管道焊口泄漏氨氣擴(kuò)散特性分析*

王國(guó)濤，劉保余，孫偉棟，齊晗兵

(中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司，江蘇徐州 221000東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

在氨制冷車間生產(chǎn)運(yùn)行中，設(shè)備之間由高壓管道相連，由于管道內(nèi)部長(zhǎng)期處于高壓環(huán)境以及施工單位的焊接質(zhì)量缺陷，在管道的焊口處容易發(fā)生泄漏[1-3]。氨氣具有毒性或易燃易爆性，一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境以及人員造成難以挽回的損失和傷害[4,5]。

近年來，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者進(jìn)行了氨氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律的研究。熊立春等[6]引入時(shí)間疊加的高斯液氨泄漏擴(kuò)散模擬及人員疏散。張偉等[7]以液氨儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，對(duì)比分析不同條件下液氨儲(chǔ)罐泄漏后的氨氣擴(kuò)散情況、濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系及對(duì)周圍居民區(qū)的危害。張俊飛等[8]基于Fluent軟件對(duì)氨氣儲(chǔ)罐的泄漏進(jìn)行模擬，研究在不同風(fēng)速、風(fēng)向以及設(shè)置障礙物下對(duì)氨氣擴(kuò)散的影響。Tan等[9]利用Fluent軟件對(duì)某食品廠冷庫(kù)氨泄漏擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了不同泄漏速度、泄漏點(diǎn)高度、風(fēng)速等條件下，氨氣擴(kuò)散濃度分布規(guī)律。王志鵬[10]采用了高斯模型對(duì)液氨儲(chǔ)罐泄漏事故進(jìn)行了研究，提出了泄漏后的快速處置方法。

目前針對(duì)制冷車間設(shè)備之間的管道焊口處的氨氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律研究較少。本文采用CFD模擬方法，對(duì)氨制冷壓縮機(jī)和冷凝器之間的管道焊口處的氨氣泄漏，考慮不同泄漏方向，分析氨氣在受限空間內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律。

1 模型的建立

1.1 物理模型

如圖1所示，氨制冷車間長(zhǎng)為20 m，高為6 m。送風(fēng)口、出風(fēng)口直徑尺寸均為1 m，車間送風(fēng)口和出風(fēng)口軸線距頂棚為1.5 m。氨壓縮機(jī)尺寸為2 m×1.5 m，蒸發(fā)器尺寸為1.6 m×1 m，冷凝器尺寸為1.4 m×1 m，分離器尺寸為1 m×1 m。

圖1 氨制冷車間幾何模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

液氨泄漏擴(kuò)散過程可以用CFD模型來計(jì)算。各物理方程表述如下[7]。

a)連續(xù)方程(質(zhì)量守恒)

(1)

式中，uj——(x，y，z)三個(gè)方向的速度分量，m/s；

t——時(shí)間，s；

ρ——混合物的密度，kg/m3。

b)動(dòng)量守恒方程

(2)

式中，p——壓力，Pa；

結(jié)合帶電粒子分別在均勻電場(chǎng)和均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行具體問題的求解。所受合外力及其初速度都將決定帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中做什么樣的運(yùn)動(dòng)，所以解決問題時(shí)要把帶電粒子的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況結(jié)合起來進(jìn)行分析，選用不同的規(guī)律解決問題。

μt——?jiǎng)恿φ扯?，Pa·s；

gi——重力加速度矢量，m/s2。

c)能量守恒方程

(3)

式中，T——流體溫度，K；

σc——常數(shù)，一般取0.9～1.0s；

cp﹑cpp與cpa——分別為混合物流體﹑泄漏流體和空氣的定壓比熱，J/(kg·K)。

d)組分輸送方程

(4)

式中，ωi——i組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

Ri——第i中物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)凈源項(xiàng)；

Si——離散源項(xiàng)和自定義源項(xiàng)的產(chǎn)生率。

e)湍流流動(dòng)模型

湍流k方程：

(5)

湍流耗散率ε方程：

(6)

式中，YM——可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；

Gk——由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能；

Gb——由于浮力影響引起的湍動(dòng)能。作為默認(rèn)值常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，湍動(dòng)能k與耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)分別為Gk=1.0，Gε=1.3。

f)氨氣泄漏速度方程

(7)

