CN108920838A - 储罐泄漏下风侧探测快速报警响应判断优化安装计算模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了储罐泄漏下风侧探测快速报警响应判断优化安装计算模型，其包括：一、确定探测器安装位置模型及报警响应值；二、二分法确定可燃气体探测器安装点，建立计算探测点浓度三维空间坐标系；三、二分法确定液池半径，计算液体蒸发量；四、计算探测点处的可燃气体浓度；五、判断探测器是否响应报警；六、计算储罐泄漏后探测器何时响应报警及响应报警时的液体泄漏量；七、验证确定探测器报警响应最佳安装位置。本发明的计算模型在风速干扰条件下，对常压立式储罐本体任意薄弱环节泄漏后，可燃气体探测器报警响应判断计算分析均适用，可确定可燃气体探测器报警响应时间及最佳安装位置，从而为预防和制定事故预防措施提供了科学有效的依据。
Description
技术领域
本发明属于危化品储罐泄漏监测技术领域，具体是涉及常压立式储罐液体泄漏可燃气体 探测器快速报警响应判断及最佳安装点位置优化的确定。
背景技术
当储存可燃液体的常压立式储罐发生泄漏后，其可燃气体探测器能否快速响应报警及响 应报警所需时间是分析储罐泄漏后造成的事故后果及波及范围的有力依据，若可燃气体探测 器安装于最佳报警响应位置处，则常压立式储罐发生泄漏后，其能在短时间内迅速响应报警， 则人员能够在风险无法控制前赢得宝贵的时间对发生泄漏的储罐进行应急处置和人员救援疏 散，能够有效的控制事故的波及范围及事故后果。
目前对于储罐泄漏下风侧可燃气体探测器快速报警响应判断及最佳安装位置优化的确定， 主要是依据《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》(GB50493-2009)中对于可 燃气体探测器安装位置范围的相关要求：当探测点位于释放源的最小频率风向的下风侧时， 可燃气体探测点与释放源的距离不宜大于5m；检测比重大于空气的可燃气体，安装高度应距 地坪(或楼地板)0.3m-0.6m；检测比重小于空气的可燃气体，安装高度应高出释放源0.5m-2m。 规范中仅对可燃气体探测器的安装范围做了规定，对于已确定安装点位置的可燃气体探测器 难以确定不同泄漏场景下其响应报警所需的时间，以及无法确定可燃气体探测器报警响应的 最佳安装点位置，从而难以为预防和制定事故预防措施提供科学有效的依据。
发明内容
本发明为了克服常压立式储罐发生泄漏后，现有计算和判断可燃气体探测器快速报警响 应所需时间及最佳安装点位置确定存在的缺陷，提供了一种基于Pasquill-Gifford模型和《石 油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》(GB50493-2009)分析构建的储罐泄漏下风 侧探测快速报警响应判断优化安装计算模型。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
储罐泄漏下风侧探测快速报警响应判断优化安装计算模型，可燃气体探测点位于释放源 最小频率风向的下风侧时，构建储罐泄漏下风侧探测快速报警响应判断优化安装计算模型， 因可燃气体检测器与可燃气体探测器所述意义一样，因此本发明对可燃气体检(探)测器均 适用，包括以下步骤：
(一)、确定探测器安装位置模型及报警响应值
第一步，确定可燃气体探测器安装范围。
依据《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》(GB50493-2009)中要求，确 定可燃气体探测器安装位置范围。
⑴安装距离范围确定
在4.3储运设施的规定：当检(探)测点位于释放源的最小频率风向的下风侧时，可燃 气体检(探)测点与释放源的距离0m＜x1≤5m；
⑵安装高度范围确定
比重大于空气
6检(探)测器和指示报警设备的安装6.1检(探)测器的安装规定有：检测比重大于空气的可燃气体的检(探)测器，其安装高度应距地坪(或楼地板)z1＝0.3m-0.6m；
比重小于空气
检测比重小于空气的可燃气体的检(探)测器，其安装高度应高出释放源z2＝0.5m-2m。
第二步，建立可燃气体检(探)测器安装位置模型。具体如下：
⑴安装距离x1的确定
可燃气体探测点位于释放源最小频率风向的下风侧，设可燃气体探测点与释放源的水平 距离为x1(0m＜x1≤5m)；
⑵安装高度Z1/Z2的确定
比重大于空气
检测比重大于空气的可燃气体时，可燃气体探测器的安装高度距地坪(或楼地板)Z1 (0.3m≤Z1≤0.6m)；
比重小于空气
检测比重小于空气的可燃气体时，可燃气体探测器安装高度高出释放源Z2(0.5 m≤Z2≤2m)。
(3)侧风向距离y1的确定
可燃气体探测器位于连续稳态源侧风向的距离，在《石油化工可燃气体和有毒气体检测 报警设计规范》(GB50493-2009)及相关其他规范中，未见可燃气体探测器位于连续稳态源 侧风向距离的要求。由Pasquill-Gifford模型有，为使可燃气体探测器快速响应报警，则有侧 风向距离y1＝0米。
第三步，确定可燃气体探测器一级报警及二级报警响应值。
依据《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》(GB50493-2009)5可燃气体和 有毒气体检测报警系统5.5.5中报警设定值的规定，确定可燃气体探测器一级报警及二级报 警响应值。
