原油储罐区可燃气体探测器布置优化方案研究

杨志华，宋佩月，付建民，杨 灿，张新琪，朱 琳

(1.国家管网集团东部原油储运有限公司，江苏 徐州 221000；2.中国石油大学(华东) 海洋油气装备与安全技术研究中心，山东 青岛 266580)

0 引言

原油储备区广泛使用原油储罐储集油气,给工业生产带来便利同时也引发安全隐患,原油储罐一旦发生泄漏或者火灾事故，会造成严重人员伤亡和经济损失[1]。据统计，原油泄漏、雷击引发火灾事故造成的损失较严重。因此，有毒和可燃气体探测是确保工业安全生产的前提。

泄漏事故发生后，首先需进行有毒、有害气体探测，Defriend等[2]基于风险评估5步程序，提出气体探测器间距布置方法；Benavidesserrano等[3]通过比较气体探测器布置方法发现，基于后果模拟的探测器布置可减少因浓度过高导致的盲区；李伟等[4]对液氯储罐系统泄漏后果进行CFD模拟，通过研究后果浓度扩散规律，利用CPLEX求解不同探测器数量布置方案，分析探测器数量对探测效果影响；标准气体探测器布置变量包括变化的气体浓度、气体比重、动态气压、大气条件、通风情况、设备位置、物体表面类型(固体或磨砂)、风向等。扩散模型可预测空间中气体浓度值[5]；Galeev等[6]研究发现，大部分扩散模型仅适用于气体连续或瞬时释放的情况；章博等[7]对柴油加氢单元的泄漏场景进行筛分，利用CFD法得到气体泄漏浓度，并以时效性和鲁棒性为评价指标，优化目标函数以提供多种布置方案；陈修峰[8]以某炼油单元车间为研究对象，通过CFD法模拟有毒气体泄漏场景，得到后果分布情况，结合集合覆盖理论与数学求解模型，从监测点组合方案中求解最优组合，提高探测效率同时节约成本；方旭锋[9]通过分析实际场景中可燃气体测量数据，建立不同种类可燃气体同时扩散的场景，得到检测标定阈值，设置爆炸下限值较小气体最低燃烧极限；王海清等[10]通过引入遗传算法，利用全局搜索，实现立体空间不同高度下场景全覆盖的多种探测方案探测网络设置；Legg等[11]提出确定石化装置气体探测器最佳布置随机规划方法。研究最短预期检测时间，最小覆盖范围条件下气体探测器布置方法，通过采样程序找到最佳置信区间，量化探测器放置有效性。

气体探测器布置优化设计能降低目标区域风险等级，降低企业运营成本并减少冗余。传统探测器位置布置主要依靠个人经验，不能针对特定事故特殊场景进行设计，容易使企业遭受不必要损失。本文通过系统建模和后果量化分析，结合实际场景模拟，综合考虑所有可能的扩散环境，评估目标场景可燃气体扩散范围及危害区域；通过理论分析法布置探测器，并给出优化建议以期提高检测覆盖率。

1 可燃气体探测器布置优化流程

1.1 优化布置方法

利用CFD法模拟原油泄漏扩散过程，可以更好地制定评估气体逸散风险程度，从而得到气体探测器布置方案。油气泄漏检测场景设定：大气稳定度设定为稳定，且有若干风向初始值。探测器布置过程如图1所示。

图1 探测器布置过程Fig.1 Layout process of detectors

1.2 泄漏场景建立

后果模拟首先需要确定高风险场景。本文使用典型HAZOP(危害与可操作性分析)和FMEA(失效模式与影响分析)分析可能存在的泄漏风险，通过对泄漏场景进行定性(HAZOP软件分析)、定量(LEAK软件)分析，确定高风险泄漏场景为油罐罐壁大孔泄漏。

气体扩散强烈程度取决于大气条件，例如风速和风向。针对油库风向、风速、风频进行统计分析，探寻油库以往风向、风速、风频变化规律，为模拟风场设置提供参考依据。根据气象局资料室提供的2011年1月1日至2019年12月1日风向、风速资料数据，绘制玫瑰风向图，如图2所示。由图2可知，2011—2019年油库所在地区高频风向为北风、东北风、东风、东南风以及南风，设置风向以正北为0°方向，对应模型中5个高频风向分别为0°，45°，90°，135°，180°。