式中，ν——氨氣泄漏速度，m/s；

k——?dú)怏w等熵指數(shù)；

R——?dú)怏w常數(shù)；

T——泄漏口處氨氣濃度，K；

P0——環(huán)境壓力，Pa；

φ——流量系數(shù)；管道焊口泄漏可看成小孔持續(xù)泄漏，φ一般取0.97～0.98[11-12]。

1.3 基本假設(shè)

液態(tài)氨由管道泄漏至常溫常壓環(huán)境，假定全部閃蒸為氣態(tài)氨；泄漏的氨氣和空氣均看作理想氣體；把空氣質(zhì)點(diǎn)的平均運(yùn)動(dòng)看作是不可壓縮流體的運(yùn)動(dòng)；氨氣出現(xiàn)泄漏后，泄漏孔在應(yīng)力作用下口徑保持不變，且泄漏速度不隨時(shí)間改變；氨氣擴(kuò)散過程中，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和相變反應(yīng)；氨氣擴(kuò)散過程中，機(jī)房?jī)?nèi)溫度不發(fā)生變化；氨氣擴(kuò)散過程中，重力加速度不隨空間高度改變。

1.4 邊界條件

根據(jù)壓縮機(jī)與冷凝器間管道工況(100 ℃，1.5 MPa)得出泄漏速度為110.7 m/s，所以設(shè)定泄漏口大小為2 cm，泄漏速度110.7 m/s。定義泄漏口與送風(fēng)口為速度入口，出風(fēng)口為自由流出口，車間送風(fēng)速度設(shè)定為6 m/s。設(shè)定管道轉(zhuǎn)彎處的上下左右4個(gè)朝向的泄漏口，分別模擬豎直向上泄漏口、豎直向下泄漏口、水平向左泄漏口和水平向右泄漏口氨氣泄漏在受限空間內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 豎直向上泄漏濃度、速度分布特征

如圖2所示，豎直向上泄漏口氨氣泄漏3s時(shí)，由于高壓管道內(nèi)外產(chǎn)生的壓力差，氨氣垂直向上噴射，形成射流氣柱，到達(dá)車間頂棚后受到頂棚和送風(fēng)口氣流的影響后向出風(fēng)口運(yùn)移。氨氣泄漏5 s和8 s時(shí)，混合氨氣的空氣經(jīng)過出風(fēng)口逐漸向下部空間擴(kuò)散，在出風(fēng)口附近形成較強(qiáng)的渦流區(qū)，在壓縮機(jī)和冷凝器之間，冷凝器和分離器之間形成弱的渦流區(qū)。當(dāng)泄漏40 s時(shí)，泄漏口右側(cè)空間內(nèi)形成氨氣高濃度區(qū)，左側(cè)空間內(nèi)氨氣濃度很低。氨氣高濃度區(qū)氨氣濃度體積分?jǐn)?shù)為20%左右。泄漏40 s后，氨氣空間濃度分布變化不大。

圖2 豎直向上泄漏口泄漏時(shí)氨氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律隨時(shí)間變化

2.2 豎直向下泄漏濃度、速度分布特征

如圖3所示，豎直向下泄漏口氨氣泄漏2 s時(shí)，氨氣渦流跡線在壓縮機(jī)和冷凝器之間呈順時(shí)針流動(dòng)，然后向出風(fēng)口運(yùn)移。氨氣泄漏5 s、10 s、60 s時(shí)，氨氣已經(jīng)運(yùn)移到出風(fēng)口，通過出風(fēng)口排出。在車間右側(cè)靠近出風(fēng)口的空間，有較大的逆時(shí)針渦流區(qū)，將一部分未從出風(fēng)口排出的氨氣驅(qū)散在車間右側(cè)上部空間。氨氣泄漏60 s時(shí)，在壓縮機(jī)和冷凝器之間的渦流區(qū)氨氣濃度體積分?jǐn)?shù)為30%～35%，車間左側(cè)空間內(nèi)氨氣體積濃度在5%以下。氨氣泄漏60 s后，車間內(nèi)部空間氨氣濃度變化不大。

圖3 豎直向下泄漏口泄漏時(shí)氨氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律隨時(shí)間變化

