廖曉玲 劉延雷 劉曉華 趙哲明

(杭州市特種設(shè)備檢測研究院)

氨制冷管道泄漏監(jiān)測現(xiàn)狀綜述①

廖曉玲 劉延雷 劉曉華 趙哲明

(杭州市特種設(shè)備檢測研究院)

總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者在管道泄漏、氨泄漏等方面的研究現(xiàn)狀與成果，提出將軟硬件結(jié)合監(jiān)測手段、圖像處理技術(shù)等應(yīng)用于氨制冷劑管道泄漏監(jiān)測中，為氨泄漏在線監(jiān)測與安全評價提供一定的參考。

管道泄漏 氨泄漏監(jiān)測 氨制冷 研究現(xiàn)狀

氨作為一種天然的制冷劑[1,2]，是一種常溫常壓下無色、有刺激性氣味的氣體，且極易液化，同時放出大量熱量，而液氨又極易汽化，并吸收大量熱量，因此，氨具有制冷效果好、成本低等優(yōu)點，目前在冷庫等制冷裝置中使用廣泛[3～5]。然而，氨還具有易燃、易爆、有毒及有腐蝕性等特性，且泄漏不易擴散，一旦在設(shè)計、安裝或使用過程中發(fā)生氨泄漏事故，將造成嚴(yán)重后果[6]。

氨在密閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)以氣態(tài)或液態(tài)形式存在，承受一定的溫度和壓力，從而實現(xiàn)不斷地壓縮、冷凝、節(jié)流和蒸發(fā)。由于受到一些客觀條件的制約，如液氨介質(zhì)清空置換難度大、外表面保溫層不易拆除及氨制冷系統(tǒng)停機損失大等，導(dǎo)致對氨制冷系統(tǒng)中的壓力容器進行檢驗時難度較大[7]。

近年來，國內(nèi)外對氨泄漏的研究逐漸增多，特別是氨風(fēng)險評價已成為安全評價研究的熱點。對氨制冷冷庫壓力容器的安全監(jiān)測，在我國定期檢驗的項目包括帶介質(zhì)射線探傷、對拆除部分保溫層進行測厚抽查等[8]。射線探傷監(jiān)測結(jié)果表明，因受容器中液氨的影響，射線能量被吸收和散射，監(jiān)測結(jié)果無法滿足要求；對拆除部分保溫層進行測厚抽查也無法實現(xiàn)整體監(jiān)測壓力容器筒體、焊縫等的目的，被檢容器安全狀況等級無法確定。文獻(xiàn)[9，10]采用紅外熱成像結(jié)合X射線數(shù)字成像進行監(jiān)測，獲得的紅外熱像圖與物體表面熱分布場相對應(yīng)，再通過X射線數(shù)字成像對熱成像結(jié)果異常部位進行拍片監(jiān)測，從而實現(xiàn)氨制冷管道整體監(jiān)測的目的。實際使用中，紅外成像技術(shù)在長期運行的氨制冷系統(tǒng)中誤報警率較大，無法實現(xiàn)定位。因此，加強氨制冷系統(tǒng)壓力容器的在線安全監(jiān)測，保障氨制冷系統(tǒng)的安全運行是目前迫切需要解決的問題。

1 國外研究現(xiàn)狀

國外學(xué)者對有害氣體擴散模型的研究比較早，主要是從外場實驗和理論建模兩條途徑開展，并設(shè)計了以PRISM為代表的紅外熱成像計算軟件。例如，Gambotto J P提出了簡化的、基于測量和理論相結(jié)合的背景紅外成像仿真方法，利用該方法可以生成符合條件的紅外特征圖像[11]。隨著信息技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的快速發(fā)展，紅外成像技術(shù)與射線數(shù)字成像技術(shù)的結(jié)合為氨泄漏的全面監(jiān)測提供了更多的可能。Maclean A等采用分布式光纖傳感器監(jiān)測油氣管道的泄漏情況，結(jié)果表明該方式是實際可行的[12]。Leighty W C和Holbrook J H對儲存于埋地管道中的液態(tài)氫和無水氨的泄漏進行激光監(jiān)測，結(jié)果表明該方法對此類逸出問題具有良好的監(jiān)測效果[13]。Abhulimen K E和Susu A A對液體管道泄漏進行建模和數(shù)值仿真，對單點泄漏、雙點泄漏等情況進行了分析討論，實驗結(jié)果表明，分布式光纖傳感方法檢測距離長，可監(jiān)測并預(yù)防事故的發(fā)生[14]。Molina-Espinosa L等通過對不可壓縮流體的泄漏建立瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)壓力與泄漏位置關(guān)系的分析，并以動量方程對泄漏壓力的分布進行分析[15]。Inaudi D和Glisic B提出了通過分布式光纖傳感器對遠(yuǎn)程管道進行監(jiān)控，并設(shè)計了如圖1所示的智能管道，通過信號放大可實現(xiàn)300公里管道的泄漏監(jiān)測[16]。

圖1 智能管道結(jié)構(gòu)

