撬装式LNG加气站可燃气体探测器覆盖率优化研究

王一昊,张阳,凌晓东,葛春涛,于安峰

(1. 中石化安全工程研究院有限公司 化学品安全全国重点实验室,山东 青岛 266071;2. 中石化国家石化项目风险评估技术中心有限公司,山东 青岛 266071)

随着经济、社会的发展对于环境保护要求的提高,中国明确提出了“碳中和、碳达峰”的技术路径。为了确保中国节能减排策略的有效实施,液化天然气(LNG)受到越来越多的重视。撬装式LNG加气站是一种可移动式加气站,具有安装方便、利用率高等优势。但是国内的撬装式LNG加气站发展较晚,很多针对撬装式LNG加气站的风险控制技术与管理措施还不完善。

在安全风险研究方面,王罡世[1]介绍了撬装式LNG加气站的构成和特点,从总平面布局、防火间距、报警、控制、灭火系统等方面讨论了撬装式LNG加气站的消防安全设计;王云[2]对比了LNG/L-CNG 2种撬装式加气站的布局和结构特点,从储罐安装、管道设计、消防安全等方面分别总结了2种撬装式加气站面临的风险因素;李丹妮等[3]总结了撬装式LNG加气站的工艺流程与风险。此外,关于撬装式LNG加气站的安全设计[4]和管路设计[5]也出现了相关研究。在早期泄漏预警及可燃气体探测器覆盖率研究方面,对于撬装式LNG加气站研究较少,相关研究集中在油田生产及储运系统。李季[6-7]等针对海上油气田,综合分析可燃气体泄漏与扩散的各项因素,提出了可燃气体探测器布置与表决原则;尚胜美[8]等提出了针对浮式生产储油船的火灾探测器覆盖率优化方案,采用危险源辨识(HAZID)方法对储油船的重点危险区域进行灾害识别与风险等级划分;Cheng[9]等开展了基于双覆盖率和可靠性的气体检测仪布局优化研究,结合FLACS软件模拟不同场景下的多种典型泄漏情况,分析了各布局方案的气体泄漏检测概率、触发报警的最短时间和可靠性。

综上可以看出,目前对于撬装式LNG加气站的安全运行研究较少,现有的研究大多是对撬装式LNG加气站风险的定性评估,缺乏针对撬装式LNG加气站的气体探测器覆盖率优化研究。因此,本文从撬装式LNG加气站的风险研究和安全设计出发,建模并通过CFD模拟了可能的泄漏场景,给出了可燃气体探测器覆盖率的优化方案,提出了基于场景法撬装式LNG加气站风险预警方法。

1 撬装式LNG加气站风险分析

撬装式LNG加气站是将储罐、控制装置以及加气机等集成安装在一个固定底座上,采用可移动的建站型式,通常由LNG储罐、LNG潜液泵、LNG泵池、增压器、加热器、加气机、仪表用气系统、空压机以及干燥器等部分组成。撬装式LNG加气站具有安全、环保、占地面积小、安装方便、可灵活移动等优势,成为一种具备良好发展前景的加气站类型,在城市处于规划建设阶段,应用尤为适宜。

1.1 加气站优点

撬装式LNG加气站的优点如下:

1)集成度高。利用有限的空间达到最佳的配置效果,减少了设计工作量,缩短了设计周期。

2)安装简便。现场工程量减少到最小,大幅缩短了工程建设周期。

3)维护简便。撬装设备的设计、生产的可控制性,可充分简化其操作程序,利于后期运行维护。

4)节约投资。批量化生产将大幅降低撬装设备的成本,包括设计、采购、安装、运行维护等。

5)可靠性高。撬装设备的生产、组装在工厂内完成,充分利用工厂的先进生产设备和检测设备。

6)移动方便。易于拆装搬迁,有利于重复利用,提高投资利用率和应用的灵活性。

1.2 加气站风险

撬装式LNG加气站的特殊设置使其面临着不同的风险。

1)首要风险来源于LNG的危险特性。LNG的危害性如下:

