加氫站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析及火焰探測覆蓋率優(yōu)化

吳 巖

(中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京 102500)

0 前言

在石油化工設(shè)施中，火焰探測器為工作人員提供了重要的保護(hù)層。與氣體或者熱探測器不同，火焰探測器是光學(xué)傳感器，利用來自視野內(nèi)捕獲的信息來檢測火焰的存在。火焰探測器可以利用多種不同的視覺傳感技術(shù)，包括紫外線(UV)，紅外線(IR)，組合的紫外線/紅外線等。因?yàn)楣獾膫鞑ニ俣确浅？欤鹧嫣綔y器能夠在火災(zāi)初生階段快速響應(yīng)，因此非常適合運(yùn)輸和儲存易燃易爆的氫氣的加氫站。為了有效且可靠地進(jìn)行檢測，火焰探測器需要通向火焰發(fā)生處的無障礙物可視路徑。但是，石化設(shè)施的典型特征是復(fù)雜的物理幾何形狀，該幾何形狀是由工廠中的大量障礙物(例如閥門，管道，儲罐和反應(yīng)器)形成的，使得在最佳位置放置火焰探測器的問題極具挑戰(zhàn)性。同時(shí)加氫站常用的紫外火焰探測器的覆蓋范圍與其安裝高度、距離及角度密切相關(guān)，而傳統(tǒng)的火焰探測器放置方法多是經(jīng)驗(yàn)法則，這些方法本質(zhì)上不是定量法則，且無法解決這些不確定性。

幾何空間分析法目前是最適合火焰探測覆蓋率有效性分析的方法，我國在2020年新發(fā)布的GB/T 39173—2020 《智能工廠 安全監(jiān)測有效性評估方法》中也提出火焰探測器應(yīng)使用空間分析法對其有效性進(jìn)行評估，并提供了完整的評估流程與覆蓋率要求。

火焰探測器覆蓋率評估將針對典型加氫站中主要的泄漏火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)場景進(jìn)行分析，采用空間分析法優(yōu)化加氫站現(xiàn)有氫氣探測器的安裝高度及角度，為加氫站的火焰探測器布局及優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 火焰探測覆蓋率空間分析法

加氫站主要火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)為氫氣泄漏后立即點(diǎn)火形成的噴射火，使用空間分析法進(jìn)行覆蓋率計(jì)算最為適合?？臻g分析法為一種幾何算法，通過計(jì)算火焰探測器錐形視線范圍對設(shè)備設(shè)施周圍風(fēng)險(xiǎn)層的覆蓋程度來計(jì)算覆蓋率。紫外火焰探測器在一定的視錐角范圍內(nèi)才能對入射紫外線進(jìn)行識別，這個(gè)特性造成火焰探測器存在一定的盲區(qū)，如圖1所示。因此優(yōu)化布置火焰探測器的重點(diǎn)就是將目標(biāo)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層覆蓋在視錐角的部分最大化。

圖1 火焰探測器視錐角

設(shè)備結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)險(xiǎn)層的劃分也是重要的步驟。GB/T 39173—2020中規(guī)定I級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層是從設(shè)備或設(shè)施的表面向外延伸至少2 m的空間，如靠近防火墻則外延至防火墻；II級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層是從設(shè)備設(shè)施的表面或者從I級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層的邊界向外延伸至少3 m空間。

風(fēng)險(xiǎn)層建立后，對風(fēng)險(xiǎn)層空間進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分。對比火焰探測器視線所覆蓋的風(fēng)險(xiǎn)層網(wǎng)格數(shù)量與風(fēng)險(xiǎn)層空間整體網(wǎng)格數(shù)量，即可得到火焰探測覆蓋率。

當(dāng)設(shè)備設(shè)施附近布置有多個(gè)火焰探測器時(shí)，只要有一個(gè)探測器能夠有效探測則表示探測器系統(tǒng)1ooN有效，若同時(shí)有2個(gè)或以上探測器能夠有效探測則表示探測器系統(tǒng)2ooN有效。GB/T 39173—2020中6.4條給出了火焰探測覆蓋率的目標(biāo)值要求。

