大风天气对开放式区域可燃气体探测器选型的影响

王琴梅 林盛阳

（1.国家管网西部管道公司塔里木输油气分公司；2.中国石油塔里木石化分公司）

油气站场可燃气体泄漏会造成设备损坏、环境污染、火灾、爆炸甚至人员伤亡等后果。根据GB 50183—2004 《石油天然气工程设计防火规范》和GB/T 50493—2019 《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》的要求，应在任何可能泄漏可燃气体的地方设计可燃气体探测器［1，2］。

在开放式区域中，可燃气体无法形成有效聚集，导致传统的固定式可燃气体探测器无法有效检测可燃气体的泄漏。 随着可燃气体泄漏检测技术的不断发展，近年来出现了超声气体泄漏探测器、激光对射可燃气体探测器及云台扫描式激光可燃气体探测器等，可实现对开放式区域可燃气体泄漏的有效检测，目前已在国内部分油气行业得到应用，取得了较好的效果［3～6］。

大风天气下，开放式区域泄漏的可燃气体易被快速吹散，因此对可燃气体探测器的性能提出了更高要求。 笔者选择超声气体泄漏探测器、激光对射可燃气体探测器和云台扫描式激光可燃气体探测器这3 种探测器，通过模拟大风天气对开放式区域可燃气体泄漏检测的影响，给出可燃气体探测器的选型建议。

1 3 种可燃气体探测器

1.1 超声气体泄漏探测器

超声气体泄漏探测器采用声学检测原理，对带压气体泄漏时产生的超声波信号进行自动检测，探测半径为15 m，具有响应时间短的特点，适用于气体不易聚集的开放性区域，但该类型探测器对环境背景噪声非常敏感，直接影响其有效覆盖面积，且存在一定的误报率。 目前，超声气体泄漏探测器主要为国外进口设备， 市场价格在10万～12 万元［7～9］。

1.2 激光对射可燃气体探测器

激光对射可燃气体探测器基于可调谐激光光谱吸收原理，通过不同气体分子之间具有互不干扰的波长吸收特性对可燃气体浓度进行测量，可测量浓度大于200ppm （1ppm=0.001‰VOL）的天然气泄漏，最大横向覆盖距离为35 m，具有探测精度高、单个设备探测距离长和覆盖范围广的特点，更容易探测到微量泄漏。 但该探测器受大风影响较大，存在一定的漏报率。 目前，激光对射可燃气体探测器已有国产设备， 市场价格在12万～16 万元。

1.3 云台扫描式激光可燃气体探测器

云台扫描式激光可燃气体探测器基于光谱吸收原理和主动探寻激光检测原理，可实现360°无死角实时在线探测， 探测距离较远，5%精度内最低有效半径为50 m。但由于激光无法穿透遮挡物，故该类型探测器不适用于站场工艺管道布置高低错落且数量较多的场合。 目前，国内设备制造厂家技术可靠，国产云台扫描式激光可燃气体探测器的现场应用效果较好， 形成了一定规模，市场价格在25 万～30 万元［3］。

2 大风天气对可燃气体泄漏检测的影响

以某法兰面泄漏点为例， 在0～25 m/s 风速之间每隔5 m/s 设置一个计算工况， 采用三维CFD 软件FLACS 进行仿真模拟， 分析大风天气对可燃气体泄漏检测的影响［10～12］。

设可燃气体云团浓度大于200ppm， 当无风力作用时， 云团喷射方向一直向前， 分布如图1所示，其中蓝色网面为可燃气体探测器扫描的有效面，此时云团可触发可燃气体探测器报警。

图1 无风力作用时可燃气体云团分布

在5 m/s 风速作用下， 可燃气体云团偏离了原来的喷射方向，沿着风力的方向飘散（图2），可触发可燃气体探测器报警，此时横向覆盖距离为36 m。

图2 风速为5 m/s 时可燃气体云团分布

在10 m/s 风速作用下，可燃气体云团偏离原喷射方向，沿风力方向飘散，可触发可燃气体探测器报警，此时横向覆盖距离为23 m，云团明显缩小，如图3 所示。 在15 m/s 风速作用下，云团仍可触发可燃气体探测器报警，但横向覆盖距离缩短至16 m，云团明显缩小，如图4 所示。

