基于FLACS的硫化氫檢測器水平布置距離優化

姜春雨，陳國鑫，楊帥，張日鵬，馬浩然，趙祥迪

(中國石化安全工程研究院，山東 青島 266071)

在現代原油加工過程中，高體積分數的硫化氫在許多主要加工裝置中均有分布，隨之帶來了較大的硫化氫泄漏中毒風險，嚴重危害了廠區內職工的生命安全。有毒氣體檢測器是否能夠有效地發揮作用，及時探測到空氣中超標體積分數的硫化氫，第一時間發出警報，使石化企業能夠盡快疏散事故風險區域的職工，是有效應對硫化氫泄漏事故的關鍵一步。有毒氣體檢測器有效發揮作用的影響條件有4個[1-2]： 是否存在設計缺陷，質量是否達標，固定安裝過程是否符合規程，布置位置是否合理。其中，前3項在建廠初期可以經過慎重選型、質量把關、正確安裝，并在日常生產中積極加強維護保養，以保證有毒氣體檢測器的正常運行；而有毒氣體檢測器的布置位置是否合理，則需要通過對不同事故場景下有毒氣體的擴散規律進行研究來確定。

目前針對工業場所可燃及有毒氣體檢測器的布置優化和設計規范，國內外學者進行了一系列研究： Kelsey等[3]模擬了在海上平臺上高壓氣體泄漏的擴散規律，提出優化檢測器布置可以提高對可燃性氣體的檢測效率，提高檢測系統可靠性；Legg等[4]建立了隨機規劃模型來確定石化廠區裝置間可燃及有毒氣體檢測器位置優化；Hampson等[5]研究證明了一氧化碳檢測器布置高度不影響其對于空氣中過量一氧化碳的檢測。王小平等[6]針對密閉空間，提出以時間優先和濃度優先兩個原則對氣體檢測器進行優化；劉璇等[7]針對海上油氣平臺的環境及生產特點，研究了可燃氣體探測器的布置規律；章博等[8]針對高硫原油加工過程中硫化氫泄漏風險，對氣體檢測器高度方面進行了布置優化；張興全等[9]模擬了氣田井內硫化氫氣體在有風和無風狀態下的泄漏擴散過程，提出了有毒氣體檢測器選擇和安裝的具體依據。

目前國內外針對石化企業中硫化氫氣體檢測器的布置研究還較少，同時缺少規律性的探索和總結。在文獻[8]的研究中，僅主要討論了氣體檢測器高度的優化方案，而有關氣體檢測器距離泄漏釋放源的水平距離研究中國尚沒有。本文選用事故后果模擬軟件FLACS[10]，對石化企業中硫化氫氣體檢測器的水平布置距離進行了研究，并結合現行的設計規范，提出了改進意見。

1 現有設計規范

現行最新的石化廠區氣體檢測器設計標準為GB 50493—2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》，該設計規范有關硫化氫氣體檢測器布置的規定如下 ：

1) 有毒氣體檢測器的測量范圍宜設定為0～300%最高容許體積分數(MAC)或0～300%短時間接觸容許體積分數(PC-TWA)。規范中規定硫化氫的最高容許體積分數為1×10-5，即硫化氫氣體檢測器的測量范圍為0～3×10-5。

2) 有毒氣體檢測器的一級報警值應設定為不超過最高容許體積分數或短時間接觸容許體積分數，即硫化氫氣體檢測器的一級報警值為1×10-5。有毒氣體二級報警設定值不得超過10%直接致死體積分數。規范中規定硫化氫直接致死體積分數為4.30×10-4，即硫化氫氣體檢測器二級報警值最大為4.3×10-5。

3) 檢測器的安裝，當檢測密度大于空氣的有毒氣體時，檢測器應靠近泄漏點，安裝高度距離所在地坪0.3～0.6 m。

在GB 50493—2009版規范中，關于有毒氣體檢測器距離泄漏點的水平布置距離沒有進行具體規定。在SH 3063—1999《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》中，規定有毒氣體檢測器與釋放源的距離，室外不宜大于2 m，室內不宜大于1 m。本文將通過模擬驗證其規定室外檢測器水平布置距離的可行性。

