氨制冷管道泄漏監測現狀綜述①

廖曉玲 劉延雷 劉曉華 趙哲明

(杭州市特種設備檢測研究院)

氨制冷管道泄漏監測現狀綜述①

廖曉玲 劉延雷 劉曉華 趙哲明

(杭州市特種設備檢測研究院)

總結了國內外學者在管道泄漏、氨泄漏等方面的研究現狀與成果，提出將軟硬件結合監測手段、圖像處理技術等應用于氨制冷劑管道泄漏監測中，為氨泄漏在線監測與安全評價提供一定的參考。

管道泄漏 氨泄漏監測 氨制冷 研究現狀

氨作為一種天然的制冷劑[1,2]，是一種常溫常壓下無色、有刺激性氣味的氣體，且極易液化，同時放出大量熱量，而液氨又極易汽化，并吸收大量熱量，因此，氨具有制冷效果好、成本低等優點，目前在冷庫等制冷裝置中使用廣泛[3～5]。然而，氨還具有易燃、易爆、有毒及有腐蝕性等特性，且泄漏不易擴散，一旦在設計、安裝或使用過程中發生氨泄漏事故，將造成嚴重后果[6]。

氨在密閉循環系統內以氣態或液態形式存在，承受一定的溫度和壓力，從而實現不斷地壓縮、冷凝、節流和蒸發。由于受到一些客觀條件的制約，如液氨介質清空置換難度大、外表面保溫層不易拆除及氨制冷系統停機損失大等，導致對氨制冷系統中的壓力容器進行檢驗時難度較大[7]。

近年來，國內外對氨泄漏的研究逐漸增多，特別是氨風險評價已成為安全評價研究的熱點。對氨制冷冷庫壓力容器的安全監測，在我國定期檢驗的項目包括帶介質射線探傷、對拆除部分保溫層進行測厚抽查等[8]。射線探傷監測結果表明，因受容器中液氨的影響，射線能量被吸收和散射，監測結果無法滿足要求；對拆除部分保溫層進行測厚抽查也無法實現整體監測壓力容器筒體、焊縫等的目的，被檢容器安全狀況等級無法確定。文獻[9，10]采用紅外熱成像結合X射線數字成像進行監測，獲得的紅外熱像圖與物體表面熱分布場相對應，再通過X射線數字成像對熱成像結果異常部位進行拍片監測，從而實現氨制冷管道整體監測的目的。實際使用中，紅外成像技術在長期運行的氨制冷系統中誤報警率較大，無法實現定位。因此，加強氨制冷系統壓力容器的在線安全監測，保障氨制冷系統的安全運行是目前迫切需要解決的問題。

1 國外研究現狀

國外學者對有害氣體擴散模型的研究比較早，主要是從外場實驗和理論建模兩條途徑開展，并設計了以PRISM為代表的紅外熱成像計算軟件。例如，Gambotto J P提出了簡化的、基于測量和理論相結合的背景紅外成像仿真方法，利用該方法可以生成符合條件的紅外特征圖像[11]。隨著信息技術和現代控制理論的快速發展，紅外成像技術與射線數字成像技術的結合為氨泄漏的全面監測提供了更多的可能。Maclean A等采用分布式光纖傳感器監測油氣管道的泄漏情況，結果表明該方式是實際可行的[12]。Leighty W C和Holbrook J H對儲存于埋地管道中的液態氫和無水氨的泄漏進行激光監測，結果表明該方法對此類逸出問題具有良好的監測效果[13]。Abhulimen K E和Susu A A對液體管道泄漏進行建模和數值仿真，對單點泄漏、雙點泄漏等情況進行了分析討論，實驗結果表明，分布式光纖傳感方法檢測距離長，可監測并預防事故的發生[14]。Molina-Espinosa L等通過對不可壓縮流體的泄漏建立瞬態數學模型，實現壓力與泄漏位置關系的分析，并以動量方程對泄漏壓力的分布進行分析[15]。Inaudi D和Glisic B提出了通過分布式光纖傳感器對遠程管道進行監控，并設計了如圖1所示的智能管道，通過信號放大可實現300公里管道的泄漏監測[16]。