a)低温性。泄漏的LNG会迅速吸收周围环境热量而气化,使管道泄漏处周围的空气温度迅速下降;LNG泄漏所出现的冷气云会对人体的皮肤造成低温冻伤的现象,对周边的设备、管道、材料等也会造成较大的破坏。

b)爆炸性。甲烷是天然气中的主要物质之一,具有易燃易爆的特性;LNG在与水接触之后,两者之间的热传速度非常高,使得水激烈沸腾并喷出水雾,从而造成LNG蒸汽爆炸。

c)窒息性。LNG的主要成分为甲烷,纯甲烷对人基本无毒,只有在极高浓度时成为单纯性窒息剂,所以LNG造成人窒息的最根本原因是摄氧量不足。

2)次要风险来源于卸车与存储过程。卸车过程中的操作不规范、软管以及汽化器的损坏均会带来泄漏风险;存储过程中出现的过溢问题、安全阀的失效、保冷问题以及液体分层也都会对撬装式LNG加气站带来较大的风险隐患。

对于撬装式LNG加气站,三种主要风险都来源于LNG的泄漏。因此,气体探测技术是辨明泄漏源,及时查明泄漏原因的关键。对于撬装式LNG加气站,需要明确其面临的风险因素,合理进行安全设计,优化气体探测的覆盖率,进而提升泄漏早期监测预警能力,这对于泄漏监测并制定安全策略具有重要意义。

目前,撬装式LNG加气站的设计还没有完整性的设计标准,通常参照城镇燃气、工业金属管道等设计规范。在区域布置上,要合理划分卸车区、储存区、加气区、辅助区,划分爆炸危险区域与正常区域。防火间距和防火规范可以参照NB/T 1001—2011《液化天然气(LNG)汽车加气站技术规范》[10]的相关规定执行。

2 覆盖率研究

撬装式LNG加气站的探测器布置的有效性研究依照GB/T 39173—2020《智能工厂安全监测有效性评估方法》[11]和GB/T 50493—2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》[12],可燃气体探测系统按场景法进行分析,具体流程如图1所示。根据文献[11]的相关要求,表决方式为“1ooN”的可燃气体探测器覆盖率不小于80%,表决方式为“2ooN”的覆盖率不小于60%,即认为当前探测器覆盖率满足要求。

图1 气体探测器场景法分析流程示意

场景法首先需要对区域和目标气体定义,然后给出环境和泄漏定义。在场景定义后便可利用CFD软件,对所有可能的泄漏场景进行计算,对不满足覆盖率规定要求的场景进行探测器布局优化,使得最终计算结果满足相关要求。

撬装式LNG加气站设备、管线分布复杂,传统的CFD软件建模难度大,对模型进行离散化所得到的网格质量差,不利于模拟计算。FLACS软件是石化行业内的常用软件,可以根据不同地理条件以及工艺流程灵活设置参数,对于泄漏等物理过程给出定量的模拟结果,因此本文采用FLACS软件开展可燃气体探测器布置有效性的评价工作。

某撬装式LNG加气站工艺压力为1.2 MPa,工艺温度为-146 ℃,环境风主导风向为东北偏北,平均风速均为1.8 m/s,平均气温为17.1 ℃。该加气站主要充装介质为甲烷,爆炸下限(LEL)是5%,爆炸上限(UEL)是15%,该站设置的催化燃烧型可燃气探测器低限报警阈值设定为25%LEL。该加气站现役可燃气体探测器共计3个,布置位置如图2所示,在三维模型中按照可燃气体探测器实际位置设置气体监测点。

图2 撬装式LNG加气站监测点布置示意

本次研究结合撬装式LNG加气站实际情况,选择了3个可能的泄漏发生点,分别为接卸软管、储罐管线集中处、加气机管线,根据文献[11]有关规定,气体泄漏量计算如式(1)所示:

(1)

式中:qm——气体泄漏质量流量,kg/s;d——气云直径,m;φ1——100%LEL对应气体体积分数,%;φ2——低限报警阈值对应的气体体积分数,%;ρ——泄漏气体密度,kg/m3;v——风速,m/s。

