某制冷機(jī)房氨氣泄漏時(shí)氣流組織優(yōu)化分析

張倩茹 張 旭 葉 蔚,2 趙文萱 職承強(qiáng) 黃奕翔 馬 進(jìn)

(1 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 201804； 2 同濟(jì)大學(xué)工程結(jié)構(gòu)性能演化與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200092； 3 華商國際工程有限公司 北京 100069)

氨(R717)是一種天然制冷劑[1]，因具有良好的熱力學(xué)性能，且尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)大氣層有不良效應(yīng)，在制冷技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，具有重要的作用。氨具有制冷效率高、能效系數(shù)大、熱物性好、價(jià)格低廉、自然環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，作為大型制冷系統(tǒng)的制冷工質(zhì)性價(jià)比非常高[1-3]。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)部長期處于高壓環(huán)境或存在焊接質(zhì)量缺陷，在管道的焊口處容易發(fā)生泄漏[4-6]。氨氣具有毒性和易燃易爆性，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[7]。近年來，我國涉氨行業(yè)的安全生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生[8-9]。在較高溫度下，氨和空氣混合物體積濃度達(dá)到一定的濃度時(shí)遇明火可引起爆炸。氨氣具有毒性，能灼傷皮膚、眼睛、呼吸器官的粘膜，人吸入過多會(huì)引起肺腫脹，以至死亡。當(dāng)氨在密閉空間的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4.2×10-4時(shí)，接觸時(shí)間超過30 min會(huì)造成永久性傷害[2]。

通過實(shí)驗(yàn)的方法來研究氨制冷機(jī)房泄漏的場(chǎng)景有一定的難度。由于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法可以模擬復(fù)雜湍流流動(dòng)的氣體擴(kuò)散過程，可對(duì)有害氣體泄漏擴(kuò)散進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及氣流組織優(yōu)化，因此被廣泛應(yīng)用于氨制冷機(jī)房泄漏的研究中[2, 10-14]。

在氨制冷機(jī)房內(nèi)部的氨擴(kuò)散研究方面，董曉強(qiáng)等[2]采用Fluent軟件對(duì)無通風(fēng)及上下通風(fēng)情況下的制冷機(jī)房氨氣低壓儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)報(bào)警器位置及風(fēng)口位置給出了建議。王國濤等[5]針對(duì)氨制冷車間管道焊口易發(fā)生氨氣泄漏的問題，研究了制冷壓縮機(jī)和冷凝器之間管道焊口位置不同裂口方向?qū)Π睔庑孤U(kuò)散特性的影響。王迪等[6]以某氨制冷機(jī)房為研究對(duì)象，采用CFD方法研究了氨制冷壓縮機(jī)高壓排氣口管道和低壓吸氣管道在長期運(yùn)行中存在的制冷劑泄漏問題，研究了垂直向上、水平背風(fēng)和水平迎風(fēng)方向泄漏時(shí)氨氣的擴(kuò)散特性，以及泄漏方向?qū)?bào)警器安裝位置和易燃易爆區(qū)域的影響。上述研究均針對(duì)實(shí)際氨制冷機(jī)房的設(shè)備泄漏進(jìn)行研究，并且考慮了房間下部障礙物的影響。根據(jù)氨氣物理性質(zhì)，位于建筑頂部的障礙物很有可能對(duì)氨氣的擴(kuò)散及排除有一定的影響，因此亟需對(duì)此進(jìn)行研究。

本文以某氨制冷機(jī)房為研究對(duì)象，采用CFD的方法研究了制冷劑突發(fā)大量泄漏時(shí)不同氣流組織的通風(fēng)效果，考慮了室內(nèi)底部和頂部障礙物的影響，對(duì)事故條件下氨制冷機(jī)房的排風(fēng)口位置和進(jìn)風(fēng)口位置提出了建議。

1 研究對(duì)象及障礙物形式

圖1 氨制冷機(jī)房通風(fēng)口位置及尺寸

圖2 氨制冷機(jī)房簡化三維模型

本文研究的氨制冷機(jī)房各通風(fēng)口位置及尺寸如圖1所示。在氨制冷機(jī)房的一側(cè)墻上有兩扇門，分布在墻的兩端。同一側(cè)的墻上共有11扇窗。每扇門和窗均可獨(dú)立開啟或關(guān)閉，作為房間機(jī)械通風(fēng)的進(jìn)風(fēng)口。原排風(fēng)口為設(shè)置在廠房頂部的3個(gè)排風(fēng)口，在研究中將其簡化為方形排風(fēng)口，且在離排風(fēng)口較近的側(cè)墻上增加不同高度的排風(fēng)口以進(jìn)行對(duì)比。側(cè)墻排風(fēng)口上沿距離屋頂?shù)木嚯x分別為0、0.1、0.2 m。

