冷庫氨泄漏仿真模擬及安全控制措施的研究

摘 要：本文介紹了液氨汽化泄漏擴散模型及液氨儲罐泄漏主要部位和影響因素。使用MATLAB數學軟件進行數值計算和數據分析的方法對以氨作為連續(xù)泄漏源在不同風速，不同高度以及不同的大氣穩(wěn)定度的情況下氨擴散范圍和擴散濃度進行了研究，得出了不同的風速，不同的泄漏高度以及不同的大氣穩(wěn)定度對氨泄漏擴散的定量影響范圍的結論。該研究可以為廠區(qū)廠房道路設計、應急救援及逃生通道設置、人員疏散安全距離和方向判斷等方面提供理論數據支持。同時為確定室外冷凍站儲液罐設置的設計方案提供決策方案。

關鍵詞：氨泄漏 擴散模型 事故模擬

一、研究背景

1.課題研究的背景及意義

安全生產是事關人民群眾的生命財產、經濟建設發(fā)展和社會穩(wěn)定的一項極為重要的工作。在我國，目前經濟發(fā)展勢頭良好，然而安全事故發(fā)生頻率卻正在增加，對于制冷行業(yè)，氨作為一種成熟的制冷劑，有著很多的優(yōu)點，單位容積制冷量大，蒸發(fā)壓力和冷凝壓力適中，傳熱性好，是天然物質，不存在環(huán)保問題，因此在全世界范圍的大型冷庫中得到最廣泛應用。但同時氨因其特性：可燃、易爆、有毒和在常溫常壓下表現為氣態(tài)，致使近年來氨泄漏事故頻發(fā)。2013年4月22日，四川仁壽縣一工廠發(fā)生氨氣管道的泄漏，事故造成20多人的傷亡。同年8月31日，上海一公司再次發(fā)生液氨泄漏事故，又造成50多人的傷亡。眾多事故說明急需通過對氨系統(tǒng)泄漏擴散方式及影響范圍進行分析。通過分析制定氨系統(tǒng)的泄漏擴散的預防預案，從而減少對氨泄漏造成的人員傷害。

2.氨的特性

（1）氨的物理化學性質。氨（NH3）為無色、具有強烈刺激性的氣體，制冷劑代號R717。氨具有良好的熱力學性質。在禁止使用氯氟烴（CFC）和限制使用氫氯氟烴（HCFC）制冷劑的形勢下，氨由于臭氧消耗潛能值（ODP）為0和全球變暖潛能值（GWP）也為0，得到了更廣泛的重視和應用。但氨屬于火災、爆炸危險物質，接觸液氨可引起腫脹甚至造成凍傷。液氨屬于危險化學品第二類壓縮氣體和液化氣體。

二、液氨泄漏主要部位及計算模型

1.液氨泄漏的主要部位

此分析以北京某冷凍廠冷庫為基礎。該冷庫總建筑面積約為20000平方米，整體系統(tǒng)氨儲存量約30噸。根據制冷系統(tǒng)實際運行情況分析，安全風險主要來源于氨泄漏。液氨制冷系統(tǒng)中液氨易發(fā)生泄漏的設備有七類，按照泄漏概率大小依次為：加壓或冷凍容器，儲液桶，管路，各種閥門，柔性連接器，各種泵，制冷壓縮機等。本文論述依據限制措施失效原因導致的泄漏。

（1）氨儲液罐壓力超過額定值，在薄弱處產生局部泄漏。

（2）氨液儲罐超過使用期限，罐壁因腐蝕變簿，產生裂縫，液氨從此處泄漏。

（3）系統(tǒng)控制放氣壓力高于氨儲液罐額定壓力，導致泄漏。

（4）氨儲液罐的安全閥未定期進行校驗和更換，當罐內壓力升高時，閥門的彈簧失效不能自動卸壓，也不能彈起報警，產生局部泄漏。

（5）氨儲液罐儲液量長期過量（>95%），當夏季環(huán)境溫度較高時，儲液罐沒有及時采取降低儲液罐溫度和減小儲液量的方法，導致儲罐內部液氨氣化使得壓力升高，從而在儲液罐薄弱處產生局部泄漏。