2.3 水平向左泄漏濃度、速度分布特征

如圖4所示，水平向左泄漏口氨氣泄漏5 s時(shí)，泄漏出的氨氣在送風(fēng)口送風(fēng)的影響下，上升至送風(fēng)口高度后，運(yùn)移方向由向左改變?yōu)橄蛴?。氨氣泄?0 s，20 s和60 s時(shí)，氨氣運(yùn)移路徑不變，但在運(yùn)移路徑上不斷向周圍空氣中膨脹擴(kuò)散，使氨氣在運(yùn)移路徑上濃度最高，周圍濃度低，呈階梯式分布。氨氣泄漏10 s時(shí)，氨氣已經(jīng)運(yùn)移到出風(fēng)口，經(jīng)由出風(fēng)口排出。在分離器右側(cè)與出風(fēng)口所在墻壁之間有較弱的渦流，此區(qū)域氨氣濃度體積分?jǐn)?shù)為10%～15%。氨氣泄漏20 s時(shí)，在分離器右側(cè)與出風(fēng)口所在墻壁之間，氨氣濃度體積分?jǐn)?shù)為15%～20%。在蒸發(fā)器與壓縮機(jī)之間，冷凝器與分離機(jī)之間，壓縮機(jī)與冷凝器之間有局部渦流。冷凝器與分離機(jī)之間和蒸發(fā)器與壓縮機(jī)之間的氨氣濃度均為10%～15%，壓縮機(jī)與冷凝器之間的氨氣濃度為15%～20%。氨氣泄漏60 s時(shí)，車間空間內(nèi)各位置氨氣濃度改變不大，濃度分布趨于穩(wěn)定。在蒸發(fā)器和壓縮機(jī)上方氨氣濃度體積分?jǐn)?shù)為30%～45%。蒸發(fā)器與墻壁之間，氨氣濃度體積分?jǐn)?shù)為25%～30%。車間右側(cè)冷凝器與分離器上方氨氣濃度低于車間左側(cè)空間，體積分?jǐn)?shù)為20%～30%。

圖4 水平向左泄漏口泄漏時(shí)氨氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律隨時(shí)間變化

2.4 水平向右泄漏濃度、速度分布特征

如圖5所示，水平向右泄漏口氨氣泄漏1 s時(shí)，氨氣以40～50 m/s的速度噴射而出，在壓縮機(jī)、冷凝器和地面之間不斷沉積，形成氨氣高濃度區(qū)，氨氣濃度體積分?jǐn)?shù)為40%，在泄漏口附近，氨氣濃度體積分?jǐn)?shù)為80%以上。由于氨氣在壓縮機(jī)和冷凝器之間積聚，氨氣比重小于空氣，從送風(fēng)口進(jìn)來的氣流較重，在壓縮機(jī)和冷凝器之間會(huì)下沉，氨氣從水平向右泄漏口噴射而出時(shí)速度方向?yàn)橄蛴?，后受到從送風(fēng)口進(jìn)來的氣流的影響，速度方向在壓縮機(jī)和冷凝器之間為向下。在受到壓縮機(jī)和冷凝器間的地面阻礙后，氨氣運(yùn)移速度方向改變，速度方向從壓縮機(jī)和冷凝器之間向下轉(zhuǎn)變成向上朝向出風(fēng)口運(yùn)移。氨氣泄漏5 s時(shí)，氨氣已經(jīng)運(yùn)移到出風(fēng)口位置，從出風(fēng)口排出。氨氣泄漏10 s時(shí)，部分未能從出風(fēng)口排出的氨氣與空氣混合受到車間右側(cè)墻壁阻礙，在車間右下角形成渦流區(qū)。氨氣比重小于空氣，但是在車間右側(cè)頂棚氨氣濃度低于5%，分析可知，由于車間左側(cè)的送風(fēng)口不斷送風(fēng)，使得頂棚氨氣濃度較低，氨氣部分從出風(fēng)口排出，部分在車間右側(cè)出風(fēng)口以下的范圍內(nèi)渦流擴(kuò)散。氨氣泄漏60 s后，車間右側(cè)出風(fēng)口以下的范圍，氨氣濃度體積分?jǐn)?shù)為30%～45%，車間左側(cè)空間氨氣濃度很低。

圖5 水平向右泄漏口泄漏時(shí)氨氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律隨時(shí)間變化

