應(yīng)設(shè)置在距收球筒1.0 m處，高度應(yīng)設(shè)置為2.0 m。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)30 s 內(nèi)形成可燃?xì)怏w擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離來(lái)評(píng)價(jià)天然氣泄漏后的災(zāi)害嚴(yán)重程度，發(fā)現(xiàn)泄漏速率越大、風(fēng)速越小時(shí)，站場(chǎng)區(qū)域內(nèi)可燃?xì)怏w體積越大，可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍越廣，危險(xiǎn)程度越高，同時(shí)，順風(fēng)向泄漏的危害程度要小于其他方向。

（2）基于對(duì)不同泄漏速率、風(fēng)速、風(fēng)向影響下收球筒天然氣泄漏情況的分析，可知距泄漏源越近、高度越低的監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警時(shí)間越短，但其時(shí)間差在工程實(shí)際中可忽略，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及GB 50493—2019 的規(guī)定，建議收發(fā)球筒區(qū)可燃?xì)怏w探測(cè)器應(yīng)設(shè)置在距收球筒1 m處，高度設(shè)置為2 m。