气体泄漏监测仪器布局与泄漏模拟实验研究*

丁德武，周加强，董 瑞，李 波，王国龙，冯云霞，贾润中，郭一蓉

(1.中石化安全工程研究院有限公司化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266104 2.中国石化青岛石油化工有限责任公司，山东青岛 266043)

0 前言

近年来企业危险化学品事故频发，产生的危害巨大，尤其是泄漏事故/事件严重影响着企业生产装置安、稳、长、满、优运行，也是引发火灾、爆炸、环境污染和人员中毒等事故的主要原因之一[1-3]。2010—2015年期间, 我国共发生危化品泄漏事故2 636起, 累计造成3 733人员伤亡[2]。在泄漏监测方面，企业开展泄漏监测主要依赖于固定式气体报警仪和日常巡检，受其监测能力和监测点布局的限制，监测覆盖范围存在盲区，监测有效性不足，不能及早发现泄漏。目前关于监测有效性的研究报道多集中于气体报警仪的布局和优化方面[4-7]，并且多数泄漏场景是基于数值仿真模拟数据[8，9]，不是基于泄漏实验开展研究。本文对不同风速下气体泄漏监测仪布设高度和距离开展了实验研究，并通过典型气体泄漏模拟实验对布局方法进行实验验证，以期为提高泄漏监测有效性、构建全方位立体化监测网络体系提供数据支撑。

1 距离、高度对气体泄漏监测仪器布局的影响实验

1.1 实验目的

通过风场中风速分布实验，研究距离、高度对监测仪器布局的影响，确定适宜的泄漏监测仪器布局方法。

1.2 实验设备

实验设备主要包括：轴流风机1(型号BT35-11-5，直径50 cm，风量9 133 m3/h，转速1 450 r/min，风压185 Pa)、轴流风机2(型号BT35-11-3，直径30 cm，风量1 905 m3/h，转速1 450 r/min，风压55 Pa)、风速计、米尺。

1.3 实验过程

在不受外界风速影响的实验场地内，分别将2台轴流风机置于实验台面，测量风机轴心与地面之间距离。开启轴流风机，使用风速计分别检测2台风机在距离出风口0，1，2，3，5，10，15，20 m处中轴线位置及水平方向左右各1，2 m位置的风速，同时检测3，5 m处不同高度位置的风速，每个位置测量风速6次，取平均值。根据不同位置风速大小研究风场中风速的分布情况，模拟泄漏气体随风扩散分布情况。风速分布检测实验示意见图1。

图1 风速分布检测实验示意

1.4 实验结果

1.4.1 距离对仪器布局的影响

轴流风机1和轴流风机2中轴线高度处不同距离的风速分布情况如图2、图3所示。从图中可以看出：①两者风场中风速分布整体情况接近，最大风速均为10.0 m/s左右，在0～3 m距离范围内风速由10.0 m/s下降到4.0 m/s左右，下降速度较快，对气体泄漏扩散影响较大，此范围内布设气体泄漏监测仪器，监测数据波动会较大；②随着距离增加，风速大小趋于稳定，从中轴线位置检测的风速值看，距轴流风机出风口3～5 m内风速分布在2.0～4.0 m/s范围，距离在10～15 m内风速降到1.0～2.0 m/s范围，可见在3～15 m距离范围内风速相对稳定，泄漏气体扩散比较稳定，有利于泄漏监测仪器布设；③从中轴线水平方向左右1 m位置检测风速看，风机1在距出风口3 m范围内风速均为0，风机2在距出风口5 m范围内风速均为0，从中轴线水平方向左右2 m位置检测风速来看，两台轴流风机在距出风口5 m范围内风速均为0，这些范围内风速不利于泄漏气体扩散，不宜布设泄漏监测仪器。

图2 轴流风机1风场中不同距离处的风速分布(中轴线高度1.5 m)

综上所述，考虑风速、距离的影响，进行泄漏监测仪器布局时，在1.0～4.0 m/s风速范围内，监测仪器宜布设在距泄漏源下风向中轴线3～15 m范围，水平方向左右不超过2 m范围内。

1.4.2 高度对仪器布局的影响

在距风机出风口3，5 m位置分别测定了风机1距地面0.5，1，1.5，2，2.5 m(即距其中轴线下方1.0，0.5，0 m、上方0.5，1.0 m)不同高度处的风速；测定了风机2距地面0.1，0.6，1.1，1.6，2.1 m(即距其中轴线下方1.0，0.5，0 m、上方0.5，1.0 m)不同高度处的风速。不同高度处风速分布情况如图4、图5所示。从图中可以看出：①不同高度处2台轴流风机的风速分布情况基本相近，均为中轴线位置风速最大，中轴线偏上或偏下风速均逐渐减小，除中轴线外，不同高度水平方向左右2 m处的风速均为0；②距风机出风口3 m处中轴线位置风速最大，为3.5～4.0 m/s，偏下方1 m范围内风速在0.6～2.6 m/s，偏上方1 m范围内风速在0.5～2.9 m/s；③距风机出风口5 m处中轴线位置风速最大，为2.2～3.1 m/s，偏下方1 m范围内风速在0.6～2.8 m/s，偏上方1 m范围内风速在0.8～2.5 m/s。

图4 轴流风机1不同高度处风速分布(轴心高度1.5 m)

图5 轴流风机2不同高度处风速分布(轴心高度1.1 m)