火焰探測器空間分析法的工作流程如圖2所示。

圖2 火焰探測覆蓋率空間法分析流程

2 加氫站概況

研究選擇國內(nèi)某典型加氫站場進(jìn)行火焰探測覆蓋率分析。該加氫站場共分為4個(gè)主要區(qū)域：卸氫區(qū)包括兩個(gè)氫氣長管拖車車位和一套卸氣柱及配套設(shè)施；儲氫區(qū)包括3個(gè)5 m儲氫罐、2套壓縮機(jī)撬裝設(shè)備、管路中央控制區(qū)、水冷機(jī)組和水冷塔等；加氫區(qū)為2臺雙槍雙計(jì)量加氫機(jī)；輔助區(qū)為綜合辦公樓。卸氫區(qū)與儲氫區(qū)間設(shè)置鋼筋混凝土防護(hù)墻。加氫站平面布置如圖3所示。

2.1 加氫工藝流程

加氫站采用外供氫模式作為氫氣來源，主要由氫氣長管拖車、卸氫柱、增壓裝置(壓縮橇)、儲氫瓶組、加氫機(jī)、冷卻系統(tǒng)組成，包括卸車、增壓和加氫3個(gè)主要工藝流程。

a) 卸車流程將氫氣長管拖車來氣通過卸車軟管與卸氣柱卸載，并輸送至壓縮機(jī)，當(dāng)長管拖車內(nèi)壓力低于設(shè)定值時(shí)，斷開卸車軟管。

b) 增壓流程使來自卸氣柱的氫氣在壓縮機(jī)內(nèi)增壓后，去往儲氫罐組，在壓縮機(jī)前總管道上設(shè)置緊急切斷閥，用于緊急情況下對加氫機(jī)停機(jī)，且壓縮機(jī)設(shè)置必要的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。

c) 加氫流程將儲氫罐內(nèi)的氫氣通過高壓氫氣管道輸送至加氫氣機(jī)，加氫機(jī)上安裝壓力傳感器、過壓保護(hù)和軟管拉斷保護(hù)等安全裝置。

2.2 在役探測器型號及布局

加氫站共布置有9個(gè)紫外火焰探測器，布點(diǎn)圖如圖3中紅色方框標(biāo)號所示?；鹧嫣綔y器的型號參數(shù)列于表1中，探測器視角正對氫氣泄漏點(diǎn)火危險(xiǎn)區(qū)域。

表1 加氫站所用火焰探測器型號及參數(shù)

圖3 加氫站平面布置

3 加氫站火焰探測覆蓋率分析

3.1 加氫站三維模型建立

加氫站火焰探測器布置有效性分析工作主要使用CFD三維模擬軟件和GCV火氣系統(tǒng)分析軟件完成。結(jié)合加氫站的平面布置圖、火焰探測器布點(diǎn)位置，使用三維建模軟件建立加氫站的三維模型。模型采用卡迪爾坐標(biāo)系，XYZ軸設(shè)置如圖4所示，X軸正方向?yàn)檎狈?紅色)，Y軸正方向?yàn)檎鞣?藍(lán)色)，Z軸為垂直地面方向設(shè)置(綠色)，原點(diǎn)設(shè)置為加氫站的東南角，所有長度單位默認(rèn)為m。加氫站三維模型如圖4所示，9個(gè)火焰探測器的布點(diǎn)位置列于表2中。

表2 加氫站火焰探測器布點(diǎn)位置

圖4 善通加油加氫站三維模型

3.2 目標(biāo)區(qū)域定義及風(fēng)險(xiǎn)層劃分

火焰探測器監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域主要是加氫站中可能發(fā)生泄漏點(diǎn)火場景的位置。因此分析第一步應(yīng)為建立加氫站可能發(fā)生泄漏的場景庫。通過危險(xiǎn)源辨識，考慮到設(shè)備管線布置、工藝功能、介質(zhì)性質(zhì)、操作狀態(tài)、泄漏概率、已發(fā)生泄漏事故等因素，辨識出站內(nèi)易發(fā)生泄漏的位置主要有聯(lián)接法蘭、閥門集中處、卸車軟管連接以及壓縮機(jī)等，總結(jié)形成表3中7個(gè)加氫站火焰探測目標(biāo)區(qū)域。參照標(biāo)準(zhǔn)，對于撬裝壓縮機(jī)，以壓縮機(jī)棚為防火邊界，僅劃分I級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層2 m。其他目標(biāo)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層劃分為I級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層2 m，II級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層3 m。各目標(biāo)區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)層幾何網(wǎng)格劃分如圖5所示。由于2臺撬裝壓縮機(jī)設(shè)備及探測器布點(diǎn)方式完全一致，不再做重復(fù)分析，2臺加氫機(jī)的探測器布點(diǎn)方位不同，因此對2臺加氫機(jī)分別進(jìn)行火焰探測覆蓋率分析。

