封閉廠房氨氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律數(shù)值模擬研究

馬雋湫,廖曉玲,李海航,王 強(qiáng),金建波,趙哲明,陳衛(wèi)平

(1.中國計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.杭州市特種設(shè)備檢測研究院,浙江 杭州 310051；3.浙江省消防總隊(duì)，浙江 杭州 310014)

近些年來,由于材料腐蝕、老化等原因,氨氣管道泄漏事故頻發(fā)。氨氣泄漏后果較為嚴(yán)重,往往造成人員中毒、火災(zāi)爆炸等事故[1]。2013年6月3日,吉林德惠市寶源豐禽業(yè)有限公司發(fā)生氨氣泄漏爆炸,死亡121人,受傷76人,主廠房及主廠房內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備損毀,直接經(jīng)濟(jì)損失1.82億元。同年8月31日,上海寶山區(qū)翁牌冷藏有限公司發(fā)生氨氣泄漏,死亡15人,受傷25人。發(fā)生氨氣泄漏事故時,如果可以通過氨氣探測器及時監(jiān)測預(yù)警并采取應(yīng)急措施,可有效地避免重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此,準(zhǔn)確預(yù)測工作空間內(nèi)氣體泄漏擴(kuò)散濃度分布并指導(dǎo)氣體探測器安裝工作顯得尤為重要。

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件求解氣體擴(kuò)散過程,可以得到氣體濃度隨時空的變化過程,能把氣體初始狀態(tài)、密度等物理屬性和邊界條件考慮進(jìn)去,而且其準(zhǔn)確性也被不斷地驗(yàn)證和提高[2-4]。許秀梅[5]采用Fluent模擬室內(nèi)燃?xì)庑孤U(kuò)散,得出溫濕度耦合作用下燃?xì)鈹U(kuò)散規(guī)律,表明模擬結(jié)果符合泄漏擴(kuò)散理論。關(guān)忠慧[6]利用Fluent模擬氨站房通風(fēng)安全及泄漏擴(kuò)散影響,得出濃度場隨時間的變化特點(diǎn)。張偉[7]利用數(shù)值模擬方法研究液氨儲罐泄漏后的擴(kuò)散過程,對比分析了不同條件下泄漏擴(kuò)散情況與濃度隨時間的變化規(guī)律及對周圍居民區(qū)的影響。黃金磊[8]利用FDS軟件研究氨泄漏擴(kuò)散濃度隨時空的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)與高斯計(jì)算模型結(jié)果基本吻合。

計(jì)算流體力學(xué)軟件可以克服氨氣泄漏實(shí)驗(yàn)危險性大,受到場地和安全措施限制難以實(shí)施的困難。并且,已有不少研究表明FDS等數(shù)值計(jì)算軟件[2-4,8-10]模擬氨泄漏擴(kuò)散過程具有適用性。本文采用數(shù)值模擬方法研究氨氣在室內(nèi)環(huán)境下的泄漏擴(kuò)散規(guī)律,為涉氨企業(yè)的氣體探測器等消防設(shè)施設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 室內(nèi)氨氣泄漏擴(kuò)散模型的建立

本文采用FDS軟件對封閉廠房內(nèi)液氨泄漏后的濃度場進(jìn)行模擬,建立的模擬對象如圖1。按照某食品廠內(nèi)部實(shí)際布局進(jìn)行設(shè)置,食品廠建筑尺寸為60 m寬、100 m長,為最具代表性的弧頂廠房,最高點(diǎn)的高度為5.4 m。計(jì)算域的范圍坐標(biāo)在廠房外墻向四周各擴(kuò)展10 m,在廠房頂棚向上擴(kuò)展5 m,網(wǎng)格尺寸為0.2 m。廠房正常工作時,為了滿足衛(wèi)生要求關(guān)閉門窗,僅在早中晚上下班期間打開廠門,本研究假設(shè)液氨泄漏時間發(fā)生在正常工作時段,即廠房為封閉狀態(tài)。

圖1 廠房模型及泄漏源、監(jiān)測點(diǎn)示意圖Figure 1 Schematic diagram of plant model, leakage sources and monitoring points

