楊志華，宋佩月，付建民，楊 燦，張新琪，朱 琳

(1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司，江蘇 徐州 221000；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東 青島 266580)

0 引言

原油儲(chǔ)備區(qū)廣泛使用原油儲(chǔ)罐儲(chǔ)集油氣,給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)便利同時(shí)也引發(fā)安全隱患,原油儲(chǔ)罐一旦發(fā)生泄漏或者火災(zāi)事故，會(huì)造成嚴(yán)重人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，原油泄漏、雷擊引發(fā)火災(zāi)事故造成的損失較嚴(yán)重。因此，有毒和可燃?xì)怏w探測(cè)是確保工業(yè)安全生產(chǎn)的前提。

泄漏事故發(fā)生后，首先需進(jìn)行有毒、有害氣體探測(cè)，Defriend等[2]基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估5步程序，提出氣體探測(cè)器間距布置方法；Benavidesserrano等[3]通過(guò)比較氣體探測(cè)器布置方法發(fā)現(xiàn)，基于后果模擬的探測(cè)器布置可減少因濃度過(guò)高導(dǎo)致的盲區(qū)；李偉等[4]對(duì)液氯儲(chǔ)罐系統(tǒng)泄漏后果進(jìn)行CFD模擬，通過(guò)研究后果濃度擴(kuò)散規(guī)律，利用CPLEX求解不同探測(cè)器數(shù)量布置方案，分析探測(cè)器數(shù)量對(duì)探測(cè)效果影響；標(biāo)準(zhǔn)氣體探測(cè)器布置變量包括變化的氣體濃度、氣體比重、動(dòng)態(tài)氣壓、大氣條件、通風(fēng)情況、設(shè)備位置、物體表面類型(固體或磨砂)、風(fēng)向等。擴(kuò)散模型可預(yù)測(cè)空間中氣體濃度值[5]；Galeev等[6]研究發(fā)現(xiàn)，大部分?jǐn)U散模型僅適用于氣體連續(xù)或瞬時(shí)釋放的情況；章博等[7]對(duì)柴油加氫單元的泄漏場(chǎng)景進(jìn)行篩分，利用CFD法得到氣體泄漏濃度，并以時(shí)效性和魯棒性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)以提供多種布置方案；陳修峰[8]以某煉油單元車間為研究對(duì)象，通過(guò)CFD法模擬有毒氣體泄漏場(chǎng)景，得到后果分布情況，結(jié)合集合覆蓋理論與數(shù)學(xué)求解模型，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)組合方案中求解最優(yōu)組合，提高探測(cè)效率同時(shí)節(jié)約成本；方旭鋒[9]通過(guò)分析實(shí)際場(chǎng)景中可燃?xì)怏w測(cè)量數(shù)據(jù)，建立不同種類可燃?xì)怏w同時(shí)擴(kuò)散的場(chǎng)景，得到檢測(cè)標(biāo)定閾值，設(shè)置爆炸下限值較小氣體最低燃燒極限；王海清等[10]通過(guò)引入遺傳算法，利用全局搜索，實(shí)現(xiàn)立體空間不同高度下場(chǎng)景全覆蓋的多種探測(cè)方案探測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置；Legg等[11]提出確定石化裝置氣體探測(cè)器最佳布置隨機(jī)規(guī)劃方法。研究最短預(yù)期檢測(cè)時(shí)間，最小覆蓋范圍條件下氣體探測(cè)器布置方法，通過(guò)采樣程序找到最佳置信區(qū)間，量化探測(cè)器放置有效性。

氣體探測(cè)器布置優(yōu)化設(shè)計(jì)能降低目標(biāo)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本并減少冗余。傳統(tǒng)探測(cè)器位置布置主要依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，不能針對(duì)特定事故特殊場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)，容易使企業(yè)遭受不必要損失。本文通過(guò)系統(tǒng)建模和后果量化分析，結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景模擬，綜合考慮所有可能的擴(kuò)散環(huán)境，評(píng)估目標(biāo)場(chǎng)景可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍及危害區(qū)域；通過(guò)理論分析法布置探測(cè)器，并給出優(yōu)化建議以期提高檢測(cè)覆蓋率。

