王厚成，焦繼宗，曹輝輝，程世紅，程慧波

（1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，甘肅 蘭州 730000）

隨著我國(guó)高校及科研院所科研事業(yè)的快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室作為高校、科研院所和相關(guān)企業(yè)的重要?jiǎng)?chuàng)新基地，發(fā)揮著舉足輕重的作用[1-2]。實(shí)驗(yàn)室安全是科研實(shí)驗(yàn)工作的基礎(chǔ)，近年來(lái)，我國(guó)實(shí)驗(yàn)室安全問(wèn)題日漸突出，實(shí)驗(yàn)室安全事故時(shí)有發(fā)生[3]，實(shí)驗(yàn)室安全越來(lái)越得到國(guó)家相關(guān)部門(mén)的重視，也同時(shí)促使相關(guān)單位更加重視實(shí)驗(yàn)室的安全問(wèn)題[4-6]。關(guān)于實(shí)驗(yàn)室安全管理和教育、實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品存放和使用、實(shí)驗(yàn)室用電和用氣等管理機(jī)制逐漸成熟[7-10]。但實(shí)驗(yàn)室內(nèi)工作環(huán)境則依然較差，室內(nèi)常有各種廢氣、廢液及固體廢棄物[11-12]，這些廢氣及廢物含有不同程度的有毒有害成分。雖然廢液和固體廢棄物已經(jīng)按規(guī)定須進(jìn)行收集并進(jìn)行專(zhuān)門(mén)處理[13-14]，但實(shí)驗(yàn)室內(nèi)廢氣泄漏現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行過(guò)程中時(shí)有發(fā)生，廢氣產(chǎn)生過(guò)程復(fù)雜、產(chǎn)生種類(lèi)繁多，并且產(chǎn)生時(shí)間較隨機(jī)，以上因素決定了廢氣的收集和處理比較困難。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)去除污染氣體的裝置主要為實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)，但由于實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試等專(zhuān)業(yè)程度需求高，而設(shè)計(jì)及施工單位對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的重視程度較低，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)尤其是高層建筑內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)并沒(méi)有發(fā)揮出有效的作用。雖然實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)啟了通風(fēng)系統(tǒng)，但室內(nèi)仍然彌漫著不同濃度的污染氣體[15]。此外，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣體擴(kuò)散出來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)室周?chē)目臻g產(chǎn)生污染，或引起燃燒、爆炸。然而，包括實(shí)驗(yàn)室人員在內(nèi)，人們對(duì)實(shí)驗(yàn)室污染氣體的危害程度并沒(méi)有量化概念，因此也就沒(méi)有具體的防控措施。

針對(duì)以上問(wèn)題，本研究對(duì)實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)氣體泄漏、擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，期待得到量化的氣體擴(kuò)散過(guò)程，制定樓層內(nèi)人員撤離方案。以實(shí)驗(yàn)室內(nèi)泄漏危險(xiǎn)氣體中危害較大的氨氣作為研究對(duì)象，獲得氨氣泄漏、擴(kuò)散過(guò)程中及最終穩(wěn)定狀態(tài)下的含量分布，得出實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氨氣擴(kuò)散規(guī)律，為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氨氣泄漏后人員疏散、安全注意事項(xiàng)等工作提供理論參考，同時(shí)為實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建立環(huán)境安全保障體系提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有利于采取有效措施避免實(shí)驗(yàn)室安全事故發(fā)生。

1 研究方法

以我校某實(shí)驗(yàn)辦公一體樓的某樓層為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究實(shí)驗(yàn)室內(nèi)危險(xiǎn)氣體泄漏、擴(kuò)散對(duì)實(shí)驗(yàn)室外部公共空間的危害情況。研究對(duì)象選擇氨氣，因?yàn)榘笔菍?shí)驗(yàn)室常用的化學(xué)物質(zhì)，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常因化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氨氣。

使用模擬軟件為ANSYS-FLUENT 17.0，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型。研究所用樓層俯視圖見(jiàn)圖1，模擬所用物理模型見(jiàn)圖2。

本模擬所用物理模型各部分相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 研究所用樓層俯視圖

圖2 模擬物理模型圖

表1 物理模型相關(guān)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)污染氣體擴(kuò)散過(guò)程研究所得到的參數(shù)見(jiàn)表2，不同擴(kuò)散量下污染氣體擴(kuò)散研究所得參數(shù)見(jiàn)表3，不同進(jìn)風(fēng)溫度下污染氣體擴(kuò)散研究所得參數(shù)見(jiàn)表4。

