撬裝式LNG加氣站可燃?xì)怏w探測器覆蓋率優(yōu)化研究

王一昊,張陽,凌曉東,葛春濤,于安峰

(1. 中石化安全工程研究院有限公司 化學(xué)品安全全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266071;2. 中石化國家石化項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)中心有限公司,山東 青島 266071)

隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展對于環(huán)境保護(hù)要求的提高,中國明確提出了“碳中和、碳達(dá)峰”的技術(shù)路徑。為了確保中國節(jié)能減排策略的有效實(shí)施,液化天然氣(LNG)受到越來越多的重視。撬裝式LNG加氣站是一種可移動(dòng)式加氣站,具有安裝方便、利用率高等優(yōu)勢。但是國內(nèi)的撬裝式LNG加氣站發(fā)展較晚,很多針對撬裝式LNG加氣站的風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)與管理措施還不完善。

在安全風(fēng)險(xiǎn)研究方面,王罡世[1]介紹了撬裝式LNG加氣站的構(gòu)成和特點(diǎn),從總平面布局、防火間距、報(bào)警、控制、滅火系統(tǒng)等方面討論了撬裝式LNG加氣站的消防安全設(shè)計(jì);王云[2]對比了LNG/L-CNG 2種撬裝式加氣站的布局和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),從儲(chǔ)罐安裝、管道設(shè)計(jì)、消防安全等方面分別總結(jié)了2種撬裝式加氣站面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素;李丹妮等[3]總結(jié)了撬裝式LNG加氣站的工藝流程與風(fēng)險(xiǎn)。此外,關(guān)于撬裝式LNG加氣站的安全設(shè)計(jì)[4]和管路設(shè)計(jì)[5]也出現(xiàn)了相關(guān)研究。在早期泄漏預(yù)警及可燃?xì)怏w探測器覆蓋率研究方面,對于撬裝式LNG加氣站研究較少,相關(guān)研究集中在油田生產(chǎn)及儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)。李季[6-7]等針對海上油氣田,綜合分析可燃?xì)怏w泄漏與擴(kuò)散的各項(xiàng)因素,提出了可燃?xì)怏w探測器布置與表決原則;尚勝美[8]等提出了針對浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船的火災(zāi)探測器覆蓋率優(yōu)化方案,采用危險(xiǎn)源辨識(shí)(HAZID)方法對儲(chǔ)油船的重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行災(zāi)害識(shí)別與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分;Cheng[9]等開展了基于雙覆蓋率和可靠性的氣體檢測儀布局優(yōu)化研究,結(jié)合FLACS軟件模擬不同場景下的多種典型泄漏情況,分析了各布局方案的氣體泄漏檢測概率、觸發(fā)報(bào)警的最短時(shí)間和可靠性。

綜上可以看出,目前對于撬裝式LNG加氣站的安全運(yùn)行研究較少,現(xiàn)有的研究大多是對撬裝式LNG加氣站風(fēng)險(xiǎn)的定性評(píng)估,缺乏針對撬裝式LNG加氣站的氣體探測器覆蓋率優(yōu)化研究。因此,本文從撬裝式LNG加氣站的風(fēng)險(xiǎn)研究和安全設(shè)計(jì)出發(fā),建模并通過CFD模擬了可能的泄漏場景,給出了可燃?xì)怏w探測器覆蓋率的優(yōu)化方案,提出了基于場景法撬裝式LNG加氣站風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法。

1 撬裝式LNG加氣站風(fēng)險(xiǎn)分析

撬裝式LNG加氣站是將儲(chǔ)罐、控制裝置以及加氣機(jī)等集成安裝在一個(gè)固定底座上,采用可移動(dòng)的建站型式,通常由LNG儲(chǔ)罐、LNG潛液泵、LNG泵池、增壓器、加熱器、加氣機(jī)、儀表用氣系統(tǒng)、空壓機(jī)以及干燥器等部分組成。撬裝式LNG加氣站具有安全、環(huán)保、占地面積小、安裝方便、可靈活移動(dòng)等優(yōu)勢,成為一種具備良好發(fā)展前景的加氣站類型,在城市處于規(guī)劃建設(shè)階段,應(yīng)用尤為適宜。

1.1 加氣站優(yōu)點(diǎn)

撬裝式LNG加氣站的優(yōu)點(diǎn)如下:

