1、高含硫天然气集输管道泄漏检测优化方法研究 摘 要：随着高含硫气藏的开发，高压高含硫天然气集输管道泄漏安全越来越重要。本文通过对高含硫天然气集输管道泄漏检测影响因素进行分析，采用测点优化方法进行了气体检测报警仪的优化设计，并提出了工程应用建议。 关键词：高含硫天然气；集输管道；泄漏；检测优化 1 引言 随着高含硫气藏的开发，天然气集输管道必须承受高压高含硫气体，如果发生管道泄漏事件，对人力财力均会造成重大损失，因此通过集输管道的泄漏检测来预报管道泄漏越来越重要。 泄漏检测是通过在管道内布置气体检测报警仪，检测管道泄漏并准确及时的进行泄漏报警，为高效制定应急措施提供了技术支持。目前对气体检测报警仪
2、的布置仅有场所及高低位置的标准约定，因此可通过布置间距、反应时间等优化设计提高报警仪的灵敏性。本文通过对高含硫天然气集输管道泄漏检测影响因素进行分析，采用测点优化方法提出高含硫天然气集输管道泄漏检测 优化方法。 2 集输管道泄漏检测影响因素分析 在危险气体存在的场所通常都需要安装气体检测报警仪，一般在设计上使用间距标准，在经济性设计上则使用数量标准 目前，在海洋工程的泄漏气体检测设计中，一般采用 CFD 方法确定泄漏的危险气云的大小，通过建立多个 CFD泄漏场景模拟来进行气体泄漏检测优化。采用上述的测点优化理论，国外学者通过风险评估进行了危险气体的检测仪间距优化设计，通过将风险分类分等级的方法
3、来优化检测仪距离设计。 检测仪的报警响应时间也是泄漏检测重要影响因素，受到采样 方式的影响，需要对不同的环境条件、危害程度设定不同的采用方式。检测仪的安装位置也影响泄漏的检测，对于不同密度的气体，检测仪的安装高度也有不同的设计要求。 国内在危险气体泄漏探测的测点优化研究还处于初步阶段，结合 CFD 技术开展探测仪的布置间距、高度、反应时间等方面的优化设计有助于提高检测仪的有效性，在高含硫天然气集输管道泄漏检测中的应用也具有工程价值。 3 集输管道泄漏检测优化方法 在集输管道中进行泄漏检测优化，主要是对布置的气体检测报警仪进行优化设计，通过安全分析方法预先识别可 能出现的泄漏点或者工况，获取高含
4、硫天然气的泄漏及扩散过程中产生的气体浓度场，并依据获取的信息进行优化分析，以提高集输管道的泄漏检测有效性和减少反应时间，在达到在节省设备投资的同时提高安全性的目的。具体的泄漏检测优化步骤包含以下四个过程： 1）对集输管道中可能的泄漏源进行识别，并对可能出现的泄漏工况进行分析，据此结合相关标准和经验确定布置检测报警仪的初步方案； 2）建立高含硫天然气泄漏扩散的 CFD 模型，考虑泄漏处的位置、气温、环境等因素，将初步设置的检测报警仪作为 CFD 模型中的监测点； 3）对 CFD 模型进行求解分析，获取不同检测报警仪处的实时危险气体信息； 4）根据获取的气体信息和检测报警仪的技术参数进行检测报警仪
5、的位置布置、反应时间等优化分析，最终确定检测报警仪布置的优化方案。 4 高含硫天然气集输管道泄漏检测优化 依据上述的过程，对高含硫天然气集输管道泄漏检测进行优化设计，并依据设计结果对工程应用提出建议。以泄漏源在西风场以流速 1.0 kg/s 泄漏扩散为研究工况，进行 CFD仿真，针对不同检测报警仪及优化参数进行仿真分析。 4.1 检测报警 仪高低位置布置优化 分析可燃气体检测报警仪布置的高度对灵敏度的影响。仿真结果表明，高位置处的甲烷体积分数要明显高于低位置处，距泄漏源较远的检测报警仪则高低位置上甲烷体积分数相差不大，分析其原因，是由于泄漏气团在扩散过程中的卷吸效应和湍流作用等因素形成的中性浮
6、力作用。通过高低位置甲烷体积分数监测数据分析可知针对高含硫天然气泄漏检测，因天然气主要成分甲烷密度小于空气，可燃气体检测报警仪高位布置将有利于提高检测效率。考虑到高位布置符合气体扩散规律并有利于提高检测灵敏性，推荐在符合国家标准范围内尽可能将可 燃气体检测报警仪布置在高处。 4.2 检测报警仪检测有效性对比 对硫化氢和可燃气体两种检测报警仪进行有效性分析对比。仿真结果表明，可燃气体检测报警仪中只有一个能有效报警，达到高限所需时间；但此时多个硫化氢监测点显示仍能有效报警。 4.3 检测报警仪报警时间分析 对甲烷、可燃气体和硫化氢检测报警仪在报警时间方面进行对比分析。仿真结果表明，甲烷监测点能在泄
7、漏后立即达到高限，可燃气体检测报警仪最大报警所需时间为 20 s；硫化氢检测报警仪最大报警所需时间为 30 s。对比可知在可 燃气体和硫化氢检测报警仪同时达到报警设定值的情况下，由于可燃气体检测报警仪的国标规定滞后时间小于硫化氢检测报警仪，故总体时间有一定优势。但大多数情况下，硫化氢检测报警仪的报警速度要快于可燃气体检测报警仪。 通过以上分析，对工程应用的综合建议如下所示： 1）对天然气泄漏而言，相同水平位置可燃气体检测报警仪布置，高位布置检测效果优于低位布置。 2）针对高含硫天然气泄漏特点并结合现有国家标准，硫化氢检测报警仪普遍能够有效探测并报警；但同等泄漏工况下，布置在同一水平位置的可燃气
8、体检测报 警仪探测有效性明显低于硫化氢检测报警仪，尤其是小流量泄漏差别更为明显。建议高含硫天然气检测报警仪布置可以硫化氢检测报警仪为主，并辅以可燃气体检测报警仪。 3）对高含硫天然气泄漏而言，气体检测报警仪报警滞后时间过长会导致报警时刻的硫化氢浓度远高于报警限值，可能造成人员死亡，增加了现场作业人员的暴露风险，建议选择反应灵敏，报警滞后时间短的气体检测报警仪产品。 5 结论 高含硫天然气集输管道受多种因素影响具有较高的泄漏风险。由于气体含硫量高，对附近人员危险较大，因此进行气体检测报警仪 的布置优化设计，提高泄漏检测的有效性，减少反应时间，对保证人员安全具有重要意义。 参考文献 章博， 陈国明 . 基于 CFD 的毒气泄漏中毒定量评估 J. 安全与环境学报 . 2009， 9（ 2）： 158 中华人民共和国石油天然气行业标准 . SY6503-2008 石油天然气工程可燃气体检测报警系统安全技术规范 S. 北京：石油工业出版社， 2008.
