油田氣體報警器應用現狀分析

李乾,陳永生,武小英,賈麗曼

(中國石化勝利油田分公司技術檢測中心,山東 東營 257000)

1 引言

對于石油天然氣行業來說,在勘探、開發、提煉、輸送、儲存、精煉的各個生產過程都存在易燃易爆和有毒有害氣體危險,因此,在各個階段都需要隨時監控易燃易爆和有毒有害氣體的泄漏和逸出。氣體報警器作為氣體泄露檢測報警儀器,可在有可燃或有毒氣體泄露且濃度達到爆炸或中毒報警器設置的臨界點時發出報警信號,提醒采取安全措施,并驅動排風、切斷、噴淋系統,防止發生爆炸、火災、中毒事故,保障安全生產[1]。

報警器在石油石化行業應用主要包括以下兩個方面:

1.1 在勘探中的應用

在石油天然氣勘探階段,需要監控隨時可能從勘探鉆孔現場泄漏或逸出的爆炸性氣體和有毒氣體。尤其是對于含硫量高的油氣田,除了需要監測可燃性和爆炸性氣體外,還需要監測有毒的H2S等氣體,必要的情況下還應監測CO等其他氣體。

1.2 在開采中的應用

石油天然氣的開采階段,應根據勘探的實際情況,在陸地礦井或海上平臺配備可燃氣體報警器以監控可能從鉆井平臺泄漏或逸出的爆炸性氣體和有毒氣體。此外,鉆井平臺還需要配備必要的有毒氣體報警器,對H2S、CO等氣體進行檢測,避免出現人員中毒。

本文以油田范圍各單位氣體報警器現場調研、檢測情況為依據,對集輸站庫、單井拉油現場報警器應用情況、存在問題進行分析總結,為油田報警器安裝、使用提供支持。

2 概況

2.1 工作標準及依據

本論文中氣體報警器的主要檢測對象涉及可燃氣體、有毒氣體和爆炸氣體,可燃氣體種類繁多,常見的有氫氣、甲烷、天然氣、城市煤氣、液化石油氣等;有毒氣體指的是在工業生產過程中使用或產生的對人體有害并能引起慢性或急性中毒的氣體或蒸氣,石化行業常見的有硫化氫、一氧化碳、氨、氯氣、苯、氰化氫、丙烯腈等[2-5]。

目前已頒布實施的氣體檢測報警器檢定規程及校準規范包括:

JJG 693—2011 可燃氣體檢測報警器檢定規程;

JJG 695—2019 硫化氫氣體檢測儀檢定規程;

JJG 915—2008 一氧化碳氣體檢側儀檢定規程;

JJG 551—2003 二氧化硫氣體檢測儀檢定規程;

JJG 365—2008 電化學電極氧分析器檢定規程;

JJG 1105—2015 氨氣檢測儀檢定規程;

JJG 635—1999 一氧化碳、二氧化碳紅外線氣體分析器檢定規程;

JJG 1022—2007 甲醛氣體檢測儀檢定規程;

JJF 1433—2013 氯氣檢測報警儀校準規范;

JJG 1125—2016氯乙烯氣體檢測報警儀檢定規程;

JJF 1674—2017 苯氣體檢測報警器校準規范。

2.2 整體情況

對集輸站庫、單井拉油現場開展可燃氣體報警器現場落實。期間,完成對三家單位總計14座集輸站庫,35處單拉井現場的可燃氣體報警器調研工作。

對各類型氣體報警器檢定情況進行分析,具體情況如表1所示。

表1 報警器檢定情況統計表

3 數據分析

3.1 站庫可燃氣體報警器應用情況

共對3家單位14座集輸站庫開展分析,依據《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》(GB/T 50493—2019)、《石油天然氣工程可燃氣體檢測報警系統安全規范》(SY 6503—2016)、《石油化工企業可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》(SH 3063—1999)等標準,對站庫易燃易爆、易泄漏風險開展分析,主要包括井排閥組、分離器、油罐區、油泵房、配氣區、脫硫塔流量計區、污水罐區、污水泵區、收油泵區、過濾罐區、流量計區、地下罐區等。各風險區域總計安裝可燃氣體報警器245臺,具體安裝數量如表2所示。