1)集成度高。利用有限的空間達(dá)到最佳的配置效果,減少了設(shè)計(jì)工作量,縮短了設(shè)計(jì)周期。

2)安裝簡便?，F(xiàn)場工程量減少到最小,大幅縮短了工程建設(shè)周期。

3)維護(hù)簡便。撬裝設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的可控制性,可充分簡化其操作程序,利于后期運(yùn)行維護(hù)。

4)節(jié)約投資。批量化生產(chǎn)將大幅降低撬裝設(shè)備的成本,包括設(shè)計(jì)、采購、安裝、運(yùn)行維護(hù)等。

5)可靠性高。撬裝設(shè)備的生產(chǎn)、組裝在工廠內(nèi)完成,充分利用工廠的先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備和檢測設(shè)備。

6)移動(dòng)方便。易于拆裝搬遷,有利于重復(fù)利用,提高投資利用率和應(yīng)用的靈活性。

1.2 加氣站風(fēng)險(xiǎn)

撬裝式LNG加氣站的特殊設(shè)置使其面臨著不同的風(fēng)險(xiǎn)。

1)首要風(fēng)險(xiǎn)來源于LNG的危險(xiǎn)特性。LNG的危害性如下:

a)低溫性。泄漏的LNG會(huì)迅速吸收周圍環(huán)境熱量而氣化,使管道泄漏處周圍的空氣溫度迅速下降;LNG泄漏所出現(xiàn)的冷氣云會(huì)對人體的皮膚造成低溫凍傷的現(xiàn)象,對周邊的設(shè)備、管道、材料等也會(huì)造成較大的破壞。

b)爆炸性。甲烷是天然氣中的主要物質(zhì)之一,具有易燃易爆的特性;LNG在與水接觸之后,兩者之間的熱傳速度非常高,使得水激烈沸騰并噴出水霧,從而造成LNG蒸汽爆炸。

c)窒息性。LNG的主要成分為甲烷,純甲烷對人基本無毒,只有在極高濃度時(shí)成為單純性窒息劑,所以LNG造成人窒息的最根本原因是攝氧量不足。

2)次要風(fēng)險(xiǎn)來源于卸車與存儲(chǔ)過程。卸車過程中的操作不規(guī)范、軟管以及汽化器的損壞均會(huì)帶來泄漏風(fēng)險(xiǎn);存儲(chǔ)過程中出現(xiàn)的過溢問題、安全閥的失效、保冷問題以及液體分層也都會(huì)對撬裝式LNG加氣站帶來較大的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

對于撬裝式LNG加氣站,三種主要風(fēng)險(xiǎn)都來源于LNG的泄漏。因此,氣體探測技術(shù)是辨明泄漏源,及時(shí)查明泄漏原因的關(guān)鍵。對于撬裝式LNG加氣站,需要明確其面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素,合理進(jìn)行安全設(shè)計(jì),優(yōu)化氣體探測的覆蓋率,進(jìn)而提升泄漏早期監(jiān)測預(yù)警能力,這對于泄漏監(jiān)測并制定安全策略具有重要意義。

目前,撬裝式LNG加氣站的設(shè)計(jì)還沒有完整性的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),通常參照城鎮(zhèn)燃?xì)?、工業(yè)金屬管道等設(shè)計(jì)規(guī)范。在區(qū)域布置上,要合理劃分卸車區(qū)、儲(chǔ)存區(qū)、加氣區(qū)、輔助區(qū),劃分爆炸危險(xiǎn)區(qū)域與正常區(qū)域。防火間距和防火規(guī)范可以參照NB/T 1001—2011《液化天然氣(LNG)汽車加氣站技術(shù)規(guī)范》[10]的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

2 覆蓋率研究

撬裝式LNG加氣站的探測器布置的有效性研究依照GB/T 39173—2020《智能工廠安全監(jiān)測有效性評(píng)估方法》[11]和GB/T 50493—2019《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》[12],可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)按場景法進(jìn)行分析,具體流程如圖1所示。根據(jù)文獻(xiàn)[11]的相關(guān)要求,表決方式為“1ooN”的可燃?xì)怏w探測器覆蓋率不小于80%,表決方式為“2ooN”的覆蓋率不小于60%,即認(rèn)為當(dāng)前探測器覆蓋率滿足要求。