可燃气体的一级报警设定值小于或等于25％爆炸下限；可燃气体的二级报警设定值小于 或等于50％爆炸下限。则：
可燃气体探测器一级报警设定值：a＝25％LEL；
可燃气体探测器二级报警设定值：b＝50％LEL；
(二)、二分法确定可燃气体探测器安装点，建立计算探测点浓度三维空间坐标系
第四步，根据可燃气体探测器安装位置模型利用二分法确定可燃气体探测器安装点 (x1,y1,z1)。
第五步，建立计算可燃气体探测点浓度三维空间坐标系。
常压立式储罐泄漏后，液体在自身重力、环境风速、地面摩擦阻力及液体本身粘滞性作 用下进一步发生扩散，将泄漏液体在地面扩散的形状由椭圆形理想化为圆形，建立计算可燃 气体探测点浓度三维空间坐标系，三维空间坐标系如图1所示；
①坐标系轴的确定
x轴：选择一条与环境风向相平行的液池半径r，建立空间三维坐标系中的x轴，同时泄 漏点在x轴上，x轴方向与环境风向一致；
y轴：做x轴水平面上的一组垂线，选择与泄漏液池半径r相切的某一垂线建立y轴，y 轴方向代表侧风向；探测器位置位于下风侧时，侧风向对计算结果没有影响，因此y轴方向 可任意选择。
z轴：以同时与x轴、y轴垂直的垂线建立空间三维坐标线中的z轴，且z轴经过x轴、y轴的交点，z轴方向竖直向上。
(三)、二分法确定液池半径，计算液体蒸发量
第六步，利用二分法确定常压立式储罐泄漏时的液池半径。
常压立式储罐泄漏后，泄漏液体扩散最大液池半径为泄漏点到防火堤的最大水平距离， 依据Pasquill-Gifford模型，当探测点位于释放源的最小频率风向的下风侧时，液池半径r1需 满足r1≤x1，其中x1≤5m，可燃气体探测器才有可能检测到蒸发出来的可燃气体。设泄漏点 到防火堤的水平距离为x0，则液池半径r1的取值范围为：0＜r1≤x1，在r1可能的取值区间内 采用二分法，确定常压立式储罐泄漏时的液池半径r1。
第七步，确定常压立式储罐泄漏后的液池半径后，计算此时泄漏液体蒸发量。
利用《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046-2013)E1.6.1闪蒸蒸发(见E.2闪蒸)、 E1.6.2热量蒸发、E1.6.3质量蒸发、E1.6.4液体蒸发总量，计算泄漏液体蒸发量Q。
⑴闪蒸带走的气体量：
液体中闪蒸部分：
过热液体闪蒸蒸发速率可按下式计算：
Ql＝QL×Fv……(1-11)
式中：
Fv——泄漏液体的闪蒸比例；
TT——储存温度，单位为K；
Tb——泄漏液体的沸点，单位为K；
Hv——泄漏液体的蒸发热，单位为J/kg；
Cp——泄漏液体的定压热容，单位为kJ/(kg·K)；
Q1——过热液体闪蒸蒸发速率，单位为kg/s；
QL——物质泄漏速率，单位为kg/s。
⑵热量蒸发：
当液体闪蒸不完全，有一部分液体在地面形成液池，并吸收地面热量而气化称为热量蒸 发。热量蒸发的蒸发速度Q2按下式计算：
式中：
Q2——热量蒸发速率，单位为kg/s；
A2——液池面积，单位为m2；
T0——环境温度，单位为K；
Tb——液体沸点，单位为K；
H——液体蒸发热，单位为J/kg；
α——表面热扩散系数，单位为m2/s，见表1；
K——表面导热系数，单位为W/(m·K)，见表1；
t′——蒸发时间，单位为s。
表1 某些地面的热传递(热扩散、导热)系数
⑶质量蒸发：
当热量蒸发结束，转由液池表面气流运动使液体蒸发，称之为质量蒸发。质量蒸发速度 Q3可按下式计算：
式中：
Q3——质量蒸发速率，单位为kg/s；
a，n——大气稳定度系数，见表2；
P——液体表面蒸气压，单位为Pa；
R——气体常数，单位为J/(mol·K)；
T0——环境温度，单位为K；
u——风速，单位为m/s；
r1——液池半径，单位为m。
表2 液池蒸发模式参数
| 稳定度条件 | n | a |
| 不稳定(A，B) | 0.2 | 3.846×10-3 |
| 中性(D) | 0.25 | 4.685×10-3 |
| 稳定(E，F) | 0.3 | 5.285×10-3 |
⑷液体蒸发总量：
液池最大直径取决于泄漏点附近的地域构型、泄漏的连续性或瞬时性。有围堰时，以围 堰最大等效半径为液池半径；无围堰时，设定液体瞬间扩散到最小厚度时，推算液池等效半 径。
液体蒸发总量：
Wp＝Q1t1+Q2t2+Q3t3……(1-14)
式中：
Wp——液池蒸发总量，单位为kg；
Q1——闪蒸蒸发速率，单位为kg/s；
t1——闪蒸蒸发时间，单位为s；
Q2——热量蒸发速率，单位为kg/s；
t2——热量蒸发时间，单位为s；
Q3——质量蒸发速率，单位为kg/s；
t3——从液体泄漏到液体全部处理完毕的时间，单位为s。
当泄漏液体的沸点大于其储存温度时，只考虑热量蒸发和质量蒸发；当泄漏液体沸点大 于其储存温度且同时大于环境温度时，只考虑质量蒸发。即：
式中：
Wp——液池蒸发总量，单位为kg；
Q3——质量蒸发速率，单位为kg/s；
t3——从液体泄漏到液体全部处理完毕的时间，单位为s；
a，n——大气稳定度系数，见表2；
P——液体表面蒸气压，单位为Pa；
R——气体常数，单位为J/(mol·K)；
T0——环境温度，单位为K；
u——风速，单位为m/s；
r1——液池半径，单位为m。
(四)、计算探测点处的可燃气体浓度
第八步，Pasquill-Gifford模型中x、y、z的确定。