該氨制冷機(jī)房的簡化三維模型如圖2所示。機(jī)房內(nèi)部地面上分布有4個(gè)壓縮機(jī)、3個(gè)氨液循環(huán)泵、1個(gè)儲(chǔ)氨器和1個(gè)排液桶。機(jī)房頂部在橫向和縱向的結(jié)構(gòu)梁交叉處形成凹槽。由于壓縮機(jī)2非正對(duì)于任何進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口，相對(duì)其他設(shè)備更不利于污染物排除，因此選取壓縮機(jī)2的上表面中心位置作為污染源的泄漏位置，如圖2中圓點(diǎn)位置所示。

2 研究方法

2.1 泄漏量計(jì)算

本文將氨制冷機(jī)房內(nèi)壓縮機(jī)排氣管道的泄漏過程看作小孔持續(xù)泄漏，認(rèn)為泄漏過程容器內(nèi)部壓力不隨泄漏時(shí)間變化，泄漏過程為等熵過程，因此氨氣泄漏速度可視為勻速[15-17]。

氣體從孔口泄漏時(shí)的速度與流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，因此計(jì)算泄漏量時(shí)，首先要判斷氣體流動(dòng)屬于臨界或超臨界狀態(tài)還是亞臨界狀態(tài)[6, 18]。

以臨界壓力比(critical pressure ratio，CPR)作為判據(jù)：

(1)

式中：κ為定熵指數(shù)(絕熱指數(shù))，取值1.334。

當(dāng)pa/p0CPR時(shí)，泄漏口流態(tài)為亞臨界狀態(tài)。其中pa為環(huán)境壓力，0.101 MPa；p0為管道壓力，0.103 MPa。

當(dāng)泄漏口為臨界或超臨界狀態(tài)時(shí)，出口流速v1的計(jì)算方式為[6, 18]：

(2)

當(dāng)泄漏口為亞臨界狀態(tài)時(shí)，出口流速v1的計(jì)算方式為[6,18]：

(3)

式中：Rg為氣體常數(shù)，489.06 J/(kgK)；φ為流量系數(shù)，管道焊口泄漏可看成小孔持續(xù)泄漏，取值0.9；T0為管道內(nèi)氣體溫度，K。

對(duì)于壓縮機(jī)的低壓吸氣管道工況，T0=252 K，p1=0.103 MPa，計(jì)算可得氨氣泄漏為亞臨界狀態(tài)，泄漏速度為62.5 m/s，與當(dāng)?shù)匾羲僦葹?.176。對(duì)于速度與當(dāng)?shù)匾羲僦冗h(yuǎn)低于1的流動(dòng)現(xiàn)象，CFD的方法較為有效[19]。故采用CFD的方法對(duì)低壓吸氣管道的泄漏場(chǎng)景進(jìn)行研究。由于本研究主要針對(duì)氣流組織的優(yōu)化，因此在研究中忽略制冷劑的相變及溫度變化，假設(shè)為等溫工況。

2.2 模擬工況設(shè)置

本文對(duì)氨氣泄漏的模擬分為兩個(gè)階段。第一階段為氨氣泄漏發(fā)生后、應(yīng)急通風(fēng)啟動(dòng)之前的工況。由于機(jī)房在平時(shí)運(yùn)營階段的通風(fēng)換氣次數(shù)較小，對(duì)大量的泄漏擴(kuò)散影響也較小，因此在泄漏階段不設(shè)置機(jī)械通風(fēng)。第二階段為報(bào)警器檢測(cè)到氨氣的體積濃度超過0.015%[20]，啟動(dòng)事故通風(fēng)之后的工況。假設(shè)報(bào)警器啟動(dòng)之后，緊急停止各機(jī)組的工作，泄漏停止，開啟事故通風(fēng)。報(bào)警器設(shè)置在機(jī)房頂部的中心位置。事故通風(fēng)的換氣次數(shù)為12次/h，總排風(fēng)量為21 427.2 m3/h。

