天然氣管道站場泄漏擴散三維動態(tài)研究

尹 恒 ，鄒慶，廖柯熹，彭善碧

1.國家管網(wǎng)集團西氣東輸公司武漢計量研究中心，湖北 武漢430000

2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學(xué)，四川 成都610500

引言

天然氣管道站場是輸送天然氣的重要場所。由于站場內(nèi)處理設(shè)備布局復(fù)雜、管道眾多，處理介質(zhì)為天然氣，易燃易爆、有毒有害，且操作復(fù)雜，極易引發(fā)可燃氣體和有毒氣體泄漏事故，輕則造成資源浪費，情況嚴(yán)重時可能引起火災(zāi)、爆炸、中毒等事故，導(dǎo)致慘重的人員傷亡、巨大的經(jīng)濟損失以及不良的社會影響[1-3]。

目前，可燃及有毒氣體泄漏檢測儀的設(shè)置方法主要由相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行規(guī)定，石化企業(yè)各類天然氣站場以及可燃、有毒氣體作業(yè)儲存場所均依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進行氣體檢測儀的設(shè)置[4-5]。

章博[6]對高含硫天然氣集氣站的泄漏檢測報警系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)置。Berry 等[7-8]針對市政水管網(wǎng)在受到污染情況下如何優(yōu)化布置水質(zhì)監(jiān)測點的問題，建立混合整數(shù)規(guī)劃問題（MIP），提出了系統(tǒng)整體的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。Legg 等[9-11]在分析石化工廠氣體泄漏氣體檢測儀布置方法時，建立考慮多個泄漏位置、包含不同工藝單元的數(shù)值模型，考慮不同風(fēng)向、風(fēng)速等不確定因素的影響，使用軟件模擬多個泄漏場景，通過建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件，提出了一系列系統(tǒng)整體優(yōu)化布置的方案。吳夢雨[12]針對成品油管道泄漏事故，討論了管徑大小、泄漏位置等因素對油品滲流擴散范圍的影響。

李洋等[13]利用CFD 軟件中多孔介質(zhì)流動數(shù)值模擬方法研究了土壤孔隙率、土壤含水量、油品密度、油品黏度與泄漏油品縱向擴散深度的關(guān)系，研究表明，縱向擴散深度與土壤孔隙率、油品密度、油品黏度呈正相關(guān)，與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)；并通過正交實驗研究了四因素對其影響程度強弱，發(fā)現(xiàn)由強到弱為土壤含水率、土壤孔隙率、油品密度及油品黏度。

彭偉等[14]建立了雙泄漏孔的燃氣管道模型，研究雙泄漏孔間距對燃氣泄漏和分布的影響，泄漏孔越大，氣體在地下的分布面積越大，泄漏孔越大，對深埋氣管泄漏的影響越大。頂部與側(cè)壁的漏孔擴散速度幾乎相同，底部漏孔擴散比例比前兩個要低很多。雙泄漏孔的距離越小，甲烷擴散越快。泄漏孔的形狀對深埋輸氣管道的泄漏和分布影響不大。

張敬陽等[15]利用ICEM 建立典型建筑物幾何模型，研究住宅陽臺燃氣管道泄漏發(fā)生后的室內(nèi)泄漏燃氣擴散規(guī)律，以及建筑開窗條件對燃氣擴散的影響，發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)生建筑內(nèi)風(fēng)場通路的開窗工況下，擴散形成的可燃氣體聚集范圍更小，此時室內(nèi)形成的爆炸區(qū)域主要集中在廚房外側(cè)的頂部。