1 可燃?xì)怏w探測(cè)器布置優(yōu)化流程

1.1 優(yōu)化布置方法

利用CFD法模擬原油泄漏擴(kuò)散過(guò)程，可以更好地制定評(píng)估氣體逸散風(fēng)險(xiǎn)程度，從而得到氣體探測(cè)器布置方案。油氣泄漏檢測(cè)場(chǎng)景設(shè)定：大氣穩(wěn)定度設(shè)定為穩(wěn)定，且有若干風(fēng)向初始值。探測(cè)器布置過(guò)程如圖1所示。

圖1 探測(cè)器布置過(guò)程Fig.1 Layout process of detectors

1.2 泄漏場(chǎng)景建立

后果模擬首先需要確定高風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景。本文使用典型HAZOP(危害與可操作性分析)和FMEA(失效模式與影響分析)分析可能存在的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)對(duì)泄漏場(chǎng)景進(jìn)行定性(HAZOP軟件分析)、定量(LEAK軟件)分析，確定高風(fēng)險(xiǎn)泄漏場(chǎng)景為油罐罐壁大孔泄漏。

氣體擴(kuò)散強(qiáng)烈程度取決于大氣條件，例如風(fēng)速和風(fēng)向。針對(duì)油庫(kù)風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)頻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探尋油庫(kù)以往風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)頻變化規(guī)律，為模擬風(fēng)場(chǎng)設(shè)置提供參考依據(jù)。根據(jù)氣象局資料室提供的2011年1月1日至2019年12月1日風(fēng)向、風(fēng)速資料數(shù)據(jù)，繪制玫瑰風(fēng)向圖，如圖2所示。由圖2可知，2011—2019年油庫(kù)所在地區(qū)高頻風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)、東北風(fēng)、東風(fēng)、東南風(fēng)以及南風(fēng)，設(shè)置風(fēng)向以正北為0°方向，對(duì)應(yīng)模型中5個(gè)高頻風(fēng)向分別為0°，45°，90°，135°，180°。

圖2 2011—2019年玫瑰風(fēng)向圖Fig.2 Wind rose diagram from 2011 to 2019

根據(jù)2011—2019年風(fēng)速數(shù)據(jù)，繪制風(fēng)速柱狀圖如圖3所示(排除1 d內(nèi)風(fēng)級(jí)變化較大的天數(shù))。由圖3可知，2級(jí)風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)最多，因此將2級(jí)風(fēng)對(duì)應(yīng)風(fēng)速作為平均風(fēng)速，模擬中風(fēng)速設(shè)定為3 m/s的恒定風(fēng)。

圖3 2011—2019年風(fēng)速Fig.3 Wind speed diagram from 2011 to 2019

1.3 風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景模擬

綜合風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果與罐區(qū)布置，確定8個(gè)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景并進(jìn)行原油擴(kuò)散模擬。在風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景模擬中，基于1.2小節(jié)中5組環(huán)境風(fēng)向，設(shè)置40組蒸汽云擴(kuò)散模型用于仿真計(jì)算。

根據(jù)《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50493—2019)[12]使用爆炸下限濃度(LEL)的25%作為濃度檢測(cè)較低濃度，以預(yù)防火災(zāi)和爆炸事故。為安全起見(jiàn)，將可燃?xì)怏wLEL的20%作為檢測(cè)器探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境氣體濃度達(dá)到該設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)將被探測(cè)器探測(cè)到。

