基于PHAST 的LNG 接收站可燃氣體探測器布置合理性研究

王乃民 張喜強 吳 鑫 馬思瑤 頓張靜

（海洋石油工程股份有限公司）

LNG 接收站是對船運LNG 進行接收、儲存、汽化及外輸等作業的場站。LNG 的組分主要是甲烷，儲存溫度-162 ℃，具有易燃易爆易蒸發、快速相變及低溫等特性，一旦泄漏會迅速蒸發形成可燃氣云團，遇火源就可能發生火災爆炸，后果嚴重。

為了更好地保障LNG 接收站的安全生產，需要建立一套性能穩定、安全、動作響應及時的可燃氣體探測報警系統［1］。

1 可燃氣探測報警系統布置與覆蓋率要求與現狀

可燃氣探測報警系統通常由可燃氣體探測器（以下簡稱探測器）對主要氣體進行現場探測，中控室邏輯控制器采集報警信號，根據邏輯運算結果啟動相應的消防/報警設備。

國內相關標準對探測器的布置進行了明確規定，但并未對其覆蓋率有所要求，而國外相關標準或執行程序則對覆蓋率提出了具體要求［2］，詳見表1。

表1 標準或執行程序對探測器的布置要求與覆蓋率的要求

報警系統作為LNG 接收站正常運行的重要安全保障，對其可靠性要求非常高，一旦失效會導致泄漏事故進一步擴散， 后果等級嚴重升級。報警系統的整體有效性不僅取決于系統本身的安全可用性和減緩有效性，更取決于探測器的覆蓋率［2，3］，而決定探測器覆蓋率的主要因素則是探測器布置的合理性。

在目前國內實施的項目中，探測器布置一般參照國家標準和行業標準執行，大多是基于傳統經驗方法［4，5］，雖然在平面區域上可能已經覆蓋到所有泄漏點，但受氣象環境差異及探測器表決方式所限， 探測器覆蓋率實際上很難達到要求，從而降低了系統整體的安全完整性等級，因此對探測器覆蓋率進行分析，對于保證可燃氣體報警系統的整體有效性尤為重要。

2 探測器覆蓋率分析方法

探測器覆蓋率分析，實際上就是定量評價泄漏危險事件被探測器有效探測到的概率。 探測器覆蓋率分析主要有幾何覆蓋和情景覆蓋兩種［2］，表2 是兩種方法的優、缺點對比。

表2 探測器覆蓋率常用分析方法優、缺點對比

3 基于PHAST 的泄漏擴散模擬

PHAST （Process Hazard Analysis Software Tool）軟件是由挪威船級社（DNV）公司開發的專門用于石油石化與天然氣領域進行危險分析和安全計算的軟件，已被廣泛應用。 PHAST 軟件內嵌了燃燒(包括池火、噴射火和沸騰液體擴展為蒸氣爆炸）、泄漏和擴散、爆炸和毒氣擴散4 種計算模型。

UDM 模型適用于任何泄漏方式，包括連續泄漏/瞬時泄漏，泄漏的是重氣、中性氣體或浮性氣體。

PHAST 軟件運用UDM 模型描述氣體泄漏擴散過程及其造成的影響，由于模擬結果與現實場景接近，在精準、直觀等方面有著良好的表現。

利用PHAST 軟件進行泄漏擴散模擬的流程如圖1 所示。 首先設置比例尺和坐標原點，然后輸入操作壓力、操作溫度、介質屬性及物料存量等，之后確定小孔、中孔、大孔及完全破裂，泄漏高度（默認1 m）、泄漏方向（默認水平），最后設置風速、大氣穩定度、大氣溫度、相對濕度及太陽輻射通量等，通過圖1 操作步驟得出模擬結果。

圖1 PHAST 軟件泄漏模擬流程

通過對泄漏點進行泄漏擴散模擬，分別計算出LNG 泄漏時間為5 s 和穩態時的擴散距離，表3 是某LNG 儲罐低壓泵管線泄漏擴散數據。

表3 某LNG 儲罐低壓泵管線泄漏擴散數據

LNG 泄漏擴散時20%LEL 和50%LEL 的包絡圖如圖2 所示，通過包絡圖可以計算出擴散的地理范圍。 根據泄漏擴散數據，調整探測器布置 位置，以達到要求的探測器覆蓋率。

圖2 LNG 泄漏擴散時20%LEL 和50%LEL 的包絡圖

4 應用舉例

以某LNG 儲罐罐頂泵平臺為例， 共有4 臺低壓泵，每臺低壓泵在罐頂平臺分布1 根外輸管線，管線上根據現行標準和以往工程項目經驗初步布置的可燃氣探頭如圖3 所示。 可燃氣探測器均為點紅外式，每臺泵布置1 個探測器。 為簡化分析，分8 個風向，N（北）、EN（東北）、E（東）、ES（東南）、S（南）、WS（西南）、W（西）、西北（WN），其中主風向為WN，全年概率65%，其他各風向分別為5%。 每臺泵及管線簡化為1 個泄漏點（中孔泄漏）， 相應的可燃氣探測器布置在泄漏點的主風向下側，本區域所有4 個探測器為1oo4 表決。

圖3 探測器初步布置圖

以其中一臺泵泄漏為例，在主風向時，現有探測器能探測到泄漏， 但1#泵管線泄漏在W 風向和N 風向上可被探測到，2#、3#泵管線泄漏在E、W、N 和WN 風向上可被探測到，4#泵管線泄漏在W、N、E 和WN 風向上可被探測到， 在其他風向時4 臺探測器都不能探測到泄漏（表4）。

由表4 計算得出， 探測器1oo4 的探測覆蓋率為82.5%， 顯然不滿足1ooN 覆蓋率不小于90%的要求。

表4 4 臺探測器的探測結果

改進設計通常改變探測器的布置方位或探測器的表決模式， 但按照目前4 個探測器的設計，在主風向的下風側布置的覆蓋率應該是最大的，以上方法都不能滿足要求。 如果要提高探測器覆蓋率，則需要增加探測器數量。

從經濟合理的角度出發，在主風向下風側和主風向相反180°側分別設置1 臺開路式紅外探測器，如圖4 所示。按照目前的布置，只有1#泵管線在E 風向和EN 風向時沒有探測器能夠探測到泄漏，對于1oo6 表決模式，其他任何情況的泄漏都會被探測到。

由圖4 得到表3 的探測結果見表5， 根據表中數據計算得出，1oo6 模式的探測器覆蓋率達到了97.5%， 滿足行業標準和執行程序對報警動作區域探測器覆蓋率不小于90%的要求。

表5 改進探測器的探測結果

圖4 改進后的探測器布置圖

5 結束語

探測器覆蓋率作為影響可燃氣體探測報警系統整體有效性的重要因素，國內目前還沒有明確要求。 參照國外標準和執行程序，通過PHAST軟件模擬泄漏場景，建立擴散模型，利用得到的泄漏擴散結果進行探測器布置優化設計，并評估探測器布置合理性，提高了探測器覆蓋率，保證了可燃氣體探測報警系統的整體有效性。