據(jù)統(tǒng)計(jì),管道泄漏位置多發(fā)于閥門、彎管處,為了模擬最具代表性的泄漏場景,泄漏位置選取4處如圖1所示。泄漏孔口高度為1 m,泄漏速率取值同文獻(xiàn)[8]為7.01 kg/s,泄漏方向?yàn)榇怪毕蛏稀S房內(nèi)環(huán)境壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.01×105Pa,環(huán)境溫度為25 ℃。由于液氨沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于室溫,假設(shè)液氨泄漏后全部發(fā)生閃蒸。根據(jù)泄漏的熱力學(xué)過程,管道泄漏簡化為氣體泄漏。根據(jù)事故案例分析,氨氣泄漏事故可視為連續(xù)點(diǎn)源泄漏模式[11],本文也采用連續(xù)點(diǎn)源泄漏場景。

25 ℃時氨氣密度為0.771 kg/m3,密度小于空氣,因此泄漏后容易聚集在廠房內(nèi)部高處。根據(jù)氣體探測器安裝要求,當(dāng)被檢測氣體比重小于空氣比重時,探測器應(yīng)安裝在距離頂棚30～60 cm處。模擬設(shè)置時在頂棚下0.4 m高的位置設(shè)置了9個監(jiān)測點(diǎn),測點(diǎn)位置如圖1,詳細(xì)坐標(biāo)見表1。此外,還監(jiān)測5 m高度(對應(yīng)中間頂棚平均高度)、4 m高度(對應(yīng)左、右兩側(cè)頂棚平均高度)和過泄漏源截面的氨氣分布云圖。數(shù)值模擬得到廠房內(nèi)氨氣泄漏后的運(yùn)動過程、各處濃度數(shù)值變化,總結(jié)出封閉空間氨氣泄漏擴(kuò)散的規(guī)律。

表1 氨氣濃度監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置坐標(biāo)

2 結(jié)果與討論

2.1 氣體擴(kuò)散模型

國內(nèi)外不少研究者對氣體擴(kuò)散模型開展了研究。均一模型[12]是描述室內(nèi)氣體擴(kuò)散最為簡單的模型,假設(shè)氣體泄漏后瞬間即在室內(nèi)達(dá)到濃度平衡,并考慮了室內(nèi)通風(fēng)的因素,其給出室內(nèi)某時刻氣體的平均質(zhì)量濃度為

(1)

式(1)中:Cr為室內(nèi)某時刻氣體的平均質(zhì)量濃度,kg/m3;Wn為氣體泄漏質(zhì)量速率,kg/s;Q為室內(nèi)通風(fēng)量,m3/s;V為室內(nèi)氣體體積,m3;t為泄漏持續(xù)時間或計(jì)算時間點(diǎn),s。但是該模型對室內(nèi)氣體濃度計(jì)算過于簡化,無法考慮氣體密度特性及空間分布差異。

半球模型[13-14]是基于菲克第二定律推導(dǎo)出的無風(fēng)條件或室內(nèi)氣體擴(kuò)散模型,假設(shè)氣體以點(diǎn)源為中心向四周等速率連續(xù)擴(kuò)散,其質(zhì)量濃度計(jì)算公式為

(2)

式(2)中:Cr為室內(nèi)某時刻氣體的平均質(zhì)量濃度,kg/m3;Wn為氣體泄漏質(zhì)量速率,kg/s;D為擴(kuò)散系數(shù),m2/s;r為距中心點(diǎn)源距離,m;erf為誤差函數(shù);t為泄漏持續(xù)時間或計(jì)算時間點(diǎn),s。該模型計(jì)算出的氣體濃度成等濃度球面向外衰減,但未考慮泄漏氣體的初始速度及氣體和空氣密度差引起的浮力作用。另外,以上兩個模型都沒有考慮建筑邊界的限制作用。

2.2 泄漏位置對擴(kuò)散結(jié)果的影響

通過FDS模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),發(fā)生氣體泄漏事故時,泄漏位置的不同會影響室內(nèi)氣體濃度的分布。為了研究泄漏位置對擴(kuò)散結(jié)果的影響并探索氨氣泄漏擴(kuò)散的一般規(guī)律,本文根據(jù)室內(nèi)氨氣管道位置,選取4處最具代表性的泄漏位置。通過數(shù)值模擬計(jì)算各監(jiān)測點(diǎn)氨氣濃度隨時間變化,并處理得到各監(jiān)測點(diǎn)體積濃度達(dá)到1%時對應(yīng)的響應(yīng)時間如圖2,綠色箭頭表示泄漏源位置,顏色柱表示對應(yīng)的時間值。

圖2 各監(jiān)測點(diǎn)體積濃度達(dá)到1%的響應(yīng)時間圖Figure 2 Response time of volume concentration of each monitoring point reached 1%