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

楊德貴等提出了一種統(tǒng)一模型來模擬自然地表的紅外特征分布，實現(xiàn)了復(fù)雜地表的簡化建模并得到了較理想的結(jié)果[17]。馬丙辰和諶海新對地面目標(biāo)進行了紅外特征仿真，實現(xiàn)了兩種熱源模型紅外目標(biāo)的溫度場特性模擬，并繪制出了仿真圖像[18]。孫東亮等對液氨儲罐事故性泄漏擴散過程進行了模擬分析，并探討了液氨在常溫高壓和低溫加壓兩種存儲方式下的潛在危險[19～21]。紀(jì)純明對中小型氨廠氨合成工段爆炸和氨泄漏危害后果進行了估算研究，并采用不同模型估算了不同程度下的爆炸危害半徑[22]。劉建龍對氨制冷爆炸和中毒事件后果進行了定量分析，并提出在氨壓縮機房設(shè)置固定密封窗、在機器和設(shè)備間安裝排風(fēng)扇、在氨罐上安裝液面自動顯示和報警聯(lián)鎖裝置等預(yù)防措施[23]。

張立芳等采用可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)對脫硝過程中微量逃逸氨監(jiān)測進行了實驗研究[24]。杜娟麗等將實時模型法應(yīng)用于液態(tài)氨制冷劑管路泄漏研究中，結(jié)果顯示該模型可以實現(xiàn)高效快速漏點定位，檢漏精度達(dá)3%[25]。莊須葉等將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于管道泄漏監(jiān)測，由于分布式光纖實時在線監(jiān)測技術(shù)具有信號衰減小、抗電磁干擾及抗腐蝕能力強等優(yōu)勢，因此在管道監(jiān)測行業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景[26]。林其彪采用伯努利方程計算了液氨泄漏速度，采用Matlab模擬機械通風(fēng)并作為泄漏源的氨擴散狀態(tài)，模擬分析了室外儲罐液氨泄漏擴散的變化狀態(tài)，得到了氨等濃度圖，對比了儲存氨泄漏擴散影響縱深和影響面積[27]。

我國在目標(biāo)紅外特征方面的研究工作起步較晚，但在模型研究等領(lǐng)域進展較快。笪邦友等利用真實紅外圖像作為輸入，使用Vega仿真軟件得出各材料在不同成像條件下的以灰度形式表達(dá)的紅外特征仿真結(jié)果[28]。周須峰用紅外目標(biāo)的經(jīng)驗亮度直接賦值，獲得了紅外圖像[29]。張健等使用實際測量數(shù)據(jù)描述輻射分布，利用可編程流水線技術(shù)對復(fù)雜幾何體紅外輻射場進行計算，得到了最終生成的目標(biāo)紅外特征[30]。呂相銀等在地面目標(biāo)表面溫度和紅外輻射計算方面做了大量研究，得到了計算地面目標(biāo)紅外特征的方法[31]。

3 問題與展望

3.1氨制冷劑作為國內(nèi)外大中型冷庫制冷劑的主流，今后仍將作為主要制冷劑廣泛使用。因此采取適當(dāng)?shù)姆雷o措施和實時監(jiān)測技術(shù)，保障操作人員和公共環(huán)境安全是至關(guān)重要的。考慮到不同制冷溫度所采用的制冷手段對效率具有不同的影響，因此這將是我國氨制冷行業(yè)技術(shù)改進、提高企業(yè)生產(chǎn)安全的重要方向。

3.2我國制冷行業(yè)中，眾多中小企業(yè)對氨制冷劑泄漏的防護設(shè)備缺失，缺乏有關(guān)制冷系統(tǒng)故障的應(yīng)急處理預(yù)案。因此，氨制冷行業(yè)的安全問題必須引起企業(yè)和監(jiān)管部門的重視。

3.3由于氨制冷壓力管道受條件所限，因此利用不停機全面檢驗方法對管道缺陷進行精確定量還有待進一步研究。

3.4氨泄漏監(jiān)測研究中，針對氨制冷管道泄漏的監(jiān)測較少，且早期的監(jiān)測技術(shù)側(cè)重于硬件方法，局限性大。隨著信息技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)與管道泄漏監(jiān)測的軟硬件結(jié)合方法將成為氨制冷管道泄漏實時監(jiān)測技術(shù)的重要發(fā)展方向。

[1] NB/T 47012-2010,制冷裝置用壓力容器[S].北京:中國質(zhì)檢出版社,2010.

[2] 張建一,徐穎.國內(nèi)外大中型冷庫制冷劑的現(xiàn)狀和發(fā)展動向[J].制冷學(xué)報,2009,30(4):51～57.

[3] 段煥林,張仙平.氨在制冷空調(diào)領(lǐng)域的安全應(yīng)用分析[J].制冷與空調(diào)(四川),2008,22(1):36～39.

[4] 鄧建平,呂濟民.冷庫設(shè)計中氨制冷系統(tǒng)的安全與防護[J].冷藏技術(shù),2009,(3):10～15.

[5] 劉春祥,蔡鳳英,談宗山.某液氨儲罐泄漏的后果分析及對策[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2004,30(10):18～20.

[6] 楊一凡.氨制冷技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].制冷學(xué)報,2007,28(4):12～19.