（6）氨儲液罐有的采用平板玻璃液位計顯示液位，長期使用因耐壓等級不高導致玻璃管發(fā)生破裂。

（7）高壓儲液罐的連接管道因受到腐蝕或者壓力過高，使得管道破裂，連接壓力表與罐體間的管道耐壓性不符合要求，無法達到設定壓力值，造成破裂。

（8）由于焊接缺陷，管道之間或者管道與儲液罐連接處沒有焊透或夾有焊渣，在使用過程中因無法長期承受設定的壓力在缺陷處發(fā)生斷裂或因腐蝕出現泄漏。

（9）由于設計缺陷，罐體的結構導致應力分布不均勻，在長期使用過程中在應力集中處出現破裂。

2.液氨氣體泄漏擴散模型

（1）液氨泄漏擴散的物理過程。當液氨發(fā)生泄漏時，因為液氨罐內壓力遠遠大于環(huán)境大氣壓力，因此液氨泄漏過程中在空氣中必將產生明顯的射流紊亂現象，即液氨是噴射方式泄漏，再加之風速和對流等擴散作用，泄漏出的氨液首先會在泄漏出口附近位置處發(fā)生閃蒸（物理現象，泄漏出的氨液在空氣中由于壓力下降迅速氣化降溫形成低溫的氨蒸氣，裹雜著未氣化的非常細小的氨液滴和空氣形成霧態(tài)混合物。懸浮在空氣中并在空氣中迅速擴散。因此液氨的泄漏具有氣—液二相流特征。

（2）液氨泄漏模型的計算公式。當前應用的氣體擴散模型主要包含BM模型、Sutton模型以及高斯模型等。其中應用最廣泛的是高斯模型，高斯模型是從統(tǒng)計方法入手，得到的模擬公式主要是描述擴散物質的濃度分布，依據濃度來研究擴散結構。該模型公式簡單、易于理解、模擬運算量相對較小，計算結果與試驗結果能較好吻合。而且高斯模型實驗獲得的數據多，所以該模型較為成熟，適用于非重氣云氣體的模擬，可利用高斯煙羽模型（Plume model）模擬連續(xù)性泄漏和高斯煙團模型（Puff model）模擬瞬時泄漏。本文研究的是連續(xù)性泄漏，因而采用煙羽模型進行研究。擴散濃度的表達采用等濃度曲線方式來進行描述，通過等濃度線來表明擴散的影響范圍和大小。

從以上可以看出，擴散參數——是導致泄漏濃度變化的兩個重要參數。擴散參數值的大小與大氣紊流性質相關，擴散參數值的大小確定通常由大氣擴散研究理論得到或通過實驗的方式獲得。

三、基于MATLAB的工程模擬實例

1.MATLAB簡介

MATLAB（矩陣實驗室）是Matrix Laboratory的縮寫，是一款商業(yè)數學軟件。其應用范圍包括通信、圖像和信號處理、控制系統(tǒng)研發(fā)、測試和測量、計算生物學等眾多應用領域。MATLAB語言結構簡單，使得計算過程大大簡單，利用微機就可進行數據模擬，運行時間短，結果高度仿真。同時MATLAB支持三維動畫，可以形象展示模擬結果，特別適用于工程模擬，故本研究選用MATLAB作為模擬工具。

2.工程模擬實例

（1）設立模擬邊界條件。根據國家現有標準和文獻資料的分析，假設泄漏為理想狀態(tài)，根據泄漏計算以及站房、氣體狀態(tài)和設備設置等方面考慮，確定邊界條件如下：

