冷庫氨泄漏擴散規律探析

甄仌 ，王 磊，郭 靖，王長江

（哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院，哈爾濱 1 50028）

氨作為一種天然制冷劑具有環境友好、價格低廉、制取方便的特點，占據著我國80%以上的冷庫制冷劑使用份額。同時氨也具有毒性、爆炸性等危險特性，一座萬噸級的氨冷庫其氨的沖注量可達20t以上，從而使冷庫成為較大的危險源。

據統計，目前我國庫齡在30年以上的冷庫占全國冷庫總量的1/2，這些高齡冷庫由于年久失修，設備老化從而造成泄漏事故頻發，近些年的幾起氨泄漏事故更是造成大量人員傷亡，使人們談氨色變。表1列舉出僅2015上半年我國發生的氨泄漏安全事故。

表1 2015年部分氨泄漏事故統計表Tab. 1 part of ammonia leakage accidents statistics in 2015

其實事故的罪魁禍首并不是氨本身，根本原因在于人員操作不規范，設備疏于維護，以及泄漏時應急處置不當。以氨作為制冷劑的冷庫，其制冷工藝流程非常復雜，整個系統中高低壓設備縱橫交錯，閥門、接頭數不勝數，氨在系統中的狀態更是變幻多端，任何一個部位都可能成為氨泄漏事故的源頭。因此，不同狀態的氨在不同部位泄漏時具有不同的泄漏規律，對不同泄漏規律的研究對于事故的預防及應急處置具有重要意義。

1 氨的泄漏模式

圖1 常見泄漏情況Fig.1 Common ammonia leakage

氨泄漏大致可分為大面積泄漏、小孔泄漏及管道泄漏。大面積泄漏是指在短時間內有大量的氨泄漏出來，貯罐的超壓爆炸就屬于大面積泄漏，這種情況在冷庫事故中并不常見。小孔泄漏是指氨以非常緩慢的速度持續地從小孔泄漏到外界。管道泄漏是指管道截面斷裂或泄漏孔徑與管道直徑相當的時候發生的泄漏。圖1顯示了常見的泄漏情況。

1.1 氨氣泄漏流量計算

1.1.1 氨氣經小孔泄漏

氣體含有的能量從小孔泄漏或擴散出去時，在壓力的作用下轉化為動能。氣體經孔流出的過程中，其密度、壓力和溫度都發生著變化。若泄漏為自由擴散，絕大部分壓力能轉化為動能，可假設為等熵過程。此時僅需獲取孔洞直徑參數。

圖2 氨氣自由擴散泄漏Fig.2 Free diffusion leakage of ammonia gas

質量流率的表達式：

式（1）描述了在等熵膨脹中任意點處的質量流率。

表2 孔口形狀與泄漏系數和當量直徑的關系Tab. 2 The relationship between the shape of orifices, leakage factor and equivalent diameter

對于許多安全性研究，都需要計算通過小孔泄漏的最大流量，引起最大流速的壓力比為：

塞壓Pchoked為流量最大時下游最大壓力。當下游壓力小于Pchoked時：（1）對于大多數情況，在小孔處氣體流速是聲速；（2）降低下游壓力，亦不能進一步增加其流速及質量流量，他們獨立于下游環境。通常稱這種流動為塞流、聲速流或臨界流，如3圖所示。

圖3 氨氣通過小孔的塞流Fig.3 Plug flow of ammonia gas pass through the small hole

確定最大流量為：

式中，γ是熱融比；M是泄漏氣體的摩爾質量；T0是泄漏源的溫度（K）；Rg是理想氣體常數。

在雷諾數大于30000的鋒利的小孔情況下，流出系數C0取0.61。然而，對于塞流和C0不確定的情況，推薦使用1.0。

1.1.2 氨氣經管道泄漏

真實氣體流動介于絕熱和等溫之間，根據Crane實驗，可按絕熱法建立流動模型。

有氣體流動的絕熱管道如圖4所示。對這一情況，出口處流速低于聲速，沿管道的壓力梯度驅動流動。當氣體流經管道時，因壓力下降而膨脹，導致氣體速度及動能增加，溫度升高。然而，氣體與管壁之間的摩擦力會使氣體溫度降低。氣體最終溫度的升降，取決于動能和摩擦力做功的大小。

圖4 氨氣通過管道的絕熱非臨界流動Fig.4 Adiabatic noncritical flow of ammonia gas pass through the pipe

式（4）即為氨氣經管道泄漏的質量流量表達式。

1.2 氨液泄漏流量計算

存在于制冷系統中的液氨往往高于其飽和蒸氣壓，若儲罐、管道或其他設備出現孔洞，部分液體會閃蒸為蒸氣，有時會發生爆炸。

閃蒸發生的速度非常快，過程可設為絕熱。過熱液體中的額外能量使液體氣化，并使溫度降到新的沸點。如果m是初始液體的質量，cp是液體的比熱容，T0是降壓后液體的沸點，則包含在過熱液體中額外的能量為：

