密閉環(huán)境中氨制冷管道安全聯(lián)鎖裝置的開發(fā)與試驗(yàn)

周 文 童良懷

（衢州市特種設(shè)備檢驗(yàn)中心 衢州 324000）

近年來氨氣泄漏事故頻發(fā)[1-4]，特別是在密閉環(huán)境中的氨氣泄漏事故往往造成大量人員傷亡。現(xiàn)在相應(yīng)的國家法律、法規(guī)只要求在密閉環(huán)境中安裝氨泄漏報(bào)警儀，未對(duì)進(jìn)入密閉環(huán)境中的氨氣管道有任何特殊要求，管道若發(fā)生泄漏只能發(fā)生報(bào)警而無法啟動(dòng)任何保護(hù)措施。本研究在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套氨制冷管道安全聯(lián)鎖裝置，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。

1 密閉環(huán)境下氨制冷管道安全聯(lián)鎖裝置的開發(fā)

密閉環(huán)境下氨制冷管道發(fā)生微量泄漏時(shí)，當(dāng)不能通過排風(fēng)扇之類強(qiáng)制通風(fēng)裝置排放出去，容易在環(huán)境中逐步積累，特別是積累到一定濃度之后容易發(fā)生人員中毒或者爆炸之類事故。當(dāng)制冷管道發(fā)生大量泄漏時(shí)，若不及時(shí)切斷管道進(jìn)出口兩端的閥門，泄漏量將會(huì)繼續(xù)增大，對(duì)后續(xù)的救援產(chǎn)生一定的影響，若通過切斷電源并打開排風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)將會(huì)急速降低房間內(nèi)氨氣濃度，這就能確保廠房?jī)?nèi)的人員安全。本安全聯(lián)鎖裝置基于上述原理，在開發(fā)時(shí)主要就是通過在密閉環(huán)境下易泄漏位置放置氨檢測(cè)儀，在密閉環(huán)境內(nèi)安裝排風(fēng)扇，在進(jìn)、出廠房的氨管道上分別安裝電動(dòng)閥。當(dāng)密閉廠房?jī)?nèi)發(fā)生氨泄漏時(shí)，氨檢測(cè)儀就能檢測(cè)到數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)也就是小于數(shù)值1時(shí)，正常運(yùn)行；當(dāng)檢測(cè)的數(shù)值大于數(shù)值1小于數(shù)值2（備：數(shù)值2大于數(shù)值1）時(shí)，能自動(dòng)打開排風(fēng)扇；當(dāng)泄漏量足夠大時(shí)，即使打開排風(fēng)扇檢測(cè)儀數(shù)值繼續(xù)上升超過數(shù)值2或者泄漏比較嚴(yán)重檢測(cè)儀數(shù)值直接超過數(shù)值2時(shí)，在打開排風(fēng)扇的同時(shí)關(guān)閉進(jìn)、出口電動(dòng)閥，并停止運(yùn)行[5]，具體流程如圖1所示。

圖1 安全聯(lián)鎖流程圖

本安全聯(lián)鎖裝置設(shè)計(jì)時(shí)采用有觸點(diǎn)的繼電器裝置，如圖2所示。在電路設(shè)計(jì)時(shí)候，采用三個(gè)繼電器，當(dāng)氨濃度監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)到不同濃度值時(shí)，激發(fā)不同的繼電器，從而實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)作。

圖2 自動(dòng)控制電路圖

2 氨制冷管道安全聯(lián)鎖裝置的試驗(yàn)

本次試驗(yàn)安裝選用了智能氣體檢測(cè)報(bào)警控制器見圖3。該智能氣體檢測(cè)報(bào)警控制器主要由液晶觸摸顯示屏、主控芯片、穩(wěn)壓電源、總電源開關(guān)、繼電器等組成。其中液晶觸摸顯示屏用于數(shù)據(jù)的顯示和參數(shù)的設(shè)置，包括顯示來自于三個(gè)氨濃度傳感器的數(shù)據(jù)和對(duì)于氨濃度報(bào)警上限/下限報(bào)警值的設(shè)置，繼電器則與三個(gè)氨濃度傳感器的上限/下限閥值信號(hào)連接，當(dāng)任何一個(gè)傳感器的數(shù)值低于下限閥值時(shí)，對(duì)應(yīng)的繼電器會(huì)打開排風(fēng)扇的供電回路，同理，當(dāng)任何一個(gè)傳感器的數(shù)值達(dá)到上限閥值時(shí)，對(duì)應(yīng)的繼電器會(huì)斷開電磁閥的供電回路實(shí)現(xiàn)關(guān)閉電磁閥，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保證氨氣處于一個(gè)安全的濃度值以內(nèi)。

