罐區可燃氣體探測器優化設置研究進展

王旭，廖柯熹，彭善碧，何國璽，文靜，王星宇

(1.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；2.西南石油大學 土木工程與測繪學院，四川 成都 610500；3.中國石油西南油氣田公司安全環保與技術監督研究院，四川 成都 610041；4.四川川港燃氣有限責任公司，四川 成都 610000)

隨著儲罐大型化、集約化發展，油庫罐群林立，雖然給石油儲備提供了便利，但同時蘊藏著巨大風險，極易引起火災爆炸，甚至引發后果更為嚴重的多米諾效應[1]。可燃氣體探測器作為重要的保護層持續監控現場，可以最大限度減少事故，防止事故升級[2]。但現場探測器布置往往不合理，導致漏檢或不能及時發現泄漏，國內外學者圍繞氣體探測器設置展開了大量研究，主要基于傳統定性布置法、氣體泄漏擴散后果、數學規劃優化布局三個階段。

1 可燃氣體探測器設置方法

1.1 基于傳統定性布置方法

在石油化工領域，通常是結合相關標準規范和工作經驗來布置氣體探測器[3]，該方法主要通過辨識危險泄漏源、分析氣體泄漏風險區域以及考慮探測器的使用要求等因素來制定布置方案。

國內外均出臺了氣體檢測器設置的相關標準以供參考，見表1～表2，主要對探測器的選型、安裝、測試和校準等方面進行了規定。在相關標準規范的基礎上，許多學者與工作經驗結合展開了應用。海上平臺的經驗法則規定在形成直徑為5 m的可燃氣云前必須檢測到泄漏，A Kelsey[4]基于該準則設置探測器間隔為5 m，評估了海上平臺可燃氣體探測系統。蘇鋒[5]認為在室外面積較大的區域可采取重點泄漏點單獨布設與均勻布設相結合的方式，均勻布設時，各檢測點之間的距離為10～20 m。秦麗影[6]認為可燃氣體探測器的布置首先要確定潛在泄漏點，根據嚴重程度劃分A、B、C三個等級，然后結合空氣流動、泄漏氣體密度等推測流動趨勢，在其流動下游位置初設監測點，再根據泄漏狀態、場所調整監測點位置。李季[7]針對海洋平臺提出一種將超聲波、開路式、點式紅外可燃氣體探測器結合的綜合布置方案：在潛在泄漏點布置點紅外探測器，距離控制在7.5 m 左右，安裝高度在泄漏點上方1.4～1.7 m；開路式探測器發送端與接收端距離為35 m 左右，安裝高度為2.3～2.7 m；在壓力大于1.5 MPa的高壓區域布置超聲式探測器，高度為泄漏點上方1.5～2 m 處。美國化工過程安全中心CCPS認為通風小的建筑物內氣體探測器間隔為4 m，體積大于1 000 m3的密閉和半密閉空間內氣體探測器間隔為5 m，基于CCPS指南及布置場景，A J Benavides-Serrano[8]設置探測器間距為5 m，采用體積法對探測器布局進行了研究。

表1 國內相關標準Table 1 Related domestic standards

表2 國外相關標準Table 2 Related foreign standards

上述方法對探測器的放置位置提出了建議，實際操作性強，但屬于一般原則性的指導，且未對泄漏后果進行有效的量化評估，缺乏數據支撐，精確度較低，在實際應用中過于主觀，對于平衡探測器數量(安全投資)和檢測效率(降低風險)還有待進一步研究，因此傳統“處方式”的布置方法具有一定局限性。

1.2 基于氣體泄漏擴散后果

氣體的泄漏擴散屬于復雜的流體運動過程規律，受諸多因素影響，如泄漏位置、泄漏方向、風向、風速及障礙物等，為了使氣體探測器的布置符合氣體擴散，提高氣體探測器設置的有效性，國內外學者在相關標準、經驗基礎上，模擬氣體泄漏擴散后果，從而確定探測器布局[15]。

