LNG加气站泄漏风险分析及探测器覆盖率优化*

王一昊

(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)

近年来，天然气由于温室气体排放量低以及发电转换效率高，一直是世界大多数地区增长最快的能源。液化天然气(LNG)的开发利用成功地将许多大型偏远气田引入了管道无法到达的天然气市场。如今，液化天然气供应链已经多样化，改善了许多消费国的能源供应安全。而LNG的安全性一直是人们所关注的焦点。

LNG为-162 ℃的一种冷冻液体，一旦发生泄漏与人体直接接触，会对人体造成严重的冻伤。此外LNG的低温特性也会对诸如焊缝、阀门等金属部件产生影响产生收缩应力，当收缩应力超出阈值会引发泄漏，而泄漏又会导致爆炸等潜在安全事故的发生。因此，保证LNG加气站的安全平稳运行有着重要意义。

半地下式LNG加气站作为LNG加气站的一种结构形式，有着储量大，占地面积小，自动化程度高等诸多优点。而其独特的结构形式也面临着一定程度的安全隐患。储罐的地下部分由于容积有限，当泄漏发生会造成局部空间内的气压急剧上升引发爆炸。而罐体的地上部分由于面临恶劣的环境条件，一旦发生泄漏，会造成人员冻伤、设备损坏甚至引起爆炸。此外，LNG的加注、存储以及卸车过程也面临如操作失误导致的安全风险。因此，对半地下式LNG加气站的泄漏风险进行分析，明确加气站面临的安全隐患，通过布置气体探测器探明泄漏源，发现泄漏防范的薄弱环节，对于半地下式LNG加气站的安全建设意义重大。

在半地下式加气储气机构的泄漏研究方面，王国君[1]分析了半地下覆土式油罐面临的危险因素，分析了罐区危害物质的分布，采用事故树分析法对油罐的风险进行分级并给出了定性分析结果。根据油罐的危险源辨识结果，针对油品入库、存储、出罐等环节制定了相应的防范措施。王世茂等[2]利用等比例模拟容器，研究了半地下式油罐爆炸所产生的冲击载荷，得出了油罐不同位置的压力-时间曲线，研究了相关参数对爆炸的影响。研究结果表明爆炸超压随浓度的变化先增大后减小，与点火能量成正比，与初始环境温度成反比。陈玮[3]研究了高压气地下储气井的泄漏行为，明确了泄漏的原因、类型以及泄漏可能导致的结果，分析了泄漏量、气体浓度以及扩散半径等泄漏特征。在可燃气体探测的研究方面，吴岩[4]采用空间法对加氢站紫外火焰探测器探测覆盖率进行了定量分析与优化。对火灾易发目标区域进行辨识并划分风险等级，求解了火焰探测器布点与几何覆盖率，优化了探测器布局与角度，最终探测器覆盖率达到了令人满意的效果。针对海上油气田发生的气体扩散，李季等[5]对扩散区域进行了等级划分，对探测器覆盖率进行了等效分析并做出了优化。在作者的另一项研究[6]中，提出了完整的海洋平台火焰探测器覆盖率分析方法，对火灾场景、危险等级、探测器的灵敏度进行了综合分析，通过调整探测的布置进行了覆盖率的优化。尚胜美等[7]针对浮式生产储油船的探测系统进行了覆盖率的再优化设计，对浮式生产储油船的危险区域进行了划分和灾害辨识，提出了矩形布置法和菱形布置法。通过与传统方法的对比分析，证实了所提方法的优越性。Xin等[8]结合风洞实验、计算流体动力学(CFD)技术和风险理论，探索了混合天然气在复杂地形中的扩散特征和危险区域。基于风险理论，预测了四种风险准则下的外部安全防护距离。

经过文献调研后可以发现，目前针对半地下式LNG加气站的风险研究主要集中在风险定性与爆炸模拟。针对半地下式LNG加气站这种特殊场景的风险分析目前还不全面，不具体。此外，目前还没有出现针对其泄漏模拟以及探测器优化的相关研究。因此本文针对半地下式LNG加气站这种特殊场景，聚焦于以上两点研究不足，开展了半地下式LNG加气站的风险分析与可燃气体探测器覆盖率优化研究。通过FLACS模拟可能的泄漏场景，按场景法分析并计算了探测器的覆盖率，最后针对性提出优化建议。