周寧等[16]為研究石化管廊管道氣體的泄漏擴散規(guī)律，采用CFD 軟件對不同環(huán)境風(fēng)速和泄漏初始速度下，石化管道丁烷氣體泄漏的擴散規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，無風(fēng)狀態(tài)下，丁烷泄漏氣體以射流形式從泄漏口噴出，爆炸極限區(qū)域集中于泄漏口上方；隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，丁烷氣體高濃度區(qū)域面積縮小，處于爆炸極限范圍區(qū)域的面積擴大，危險區(qū)域面積擴大，丁烷氣體整體呈上浮趨勢；丁烷氣體泄漏初始速度越大，丁烷泄漏氣體自由擴散的作用越強，處于爆炸極限范圍區(qū)域的面積越大，丁烷氣體沉降趨勢明顯、縱深增加。

李文英等[17]利用美國熱電子公司生產(chǎn)的680HVM 型碳氫化合氣體分析儀兩次對川西北氣礦平丹輸氣管線上4 個輸氣場站的設(shè)備進行泄漏檢測，并用美國ENVIROMETRICS 軟件公司的FEMS（fugitive emissions management system）泄漏管理軟件對所測數(shù)據(jù)進行處理，得出了所需要的天然氣泄漏量的有關(guān)數(shù)據(jù)（即天然氣泄漏量、泄漏點、泄漏點匯總及泄漏率報告等）。

胡憶溈[18]分析了天然氣管道產(chǎn)品泄漏的原因，介紹了在不影響正常運行的情況下消除泄漏的動密封技術(shù)，并討論了法蘭泄漏、直管泄漏、三通泄漏及天然氣輸送管道泄漏的具體消除方法。

劉恩斌等[19]研究了一種新型的基于瞬態(tài)模型的管道泄漏檢測方法，并對傳統(tǒng)的特征線法差分格式進行了改進，求解結(jié)果表明該方法不僅大大減少了仿真過程中由啟動到穩(wěn)定所經(jīng)歷的時間，提高了仿真系統(tǒng)的適應(yīng)性，而且求解速度快，同時還能夠滿足實時仿真的要求，能夠?qū)艿赖男孤┳龀黾皶r準(zhǔn)確的報警，定位誤差在被測管長的1%以內(nèi)。

張文艷等[20]通過研究風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系，確定了風(fēng)速分布的規(guī)律；考慮管道出流的擴散特性、管道出流的射流效應(yīng)和膨脹效應(yīng)，以及重力對地表的影響，主要考慮水平風(fēng)速的影響計算公式。

馬梅等[21]采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，對管道泄漏后在土壤和空氣環(huán)境中連續(xù)擴散的問題進行研究，結(jié)果表明，空氣區(qū)域中甲烷體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化分為快速增長、緩慢增長和穩(wěn)定3 個階段，泄漏發(fā)生60 min 后隧道頂部6 m 長的區(qū)域處于爆炸極限濃度范圍內(nèi)。侯永亮等[22]通過FLUENT 軟件進行泄漏擴散模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)強風(fēng)向作用下泄漏氣體的影響范圍較小、影響的設(shè)備也較少。部分學(xué)者同時也研究了泄漏擴散的相關(guān)機理[23-24]。

綜上所述，環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向及泄漏速率對天然氣擴散影響較大，但目前相關(guān)研究集中在理論研究上，對現(xiàn)場生產(chǎn)實際應(yīng)用較少。因此，本文建立天然氣站場模型，研究不同風(fēng)速、不同風(fēng)向及不同泄漏速率對天然氣擴散的影響。從提高檢測有效性入手提出適合于天然氣管道站場的更有效的可燃性氣體檢測儀設(shè)置建議。

1 模型建立及求解方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

發(fā)生天然氣泄漏事故后，比空氣輕的天然氣會迅速擴散至整個天然氣管道站場，F(xiàn)LACS 采用Dispersion 模塊計算天然氣的泄漏擴散過程，模型的計算方程主要包括3 大控制方程（質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程）、組分控制方程以及湍流方程（湍流動能方程和湍流動能耗散率方程）。