圖1 氣體探測器場景法分析流程示意

場景法首先需要對區(qū)域和目標(biāo)氣體定義,然后給出環(huán)境和泄漏定義。在場景定義后便可利用CFD軟件,對所有可能的泄漏場景進(jìn)行計(jì)算,對不滿足覆蓋率規(guī)定要求的場景進(jìn)行探測器布局優(yōu)化,使得最終計(jì)算結(jié)果滿足相關(guān)要求。

撬裝式LNG加氣站設(shè)備、管線分布復(fù)雜,傳統(tǒng)的CFD軟件建模難度大,對模型進(jìn)行離散化所得到的網(wǎng)格質(zhì)量差,不利于模擬計(jì)算。FLACS軟件是石化行業(yè)內(nèi)的常用軟件,可以根據(jù)不同地理?xiàng)l件以及工藝流程靈活設(shè)置參數(shù),對于泄漏等物理過程給出定量的模擬結(jié)果,因此本文采用FLACS軟件開展可燃?xì)怏w探測器布置有效性的評(píng)價(jià)工作。

某撬裝式LNG加氣站工藝壓力為1.2 MPa,工藝溫度為-146 ℃,環(huán)境風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北偏北,平均風(fēng)速均為1.8 m/s,平均氣溫為17.1 ℃。該加氣站主要充裝介質(zhì)為甲烷,爆炸下限(LEL)是5%,爆炸上限(UEL)是15%,該站設(shè)置的催化燃燒型可燃?xì)馓綔y器低限報(bào)警閾值設(shè)定為25%LEL。該加氣站現(xiàn)役可燃?xì)怏w探測器共計(jì)3個(gè),布置位置如圖2所示,在三維模型中按照可燃?xì)怏w探測器實(shí)際位置設(shè)置氣體監(jiān)測點(diǎn)。

圖2 撬裝式LNG加氣站監(jiān)測點(diǎn)布置示意

本次研究結(jié)合撬裝式LNG加氣站實(shí)際情況,選擇了3個(gè)可能的泄漏發(fā)生點(diǎn),分別為接卸軟管、儲(chǔ)罐管線集中處、加氣機(jī)管線,根據(jù)文獻(xiàn)[11]有關(guān)規(guī)定,氣體泄漏量計(jì)算如式(1)所示:

(1)

式中:qm——?dú)怏w泄漏質(zhì)量流量,kg/s;d——?dú)庠浦睆?m;φ1——100%LEL對應(yīng)氣體體積分?jǐn)?shù),%;φ2——低限報(bào)警閾值對應(yīng)的氣體體積分?jǐn)?shù),%;ρ——泄漏氣體密度,kg/m3;v——風(fēng)速,m/s。

加氣站屬于開放空間,可燃?xì)怏w氣云尺寸可按照直徑為10 m來計(jì)算,因此d=10 m,100%LEL時(shí)φ1=5%,φ2=25%LEL,甲烷密度ρ=0.717 kg/m3,風(fēng)速v=1.8 m/s,計(jì)算得到qm=1.2 kg/s,通過FLACS軟件,計(jì)算泄漏孔徑為5 mm。對于每個(gè)泄漏點(diǎn)發(fā)生5 mm小孔泄漏,計(jì)算±x軸,±y軸,±z軸共計(jì)6種泄漏方向。結(jié)合FLACS軟件對該加氣站可能發(fā)生的甲烷泄漏工況進(jìn)行泄漏后甲烷氣云擴(kuò)散情況的數(shù)值模擬,著重關(guān)注云團(tuán)濃度高于25%LEL的部分,評(píng)估現(xiàn)有可燃?xì)怏w探測器對所發(fā)生泄漏的覆蓋情況。

模擬泄漏發(fā)生時(shí)探測器的響應(yīng)情況,共計(jì)算18種泄漏場景,對于每個(gè)泄漏場景采用4位編號(hào),前2位代表泄漏點(diǎn),其中L1,L2,L3分別代表泄漏點(diǎn)位于接卸軟管、儲(chǔ)罐管線集中處、加氣機(jī)管線,后2位代表泄漏方向?！?oo3”“2oo3”分別表示現(xiàn)有3個(gè)探測器中1個(gè)探測器有效探測,現(xiàn)有探測器中2個(gè)探測器有效探測,將計(jì)算結(jié)果匯總后見表1所列。