图2 2011—2019年玫瑰风向图Fig.2 Wind rose diagram from 2011 to 2019

根据2011—2019年风速数据，绘制风速柱状图如图3所示(排除1 d内风级变化较大的天数)。由图3可知，2级风出现天数最多，因此将2级风对应风速作为平均风速，模拟中风速设定为3 m/s的恒定风。

图3 2011—2019年风速Fig.3 Wind speed diagram from 2011 to 2019

1.3 风险场景模拟

综合风险分析结果与罐区布置，确定8个风险场景并进行原油扩散模拟。在风险场景模拟中，基于1.2小节中5组环境风向，设置40组蒸汽云扩散模型用于仿真计算。

根据《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》(GB 50493—2019)[12]使用爆炸下限浓度(LEL)的25%作为浓度检测较低浓度，以预防火灾和爆炸事故。为安全起见，将可燃气体LEL的20%作为检测器探测标准，环境气体浓度达到该设定标准值时将被探测器探测到。

时间是气体探测器布置最重要变量之一[13]。在给定检测时间内，气体探测器数量与覆盖面积之间存在直接关系：气体探测器数量越多，检测时间越短。在最坏情况下，储罐或管道系统内全部物质在10 min内达到完全泄漏[14]，即检测时间应小于10 min，参考动态仿真时间为4 min。首先进行预模拟，大孔泄漏场景中原油泄漏在2 min时形成稳定液池，故将FLACS蒸汽云扩散动态模拟设定为120 s。

1.4 气体探测器布置方案

气体探测器是检测易燃或有毒气体浓度的装置，其布置优化主要目的是保护人员和设备免受泄漏物质影响，目标是利用CFD模拟尽可能扩大探测器覆盖范围，利用气云侧视图检测浓度20%的LEL气云位置。同时，探测器布置方式应使其检测到尽可能多的泄漏场景。为合理布置探测器位置，减少探测器数量，可通过以下方法实现：首先布置1个气体探测器检测最大数量的场景，然后删除这些场景；再设置下一个探测器，重复该过程，直到探测器布置方案能够检测到所有场景。这样可以用多个气体探测器检测到所有泄漏情况，且不会造成探测器资源冗余。

1.5 CFD仿真

FLACS模拟软件中泄漏扩散模块准确度与可靠性较高。FLACS通过在笛卡尔网格上求解质量密度、动量、焓、湍流动能、湍流动能耗散率、燃料质量分数和混合分数的3维Favre-averaged平均守恒方程，使用壁面函数计算网格上物体湍流产生和拖曳力[15]；在计算网格上用孔隙度(PDR)概念表征几何[16]；在模拟之前，体积孔隙度βv表示每个计算单元开放体积与总体积比率，并在相应网格单元中心定义。同样，面积孔隙度βj表示2个相邻小区中心之间预计开放面积与各自控制体积面的总面积比率。因此，变量φ被集成在控制体积的多孔部分上，φ守恒方程中通量项加权于面积孔隙率βj，如式(1)所示：

(1)

式中：Γφ表示有效湍流交换系数；Sφ是φ的源项；Rφ代表额外阻力、额外混合或由流动中固体障碍引起的额外传热，J;k-ε模型被扩展为子网格障碍物引起的湍流产生的源项。

2 案例研究

本文以直径80 m的10万方浮顶罐原油罐区为研究对象，罐区4个油罐为1个罐组。泄漏源附近储罐、隔堤、雨水收集槽、地上管线等建筑均依据实物等比例构建。确定罐区可能泄漏扩散的所有场景条件，根据气象数据分析，设置环境293 K和F大气稳定度条件，风速3 m/s，通过风险分析确定沿罐1周等分的0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315° 8个泄漏位置，每个泄漏场景分别设定0°、45°、90°、135°、180°(0°为正北方向)风向，进行40组覆盖全部高风险泄漏扩散场景的模拟。

为安全起见，取原油挥发物质中含量最高且LEL最低的物质异丁烷进行分析。90°泄漏位置异丁烷在不同风向下体积分数分布范围如图4所示，体积分数0.003 6对应20%的LEL。CFD计算结果表明，风力会加剧蒸汽云扩散，蒸汽云扩散过程受防火堤、隔堤阻碍影响大，受环形储罐侧面风场促进作用强；在0°、90°、180°风向条件下，可燃气体受风的裹挟作用强，扩散范围相对较大；在45°、135°风向下储罐在液池来风方向，由于各向来风始终受环形储罐阻挡，抑制挥发油气流动，蒸汽云扩散范围较小，但聚集的蒸汽云浓度相对较高；其余7个泄漏位置在不同风向下规律相似。