①假設泄漏時泄漏液體與站房外無溫度變化。

②假設在液氨泄漏過程中不考慮泄漏量的強度發(fā)生變化。

③空氣與氨氣的混合狀態(tài)遵循理想氣體狀態(tài)方程，視作理想氣體。同時混合氣體不再發(fā)生化學反應。

④假設儲液器作為泄漏源發(fā)生泄漏，泄漏點是由于焊接缺陷造成罐體與管道連接處的焊接點由于腐蝕造成裂口。泄漏面積設定為0.0001m2，泄漏點位于儲液罐液面下分別模擬為 0.5m和2m二處，來獲得不同的模擬結果。系統(tǒng)運行時冷凝壓力設定為1.8MPa，在泄漏過程中假設壓力不變化。溫度不變化。

⑤忽略站內障礙物對氨擴散的影響。

（2）儲氨罐連續(xù)泄漏模擬。本研究的工程實例以西郊冷庫企業(yè)貯存區(qū)的5m3儲罐研究對象，進行模擬預測。假設5 m3儲罐發(fā)生小孔連續(xù)性泄漏，泄漏經過60 min后得到有效控制。根據泄漏時間長度，符合高斯煙羽模型預測條件。查閱北京自然條件，北京位于北緯39054‘、東經116023‘屬于暖溫帶大陸性季風氣候；北京夏季平均風速為2.5～3.5m/s。為了得到不同風速下氨泄漏擴散影響的比較，選擇風速2.5和3.5m/s進行仿真計算，夏季北京的大氣穩(wěn)定度常見的為B，C，泄漏源高度選擇0.5m和2m，以得到不同風速，不同大氣穩(wěn)定度和不同泄漏源高度對氨泄漏范圍的影響。

①擴散參數的確定。高斯模型的應用對于確定橫截面方向和垂直方向的擴散系數非常關鍵。只有正確選擇了擴散參數才能進行準確的模擬，根據已知環(huán)境，模擬時候選擇城市條件穩(wěn)定度為B，C進行比較分析（見表2），得到不同大氣穩(wěn)定度對氨泄漏擴散的影響。

②泄漏源強度確定。通常認為當氨泄漏到一定的時候，在風機持續(xù)通風的作用下，室內氨濃度就會穩(wěn)定到一定的狀態(tài)。如果氨一發(fā)生泄漏就達到開始報警（設定1/88s的時間的泄漏量就應該達到報警設定泄漏值），在風機作用下泄漏量達到穩(wěn)定狀態(tài)，泄漏源強度則等于儲液罐泄漏的速度大小，本文根據泄漏量和泄漏時間確定源強Q =2.46kg/s。

③毒害區(qū)域的劃分。根據對有害氣體泄漏事故研究發(fā)現，越接近泄漏的中心，有害氣體的濃度越高，對人員產生的傷害也就越嚴重。通常我們把氨氣泄漏事故的傷害影響范圍定為4個區(qū)域，其濃度值（見表1）。

（3）儲氨罐連續(xù)泄漏模擬計算結果。采用MATLAB進行編程進行計算，代入相應的參數得到5m3氨儲液罐氣體擴散后濃度分布圖（見圖1）。

繪制氨氣泄漏等濃度曲線能準確的反映氨氣傷害在下風向的距離和傷害影響范圍。它是對氣體泄漏進行事故模擬的一個顯示結果，通過不同的顏色表示等濃度線不同的濃度范圍。如圖1紫色線對應的為30mg/m3，表明的是下風向最遠端的有害影響距離。

（4）儲罐連續(xù)泄漏模擬計算結果討論。

根據圖1～圖4，對比得出如下結論：

①H不同，對比每組中不同泄漏源高度，在其他參數相同的情況下，各個等濃度線也有所不同，隨著高度增加，濃度有所下降，當泄漏源高度分別為0.5m和2m時，在距離泄漏源X=0m，Y=190m處，氨濃度分別為3558.8695mg/m3和3450.8632mg/m3，后者比前者略小，說明高度升高降低泄漏的危害。