時(shí)間是氣體探測(cè)器布置最重要變量之一[13]。在給定檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，氣體探測(cè)器數(shù)量與覆蓋面積之間存在直接關(guān)系：氣體探測(cè)器數(shù)量越多，檢測(cè)時(shí)間越短。在最壞情況下，儲(chǔ)罐或管道系統(tǒng)內(nèi)全部物質(zhì)在10 min內(nèi)達(dá)到完全泄漏[14]，即檢測(cè)時(shí)間應(yīng)小于10 min，參考動(dòng)態(tài)仿真時(shí)間為4 min。首先進(jìn)行預(yù)模擬，大孔泄漏場(chǎng)景中原油泄漏在2 min時(shí)形成穩(wěn)定液池，故將FLACS蒸汽云擴(kuò)散動(dòng)態(tài)模擬設(shè)定為120 s。

1.4 氣體探測(cè)器布置方案

氣體探測(cè)器是檢測(cè)易燃或有毒氣體濃度的裝置，其布置優(yōu)化主要目的是保護(hù)人員和設(shè)備免受泄漏物質(zhì)影響，目標(biāo)是利用CFD模擬盡可能擴(kuò)大探測(cè)器覆蓋范圍，利用氣云側(cè)視圖檢測(cè)濃度20%的LEL氣云位置。同時(shí)，探測(cè)器布置方式應(yīng)使其檢測(cè)到盡可能多的泄漏場(chǎng)景。為合理布置探測(cè)器位置，減少探測(cè)器數(shù)量，可通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)：首先布置1個(gè)氣體探測(cè)器檢測(cè)最大數(shù)量的場(chǎng)景，然后刪除這些場(chǎng)景；再設(shè)置下一個(gè)探測(cè)器，重復(fù)該過(guò)程，直到探測(cè)器布置方案能夠檢測(cè)到所有場(chǎng)景。這樣可以用多個(gè)氣體探測(cè)器檢測(cè)到所有泄漏情況，且不會(huì)造成探測(cè)器資源冗余。

1.5 CFD仿真

FLACS模擬軟件中泄漏擴(kuò)散模塊準(zhǔn)確度與可靠性較高。FLACS通過(guò)在笛卡爾網(wǎng)格上求解質(zhì)量密度、動(dòng)量、焓、湍流動(dòng)能、湍流動(dòng)能耗散率、燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)和混合分?jǐn)?shù)的3維Favre-averaged平均守恒方程，使用壁面函數(shù)計(jì)算網(wǎng)格上物體湍流產(chǎn)生和拖曳力[15]；在計(jì)算網(wǎng)格上用孔隙度(PDR)概念表征幾何[16]；在模擬之前，體積孔隙度βv表示每個(gè)計(jì)算單元開(kāi)放體積與總體積比率，并在相應(yīng)網(wǎng)格單元中心定義。同樣，面積孔隙度βj表示2個(gè)相鄰小區(qū)中心之間預(yù)計(jì)開(kāi)放面積與各自控制體積面的總面積比率。因此，變量φ被集成在控制體積的多孔部分上，φ守恒方程中通量項(xiàng)加權(quán)于面積孔隙率βj，如式(1)所示：

(1)

式中：Γφ表示有效湍流交換系數(shù)；Sφ是φ的源項(xiàng)；Rφ代表額外阻力、額外混合或由流動(dòng)中固體障礙引起的額外傳熱，J;k-ε模型被擴(kuò)展為子網(wǎng)格障礙物引起的湍流產(chǎn)生的源項(xiàng)。

2 案例研究

本文以直徑80 m的10萬(wàn)方浮頂罐原油罐區(qū)為研究對(duì)象，罐區(qū)4個(gè)油罐為1個(gè)罐組。泄漏源附近儲(chǔ)罐、隔堤、雨水收集槽、地上管線等建筑均依據(jù)實(shí)物等比例構(gòu)建。確定罐區(qū)可能泄漏擴(kuò)散的所有場(chǎng)景條件，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)分析，設(shè)置環(huán)境293 K和F大氣穩(wěn)定度條件，風(fēng)速3 m/s，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析確定沿罐1周等分的0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315° 8個(gè)泄漏位置，每個(gè)泄漏場(chǎng)景分別設(shè)定0°、45°、90°、135°、180°(0°為正北方向)風(fēng)向，進(jìn)行40組覆蓋全部高風(fēng)險(xiǎn)泄漏擴(kuò)散場(chǎng)景的模擬。