該能量使液體蒸發。若△Hv是液體的蒸發熱，則蒸發的液體質量mv為：

液體蒸發比例是：

式（7）是基于液體的物理特性在T0到Tb的溫度范圍內不變得到的。更一般的表達形式如下所述。

溫度T的變化導致液體質量m的變化為：

在初始溫度T0（液體質量為m）與最終沸點溫度Tb（液體質量為 m-mv）區間內，對式（8）進行積分，得到：

因為兩相流的存在，通過孔洞和管道泄漏出的閃蒸液體需要被考慮進來。如果泄漏的沿程很短，則存在不平衡條件，液體在孔洞外閃蒸，流出方程應選用不可壓流體。

若泄漏的沿程大于10cm，即可達到平衡閃蒸條件，且流動為塞流。假設塞壓與閃蒸液體的飽和蒸氣壓相等，質量流率計算式為：

式中，A是釋放面積（m2）；C0是流出系數；ρf是液體密度（kg/m3）；p是儲罐內壓力（Pa）；ρsat是閃蒸液體處于周圍溫度情況下的飽和蒸氣壓（Pa）。

2 基于Fluent的模擬舉例

Fluent采用計算流體力學方法模擬擴散湍流的流動過程。通過建立質量、動量、能量及組分等基本守恒方程，并設置適當初始條件和邊界條件，運用數值計算理論和方法，實現各種場的分布和預測，借以描述擴散過程。其描述湍流動能的運輸和湍流黏性系數的k-ε模型被廣泛應用。

本文以某氨冷庫高貯器發生管道泄漏為例，模擬氨氣與氨液發生泄漏時的不同擴散規律。

2.1 建立模型及模擬條件設置

假設液氨存儲在溫度25℃、壓力2.16Mpa、容積為2.43m3（液氨占80%）的高貯器中，發生泄漏部位是與高貯器相連接的管道，管道直徑100mm。由于資源有限，選用二維網格進行模擬，泄漏空間為長度10m高5m制冷機房，機房一側有高為2m的門作為模擬出口，進口位于模擬空間底邊的中央，泄漏方向垂直于底邊，泄漏過程中進口上游條件不發生變化。

設定邊界參數時，選取湍流強度和水力半徑項作為TurbulenceSpecificationMethod的方法，可避免用二維網格模擬出來的結果非狹縫泄漏。采用標準κ-ε模型，開啟組分輸運模型和氣化冷凝模型。

2.2 模擬結果及分析

根據上述所建模型和條件設置，分別模擬氨氣和氨液通過管道泄漏，模擬結果如下所示：

圖5 氨氣泄漏1s時濃度分布Fig.5 Concentration distribution at the 1s of ammonia gas leakage

圖6 氨氣泄漏5s時濃度分布Fig.6 Concentration distribution at the 5s of ammonia leakage

圖7 氨液泄漏1s時濃度分布Fig.7 Concentration distribution at the 1s of ammonia liquor leakage

圖8 氨液泄漏5s時濃度分布Fig.8 Concentration distribution at the 5s of ammonia liquor leakage

從模擬的濃度分布圖中可以看出，對于高貯器來說，無論是氨氣泄漏還是氨液泄漏，氨的擴散速度都十分迅速，發生泄漏5s后整個模擬機房空間已全部被氨氣占據，可見氨泄漏事故的可怕程度，若泄漏時機房有作業人員留給其逃生時間極其短暫。但從泄漏開始到充滿整個空間，氨擴散的方式并不同。氨氣泄漏時，氨氣濃度逐漸從低處，遠離出口方向，向高處接近出口方向增加。而氨液泄漏則不然，氨氣濃度從高處，接近出口方向，向低處遠離出口方向增加。這是由于泄漏發生在相對受限的空間內且氨氣的密度小于空氣，泄漏發生時，受限空間內的總壓升高，氣體會向出口流動，并在空間內形成渦旋，圖5可以清晰地看出氣體的流動狀態，泄漏的氨氣會隨著渦旋擴展開來。而氨液泄漏時，高速的氨液噴射到頂部并開始迅速氣化，急速向出口下方方向流動擴散，從圖7可以看出剛泄漏出的氨液還沒有完全氣化，這使得泄漏處反而低于頂部。

3 結語

俗話說，知己知彼，百戰不殆。目前，人們對冷庫不同設備發生氨泄漏擴散的規律仍知之甚少，本文僅以高貯器發生氨氣及氨液泄漏為例初步探索了氨泄漏規律，至于其他設備及不同泄漏條件仍有待進一步研究。只要我們能夠知“氨”善用，一定能夠防范事故的發生，若事故真的發生，也一定能夠正確、及時地做出處置措施。

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