泄漏方向對制冷壓縮機吸排氣管道氨氣擴散的影響*

王 迪，劉延雷，王明吉，張國君，李 棟，吳國忠

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

0 引言

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

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

本文以某氨制冷機房為研究對象，考慮制冷機房內壓縮機高壓排氣管道和低壓吸氣管道泄漏方向分別為豎直向上、水平迎風和水平背風，選擇RNGk-ε方程為湍流模型，采用Fluent軟件進行小孔持續(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 數學模型

1.1 基本條件假設

泄漏的氨氣和空氣均看作理想氣體；空氣質點的平均運動假設為不可壓縮流體的運動； 氨氣出現泄漏后，泄漏孔在應力作用下口徑保持不變，且泄漏速度不隨時間改變；氨氣擴散過程中，不發(fā)生化學反應和相變反應；氨氣擴散過程中，機房內溫度不發(fā)生變化；氨氣擴散過程中，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)組分運輸方程

(4)

5)湍流的控制方程

本文針對氨制冷機房的流場進行數值模擬，屬于非開放空間并且存在各種設備作為流場障礙物，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

將氨制冷機房內壓縮機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，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為管內壓力，MPa；Qm為氨氣泄漏流量，kg/s；Tn為管內溫度，K；An為管內截面積，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，即實際流量與理論流量的比值，；M為氨氣的摩爾質量，kg/mol。

聯立(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；R為氣體常數，J/(K·mol)。

聯立(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

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

物理模型如圖1所示，建立某制冷機房泄漏源所在剖面物理模型，制冷機房尺寸為20 m×6 m；送風口與出風口直徑均為1 m，根據工業(yè)通風送風風機風速規(guī)定，機房送風速度設定為7.5 m/s；3臺螺桿壓縮機截面尺寸為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，分別設置垂直向上、水平迎風與水平背風3種泄漏方向；根據泵吸式氨氣檢測警報響應時間[15]，設定泄漏過程持續(xù)60 s時壓縮機停止運行工作；監(jiān)測點1～6的坐標分別為(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；2. 二號壓縮機；3. 三號壓縮機；4. 低壓循環(huán)桶；5. 貯液桶。圖1 物理模型Fig.1 Physical model

2.2 邊界條件及網格劃分

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

為了能夠準確模擬氨氣的擴散過程，對泄漏源及送風口和出風口區(qū)域進行網格加密。

3 模擬結果與分析

3.1 泄漏方向對氨氣擴散的影響

垂直向上泄漏時氨氣擴散如圖2所示，當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，并且受到橫向送風湍流擾動，逐漸形成氨氣擴散云團，向背風風向發(fā)生運移。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散很強。

當泄漏持續(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，氨氣擴散區(qū)域占據在機房大部分空間，高濃度區(qū)域位于泄漏源下風向；低壓吸氣管道泄漏，氨氣主要積聚在泄漏源下風向的設備間隔處，而其他區(qū)域濃度較低。

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

水平背風泄漏時氨氣擴散如圖3所示，當泄漏方向為水平背風時，高壓排氣管道泄漏出的氨氣首先噴射至泄漏源下風向設備間隔處及左側壁面，并在沿著左側壁面向頂棚運移，隨著泄漏繼續(xù)進行，逐漸向機房上風向擴散，機房大部分區(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與二號壓縮機間隔，并附著于左側壁面向出風口流出。

圖3 水平背風泄漏時氨氣擴散云圖Fig.3 Diffusion nephogram of ammonia in horizontal leeward direction leakage

水平迎風泄漏時氨氣擴散如圖4所示，當泄漏方向為水平迎風時，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，在泄漏源迎風上方區(qū)域形成氣團，隨著泄漏進行，機房空間內的氨氣分布主要集中在左半區(qū)域，并在二號壓縮機與三號壓縮機間隔處濃度最高。

對于高壓排氣管道泄漏，部分氨氣還會擴散在機房右側頂棚，而對于低壓吸氣管道泄漏，在送風流場的擾動下，氨氣向機房右側區(qū)域地面擴散。

圖4 水平迎風泄漏時氨氣擴散云圖Fig.4 Diffusion nephogram of ammonia in horizontal windward direction leakage

3.2 泄漏方向對氨氣報警器安裝位置的影響

選取監(jiān)測點1～6進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%；水平背風泄漏時，6個監(jiān)測點濃度變化趨勢相似，當監(jiān)測點1的濃度仍高于其他位置；水平迎風時，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 泄漏方向對易燃易爆區(qū)域的影響

當泄漏氨氣與空氣混合后，體積分數達到11%～14%時，遇明火即可點燃；達到16%～25%時，遇明火即會發(fā)生爆炸[16]而制冷機房地面是設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方向泄漏時，易燃易爆區(qū)域占比要高于水平迎風泄漏方向。但是，水平迎風方向泄漏時，危險區(qū)域內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備的間隔處，氨氣堆積量最高，達到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方向泄漏時，易燃易爆區(qū)域主要分布在泄漏源下風向的設備附近。而水平迎風方向泄漏時，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方向泄漏時，氨氣的擴散范圍最廣，在水平迎風方向泄漏時，送風口側的機房區(qū)域濃度較低；低壓吸氣管道泄漏時，沿水平迎風方向泄漏擴散的區(qū)域遠大于其余2種情況，且氨氣主要聚積在上風向臨近泄漏源的設備間隔處。

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泄漏時，易燃易爆區(qū)域面積更廣，但水平迎風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泄漏時易燃易爆區(qū)域面積明顯小于水平迎風泄漏。

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