图4 不同风向下体积分数分布范围Fig.4 Distribution range of volume fraction under different wind directions

基于气体扩散范围计算结果划分区块，如图5所示。将单个储罐隔堤分块：以储罐中心为圆心，每9°作1条分割线，按角度将圆分割成40等份。鉴于储罐隔堤区域大，狭长区域不利于后续探测器布置，所以在每条分割线上取储罐壁交点和隔堤交点的中点，将40块区域分割成大小均匀的80块4边形，并依次编号1-1、1-2、2-1、2-2，直至编号40-1、40-2。

图5 储罐隔堤区域划分Fig.5 Block division of storage tank dike

将40组CFD模拟结果与区块结合，如图6所示。根据40组蒸汽云覆盖区块图，记录每个场景蒸汽云及原油液池覆盖区块位号，结果如图7所示。图中隆起点表示某场景中某区块被蒸汽云所覆盖，未隆起点表示该区域未达到LEL 20%的可燃蒸汽云。由图7可知，涵盖最多可燃蒸汽云覆盖场景的区块为21-2，该区块包含16个场景中的可燃蒸汽云，将区块21-2作为1号探测器位置，即图7中加粗标记区块。删除被1号探测器探测到的场景并进行下一步；剩余场景中涵盖最多可燃蒸汽云覆盖场景的区块为6-1，该区块包含13个场景中的可燃蒸汽云，将区块6-1作为2号探测器位置；依次重复上述步骤，确认3号和4号探测器位置分别为区块31-1和区块40-2。

图6 CFD结果与区块划分结合Fig.6 Combination of CFD results and block division

图7 探测器位置布置Fig.7 Layout of detectors location

根据探测器布置模拟结果，在原油储罐隔堤内布置4个探测器，即21-2、6-1、31-1及40-2，储罐探测器布置如图8所示，所有模拟泄漏事故场景可燃蒸汽云分布均可被检测到。

图8 储罐区探测器位置布置方案Fig.8 Layout scheme of detectors location in storage tank area

3 传统探测器布置方案对比

国内大部分化工园区探测器布置通常依据相关标准进行设计，缺乏针对特定泄漏场景的详实要求，不能针对特定事故特殊场景制定探测器布置方案。

根据《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》(GB 50493—2019)中检测点的确定，规定在储罐区中央排水口、罐根阀处水平距离不大于10 m处设置可燃气体探测器；在各储罐隔堤中典型可燃气体探测器数量为3台。要求布置的探测器数量较少，且仅针对个别位置处零失效保护，对于设备因失效导致实际泄漏场景缺乏针对性保护。

根据《危险化学品重大危险源 罐区 现场安全监控装备设置规范》(AQ 3036—2010)[17]，对于监测报警点的确定,一般规定在储罐区排水口、连接处、罐根阀处布置可燃气体探测器，依据防火堤内间隔布置原则，在隔堤内应布置至少14处探测器。规范中要求布置探测器数量较多，能实现对目标区域全面覆盖，但产生探测器大量冗余，造成经济浪费。

本文储罐区单个储罐隔堤内可燃气体探测器数量为4个，罐组内总计需要布置16处。

对比现行标准及规范发现，优化方案布置数量处于适中范围，并且具有针对性；既能覆盖各种可能发生泄漏事故的高风险区域，又可避免资源浪费。

4 结论

1)基于CFD法提出原油库区探测器布置优化方案,对比传统探测器布置方法,满足特定罐组环境所有泄漏场景下可燃气体探测需求,更具针对性、经济性，可有效减少探测器配置冗余。

2)经过40组模拟仿真实验，选定原油储罐区探测器位置分别为区块21-2、6-1、31-1、40-2，每个罐组总计布置16处。

3)优化布置方案可为石化装置可燃气体及有毒气体探测器布置提供参考，通过对目标装置进行风险分析，结合CFD动态泄漏扩散模拟后果、目标装置环境因素及气象条件，制定相应探测器布置优化方案。