負(fù)壓廠房事故后壓力動(dòng)態(tài)變化研究

薛 宇 趙 丹

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院股份有限公司,上海)

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中,可能會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的放射性物質(zhì),為防止放射性空氣及氣溶膠無(wú)控制地向室外逸散,必須通過(guò)排風(fēng)維持室內(nèi)的負(fù)壓環(huán)境[1]。事故工況下,大量帶放射性物質(zhì)泄漏會(huì)造成室內(nèi)壓力快速突增,破壞負(fù)壓平衡。因此,需要對(duì)事故工況進(jìn)行分析研究,得到房間壓力的逐時(shí)變化數(shù)據(jù),用于指導(dǎo)類似負(fù)壓廠房事故排風(fēng)設(shè)計(jì)。

事故通風(fēng)目前被大量應(yīng)用于地下綜合管廊及制冷機(jī)房通風(fēng)設(shè)計(jì)中[2-4],學(xué)者們通過(guò)模擬事故工況,得到了較優(yōu)的氣流組織方案,可以減少事故危害。張倩茹等人對(duì)氨制冷機(jī)房發(fā)生泄漏時(shí)的排風(fēng)口位置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并指出房間門(mén)窗設(shè)置對(duì)氨氣排除有較大影響[5];王雪梅等人對(duì)管廊燃?xì)庑孤U(kuò)散進(jìn)行了模擬,得到了不同泄漏孔徑下所需的事故通風(fēng)換氣次數(shù)[6]。室內(nèi)有害氣體泄漏研究主要集中于天然氣泄漏的模擬與實(shí)驗(yàn)分析,并得到了對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散模型[7-9]。陳琪對(duì)室內(nèi)天然氣管道泄漏擴(kuò)散特性進(jìn)行了研究,得到了甲烷滯留區(qū)范圍,可用于指導(dǎo)事故現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[10];于曉龍對(duì)不銹鋼波紋管內(nèi)的天然氣泄漏進(jìn)行了理論研究,得到了泄漏管段壓力與泄漏量的關(guān)系式[11]。目前研究多集中于易燃易爆物質(zhì)泄漏后的檢測(cè)與通風(fēng)排除,對(duì)于帶放射性物質(zhì)泄漏過(guò)程中房間壓力變化的研究較少。

本文對(duì)負(fù)壓廠房?jī)?nèi)物質(zhì)發(fā)生泄漏后房間壓力的變化進(jìn)行理論與模擬研究,分析物質(zhì)泄漏過(guò)程中房間的壓力變化及泄漏物質(zhì)擴(kuò)散情況,并計(jì)算房間恢復(fù)到初始狀態(tài)所需時(shí)間,為類似負(fù)壓廠房事故排風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 理論計(jì)算

1.1 負(fù)壓變化計(jì)算

負(fù)壓廠房日常工況下,室內(nèi)開(kāi)啟排風(fēng)機(jī)(風(fēng)量2 000 m3/h)維持-30 Pa的負(fù)壓,室外空氣由門(mén)縫滲透進(jìn)入室內(nèi);事故工況下,內(nèi)部帶放射性高溫水泄漏,室內(nèi)短時(shí)間內(nèi)達(dá)到正壓,室內(nèi)帶放射性氣體由門(mén)縫排至室外。理論計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行了以下假設(shè)簡(jiǎn)化:

1) 室內(nèi)空氣為理想氣體;

2) 室外氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;

3) 室內(nèi)初始溫度為26 ℃;

4) 破口泄漏流量恒定為28 kg/s,泄漏時(shí)長(zhǎng)為24 s;

5) 破口高溫水泄漏的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣體閃蒸,閃蒸率γ為40%;

6) 建筑物與環(huán)境沒(méi)有換熱;

7) 假設(shè)24 s后室內(nèi)空氣溫度不再下降。

整個(gè)事故過(guò)程可以分為3個(gè)階段:0～24 s室內(nèi)壓力不斷上升,24 s時(shí)室內(nèi)達(dá)到最大正壓;受排風(fēng)與門(mén)縫漏風(fēng)影響,室內(nèi)壓力與外界大氣壓達(dá)到平衡;排風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行,室內(nèi)轉(zhuǎn)為負(fù)壓,門(mén)縫處空氣流向轉(zhuǎn)變,向室內(nèi)補(bǔ)風(fēng),最終室內(nèi)壓力恢復(fù)至-30 Pa。

使用理想氣體狀態(tài)方程與換熱公式進(jìn)行室內(nèi)壓力變化的動(dòng)態(tài)計(jì)算,得到以下計(jì)算公式。

(1)

(2)

Q1=Qmγr+(100-26)Qmc1

(3)

(4)

tτ=t(τ-1)+Δt1(τ≤24 s)

(5)

tτ=t24(τ>24 s)

(6)

(7)