站庫可燃氣體報警器安裝存在的主要問題是安裝配備標準執行情況不統一,且未實現對風險區域的全覆蓋,以甲采油廠為例,該廠共有6座主力聯合站,各風險區域可燃氣體報警器安裝情況如表3所示。

表2 集輸站庫可燃氣體報警器安裝情況

表3 甲采油廠聯合站風險區域可燃氣體報警器安裝情況統計表

由以上表格,甲采油廠各聯合站可燃氣體報警器的安裝并未實現對風險區域的全覆蓋,同類型風險點報警器安裝數量也存在較大不同。

3.2 報警儀類型

本次分析的集輸站庫的245臺報警器中,生產廠家主要有8家,涉及型號12種。具體情況如表4所示。

表4 報警器廠家型號統計表

表4(續)

對集輸站庫揮發性氣體組分進行分析,其主要成分如圖1所示。

圖1 集輸站庫揮發性氣體主要成分圖

經調研分析,現場安裝的報警器存在以下兩個方面的問題:一是廠家和型號繁多,報警器結構不一致,零部件不通用,造成后期維護、維修過程復雜;二是功能針對性不足,揮發性有機物成分較為復雜,但現場安裝的部分報警器為單一型,檢測、報警對象僅能涵蓋甲烷、異丁烷。無法全面滿足現場可燃氣體監測、預警要求。

3.3 單井拉油氣體報警器應用情況

共完成單井拉油現場可燃氣體調研35口,均未安裝固定式氣體報警器,選取了兩處多功能罐現場對揮發性有機物進行監測,對逸散特點進行分析。

3.3.1 實驗方案

選取A采油廠兩座單井拉油現場,以儲油罐為排放源,調查所在區域的主力風向,以排放源主力風向的上風向為參照點,在下風向2,5,10 m分別設置采樣線,并布設采樣點,具體如圖2。

圖2 監測現場布點圖

3.3.2 核算方法

采用的核算方法為基于無組織排放實測法的地面濃度反推法。該方法的理論基礎為大氣擴散理論,根據該理論,排放源下風向地面大氣有害物質濃度與排放源強成正比,已知影響有害物質擴散稀釋的各項主要因素,即可根據在下風向測得的有害物質的地面濃度反推出排放量。其計算公式如式1:

(1)

式中:Q—無組織排放量,kg/h;

C0—無組織排放源的地面濃度,mg/m3;

U—地面平均風速,m/s;

H—無組織排放源的平均排放高度,m;

σz—鉛直(Z方向)擴散參數,m;

σy0—初始擴散參數,m;

σy—垂直于平均風向(X方向)水平橫向(Y方向)擴散參數,m。

3.3.3 結果及分析

依據檢測、核算結果,繪制了各井場揮發性有機物逸散情況等高線圖,具體如圖3～4:

圖3 1號井場揮發性有機物逸散情況分析圖

圖4 2號井場揮發性有機物逸散情況分析圖

通過監測分析,單井拉油現場揮發性有機物濃度受氣溫、風速影響較大,具體表現為:1)現場揮發性有機物濃度值大小與風速呈反比,與氣溫呈正比;2)氣溫對揮發性有機物濃度影響大于風速。

通過對揮發性有機物的監測及特點分析發現,空間中可燃氣體分布受環境影響較大。安裝報警器可在一定程度上降低安全風險水平,但受現場復雜性影響,并不能全面實現風險預警與消除。

3.4 報警器檢定數據分析

3.4.1 總體情況

如表5檢定報警器4 917臺件,其中檢定結果為合格的3 495臺件,合格率71.1%。

表5 2022年報警器檢定數量統計表

由以上數據,報警器的總檢定合格率基本維持在70%左右,其原因在于各單位普遍重視安全生產,報警器配備完善,配備數量也越來越多,但是因為報警器使用年限長,電池、探頭、按鍵等硬件老化嚴重,造成檢定不合格數量逐年增加。