圖5 加氫站火焰探測目標(biāo)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層劃分

表3 加氫站火焰探測目標(biāo)區(qū)域及風(fēng)險(xiǎn)層劃分

3.3 火焰探測覆蓋率分析

加氫站現(xiàn)有火焰探測器布點(diǎn)僅有位置數(shù)據(jù)，具體探測器布置水平角度和垂直角度僅為經(jīng)驗(yàn)方向，沒有具體數(shù)據(jù)。因此，首先優(yōu)化各探測器的布置角度，當(dāng)優(yōu)化角度不能得到滿意結(jié)果時(shí)，對探測器的布點(diǎn)位置同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。

3.3.1 卸氫區(qū)軟管接口

卸氫區(qū)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)由1號火焰探測器進(jìn)行監(jiān)測，使用GCV軟件對卸氫區(qū)的1號火焰探測器角度進(jìn)行調(diào)整，如圖6所示，1號探測器的安裝高度滿足要求，當(dāng)安裝垂直角度為-10°、水平角度為-140°時(shí)，探測器視錐角能夠完全覆蓋卸氫區(qū)軟管接口目標(biāo)區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)層。幾何法計(jì)算所得1號火焰探測器對卸氫區(qū)I級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層的覆蓋率為88.2%，II級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層的覆蓋率為83.7%，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 卸氫區(qū)1號火焰探測器覆蓋示意

3.3.2 撬裝壓縮機(jī)

2個(gè)撬裝壓縮機(jī)的型號及布置完全一致，分別使用2號和3號火焰探測器進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測，分別安裝在壓縮機(jī)棚南側(cè)橫梁的中間，因此只需分析一個(gè)撬裝式壓縮機(jī)，以南側(cè)壓縮機(jī)為例。2號火焰探測器的安裝高度合理，對其安裝角度進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)垂直角度為-37°，水平角度為0°時(shí)，壓縮機(jī)目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)層的覆蓋率最大，如圖7所示，I級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層覆蓋率96.7%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。同理可知3號火焰探測器的最優(yōu)安裝角度為垂直角度-37°、水平角度0°。

圖7 撬裝壓縮機(jī)火焰探測器覆蓋示意

3.3.3 中央控制盤及儲氫罐區(qū)

中央控制盤及儲氫罐區(qū)同時(shí)使用4號及5號兩臺火焰探測器進(jìn)行監(jiān)測，因此對這兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行組合分析。當(dāng)保持4號和5號火焰探測器安裝位置不變時(shí)，對其安裝水平角和垂直角進(jìn)行調(diào)整，最佳角度為4號探測器垂直安裝角度-10°、水平安裝角150°，5號探測器垂直安裝角度-20°、水平-45°時(shí)覆蓋率最大，計(jì)算結(jié)果如表4中優(yōu)化前結(jié)果所示。由數(shù)據(jù)可知，此時(shí)的I級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層覆蓋率仍不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的80%以上，因此需要對4號、5號探測器的位置進(jìn)行優(yōu)化。

表4 中央控制盤及儲氫區(qū)火焰探測器優(yōu)化前后覆蓋率對比 %

優(yōu)化前后的火焰探測覆蓋率見圖8?？梢钥闯觯瑑?yōu)化前4號探測器安裝位置離風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域較近且安裝高度不夠高，使得部分風(fēng)險(xiǎn)層位于其探測盲區(qū)內(nèi)。而5號探測器距離風(fēng)險(xiǎn)層的位置較遠(yuǎn)，使得探測距離不夠。因此調(diào)整兩探測器位置到4號坐標(biāo)為(39, 26, 4.5)、5號坐標(biāo)為(24, 11.8, 3.9)，計(jì)算優(yōu)化后的風(fēng)險(xiǎn)層覆蓋率列于表4中優(yōu)化后結(jié)果。優(yōu)化后，儲氫區(qū)使用雙探測器的I級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層覆蓋率為97%，II級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層覆蓋率為98.8%，均高度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。若火焰探測器采用2ooN報(bào)警系統(tǒng)，優(yōu)化后I級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層的2ooN覆蓋率即為兩個(gè)探測器同時(shí)覆蓋的區(qū)域占比，為60.3%，滿足GB/T 39173—2020標(biāo)準(zhǔn)中不小于60%的要求。