(8)

式(1)～(8)中n1為破口高溫水摩爾質(zhì)量流速,mol/s;Qm為破口高溫水泄漏流量,kg/s;μ2為水蒸氣摩爾質(zhì)量,kg/mol;n2為排風(fēng)口空氣摩爾質(zhì)量流速,mol/s;ρa(bǔ)為空氣密度,kg/m3;Qv1為室內(nèi)排風(fēng)機(jī)流量,kg/s;μ1為空氣摩爾質(zhì)量,kg/mol;Q1為破口高溫水每秒對(duì)室內(nèi)輸入的熱量,kW;r為水的汽化潛熱,kJ/kg,取2 257.2 kJ/kg;c1為水的比熱容,kJ/(kg·℃),取4.2 kJ/(kg·℃);Δt1為Q1單位時(shí)間內(nèi)對(duì)室內(nèi)溫度的提升,℃;V1為室內(nèi)空間體積,m3;c2為空氣的比熱容,kJ/(kg·℃),取1.012 kJ/(kg·℃);t為室內(nèi)溫度,℃;n′為門(mén)縫處空氣摩爾流量,mol/s;Q為門(mén)縫處空氣流量,m3/h;p為室內(nèi)壓力,Pa;n為室內(nèi)空氣物質(zhì)的量,mol;下標(biāo)τ為時(shí)間,s。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,門(mén)縫處空氣流量Qτ為

(9)

式中 1.03為混凝土拼縫接縫等的附加泄漏量系數(shù);A為門(mén)縫有效漏風(fēng)面積,m2;Δp為室內(nèi)外壓差,Pa;z為指數(shù),一般取2;1.25為不嚴(yán)密處附加系數(shù);N2為漏風(fēng)疏散門(mén)數(shù)量。

采用式(1)～(9)進(jìn)行700 s的逐時(shí)計(jì)算,得到室內(nèi)壓力的動(dòng)態(tài)變化,并繪制室內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化曲線及門(mén)縫處空氣流量隨時(shí)間的變化曲線,如圖1、2所示。

圖1 室內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化

圖2 門(mén)縫處空氣流量隨時(shí)間的變化

計(jì)算可知,24 s時(shí),室內(nèi)達(dá)到最高壓力,為110.800 kPa,表壓為9.480 kPa,室內(nèi)壓力增大9.505 kPa,此時(shí)門(mén)縫處空氣流量最高,為34 252 m3/h。390 s時(shí),室內(nèi)外壓差為0 Pa,448 s時(shí),室內(nèi)外壓差重新變?yōu)?30 Pa。

0～24 s時(shí),由于室內(nèi)壓力遠(yuǎn)大于室外,門(mén)縫處空氣流向?yàn)橛墒覂?nèi)向室外擴(kuò)散,且于24 s達(dá)到空氣流量峰值,為34 169 m3/h;24 s后室內(nèi)壓力逐步降低,內(nèi)外壓差縮小;390 s時(shí),室內(nèi)壓力與外部壓力相等,門(mén)縫處空氣流量為0 m3/h;390 s后,室內(nèi)變?yōu)樨?fù)壓狀態(tài),門(mén)縫處空氣流向發(fā)生轉(zhuǎn)換,至448 s時(shí),室內(nèi)與室外壓差恢復(fù)最初狀態(tài),為-30 Pa,門(mén)縫處空氣流量也達(dá)到穩(wěn)定,為2 000 m3/h。

1.2 參數(shù)敏感性分析

研究排風(fēng)量、泄漏水與空氣的換熱量、門(mén)縫面積對(duì)室內(nèi)壓力動(dòng)態(tài)變化的影響。

調(diào)整排風(fēng)量參數(shù)分別為2 000、5 000、10 000 m3/h,對(duì)比各工況下室內(nèi)壓力峰值及門(mén)縫處空氣流量變化情況,得到對(duì)應(yīng)的恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間,如圖3、4所示。

圖3 不同排風(fēng)量下室內(nèi)壓力峰值隨時(shí)間的變化

圖4 不同排風(fēng)量下門(mén)縫處空氣流量隨時(shí)間的變化

由圖3、4可知,增大排風(fēng)量可降低室內(nèi)壓力峰值,并縮短室內(nèi)恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間。排風(fēng)量為5 000 m3/h時(shí),室內(nèi)壓力峰值為110.436 kPa,室內(nèi)外壓差為9.111 kPa,恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間為337 s;排風(fēng)量增大為10 000 m3/h時(shí),室內(nèi)壓力峰值為110.204 kPa,室內(nèi)外壓差為8.879 kPa,恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間為273 s。排風(fēng)量增大150%,室內(nèi)壓力峰值僅減小0.08%,恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間縮短24.7%;排風(fēng)量增大400%,室內(nèi)壓力峰值僅減小0.21%,恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間縮短39.0%。排風(fēng)量增大對(duì)室內(nèi)壓力影響較小。