3.4.2 類別分析

2022年報警器類別分布情況如圖5～6所示。

圖5 2022年報警器類型占比圖

通過報警器類型占比圖5可以看出,便攜式硫化氫氣體檢測儀數量最多,達到了全年2 137臺件,占比43.46%。便攜式復合氣體檢測儀檢定數量次之,為994臺件,占比20.22%,固定式可燃氣體報警器和固定式硫化氫氣體檢測儀占比分別為18.85%和15.11%。便攜式可燃氣體報警器和數量占比最少,只有2.36%。

通過比較2021年和2022年度各類型報警器占比圖6可以看出,便攜式硫化氫氣體檢測儀、便攜式復合氣體檢測儀檢定數量明顯上升。固定式可燃氣體報警器和固定式硫化氫氣體檢測儀數量有明顯下降,便攜式可燃氣體報警器數量維持在較低水平,其原因在于該類報警器功能較為單一,現場配備率較低。

圖6 2021年和2022年度各類型報警器占比圖

3.4.3 歷史數據分析

2021年、2022年各類氣體報警器檢定數據統計情況如表6和圖7所示。

表6 2021年度和2022年度報警器檢定合格率比較表

圖7 2021年、2022年報警器檢定合格率統計圖

通過表6和圖7,2022年固定式可燃氣體報警器和便攜式硫化氫氣體檢測儀檢定合格率有所上升,其他類型的報警器檢定合格率都有所下降,固定式硫化氫氣體檢測儀檢定合格率下降最多,降低了6.7%,主要原因是由于報警器使用年限長以及受安裝環境條件影響造成的。

3.4.4 不合格原因分析

檢定不合格的報警器有1 422臺,占比約28.9%,針對這些不合格的報警器,從使用年限(>5年)對其在報警器合格有否的占比上進行分析(表7)。

表7 2022年報警器使用壽命統計表

從圖8～9和表7中可以看出,使用年限大于5年的報警器合格率大部分低于50%,尤其是復合氣體報警儀和固定式硫化氫報警儀低于10%;而使用年限超過5年的報警器不合格率普遍大于70%,由此可以認為報警器使用5年以后更新替換頻率變大。

圖8 2022年合格報警器數量占比圖

通過2022年合格報警器數量占比圖可以看出,使用年限超過5年的合格報警器占比普遍較少,最低的占比只有2.62%。最高的為58.62%。說明隨著使用年限的加長,報警器老化明顯,合格率降低。

圖9 2022年不合格報警器數量占比圖

通過2022年不合格報警器數量占比圖可以看出,使用年限超過5年的報警器不合格率普遍較大。最高的便攜式可燃氣體檢測報警器使用年限超過5年不合格率達到了100%。

4 結論及認識

1)現有集輸站庫各流程安裝了可燃氣體報警器,但存在安裝標準執行不統一的問題,具體表現在安裝覆蓋率不足、報警器功能針對性不強等方面。現有單井拉油現場并未配備可燃氣體報警器,且通過對揮發性有機物的監測及特點分析發現,空間中可燃氣體分布受環境影響較大。安裝報警器可在一定程度上降低安全風險水平,但受現場復雜性影響,并不能全面實現風險預警與消除。

2)從現場檢測情況看,報警器不合格原因主要是故障、無警示動作、有聲無光、有光無聲等,部分類別報警器檢定合格率呈現降低趨勢,反映出使用單位對報警器維護不到位、維修不及時。

3)為提升油田甲烷生產現場安全風險管理水平,應統一報警器安裝配備。加強現場可燃氣體泄漏風險識別,在油田范圍內統一可燃、硫化氫氣體報警器選型、安裝標準,提升安裝覆蓋率及針對性,同時對報警器廠家進行優選,提升報警器品質。