位置1發(fā)生泄漏,是4個位置當(dāng)中最不對稱的情形,因此氨氣擴(kuò)散過程最為復(fù)雜。氨氣先上浮至左側(cè)頂棚近端,繼續(xù)上浮至中間頂棚近端,再沿著中間頂棚向遠(yuǎn)端擴(kuò)散;同時到達(dá)中間頂棚近端的氨氣由于慣性向右側(cè)頂棚向下沉降,氨氣最后才向左側(cè)頂棚遠(yuǎn)端和右側(cè)頂棚最遠(yuǎn)端沉降。

位置2發(fā)生泄漏,對于左右兩側(cè)各監(jiān)測點(diǎn)來說泄漏源位置如同位置4一樣是對稱的,氨氣擴(kuò)散運(yùn)動過程相對簡單。從各監(jiān)測點(diǎn)響應(yīng)時間快慢可以發(fā)現(xiàn),氨氣先上浮至中間頂棚,再沿著中間頂棚向遠(yuǎn)端擴(kuò)散,同時到達(dá)中間頂棚近端的氨氣向下沉降,最后左、右兩側(cè)頂棚遠(yuǎn)端才積累沉降的氨氣。

從位置3發(fā)生泄漏各監(jiān)測點(diǎn)響應(yīng)時間快慢可以發(fā)現(xiàn),氨氣經(jīng)歷了先上浮至左側(cè)頂棚、繼續(xù)上浮至中間頂棚,再沿著頂棚向中間頂棚兩端蔓延;同時由于上浮至中間頂棚的氨氣存在向右運(yùn)動的慣性,繼續(xù)向右運(yùn)動直到碰觸右側(cè)墻壁轉(zhuǎn)而向右側(cè)兩端擴(kuò)散并向下沉降;氨氣最后才擴(kuò)散至左側(cè)頂棚兩端位置。

位置4發(fā)生泄漏各監(jiān)測點(diǎn)響應(yīng)時間可以看出,中間序列靠近泄漏源的兩個點(diǎn)濃度升高最快,中間序列遠(yuǎn)離泄漏源的兩個點(diǎn)濃度升高較快,左、右序列遠(yuǎn)離泄漏源的4個點(diǎn)濃度升高較慢,左、右序列靠近泄漏源的4個點(diǎn)的濃度升高最慢。這是由于泄漏的氨氣在向上初始動量作用和向上浮力雙重作用下先上浮至中間頂棚,再沿著頂棚向中間頂棚兩端擴(kuò)散,在兩端碰觸墻壁之后轉(zhuǎn)而向下沉降,然后整個室內(nèi)范圍頂棚處聚集的氨氣向下沉降。

2.3 氨氣擴(kuò)散運(yùn)動規(guī)律分析

由氨氣泄漏后在不同位置測量的濃度隨時間變化可知,密閉室內(nèi)氨氣擴(kuò)散運(yùn)動規(guī)律如下,并結(jié)合擴(kuò)散過程最為復(fù)雜的位置1對應(yīng)濃度云圖(圖3和圖4)進(jìn)行闡述。

圖3 位置1過泄漏源截面及5 m高度截面氨氣濃度變化圖Figure 3 Ammonia concentration change in cross section of leakage source and 5 m height for position 1

圖4 位置1過泄漏源截面及4 m高度截面氨氣濃度變化圖Figure 4 Ammonia concentration change in cross section of leakage source and 4 m height for position 1

1)上浮至頂棚。由于泄漏的氨氣存在向上初始速度且氨氣密度小于空氣密度,因此當(dāng)氨氣以射流形式從管道泄漏口釋放后,首先表現(xiàn)為具有初始動量的加速上升運(yùn)動。在氨氣垂直向上運(yùn)動過程中,由于射流流束與空氣接觸面積小,射流核心卷吸空氣不明顯因此射流半徑變化小。此階段包括圖3和圖4中25.2 s和39.6 s對應(yīng)的狀態(tài),氨氣主要是上浮至左側(cè)頂棚、繼續(xù)上浮至中間頂棚,所以5 m高度高濃度氨氣區(qū)域從左側(cè)頂棚向中間頂棚不斷擴(kuò)散,而4 m高度高濃度氨氣范圍基本維持對應(yīng)高度氨氣射流半徑區(qū)域不變。