本文研究了不同排風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口對(duì)污染物排除效果的影響。排風(fēng)口包括頂部及側(cè)墻不同高度共4種形式，進(jìn)風(fēng)口包括窗和門的若干組合形式，如圖3所示。

圖3 氨制冷機(jī)房氣流組織示意圖

事故通風(fēng)階段的所有數(shù)值模擬工況如表1所示。通過工況1～工況4可以對(duì)比排風(fēng)口在頂棚和側(cè)墻的排污效果，以及側(cè)墻排風(fēng)口3個(gè)高度的排污效果。通過工況1和工況5～工況8可以對(duì)比進(jìn)風(fēng)口位置對(duì)房間排污效果的影響。

表1 事故通風(fēng)數(shù)值模擬工況

2.3 數(shù)值模擬設(shè)置

采用商業(yè)軟件ANSYS Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬研究。因?yàn)镽ealizablek-ε模型為湍流黏度增加了1個(gè)限制條件公式，并為耗散率增加了傳輸方程，對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、流動(dòng)分離及復(fù)雜二次流均有更好的實(shí)現(xiàn)，對(duì)平板和圓柱射流發(fā)散比率有更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，因此選用Realizablek-ε模型作為湍流模型。壓力與速度耦合算法為SIMPLE算法。壓力相離散格式為二階格式，動(dòng)量及能量項(xiàng)離散格式為二階迎風(fēng)格式，湍流項(xiàng)離散格式為二階迎風(fēng)格式。

氨制冷機(jī)房的網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)合的方式。壓縮機(jī)上方區(qū)域在污染源出口附近，濃度梯度較大，因此這部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。除了污染源附近的區(qū)域，其他部分為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖4所示。

圖4 氨制冷機(jī)房網(wǎng)格劃分

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 氨氣泄漏階段

當(dāng)室內(nèi)無通風(fēng)時(shí)，門窗緊閉，由于動(dòng)量和浮力的共同作用，氨氣自泄漏口噴出后，向上運(yùn)動(dòng)。圖5所示為泄漏發(fā)生后不同時(shí)刻氨氣體積濃度為0.015%的等濃度面。

圖5 氨氣泄漏后不同時(shí)刻N(yùn)H3體積濃度為0.015%的等濃度面

由圖5可知，起初氨氣向上運(yùn)動(dòng)并到達(dá)房頂高度，然后在屋頂附近向周圍擴(kuò)散。當(dāng)泄漏發(fā)生90 s后，該等濃度面到達(dá)房頂?shù)闹行奶?。即如果整個(gè)空間設(shè)置一個(gè)報(bào)警器，且放在房間中心處的屋頂時(shí)，在泄漏發(fā)生90 s時(shí)報(bào)警器會(huì)發(fā)出警報(bào)。由圖5還可知，氨氣在y方向的擴(kuò)散比x方向距離更遠(yuǎn)，這是由于頂部的梁在y方向的跨度大于x方向，而當(dāng)氨氣抵達(dá)屋頂之后，梁對(duì)氨氣的擴(kuò)散有一定的阻礙作用。

3.2 排風(fēng)口位置及高度對(duì)氨氣排除的影響

在研究排風(fēng)口位置的影響時(shí)，進(jìn)風(fēng)口的位置固定為開全部窗(不開門)。圖6所示為通風(fēng)120 s后不同排風(fēng)口位置工況的NH3濃度分布云圖。

圖6 事故通風(fēng)120 s后不同排風(fēng)口工況NH3濃度分布云圖

由圖6可知，在通風(fēng)120 s后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.2×10-4的區(qū)域只存在于梁間凹槽處。對(duì)比排風(fēng)口在頂部和排風(fēng)口在側(cè)墻3個(gè)高度的排風(fēng)口工況，可知4種工況的濃度分布相似，沒有明顯的差異。說明在進(jìn)風(fēng)口的位置為開全部窗(不開門)的情況下，排風(fēng)口置于頂部和側(cè)墻距頂0～0.2 m范圍內(nèi)對(duì)房間濃度分布的影響較小。

圖7所示為各工況下NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.2×10-4區(qū)域的體積隨時(shí)間的變化。圖8所示為各工況下室內(nèi)NH3總質(zhì)量隨時(shí)間的變化。

圖7 不同排風(fēng)口情況下NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.2×10-4區(qū)域的體積隨時(shí)間的變化

