氨制冷機房氨氣泄漏擴散的數(shù)值模擬

董曉強 李 坤 劉玉婷 李俊明

（1清華大學(xué)熱能工程系 北京 100084；2國民核生化災(zāi)害防護國家重點實驗室 北京 102205；3國內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計研究院 北京 100069）

氨制冷機房氨氣泄漏擴散的數(shù)值模擬

董曉強1，2李 坤1，3劉玉婷1李俊明1

（1清華大學(xué)熱能工程系 北京 100084；2國民核生化災(zāi)害防護國家重點實驗室 北京 102205；3國內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計研究院 北京 100069）

本文選取氨制冷機房作為典型場景，應(yīng)用計算流體力學(xué)方法研究氨氣泄漏擴散規(guī)律，采用Fluent軟件對無通風(fēng)及上下通風(fēng)情況下的制冷機房氨氣泄漏擴散進行了數(shù)值模擬。分析了氨氣泄漏后不同時刻制冷機房縱剖面和橫截面氨氣濃度分布，研究了不同泄漏量下氨氣濃度隨高度變化的特征，提出了氨氣報警器偏上安裝的建議。對比上進風(fēng)下排風(fēng)和下進風(fēng)上排風(fēng)兩種應(yīng)急排風(fēng)方案泄漏擴散的數(shù)值模擬結(jié)果，提出了應(yīng)急排風(fēng)進風(fēng)口偏下設(shè)置的建議。

氨；泄漏；擴散；模擬；制冷機房

氨在世界上的使用已經(jīng)有150多年歷史，在我國也是使用最早的一種制冷工質(zhì)。氨具有制冷效率高、能效系數(shù)大、熱物性好、價格低廉、自然環(huán)保等優(yōu)勢，作為大型制冷系統(tǒng)的制冷工質(zhì)性價比非常高。因此，我國約80%的冷庫、冷凍加工項目均采用氨作為制冷工質(zhì)［1－2］。為提高效率，目前還出現(xiàn)了氨與其他工質(zhì)復(fù)合使用的趨勢［3］。在“臭氧層殺手”氟利昂逐步替代后，GWP和ODP均為零且天然存在的氨制冷劑重新受到各國的重視，又開始采用氨工質(zhì)替代氟利昂。目前，在日本和美國，氨作為制冷工質(zhì)的大型制冷系統(tǒng)占比大于80%。近年來，導(dǎo)致多起人員傷亡事故。因此在泄漏早期進行快速監(jiān)測報警與妥善應(yīng)急處置至關(guān)重要。深入研究氨泄漏傳質(zhì)特性，科學(xué)確定氨氣報警器的安裝位置，實現(xiàn)氨泄漏后及時準(zhǔn)確地監(jiān)測氨氣濃度，合理制定應(yīng)急排風(fēng)及稀釋噴淋頭的布點方案，對于避免氨泄漏造成的生命和財產(chǎn)損失有重要意義。