表1 模擬泄漏發(fā)生時(shí)探測結(jié)果

3 結(jié)果與討論

通過對該撬裝式加氣站進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研與模擬,得出結(jié)論如下: 撬裝式加氣站3個(gè)泄漏點(diǎn)模擬的18個(gè)工況中,15個(gè)工況實(shí)現(xiàn)“1ooN”有效,11個(gè)工況實(shí)現(xiàn)“2ooN”有效,能夠滿足文獻(xiàn)[11]中8.5節(jié)的要求。針對目前探測器盲區(qū)的工況,對探測器布置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),主要的結(jié)果及建議如下:

1)目前對于接卸軟管向西方向發(fā)生的泄漏,無有效的探測途徑,且在主導(dǎo)風(fēng)向東北偏北的作用下,該泄漏后果會(huì)加劇。建議在接卸區(qū)西側(cè)增設(shè)可燃?xì)怏w探測器,該可燃?xì)怏w探測器可以同時(shí)監(jiān)測加氣機(jī)管線向西方向的泄漏。通過增設(shè)接卸區(qū)西側(cè)可燃?xì)怏w探測器,該LNG加氣站的“1ooN”覆蓋率可以實(shí)現(xiàn)從83%增至94%,“2ooN”覆蓋率可以實(shí)現(xiàn)從61%增至72%,顯著提升了該LNG加氣站的可燃?xì)怏w探測器覆蓋率,保障了LNG泄漏的早期監(jiān)測預(yù)防水平。

2)雖然環(huán)境風(fēng)可以一定程度上稀釋甲烷濃度,減少其聚集,然而在不利風(fēng)向下,甲烷可能會(huì)聚集在高擁塞度區(qū)域,進(jìn)而導(dǎo)致可燃?xì)庠屏吭龃?發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)隨之增加。因此,對加氣站進(jìn)行布局時(shí)應(yīng)充分考慮風(fēng)向的影響,在不利風(fēng)向下考慮設(shè)置可燃?xì)怏w探測器。

3)在日常生產(chǎn)運(yùn)行過程中,應(yīng)注意對可燃?xì)怏w探測器定期檢測與校準(zhǔn),確保探測器正常運(yùn)行;同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)人員安全培訓(xùn),制定詳盡的應(yīng)急預(yù)案,在泄漏等緊急事件發(fā)生時(shí),可以迅速進(jìn)行處置,將危害降至最低。

4 結(jié)束語

通過對該撬裝式LNG加氣站風(fēng)險(xiǎn)分析和可燃?xì)怏w探測器覆蓋率分析及優(yōu)化,保證了加氣站的安全平穩(wěn)運(yùn)行,為同類LNG加氣站的風(fēng)險(xiǎn)分析及探測器布置優(yōu)化提供了參考。該項(xiàng)目的研究可以得出以下結(jié)論:

1)開展撬裝式LNG加氣站的安全設(shè)計(jì)至關(guān)重要,通過制定標(biāo)準(zhǔn)化的安全策略,嚴(yán)格的操作規(guī)定等方式提高撬裝式LNG加氣站的安全運(yùn)行能力。在撬裝式LNG加氣站設(shè)計(jì)方面,國內(nèi)目前還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),存在對于安全性的設(shè)計(jì)點(diǎn)考慮不周等問題。因此,需要國家盡快明確具體的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),出臺(tái)相關(guān)政策,保證撬裝式加氣站設(shè)計(jì)的規(guī)范性。同時(shí),撬裝式LNG加氣站由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式,需要開展針對性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與安全設(shè)計(jì)工作,辨識(shí)LNG加氣站運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),確保其安全長遠(yuǎn)運(yùn)行。

2)在注重安全設(shè)計(jì)的同時(shí),也要進(jìn)一步加強(qiáng)安全管理?？梢钥紤]從安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、操作規(guī)章制度化、設(shè)備維護(hù)日?；嵘踩芾硭?。

3)目前,國內(nèi)針對探測器的布點(diǎn)位置已經(jīng)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù),但在探測器的布置過程中還存在一定程度的經(jīng)驗(yàn)做法,因此對探測器布局及覆蓋率的優(yōu)化是十分必要的,可以有效避免探測器盲區(qū),增加LNG加氣站安全性,將風(fēng)險(xiǎn)降至最低?；贔LACS軟件的可燃?xì)怏w探測器有效性評(píng)價(jià)方法可以考慮不同環(huán)境、地形、探測器布置等因素,計(jì)算效果也令人滿意,值得在相關(guān)研究中繼續(xù)推廣。