質(zhì)量守恒方程

式中：

ρ—混合物的密度，kg/m3；

t—時間，s；

uj3—個方向的速度分量，m/s，j=x，y，z。

動量守恒方程

式中：p—絕對壓力，Pa；

μt—流體的湍流黏度，Pa·s；

ρa—空氣密度，kg/m3；

gi—3 個方向的重力加速度分量，m/s2，i=x，y，z。

能量守恒方程

式中：T—流體的溫度，K；

ut—該溫度下的速度，m/s；

σT—湍流普朗特數(shù)，無因次；

cpv—泄漏物質(zhì)的定壓比熱，J（/kg·K）；

cpa—空氣的定壓比熱，J（/kg·K）；

cp—混合流體的定壓比熱，J（/kg·K）；

σc—湍流施密特數(shù)，無因次；

w—組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，無因次。

混合組分方程

式中：Di—流體的湍流擴散系數(shù)，m/s2。

湍流動能方程

湍流動能耗散率方程

式中：

k—湍流動能，J；

ueff—有效黏度，mPa·s；

G—層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能，J；

ε—湍流動能耗散率，無因次；

C1，C2，C3—無因次常數(shù)。

由于模型計算復(fù)雜，因此，為了簡化計算及分析，做出如下假設(shè)：模擬過程中，環(huán)境壓力為大氣壓力恒定不變，泄漏速率保持恒定，溫度保持恒定，不考慮化學(xué)反應(yīng)。

1.2 物理模型

本文結(jié)合川氣東送的調(diào)研數(shù)據(jù)，以其設(shè)備布局、尺寸數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立站場的簡化三維模型，該站場東西長70.0 m，南北長108.9 m，分別沿東西、南北方向建立X軸、Y軸，豎直方向建立Z軸。站內(nèi)分為收發(fā)球筒區(qū)、過濾分離區(qū)、調(diào)壓區(qū)、計量區(qū)、自用氣區(qū)以及辦公區(qū)6 大功能區(qū)，簡化模型忽略了站場內(nèi)部的輔助設(shè)施和結(jié)構(gòu)，以站場內(nèi)重點關(guān)注設(shè)備的外形結(jié)構(gòu)和空間位置為建模目標(biāo)，模型包括收發(fā)球筒、分離裝置（旋風(fēng)分離器和過濾分離器）、調(diào)壓撬塊、計量撬塊、自用氣撬塊以及各設(shè)備之間主要的地上工藝管道和站內(nèi)辦公樓。站場簡化的全尺寸幾何模型如圖1 所示。

圖1 站場全尺寸三維實體模型Fig.1 Full-scale 3D solid model of the station yard

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

在Grid 中進行網(wǎng)格搭建，考慮風(fēng)的影響，網(wǎng)格區(qū)域需足夠大以保證重點關(guān)注區(qū)域風(fēng)速穩(wěn)定，故設(shè)置計算域為210 m×327 m×30 m。因泄漏點處的濃度梯度較大，為準(zhǔn)確模擬泄漏孔附近天然氣濃度的分布情況，對泄漏孔附近的網(wǎng)格進行了細化，并對整體進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。FLACS 中普通網(wǎng)格尺寸對于網(wǎng)格數(shù)量具有重要影響，本文設(shè)定細化網(wǎng)格尺寸為0.25 m，普通網(wǎng)格選用0.25，0.50，1.00，1.25與1.50 m 等5 種尺寸分別進行泄漏模擬，結(jié)果如表1所示。通過對比，普通網(wǎng)格尺寸1 m 以內(nèi)時模擬結(jié)果趨于穩(wěn)定，考慮到時間計算成本以及計算精度，本文模擬時選用細化網(wǎng)格0.25 m、普通網(wǎng)格1.00 m的網(wǎng)格劃分方法。

表1 5 種不同網(wǎng)格下計算結(jié)果Tab.1 Calculation results under five different grids

泄漏場景下，風(fēng)流入流出邊界設(shè)置為Wind條件，其他邊界設(shè)置為Nozzle 條件。根據(jù)站場的環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，站場溫度、壓力設(shè)置為20°C、101.325 kPa。為正確反映輸氣站場內(nèi)部的風(fēng)場情況，設(shè)置10 s 風(fēng)場仿真計算，待風(fēng)場穩(wěn)定后再進行泄漏擴散模擬。