表2 污染氣體擴(kuò)散過(guò)程參數(shù)

表3 不同擴(kuò)散量下污染氣體擴(kuò)散參數(shù)

表4 不同進(jìn)風(fēng)溫度下污染氣體擴(kuò)散參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 樓層內(nèi)危險(xiǎn)氣體擴(kuò)散過(guò)程中人員撤離時(shí)限及路線分析

實(shí)驗(yàn)室氨氣以0.1 g/s 的質(zhì)量速率泄漏，模擬從0～1 000 s 時(shí)間段內(nèi)氨氣在本樓層中的擴(kuò)散過(guò)程。從圖3—7 分析得出，氨氣散發(fā)后，先充滿(mǎn)實(shí)驗(yàn)室空間和2 號(hào)位置處走廊空間。擴(kuò)散10 s 后，氨氣主要分布在靠近實(shí)驗(yàn)室一側(cè)大廳空間，即靠近散發(fā)源處含量較高[16]。40 s 后氨氣進(jìn)入到全部走廊空間，但大廳有部分空間仍無(wú)氨氣擴(kuò)散，130 s 后氨氣進(jìn)入到全部空間，隨著氨氣的繼續(xù)擴(kuò)散，空間氨氣含量持續(xù)升高，160 s時(shí)走廊 4 號(hào)位置處氨氣含量達(dá)到爆炸極限（16%～25%）[17]以上。160 s 后氨氣繼續(xù)向1 號(hào)位置處走廊擴(kuò)散，最終全部走廊空間內(nèi)的氨氣含量達(dá)到爆炸極限以上。在1 000 s 后，空間中氨氣分布達(dá)到穩(wěn)定，大廳空間中央位置氨氣含量均在10%以下，低于爆炸極限，走廊中的氨氣含量均超過(guò)爆炸極限，如遇明火或高溫物體，將產(chǎn)生爆炸和燃燒事故。與圖8 中顯示流線對(duì)應(yīng)分析，從實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)散出來(lái)，氨氣沿著2 號(hào)位置處走廊進(jìn)入到3 號(hào)位置走廊再進(jìn)入大廳，在大廳中形成渦旋，最終從大廳頂部排出，可以得出氨氣流動(dòng)是沿著墻壁進(jìn)行的，然后再向中央空間擴(kuò)散，此現(xiàn)象與侯晨雪[18]研究結(jié)論相似。在整個(gè)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室和2 號(hào)位置處走廊氨氣含量均保持較高水平，高于爆炸極限，其主要原因是氨氣從此區(qū)域擴(kuò)散到其他空間的。而在大廳靠近實(shí)驗(yàn)室一側(cè)的空間，在擴(kuò)散初期氨氣含量較高，后期逐漸濃度降低，最終穩(wěn)定后大廳中央空間低于爆炸極限。在這個(gè)過(guò)程中，走廊中氨氣含量隨時(shí)間變化逐漸升高，直到160 s 后，離實(shí)驗(yàn)室最遠(yuǎn)的4 號(hào)位置處走廊氨氣含量達(dá)到爆炸極限。而1 號(hào)位置處走廊氨氣含量增長(zhǎng)的較慢。

圖3 擴(kuò)散10 s 后氨氣含量分布圖

圖4 擴(kuò)散40 s 后氨氣含量分布圖

圖5 擴(kuò)散130 s 后氨氣含量分布圖

圖6 擴(kuò)散160 s 后氨氣含量分布圖

圖7 擴(kuò)散1 000 s 后氨氣含量分布圖

圖8 氨氣擴(kuò)散流線圖

從以上分析得出，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氨氣泄漏160 s 內(nèi)，人員必須全部撤離。由于氨氣的泄漏、擴(kuò)散過(guò)程是沿著與泄漏實(shí)驗(yàn)室門(mén)洞相通的走廊通道進(jìn)行的，因此人員的撤離路徑應(yīng)該遠(yuǎn)離泄漏實(shí)驗(yàn)室門(mén)洞相通的走廊通道。如果撤離人員較多，最佳方案為先進(jìn)入到大廳空間，然后由大廳空間進(jìn)入遠(yuǎn)離泄漏實(shí)驗(yàn)室一端的樓梯出口，最終撤離出本樓層。

