王 迪，劉延雷，王明吉，張國君，李 棟，吳國忠

(1.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.杭州市特種設(shè)備檢測研究院，浙江 杭州 310000； 3.東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

0 引言

氨制冷壓縮機(jī)高壓排氣口管道連接處由于機(jī)械振動導(dǎo)致緊固件松弛及墊片失效，以及人為操作不當(dāng)?shù)炔豢深A(yù)見等因素，可能造成氨制冷劑泄漏[1-2]。近年來，我國涉氨行業(yè)發(fā)生的安全生產(chǎn)事故約110起，其中泄漏事故占47.4%，火災(zāi)事故占39.7%，爆炸事故占7.8%，綜合事故占5.1%[3-4]。

計算流體力學(xué)(CFD)方法適于模擬復(fù)雜湍流流動的氣體擴(kuò)散過程，可對有害氣體泄漏擴(kuò)散進(jìn)行風(fēng)險評估[5-7]。Tan等[8]利用Fluent軟件對某食品廠冷庫氨泄漏擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究了不同泄漏速度、泄漏點高度、風(fēng)速等初始條件下，氨氣擴(kuò)散濃度分布規(guī)律；孫恩吉等[9]基于Realizablek-ε方程對氨氣泄漏進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，分析了不同泄漏位置、不同排風(fēng)條件下氨氣的運(yùn)移規(guī)律；黃金磊等[10]基于高斯煙羽數(shù)學(xué)模型，利用FDS模擬研究氨泄漏擴(kuò)散濃度隨變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)氨氣濃度水平方向分布呈近似蒲扇型，風(fēng)力有利于氨的擴(kuò)散，同時得到致死區(qū)、重傷區(qū)以及致傷區(qū)的擴(kuò)散距離；張俊飛等[11]基于Fluent軟件對于氨氣儲罐的泄漏進(jìn)行模擬，研究在不同風(fēng)速、不同風(fēng)向以及設(shè)置障礙物下對氨氣擴(kuò)散的影響。然而，針對制冷機(jī)房壓縮機(jī)高、低壓管道冷媒在不同泄漏方向上對其擴(kuò)散特性及濃度分布特征的研究較少。

本文以某氨制冷機(jī)房為研究對象，考慮制冷機(jī)房內(nèi)壓縮機(jī)高壓排氣管道和低壓吸氣管道泄漏方向分別為豎直向上、水平迎風(fēng)和水平背風(fēng)，選擇RNGk-ε方程為湍流模型，采用Fluent軟件進(jìn)行小孔持續(xù)泄漏模擬計算，研究了氣態(tài)氨冷媒不同泄漏方向的濃度分布特性及擴(kuò)散規(guī)律，以及對報警器安裝位置和易燃易爆區(qū)域的影響。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 基本條件假設(shè)

泄漏的氨氣和空氣均看作理想氣體；空氣質(zhì)點的平均運(yùn)動假設(shè)為不可壓縮流體的運(yùn)動； 氨氣出現(xiàn)泄漏后，泄漏孔在應(yīng)力作用下口徑保持不變，且泄漏速度不隨時間改變；氨氣擴(kuò)散過程中，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和相變反應(yīng)；氨氣擴(kuò)散過程中，機(jī)房內(nèi)溫度不發(fā)生變化；氨氣擴(kuò)散過程中，重力加速度不隨空間高度改變。

1.2 控制方程

1)連續(xù)性方程

(1)

2)動量守恒方程

(2)

3)能量守恒方程

(3)

4)組分運(yùn)輸方程

(4)

5)湍流的控制方程

本文針對氨制冷機(jī)房的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，屬于非開放空間并且存在各種設(shè)備作為流場障礙物，因此選擇可以提高湍流流動渦旋模擬精度的RNGk-ε模型。

(5)

(6)

1.3 氣態(tài)氨冷媒泄漏速度

將氨制冷機(jī)房內(nèi)壓縮機(jī)排氣管道的泄漏過程看作是小孔持續(xù)泄漏，泄漏過程容器內(nèi)部壓力不隨泄漏時間變化，其泄漏過程為等熵過程，因此氨氣泄漏速度可視為勻速[12-14]。