为计算可燃气体探测器最快报警响应时间，则有y＝y1＝0。
检测比重大于空气的可燃气体探测器：x＝(x1-r1)m；y＝0m；z＝z1；
检测比重小于空气的可燃气体探测器：x＝(x1-r1)m；y＝0m；z＝z2。
第九步，计算侧风向和垂直风向的扩散系数σy、σz。
依据《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046—2013)E.3.1大气稳定度的确定，选定 大气稳定度等级，见发明内容的表3、表4，烟羽扩散Pasquill-Gifford模型扩散系数方程见 表5所示，由表格内容分别计算侧风向和垂直风向的扩散系数σy、σz。
第十步，依据《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046—2013)E.3.2 Pasquill-Gifford 模型扩散方程计算泄漏源强Q。
位于地面Hr高处的连续稳态源的烟羽,Pasquill-Gifford模型为：
式中：
〈C〉(x,y,z)——连续排放时，形成稳定的流场后，给定地点(x,y,z)的污染物的浓度， 单位为kg/m3；
Q——泄漏源强，即连续排放的物料质量流量，单位为kg/s；
u——风速，单位为m/s；
σy，σz——侧风向和垂直风向的扩散系数，单位为m；
x——下风向距离，单位为m；
y——侧风向距离，单位为m；
z——垂直风向距离，单位为m。
通常：
①瞬时点源的源强以一次释放的总量表示；
②连续点源的源强以单位时间的释放量表示；
③连续线源的源强以单位时间单位长度的排放量表示；
④连续面源的源强以单位时间单位面积的排放量表示，其中连续面源面积不足1m2时， 按单位时间的排放量表示。
则：连续面源的源强Q有如下表达式：
第十一步，由Pasquill-Gifford模型计算探测点处的可燃气体质量浓度。
第十二步，建立常压立式储罐本体泄漏后泄漏的可燃液体在风速、环境温度、大气稳定 度及液体表面蒸气压作用下蒸发的气体体积浓度扩散模型。
式中：
Cv——可燃气体体积浓度，mL/m3；
P0——环境大气压，Pa。
由上述式(1-5)计算探测点处可燃气体体积浓度。
第十三步，比较可燃气体体积浓度与可燃气体探测器一级报警设定值和二级报警设定值 的大小。
可燃气体探测器一级报警设定值：a＝25％LEL；
可燃气体探测器二级报警设定值：b＝50％LEL。
(五)、判断探测器是否响应报警
第十四步，判断探测器是否响应报警。
若Cv＝a，则可燃气体探测器响应一级报警；若Cv＝b，则可燃气体探测器响应二级报警。 否则可燃气体探测器未响应报警，返回执行步骤(三)，采用二分法逐步缩小液池半径区间， 使可燃气体探测器感应位置浓度逐步逼近、达到感应报警浓度，从而求出可燃气体探测器报 警响应时扩散的液池半径。
第十五步，若可燃气体探测器响应报警则执行步骤(六)。
(六)、计算储罐泄漏后探测器何时响应报警及响应报警时的液体泄漏量；
第十六步，确定常压立式储罐泄漏后可燃气体探测器何时响应报警。
由步骤(一)至步骤(五)可得可燃气体探测器响应报警时的液池半径r1。
再根据经验公式，对于稳定的连续泄漏，液池半径随时间的变化可用如下经验公式表达， 则由如下经验公式确定泄漏时间t；
式中：
t——时间，s；
r(t)——液池半径，m；
ρ——液体密度，kg/m3；
′——质量泄漏速率，kg/s。
由《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046)E.1.2液体经储罐上的孔流出其瞬时质 量流率为：
Qm＝′……(1-8)
式中：Qm——质量流率，单位为kg/s；
P——储罐内液体压力，单位为Pa；
P0——环境压力，单位为Pa；
C0——液体泄漏系数；
g——重力加速度，9.8m/s2；
A——泄漏孔面积，单位为m2；
ρ——液体密度，单位为kg/m3；
hL——泄漏孔上方液体高度，单位为m。
第十七步，确定可燃气体探测器报警响应时的液体泄漏量。
依据一种基于常压立式储罐本体连续实时泄漏量的计算模型，由泄漏时间计算可燃气体 探测器报警响应时的液体泄漏量，该模型如下：
式中：
m——液体泄漏量，kg；
ρ——液体密度，单位为kg/m3；
t——泄漏时间，单位为s；
A——泄漏孔面积，单位为m2；
A1——储罐的底面积，单位为m2；
C0——液体泄漏系数；
g——重力加速度，9.8m/s2；
h——储罐未发生泄漏前，储罐内原有的液体高度，单位为m；
h1——泄漏孔距离储罐底部高度，单位为m。
(七)、验证确定探测器报警响应最佳安装位置
第十八步，重复返回执行步骤(二)，然后继续执行后续步骤，筛选出最短的报警响应时 间
根据可燃气体探测器安装位置模型对安装距离区间(0m，5m]利用二分法；重新确定探 测器安装点，继续执行后续步骤。将重新确定安装点的可燃气体探测器报警响应时间与前一 安装点的可燃气体探测器报警响应时间比较，直至报警响应时间最短。
第十九步，确定探测器报警响应最佳安装位置。
当可燃气体探测器报警响应时间最短时，其对应的可燃气体探测器的安装位置即为报警 响应最佳安装位置，从而确定可燃气体探测器报警响应最佳安装位置。