加气站属于开放空间,可燃气体气云尺寸可按照直径为10 m来计算,因此d=10 m,100%LEL时φ1=5%,φ2=25%LEL,甲烷密度ρ=0.717 kg/m3,风速v=1.8 m/s,计算得到qm=1.2 kg/s,通过FLACS软件,计算泄漏孔径为5 mm。对于每个泄漏点发生5 mm小孔泄漏,计算±x轴,±y轴,±z轴共计6种泄漏方向。结合FLACS软件对该加气站可能发生的甲烷泄漏工况进行泄漏后甲烷气云扩散情况的数值模拟,着重关注云团浓度高于25%LEL的部分,评估现有可燃气体探测器对所发生泄漏的覆盖情况。

模拟泄漏发生时探测器的响应情况,共计算18种泄漏场景,对于每个泄漏场景采用4位编号,前2位代表泄漏点,其中L1,L2,L3分别代表泄漏点位于接卸软管、储罐管线集中处、加气机管线,后2位代表泄漏方向。“1oo3”“2oo3”分别表示现有3个探测器中1个探测器有效探测,现有探测器中2个探测器有效探测,将计算结果汇总后见表1所列。

表1 模拟泄漏发生时探测结果

3 结果与讨论

通过对该撬装式加气站进行现场调研与模拟,得出结论如下: 撬装式加气站3个泄漏点模拟的18个工况中,15个工况实现“1ooN”有效,11个工况实现“2ooN”有效,能够满足文献[11]中8.5节的要求。针对目前探测器盲区的工况,对探测器布置进行了优化设计,主要的结果及建议如下:

1)目前对于接卸软管向西方向发生的泄漏,无有效的探测途径,且在主导风向东北偏北的作用下,该泄漏后果会加剧。建议在接卸区西侧增设可燃气体探测器,该可燃气体探测器可以同时监测加气机管线向西方向的泄漏。通过增设接卸区西侧可燃气体探测器,该LNG加气站的“1ooN”覆盖率可以实现从83%增至94%,“2ooN”覆盖率可以实现从61%增至72%,显著提升了该LNG加气站的可燃气体探测器覆盖率,保障了LNG泄漏的早期监测预防水平。

2)虽然环境风可以一定程度上稀释甲烷浓度,减少其聚集,然而在不利风向下,甲烷可能会聚集在高拥塞度区域,进而导致可燃气云量增大,发生爆炸的风险随之增加。因此,对加气站进行布局时应充分考虑风向的影响,在不利风向下考虑设置可燃气体探测器。

3)在日常生产运行过程中,应注意对可燃气体探测器定期检测与校准,确保探测器正常运行;同时应加强人员安全培训,制定详尽的应急预案,在泄漏等紧急事件发生时,可以迅速进行处置,将危害降至最低。

4 结束语

通过对该撬装式LNG加气站风险分析和可燃气体探测器覆盖率分析及优化,保证了加气站的安全平稳运行,为同类LNG加气站的风险分析及探测器布置优化提供了参考。该项目的研究可以得出以下结论:

1)开展撬装式LNG加气站的安全设计至关重要,通过制定标准化的安全策略,严格的操作规定等方式提高撬装式LNG加气站的安全运行能力。在撬装式LNG加气站设计方面,国内目前还缺乏统一的标准,存在对于安全性的设计点考虑不周等问题。因此,需要国家尽快明确具体的设计标准,出台相关政策,保证撬装式加气站设计的规范性。同时,撬装式LNG加气站由于其独特的结构形式,需要开展针对性的风险评估与安全设计工作,辨识LNG加气站运行风险,确保其安全长远运行。

2)在注重安全设计的同时,也要进一步加强安全管理。可以考虑从安全生产标准化、操作规章制度化、设备维护日常化提升安全管理水平。

3)目前,国内针对探测器的布点位置已经有相关标准依据,但在探测器的布置过程中还存在一定程度的经验做法,因此对探测器布局及覆盖率的优化是十分必要的,可以有效避免探测器盲区,增加LNG加气站安全性,将风险降至最低。基于FLACS软件的可燃气体探测器有效性评价方法可以考虑不同环境、地形、探测器布置等因素,计算效果也令人满意,值得在相关研究中继续推广。