氣體從孔口泄漏時的速度與其流動狀態(tài)有關(guān)，因此計算泄漏量時首先要判斷氣體流動屬于臨界或超臨界狀態(tài)還是亞臨界狀態(tài)。

氨氣泄漏量為：

Qm=Al·ul·ρl=An·un·ρn

(7)

泄漏口流態(tài)為臨界或超臨界狀態(tài)時：

(8)

(9)

式中：Pa為環(huán)境壓力，MPa；Pn為管內(nèi)壓力，MPa；Qm為氨氣泄漏流量，kg/s；Tn為管內(nèi)溫度，K；An為管內(nèi)截面積，m2；Al為泄漏口面積，m2；ρn為氨氣泄漏前密度，kg/m3；ρl為氨氣泄漏后密度，kg/m3；φ為流量系數(shù)，即實際流量與理論流量的比值，；M為氨氣的摩爾質(zhì)量，kg/mol。

聯(lián)立(7)，(8)，(9)，可得到臨界狀態(tài)氨氣泄漏速度方程：

(10)

泄漏口流態(tài)為亞臨界狀態(tài)時：

(11)

(12)

(13)

式中：un為氨氣管內(nèi)流速，m/s；Pl為泄漏壓力，MPa；Tl為泄漏溫度，K；ul為氨氣泄漏速度，m/s；Tl為環(huán)境溫度，K；k為絕熱指數(shù)；R為氣體常數(shù)，J/(K·mol)。

聯(lián)立(7)，(11)，(12)，(13)，可得到亞臨界狀態(tài)氨氣泄漏速度方程：

(14)

1.4 計算實例

氨氣的摩爾質(zhì)量M=0.017 kg/mol；氨氣密度ρ=0.771 kg/m3；絕熱系數(shù)k=1.334；氣體常數(shù)R=8.314 J/(K·mol)；泄漏口的當(dāng)量直徑Al=5 mm；外部環(huán)境的壓力Pa=0.101 MPa；φ為流量系數(shù)，一般取0.9。

高壓排氣管道工況：Tn=358 K，Pn=1.248 MPa，計算可得氨氣泄漏為臨界狀態(tài)，泄漏速度為402.6 m/s。

低壓吸氣管道工況：Tn=252 K，Pn=0.103 MPa，計算可得氨氣泄漏為亞臨界狀態(tài)，泄漏速度為62.5 m/s。

2 物理模型

2.1 物理模型基本參數(shù)

物理模型如圖1所示，建立某制冷機(jī)房泄漏源所在剖面物理模型，制冷機(jī)房尺寸為20 m×6 m；送風(fēng)口與出風(fēng)口直徑均為1 m，根據(jù)工業(yè)通風(fēng)送風(fēng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速規(guī)定，機(jī)房送風(fēng)速度設(shè)定為7.5 m/s；3臺螺桿壓縮機(jī)截面尺寸為1 m×1 m，橫向排列間距為1.5 m，低壓循環(huán)桶直徑為1.5 m，排液桶尺寸為3 m×1.5 m。泄漏源位于二號壓縮機(jī)，分別設(shè)置垂直向上、水平迎風(fēng)與水平背風(fēng)3種泄漏方向；根據(jù)泵吸式氨氣檢測警報響應(yīng)時間[15]，設(shè)定泄漏過程持續(xù)60 s時壓縮機(jī)停止運(yùn)行工作；監(jiān)測點1～6的坐標(biāo)分別為(1，1.7)，(3.75，1.7)，(6.25，1.7)，(9，1.7)，(12.5，1.7)和(18.5，1.7)。

1. 一號壓縮機(jī)；2. 二號壓縮機(jī)；3. 三號壓縮機(jī)；4. 低壓循環(huán)桶；5. 貯液桶。圖1 物理模型Fig.1 Physical model

2.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

將時間項設(shè)置為非穩(wěn)態(tài)，選取重力和全浮力影響選項，泄漏孔為速度入口，送風(fēng)口為速度入口， 出風(fēng)口為自由流出口，其余計算區(qū)域邊界設(shè)定無滑移wall壁面，選用PISO算法，時間步長設(shè)置為0.2 s。