圖8 儲氫區(qū)探測器位置優(yōu)化前-后火焰探測覆蓋率

3.3.4 南側(cè)加氫機(jī)

南側(cè)加氫機(jī)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)由6號和7號兩個(gè)火焰探測器進(jìn)行監(jiān)測，6號和7號探測器分別放置在南側(cè)加氫機(jī)南側(cè)柱子高度5 m位置的東西兩側(cè)。該安裝高度下最佳的安裝角度為兩探測器垂直布置角度均為-40°，6號探測器水平布置角度-10°，7號探測器水平布置角度10°，此時(shí)兩探測器同時(shí)監(jiān)測時(shí)，I級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層覆蓋率為97.9%，II級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層覆蓋率僅為56.2%，II級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。這是因?yàn)橛捎诠鈱W(xué)探測器在視錐角范圍內(nèi)有效，而在越靠近探測器的位置盲區(qū)范圍越大。而6號和7號火焰探測器型號的視距為15 m，因此可以適當(dāng)提高兩探測器的高度，可以有效減小盲區(qū)范圍。經(jīng)過計(jì)算得到將6號和7號探測器上移到7.5 m高度時(shí)，II級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層覆蓋率可以達(dá)到77.2%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。優(yōu)化后I級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層2ooN覆蓋率可以達(dá)到65.7%，優(yōu)化前后的風(fēng)險(xiǎn)層覆蓋率如圖9所示。

圖9 南側(cè)加氫機(jī)探測器位置優(yōu)化前-后火焰探測覆蓋率

3.3.5 北側(cè)加氫機(jī)

北側(cè)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)由8號和9號兩個(gè)火焰探測器進(jìn)行監(jiān)測，與南側(cè)加氫機(jī)類似，8號和9號探測器分別放置在北側(cè)加氫機(jī)北側(cè)柱子高度5m位置的東西兩側(cè)。該安裝高度下最佳的安裝角度為兩探測器垂直布置角度均為-40°，6號探測器水平布置角度-170°，7號探測器水平布置角度170°，此時(shí)兩探測器同時(shí)監(jiān)測時(shí)，I級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層的覆蓋率為98.7%，II級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層的覆蓋率僅為59.2%，II級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。同理，建議將8號和9號探測器上移到7.5m高度，此時(shí)II級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層覆蓋率可以達(dá)到80.7%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。優(yōu)化后I級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層2ooN覆蓋率可以達(dá)到69.2%，優(yōu)化前后的風(fēng)險(xiǎn)層覆蓋率如圖10所示。

圖10 北側(cè)加氫機(jī)探測器位置優(yōu)化前-后火焰探測覆蓋率

4 結(jié)語

對于紫外、紅外等光學(xué)火焰探測器，基于其視錐角等光學(xué)特點(diǎn)，采用空間法對其探測有效性進(jìn)行評估優(yōu)化。空間法最重要的一步為火災(zāi)易發(fā)目標(biāo)區(qū)域的確定及合理的劃分風(fēng)險(xiǎn)層。基于國內(nèi)典型加氫站工藝流程及布局，建立加氫站內(nèi)易發(fā)生氫氣泄漏點(diǎn)火的目標(biāo)區(qū)域庫。針對每個(gè)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)層的劃分，并對該區(qū)域的火焰探測覆蓋率進(jìn)行定量計(jì)算與優(yōu)化。

目前國內(nèi)火焰探測器的布點(diǎn)位置有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，但探測器的布置角度多為經(jīng)驗(yàn)法則，因此定量的的探測器布局及角度優(yōu)化是十分必要的，可以有效避免探測器盲區(qū)的影響。針對加氫站火焰探測器的布點(diǎn)優(yōu)化不僅給出了定量評估火焰探測器有效性的方法，同時(shí)對加氫站中火焰探測器的布局具有指導(dǎo)意義。