A Kelsey對海上高壓氣體泄漏擴散進行模擬實驗，研究了探測器數量、安裝位置、選型(紅外點式和線式)對檢測效果的影響，并進一步分析檢驗了探測器布置方案對探測器系統的敏感性[16]。S DeFriend[17]、J Kwan Seo 等[18]通過CFD 模擬獲取可燃氣體泄漏擴散后的云團分布結果，分別從不同角度考慮泄漏發生概率、風場聯合分布概率、探測器失效概率等因素組合來評估泄漏場景的風險大小，從而提出考慮風險指標的可燃氣體探測器的布置方法。E Mariotti[19]以探測器檢測范圍對典型泄漏場景的覆蓋率大小作為探測器布置優化的依據。章博基于CFD 模擬后果先后開展了許多氣體探測器優化布置研究，首先針對某高含硫氣田集氣站天然氣泄漏，構建三維模型并將氣體探測器設置為模型中的監測點，根據監測點氣體濃度信息對可燃氣體探測器布置高度、可燃及有毒氣體探測器探測有效性及報警時間進行分析，從而確定優化布置方案[20-21]；隨后提出一套針對高硫原油加工裝置的氣體探測器優化布置技術方案[22]；緊接著提出一種基于泄漏場景集的煉油裝置有害氣體泄漏區域風險等級劃分方法，通過辨識泄漏源、統計風場聯合分布情況，較為系統地構建了氣體泄漏場景集，并結合模擬計算劃分有害氣體泄漏區域風險等級，提出了符合氣體擴散規律的探測器布置方法[23]。王彬[24]根據ISA84的MOON投票安排方法，對大型LNG儲罐的探測器進行布局優化，優化前在下風向每隔15 m設置一個監測點，再通過FLACS模擬LNG泄漏擴散，根據報警上下限及響應時間(30 s內)，得到覆蓋范圍內的監測點，即優化后的監測點。R Roman[25]對潛在氣體泄漏場景從8個風向分別進行了CFD動態模擬，并結合標準建議距潛在釋放源2 m氣體濃度不超過20% LFL，從而設置氣體探測器，作者還通過包含不同類型幾何單元(高障礙物、低障礙物和無障礙物)的泄漏場景里應用了該方法。姜春雨[26]采用FLACS軟件建立小尺寸場景模擬H2S泄漏擴散，分析不同泄漏高度、泄漏方向H2S濃度分布，研究氣體檢測器布置的水平距離和高度，并對現有設計規范提出改進意見：當泄漏點低于3 m時，按照現行設計規范布置氣體檢測器；當泄漏點介于3～7 m時，氣體檢測器布置水平距離D與泄漏高度H滿足D=12H-24；當泄漏點高于7 m時，則滿足D=8H-29。 趙剛[27]通過建立海洋平臺三維模型，進行不同泄漏位置、泄漏方向、泄漏速率下甲烷氣體泄漏擴散仿真，根據現場監測設備分布情況及仿真得到的實時氣體濃度場，建議在狹小空間內增設探測器，減少底層甲烷氣體探測器數量，去除頂層甲板甲烷氣體檢測點。

根據模擬氣體泄漏擴散后果確定探測器布置方案屬于定量方法，相較于定性方法，該方法具有較好的數據支持，增加了氣體探測器設置的可信度，但該方法難以對泄漏場景進行逐一評估，且未能系統量化目標區域氣體泄漏擴散的整體風險情況。

1.3 基于數學規劃優化布局

影響氣體泄漏風險有諸多不確定因素，導致探測器的布局極其困難，這些因素包括泄漏條件、流體性質、擴散特性、工藝設備幾何形狀和檢測設備等[28]。上述方法雖在一定程度上提高了探測器設置的可信度，但涵蓋的場景數量有限、風險的表征不夠完善，為進一步提高氣體探測器布局的科學性、有效性，實現在各種可能泄漏場景下檢測性能綜合表現最優，學者在選該問題的研究中引入了數學規劃思維。