本发明的有益效果：本发明是基于Pasquill-Gifford模型和《石油化工可燃气体和有毒 气体检测报警设计规范》(GB50493-2009)分析构建的储罐泄漏下风侧探测快速报警响应判 断优化安装计算模型，其弥补了现有技术中不能精确确定探测器安装位置的局限，通过本发 明的计算模型可确定可燃气体探测器报警响应时间及最佳安装位置，从而为预防和制定事故 预防措施提供了科学有效的依据。
附图说明
图1是本发明的探测点位于释放源最小频率风向的下风侧的三维坐标系示意图。
图2是本发明的建模步骤流程图。
图3是本发明的实例分析计算建模流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例
根据上述计算模型，当可燃气体探测点位于释放源最小频率风向的下风侧时，利用储罐 泄漏下风侧探测快速报警响应判断优化安装计算模型，计算距离地面0.1m处汽油储罐发生小 孔泄漏，位于不同安装点位置的可燃气体探测响应报警所需的时间及响应报警最佳安装点位 置。
汽油储罐相关参数来源于中石化某油库储罐信息，具体相关参数见表6，汽油储罐参数 如下：储罐体积V＝10000m3；内径D＝30m；高度为H＝19.341m；储罐内原有液体高度按h＝12m (储罐充装系数按0.84计算)计算；其罐区探测系统等级为A，隔离系统等级为C。
表6 常压立式汽油储罐相关参数一览表
依据《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046—2013》8.1.1泄漏场景根据泄漏孔径大 小可分为完全破裂以及孔泄漏两大类，有代表性的泄漏场景见表7泄漏场景，则依据表7泄 漏场景有：小孔泄漏，泄漏孔孔径取其代表值5mm。
表7 泄漏场景
依据《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046—2013》附录F得：评价连续性泄漏时 探测和隔离系统分级指南，见表8，通过对探测和隔离系统的分级，结合人因分析的结果， 各孔径下的泄漏时间见表9。
表8为探测和隔离系统分级指南，该表中给出的信息只在评价连续性泄漏时使用。
表8 探测和隔离系统的分级指南
通过对探测和隔离系统的分级，结合人因分析的结果，各孔径下的泄漏时间见表9。
表9 基于探测及隔离系统等级的泄漏时间
依据上述表7、表8、表9内容确定实例分析中常压立式汽油储罐泄漏场景，具体见表 10。
表10 泄漏场景参数一览表
依据《事故调查与分析技术第二版》6.2.1.2泄漏量的计算得：若常压立式储罐发生泄漏 的裂口是规则的，则裂口形状有圆形、多边形、三角形、长方形。液体泄漏系数C0见表11。
表11 液体泄漏系数C0
确定常压立式汽油储罐泄漏场景后，由本发明的计算模型计算分析位于不同安装点位置 的可燃气体探测响应报警所需的时间及响应报警最佳安装点位置。
(一)、确定探测器安装位置模型及报警响应值
第一步，确定可燃气体探测器安装范围
依据《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》(GB50493-2009)中要求，确 定可燃气体探测器安装位置范围。
(1)安装距离范围确定
4.3储运设施的规定有：当探测点位于释放源的最小频率风向的下风侧时，可燃气体探 测点与释放源的距离0m＜x1≤5m；
(2)安装高度范围确定
比重大于空气
6探测器和指示报警设备的安装6.1探测器的安装规定有：检测比重大于空气的可燃气 体的探测器，其安装高度应距地坪(或楼地板)z1＝0.3m-0.6m；
比重小于空气
检测比重小于空气的可燃气体的探测器，其安装高度应高出释放源z2＝0.5m-2m。
第二步，建立可燃气体探测器安装位置模型。具体如下：
(1)安装距离x1的确定
可燃气体探测点位于释放源最小频率风向的下风侧，设可燃气体探测点与释放源的水平 距离为x1(0m＜x1≤5m)；
⑵安装高度Z1/Z2的确定
比重大于空气
检测比重大于空气的可燃气体的探测器，可燃气体探测器的安装高度距地坪(或楼地板) Z1(0.3m≤Z1≤0.6m)；
比重小于空气
检测比重小于空气的可燃气体的探测器，可燃气体探测器安装高度高出释放源Z2(0.5 m≤Z2≤2m)。
(3)侧风向距离y1的确定
可燃气体探测器位于连续稳态源侧风向的距离，在《石油化工可燃气体和有毒气体检测 报警设计规范》(GB50493-2009)及相关其他规范中，未见可燃气体探测器位于连续稳态源 侧风向距离的要求。由Pasquill-Gifford模型有，为使可燃气体探测器快速响应报警，则有侧 风向距离y1＝0m。
第三步，确定可燃气体探测器一级报警及二级报警响应值。
依据《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》(GB50493-2009)5可燃气体和 有毒气体检测报警系统5.5.5中报警设定值的规定，确定可燃气体探测器一级报警及二级报 警响应值。
可燃气体的一级报警设定值小于或等于25％爆炸下限；可燃气体的二级报警设定值小于 或等于50％爆炸下限。则：
可燃气体探测器一级报警设定值：a＝25％LEL；
可燃气体探测器二级报警设定值：b＝50％LEL。
(二)、二分法确定可燃气体探测器安装点，建立计算探测点浓度三维空间坐标系
第四步，根据可燃气体探测器安装位置模型利用二分法确定可燃气体探测器安装点 (x1,y1,z1)。
由二分法确定可燃气体探测器安装点，则有：
y1＝0(m)；
z1＝0.3(m)；