[7] 王偉華,謝國山,韓志遠(yuǎn),等.小型氨制冷裝置風(fēng)險評估方法研究[J].化工機械,2016,43(2):137～139.

[8] TSG 21-2016,固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].北京:新華出版社,2016.

[9] ACI Standard 359-10,Mandatory Appendix Ⅱ Real-Time Radioscopic Examination[S].New York:The American Society of Mechanical Engineers,2011.

[10] GB/T 19293-2003,對接焊縫X射線實時成像檢測法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

[11] Gambotto J P.Combining Image Analysis and Thermal Models for Infrared Scene Simulations[C].IEEE International Conference on Image Processing.Piscataway,NJ:IEEE,1994:710～714.

[12] Maclean A,Moran C,Johnstone W,et al.Detection of Hydrocarbon Fuel Spills Using a Distributed Fibre Optic Sensor[J].Sensors amp; Actuators A Physical,2003,109(1-2):60～67.

[13] Leighty W C,Holbrook J H.Alternatives to Electricity for Transmission,Firming Storage,and Supply Integration for Diverse,Stranded,Renewable Energy Resources:Gaseous Hydrogen and Anhydrous Ammonia Fuels via Underground Pipelines[J].Energy Procedia,2012,29:332～346.

[14] Abhulimen K E,Susu A A.Liquid Pipeline Leak Detection System:Model Development and Numerical Simulation[J]. Chemical Engineering Journal,2004,97(1):47～67.

[15] Molina-Espinosa L,Cazarez-Candia O,Verde-Rodarte C.Modeling of Incompressible Flow in Short Pipes with Leaks[J]. Journal of Petroleum Science amp; Engineering,2013,109(5):38～44.

[16] Inaudi D,Glisic B.Long-Range Pipeline Monitoring by Distributed Fiber Optic Sensing[J].Journal of Pressure Vessel Technology,2010,132(1):763～772.

[17] 楊德貴,黎湘,莊釗文.基于統(tǒng)一模型的典型地表紅外輻射特性對比研究[J].紅外與毫米波學(xué)報,2001,20(4):263～266.

[18] 馬丙辰,諶海新.紅外目標(biāo)仿真的兩種熱源模型比較與分析[J].紅外技術(shù),2004,26(6):79～82.

[19] 孫東亮,蔣軍成,張明廣.液氨儲罐泄漏擴散模型的改進研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2011,37(1):27～29.

[20] 潘旭海,蔣軍成.基于模擬計算的液氨儲罐泄漏潛在危險性分析[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報,2006,19(1):64～67.

[21] 華敏,尹新,潘旭海.氨氣泄漏事故應(yīng)急區(qū)域及中毒風(fēng)險的MATLAB分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2012,38(11):5～6.

[22] 紀(jì)純明.中小型氨廠氨合成工段爆炸及氨泄漏危害后果的估算研究[D].青島:青島科技大學(xué),2010.

[23] 劉建龍.氨制冷站爆炸中毒事故后果模擬分析及安全對策[J].啤酒科技,2007,(4):15～17.

[24] 張立芳,王飛,俞李斌,等.基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)的脫硝過程中微量逃逸氨氣檢測實驗研究[J].光譜學(xué)與光譜分析, 2015,35(6):1639～1642.

[25] 杜娟麗,田紳,邵雙全,等.冷庫制冷劑管路檢漏與定位實時模型研究[J].制冷學(xué)報,2015,36(5):43～48.

[26] 莊須葉,王浚璞,鄧勇剛,等.光纖傳感技術(shù)在管道泄漏檢測中的應(yīng)用與進展[J].光學(xué)技術(shù),2011,37(5):543～550.

[27] 林其彪.液氨泄漏事故模擬及擴散影響研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2011.

[28] 笪邦友,桑農(nóng),張?zhí)煨?一種利用Vega軟件的長波紅外圖像仿真方法[J].紅外與激光工程,2007,36(3):333～337.

[29] 周須峰.紅外目標(biāo)圖像計算機生成與控制技術(shù)[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2002.

[30] 張健,張建奇,邵曉鵬.基于測量數(shù)據(jù)的紅外場景生成方法及實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2005,17(10):2399～2402.

[31] 呂相銀,凌永順,黃超超.地面目標(biāo)表面溫度及紅外輻射的計算[J].紅外與激光工程,2006,35(5):563～567.

ReviewofLeakageMonitoringStatusforAmmoniaRefrigerationPipes

LIAO Xiao-ling, LIU Yan-lei, LIU Xiao-hua, ZHAO Zhe-ming

(HangzhouSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute)

The investigations into the pipe leakage and ammonia leakage of scholars at home and abroad were summarized and the monitoring means which combining software and hardware and image-processing technologies were proposed for leakage monitoring of the ammonia refrigeration pipes. This provides certain reference for on-line monitoring of the ammonia leakage and its safety evaluation.

pipe leakage, ammonia leakage monitoring, ammonia refrigeration, research status

廖曉玲(1990-)，助理工程師，從事特種設(shè)備安全的研究，liaoliaoxl@163.com。

TQ053.6

A

0254-6094(2017)05-0471-04

2017-04-06)