综上所述，考虑风速、高度的影响，进行泄漏监测仪器布局时，宜在1.0～4.0 m/s风速范围内，监测仪器布设在泄漏源下风向距中轴线上下1 m高度内。

2 监测方式对气体泄漏监测仪器布局的影响

根据监测方式划分，泄漏监测仪器类型可分为点式、线式和面式监测仪器，依据其监测方式的不同特点，其布局方法也不相同。

2.1 点式监测仪器布局影响因素

点式监测仪器主要根据仪器可监测半径进行布局，当泄漏气团大小在点式监测仪器的监测半径覆盖范围内且扩散浓度达到一定范围，即可监测到泄漏气体浓度[10]。以可燃、有毒气体报警仪为例，针对不同空间类型，监测半径覆盖范围如表1所示(其中，可燃气体的浓度均达到爆炸下限水平；有毒气体浓度达到最高允许浓度或短时间接触容许浓度(MAC/PC-STEL)水平)。因此需要根据泄漏源位置、常年风向和监测半径，统筹考虑点式监测仪的布局。

表1 可燃、有毒气体报警仪监测半径设置 m

2.2 线式监测仪器布局影响因素

线式监测仪器以光谱类监测仪器为主，布局时主要考虑监测光路路径长短和目标距离。典型线式监测仪器包括可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)，开路式傅里叶变换红外光谱(OP-FTIR)，紫外差分吸收光谱(UV-DOAS)。线式监测仪器宜布设于装置或重点区域、重点设备周界下风向，根据仪器原理不同，监测路径范围一般在几十米到几百米，监测浓度为泄漏气团在监测路径上的积分浓度。线式监测仪器布设示意见图6。

图6 线式监测仪器布设示意

2.3 面式监测仪器布局影响因素

面式监测仪器主要以成像类仪器为主，布局时主要考虑距离、高度、像素、监控目标大小、云台旋转角度等因素。典型面式监测仪器包括红外热成像仪(制冷型/非制冷型)、高光谱成像仪、超声成像仪等。以一个长37 m、宽15 m、高12 m的重点装置区域为例，为监控此区域内可燃气体泄漏情况，可布设一台非制冷型红外热像仪进行实时监控，布设示意如图7所示，在距重点区域30 m远，高度6 m处安装一台非制冷型红外热像仪，通过云台转动扫描不同角度可以实现重点区域监测范围全覆盖。

图7 面式监测设备布设示意

3 气体泄漏模拟验证实验

3.1 实验目的

通过甲烷、丙烷、二氧化碳气体泄漏模拟实验，监测不同距离的气体浓度分布情况，验证泄漏监测仪布局的监测有效性。

3.2 实验设备

气体泄漏模拟实验装置(自主设计)、便携式总烃监测仪、二氧化碳监测仪、风速计、测距仪、轴流风机。

3.3 实验过程

3.3.1 气体泄漏模拟实验装置设计加工

为模拟不同流量、不同气体的泄漏情况，自主设计加工了一套气体泄漏模拟实验装置。该装置包括供气部分、压力及流量控制部分、气体泄漏释放部分、氮气吹扫部分、轴流风机、气象站、阻火器、紧急切断阀、监测和控制系统等。气体泄漏模拟实验装置如图8所示。

图8 气体泄漏模拟实验装置

3.3.2 气体泄漏模拟实验过程

分别在泄漏模拟装置供气系统接入甲烷、丙烷气体钢瓶和二氧化碳气体钢瓶集装格。实验时首先打开气体钢瓶出口阀释放气体，流量计监测气体流量，然后通过调节阀控制气体流量达到实验要求，最后气体经由气体管路从泄漏排放口排出，气体泄漏释放口距地面高度1 m。在气体泄漏排放口设置轴流风机，提供3.0 m/s左右的风速，泄漏气体扩散后，在下风向5，10，15 m位置和水平方向左右2 m位置布设监测仪器，仪器高度设置距地面0.5 m，距气体泄漏释放口中轴线高度0.5 m。

通过仪器监测泄漏气体扩散后的实时浓度，验证泄漏监测仪布局的有效性。实验时气体泄漏释放速率分别为甲烷50 kg/h、丙烷50 kg/h、二氧化碳200 kg/h，每次释放时间均为10 min。实验结束后通过氮气吹扫口把管路系统中残留气体吹扫干净再进行下一种气体泄漏模拟实验。

3.4 气体泄漏模拟实验结果分析

甲烷、丙烷、二氧化碳气体泄漏模拟实验结果分别见图9～图11。可见，在距离泄漏释放源15 m范围内，所布设的监测仪对3种气体均能够检出，验证了所布设监测仪器对甲烷、丙烷、二氧化碳的泄漏监测有效性。

图9 距释放源不同距离的甲烷浓度分布

图10 距释放源不同距离的丙烷浓度分布

图11 距释放源不同距离的二氧化碳浓度分布

4 结论

通过风场中风速分布实验，考察距离、高度对泄漏监测仪布局的影响，并针对甲烷、丙烷、二氧化碳气体泄漏开展模拟实验，进行泄漏监测有效性验证。对点式、线式和面式监测仪器布局的影响因素进行分析，依据不同监测方式特点，确定适宜的布局方法，为气体泄漏监测仪布局提供支撑。结论如下。

a) 针对甲烷、丙烷、二氧化碳气体泄漏监测仪器布局，在1.0～4.0 m/s风速范围内，泄漏监测仪器宜布设在距泄漏源下风向中轴线3～15 m内，水平方向左右不宜超过2 m，高度宜布设在泄漏源下风向距中轴线上下1 m。

b) 甲烷、丙烷、二氧化碳等典型气体泄漏模拟实验表明，在距泄漏释放源5，10，15 m和水平方向左右2 m范围内布设点式监测仪器均能监测到泄漏气体，验证了所布设监测仪器的监测有效性。

c) 不同监测方式监测仪类型及原理不同，布局影响因素各不相同，点式监测仪器主要考虑监测覆盖半径，线式监测仪器主要考虑光程长短和目标距离，面式监测仪器距离、高度、像素、目标大小、云台旋转角度等因素。