因此，可燃气体探测器安装点位置坐标为(2.5,0,0.3)
第五步，建立计算可燃气体探测点浓度三维空间坐标系。
常压立式储罐泄漏后，液体在自身重力、环境风速、地面摩擦阻力及液体本身粘滞性作 用下进一步发生扩散，将泄漏液体在地面扩散的形状由椭圆形理想化为圆形，建立计算可燃 气体探测点浓度三维空间坐标系，三维空间坐标系如图1所示；
①坐标系轴的确定
x轴：选择一条与环境风向相平行的液池半径r，建立空间三维坐标系中的x轴，同时泄 漏点在x轴上，x轴方向与环境风向一致；
y轴：做x轴水平面上的一组垂线，选择与泄漏液池半径r相切的某一垂线建立y轴，y 轴方向代表侧风向；检(探)测器位置位于下风侧时，侧风向对计算结果没有影响，因此y轴方向可任意选择。
z轴：以同时与x轴、y轴垂直的垂线建立空间三维坐标线中的z轴，且z轴经过x轴、y轴的交点，z轴方向竖直向上。
三、二分法确定液池半径，计算液体蒸发量
第六步，利用二分法确定常压立式储罐泄漏时的液池半径。
汽油储罐泄漏后，泄漏点到防火堤的最大水平距离为12m，依据Pasquill-Gifford模型， 当探测点位于释放源的最小频率风向的下风侧时，液池半径r1需满足r1≤x1，其中x1≤5m，可 燃气体探测器才有可能检测到蒸发出来的可燃气体。设泄漏点到防火堤的水平距离为x0，则 液池半径r1的取值范围为：0m＜r1≤x1≤5m，在r1可能的取值区间内采用二分法，确定常压 立式储罐泄漏时的液池半径r1。
则有：
第七步，确定常压立式储罐泄漏后的液池半径后，计算此时泄漏液体蒸发量。
由于汽油储存温度为常温，辛烷的沸点大于其储存温度，同时大于环境温度。当泄漏液 体的沸点大于其储存温度时，只考虑热量蒸发和质量蒸发；当泄漏液体沸点大于其储存温度 且同时大于环境温度时，只考虑质量蒸发。即：
因大气稳定度等级为E等级，则有a＝5.285×10-3；n＝0.3；汽油表面蒸气压取P＝45000pa； 辛烷的摩尔质量为114g/mol；气体常数R＝8.314J/(mol·K)；环境温度取南宁市平均气温 T0＝22℃；南宁市风速取2m/s，则有：
Q3＝0.252195418(kg/s)
(四)、计算探测点处的可燃气体浓度
第八步，Pasquill-Gifford模型中x、y、z的确定。
为计算可燃气体探测器最快报警响应时间，则有y＝y1＝0。
汽油蒸汽的比重大于空气，则检测比重大于空气的可燃气体的探测器：
x＝(x1-r1)＝2.5-1.25＝1.25(m)；
y＝0(m)；
z＝z1＝0.3(m)
即可燃气体探测器感应位置点的坐标为(x,y,z)＝(1.25,0,0.3)
第九步，计算侧风向和垂直风向的扩散系数σy、σz。
依据《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046—2013)E.3.1大气稳定度的确定，选定大 气稳定度等级，见表3、表4，烟羽扩散Pasquill-Gifford模型扩散系数方程见表5所示，由 表格内容分别计算侧风向和垂直风向的扩散系数σy、σz。
表3 Pasquill大气稳定度确定
表4 日照强度确定
表5 烟羽扩散Pasquill-Gifford模型扩散系数方程(下风向距离x的单位为m)
因大气稳定度等级为E等级，则有：
σy＝0.11x(1+0.0004x)-1/2＝0.11×1.25(1+0.0004×1.25)-1/2＝0.137465637(m)
σz＝0.08x(1+0.0015x)-1/2＝0.08×1.25(1+0.0015×1.25)-1/2＝0.099906381(m)
第十步，依据《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046—2013)E.3.2 Pasquill-Gifford 模型扩散方程计算泄漏源强Q。
位于地面Hr高处的连续稳态源的烟羽,Pasquill-Gifford模型为：
式中：
〈C〉(x,y,z)——连续排放时，形成稳定的流场后，给定地点(x,y,z)的污染物的浓度， 单位为kg/m3；
Q——泄漏源强，即连续排放的物料质量流量，单位为kg/s；
u——风速，单位为m/s；
σy，σz——侧风向和垂直风向的扩散系数，单位为m；
x——下风向距离，单位为m；
y——侧风向距离，单位为m；
z——垂直风向距离，单位为m。
通常：
①瞬时点源的源强以一次释放的总量表示；
②连续点源的源强以单位时间的释放量表示；
③连续线源的源强以单位时间单位长度的排放量表示；
④连续面源的源强以单位时间单位面积的排放量表示，其中连续面源面积不足1m2时， 按单位时间的排放量表示。
则：连续面源的源强Q有如下表达式：
第十一步，由Pasquill-Gifford模型计算探测点处的可燃气体质量浓度。
连续稳态源为在地面上扩散的汽油，则Hr近似为0，即取Hr＝0m；
则有：
则有：〈c〉(1.25,0,0.3)＝2.34058×10-5(kg/m3)
第十二步，建立常压立式储罐本体泄漏后泄漏的可燃液体在风速、环境温度、大气稳定 度及液体表面蒸气压作用下蒸发的气体体积浓度扩散模型。
式中：
Cv——可燃气体体积浓度，mL/m3；
P0——环境大气压，Pa。
由上述式(1-5)计算探测点处可燃气体体积浓度，则有：
则有：Cv＝4.96965323(ml/m3)＝0.0004969653231％