2)沿頂棚擴(kuò)散。當(dāng)上浮的氨氣碰觸廠房頂棚時,行進(jìn)方向轉(zhuǎn)變?yōu)檠仨斉锏乃竭\(yùn)動。同時由于泄漏口上方頂棚與其他位置頂棚的氨氣濃度存在差值,氨氣會從濃度大的區(qū)域流向濃度小的區(qū)域。此階段整體表現(xiàn)為氨氣沿頂棚的擴(kuò)散,高濃度區(qū)域集中在頂棚。在氨氣沿頂棚擴(kuò)散過程中,頂棚射流與空氣接觸面積隨半徑平方增大,因此氨氣濃度下降。此階段氨氣高濃度區(qū)域基本僅沿中間頂棚增長,包括圖3和圖4中75.6 s、97.2 s和122 s對應(yīng)的狀態(tài),高濃度氨氣區(qū)域依次覆蓋了中間頂棚近端、中間頂棚較遠(yuǎn)端和右側(cè)頂棚近端。

3)沉降分層。氨氣在廠房頂棚不斷積累,持續(xù)泄漏的氨氣使得頂棚濃度連續(xù)升高。隨著氨氣泄漏前鋒沿頂棚到達(dá)側(cè)墻后轉(zhuǎn)而向下運(yùn)動,且全廠房頂棚的高濃度氨氣向下部低濃度區(qū)域擴(kuò)散,較低高度截面也出現(xiàn)氨氣,并在整個高度方向上呈現(xiàn)氨氣濃度分層現(xiàn)象。頂棚高度處氨氣濃度最大,越往下濃度越低。此階段包括圖3和圖4中140 s、245 s和252 s對應(yīng)的過程,氨氣繼續(xù)在中間頂棚和右側(cè)頂棚近端聚集,并在側(cè)墻的阻擋和濃度梯度作用下向下沉降,形成了明顯的濃度分層。

通過本節(jié)總結(jié)出的氨氣擴(kuò)散規(guī)律,泄漏源上方頂棚位置最先達(dá)到高濃度,接著是空間內(nèi)最高頂棚處達(dá)到高濃度,因此高濃度出現(xiàn)的區(qū)域可以歸納為“先是泄漏源頂部位置,再是全廠房最高位置”。接下來對比上節(jié)圖2中各監(jiān)測點(diǎn)氨氣濃度上升最快出現(xiàn)的次數(shù)。對于本文選取的4個代表性泄漏源位置,離這4個泄漏源位置最近的左下角4個監(jiān)測點(diǎn)(監(jiān)測點(diǎn)1、2、4、5),在每處泄漏源位置發(fā)生氨氣泄漏時,表現(xiàn)為最先達(dá)到最高濃度的兩個監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測點(diǎn)1(高度4 m)累積出現(xiàn)1次,監(jiān)測點(diǎn)2(高度5 m)累積出現(xiàn)2次,監(jiān)測點(diǎn)4(高度4 m)累積出現(xiàn)2次,監(jiān)測點(diǎn)5(高度5 m)累積出現(xiàn)3次。由于實(shí)際中氨氣的泄漏位置具有不確定性,因此結(jié)合以上的定量統(tǒng)計(jì)分析,對于氨氣探測器的安裝位置,首先要確?？臻g全局幾何中心最高頂棚處,再根據(jù)規(guī)范中關(guān)于探測器保護(hù)范圍的要求,安裝在一定距離外的頂棚較高處。

3 結(jié) 論

通過計(jì)算流體力學(xué)軟件求解氨氣在封閉廠房內(nèi)的泄漏運(yùn)動方程,比較典型泄漏源發(fā)生泄漏后氨氣的動態(tài)擴(kuò)散過程,得到了如下兩點(diǎn)主要結(jié)論。

1)氨氣在密閉空間泄漏后,擴(kuò)散規(guī)律為上浮至頂棚、沿頂棚擴(kuò)散和沉降分層。出現(xiàn)高濃度氨氣區(qū)域的順序可以歸納為“先是泄漏源頂部位置,再是全廠房最高位置”。

2)對于氨氣探測器的安裝位置建議,首先要確?？臻g幾何中心最高頂棚處,再根據(jù)保護(hù)范圍要求安裝在一定距離外的頂棚較高處。

由于缺乏真實(shí)事故的泄漏速率數(shù)據(jù),因此本文泄漏量選取參照充裝重量、罐體容積和設(shè)計(jì)壓力接近的儲罐來設(shè)計(jì)。本文的研究重點(diǎn)在于不同泄漏位置對廠房頂棚氨氣濃度分布的影響,得到的擴(kuò)散規(guī)律適用于氣體密度低于空氣的輕氣,可為密閉空間內(nèi)有毒有害輕氣探測器的安裝提供依據(jù)。本研究選取泄漏孔口朝上和單一泄漏速率情形,對于不同泄漏孔口朝向和不同泄漏速率的影響有待下一步研究。