②u不同，風速不同，對比每組的各個氨泄漏等濃度線也不同，對比圖1和圖3，在風速u=2.5m/s的情況下，致死濃度3500mg/m3范圍在Y向最遠到230m左右，X向最遠到35m左右，而當風速u=3.5m/s的情況下，致死濃度3500mg/m3范圍在Y向最遠不到200m，X向最遠到30m?？梢婏L速增大有益于氨的擴散，降低致死濃度和半致死濃度的范圍。

③大氣穩(wěn)定度不同，對比各組氨泄漏擴散等濃度圖，在其他參數相同的情況下，大氣穩(wěn)定度越接近穩(wěn)定，越不利于氨的擴散，以圖1和圖4為例比較，圖1的大氣穩(wěn)定度為C（弱不穩(wěn)定），氨氣泄漏致死濃度的影響范圍在Y向最遠到230m左右，圖4大氣穩(wěn)定度為A～B（不穩(wěn)定）氨氣泄漏致死濃度的影響范圍在Y向最遠不到200m。但同時不穩(wěn)定的大氣穩(wěn)定度會擴大氨擴散影響范圍。

④隨著u，H和大氣穩(wěn)定度的變化，致死區(qū)越小變化程度最大，半死區(qū)越小變化次之，直接致害區(qū)域越小只是略有變化。

四、小結

制冷技術與現代工業(yè)生產以及生活息息相關。在國家的大力提倡下，大型制冷企業(yè)從環(huán)保角度和經濟角度出發(fā)將會更多地將氨作為制冷劑使用。因此對于氨泄漏造成人員傷亡和財產損失的預防，也就變得越來越重要，通過對液氨泄漏事故的仿真模擬和擴散范圍及距離的研究，可以作為事故發(fā)生救援和事后調查發(fā)生原因等方面提供研究依據。

課題的最終結論是通過 MATLAB 模擬從對比中得來的。根據研究得出影響氣體擴散濃度的范圍的大小主要和以下幾個因素有關，首先是泄漏時的風速影響，風速越大，有害氣體越容易擴散，因此受氨氣造成傷害的致死，半致死區(qū)域就會減小，可見風對有害氣體的擴散是有利的，但是由于風速的擴散會增大泄漏的影響范圍。其次是大氣穩(wěn)定度，當大氣穩(wěn)定度越高，此時風速較低，空氣不易流動，有害氣體擴散較慢，因此當有毒氣體泄漏后會增大致死和半致死區(qū)域的范圍，使得事故產生的后果越發(fā)嚴重。最后是泄漏源的高度，泄漏源距離地面越低，在地面造成致死濃度和半致死濃度及直接致害區(qū)的范圍就越大。

利用計算機通過Matlab軟件做出的高斯數學模型比較簡單，容易仿真，并且模擬仿真出的濃度圖有坐標值的大小，因此對影響范圍可以定量分析。這對于企業(yè)可以方便地把影響范圍在地圖上表達出來，對于企業(yè)選址可以用于設定居民區(qū)距離企業(yè)的最小安全距離。也可作為指導人群的疏散路線提供具體的方向和疏散距離。液氨泄漏后，會馬上氣化成為含液氨的氨氣擴散，受風的影響，擴散方向主要為下風向，所以當泄漏發(fā)生后要盡量迅速將處于泄漏源下風方向致害濃度范圍內人員進行疏散，防止發(fā)生中毒事故。

本論文采用了 MATLAB、高斯煙羽模型對液氨泄漏的濃度變化進行了仿真模擬，但由于本人能力有限并且受篇幅限制，此外擴散的模型也不是完全能反映真實情況，很多影響因素沒有考慮。如通風口數目和風速對站房內氨濃度擴散的影響，也沒有考慮多點源擴散等，因此期待有更多人的關注和進一步研究以使得這一研究能上一個新的臺階。使得氨泄漏對人們生命造成的傷害減小到最少，直至徹底消除。

（作者單位：北京電子信息高級技工學校）