基于PHAST 的LNG 接收站可燃?xì)怏w探測(cè)器布置合理性研究

王乃民 張喜強(qiáng) 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(duì)船運(yùn)LNG 進(jìn)行接收、儲(chǔ)存、汽化及外輸?shù)茸鳂I(yè)的場(chǎng)站。LNG 的組分主要是甲烷，儲(chǔ)存溫度-162 ℃，具有易燃易爆易蒸發(fā)、快速相變及低溫等特性，一旦泄漏會(huì)迅速蒸發(fā)形成可燃?xì)庠茍F(tuán)，遇火源就可能發(fā)生火災(zāi)爆炸，后果嚴(yán)重。

為了更好地保障LNG 接收站的安全生產(chǎn)，需要建立一套性能穩(wěn)定、安全、動(dòng)作響應(yīng)及時(shí)的可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)［1］。

1 可燃?xì)馓綔y(cè)報(bào)警系統(tǒng)布置與覆蓋率要求與現(xiàn)狀

可燃?xì)馓綔y(cè)報(bào)警系統(tǒng)通常由可燃?xì)怏w探測(cè)器（以下簡(jiǎn)稱探測(cè)器）對(duì)主要?dú)怏w進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，中控室邏輯控制器采集報(bào)警信號(hào)，根據(jù)邏輯運(yùn)算結(jié)果啟動(dòng)相應(yīng)的消防/報(bào)警設(shè)備。

國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)探測(cè)器的布置進(jìn)行了明確規(guī)定，但并未對(duì)其覆蓋率有所要求，而國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或執(zhí)行程序則對(duì)覆蓋率提出了具體要求［2］，詳見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)或執(zhí)行程序?qū)μ綔y(cè)器的布置要求與覆蓋率的要求

報(bào)警系統(tǒng)作為LNG 接收站正常運(yùn)行的重要安全保障，對(duì)其可靠性要求非常高，一旦失效會(huì)導(dǎo)致泄漏事故進(jìn)一步擴(kuò)散， 后果等級(jí)嚴(yán)重升級(jí)。報(bào)警系統(tǒng)的整體有效性不僅取決于系統(tǒng)本身的安全可用性和減緩有效性，更取決于探測(cè)器的覆蓋率［2，3］，而決定探測(cè)器覆蓋率的主要因素則是探測(cè)器布置的合理性。

在目前國內(nèi)實(shí)施的項(xiàng)目中，探測(cè)器布置一般參照國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，大多是基于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法［4，5］，雖然在平面區(qū)域上可能已經(jīng)覆蓋到所有泄漏點(diǎn)，但受氣象環(huán)境差異及探測(cè)器表決方式所限， 探測(cè)器覆蓋率實(shí)際上很難達(dá)到要求，從而降低了系統(tǒng)整體的安全完整性等級(jí)，因此對(duì)探測(cè)器覆蓋率進(jìn)行分析，對(duì)于保證可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)的整體有效性尤為重要。

2 探測(cè)器覆蓋率分析方法

探測(cè)器覆蓋率分析，實(shí)際上就是定量評(píng)價(jià)泄漏危險(xiǎn)事件被探測(cè)器有效探測(cè)到的概率。 探測(cè)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(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比。

表2 探測(cè)器覆蓋率常用分析方法優(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比

3 基于PHAST 的泄漏擴(kuò)散模擬

PHAST （Process Hazard Analysis Software Tool）軟件是由挪威船級(jí)社（DNV）公司開發(fā)的專門用于石油石化與天然氣領(lǐng)域進(jìn)行危險(xiǎn)分析和安全計(jì)算的軟件，已被廣泛應(yīng)用。 PHAST 軟件內(nèi)嵌了燃燒(包括池火、噴射火和沸騰液體擴(kuò)展為蒸氣爆炸）、泄漏和擴(kuò)散、爆炸和毒氣擴(kuò)散4 種計(jì)算模型。

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

PHAST 軟件運(yùn)用UDM 模型描述氣體泄漏擴(kuò)散過程及其造成的影響，由于模擬結(jié)果與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景接近，在精準(zhǔn)、直觀等方面有著良好的表現(xiàn)。

利用PHAST 軟件進(jìn)行泄漏擴(kuò)散模擬的流程如圖1 所示。 首先設(shè)置比例尺和坐標(biāo)原點(diǎn)，然后輸入操作壓力、操作溫度、介質(zhì)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(rèn)1 m）、泄漏方向（默認(rèn)水平），最后設(shè)置風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、大氣溫度、相對(duì)濕度及太陽輻射通量等，通過圖1 操作步驟得出模擬結(jié)果。