為安全起見(jiàn)，取原油揮發(fā)物質(zhì)中含量最高且LEL最低的物質(zhì)異丁烷進(jìn)行分析。90°泄漏位置異丁烷在不同風(fēng)向下體積分?jǐn)?shù)分布范圍如圖4所示，體積分?jǐn)?shù)0.003 6對(duì)應(yīng)20%的LEL。CFD計(jì)算結(jié)果表明，風(fēng)力會(huì)加劇蒸汽云擴(kuò)散，蒸汽云擴(kuò)散過(guò)程受防火堤、隔堤阻礙影響大，受環(huán)形儲(chǔ)罐側(cè)面風(fēng)場(chǎng)促進(jìn)作用強(qiáng)；在0°、90°、180°風(fēng)向條件下，可燃?xì)怏w受風(fēng)的裹挾作用強(qiáng)，擴(kuò)散范圍相對(duì)較大；在45°、135°風(fēng)向下儲(chǔ)罐在液池來(lái)風(fēng)方向，由于各向來(lái)風(fēng)始終受環(huán)形儲(chǔ)罐阻擋，抑制揮發(fā)油氣流動(dòng)，蒸汽云擴(kuò)散范圍較小，但聚集的蒸汽云濃度相對(duì)較高；其余7個(gè)泄漏位置在不同風(fēng)向下規(guī)律相似。

圖4 不同風(fēng)向下體積分?jǐn)?shù)分布范圍Fig.4 Distribution range of volume fraction under different wind directions

基于氣體擴(kuò)散范圍計(jì)算結(jié)果劃分區(qū)塊，如圖5所示。將單個(gè)儲(chǔ)罐隔堤分塊：以儲(chǔ)罐中心為圓心，每9°作1條分割線，按角度將圓分割成40等份。鑒于儲(chǔ)罐隔堤區(qū)域大，狹長(zhǎng)區(qū)域不利于后續(xù)探測(cè)器布置，所以在每條分割線上取儲(chǔ)罐壁交點(diǎn)和隔堤交點(diǎn)的中點(diǎn)，將40塊區(qū)域分割成大小均勻的80塊4邊形，并依次編號(hào)1-1、1-2、2-1、2-2，直至編號(hào)40-1、40-2。

圖5 儲(chǔ)罐隔堤區(qū)域劃分Fig.5 Block division of storage tank dike

將40組CFD模擬結(jié)果與區(qū)塊結(jié)合，如圖6所示。根據(jù)40組蒸汽云覆蓋區(qū)塊圖，記錄每個(gè)場(chǎng)景蒸汽云及原油液池覆蓋區(qū)塊位號(hào)，結(jié)果如圖7所示。圖中隆起點(diǎn)表示某場(chǎng)景中某區(qū)塊被蒸汽云所覆蓋，未隆起點(diǎn)表示該區(qū)域未達(dá)到LEL 20%的可燃蒸汽云。由圖7可知，涵蓋最多可燃蒸汽云覆蓋場(chǎng)景的區(qū)塊為21-2，該區(qū)塊包含16個(gè)場(chǎng)景中的可燃蒸汽云，將區(qū)塊21-2作為1號(hào)探測(cè)器位置，即圖7中加粗標(biāo)記區(qū)塊。刪除被1號(hào)探測(cè)器探測(cè)到的場(chǎng)景并進(jìn)行下一步；剩余場(chǎng)景中涵蓋最多可燃蒸汽云覆蓋場(chǎng)景的區(qū)塊為6-1，該區(qū)塊包含13個(gè)場(chǎng)景中的可燃蒸汽云，將區(qū)塊6-1作為2號(hào)探測(cè)器位置；依次重復(fù)上述步驟，確認(rèn)3號(hào)和4號(hào)探測(cè)器位置分別為區(qū)塊31-1和區(qū)塊40-2。