調(diào)整泄漏水的溫度分別為30、50、75、100 ℃,對(duì)比各工況下室內(nèi)壓力峰值及門(mén)縫處空氣流量變化情況,得到對(duì)應(yīng)的恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間,如圖5、6所示。

圖5 不同泄漏水溫度下室內(nèi)壓力峰值隨時(shí)間的變化

圖6 不同泄漏水溫度下門(mén)縫處空氣流量隨時(shí)間的變化

由圖5、6可知,泄漏水溫度對(duì)室內(nèi)壓力峰值和恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間的影響較大。泄漏水溫度為30 ℃時(shí),室內(nèi)壓力峰值為108.422 kPa,室內(nèi)外壓差為7.097 kPa,恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間為401 s;泄漏水溫度為50 ℃時(shí),室內(nèi)壓力峰值為109.100 kPa,室內(nèi)外壓差為7.775 kPa,恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間為416 s;泄漏水溫度為75 ℃時(shí),室內(nèi)壓力峰值為109.949 kPa,室內(nèi)外壓差為8.624 kPa,恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間為433 s。泄漏水溫度降低25%,室內(nèi)壓力峰值減小0.77%,恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間縮短3.3%;泄漏水溫度降低50%,室內(nèi)壓力峰值減小1.50%,恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間縮短7.1%。泄漏水與空氣的換熱量對(duì)室內(nèi)壓力峰值影響較大,對(duì)恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間影響較小。

調(diào)整門(mén)縫漏風(fēng)面積分別為初始面積的2倍、5倍,對(duì)比各工況下室內(nèi)壓力峰值及門(mén)縫處空氣流量變化情況,得到對(duì)應(yīng)的恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間,如圖7、8所示。

圖7 不同門(mén)縫漏風(fēng)面積下室內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化

圖8 不同門(mén)縫漏風(fēng)面積下門(mén)縫處空氣流量隨時(shí)間的變化

由圖7、8可知,門(mén)縫面積對(duì)室內(nèi)壓力峰值和恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間影響較大,門(mén)縫面積為初始面積的2倍時(shí),室內(nèi)壓力峰值為110.136 kPa,室內(nèi)外壓差為8.489 kPa,恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間為244 s,室內(nèi)壓力峰值減小0.59%,恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間縮短54%;門(mén)縫面積為初始面積的5倍時(shí),室內(nèi)壓力峰值為108.346 kPa,室內(nèi)外壓差為7.021 kPa,恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間為97 s,室內(nèi)壓力峰值減小1.30%,恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間縮短78%。門(mén)縫面積對(duì)室內(nèi)恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間影響較大,即室內(nèi)有較多與外界連通的門(mén)時(shí),恢度負(fù)壓所需時(shí)間會(huì)大幅縮短;門(mén)縫面積對(duì)室內(nèi)壓力峰值影響較小。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 幾何模型

建立負(fù)壓廠房簡(jiǎn)化模型,如圖9所示。中部為高溫水蒸氣儲(chǔ)罐,事故工況下儲(chǔ)罐頂部出現(xiàn)直徑30 mm的泄漏點(diǎn)。排風(fēng)口尺寸為500 mm×400 mm,位于儲(chǔ)罐單側(cè),中心標(biāo)高10 m。

圖9 負(fù)壓廠房簡(jiǎn)化模型

采用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行模擬計(jì)算,采用Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)送風(fēng)口與門(mén)縫進(jìn)行加密,并完成網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)。采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算,考慮重力,采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型及組分運(yùn)輸模型,設(shè)置混合物為不可壓縮理想氣體。邊界條件見(jiàn)表1。

表1 邊界條件設(shè)置

2.2 0～24 s時(shí)段的模擬計(jì)算

24 s時(shí)的室內(nèi)水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖10所示。粒子在24 s內(nèi)會(huì)充斥整個(gè)房間,且可以到達(dá)門(mén)縫位置,向外溢出。24 s時(shí),室內(nèi)水蒸氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.7%。泄漏點(diǎn)附近水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,其余位置分布較均勻。

圖10 24 s時(shí)水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

選取特殊截面進(jìn)行分析。平面1為2.5 m高度處的水平截面;平面2為排風(fēng)口處的豎直截面。平面1的壓力分布云圖與水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖11、12所示。

圖11 24 s時(shí)平面1的壓力分布云圖

圖12 24 s時(shí)平面1的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖

24 s時(shí),平面1壓力分布大致均勻,基本維持在2 400 Pa左右,但門(mén)縫附近會(huì)存在壓力的梯度變化,這是由于門(mén)縫附近存在流體向外流出。內(nèi)外壓差峰值為2 414 Pa。平面1水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本維持在3.0%左右,房間角落位置存在循環(huán)死角,質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大,門(mén)縫附近質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小。