第十三步，比较可燃气体体积浓度与可燃气体探测器一级报警设定值和二级报警设定值 的大小。
Cv＝4.96965323(ml/m3)＝0.0004969653231％
可燃气体探测器一级报警设定值：a＝0.325％
可燃气体探测器二级报警设定值：b＝0.65％
此时可燃气体感应位置处的气体体积浓度值0.0004969653231％＜0.325％＜0.65％。
(五)、判断探测器是否响应报警
第十四步，判断探测器是否响应报警。
若Cv＝a，则可燃气体探测器响应一级报警；若Cv＝b，则可燃气体探测器响应二级报警。 否则可燃气体探测器未响应报警，返回执行步骤(三)，采用二分法逐步缩小液池半径区间， 使可燃气体探测器感应位置浓度逐步逼近、达到感应报警浓度，从而求出可燃气体探测器报 警响应时扩散的液池半径。
因此时可燃气体感应位置处的气体体积浓度值0.0004969653231％＜0.325％＜0.65％，所 以可判断此时可燃气体探测器未响应报警。则返回执行步骤(三)，在r1的取值区间内再次采 用二分法，继续执行上述步骤，直到可燃气体探测器响应报警，计算 结果表12所示(计算结果保留五位小数)：
表12 可燃气体探测点响应报警情况一览表
由常压立式汽油储罐本体发生小孔泄漏计算结果可知：当可燃气体探测点安装坐标为 (2.5,0,0.3)时，汽油储罐泄漏后液池扩散半径为1.06033m时，可燃气体探测器响应报警。
第十五步，若可燃气体探测器响应报警则执行步骤(六)。
可燃气体检(探)测器响应报警，此时执行步骤(六)。
(六)、计算储罐泄漏后探测器何时响应报警及响应报警时的液体泄漏量；
第十六步，确定常压立式储罐泄漏后可燃气体探测器何时响应报警。
由表12可知，可燃气体探测点与释放源的水平距离为2.5m，侧风向距离为0m，可燃气 体探测器的安装高度距地坪0.3m时，当泄漏液体扩散液池半径为1.06033m时，可燃气体探 测器响应报警。
再根据经验公式，对于稳定的连续泄漏，液池半径随时间的变化可用如下经验公式表达，则 由如下经验公式确定泄漏时间t；
式中：
t——时间，s；
r(t)——液池半径，m；
ρ——液体密度，kg/m3；
′——质量泄漏速率，kg/s。
由《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046)E.1.2液体经储罐上的孔流出其瞬时质 量流率为：
Qm＝′……(1-8)
式中：
Qm——质量流率，单位为kg/s；
P——储罐内液体压力，单位为Pa；
P0——环境压力，单位为Pa；
C0——液体泄漏系数；
g——重力加速度，9.8m/s2；
A——泄漏孔面积，单位为m2；
ρ——液体密度，单位为kg/m3；
hL——泄漏孔上方液体高度，单位为m。
则：
Q′＝0.146186082(kg/s)
则泄漏时间为：
t＝8.362068034(s)
第十七步，确定可燃气体探测器报警响应时的液体泄漏量。
依据一种基于常压立式储罐本体连续实时泄漏量的计算模型，由泄漏时间计算可燃气体 探测器报警响应时的液体泄漏量，该模型如下：
式中：
m——液体泄漏量，kg；
ρ——液体密度，单位为kg/m3；
t——泄漏时间，单位为s；
A——泄漏孔面积，单位为m2；
A1——储罐的底面积，单位为m2；
C0——液体泄漏系数；
g——重力加速度，9.8m/s2；
h——储罐未发生泄漏前，储罐内原有的液体高度，单位为m；
h1——泄漏孔距离储罐底部高度，单位为m。
可燃气体探测器响应报警时的泄漏量为：
所以，m＝1.222417904(kg)
(七)、验证确定探测器报警响应最佳安装位置。
第十八步，重复返回执行步骤二，然后继续执行后续步骤，筛选出最短的报警响应时间。
根据可燃气体探测器安装位置模型对安装距离区间(0m，5m]利用二分法；重新确定探 测器安装点，继续执行后续步骤。将重新确定安装点的可燃气体探测器报警响应时间与前一 安装点的可燃气体探测器报警响应时间比较，直至报警响应时间最短。
计算结果如表13所示(计算结果保留五位小数)。
第十九步，确定探测器报警响应最佳安装位置。
当可燃气体探测器报警响应时间最短时，其对应的可燃气体探测器的安装位置即为报警 响应最佳安装位置，从而确定可燃气体探测器报警响应最佳安装位置。
计算结果如表13所示(计算结果保留五位小数)。
表13 可燃气体探测器不同安装点位置响应报警情况一览表
由常压立式汽油储罐本体小孔泄漏计算结果分析可知：当可燃气体探测器安装高度距地 坪(或楼地板)为0.3m时有：当可燃气体探测点的安装坐标为(1.98239,0,0.3)时，储罐 泄漏3.17725s时，可燃气体探测器响应报警，此时可燃气体探测器报警响应时间最短,汽油 泄漏量为0.46447kg。因探测器安装在此位置时报警响应时间最短，所以此安装位置即为可 燃气体探测器最佳安装位置。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术 人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡 本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
Claims (2)