1.4 參數(shù)設(shè)置

1.4.1 可燃氣體監(jiān)測點設(shè)置

根據(jù)GB 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警技術(shù)規(guī)范》規(guī)定“探測器與周圍設(shè)備之間距離不低于0.5 m，且檢測比重小于空氣的可燃氣體的探測器，其安裝高度應(yīng)高出釋放源0.5～2.0 m”。本文研究的可燃氣體為天然氣，主要成分為甲烷，密度小于空氣，泄漏時容易向上方擴散，結(jié)合工藝裝置的高度，在泄漏源上方設(shè)置4 層監(jiān)測點。布置監(jiān)測點時考慮到模型的網(wǎng)格，F(xiàn)LACS 中要求監(jiān)測點不能位于網(wǎng)格線上或壁面附近，故本文每層監(jiān)測點間隔1 m，兩層監(jiān)測點間隔0.5 m，最終確定監(jiān)測點以8×6×4 對稱布置，其分布示意圖見圖2，以0.5 m 高度為例，部分監(jiān)測點具體位置如表2 所示。

表2 部分監(jiān)測點位置Tab.2 Location of some monitoring points

圖2 監(jiān)測點分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of monitoring point distribution

1.4.2 監(jiān)測選項設(shè)置

GB 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警技術(shù)規(guī)范》規(guī)定“可燃氣體的一級報警設(shè)定值應(yīng)小于或等于25%LEL（爆炸下限），可燃氣體的二級警報設(shè)定值應(yīng)小于或等于50%LEL”。本文選擇摩爾濃度作為監(jiān)測點的輸出選項，本文可燃氣體由98.93%CH4、0.22% C2H6以及0.85%CO2組成，其爆炸下限為5.3%，爆炸上限為15.5%，因此，定義可燃氣體危險濃度為0.013 25～0.155 00。同時，GB 15322—2019《可燃氣體探測器》規(guī)定，可燃氣體探測器在泄漏30 s 內(nèi)做出報警響應(yīng)視為合理。

1.4.3 工況設(shè)置

基于站場失效臺賬，本文以收球筒為泄漏源，基于控制變量法研究站場發(fā)生天然氣泄漏后，在不同泄漏速率、風(fēng)速和風(fēng)向下天然氣的擴散規(guī)律。根據(jù)API581《基于風(fēng)險的檢測》，泄漏分為小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏以及完全破裂，當(dāng)管道發(fā)生大孔泄漏或完全破裂時，泄漏氣體會瞬間積聚，可燃氣體探測器可以馬上響應(yīng)，且這兩種失效事故實際生產(chǎn)中很少發(fā)生，故本文選擇6.4、15.9 以及25.4 mm 的泄漏孔徑作為研究對象，并通過式（7）計算泄漏率；根據(jù)金壇站場的風(fēng)向玫瑰圖，風(fēng)速分別取無風(fēng)（0）、年平均風(fēng)速（3.1 m/s）、勁風(fēng)（8.0 m/s），風(fēng)向取4 個主風(fēng)向，即東風(fēng)（?X）、南風(fēng)（+Y）、西風(fēng)（+X）和北風(fēng)（?Y）。具體模擬工況見表3。

表3 模擬工況參數(shù)設(shè)定Tab.3 Simulation working condition parameter setting

式中：

Q—氣體泄漏率，kg/s；

C0—氣體泄漏系數(shù)，無因次；

A—泄漏孔口面積，m2；

p1—泄漏孔處壓力，Pa；

M—氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol；

k0—泄漏氣體絕熱指數(shù)，無因次；

Z—氣體壓縮因子，無因次；

R—理想氣體常數(shù)，R=8.314 J（/mol·K）。

1.5 模型驗證

本文借助Liu[25]的天然氣泄漏擴散實驗對FLACS 的Dispersion 模塊進行驗證。Liu 等研究了3 種不同建筑布局對天然氣泄漏擴散情況的影響，得到不同監(jiān)測點可燃氣體隨時間變化的濃度情況。以監(jiān)測點1 為驗證對象，本文在相同的條件下采用FLACS 進行模擬計算，得到對應(yīng)值并與實驗結(jié)果進行對比，見圖3 及表4。