圖6 CFD結(jié)果與區(qū)塊劃分結(jié)合Fig.6 Combination of CFD results and block division

圖7 探測(cè)器位置布置Fig.7 Layout of detectors location

根據(jù)探測(cè)器布置模擬結(jié)果，在原油儲(chǔ)罐隔堤內(nèi)布置4個(gè)探測(cè)器，即21-2、6-1、31-1及40-2，儲(chǔ)罐探測(cè)器布置如圖8所示，所有模擬泄漏事故場(chǎng)景可燃蒸汽云分布均可被檢測(cè)到。

圖8 儲(chǔ)罐區(qū)探測(cè)器位置布置方案Fig.8 Layout scheme of detectors location in storage tank area

3 傳統(tǒng)探測(cè)器布置方案對(duì)比

國(guó)內(nèi)大部分化工園區(qū)探測(cè)器布置通常依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏針對(duì)特定泄漏場(chǎng)景的詳實(shí)要求，不能針對(duì)特定事故特殊場(chǎng)景制定探測(cè)器布置方案。

根據(jù)《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50493—2019)中檢測(cè)點(diǎn)的確定，規(guī)定在儲(chǔ)罐區(qū)中央排水口、罐根閥處水平距離不大于10 m處設(shè)置可燃?xì)怏w探測(cè)器；在各儲(chǔ)罐隔堤中典型可燃?xì)怏w探測(cè)器數(shù)量為3臺(tái)。要求布置的探測(cè)器數(shù)量較少，且僅針對(duì)個(gè)別位置處零失效保護(hù)，對(duì)于設(shè)備因失效導(dǎo)致實(shí)際泄漏場(chǎng)景缺乏針對(duì)性保護(hù)。

根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源 罐區(qū) 現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控裝備設(shè)置規(guī)范》(AQ 3036—2010)[17]，對(duì)于監(jiān)測(cè)報(bào)警點(diǎn)的確定,一般規(guī)定在儲(chǔ)罐區(qū)排水口、連接處、罐根閥處布置可燃?xì)怏w探測(cè)器，依據(jù)防火堤內(nèi)間隔布置原則，在隔堤內(nèi)應(yīng)布置至少14處探測(cè)器。規(guī)范中要求布置探測(cè)器數(shù)量較多，能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域全面覆蓋，但產(chǎn)生探測(cè)器大量冗余，造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

本文儲(chǔ)罐區(qū)單個(gè)儲(chǔ)罐隔堤內(nèi)可燃?xì)怏w探測(cè)器數(shù)量為4個(gè)，罐組內(nèi)總計(jì)需要布置16處。

對(duì)比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案布置數(shù)量處于適中范圍，并且具有針對(duì)性；既能覆蓋各種可能發(fā)生泄漏事故的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，又可避免資源浪費(fèi)。

4 結(jié)論

1)基于CFD法提出原油庫(kù)區(qū)探測(cè)器布置優(yōu)化方案,對(duì)比傳統(tǒng)探測(cè)器布置方法,滿足特定罐組環(huán)境所有泄漏場(chǎng)景下可燃?xì)怏w探測(cè)需求,更具針對(duì)性、經(jīng)濟(jì)性，可有效減少探測(cè)器配置冗余。

2)經(jīng)過(guò)40組模擬仿真實(shí)驗(yàn)，選定原油儲(chǔ)罐區(qū)探測(cè)器位置分別為區(qū)塊21-2、6-1、31-1、40-2，每個(gè)罐組總計(jì)布置16處。

3)優(yōu)化布置方案可為石化裝置可燃?xì)怏w及有毒氣體探測(cè)器布置提供參考，通過(guò)對(duì)目標(biāo)裝置進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，結(jié)合CFD動(dòng)態(tài)泄漏擴(kuò)散模擬后果、目標(biāo)裝置環(huán)境因素及氣象條件，制定相應(yīng)探測(cè)器布置優(yōu)化方案。