大風天氣對開放式區域可燃氣體探測器選型的影響

王琴梅 林盛陽

（1.國家管網西部管道公司塔里木輸油氣分公司；2.中國石油塔里木石化分公司）

油氣站場可燃氣體泄漏會造成設備損壞、環境污染、火災、爆炸甚至人員傷亡等后果。根據GB 50183—2004 《石油天然氣工程設計防火規范》和GB/T 50493—2019 《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》的要求，應在任何可能泄漏可燃氣體的地方設計可燃氣體探測器［1，2］。

在開放式區域中，可燃氣體無法形成有效聚集，導致傳統的固定式可燃氣體探測器無法有效檢測可燃氣體的泄漏。 隨著可燃氣體泄漏檢測技術的不斷發展，近年來出現了超聲氣體泄漏探測器、激光對射可燃氣體探測器及云臺掃描式激光可燃氣體探測器等，可實現對開放式區域可燃氣體泄漏的有效檢測，目前已在國內部分油氣行業得到應用，取得了較好的效果［3～6］。

大風天氣下，開放式區域泄漏的可燃氣體易被快速吹散，因此對可燃氣體探測器的性能提出了更高要求。 筆者選擇超聲氣體泄漏探測器、激光對射可燃氣體探測器和云臺掃描式激光可燃氣體探測器這3 種探測器，通過模擬大風天氣對開放式區域可燃氣體泄漏檢測的影響，給出可燃氣體探測器的選型建議。

1 3 種可燃氣體探測器

1.1 超聲氣體泄漏探測器

超聲氣體泄漏探測器采用聲學檢測原理，對帶壓氣體泄漏時產生的超聲波信號進行自動檢測，探測半徑為15 m，具有響應時間短的特點，適用于氣體不易聚集的開放性區域，但該類型探測器對環境背景噪聲非常敏感，直接影響其有效覆蓋面積，且存在一定的誤報率。 目前，超聲氣體泄漏探測器主要為國外進口設備， 市場價格在10萬～12 萬元［7～9］。

1.2 激光對射可燃氣體探測器

激光對射可燃氣體探測器基于可調諧激光光譜吸收原理，通過不同氣體分子之間具有互不干擾的波長吸收特性對可燃氣體濃度進行測量，可測量濃度大于200ppm （1ppm=0.001‰VOL）的天然氣泄漏，最大橫向覆蓋距離為35 m，具有探測精度高、單個設備探測距離長和覆蓋范圍廣的特點，更容易探測到微量泄漏。 但該探測器受大風影響較大，存在一定的漏報率。 目前，激光對射可燃氣體探測器已有國產設備， 市場價格在12萬～16 萬元。

1.3 云臺掃描式激光可燃氣體探測器

云臺掃描式激光可燃氣體探測器基于光譜吸收原理和主動探尋激光檢測原理，可實現360°無死角實時在線探測， 探測距離較遠，5%精度內最低有效半徑為50 m。但由于激光無法穿透遮擋物，故該類型探測器不適用于站場工藝管道布置高低錯落且數量較多的場合。 目前，國內設備制造廠家技術可靠，國產云臺掃描式激光可燃氣體探測器的現場應用效果較好， 形成了一定規模，市場價格在25 萬～30 萬元［3］。

2 大風天氣對可燃氣體泄漏檢測的影響

以某法蘭面泄漏點為例， 在0～25 m/s 風速之間每隔5 m/s 設置一個計算工況， 采用三維CFD 軟件FLACS 進行仿真模擬， 分析大風天氣對可燃氣體泄漏檢測的影響［10～12］。

設可燃氣體云團濃度大于200ppm， 當無風力作用時， 云團噴射方向一直向前， 分布如圖1所示，其中藍色網面為可燃氣體探測器掃描的有效面，此時云團可觸發可燃氣體探測器報警。

圖1 無風力作用時可燃氣體云團分布

在5 m/s 風速作用下， 可燃氣體云團偏離了原來的噴射方向，沿著風力的方向飄散（圖2），可觸發可燃氣體探測器報警，此時橫向覆蓋距離為36 m。

圖2 風速為5 m/s 時可燃氣體云團分布

在10 m/s 風速作用下，可燃氣體云團偏離原噴射方向，沿風力方向飄散，可觸發可燃氣體探測器報警，此時橫向覆蓋距離為23 m，云團明顯縮小，如圖3 所示。 在15 m/s 風速作用下，云團仍可觸發可燃氣體探測器報警，但橫向覆蓋距離縮短至16 m，云團明顯縮小，如圖4 所示。