1.储罐泄漏下风侧探测快速报警响应判断优化安装计算模型，其特征在于：可燃气体探测点位于释放源最小频率风向的下风侧时，构建储罐泄漏下风侧探测快速报警响应判断优化安装计算模型，因可燃气体检测器与可燃气体探测器所述意义一样，因此本发明对可燃气体检(探)测器均适用，包括以下步骤：
(一)确定探测器安装位置模型及报警响应值
第一步，确定可燃气体探测器安装范围：
⑴安装距离范围确定
当探测点位于释放源的最小频率风向的下风侧时，可燃气体探测点与释放源的距离0m＜x1≤5m；
⑵安装高度范围确定
当检测比重大于空气的可燃气体时，可燃气体探测器的安装高度应距地坪：z1＝0.3m～0.6m；
当检测比重小于空气的可燃气体时，可燃气体探测器的安装高度应高出释放源：
z2＝0.5m～2m；
第二步，建立可燃气体探测器安装位置模型：
⑴安装距离x1的确定
可燃气体探测点位于释放源最小频率风向的下风侧，可燃气体探测点与释放源的水平距离为x1(0m＜x1≤5m)；
⑵安装高度Z1/Z2的确定
当检测比重大于空气的可燃气体时，可燃气体探测器的安装高度距地坪Z1为：0.3m≤Z1≤0.6m；
当检测比重小于空气的可燃气体时，可燃气体探测器安装高度高出释放源Z2为：0.5m≤Z2≤2m；
(3)侧风向距离y1的确定
根据Pasquill-Gifford模型，为使可燃气体探测器快速响应报警，则有侧风向距离y1＝0米；
第三步，确定可燃气体探测器一级报警及二级报警响应值：
设定报警值，可燃气体探测器一级报警设定值：a＝25％LEL；可燃气体探测器二级报警设定值：b＝50％LEL；
(二)二分法确定可燃气体探测器安装点，建立计算探测点浓度三维空间坐标系
第四步，根据可燃气体探测器安装位置模型利用二分法确定可燃气体探测器安装点(x1,y1,z1)；
第五步，建立计算可燃气体探测点浓度三维空间坐标系：
常压立式储罐泄漏后，液体在自身重力、环境风速、地面摩擦阻力及液体本身粘滞性作用下进一步发生扩散，将泄漏液体在地面扩散的形状由椭圆形理想化为圆形，建立计算可燃气体探测点浓度三维空间坐标系；
①坐标系轴的确定
x轴：选择一条与环境风向相平行的液池半径r，建立空间三维坐标系中的x轴，同时泄漏点在x轴上，x轴方向与环境风向一致；
y轴：做x轴水平面上的一组垂线，选择与泄漏液池半径r相切的某一垂线建立y轴，y轴方向代表侧风向；探测器位置位于下风侧时，侧风向计算结果没有影响，因此y轴方向可任意选择；
z轴：以同时与x轴、y轴垂直的垂线建立空间三维坐标线中的z轴，且z轴经过x轴、y轴的交点，z轴方向竖直向上；
(三)二分法确定液池半径，计算液体蒸发量
第六步，利用二分法确定常压立式储罐泄漏时的液池半径；
设泄漏点到防火堤的水平距离为x0，则液池半径r1的取值范围为：0＜r1≤x1，在r1可能的取值区间内采用二分法，确定常压立式储罐泄漏时的液池半径r1；
第七步，确定常压立式储罐泄漏后的液池半径后，计算此时泄漏液体蒸发量；
利用《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046-2013)中的闪蒸蒸发、热量蒸发、质量蒸发、液体蒸发总量，计算泄漏液体蒸发量Q；
当泄漏液体的沸点大于其储存温度时，只考虑热量蒸发和质量蒸发；当泄漏液体沸点大于其储存温度且同时大于环境温度时，只考虑质量蒸发，即：
式中：
Wp——液池蒸发总量，单位为kg；
Q3——质量蒸发速率，单位为kg/s；
t3——从液体泄漏到液体全部处理完毕的时间，单位为s；
a，n——大气稳定度系数，见表2；
P——液体表面蒸气压，单位为Pa；
R——气体常数，单位为J/(mol·K)；
T0——环境温度，单位为K；
u——风速，单位为m/s；
r1——液池半径，单位为m；
(四)计算探测点处的可燃气体浓度
第八步，Pasquill-Gifford模型中x、y、z的确定
为计算可燃气体探测器最快报警响应时间，则有y＝y1＝0；
检测比重大于空气的可燃气体的探测器：x＝(x1-r1)；y＝0；z＝z1；
检测比重小于空气的可燃气体的探测器：x＝(x1-r1)；y＝0；z＝z2；
第九步，计算侧风向和垂直风向的扩散系数σy、σz；
确定大气稳定度等级，烟羽扩散Pasquill-Gifford模型扩散系数方程，并计算侧风向和垂直风向的扩散系数σy、σz；
第十步，计算泄漏源强Q
位于地面Hr高处的连续稳态源的烟羽，Pasquill-Gifford模型为：
式中：
〈C〉(x,y,z)——连续排放时，形成稳定的流场后，给定地点(x,y,z)的污染物的浓度，单位为kg/m3；
Q——泄漏源强，即连续排放的物料质量流量，单位为kg/s；
u——风速，单位为m/s；
σy，σz——侧风向和垂直风向的扩散系数，单位为m；
x——下风向距离，单位为m；
y——侧风向距离，单位为m；
z——垂直风向距离，单位为m；
则：连续面源的源强Q有如下表达式：
(液池面积<1m2)(1-4)
第十一步，由Pasquill-Gifford模型计算探测点处的可燃气体质量浓度
第十二步，建立常压立式储罐本体泄漏后泄漏的可燃液体在风速、环境温度、大气稳定度及液体表面蒸气压作用下蒸发的气体体积浓度扩散模型；
式中：
Cv——可燃气体体积浓度，mL/m3；
P0——环境大气压，Pa；
由上述式(1-5)计算探测点处可燃气体体积浓度；
第十三步，比较可燃气体体积浓度与可燃气体探测器一级报警设定值和二级报警设定值的大小；
可燃气体探测器一级报警设定值：a＝25％LEL；
可燃气体探测器二级报警设定值：b＝50％LEL；