2 模擬場景及條件確定

1) 模擬場景。本文主要討論在發生硫化氫泄漏事故后，在事故初期，在事故場景近距離內，硫化氫氣云首次沉降在地面達到GB 50493—2009中規定的有毒氣體檢測器一級報警值1×10-5時的距離(以下稱落地距離)，以此來優化氣體檢測器的水平布置距離，以達到第一時間探測到空氣中異常硫化氫體積分數的目的。

選擇建立小尺寸的模擬場景，計算區域為x軸方向： 0～20 m，最小網格0.1 m，最大網格2 m；y軸方向： 0～200 m，最小網格0.1 m，最大網格10 m；z軸方向： 0～20 m，最小網格0.5 m，最大網格1 m，并對泄漏口周圍進行網格加密。

2) 泄漏孔徑。根據泄漏事故規模，通常把泄漏孔徑劃分為微型(1～3 mm)、小型(3～10 mm)、中型(10～50 mm)、大型(50～100 mm)和特大型(大于150 mm)，硫化氫泄漏點一般在管道上、閥門、法蘭和管道與設備接口處，多為中小型泄漏，而管道、容器和裝置破裂的概率較小[11]，故本文中選取50 mm泄漏孔徑作為模擬條件。

3) 風速。硫化氫檢測器布置位置的確定需要考慮風速條件，為了使提出的布置方案在全國具有一定的適用性，故在風速設定上，需要考慮國內的氣象條件，根據OSGeo中國中心網站2016年最新提供的平均風速分布數據可知,國內石油煉化企業主要集中的東北、華北及華南的平原地區，年平均風速一般不大于5 m/s，考慮到風速對擴散范圍的影響，若檢測器布置過近，則在高風速情景下可能失去探測功能，故本文選取5 m/s作為模擬風速條件。

4) 泄漏方向和泄漏高度。在石化廠區存在硫化氫泄漏風險的裝置中，不同裝置易出現泄漏點的位置不同，并且出現泄漏點的朝向也無法確定，為了研究這種不確定性對硫化氫檢測器水平布置距離的影響，本文主要針對泄漏方向和泄漏高度2個變量進行研究，考慮到生產實際情況，取泄漏方向為水平和垂直、泄漏高度為1～10 m，研究其對硫化氫泄漏擴散落地距離的影響。

3 模擬結果分析

3.1 垂直泄漏氣體檢測研究

如圖1所示，在硫化氫氣體開始由釋放源噴射而出時，本身具有1個垂直地面向上的速度，再受與地面水平的風速影響，硫化氫在泄漏初始會向斜上方擴散，該階段硫化氫擴散的主要影響因素是從壓力容器釋放后而獲得的初始速度。在一段時間后，氣云擴散進入重力沉降階段，由于硫化氫相對分子質量大于空氣，且該階段大氣中的硫化氫體積分數較高，故硫化氫氣云受重力勢能的影響開始向地表擴散。隨著硫化氫氣云在空氣中擴散時間的推移，受大氣湍流的卷吸作用影響，空氣與硫化氫不斷混合稀釋，使氣云密度逐漸降低，該階段是向非重氣擴散過渡階段。對比圖1a)～圖1d)可知，若泄漏高度H較低，則硫化氫氣云在重力沉降階段便會在地表沉降，并隨時間沿風速方向在地表不斷向前推進，擴散距離不斷增大；反之，則在沉降過程中氣云密度便逐漸與大氣接近，在空中繼續沿風向擴散而不會對地表產生影響。

圖1 硫化氫在不同高度垂直泄漏模擬結果示意

在垂直泄漏場景下，統計H為1～10 m時硫化氫氣云在地表首次出現體積分數大于1×10-5時的落地距離L以及落地時間t，見表1所列。

表1 垂直泄漏氣體檢測優化數據統計

由表1可知，當H<2 m時，硫化氫氣云會在釋放源附近擴散到地面，t接近瞬時；當H>7 m時，硫化氫氣云在風速作用下擴散，將不會在地表沉降，在H不變的情況下隨風力繼續沿軸向擴散；當3 m

圖2 硫化氫垂直泄漏時H與L的關系

由圖2可知，在垂直泄漏場景下，H與L呈近似線性關系，將數據擬合得到公式：

L=11.6H-23.2

(1)