1 加气站工作流程和工艺

该加气站平面布置如图1所示，罩棚设置于地块中间，罩棚下面东南侧设置2座独立加气岛，每个岛上配备1台加气机；南侧设置地上立式LNG储罐区，罐区西侧设置LNG泵撬，东侧设置BOG回收撬，北侧设置卸车点，南侧设置集中放散管，储罐区四周设置防护堤，长14.1 m，宽9.6 m，高2 m，容积270 m3。属于目前广泛应用的油气合建站，可以为过往车辆加注油品和LNG。

图1 半地下LNG加气站平面图Fig.1 Semi underground LNG station plan

半地下式LNG加气站的操作工艺如下：

(1)卸车流程

本项目通过卸车(储罐)增压器和潜液泵联合卸车：先将LNG槽车和LNG储罐的气相空间连通，使其气相压力达到平衡，然后断开，在卸车的过程中通过卸车(储罐)增压器(工作压力0.8 MPa)增大槽车的气相压力，用潜液泵将槽车内的LNG卸入储罐，卸完车后需要给槽车降压。

(2)储罐调压流程

本项目采用潜液泵和卸车(储罐)增压器联合调压。LNG液体经LNG储罐的出液口进入潜液泵，由潜液泵增压(工作压力1.92 MPa)以后进入卸车(储罐)增压器气化，气化后的气体经LNG储罐的气相管返回LNG储罐的气相空间，为LNG储罐调压。

(3)加注流程

LNG储罐中的饱和液体LNG通过潜液泵加压，通过LNG加气机直接向LNG燃料汽车进行加气。

(4)BOG工艺

将槽车、储罐和管道产生的BOG经降压调节阀和安全阀汇入BOG总管，然后通过BOG加热器加热后送至站内管网。

(5)安全泄放工艺

泄放工艺系统由安全阀、EAG加热器、放散管组成；LNG经过EAG加热器集中加热后，通过放散管高点排放。

2 风险分析

图2 半地下式LNG加气站的主要风险

LNG主要成分是甲烷和其他碳氢化合物。LNG具有易燃、低温特性，一旦LNG发生泄漏，会发生爆炸、冻伤以及窒息危险。

通过文献调研和实地考查，本文将半地下式LNG加气站的风险按照场景与操作方式进行了分类。按场景分类，LNG储罐分为露天部分与地下部分。对于露天部分而言，储罐面临恶劣的环境条件，风霜雨水的侵蚀会对会破坏绝热层。一旦绝热层受损则会导致罐体压力激增、泄漏等多种问题。而对于地下部分，罐体会长期处于密闭空间内，水、土壤会对罐体造成腐蚀。此外，地下部分的泄漏不易察觉，一旦发生泄漏，密闭的土地空间会导致压力异常增大引发严重爆炸。按操作方式分类，在卸车和存储过程中，LNG加气站面临操作失误、管道破裂等其他风险。图2对半地下式LNG加气站的主要风险进行了分类。

通过对LNG加气站进行风险分析，可以判断LNG加气站面临的主要风险是LNG泄漏至环境，遇到点火源发生火灾、爆炸等严重后果。可燃气体探测器目前已成为LNG加气站必不可少的安全防护措施。而对于可燃气体探测器，对其覆盖率进行合理优化，改进其布置与覆盖范围，是一项重要的研究课题。

3 覆盖率研究

探测器覆盖率计算根据国标GB/T 39173-2020[9]和国标GB/T 50493-2009[10]进行，可燃气体探测系统按场景法进行分析，分析步骤如下：

(1)定义区域和目标气体：在开始分析之前，应综合考虑区域的物理位置及危险源种类，将工厂分为各自独立的区域，并明确需要探测的泄漏气体种类。

(2)定义环境：不同地区气候参数有所差异，环境是指一年之中当地的平均温度、大气压力、风向和风速的历史数据，通常可通过风向玫瑰图获取风速和风向的信息。

(3)定义泄漏：定义泄漏点、泄漏介质以及泄漏量。

(4)定义场景及CFD气云计算：场景是由环境定义和泄漏定义所组成，每一个场景下其环境和泄漏都是确定的，因此其产生的气云也是确定的，所以每一个场景都有对应的气云分布。