圖1 PHAST 軟件泄漏模擬流程

通過對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行泄漏擴(kuò)散模擬，分別計(jì)算出LNG 泄漏時(shí)間為5 s 和穩(wěn)態(tài)時(shí)的擴(kuò)散距離，表3 是某LNG 儲(chǔ)罐低壓泵管線泄漏擴(kuò)散數(shù)據(jù)。

表3 某LNG 儲(chǔ)罐低壓泵管線泄漏擴(kuò)散數(shù)據(jù)

LNG 泄漏擴(kuò)散時(shí)20%LEL 和50%LEL 的包絡(luò)圖如圖2 所示，通過包絡(luò)圖可以計(jì)算出擴(kuò)散的地理范圍。 根據(jù)泄漏擴(kuò)散數(shù)據(jù)，調(diào)整探測(cè)器布置 位置，以達(dá)到要求的探測(cè)器覆蓋率。

圖2 LNG 泄漏擴(kuò)散時(shí)20%LEL 和50%LEL 的包絡(luò)圖

4 應(yīng)用舉例

以某LNG 儲(chǔ)罐罐頂泵平臺(tái)為例， 共有4 臺(tái)低壓泵，每臺(tái)低壓泵在罐頂平臺(tái)分布1 根外輸管線，管線上根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和以往工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)初步布置的可燃?xì)馓筋^如圖3 所示。 可燃?xì)馓綔y(cè)器均為點(diǎn)紅外式，每臺(tái)泵布置1 個(gè)探測(cè)器。 為簡(jiǎn)化分析，分8 個(gè)風(fēng)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(fēng)向?yàn)閃N，全年概率65%，其他各風(fēng)向分別為5%。 每臺(tái)泵及管線簡(jiǎn)化為1 個(gè)泄漏點(diǎn)（中孔泄漏）， 相應(yīng)的可燃?xì)馓綔y(cè)器布置在泄漏點(diǎn)的主風(fēng)向下側(cè)，本區(qū)域所有4 個(gè)探測(cè)器為1oo4 表決。

圖3 探測(cè)器初步布置圖

以其中一臺(tái)泵泄漏為例，在主風(fēng)向時(shí)，現(xiàn)有探測(cè)器能探測(cè)到泄漏， 但1#泵管線泄漏在W 風(fēng)向和N 風(fēng)向上可被探測(cè)到，2#、3#泵管線泄漏在E、W、N 和WN 風(fēng)向上可被探測(cè)到，4#泵管線泄漏在W、N、E 和WN 風(fēng)向上可被探測(cè)到， 在其他風(fēng)向時(shí)4 臺(tái)探測(cè)器都不能探測(cè)到泄漏（表4）。

由表4 計(jì)算得出， 探測(cè)器1oo4 的探測(cè)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(tái)探測(cè)器的探測(cè)結(jié)果

改進(jìn)設(shè)計(jì)通常改變探測(cè)器的布置方位或探測(cè)器的表決模式， 但按照目前4 個(gè)探測(cè)器的設(shè)計(jì)，在主風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)布置的覆蓋率應(yīng)該是最大的，以上方法都不能滿足要求。 如果要提高探測(cè)器覆蓋率，則需要增加探測(cè)器數(shù)量。

從經(jīng)濟(jì)合理的角度出發(fā)，在主風(fēng)向下風(fēng)側(cè)和主風(fēng)向相反180°側(cè)分別設(shè)置1 臺(tái)開路式紅外探測(cè)器，如圖4 所示。按照目前的布置，只有1#泵管線在E 風(fēng)向和EN 風(fēng)向時(shí)沒有探測(cè)器能夠探測(cè)到泄漏，對(duì)于1oo6 表決模式，其他任何情況的泄漏都會(huì)被探測(cè)到。

由圖4 得到表3 的探測(cè)結(jié)果見表5， 根據(jù)表中數(shù)據(jù)計(jì)算得出，1oo6 模式的探測(cè)器覆蓋率達(dá)到了97.5%， 滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和執(zhí)行程序?qū)?bào)警動(dòng)作區(qū)域探測(cè)器覆蓋率不小于90%的要求。

表5 改進(jìn)探測(cè)器的探測(cè)結(jié)果

圖4 改進(jìn)后的探測(cè)器布置圖

5 結(jié)束語

探測(cè)器覆蓋率作為影響可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)整體有效性的重要因素，國內(nèi)目前還沒有明確要求。 參照國外標(biāo)準(zhǔn)和執(zhí)行程序，通過PHAST軟件模擬泄漏場(chǎng)景，建立擴(kuò)散模型，利用得到的泄漏擴(kuò)散結(jié)果進(jìn)行探測(cè)器布置優(yōu)化設(shè)計(jì)，并評(píng)估探測(cè)器布置合理性，提高了探測(cè)器覆蓋率，保證了可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的整體有效性。