在配電箱上，還設(shè)置有手動(dòng)/自動(dòng)模式切換開關(guān)、電磁閥和風(fēng)扇的手動(dòng)開關(guān)旋鈕，當(dāng)設(shè)置手動(dòng)模式時(shí)，電磁閥和風(fēng)扇的手動(dòng)開關(guān)旋鈕有效，可以人工對(duì)電磁閥和風(fēng)扇的開啟和關(guān)閉進(jìn)行控制，而當(dāng)設(shè)置自動(dòng)模式時(shí)，電磁閥和風(fēng)扇則會(huì)根據(jù)所設(shè)置的氨濃度上限/下限閥值實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟/關(guān)閉。

圖3 報(bào)警控制器

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)

安裝好之后的試驗(yàn)裝置如圖4所示，靈敏度為±0.2ml/m3，該裝置由主控制器、電控箱、管道、電動(dòng)閥、截止閥、液氨鋼瓶、減壓閥、壓力表和壓力傳感器等組成。試驗(yàn)密閉空間的場(chǎng)地為3×3.7×2.45m，如圖5所示。為了保證試驗(yàn)的安全，選用泄漏口的孔徑為1mm，如圖6所示，在氨氣瓶出口處安裝一個(gè)減壓閥，在試驗(yàn)過程中在減壓閥基礎(chǔ)上通過兩個(gè)截止閥再次控制壓力，確保管道進(jìn)口壓力不大于0.04MPa。由小孔徑泄漏模型可知計(jì)算式（1）。

式中：

Q——泄漏率；

Cd——泄漏系數(shù)；

p——?dú)怏w泄漏前壓力，Pa；

p0——環(huán)境壓力，Pa；

γ——絕熱指數(shù)，氨氣取1.31；

M——?dú)怏w分子量，取17；

R——?dú)怏w指數(shù)，8.134J/（mol·K）；

T——管道內(nèi)氣體溫度；

A——泄漏面積。

把具體數(shù)字代入公式可以算出來泄漏率為0.00163 kg/s，經(jīng)過換算可知能保值在緊急切斷閥和排風(fēng)扇動(dòng)作之后保證房間內(nèi)的安全。

圖5 密閉空間測(cè)點(diǎn)布置圖

圖6 泄漏孔

考慮到氨濃度在100ml/m3[6]及其以下對(duì)人體操作一般無不適感覺，本次試驗(yàn)在控制器上設(shè)置低報(bào)值為20ml/m3濃度時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)開啟風(fēng)扇，由于試驗(yàn)過程中試驗(yàn)房尺寸較小，氨氣泄漏量較大，試驗(yàn)房?jī)?nèi)濃度繼續(xù)上升，而在50ml/m3濃度時(shí)，又實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)關(guān)閉電磁閥，由于電磁閥與泄漏口有一段距離，管道內(nèi)還有一部分氨氣排出，房間內(nèi)氨氣濃度短時(shí)間上升到80ml/m3后，在風(fēng)扇的作用下經(jīng)過201s后氨氣房間內(nèi)濃度恢復(fù)到5ml/m3以內(nèi)，最終的試驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)于氨濃度的自動(dòng)控制，防止事故的發(fā)生。

3 總結(jié)

1）針對(duì)密閉環(huán)境下的氨制冷管道設(shè)計(jì)了一套安全聯(lián)鎖裝置，通過在密閉房間內(nèi)設(shè)置氨濃度監(jiān)測(cè)儀，在墻壁上安裝防爆排風(fēng)扇和在氨管道上安裝緊急切斷裝置，當(dāng)房間內(nèi)氨濃度值超過規(guī)定值1時(shí)自動(dòng)打開排風(fēng)扇，當(dāng)濃度繼續(xù)上升超過規(guī)定值2時(shí)能自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)出口閥門，實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作。

2）根據(jù)設(shè)計(jì)的安全聯(lián)鎖裝置，在試驗(yàn)場(chǎng)地安裝了一套安全聯(lián)鎖裝置，并通過試驗(yàn)調(diào)式，在房間內(nèi)有泄漏時(shí)，發(fā)出報(bào)警功能，當(dāng)房間內(nèi)濃度達(dá)到20ml/m3時(shí)成功實(shí)現(xiàn)開啟風(fēng)扇，在房間內(nèi)濃度繼續(xù)上升到50 ml/m3時(shí)自動(dòng)關(guān)閉電動(dòng)閥，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，試驗(yàn)證明該套設(shè)備在危險(xiǎn)時(shí)能發(fā)出報(bào)警、切斷危險(xiǎn)設(shè)備、控制災(zāi)害、減少損失的有效性。

3）本課題接下來對(duì)密閉空間尺寸大小與風(fēng)扇功率的匹配性和氨濃度檢測(cè)儀安裝位置的研究還將繼續(xù)。

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