圖3 風速為10 m/s 時可燃氣體云團分布

圖4 風速為15 m/s 時可燃氣體云團分布

在20 m/s 風速作用下， 可燃氣體云團仍可觸發可燃氣體探測器報警，但已至云團邊界，橫向覆蓋距離縮短至9 m，云團較之前明顯減小，如圖5所示。在25 m/s 風速作用下，可燃氣體云團已無法觸發可燃氣體探測器報警（圖6），探測器所在位置云團濃度約為100ppm，低于報警濃度。 即當風速超過25 m/s 時， 由于所形成的可燃氣體云團濃度較低，導致可燃氣體探測器難以發揮探測效果。

圖5 風速為20 m/s 時可燃氣體云團分布

圖6 風速為25 m/s 時可燃氣體云團分布

3 可燃氣體探測器的選型

以西氣東輸管線某壓氣站場為例，該開放式工藝區前后匯管的間距為25.5 m，根據實際情況建立三維仿真模型如圖7 所示。

圖7 開放式工藝區的三維仿真模型

針對此工藝區分析所有可能存在的泄漏點，對距離相近的泄漏點進行適當合并， 共計42 個泄漏點。 同時，考慮平均風速、最大風速和高頻風向的影響以及工藝區設備的陣列特性，每個泄漏點根據實際情況計算多個泄漏方向，共計108 個計算工況。

參考英國安全與健康執行局（HSE）《Offshore Hydrocarbon Releases Statistics and Analysis》附錄2 部分，按照可能會引起潛在災害的程度，將可燃氣體泄漏分為3 個等級： 微量泄漏0.0～0.1 kg/s，中型泄漏0.1～1.0 kg/s， 大量泄漏1.0 kg/s 或者更大。 該壓氣站場開放式區域可燃氣體探測器的選擇需要滿足中型泄漏和大量泄漏的檢測與報警要求，同時還應滿足一定微量泄漏的檢測要求。

在開放式區域可燃氣體探測器選型過程中，當可燃氣體泄漏濃度為0～10 000ppm 時，激光對射可燃氣體探測器應作為首選，因為其探測精度高，單個設備的探測距離長、覆蓋范圍廣，更容易探測到微量泄漏。 馬振軍［13］指出激光對射可燃氣體探測器的最大探測距離為9 m，超過9 m 后，可燃氣體濃度明顯下降， 雖然還在探測范圍之內，但氣團在風力作用下出現了中間階段的低濃度區域，所以為了實現該區域的完全覆蓋，加上兩端邊界及調壓區域的保護，對于無風站場或者平均風速在5 m/s 以內且少有風速超過25 m/s 的站場，布置4 臺激光對射可燃氣體探測器和1 臺超聲氣體泄漏探測器，以實現壓氣站場工藝區的全覆蓋，如圖8 所示。

圖8 某壓氣站場工藝區可燃氣體探測器布置圖

當風速達到10 m/s 時，單臺激光對射可燃氣體探測器只能覆蓋23 m 以內的區域。 當風速達到15 m/s 時，單臺激光對射可燃氣體探測器只能覆蓋16 m 以內的區域， 如果要在該風速條件下實現全覆蓋則需增加一臺探測器。 當風速超過25 m/s 時，在風力的作用下，泄漏的可燃氣體很容易被快速吹散，很難聚集，此時激光對射可燃氣體探測器很難發揮作用，故可以采用云臺掃描式激光可燃氣體探測器和超聲氣體泄漏探測器相搭配的檢測方式。

4 結束語

對于易發生大風天氣的開放式區域，微量的可燃氣體泄漏不易形成氣體云，采用激光對射可燃氣體探測器會存在一定的漏報；超聲氣體泄漏探測器對于微量泄漏的檢測效果較差；云臺掃描式激光可燃氣體探測器可實現360°無死角探測，且探測精度高、響應時間短，但其成本最高，應用經驗不足，穩定性和可靠性還需要經過時間的驗證。 因此，在開放式區域可燃氣體探測器選型時，需要根據現場大風等級，結合不同類型可燃氣體探測器的靈敏度、檢測半徑、可靠性、經濟性和使用壽命，選擇不同類型的可燃氣體探測器或者互相搭配的方式實現可燃氣體的在線檢測與報警。