歐美日等發(fā)達國家在泄漏事故研究方面一直位于世界前列，并取得了一系列的研究成果。由于國外氨泄漏造成亡人事故并不多見，所以研究氨泄漏事故的研究工作也較少。近年來，我國研究機構(gòu)也相繼開展了危險化學(xué)品泄漏事故的研究。但2013年以前，國內(nèi)室內(nèi)氨泄漏引發(fā)的中毒死亡事故也相對較少，所以對氨泄漏擴散的研究相對較少，且主要集中于采用高斯模式研究氨氣泄漏擴散過程［4］。 王志鵬［5］對外場液氨儲罐區(qū)域的泄漏擴散進行了模擬，Ji Jie等［6］進行了外場液氨儲罐區(qū)域泄漏擴散的可視化模擬，Pang Bing等［7］通過數(shù)值模擬研究了液氨儲罐泄漏事故中不同泄漏孔大小、位置和泄漏速率的影響，熊立春等［8］對引入時間疊加的高斯模式在液氨泄漏擴散進行了模擬研究并指導(dǎo)人員疏散，杜娟麗等［9］研究了冷庫制冷管路的檢漏和定位模型，王如竹等［10－12］研究了氨吸收傳質(zhì)特性和滲透率，陳小磚等［13－14］對垂直管、橫紋管氨水溶液降膜吸收特性進行了研究。上述研究很少涉及室內(nèi)氨氣泄漏模擬，對氨氣報警器的安裝位置和應(yīng)急排風(fēng)進出風(fēng)口位置選擇的研究更少。本文選取氨控制機房作為典型場景，采用計算流體力學(xué)方法研究典型的氨氣泄漏擴散規(guī)律，利用FLUENT軟件對室內(nèi)氨氣在無通風(fēng)情況進行了數(shù)值模擬，為確定最佳氨氣報警器安裝位置和應(yīng)急排風(fēng)進出風(fēng)口位置提出了相應(yīng)的建議。

1 模型與方法

1.1 模型基本假設(shè)

1）初始狀態(tài)時，假設(shè)儲罐內(nèi)初始溫度與儲罐周邊環(huán)境溫度相同，泄漏發(fā)生后泄漏點初始溫度為液氨沸騰相變溫度240 K；2）氨氣泄漏速度不隨時間的改變而改變；3）泄漏過程中所涉及氣體均為理想氣體；4）泄漏口處液氨已轉(zhuǎn)變?yōu)榘睔?，不涉及相變，在模擬區(qū)域擴散的也為氨氣。

1.2 控制方程

氨氣擴散控制方程包括連續(xù)性方程、能量守恒方程、動量守恒方程、組分運輸方程。

1）連續(xù)性方程

2）能量守恒方程

3）動量守恒方程

4）組分運輸方程

式中：Sm為質(zhì)量源項，kg/（m3·s）；E為內(nèi)能，J；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；hi為i組分的焓，J/kg；Ji為擴散通量，kg/（m2·s）；Φ為能量耗散項，J/（m3·s）；Sh為能量源項，J/（m3·s）；τ為切應(yīng)力，N/m2；mi為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Si表示i組分的質(zhì)量源項，kg/（m3·s）。

2 模型的構(gòu)建

2.1 幾何模型

本文選擇北京某公司氨制冷機房作為模擬對象。兩個高壓儲罐單獨位于1個隔間；制冷機房中有2個中壓儲罐，4個低壓儲罐，9個壓縮機組；控制室位于制冷機房的門口左側(cè)單獨隔開，并通過一個小門與機房相通。整個區(qū)域尺寸為24 m×12 m×7.1 m，采用Solidworks建立三維幾何模型，如圖1所示。

圖1 氨制冷機房幾何模型Fig．1 Geometric model of ammonia refrigeration room

2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

采用ICEM對模型進行網(wǎng)格劃分，泄漏孔所在位置設(shè)為INLET，壓縮機散熱面設(shè)為 HEAT，地面、屋頂、墻面、無泄漏孔的儲罐和無散熱面的壓縮機表面設(shè)為絕熱壁面，制冷機房中的空氣設(shè)為FLUID1，控制機房中的空氣設(shè)為FLUID2，網(wǎng)格最大單元為200，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成四面體網(wǎng)格，生成的網(wǎng)格如圖2所示。

邊界條件設(shè)置：1）熱源：壓縮機，壁面邊界類型，恒溫323 K；2）入口：儲罐泄漏孔，質(zhì)量流量入口，0.1 kg/s或 2.4 kg，240 K；3）流體：房間內(nèi)空氣；4）出口：房門，壓力出口；5）壁面：房間墻壁。