圖8 不同排風(fēng)口高度工況室內(nèi)NH3總質(zhì)量隨時(shí)間變化

在通風(fēng)啟動(dòng)后，由于機(jī)械通風(fēng)氣流的作用，初始階段污染物尚未到達(dá)排風(fēng)口位置，室內(nèi)NH3總質(zhì)量有短暫保持不變的狀態(tài)，高濃度區(qū)域體積增加。經(jīng)過短暫時(shí)間后，污染物到達(dá)排風(fēng)口，NH3總質(zhì)量開始下降，高濃度區(qū)域的體積也開始下降。由于頂部的排風(fēng)口更接近污染源，因此頂部排風(fēng)口情況下，總體污染物質(zhì)量更早開始下降，但下降速率相同。側(cè)墻三個(gè)高度的排風(fēng)口的排污效果幾乎沒有差異。

3.3 進(jìn)風(fēng)口位置對(duì)氨氣排除的影響

在研究進(jìn)風(fēng)口位置時(shí)，排風(fēng)口的位置固定為頂部排風(fēng)。在本研究對(duì)象中，窗的總面積和門的總面積相差較小，為4.8%。因此當(dāng)進(jìn)風(fēng)口的面積相近時(shí)，僅開門和僅開窗導(dǎo)致的不同通風(fēng)效果可以反映氣流組織的作用。

當(dāng)同時(shí)開門和窗時(shí)，窗的進(jìn)風(fēng)量占總風(fēng)量的49.7%，門的進(jìn)風(fēng)量占總風(fēng)量的50.3%。圖9所示為僅開門和同時(shí)開窗開門時(shí)不同時(shí)刻的污染物分布。由圖6(a)和圖9可知，對(duì)比不同進(jìn)風(fēng)口的情況，通風(fēng)120 s后，僅開窗工況的空間內(nèi)濃度由下至上形成規(guī)律的分層，且高濃度區(qū)域最小。僅開門工況的高濃度區(qū)域最大，而且在較遠(yuǎn)截面上出現(xiàn)了更大的高濃度區(qū)域，說明開門加劇了y方向污染物的擴(kuò)散。同時(shí)開門和窗的工況介于上述二者之間。

圖9 事故通風(fēng)120 s后不同進(jìn)風(fēng)位置工況NH3濃度分布云圖

圖10 不同進(jìn)風(fēng)位置工況NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.2×10-4區(qū)域的體積隨時(shí)間的變化

圖10所示為各工況質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.2×10-4區(qū)域的體積隨時(shí)間的變化。圖11所示為各工況室內(nèi)NH3總質(zhì)量隨時(shí)間的變化。

圖11 不同進(jìn)風(fēng)位置工況室內(nèi)NH3總質(zhì)量隨時(shí)間變化

室內(nèi)NH3總質(zhì)量在短暫的保持不變之后開始下降，而高濃度區(qū)域的體積則在短暫上升之后開始下降。僅開窗的工況NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.2×10-4區(qū)域的體積以及室內(nèi)NH3總質(zhì)量均下降最快，僅開門的工況下降最慢。這是由于開門氣流從房間的兩頭進(jìn)入，到達(dá)污染物聚集處較慢，將污染物帶至排風(fēng)口處的時(shí)間較長。而僅開窗的工況氣流從房間中間部位進(jìn)入，能直接到達(dá)污染物聚集處，并將其帶至排風(fēng)口處。綜上所述，當(dāng)開窗總面積和開門總面積接近時(shí)，開窗對(duì)污染物排除的效果更好。

圖12所示為排風(fēng)口在房頂，僅開上排窗和僅開下排窗時(shí)不同時(shí)刻的污染物分布。當(dāng)全部窗開啟時(shí)，上排窗的進(jìn)風(fēng)量占總風(fēng)量的45.45%，下排窗的進(jìn)風(fēng)量占總風(fēng)量的54.55%，下排窗的進(jìn)風(fēng)量略高于上排窗。

圖12 事故通風(fēng)120 s后不同開窗位置NH3濃度分布云圖

由圖6(a)和圖12可知，上排開窗對(duì)于局部高濃度區(qū)域的消除效果顯著，通風(fēng)120 s后，即使是房間頂部梁間凹槽處的濃度也顯著下降，整個(gè)房間內(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.2×10-4的區(qū)域僅有0.22 m3。開下排窗對(duì)于局部高濃度區(qū)域的消除效果較差，通風(fēng)120 s后仍有大量高濃度區(qū)域聚集在遠(yuǎn)離排風(fēng)口一側(cè)的梁間凹槽附近。