R W Lee[29]和C Gencer[30]結合典型場景的風場、風險致因條件和氣體泄漏擴散面積等因素，分別構建了布置探測器的風險覆蓋優化模型和最大期望覆蓋優化模型。S Jung 將風險分析和經濟決策融合到設備優化選址布局問題中，構建了化工裝置的選址優化目標函數，并分別用混合整數線性規劃方法[31]和非線性規劃方法[32]解決了化工裝置平面選址布局問題。S W Legg采用FLACS 軟件模擬了由泄漏位置、工藝條件、風況等多種不確定因素融合的泄漏場景，通過混合整數線性規劃方法求解了檢測所有場景所需的最少探測器數量、使用固定數量探測器的最小檢測時間等問題，基于前期成果，先后又提出考慮事故危害系數的SP模型，考慮覆蓋約束SPC模型[33]，考慮條件風險值的SP-CVaR模型和SPC-CVaR模型[34]，結果表明改進模型顯著提升了探測器檢測效果。A J Benavides-Serrano為加強氣體探測系統的容錯性，基于SP模型考慮探測器的不可用性和冗余表決邏輯，提出了SP-U模型和SP-UV模型[35]；隨后，基于探測器失效的動態非均勻特性，進一步提出了SPqt模型[36]，結果表明明顯提升了優化方案的系統性和安全穩定性。

傳統以典型或等概率泄漏場景為代表的氣體探測器選址優化方法未能體現真實風險，章博融合泄漏源和風場等重要隨機因素構建近似真實的泄漏場景集，結合場景后果嚴重程度與場景發生概率量化泄漏場景風險，根據工程計算準確性與經濟性的最佳平衡點，在保證風險覆蓋率的前提下優選最大可信場景，建立并模擬CFD三維精細模型，得到符合現場的氣體擴散實時濃度數據，以累積檢測報警時間最小化為優化目標，檢測器數量、場景覆蓋率為約束條件，采用量子粒子群算法求解探測器最優布局，結果表明優化方案使36%泄漏場景的檢測報警時間降低 90%以上[37]；為進一步考慮場景后果的長尾分布問題、探測器的安全失效和危險失效問題，建立了考慮不可用性、表決邏輯和條件風險值約束的風險最小化MRPMP-UVCVaR模型[38]；隨后以考慮泄漏場景概率和探測器失效概率的累積檢測時間期望值反映時效性，以由于首選探測器失效，增加的檢測時間符合可接受標準的數量值反映魯棒性，并結合邏輯約束條件建立了失效情景下氣體探測器多目標布置優化數學模型[39]。A Rad[40]基于已提出的MCLP和SP-UV兩個模型，結合多級冗余機制，提出了分別考慮覆蓋率和檢測時間兩個性能指標的MCLPm模型和SP-Vm模型，結果表明改進模型優于原模型。C Zhou等[2]以累積死亡率CDP和成本效益率CBR最小化為目標，提出了MLOM-CB多目標優化模型，隨后又基于泄漏源數據庫和風場構造事故場景集CASS，提出了考慮場景概率和探測器可靠性的MCDT-SPR模型[41]，結果表明，多目標優化模型提高了氣體探測器系統的檢測效率以及投資決策的靈活性。

氣體探測器選址優化，是在符合氣體泄漏擴散規律的基礎上，結合優化算法制定最合理的探測器布置方案，相較于前兩個階段，這一階段的方法使得探測器布局更科學，可靠性、實用性更強。

2 結論及啟示

氣體探測器布局優化領域的研究方法主要分為定性和定量兩大類，其中，定性方法主要依據經驗和標準制定探測器布設方案，實際操作性強，但沒有具體的定量指標，屬于一般原則性指導，導致其檢測有效性與靈敏性不高；定量方法的研究前期，主要基于氣體泄漏擴散后果的高危風險區域重點布設探測器，該方法具有較好的數據支持，增加了設置方案的可信度，但該方法未能系統量化整體風險；隨著課題的深入，基于數學規劃方法優化探測器布局成為研究熱點，該方法能實現在各種可能泄漏場景下探測器檢測性能綜合表現最優，使得探測器布局更科學，更可靠。

上述研究方法為罐區可燃氣體探測器的設置提供了參考。未來還需進一步分析更大和更完整的數據集，研究多元隨機變量影響下探測器選址多目標優化問題，不斷提高優化模型的實用性，并用實驗驗證方法的有效性及適用性。