圖1 智能管道結構

2 國內研究現狀

楊德貴等提出了一種統一模型來模擬自然地表的紅外特征分布，實現了復雜地表的簡化建模并得到了較理想的結果[17]。馬丙辰和諶海新對地面目標進行了紅外特征仿真，實現了兩種熱源模型紅外目標的溫度場特性模擬，并繪制出了仿真圖像[18]。孫東亮等對液氨儲罐事故性泄漏擴散過程進行了模擬分析，并探討了液氨在常溫高壓和低溫加壓兩種存儲方式下的潛在危險[19～21]。紀純明對中小型氨廠氨合成工段爆炸和氨泄漏危害后果進行了估算研究，并采用不同模型估算了不同程度下的爆炸危害半徑[22]。劉建龍對氨制冷爆炸和中毒事件后果進行了定量分析，并提出在氨壓縮機房設置固定密封窗、在機器和設備間安裝排風扇、在氨罐上安裝液面自動顯示和報警聯鎖裝置等預防措施[23]。

張立芳等采用可調諧激光吸收光譜技術對脫硝過程中微量逃逸氨監測進行了實驗研究[24]。杜娟麗等將實時模型法應用于液態氨制冷劑管路泄漏研究中，結果顯示該模型可以實現高效快速漏點定位，檢漏精度達3%[25]。莊須葉等將光纖傳感技術應用于管道泄漏監測，由于分布式光纖實時在線監測技術具有信號衰減小、抗電磁干擾及抗腐蝕能力強等優勢，因此在管道監測行業中具有良好的應用前景[26]。林其彪采用伯努利方程計算了液氨泄漏速度，采用Matlab模擬機械通風并作為泄漏源的氨擴散狀態，模擬分析了室外儲罐液氨泄漏擴散的變化狀態，得到了氨等濃度圖，對比了儲存氨泄漏擴散影響縱深和影響面積[27]。

我國在目標紅外特征方面的研究工作起步較晚，但在模型研究等領域進展較快。笪邦友等利用真實紅外圖像作為輸入，使用Vega仿真軟件得出各材料在不同成像條件下的以灰度形式表達的紅外特征仿真結果[28]。周須峰用紅外目標的經驗亮度直接賦值，獲得了紅外圖像[29]。張健等使用實際測量數據描述輻射分布，利用可編程流水線技術對復雜幾何體紅外輻射場進行計算，得到了最終生成的目標紅外特征[30]。呂相銀等在地面目標表面溫度和紅外輻射計算方面做了大量研究，得到了計算地面目標紅外特征的方法[31]。

3 問題與展望

3.1氨制冷劑作為國內外大中型冷庫制冷劑的主流，今后仍將作為主要制冷劑廣泛使用。因此采取適當的防護措施和實時監測技術，保障操作人員和公共環境安全是至關重要的。考慮到不同制冷溫度所采用的制冷手段對效率具有不同的影響，因此這將是我國氨制冷行業技術改進、提高企業生產安全的重要方向。

3.2我國制冷行業中，眾多中小企業對氨制冷劑泄漏的防護設備缺失，缺乏有關制冷系統故障的應急處理預案。因此，氨制冷行業的安全問題必須引起企業和監管部門的重視。

3.3由于氨制冷壓力管道受條件所限，因此利用不停機全面檢驗方法對管道缺陷進行精確定量還有待進一步研究。

3.4氨泄漏監測研究中，針對氨制冷管道泄漏的監測較少，且早期的監測技術側重于硬件方法，局限性大。隨著信息技術和現代控制理論的發展，光纖傳感技術與管道泄漏監測的軟硬件結合方法將成為氨制冷管道泄漏實時監測技術的重要發展方向。

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ReviewofLeakageMonitoringStatusforAmmoniaRefrigerationPipes

LIAO Xiao-ling, LIU Yan-lei, LIU Xiao-hua, ZHAO Zhe-ming

(HangzhouSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute)

The investigations into the pipe leakage and ammonia leakage of scholars at home and abroad were summarized and the monitoring means which combining software and hardware and image-processing technologies were proposed for leakage monitoring of the ammonia refrigeration pipes. This provides certain reference for on-line monitoring of the ammonia leakage and its safety evaluation.

pipe leakage, ammonia leakage monitoring, ammonia refrigeration, research status

廖曉玲(1990-)，助理工程師，從事特種設備安全的研究，liaoliaoxl@163.com。

TQ053.6

A

0254-6094(2017)05-0471-04

2017-04-06)