平面2壓力分布與水蒸氣質(zhì)量分布如圖13、14所示。

圖13 24 s時(shí)平面2的壓力分布云圖

圖14 24 s時(shí)平面2的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖

24 s時(shí),平面2壓力分布基本均勻,均為高壓狀態(tài),壓力基本維持在2 200 Pa左右,排風(fēng)口附近壓力較低,角落處存在循環(huán)死角,壓力較高。門(mén)縫附近水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小,這是由于水蒸氣持續(xù)向外排除導(dǎo)致的。

2.3 24～234 s時(shí)段的模擬計(jì)算

24 s之后,關(guān)閉泄漏點(diǎn)的入口,繼續(xù)模擬至234 s。234 s時(shí)的室內(nèi)水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖15所示。234 s時(shí)室內(nèi)水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為2.0%,較24 s時(shí)有所下降,且分布較均勻。

圖15 234 s時(shí)水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

234 s時(shí)平面1壓力分布與水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖16、17所示。

圖16 234 s時(shí)平面1的壓力分布云圖

234 s時(shí),平面1均為負(fù)壓,壓力基本為-1 Pa左右,分布較均勻。房間角落處存在高壓區(qū)域,門(mén)縫處壓力也較高,流動(dòng)方向?yàn)閺拈T(mén)縫向室內(nèi)流動(dòng)。平面1水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本維持在2.5%左右,門(mén)縫處由于有氣流進(jìn)入,水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小,存在濃度梯度。

平面2壓力分布與水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖18、19所示。

圖18 234 s時(shí)平面2的壓力分布云圖

圖19 234 s時(shí)平面2的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖

234 s時(shí),平面2壓力均為負(fù)壓且分布均勻,基本維持在-0.7 Pa左右,排風(fēng)口附近壓力較低,角落處存在循環(huán)死角,壓力較高。水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本為2.5%左右,由于外部干凈氣流一直向室內(nèi)輸送,門(mén)縫附近水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小,為1.5%。

模擬計(jì)算的壓力峰值與理論計(jì)算值有誤差,但均在同一數(shù)量級(jí),模擬氣體運(yùn)動(dòng)過(guò)程與理論分析相符,仍可表示事故發(fā)生工況下泄漏物質(zhì)擴(kuò)散情況與室內(nèi)壓力分布。

3 結(jié)論

1) 得到了負(fù)壓廠房氣態(tài)物質(zhì)泄漏后的理論計(jì)算方法。事故發(fā)生后,房間恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間取決于3個(gè)因素:排風(fēng)量、泄漏水與空氣的換熱量、門(mén)縫面積。

2) 根據(jù)理論計(jì)算,事故后24 s時(shí),室內(nèi)壓力達(dá)到峰值,為110.80 kPa,室內(nèi)壓力增大9.505 kPa。室內(nèi)外壓差恢復(fù)到0 Pa所需時(shí)間為390 s,恢復(fù)到-30 Pa所需時(shí)間為448 s。

3) 泄漏水與空氣的換熱量對(duì)室內(nèi)壓力峰值影響較大,泄漏水溫度降低50%,室內(nèi)壓力峰值減小1.5%,恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間縮短7.1%;門(mén)縫面積對(duì)室內(nèi)恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間影響較大,門(mén)縫面積增大到5倍時(shí),室內(nèi)壓力峰值減小1.3%,恢復(fù)負(fù)壓所需時(shí)間縮短78%。

4) 根據(jù)模擬計(jì)算,事故后24 s時(shí),室內(nèi)壓力達(dá)到峰值,峰值為103.7 kPa,室內(nèi)水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為2.7%,平均壓力為2.4 kPa;隨著水蒸氣由門(mén)縫向室外流動(dòng),234 s時(shí),室內(nèi)大部分區(qū)域水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%,內(nèi)部均為負(fù)壓,基本為-1 Pa左右,室外空氣由門(mén)縫向室內(nèi)流動(dòng),室內(nèi)水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)降低。室內(nèi)存在氣流死角,后續(xù)可通過(guò)優(yōu)化排風(fēng)口位置減少氣流死角。

5) 事故發(fā)生后,由于大量水蒸氣輸入,室內(nèi)壓力快速上升,在24 s時(shí)達(dá)到峰值。后續(xù)由于室內(nèi)持續(xù)排風(fēng),室內(nèi)壓力逐漸恢復(fù)至初始負(fù)壓狀態(tài)。模擬計(jì)算的壓力峰值與理論計(jì)算值有誤差,但均在同一數(shù)量級(jí),模擬氣體運(yùn)動(dòng)過(guò)程與理論分析相符,可顯示事故發(fā)生工況下泄漏物質(zhì)擴(kuò)散情況與室內(nèi)壓力分布。