2.5 易燃易爆區(qū)域判定

如圖6(a)、(b)、(c)和(d)所示為焊口處4種泄漏方向在泄漏60 s時(shí)，在不同車間高度氨氣擴(kuò)散濃度分布曲線。當(dāng)空氣中氨氣的體積分?jǐn)?shù)達(dá)11%～14%時(shí)，遇明火即可點(diǎn)燃；體積分?jǐn)?shù)達(dá)16%～25%時(shí)，遇明火即會(huì)發(fā)生爆炸。在氨制冷車間，工作人員正?；顒?dòng)范圍為車間高度2 m以下。水平向左泄漏口泄漏60 s后易燃易爆區(qū)域占正?；顒?dòng)范圍面積的100%。水平向右泄漏口泄漏60 s后易燃易爆區(qū)域占正常活動(dòng)范圍面積的56.6%。豎直向上泄漏口泄漏60 s后易燃易爆區(qū)域占正常活動(dòng)范圍面積的57.5%。豎直向下泄漏口泄漏60 s后易燃易爆區(qū)域占正?；顒?dòng)范圍面積的47.3%。因此，水平向左泄漏口泄漏60 s時(shí)，易燃易爆區(qū)所占面積最大，危害性最強(qiáng)。

圖6 不同高度氨氣擴(kuò)散濃度分布

3 結(jié)論

本文模擬分析了豎直向上﹑豎直向下﹑水平向左﹑水平向右四種不同的管道焊口泄漏方向?qū)Π睔庠谲囬g空間內(nèi)的擴(kuò)散影響。分析結(jié)果表明：

a)豎直向上泄漏口泄漏時(shí)，泄漏出的氨氣在送風(fēng)口送風(fēng)條件下，在泄漏口右側(cè)空間內(nèi)擴(kuò)散。豎直向下泄漏口泄漏時(shí)，氨氣在泄漏口與右側(cè)出風(fēng)口間的下側(cè)空間濃度較高，在渦流驅(qū)散下，氨氣在車間右側(cè)頂棚也有擴(kuò)散。朝左泄漏口泄漏時(shí)，氨氣受送風(fēng)口送風(fēng)的影響，在泄漏口左側(cè)﹑右側(cè)均有大量氨氣擴(kuò)散。朝右泄漏口泄漏時(shí)，氨氣在泄漏口右側(cè)空間且出風(fēng)口以下的范圍濃度很高，但在車間右側(cè)頂棚處則濃度很低。

b)豎直向上泄漏口泄漏和水平向左泄漏口泄漏，在車間右側(cè)空間速度跡線均為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；豎直向下泄漏口泄漏和水平向右泄漏口泄漏，在車間右側(cè)空間，則會(huì)產(chǎn)生逆時(shí)針?biāo)俣葴u流區(qū)。

c)氨氣泄漏60 s后，車間氨氣的空間分布則趨于穩(wěn)定。朝左泄漏口泄漏60 s后，車間內(nèi)的易燃易爆區(qū)域占正常活動(dòng)區(qū)域面積的百分比為100%,遠(yuǎn)高于其他三種泄漏方式。朝下泄漏口泄漏60 s后，易燃易爆區(qū)占比47.3%，為4種方式中占比最低的。如圖2所示，豎直向上泄漏口氨氣泄漏3 s時(shí)，由于高壓管道內(nèi)外產(chǎn)生的壓力差，氨氣垂直向上噴射，形成射流氣柱，到達(dá)車間頂棚后受到頂棚和送風(fēng)口氣流的影響后向出風(fēng)口運(yùn)移。氨氣泄漏5 s和8 s時(shí)，混合氨氣的空氣經(jīng)過出風(fēng)口逐漸向下部空間擴(kuò)散，在出風(fēng)口附近形成較強(qiáng)的渦流區(qū)，在壓縮機(jī)和冷凝器之間，冷凝器和分離器之間形成弱的渦流區(qū)。當(dāng)泄漏40 s時(shí)，泄漏口右側(cè)空間內(nèi)形成氨氣高濃度區(qū)，左側(cè)空間內(nèi)氨氣濃度很低。氨氣高濃度區(qū)氨氣濃度體積分?jǐn)?shù)為20%左右。泄漏40 s后，氨氣空間濃度分布變化不大。