(五)判断探测器是否响应报警
第十四步，判断探测器是否响应报警
若Cv＝a，则可燃气体探测器响应一级报警；若Cv＝b，则可燃气体探测器响应二级报警；否则可燃气体探测器未响应报警，返回执行步骤(三)，采用二分法逐步缩小液池半径区间，使可燃气体探测器感应位置浓度逐步逼近、达到感应报警浓度，从而求出可燃气体探测器报警响应时扩散的液池半径；
第十五步，若可燃气体探测器响应报警则执行步骤(六)
(六)计算储罐泄漏后探测器何时响应报警及响应报警时的液体泄漏量；
第十六步，确定常压立式储罐泄漏后可燃气体探测器何时响应报警
由步骤(一)至步骤(五)可得可燃气体探测器响应报警时的液池半径r1，再根据经验公式，对于稳定的连续泄漏，液池半径随时间的变化可用如下经验公式表达，则由如下经验公式确定泄漏时间t；
式中：
t——时间，s；
r(t)——液池半径，m；
ρ——液体密度，kg/m3；
Q′——质量泄漏速率，kg/s；
由《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046)E.1.2液体经储罐上的孔流出其瞬时质量流率为：
Qm＝Q′……(1-8)
式中：
Qm——质量流率，单位为kg/s；
P——储罐内液体压力，单位为Pa；
P0——环境压力，单位为Pa；
C0——液体泄漏系数；
g——重力加速度，9.8m/s2；
A——泄漏孔面积，单位为m2；
ρ——液体密度，单位为kg/m3；
hL——泄漏孔上方液体高度，单位为m；
第十七步，确定可燃气体探测器报警响应时的液体泄漏量
依据一种基于常压立式储罐本体连续实时泄漏量的计算模型，由泄漏时间计算可燃气体探测器报警响应时的液体泄漏量，该模型如下：
式中：
m——液体泄漏量，kg；
ρ——液体密度，单位为kg/m3；
t——泄漏时间，单位为s；
A——泄漏孔面积，单位为m2；
A1——储罐的底面积，单位为m2；
C0——液体泄漏系数；
g——重力加速度，9.8m/s2；
h——储罐未发生泄漏前，储罐内原有的液体高度，单位为m；
h1——泄漏孔距离储罐底部高度，单位为m；
(七)验证确定探测器报警响应最佳安装位置
第十八步，重复返回执行步骤(二)，然后继续执行后续步骤，筛选出最短的报警响应时间
根据可燃气体探测器安装位置模型对安装距离区间(0m，5m]利用二分法；重新确定探测器安装点，继续执行后续步骤；将重新确定安装点的可燃气体探测器报警响应时间与前一安装点的可燃气体探测器报警响应时间比较，直至报警响应时间最短；
第十九步，确定探测器报警响应最佳安装位置
当可燃气体探测器报警响应时间最短时，其对应的可燃气体探测器的安装位置即为报警响应最佳安装位置，从而确定可燃气体探测器报警响应最佳安装位置。
2.根据权利要求1所述的储罐泄漏下风侧探测快速报警响应判断优化安装计算模型，其特征在于：所述第七步，利用《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046-2013)中的闪蒸蒸发、热量蒸发、质量蒸发、液体蒸发总量，计算泄漏液体蒸发量Q；
⑴闪蒸带走的气体量：
液体中闪蒸部分：
过热液体闪蒸蒸发速率可按下式计算：
Ql＝QL×Fv……(1-11)
式中：
Fv——泄漏液体的闪蒸比例；
TT——储存温度，单位为K；
Tb——泄漏液体的沸点，单位为K；
Hv——泄漏液体的蒸发热，单位为J/kg；
Cp——泄漏液体的定压热容，单位为kJ/(kg·K)；
Q1——过热液体闪蒸蒸发速率，单位为kg/s；
QL——物质泄漏速率，单位为kg/s；
⑵热量蒸发：
热量蒸发的蒸发速度Q2按下式计算：
式中：
Q2——热量蒸发速率，单位为kg/s；
A2——液池面积，单位为m2；
T0——环境温度，单位为K；
Tb——液体沸点，单位为K；
H——液体蒸发热，单位为J/kg；
α——表面热扩散系数，单位为m2/s；
K——表面导热系数，单位为W/(m·K)；
t′——蒸发时间，单位为s；
⑶质量蒸发：
质量蒸发速度Q3可按下式计算：
式中：
Q3——质量蒸发速率，单位为kg/s；
a，n——大气稳定度系数；
P——液体表面蒸气压，单位为Pa；
R——气体常数，单位为J/(mol·K)；
T0——环境温度，单位为K；
u——风速，单位为m/s；
r1——液池半径，单位为m；
(4)液体蒸发总量：
液池最大直径取决于泄漏点附近的地域构型、泄漏的连续性或瞬时性；有围堰时，以围堰最大等效半径为液池半径；无围堰时，设定液体瞬间扩散到最小厚度时，推算液池等效半径；
液体蒸发总量：
Wp＝Q1t1+Q2t2+Q3t3……(1-14)
式中：
Wp——液池蒸发总量，单位为kg；
Q1——闪蒸蒸发速率，单位为kg/s；
t1——闪蒸蒸发时间，单位为s；
Q2——热量蒸发速率，单位为kg/s；
t2——热量蒸发时间，单位为s；
Q3——质量蒸发速率，单位为kg/s；
t3——从液体泄漏到液体全部处理完毕的时间，单位为s；
当泄漏液体的沸点大于其储存温度时，只考虑热量蒸发和质量蒸发；当泄漏液体沸点大于其储存温度且同时大于环境温度时，只考虑质量蒸发；即：
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2018
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