表4 各工況最大誤差Tab.4 Maximum error of each working condition

圖3 實驗值與模擬值比較Fig.3 Comparison of experimental and simulated values

可以看出，實驗和模擬中，同一點濃度隨著泄漏時間增加的變化趨勢大致相同，且最大相對誤差為8.72%，小于10.00%，因此，基于FLACS 的天然氣泄漏擴散模擬具有一定的可靠性。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 不同泄漏速率下的擴散范圍

圖4～圖5 為以泄漏速率為變量，在模擬工況方案1、2、3 條件下的模擬結(jié)果。

由圖4，圖5 可以看出，泄漏初期，氣體受泄漏方向影響向+X方向噴射，隨著氣體擴散動能的減弱開始逐漸受到風(fēng)的作用而向?X方向擴散；氣體擴散前期只有較小云團，隨著泄漏量的增加，氣體擴散范圍逐漸變大，在泄漏30 s后，研究區(qū)內(nèi)可燃氣體體積不再發(fā)生劇烈變化，說明此時擴散基本達到平衡，高濃度氣體分布基本穩(wěn)定，氣體擴散范圍達到最大。

GB 15322—2019 規(guī)定，可燃氣體探測器應(yīng)在泄漏30 s 內(nèi)作出報警響應(yīng)，故以30 s 形成的氣體及其擴散最遠距離作為依據(jù)評價天然氣泄漏后的嚴(yán)重程度。結(jié)合圖4～圖5 以及表5 可知，泄漏速率越大，研究區(qū)域內(nèi)可燃氣體體積越大，氣體的擴散范圍越大，危險程度越高。

表5 不同泄漏速率條件下可燃氣體擴散最遠距離（30 s）Tab.5 The longest distance of flammable gas diffusion under different leakage rate conditions（30 s）

圖4 不同泄漏速率下氣體發(fā)展情況Fig.4 Gas cloud development under different leakage rates

圖5 不同泄漏速率下可燃氣體體積變化情況Fig.5 Changes in the volume of flammable gas cloud under different leakage rates

結(jié)合距泄漏源距離以及泄漏方向，表6 列出了不同泄漏速率、不同監(jiān)測高度下，19#～24#等6 個監(jiān)測點位的報警時間。由表6 可知，泄漏速率越大、監(jiān)測高度越低，探測器報警速度越快；經(jīng)過比較，23#點位在不同泄漏速率、不同監(jiān)測高度下報警時間均最短，這是由于天然氣泄漏初期，氣體會隨著泄漏方向沿+X方向噴射一段距離，隨后進行穩(wěn)定擴散。

表6 不同泄漏速率條件下監(jiān)測點位的報警時間（30 s）Tab.6 Alarm time of monitoring points under different leakage rate conditions（30 s）

如圖6 所示，選擇最小泄漏速率0.456 kg/s 的工況下，報警速度最快的23#監(jiān)測點進行分析，結(jié)果表明，監(jiān)測高度越低，報警響應(yīng)時間越短，但總體時間間隔并不大，均在可接受范圍內(nèi)。

圖6 23#監(jiān)測點位在不同高度下的氣體監(jiān)測情況（0.456 kg/s）Fig.6 The gas monitoring situation of monitoring points at different heights of 23#（0.456 kg/s）

選擇最小泄漏速率0.456 kg/s 的工況下，高度為0.5 m、與23#同X坐標(biāo)的7#、15#監(jiān)測點進行分析，如圖7 所示，在30 s內(nèi)，距離泄漏源越近的監(jiān)測點（23#），報警響應(yīng)的速度越快，距離泄漏源遠的點位（7#）甚至無法達成響應(yīng)。