為了能夠準(zhǔn)確模擬氨氣的擴(kuò)散過程，對泄漏源及送風(fēng)口和出風(fēng)口區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 泄漏方向?qū)Π睔鈹U(kuò)散的影響

垂直向上泄漏時氨氣擴(kuò)散如圖2所示，當(dāng)泄漏方向為垂直向上時，氨氣在初始泄漏時，沿泄漏源徑向垂直噴射，射流氣柱明顯。射流高度不斷增大，周圍氣流不斷消耗初始泄漏動能，并且受到橫向送風(fēng)湍流擾動，逐漸形成氨氣擴(kuò)散云團(tuán)，向背風(fēng)風(fēng)向發(fā)生運(yùn)移。相比于低壓吸氣管道，高壓排氣管道發(fā)生泄漏時，射流氣柱向四周膨脹擴(kuò)散很強(qiáng)。

當(dāng)泄漏持續(xù)時，15 s時的氨氣濃度分布與60 s時基本一致。對于高壓排氣管道泄漏，氨氣擴(kuò)散區(qū)域占據(jù)在機(jī)房大部分空間，高濃度區(qū)域位于泄漏源下風(fēng)向；低壓吸氣管道泄漏，氨氣主要積聚在泄漏源下風(fēng)向的設(shè)備間隔處，而其他區(qū)域濃度較低。

圖2 垂直向上泄漏時氨氣擴(kuò)散云圖Fig.2 Diffusion nephogram of ammonia in vertical upward direction leakage

水平背風(fēng)泄漏時氨氣擴(kuò)散如圖3所示，當(dāng)泄漏方向為水平背風(fēng)時，高壓排氣管道泄漏出的氨氣首先噴射至泄漏源下風(fēng)向設(shè)備間隔處及左側(cè)壁面，并在沿著左側(cè)壁面向頂棚運(yùn)移，隨著泄漏繼續(xù)進(jìn)行，逐漸向機(jī)房上風(fēng)向擴(kuò)散，機(jī)房大部分區(qū)域的氨氣含量超過40%。而低壓吸氣管道泄漏時，氨氣主要積聚在一號壓縮機(jī)與二號壓縮機(jī)間隔，并附著于左側(cè)壁面向出風(fēng)口流出。

圖3 水平背風(fēng)泄漏時氨氣擴(kuò)散云圖Fig.3 Diffusion nephogram of ammonia in horizontal leeward direction leakage

水平迎風(fēng)泄漏時氨氣擴(kuò)散如圖4所示，當(dāng)泄漏方向為水平迎風(fēng)時，高壓排氣管道與低壓吸氣管道泄漏時，氨氣濃度分布云圖的變化趨勢隨時間進(jìn)展類似。泄漏初始，由于低壓循環(huán)桶對氨氣射流氣柱的阻擋，在泄漏源迎風(fēng)上方區(qū)域形成氣團(tuán)，隨著泄漏進(jìn)行，機(jī)房空間內(nèi)的氨氣分布主要集中在左半?yún)^(qū)域，并在二號壓縮機(jī)與三號壓縮機(jī)間隔處濃度最高。

對于高壓排氣管道泄漏，部分氨氣還會擴(kuò)散在機(jī)房右側(cè)頂棚，而對于低壓吸氣管道泄漏，在送風(fēng)流場的擾動下，氨氣向機(jī)房右側(cè)區(qū)域地面擴(kuò)散。

圖4 水平迎風(fēng)泄漏時氨氣擴(kuò)散云圖Fig.4 Diffusion nephogram of ammonia in horizontal windward direction leakage

3.2 泄漏方向?qū)Π睔鈭缶靼惭b位置的影響

選取監(jiān)測點1～6進(jìn)行不同時間的氨氣濃度變化趨勢比較， 研究報警監(jiān)測器的不同安裝位置氨氣濃度變化的規(guī)律。

圖5為高壓排氣管道泄漏情形，垂直向上泄漏時，監(jiān)測點1和2濃度變化迅速增加并且比其他監(jiān)測點濃度更高，濃度接近60%；水平背風(fēng)泄漏時，6個監(jiān)測點濃度變化趨勢相似，當(dāng)監(jiān)測點1的濃度仍高于其他位置；水平迎風(fēng)時，監(jiān)測點5和6濃度始終維持在小于1%的水平，監(jiān)測點4濃度最高，超過60%，監(jiān)測點2，3和4的濃度水平也在60%左右。