2.3 網(wǎng)格簡化

圖2 氨制冷機房網(wǎng)格劃分Fig．2 Mesh partition of ammonia refrigeration room

由于幾何模型復(fù)雜、網(wǎng)格數(shù)量巨大，難以進行擴散模擬，因此對上述幾何模型按“應(yīng)急通風(fēng)氨氣泄漏傳質(zhì)模擬”及“制冷機房及控制室氨氣泄漏傳質(zhì)模擬”兩種情況進行簡化處理。為了模擬應(yīng)急通風(fēng)對液氨泄漏擴散的影響，將系統(tǒng)簡化為一個泄漏孔、一個壓縮機和兩對進、出風(fēng)口的的制冷機房，采用ICEM進行網(wǎng)格劃分，生成網(wǎng)格如圖3（a）所示。為了模擬制冷機房內(nèi)液氨泄漏對控制室中操作人員的影響，刪除圖2中的高壓儲罐所在封閉區(qū)域，將制冷機房中的壓縮機和低壓儲罐均簡化為長方體，其中一個低壓儲罐的截面為泄漏面，所有壓縮機均有一個面為熱源面。為模擬控制室與制冷機房之間房門常處于關(guān)閉狀態(tài)，將房門四周的縫隙設(shè)置為一個環(huán)狀內(nèi)部面，兩個空間中的流體可以自由進出，并設(shè)置一個上部窗戶為自然排風(fēng)狀態(tài)，生成網(wǎng)格如圖3（b）所示。

圖3 氨氣泄漏傳質(zhì)簡化網(wǎng)格Fig．3 Simplified mesh of ammonia leakage mass transfer

3 無通風(fēng)情況下氨氣泄漏擴散模擬

按圖3所示的簡化網(wǎng)格，模擬了無通風(fēng)情況下400 s內(nèi)0.1 kg/s泄漏速度下的氨氣濃度分布。由于氨氣密度僅為空氣的0.6倍，而距地面1.5 m附近是人體受氨氣毒性傷害的視覺、呼吸等主要器官所處高度，故圖4主要給出了氨氣泄漏后機房內(nèi)距地面高1.5 m處，氨氣濃度隨泄漏時間變化分布的數(shù)值模擬。由圖4（a）可以看出，泄漏3 s后人體呼吸區(qū)域內(nèi)的氨氣濃度達到可察覺臭味的12 mg/kg；由圖4（b）可以看出，泄漏4 s后人眼高度區(qū)域內(nèi)的氨氣濃度達到對眼睛造成輕度刺激的24 mg/kg；由圖4（c）可以看出，泄漏6 s后人員呼吸高度的氨氣濃度已經(jīng)全部達到長期工作危害劑量60 mg/kg；由圖4（d）可以看出，泄漏9 s后人員工作區(qū)域內(nèi)的氨氣濃度已經(jīng)達到接觸后會造成嚴(yán)重的喉部、鼻孔和上呼吸道刺激的240 mg/kg；由圖4（e）可以看出，泄漏 11 s后人員呼吸高度的氨氣濃度達到如果接觸時間超過30 min會造成永久性傷害的420 mg/kg；由圖4（f）可以看出，泄漏16 s后人員呼吸高度的氨氣濃度達到造成嚴(yán)重咳嗽、影響中央神經(jīng)系統(tǒng)、導(dǎo)致痙攣、可能致命的1 020 mg/kg；由圖4（g）可以看出，泄漏 35 s后人員呼吸高度的氨氣濃度達到會造成嚴(yán)重浮腫（體內(nèi)液體異常累積，導(dǎo)致膨脹、窒息，喪失意識），立即致命的 3 000 mg/kg。

