封閉廠房氨氣泄漏擴散規律數值模擬研究

馬雋湫,廖曉玲,李海航,王 強,金建波,趙哲明,陳衛平

(1.中國計量大學 質量與安全工程學院,浙江 杭州 310018;2.杭州市特種設備檢測研究院,浙江 杭州 310051；3.浙江省消防總隊，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。氨氣泄漏后果較為嚴重,往往造成人員中毒、火災爆炸等事故[1]。2013年6月3日,吉林德惠市寶源豐禽業有限公司發生氨氣泄漏爆炸,死亡121人,受傷76人,主廠房及主廠房內生產設備損毀,直接經濟損失1.82億元。同年8月31日,上海寶山區翁牌冷藏有限公司發生氨氣泄漏,死亡15人,受傷25人。發生氨氣泄漏事故時,如果可以通過氨氣探測器及時監測預警并采取應急措施,可有效地避免重大人員傷亡和財產損失。因此,準確預測工作空間內氣體泄漏擴散濃度分布并指導氣體探測器安裝工作顯得尤為重要。

采用計算流體力學軟件求解氣體擴散過程,可以得到氣體濃度隨時空的變化過程,能把氣體初始狀態、密度等物理屬性和邊界條件考慮進去,而且其準確性也被不斷地驗證和提高[2-4]。許秀梅[5]采用Fluent模擬室內燃氣泄漏擴散,得出溫濕度耦合作用下燃氣擴散規律,表明模擬結果符合泄漏擴散理論。關忠慧[6]利用Fluent模擬氨站房通風安全及泄漏擴散影響,得出濃度場隨時間的變化特點。張偉[7]利用數值模擬方法研究液氨儲罐泄漏后的擴散過程,對比分析了不同條件下泄漏擴散情況與濃度隨時間的變化規律及對周圍居民區的影響。黃金磊[8]利用FDS軟件研究氨泄漏擴散濃度隨時空的變化規律,發現與高斯計算模型結果基本吻合。

計算流體力學軟件可以克服氨氣泄漏實驗危險性大,受到場地和安全措施限制難以實施的困難。并且,已有不少研究表明FDS等數值計算軟件[2-4,8-10]模擬氨泄漏擴散過程具有適用性。本文采用數值模擬方法研究氨氣在室內環境下的泄漏擴散規律,為涉氨企業的氣體探測器等消防設施設計提供理論依據。

1 室內氨氣泄漏擴散模型的建立

本文采用FDS軟件對封閉廠房內液氨泄漏后的濃度場進行模擬,建立的模擬對象如圖1。按照某食品廠內部實際布局進行設置,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,最高點的高度為5.4 m。計算域的范圍坐標在廠房外墻向四周各擴展10 m,在廠房頂棚向上擴展5 m,網格尺寸為0.2 m。廠房正常工作時,為了滿足衛生要求關閉門窗,僅在早中晚上下班期間打開廠門,本研究假設液氨泄漏時間發生在正常工作時段,即廠房為封閉狀態。

圖1 廠房模型及泄漏源、監測點示意圖Figure 1 Schematic diagram of plant model, leakage sources and monitoring points

據統計,管道泄漏位置多發于閥門、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[8]為7.01 kg/s,泄漏方向為垂直向上。廠房內環境壓力為標準大氣壓1.01×105Pa,環境溫度為25 ℃。由于液氨沸點遠低于室溫,假設液氨泄漏后全部發生閃蒸。根據泄漏的熱力學過程,管道泄漏簡化為氣體泄漏。根據事故案例分析,氨氣泄漏事故可視為連續點源泄漏模式[11],本文也采用連續點源泄漏場景。

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部高處。根據氣體探測器安裝要求,當被檢測氣體比重小于空氣比重時,探測器應安裝在距離頂棚30～60 cm處。模擬設置時在頂棚下0.4 m高的位置設置了9個監測點,測點位置如圖1,詳細坐標見表1。此外,還監測5 m高度(對應中間頂棚平均高度)、4 m高度(對應左、右兩側頂棚平均高度)和過泄漏源截面的氨氣分布云圖。數值模擬得到廠房內氨氣泄漏后的運動過程、各處濃度數值變化,總結出封閉空間氨氣泄漏擴散的規律。

表1 氨氣濃度監測點設置坐標

2 結果與討論

2.1 氣體擴散模型

國內外不少研究者對氣體擴散模型開展了研究。均一模型[12]是描述室內氣體擴散最為簡單的模型,假設氣體泄漏后瞬間即在室內達到濃度平衡,并考慮了室內通風的因素,其給出室內某時刻氣體的平均質量濃度為

(1)

式(1)中:Cr為室內某時刻氣體的平均質量濃度,kg/m3;Wn為氣體泄漏質量速率,kg/s;Q為室內通風量,m3/s;V為室內氣體體積,m3;t為泄漏持續時間或計算時間點,s。但是該模型對室內氣體濃度計算過于簡化,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出的無風條件或室內氣體擴散模型,假設氣體以點源為中心向四周等速率連續擴散,其質量濃度計算公式為

(2)

式(2)中:Cr為室內某時刻氣體的平均質量濃度,kg/m3;Wn為氣體泄漏質量速率,kg/s;D為擴散系數,m2/s;r為距中心點源距離,m;erf為誤差函數;t為泄漏持續時間或計算時間點,s。該模型計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 泄漏位置對擴散結果的影響