因此，對于高壓排氣管道泄漏，選擇在監(jiān)測點1，2和4安裝報警監(jiān)測器更合理。

圖5 高壓排氣管道泄漏不同位置氨氣濃度變化Fig.5 Ammonia concentration change trend of different position when the high pressure pipeline leaks

圖6為低壓吸氣管道泄漏情形，垂直向上泄漏時，監(jiān)測點1和2濃度變化最明顯，濃度水平在35%附近；水平背風(fēng)泄漏時，監(jiān)測點1濃度迅速增大，而其余位置變化幅度不大且濃度水平低；水平迎風(fēng)泄漏時，各監(jiān)測點的濃度均發(fā)生明顯變化，但監(jiān)測點4的濃度是最高的。

圖6 低壓吸氣管道泄漏不同位置氨氣濃度變化Fig.6 Ammonia concentration change trend of different position when the low pressure pipeline leaks

因此，對于低壓吸氣管道泄漏，同樣選擇在監(jiān)測點1，2和4安裝報警監(jiān)測器對泄漏事故可以有效的報警提示。

3.3 泄漏方向?qū)σ兹家妆瑓^(qū)域的影響

當(dāng)泄漏氨氣與空氣混合后，體積分?jǐn)?shù)達(dá)到11%～14%時，遇明火即可點燃；達(dá)到16%～25%時，遇明火即會發(fā)生爆炸[16]而制冷機(jī)房地面是設(shè)備聚集和人員活動的主要區(qū)域，摩擦起電、點火作業(yè)等明火產(chǎn)生頻繁，存在較高的安全隱患，因此取距離地面高度為0～2 m區(qū)域的濃度分布進(jìn)行分析研究。

圖7 高壓排氣管道泄漏時易燃易爆區(qū)域分布Fig.7 Distribution of flammable and explosive zone in high pressure exhaust pipe leakage

圖7為高壓排氣管道泄漏情形，由圖可知，垂直向上和水平背風(fēng)方向泄漏時，易燃易爆區(qū)域占比要高于水平迎風(fēng)泄漏方向。但是，水平迎風(fēng)方向泄漏時，危險區(qū)域內(nèi)氨氣的平均含量要高于其他2種情形，并且在泄漏源附近設(shè)備的間隔處，氨氣堆積量最高，達(dá)到67%左右，危險性最大。

圖8為低壓吸氣管道泄漏情形，由圖可知，垂直向上和水平背風(fēng)方向泄漏時，易燃易爆區(qū)域主要分布在泄漏源下風(fēng)向的設(shè)備附近。而水平迎風(fēng)方向泄漏時，危險區(qū)域占比顯著高于其他兩種情形。

圖8 低壓排氣管道泄漏時易燃易爆區(qū)域分布Fig.8 Distribution of flammable and explosive zone in low pressure exhaust pipe leakage

4 結(jié)論

1)泄漏口大小一定，高壓排氣管道在垂直向上和水平背風(fēng)方向泄漏時，氨氣的擴(kuò)散范圍最廣，在水平迎風(fēng)方向泄漏時，送風(fēng)口側(cè)的機(jī)房區(qū)域濃度較低；低壓吸氣管道泄漏時，沿水平迎風(fēng)方向泄漏擴(kuò)散的區(qū)域遠(yuǎn)大于其余2種情況，且氨氣主要聚積在上風(fēng)向臨近泄漏源的設(shè)備間隔處。

2)在所監(jiān)測的6個點中，優(yōu)先考慮布置報警器在1，2和4點可同時滿足對制冷壓縮機(jī)高壓排氣管道與低壓吸氣管道氨氣泄漏的有效監(jiān)測。

3)易燃易爆區(qū)域分布也受泄漏方向的影響。對于高壓管道泄漏，垂直向上和水平背風(fēng)泄漏時，易燃易爆區(qū)域面積更廣，但水平迎風(fēng)泄漏時空氣中氨氣平均含量更高。對于低壓管道泄漏，垂直向上和水平背風(fēng)泄漏時易燃易爆區(qū)域面積明顯小于水平迎風(fēng)泄漏。

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