依據(jù)《氨氣檢測報警儀技術(shù)規(guī)范》［15］規(guī)定，氨氣檢測報警儀的響應(yīng)時間為泵吸式不大于60 s，擴散式不大于90 s，通過上述泄漏過程的時間分析可知，氨氣泄漏發(fā)生后擴散極快。實際上大多數(shù)氨氣報警器平時為達到長期工作的可靠性大多數(shù)時間均處于擴散檢測模式，這種情況下報警限附近的報警響應(yīng)時間非常慢。為確定氨氣報警器最佳安裝位置，本文研究了氨氣以0.1 kg/s速度泄漏90 s后1.5 m 高和離屋頂0.1 m（即 7.0 m 高）處的氨氣濃度分布，結(jié)果表明：屋頂（7.0 m）氨氣濃度遠高于人身高度（1.5 m）的氨氣濃度。由此可見，90 s響應(yīng)時間過慢，應(yīng)配備一定數(shù)量的傳感器外置非防爆型快速響應(yīng)氨氣報警器。氨氣泄漏后最重要的就是事故現(xiàn)場隔離和周邊人員疏散，不僅要有最短的疏散路線，還要經(jīng)常進行事故預(yù)案宣貫和演練，避免出現(xiàn)處置失誤而造成人身和財產(chǎn)損失。如果泄漏濃度較低，可以啟動應(yīng)急排風(fēng)。如果泄漏濃度達到420 mg/kg，會造成人身永久傷害，必須進行隔離疏散，應(yīng)急處置只能采用自動噴淋等無人作業(yè)方式。當(dāng)泄漏濃度低于420 mg/kg，且必須人員進入處置時，只有配帶防護設(shè)備專業(yè)人員才能進行處置作業(yè)，否則很容易造成人員傷亡。

圖4 氨氣泄漏后的1.5 m高處的濃度分布Fig．4 Ammonia concentration distribution of 1.5 m height after leakage

4 制冷機房及控制室氨氣泄漏傳質(zhì)模擬

根據(jù)圖3所示的簡化網(wǎng)格，當(dāng)泄漏量為0.1 kg/s，研究了復(fù)雜熱環(huán)境下氨氣泄漏時控制室內(nèi)氨氣濃度分布，如圖5所示。

由圖5（a）～（h）可以看出：氨氣泄漏后氨制冷機房下部由于存在液氨罐和壓縮機等障礙物，容易出現(xiàn)氨氣濃度很低的擴散死角，因此制冷機房下部安裝氨氣報警器很容易造成漏報或遲報；由圖5（i）～（p）可以看出：氨氣泄漏后除泄漏點附近外，氨制冷機房頂部氨氣濃度高于房間下部濃度，控制室內(nèi)濃度低于制冷機房內(nèi)氨氣濃度，氨氣濃度隨高度的增加而不斷升高，關(guān)閉控制室的門窗能夠大幅降低氨氣向控制室內(nèi)擴散。

圖5 氨氣泄漏后制冷機房的濃度分布Fig．5 Ammonia concentration distribution of refrigeration room after leakage

5 結(jié)論

通過對氨制冷機房氨氣泄漏擴散過程進行數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

1）氨氣泄漏發(fā)生后擴散速度極快，以0.1 kg/s的小泄漏速率，11 s內(nèi)氨氣濃度即可達到致使現(xiàn)場人員永久傷害的700 mg/kg，該時間遠低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的氨氣檢測報警儀的響應(yīng)時間（泵吸式≤60 s以及擴散式≤90 s）。

2）氨氣泄漏后，氨制冷機房內(nèi)房間頂部的氨氣濃度高于底部的氨氣濃度，氨制冷機房內(nèi)下部容易出現(xiàn)氨氣濃度很低的擴散死角。

3）氨制冷機房與控制室之間門窗關(guān)閉，可延緩氨氣向控制室擴散，大幅降低控制室內(nèi)氨氣濃度。

根據(jù)以上結(jié)論，提出如下建議：

1）氨氣泄漏發(fā)生后，最重要的就是現(xiàn)場隔離與人員疏散，制冷機房中要設(shè)置疏散通道，還應(yīng)編制事故預(yù)案，重在專業(yè)培訓(xùn)和處置演練，防止錯誤處置。