圖13所示為不同開窗位置室內(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.2×10-4區(qū)域的體積隨時(shí)間的變化。圖14所示為不同開窗位置的室內(nèi)NH3總質(zhì)量隨時(shí)間變化。

圖13 不同開窗位置NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.2×10-4區(qū)域的體積隨時(shí)間的變化

圖14 不同開窗位置總NH3質(zhì)量隨時(shí)間的變化

室內(nèi)NH3總質(zhì)量在短暫的保持之后開始下降，而高濃度區(qū)域的體積則在短暫上升之后開始下降。僅開上排窗的工況NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.2×10-4區(qū)域的體積以及室內(nèi)NH3總質(zhì)量均下降最早且下降速率最快，僅開下排窗的工況下降最晚且下降速率最慢。這是因?yàn)榘睔廨^輕，聚集在房間頂部，僅開上排窗的工況氣流從房間中間上部進(jìn)入，能直接到達(dá)污染物聚集處，并將其帶至排風(fēng)口處。

表2所示為通風(fēng)120 s后所有進(jìn)風(fēng)口工況室內(nèi)NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.2×10-4區(qū)域體積和NH3總質(zhì)量。

表2 事故通風(fēng)120 s后各進(jìn)風(fēng)口工況室內(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.2×10-4區(qū)域體積和NH3總質(zhì)量

對(duì)于NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.2×10-4區(qū)域的體積，相比于開全部窗的工況，開全部門工況高出133.0%，開全部窗和門工況該區(qū)域體積高出60.7%，開上排窗的工況該區(qū)域體積降低98.1%，開下排窗的工況室內(nèi)該區(qū)域體積高出180.3%。

對(duì)于室內(nèi)NH3總質(zhì)量，相比于開全部窗的工況，開全部門工況高出40.6%，開全部窗和門工況高出12.7%，開上排窗的工況降低24.1%，開下排窗的工況高出44.4%。

4 結(jié)論

本文以氨制冷機(jī)房為物理模型，采用CFD的方法研究了氨制冷壓縮機(jī)低壓吸氣管道破裂后氨氣的擴(kuò)散及事故通風(fēng)排除情況。當(dāng)報(bào)警發(fā)生后，采取緊急措施使污染源停止泄漏，并啟動(dòng)12次/h的事故通風(fēng)。在事故通風(fēng)階段，采用不同的排風(fēng)口形式和進(jìn)風(fēng)口形式進(jìn)行了事故通風(fēng)。得到如下結(jié)論：

1)在氨氣的泄漏階段，房頂處的梁對(duì)氨氣的擴(kuò)散有一定的阻礙作用。在有多個(gè)報(bào)警器的情況下，建議在梁跨度小的方向設(shè)置更多報(bào)警器。

2)當(dāng)報(bào)警器設(shè)置在房間中心的頂部時(shí)，泄漏發(fā)生90 s后報(bào)警器能檢測(cè)到氨氣。

3)排風(fēng)口設(shè)置在氨制冷機(jī)房的頂部比設(shè)置在側(cè)墻能更早的排除污染物；而側(cè)墻排風(fēng)口在距頂0～0.2 m的范圍內(nèi)變化對(duì)污染物排除幾乎沒有影響。

4)在氨制冷機(jī)房兩端有門、中部有窗的情況下，開窗能更早且更快的排除污染物，而開門排除污染物較晚且較慢。通風(fēng)120 s后，對(duì)于NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.2×10-4區(qū)域的體積，相比于開全部窗的工況，開全部門工況高出133.0%，開全部窗和門工況該區(qū)域體積高出60.7%。對(duì)于室內(nèi)NH3總質(zhì)量，相比于開全部窗的工況，開全部門工況高出40.6%，開全部窗和門工況高出12.7%。

5)在氨制冷機(jī)房有兩排窗的情況下，開上排窗對(duì)污染物的排除更快且更早，而開下排窗則會(huì)使污染物聚集在梁間艙室的附近難以排除。通風(fēng)120 s后，對(duì)于NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.2×10-4區(qū)域的體積，相比于開全部窗的工況，開上排窗的工況該區(qū)域體積降低98.1%，開下排窗的工況室內(nèi)該區(qū)域體積高出180.3%。對(duì)于室內(nèi)NH3總質(zhì)量，相比于開全部窗的工況，開上排窗的工況降低24.1%，開下排窗的工況高出44.4%。