2.2 不同季節(jié)溫度下人員撤離方案分析

圖9—11 中，隨著室外季節(jié)溫度不同，進(jìn)風(fēng)溫度設(shè)定為273 K、300 K 和313 K，穩(wěn)定擴(kuò)散后的氨氣濃度分布規(guī)律基本相同。但對(duì)比分析得出，在1 號(hào)位置處走廊，進(jìn)風(fēng)溫度273 K 和313 K 時(shí)的氨氣含量明顯低于進(jìn)風(fēng)溫度為300 K 時(shí)。由于1 號(hào)位置是氨氣最后擴(kuò)散區(qū)域，可以推斷在進(jìn)風(fēng)溫度為273 K 和313 K 時(shí)，氨氣向1 號(hào)位置擴(kuò)散的量相對(duì)較少。而在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，隨著進(jìn)風(fēng)溫度的升高，氨氣含量逐漸降低，說(shuō)明進(jìn)風(fēng)溫度加速了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氨氣向外的擴(kuò)散速率。對(duì)比進(jìn)風(fēng)溫度300 K 和313 K，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度為273 K 時(shí)，氨氣主要聚集在泄漏實(shí)驗(yàn)室附近空間。由于進(jìn)風(fēng)溫度相對(duì)環(huán)境溫度較低時(shí)，混合氣體密度相對(duì)較大，形成重氣擴(kuò)散形式[19]，向空間的下方運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致擴(kuò)散速率降低，因此，氨氣主要聚集在實(shí)驗(yàn)室及距離實(shí)驗(yàn)室較近的空間中。在進(jìn)風(fēng)溫度相對(duì)環(huán)境溫度更高時(shí)，混合氣體密度相對(duì)較小，氨氣有從下向上與空氣混合的趨勢(shì)[20]，氨氣的流動(dòng)速率加快，部分氨氣沒(méi)有來(lái)得及擴(kuò)散就從大廳頂部排出。在進(jìn)風(fēng)溫度為300 K 時(shí)，與環(huán)境溫度相等，氨氣和進(jìn)風(fēng)的混合氣體能夠快速擴(kuò)散到最遠(yuǎn)距離處，最后從大廳頂部排出。

綜上分析，在進(jìn)氣溫度較低時(shí)，氨氣主要聚集在距離泄漏房間門(mén)洞相通的走廊通道內(nèi)，而進(jìn)風(fēng)溫度較高時(shí)，氨氣更容易擴(kuò)散到其他空間，反而使得在距離泄漏房間較近的空間中氨氣濃度降低，樓層空間內(nèi)氨氣分布范圍更廣。因此，在冬季，人員撤離時(shí)避免進(jìn)入泄漏房間門(mén)洞相通的走廊空間。在夏季和春秋季，氨氣泄漏后，全部走廊空間布滿(mǎn)氨氣，人員撤離需要沿著中央大廳空間或者沿著中央大廳靠近泄漏房間一側(cè)的走廊。

圖9 273 K 進(jìn)氣溫度時(shí)氨氣含量分布圖

圖10 300 K 進(jìn)氣溫度時(shí)氨氣含量分布圖

圖11 313 K 進(jìn)氣溫度時(shí)氨氣含量分布圖

2.3 危險(xiǎn)氣體擴(kuò)散后消除危險(xiǎn)的應(yīng)急方案研究

對(duì)比分析圖12—15，在0.01 g/s 的氨氣散發(fā)速率下，最終氨氣聚集在實(shí)驗(yàn)室門(mén)洞相通走廊通道和部分大廳空間，氨氣含量處于爆炸極限以上，爆炸危險(xiǎn)較高，其他空間含量較低。這主要是因?yàn)榘睔馍l(fā)的質(zhì)量含量有限，沒(méi)有能力擴(kuò)散到更遠(yuǎn)的距離。在氨氣散發(fā)速率達(dá)到0.05 g/s 時(shí)，氨氣擴(kuò)散到本層樓所有空間，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)含量最高，走廊2 號(hào)位置處和3 號(hào)位置處的走廊氨氣含量次之，均大于爆炸極限。4 號(hào)位置和1號(hào)位置處走廊中氨氣含量較低，但也處在爆炸極限范圍內(nèi)。大廳中央處的含量最低，低于爆炸極限。隨著氨氣的持續(xù)擴(kuò)散，本層樓各個(gè)位置處的氨氣含量均有所升高，在濃度大于0.1 g/s 時(shí)，走廊1、4 號(hào)位置處氨氣濃度也均遠(yuǎn)超爆炸極限。最終本層樓空間中氨氣含量關(guān)系為實(shí)驗(yàn)室>走廊（2、3 號(hào)位置）>走廊（1、4號(hào)位置）>大廳。