結合規范SH 3063—1999可知，當硫化氫泄漏事故發生在H<3 m時，若泄漏方向垂直向上，則可依據設計規范，將有毒氣體檢測器布置在距泄漏高危點2 m處；若3 m8 m，則在垂直泄漏場景下，硫化氫氣云不會在地表沉積，對裝置附近地面上作業的職工無生命危害。

3.2 水平泄漏氣體檢測研究

如圖3所示，在水平泄漏場景下,以釋放源軸向為分界線，在釋放源以下，硫化氫主要表現為重力沉降效應，硫化氫氣體在噴射出來后一部分直接沉降到地面，形成高體積分數區域，對比可知，H越高，L越遠。在釋放源軸向上方，硫化氫氣云受大氣湍流影響，氣云部分向高空擴散，擴散范圍增大，體積分數降低。

在水平泄漏場景下，統計1 m

圖3 硫化氫在不同高度水平泄漏模擬結果示意

H/mL/mt/s1<2.012<2.02312.17423.410534.014645.818759.0218——9——10 ——

由表2可知，當H<4 m時，硫化氫氣云會在釋放源附近擴散到地面，t接近瞬時；當H>4 m時，隨著H增大，t增長，L越遠。水平泄漏場景下，H與L的關系如圖4所示。

圖4 硫化氫水平泄漏時H與L的關系

由圖4可知，在水平泄漏場景下，H與L呈近似線性關系，將數據擬合得到公式：

L=7.9H-29

(2)

結合規范SH 3063—1999可知，當硫化氫泄漏事故發生在H<4 m時，若泄漏方向水平，則可依據設計規范，將有毒氣體檢測器布置在距泄漏高危點2 m處；若H>4 m，則依據經驗公式(2)，在3.0～51.2 m范圍內確定L。此外，由于水平泄漏地表附近大氣湍流效應較少，大量硫化氫在噴射出后直接向地表擴散，故沒有向非重氣擴散轉化的階段，即H>4 m的范圍內與落地距離一直呈近似正比，但考慮到工業應用的普遍情況，10 m以上的泄漏場景較少，故本文只模擬到10 m的泄漏高度。

3.3 不同泄漏方向對比優化

由上文討論分析可知，泄漏方向的不同造成了硫化氫氣云落地距離有較大差別，而在工業生產中，無法預知事故發生的類型，通常只是針對一種泄漏情況來布置有毒氣體檢測器，故需要分析在不同的H情況下，水平與垂直兩種泄漏場景硫化氫落地距離的特點，分析總結出各范圍內能夠成功檢測到兩種泄漏方向及介于其之間方向的泄漏事故的氣體檢測器布置距離，以達到普遍適用于實際生產的目的，并對現行相關規范、標準提出建設性意見。對比兩種泄漏場景氣體檢測優化如圖5所示。

圖5 硫化氫泄漏氣體檢測優化對比示意

1) 當H<3 m時，兩種泄漏場景下，硫化氫氣云均在裝置附近擴散到地面，則按照現行規范對氣體檢測器進行布置即可。

2) 當3 m≤H<7 m時，垂直泄漏硫化氫氣云的L均大于水平泄漏硫化氫氣云的L，故選擇較遠的位置可以更全面地檢測各類事故場景。由表1和表2統計的兩種泄漏場景氣云落地時間可算出，當H為3，4，5，6，7 m場景下，垂直泄漏與水平泄漏的氣云落地時間差分別為5，8，10，10，11 s，即在3 m

當H>7 m時，垂直泄漏的硫化氣云在地表沉降將不會高于工業場所硫化氫最高容許體積分數1×10-5，即不會對廠區內地面上的人員造成健康影響，此時只需針對水平泄漏布置有毒氣體檢測器，其規律符合式(2)要求。

4 結束語

筆者總結了有毒氣體檢測器布置優化對于硫化氫中毒事故應急救援的意義，介紹了現行石化廠區有毒氣體檢測器布置設計規范的內容，運用事故后果模擬軟件FLACS，基于普遍性原則確定了風速和泄漏孔徑條件，結合歷史案例和石化裝置實際情況，討論了泄漏高度和泄漏方向2個條件對硫化氫泄漏初期云團擴散的影響，優化了氣體檢測器布置的水平距離，最后對現行設計規范提出改進意見：

1) 當H<3 m時，可按照現行設計規范布置硫化氫檢測器。

2) 當3 m

3) 當H>7 m時，L與H應符合式(2)要求。

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