圖7 高度為0.5 m 的不同監(jiān)測點監(jiān)測情況（0.456 kg/s）Fig.7 Monitoring situation at different monitoring point with a height of 0.5 m（0.456 kg/s）

2.2 不同風(fēng)速的影響

圖8～圖9 為以泄漏速率為變量，在模擬工況方案1、4、5 條件下的模擬結(jié)果?？梢钥闯觯酗L(fēng)存在的情況下，可燃氣體的擴散形態(tài)與不同泄漏速率影響下一致，氣體噴射一段距離后受風(fēng)向影響而向?X方向擴散，且風(fēng)速越大，對氣體的稀釋作用越強，形成的可燃氣體越小；無風(fēng)條件下，泄漏氣體遇障礙物向兩邊擴散，并在站場圍墻處存在氣體堆積現(xiàn)象，氣體濃度較高，達到擴散平衡后，研究區(qū)域內(nèi)的可燃氣體體積也最大。結(jié)合圖8～圖9 以及表7 可知，風(fēng)速越小，可燃氣體不易擴散，研究區(qū)域內(nèi)可燃氣體體積越大，氣云的擴散范圍越大，危險程度越高。

表7 不同風(fēng)速條件下可燃氣體擴散最遠距離（30 s）Tab.7 The longest distance of flammable gas diffusion under different wind speed conditions（30 s）

圖8 不同風(fēng)速下氣體發(fā)展情況Fig.8 Gas cloud development under different wind speeds

圖9 不同風(fēng)速下可燃氣體體積變化情況Fig.9 Variation of flammable gas cloud volume under different wind speeds

表8 中列出了不同泄漏速率、不同監(jiān)測高度下，19#～24#等6 個監(jiān)測點位的報警時間。由表8可知，風(fēng)速越大、監(jiān)測高度越低，探測器報警速度越快。如圖10 所示，選擇最大風(fēng)速8.0 m/s 的工況下，報警速度最快的23#監(jiān)測點進行分析，結(jié)果表明，監(jiān)測高度越低，報警響應(yīng)時間越短，但時間間隔小，對實際事故搶修并不會造成影響。選擇最大風(fēng)速8.0 m/s 的工況下，高度為0.5 m、與23#同X坐標(biāo)的7#、15#監(jiān)測點進行分析，如圖11 所示，在30 s內(nèi)，距離泄漏源越近的監(jiān)測點（23#），報警響應(yīng)的速度越快。

圖10 不同高度下同一監(jiān)測點的氣體監(jiān)測情況（8.0 m/s）Fig.10 Gas monitoring at different heights at the same monitoring points（8.0 m/s）

圖11 高度為0.5 m 不同監(jiān)測點監(jiān)測情況（8.0 m/s）Fig.11 Monitoring situation of the different monitoring point with a height of 0.5 m（8.0 m/s）

表8 不同風(fēng)速條件下監(jiān)測點位的報警時間（30 s）Tab.8 Alarm time of monitoring points under different wind speed conditions（30 s）

2.3 不同風(fēng)向的影響

表9 為不同風(fēng)向條件下可燃氣體擴散最遠距離，圖12～圖13 為以風(fēng)向為變量，在工況1、6、7、8條件下的模擬結(jié)果?？梢钥闯觯孤┓较蚺c風(fēng)向成90°時，風(fēng)與氣體混合的稀釋作用強于順風(fēng)向泄漏，泄漏氣體與風(fēng)發(fā)生動量交換，引起強烈湍流，導(dǎo)致可燃氣體波動較大，但同時大大增加了擴散距離；泄漏方向與風(fēng)向相反時，風(fēng)與泄漏形成的氣體混合強烈，最大程度稀釋了氣體，同時也最大程度擴展了氣體，增加其危害范圍。結(jié)合圖12～圖13 以及表9 可知，風(fēng)向與泄漏方向相同（順風(fēng)場景）可燃氣體最小，擴散范圍最小，危害性最小。