綜上分析可得，在氨氣泄漏1 000 s 后，雖然本樓層空間均有向外擴(kuò)散的出口，但隨著實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氨氣泄漏速率的變化，最終，均有部分空間或地點(diǎn)達(dá)到氨氣爆炸極限。因此，對(duì)應(yīng)以上結(jié)果分析，在氨氣泄漏速率為0.01 g/s 時(shí)，除在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置機(jī)械通風(fēng)以外，應(yīng)在泄漏實(shí)驗(yàn)室門(mén)洞相通的走廊通道設(shè)置機(jī)械通風(fēng)裝置，用于降低公共空間空氣中氨氣濃度。當(dāng)氨氣泄漏速率達(dá)到0.05 g/s 時(shí)，除在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置機(jī)械通風(fēng)設(shè)置外，還應(yīng)開(kāi)啟走廊2 號(hào)位置處和3 號(hào)位置處的機(jī)械通風(fēng)設(shè)置。在氨氣泄漏濃度大于0.1 g/s 時(shí)，需要設(shè)置全面通風(fēng)設(shè)置，全面降低整個(gè)樓層的氨氣濃度。

圖12 0.01 g/s 散發(fā)量的氨氣含量分布圖

圖13 0.05 g/s 散發(fā)量的氨氣含量分布圖

圖14 0.1 g/s 散發(fā)量的氨氣含量分布圖

圖15 1 g/s 散發(fā)量的氨氣含量分布圖

3 結(jié)語(yǔ)

（1）發(fā)生氨氣泄漏后，氨氣泄漏速率為0.1 g/s時(shí)，在沒(méi)有啟動(dòng)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的情況下，本樓層內(nèi)人員必須在160 s 內(nèi)全部撤離，撤離過(guò)程中人員應(yīng)從遠(yuǎn)離泄漏實(shí)驗(yàn)室一側(cè)的樓梯口撤離，處于擴(kuò)散區(qū)域的人員可以從中央大廳空間或在中央大廳與泄漏實(shí)驗(yàn)室同一側(cè)的走廊撤離。

（2）在室內(nèi)環(huán)境溫度保持300 K 及室外進(jìn)風(fēng)溫度較低時(shí)，氨氣擴(kuò)散后主要聚集在距離泄漏房間較近的走廊，而進(jìn)風(fēng)溫度更高時(shí)，氨氣更容易擴(kuò)散到其他空間。因此，在冬季，撤離人員盡量避免進(jìn)入到距離泄漏房間較近的走廊空間。在夏、春、秋季，氨氣泄漏后，全部走廊空間將布滿(mǎn)氨氣，人員撤離可以進(jìn)入中央大廳或者沿著中央大廳泄漏實(shí)驗(yàn)室一側(cè)的走廊。

（3）樓層氨氣泄漏、擴(kuò)散穩(wěn)定后，泄漏速率0.01 g/s 以上時(shí)，空間中氨氣均能達(dá)到爆炸極限。為避免發(fā)生安全事故，須在本樓層加設(shè)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。因此，在氨氣泄漏速率較低時(shí)，除在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置機(jī)械通風(fēng)以外，還需在泄漏實(shí)驗(yàn)室附近的設(shè)置機(jī)械通風(fēng)裝置。當(dāng)氨氣泄漏濃度達(dá)到0.05 g/s 時(shí)，除在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置機(jī)械通風(fēng)設(shè)置外，還需開(kāi)啟走廊2 號(hào)位置處和3 號(hào)位置處的機(jī)械通風(fēng)設(shè)置。在氨氣泄漏濃度大于0.1 g/s 時(shí)，需要設(shè)置全面通風(fēng)設(shè)置，全面降低整個(gè)樓層的氨氣濃度。