通過FDS模擬結果發現,發生氣體泄漏事故時,泄漏位置的不同會影響室內氣體濃度的分布。為了研究泄漏位置對擴散結果的影響并探索氨氣泄漏擴散的一般規律,本文根據室內氨氣管道位置,選取4處最具代表性的泄漏位置。通過數值模擬計算各監測點氨氣濃度隨時間變化,并處理得到各監測點體積濃度達到1%時對應的響應時間如圖2,綠色箭頭表示泄漏源位置,顏色柱表示對應的時間值。

圖2 各監測點體積濃度達到1%的響應時間圖Figure 2 Response time of volume concentration of each monitoring point reached 1%

位置1發生泄漏,是4個位置當中最不對稱的情形,因此氨氣擴散過程最為復雜。氨氣先上浮至左側頂棚近端,繼續上浮至中間頂棚近端,再沿著中間頂棚向遠端擴散;同時到達中間頂棚近端的氨氣由于慣性向右側頂棚向下沉降,氨氣最后才向左側頂棚遠端和右側頂棚最遠端沉降。

位置2發生泄漏,對于左右兩側各監測點來說泄漏源位置如同位置4一樣是對稱的,氨氣擴散運動過程相對簡單。從各監測點響應時間快慢可以發現,氨氣先上浮至中間頂棚,再沿著中間頂棚向遠端擴散,同時到達中間頂棚近端的氨氣向下沉降,最后左、右兩側頂棚遠端才積累沉降的氨氣。

從位置3發生泄漏各監測點響應時間快慢可以發現,氨氣經歷了先上浮至左側頂棚、繼續上浮至中間頂棚,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動的慣性,繼續向右運動直到碰觸右側墻壁轉而向右側兩端擴散并向下沉降;氨氣最后才擴散至左側頂棚兩端位置。

位置4發生泄漏各監測點響應時間可以看出,中間序列靠近泄漏源的兩個點濃度升高最快,中間序列遠離泄漏源的兩個點濃度升高較快,左、右序列遠離泄漏源的4個點濃度升高較慢,左、右序列靠近泄漏源的4個點的濃度升高最慢。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散,在兩端碰觸墻壁之后轉而向下沉降,然后整個室內范圍頂棚處聚集的氨氣向下沉降。

2.3 氨氣擴散運動規律分析

由氨氣泄漏后在不同位置測量的濃度隨時間變化可知,密閉室內氨氣擴散運動規律如下,并結合擴散過程最為復雜的位置1對應濃度云圖(圖3和圖4)進行闡述。

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,因此當氨氣以射流形式從管道泄漏口釋放后,首先表現為具有初始動量的加速上升運動。在氨氣垂直向上運動過程中,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對應的狀態,氨氣主要是上浮至左側頂棚、繼續上浮至中間頂棚,所以5 m高度高濃度氨氣區域從左側頂棚向中間頂棚不斷擴散,而4 m高度高濃度氨氣范圍基本維持對應高度氨氣射流半徑區域不變。

2)沿頂棚擴散。當上浮的氨氣碰觸廠房頂棚時,行進方向轉變為沿頂棚的水平運動。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域流向濃度小的區域。此階段整體表現為氨氣沿頂棚的擴散,高濃度區域集中在頂棚。在氨氣沿頂棚擴散過程中,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對應的狀態,高濃度氨氣區域依次覆蓋了中間頂棚近端、中間頂棚較遠端和右側頂棚近端。

3)沉降分層。氨氣在廠房頂棚不斷積累,持續泄漏的氨氣使得頂棚濃度連續升高。隨著氨氣泄漏前鋒沿頂棚到達側墻后轉而向下運動,且全廠房頂棚的高濃度氨氣向下部低濃度區域擴散,較低高度截面也出現氨氣,并在整個高度方向上呈現氨氣濃度分層現象。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對應的過程,氨氣繼續在中間頂棚和右側頂棚近端聚集,并在側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。

通過本節總結出的氨氣擴散規律,泄漏源上方頂棚位置最先達到高濃度,接著是空間內最高頂棚處達到高濃度,因此高濃度出現的區域可以歸納為“先是泄漏源頂部位置,再是全廠房最高位置”。接下來對比上節圖2中各監測點氨氣濃度上升最快出現的次數。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個監測點(監測點1、2、4、5),在每處泄漏源位置發生氨氣泄漏時,表現為最先達到最高濃度的兩個監測點,監測點1(高度4 m)累積出現1次,監測點2(高度5 m)累積出現2次,監測點4(高度4 m)累積出現2次,監測點5(高度5 m)累積出現3次。由于實際中氨氣的泄漏位置具有不確定性,因此結合以上的定量統計分析,對于氨氣探測器的安裝位置,首先要確保空間全局幾何中心最高頂棚處,再根據規范中關于探測器保護范圍的要求,安裝在一定距離外的頂棚較高處。

3 結 論

通過計算流體力學軟件求解氨氣在封閉廠房內的泄漏運動方程,比較典型泄漏源發生泄漏后氨氣的動態擴散過程,得到了如下兩點主要結論。

1)氨氣在密閉空間泄漏后,擴散規律為上浮至頂棚、沿頂棚擴散和沉降分層。出現高濃度氨氣區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,首先要確保空間幾何中心最高頂棚處,再根據保護范圍要求安裝在一定距離外的頂棚較高處。

由于缺乏真實事故的泄漏速率數據,因此本文泄漏量選取參照充裝重量、罐體容積和設計壓力接近的儲罐來設計。本文的研究重點在于不同泄漏位置對廠房頂棚氨氣濃度分布的影響,得到的擴散規律適用于氣體密度低于空氣的輕氣,可為密閉空間內有毒有害輕氣探測器的安裝提供依據。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。