表9 不同風(fēng)向條件下可燃氣體擴散最遠距離（30 s）Tab.9 The longest distance of flammable gas diffusion under different wind direction（30 s）

圖12 不同風(fēng)向下可燃氣體體積變化情況Fig.12 Changes in the volume of combustible gas clouds under different wind direction

圖13 不同風(fēng)向下氣體發(fā)展情況Fig.13 The development of gas cloud under different wind direction

表10 列出了不同泄漏速率、不同監(jiān)測高度下，19#～24#等6 個監(jiān)測點位的報警時間。由表10 可知，監(jiān)測高度越低，探測器報警速度越快；逆風(fēng)以及泄漏方向與風(fēng)向成90°場景的探測器報警速度快于順風(fēng)場景。如圖14 所示，選擇西風(fēng)（+X）工況下，報警速度最快的23#監(jiān)測點進行分析，結(jié)果表明，監(jiān)測高度越低，報警響應(yīng)時間越短，但時間間隔小，對實際事故搶修并不會造成影響。選擇西風(fēng)（+X）工況下，高度為0.5 m、與23#同+X坐標(biāo)的7#、15#監(jiān)測點進行分析，如圖15 所示，在30 s內(nèi)，距離泄漏源越近的監(jiān)測點（23#），報警響應(yīng)的速度越快。

圖14 同一監(jiān)測點位在不同高度下的氣體監(jiān)測情況（西風(fēng)）Fig.14 Gas monitoring at different heights at the same monitoring points（westerly wind）

圖15 高度為0.5 m 不同監(jiān)測點監(jiān)測情況（西風(fēng)）Fig.15 Detection of different monitoring points with a height of 0.5 m（westerly wind）

表10 不同風(fēng)向條件下監(jiān)測點位的報警時間（30 s）Tab.10 Alarm time of monitoring points under different wind direction（30 s）

2.4 可燃氣體探測器設(shè)置位置優(yōu)化

針對天然氣管道站場，面對復(fù)雜多變的風(fēng)向、風(fēng)速等外部環(huán)境條件，不同設(shè)備多變的泄漏源強等內(nèi)部條件的模擬結(jié)果，可知距泄漏源越近、高度越低的監(jiān)測點報警時間越短，但其時間差在工程實際中可忽略。

為了能夠及時、準(zhǔn)確地檢測到泄漏，保證檢測效果與檢測靈敏性，結(jié)合收球筒本身的安裝高度及尺寸以及GB 50493—2019 的規(guī)定“檢測比重小于空氣的可燃氣體的探測器，其安裝高度應(yīng)高出釋放源0.5～2.0 m”“探測器安裝地點與周邊工藝管道或設(shè)備之間的凈空不應(yīng)小于0.5 m”，建議收發(fā)球筒區(qū)可燃氣體探測器應(yīng)設(shè)置在距收球筒1.0 m處，高度應(yīng)設(shè)置為2.0 m。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)30 s 內(nèi)形成可燃氣體擴散最遠距離來評價天然氣泄漏后的災(zāi)害嚴(yán)重程度，發(fā)現(xiàn)泄漏速率越大、風(fēng)速越小時，站場區(qū)域內(nèi)可燃氣體體積越大，可燃氣體擴散范圍越廣，危險程度越高，同時，順風(fēng)向泄漏的危害程度要小于其他方向。

（2）基于對不同泄漏速率、風(fēng)速、風(fēng)向影響下收球筒天然氣泄漏情況的分析，可知距泄漏源越近、高度越低的監(jiān)測點報警時間越短，但其時間差在工程實際中可忽略，結(jié)合現(xiàn)場實際情況及GB 50493—2019 的規(guī)定，建議收發(fā)球筒區(qū)可燃氣體探測器應(yīng)設(shè)置在距收球筒1 m處，高度設(shè)置為2 m。