图3 风速为10 m/s 时可燃气体云团分布

图4 风速为15 m/s 时可燃气体云团分布

在20 m/s 风速作用下， 可燃气体云团仍可触发可燃气体探测器报警，但已至云团边界，横向覆盖距离缩短至9 m，云团较之前明显减小，如图5所示。在25 m/s 风速作用下，可燃气体云团已无法触发可燃气体探测器报警（图6），探测器所在位置云团浓度约为100ppm，低于报警浓度。 即当风速超过25 m/s 时， 由于所形成的可燃气体云团浓度较低，导致可燃气体探测器难以发挥探测效果。

图5 风速为20 m/s 时可燃气体云团分布

图6 风速为25 m/s 时可燃气体云团分布

3 可燃气体探测器的选型

以西气东输管线某压气站场为例，该开放式工艺区前后汇管的间距为25.5 m，根据实际情况建立三维仿真模型如图7 所示。

图7 开放式工艺区的三维仿真模型

针对此工艺区分析所有可能存在的泄漏点，对距离相近的泄漏点进行适当合并， 共计42 个泄漏点。 同时，考虑平均风速、最大风速和高频风向的影响以及工艺区设备的阵列特性，每个泄漏点根据实际情况计算多个泄漏方向，共计108 个计算工况。

参考英国安全与健康执行局（HSE）《Offshore Hydrocarbon Releases Statistics and Analysis》附录2 部分，按照可能会引起潜在灾害的程度，将可燃气体泄漏分为3 个等级： 微量泄漏0.0～0.1 kg/s，中型泄漏0.1～1.0 kg/s， 大量泄漏1.0 kg/s 或者更大。 该压气站场开放式区域可燃气体探测器的选择需要满足中型泄漏和大量泄漏的检测与报警要求，同时还应满足一定微量泄漏的检测要求。

在开放式区域可燃气体探测器选型过程中，当可燃气体泄漏浓度为0～10 000ppm 时，激光对射可燃气体探测器应作为首选，因为其探测精度高，单个设备的探测距离长、覆盖范围广，更容易探测到微量泄漏。 马振军［13］指出激光对射可燃气体探测器的最大探测距离为9 m，超过9 m 后，可燃气体浓度明显下降， 虽然还在探测范围之内，但气团在风力作用下出现了中间阶段的低浓度区域，所以为了实现该区域的完全覆盖，加上两端边界及调压区域的保护，对于无风站场或者平均风速在5 m/s 以内且少有风速超过25 m/s 的站场，布置4 台激光对射可燃气体探测器和1 台超声气体泄漏探测器，以实现压气站场工艺区的全覆盖，如图8 所示。

图8 某压气站场工艺区可燃气体探测器布置图

当风速达到10 m/s 时，单台激光对射可燃气体探测器只能覆盖23 m 以内的区域。 当风速达到15 m/s 时，单台激光对射可燃气体探测器只能覆盖16 m 以内的区域， 如果要在该风速条件下实现全覆盖则需增加一台探测器。 当风速超过25 m/s 时，在风力的作用下，泄漏的可燃气体很容易被快速吹散，很难聚集，此时激光对射可燃气体探测器很难发挥作用，故可以采用云台扫描式激光可燃气体探测器和超声气体泄漏探测器相搭配的检测方式。

4 结束语

对于易发生大风天气的开放式区域，微量的可燃气体泄漏不易形成气体云，采用激光对射可燃气体探测器会存在一定的漏报；超声气体泄漏探测器对于微量泄漏的检测效果较差；云台扫描式激光可燃气体探测器可实现360°无死角探测，且探测精度高、响应时间短，但其成本最高，应用经验不足，稳定性和可靠性还需要经过时间的验证。 因此，在开放式区域可燃气体探测器选型时，需要根据现场大风等级，结合不同类型可燃气体探测器的灵敏度、检测半径、可靠性、经济性和使用寿命，选择不同类型的可燃气体探测器或者互相搭配的方式实现可燃气体的在线检测与报警。