基于PHAST 的LNG 接收站可燃气体探测器布置合理性研究

2021-11-26王乃民张喜强马思瑶顿张静

化工自动化及仪表 2021年6期

关键词：覆盖率风向燃气

王乃民张喜强吴鑫马思瑶顿张静

（海洋石油工程股份有限公司）

LNG 接收站是对船运LNG 进行接收、储存、汽化及外输等作业的场站。LNG 的组分主要是甲烷，储存温度-162 ℃，具有易燃易爆易蒸发、快速相变及低温等特性，一旦泄漏会迅速蒸发形成可燃气云团，遇火源就可能发生火灾爆炸，后果严重。

为了更好地保障LNG 接收站的安全生产，需要建立一套性能稳定、安全、动作响应及时的可燃气体探测报警系统［1］。

1 可燃气探测报警系统布置与覆盖率要求与现状

可燃气探测报警系统通常由可燃气体探测器（以下简称探测器）对主要气体进行现场探测，中控室逻辑控制器采集报警信号，根据逻辑运算结果启动相应的消防/报警设备。

国内相关标准对探测器的布置进行了明确规定，但并未对其覆盖率有所要求，而国外相关标准或执行程序则对覆盖率提出了具体要求［2］，详见表1。

表1 标准或执行程序对探测器的布置要求与覆盖率的要求

报警系统作为LNG 接收站正常运行的重要安全保障，对其可靠性要求非常高，一旦失效会导致泄漏事故进一步扩散，后果等级严重升级。报警系统的整体有效性不仅取决于系统本身的安全可用性和减缓有效性，更取决于探测器的覆盖率［2，3］，而决定探测器覆盖率的主要因素则是探测器布置的合理性。

在目前国内实施的项目中，探测器布置一般参照国家标准和行业标准执行，大多是基于传统经验方法［4，5］，虽然在平面区域上可能已经覆盖到所有泄漏点，但受气象环境差异及探测器表决方式所限，探测器覆盖率实际上很难达到要求，从而降低了系统整体的安全完整性等级，因此对探测器覆盖率进行分析，对于保证可燃气体报警系统的整体有效性尤为重要。

2 探测器覆盖率分析方法

探测器覆盖率分析，实际上就是定量评价泄漏危险事件被探测器有效探测到的概率。探测器覆盖率分析主要有几何覆盖和情景覆盖两种［2］，表2 是两种方法的优、缺点对比。

表2 探测器覆盖率常用分析方法优、缺点对比

3 基于PHAST 的泄漏扩散模拟

PHAST （Process Hazard Analysis Software Tool）软件是由挪威船级社（DNV）公司开发的专门用于石油石化与天然气领域进行危险分析和安全计算的软件，已被广泛应用。 PHAST 软件内嵌了燃烧(包括池火、喷射火和沸腾液体扩展为蒸气爆炸）、泄漏和扩散、爆炸和毒气扩散4 种计算模型。

UDM 模型适用于任何泄漏方式，包括连续泄漏/瞬时泄漏，泄漏的是重气、中性气体或浮性气体。

PHAST 软件运用UDM 模型描述气体泄漏扩散过程及其造成的影响，由于模拟结果与现实场景接近，在精准、直观等方面有着良好的表现。

利用PHAST 软件进行泄漏扩散模拟的流程如图1 所示。首先设置比例尺和坐标原点，然后输入操作压力、操作温度、介质属性及物料存量等，之后确定小孔、中孔、大孔及完全破裂，泄漏高度（默认1 m）、泄漏方向（默认水平），最后设置风速、大气稳定度、大气温度、相对湿度及太阳辐射通量等，通过图1 操作步骤得出模拟结果。

图1 PHAST 软件泄漏模拟流程

通过对泄漏点进行泄漏扩散模拟，分别计算出LNG 泄漏时间为5 s 和稳态时的扩散距离，表3 是某LNG 储罐低压泵管线泄漏扩散数据。

表3 某LNG 储罐低压泵管线泄漏扩散数据

LNG 泄漏扩散时20%LEL 和50%LEL 的包络图如图2 所示，通过包络图可以计算出扩散的地理范围。根据泄漏扩散数据，调整探测器布置位置，以达到要求的探测器覆盖率。

图2 LNG 泄漏扩散时20%LEL 和50%LEL 的包络图

4 应用举例

以某LNG 储罐罐顶泵平台为例，共有4 台低压泵，每台低压泵在罐顶平台分布1 根外输管线，管线上根据现行标准和以往工程项目经验初步布置的可燃气探头如图3 所示。可燃气探测器均为点红外式，每台泵布置1 个探测器。为简化分析，分8 个风向，N（北）、EN（东北）、E（东）、ES（东南）、S（南）、WS（西南）、W（西）、西北（WN），其中主风向为WN，全年概率65%，其他各风向分别为5%。每台泵及管线简化为1 个泄漏点（中孔泄漏），相应的可燃气探测器布置在泄漏点的主风向下侧，本区域所有4 个探测器为1oo4 表决。