2）分析不同泄漏時間氨氣濃度的分布，在泄漏點位置不能事先確定的情況下，沿房頂均勻布點并兼顧可能泄漏點是最佳氨氣報警器安裝方案。為兼顧報警器長期工作的可靠性和火災(zāi)爆炸事故后工作的可靠性，并快速實現(xiàn)氨氣泄漏報警，應(yīng)同時使用傳感器外置的快速響應(yīng)的非防爆型氨氣報警器（響應(yīng)時間更快）和響應(yīng)時間較慢的防爆型氨氣報警器（事故后更可靠）。

3）在應(yīng)急排風(fēng)裝置滿足換氣次數(shù)和排風(fēng)量不小于國家相關(guān)規(guī)范要求值的前提下，采用下進風(fēng)上排風(fēng)的應(yīng)急排風(fēng)是一種優(yōu)選方案，可以保證操作人員安全，且利于有毒氣體及時排出。

4）操作維護人員所在控制室必須與氨制冷機房和氨制冷系統(tǒng)完全隔離，制冷機房與控制室之間大門關(guān)閉，控制室中操作人員便有足夠疏散和應(yīng)急處置準(zhǔn)備時間。

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［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．（ZHANG Jianyi，XU Ying．Development on refrigerants used in large and medium?size refrigerated warehouses［J］．Journal of Refrigeration，2009，30（4）：51?57．）

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［15］氨氣檢測報警儀技術(shù)規(guī)范：AQ/T 3044—2013［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013．（Technical specifications for ammonia detection instruments： AQ/T 3044—2013［S］．Beijing： Standards Press of China，2013．）

Numerical Simulation of the Ammonia?leakage Diffusion in Ammonia Refrigeration Room

Dong Xiaoqiang1，2Li Kun1，3Liu Yuting1Li Junming1
（1．Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，Beijing，100084，China；2．State Key Laboratory of National Nuclear and Biological Disaster Protection，Beijing，102205，China；3．Internal Trade Engineering Design and Research Institute，Beijing，100069，China）

In this study，an ammonia refrigeration room was selected as a typical scenario．Computational fluid dynamics（CFD） was applied to study the rules of the ammonia?leakage diffusion．The ammonia?leakage diffusion in a refrigeration room with up?down ventila?tion and without ventilation was numerically simulated using the Fluent CFD software package．The ammonia concentrations in the longi?tudinal profile and the cross?section of the refrigeration room were analyzed at different times after the ammonia leakage．The numerical simulation results show that the ammonia concentration increases with height in the refrigeration room，and a lower fresh?air inlet can quickly decrease the ammonia concentration．Based on the above results，it is proposed that an ammonia?gas alarm should be installed near the ceiling to detect the leakage，and an emergency exhaust inlet should be installed near the floor to decrease the ammonia con?centration．

ammonia；leakage；diffusion；simulation；refrigeration room

Li Junming，male，Ph．D．/professor，Department of Thermal En?gineering，Tsinghua University，＋86 10?62771001，E?mail： lijm＠ tsinghua．edu．cn．Research fields： micro flow and heat trans?fer，condensation heat transfer，energy conservation of air condi?tioning system，heat and mass transfer of hazardous chemicals leakage．

TB651；TB64；TP391．9

A

0253－4339（2017）06－0012－08

10.3969 /j.issn.0253 － 4339.2017.06.012

科技部中英政府間合作項目（2015DFG62060）和國家973項目（2011CB706900）資助。 （The project was supported by the Innovate UK?China Most Project（No．2015DFG62060） and National 973 Project（No．2011CB706900）．）

2017年1月3日

李俊明，男，教授，博士生導(dǎo)師，清華大學(xué)熱能工程系工程熱物理研究所，（010）62771001，E?mail： lijm＠ tsinghua．edu．cn。 研究方向：微細流動與傳熱，凝結(jié)換熱，空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能，危險化學(xué)品泄露的傳熱傳質(zhì)過程。