(5)探测器布局：配置保护目标周围的探测器数量、位置、类型、报警阈值及探测器参数。

(6)分析计算：计算出气体浓度与气体探测器报警阈值的比值，以此了解不同场景下探测器对气云的捕获情况，得出探测器覆盖率，给出优化方案。

可燃气体探测器布置有效性评价工作主要通过FLACS三维模拟软件完成。FLACS是一款专门用于泄漏与爆炸过程模拟的专用仿真软件，在石化行业内有着成熟的应用。

图3 半地下式加气站可燃气探测器布置Fig.3 Arrangement of combustible gas detectors in semi underground gas station

针对加气站建立三维模型，X轴正方向为正东方，Y轴正方向为正北方，Z轴为垂直地面方向设置，原点设置为半地下式加气站的的西南角，所有长度单位默认为m。将加气站作为一个整体区域进行计算。

半地下式加气站共布置可燃气体探测器5个，探测器低限报警设定值为25%LEL(最低爆炸下限)，高低限报警设定值为50%LEL，响应时间T90 ≤ 30 s，布置位置如图3所示。

该半地下式LNG加气站多年平均气温17.0 ℃，最高气温38.1 ℃，最低气温-4.3 ℃，主导风向为北风为主。

结合环境条件，使用CFD流体计算模拟软件FLACS对半地下式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的泄漏的探测覆盖情况。

4 实验与讨论

本文对加气站的模拟方式基于FLACS三维模拟软件，计算方法基于CFD计算流体力学。FLACS是专门针对石油化工领域设计的三维仿真软件，基于CFD技术，可以定量地对爆炸、泄漏等危险场景进行模拟，为安全措施的制定提供定量参考。

使用FLACS中CASD模块按照1∶1比例建立LNG加气站三维模型并划分网格，选择了4个可能的泄漏发生点，甲烷泄漏孔径采用ISA-TR84.00.07建议的5 mm小孔泄漏，对于每个泄漏点定义计算了6种喷放方向。对于每个泄漏场景采用4位编号，前2位代表泄漏点，后两位代表泄漏喷放方向，对接卸软管、汽化器密封、储罐管线、加气机管线薄弱环节处发生的泄漏进行模拟。

图4 接卸软管密封泄漏Fig.4 Sealing leakage of connecting hose

表1 泄漏结果汇总Table 1 Summary of leakage results

通过对半地下式加气站进行模拟，得出结论如下：半地下式加气站4个泄漏点模拟的24个工况中，20个工况实现1ooN有效，15个工况实现2ooN有效，能够满足GB/T 39173-2020中8.5条80%、60%要求。针对目前探测器的盲区，提出的建议措施如下：

(1)目前对于接卸软管向南方向发生的泄漏，无有效的探测途径，且在主导风向北风的作用下，泄漏后果会加剧。建议在接卸区南侧增设可燃气体报警器。对于接卸软管向西方向发生的泄漏，无有效的探测途径，建议在接卸区西侧增设可燃气体报警器。该报警器可以同时监测加气机管线向东方向的泄漏。

(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，在不利风向下风向考虑设置可燃气体探测器。

5 结 论

通过对该半地下式LNG加气站风险分析和可燃气体探测器覆盖率分析及优化，保证了半地下式LNG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。本文的研究可以得出的主要结论有：

(1)由于结构、形式的差异，LNG加气站的风险也不尽相同，应针对具体研究对象做出有针对性的风险评估，辨识LNG加气站生产过程中的风险，确保其安全长远运行。

(2)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，基于场景法的覆盖率研究方法和基于FLACS的泄漏模拟在探测器覆盖率优化方面的效果令人满意，值得在相关研究中继续推广。

(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，将危害将至最低。