密閉環境中氨制冷管道安全聯鎖裝置的開發與試驗

周 文 童良懷

（衢州市特種設備檢驗中心 衢州 324000）

近年來氨氣泄漏事故頻發[1-4]，特別是在密閉環境中的氨氣泄漏事故往往造成大量人員傷亡。現在相應的國家法律、法規只要求在密閉環境中安裝氨泄漏報警儀，未對進入密閉環境中的氨氣管道有任何特殊要求，管道若發生泄漏只能發生報警而無法啟動任何保護措施。本研究在此基礎上，開發了一套氨制冷管道安全聯鎖裝置，對實際工程應用有一定的參考價值。

1 密閉環境下氨制冷管道安全聯鎖裝置的開發

密閉環境下氨制冷管道發生微量泄漏時，當不能通過排風扇之類強制通風裝置排放出去，容易在環境中逐步積累，特別是積累到一定濃度之后容易發生人員中毒或者爆炸之類事故。當制冷管道發生大量泄漏時，若不及時切斷管道進出口兩端的閥門，泄漏量將會繼續增大，對后續的救援產生一定的影響，若通過切斷電源并打開排風扇進行強制通風將會急速降低房間內氨氣濃度，這就能確保廠房內的人員安全。本安全聯鎖裝置基于上述原理，在開發時主要就是通過在密閉環境下易泄漏位置放置氨檢測儀，在密閉環境內安裝排風扇，在進、出廠房的氨管道上分別安裝電動閥。當密閉廠房內發生氨泄漏時，氨檢測儀就能檢測到數據，當檢測的數據在正常范圍內也就是小于數值1時，正常運行；當檢測的數值大于數值1小于數值2（備：數值2大于數值1）時，能自動打開排風扇；當泄漏量足夠大時，即使打開排風扇檢測儀數值繼續上升超過數值2或者泄漏比較嚴重檢測儀數值直接超過數值2時，在打開排風扇的同時關閉進、出口電動閥，并停止運行[5]，具體流程如圖1所示。

圖1 安全聯鎖流程圖

本安全聯鎖裝置設計時采用有觸點的繼電器裝置，如圖2所示。在電路設計時候，采用三個繼電器，當氨濃度監測儀監測到不同濃度值時，激發不同的繼電器，從而實現不同的動作。

圖2 自動控制電路圖

2 氨制冷管道安全聯鎖裝置的試驗

本次試驗安裝選用了智能氣體檢測報警控制器見圖3。該智能氣體檢測報警控制器主要由液晶觸摸顯示屏、主控芯片、穩壓電源、總電源開關、繼電器等組成。其中液晶觸摸顯示屏用于數據的顯示和參數的設置，包括顯示來自于三個氨濃度傳感器的數據和對于氨濃度報警上限/下限報警值的設置，繼電器則與三個氨濃度傳感器的上限/下限閥值信號連接，當任何一個傳感器的數值低于下限閥值時，對應的繼電器會打開排風扇的供電回路，同理，當任何一個傳感器的數值達到上限閥值時，對應的繼電器會斷開電磁閥的供電回路實現關閉電磁閥，從而實現自動保證氨氣處于一個安全的濃度值以內。

在配電箱上，還設置有手動/自動模式切換開關、電磁閥和風扇的手動開關旋鈕，當設置手動模式時，電磁閥和風扇的手動開關旋鈕有效，可以人工對電磁閥和風扇的開啟和關閉進行控制，而當設置自動模式時，電磁閥和風扇則會根據所設置的氨濃度上限/下限閥值實現自動開啟/關閉。

圖3 報警控制器

圖4 試驗平臺

安裝好之后的試驗裝置如圖4所示，靈敏度為±0.2ml/m3，該裝置由主控制器、電控箱、管道、電動閥、截止閥、液氨鋼瓶、減壓閥、壓力表和壓力傳感器等組成。試驗密閉空間的場地為3×3.7×2.45m，如圖5所示。為了保證試驗的安全，選用泄漏口的孔徑為1mm，如圖6所示，在氨氣瓶出口處安裝一個減壓閥，在試驗過程中在減壓閥基礎上通過兩個截止閥再次控制壓力，確保管道進口壓力不大于0.04MPa。由小孔徑泄漏模型可知計算式（1）。

式中：

Q——泄漏率；

Cd——泄漏系數；

p——氣體泄漏前壓力，Pa；

p0——環境壓力，Pa；

γ——絕熱指數，氨氣取1.31；

M——氣體分子量，取17；

R——氣體指數，8.134J/（mol·K）；

T——管道內氣體溫度；

A——泄漏面積。

把具體數字代入公式可以算出來泄漏率為0.00163 kg/s，經過換算可知能保值在緊急切斷閥和排風扇動作之后保證房間內的安全。

圖5 密閉空間測點布置圖

圖6 泄漏孔

考慮到氨濃度在100ml/m3[6]及其以下對人體操作一般無不適感覺，本次試驗在控制器上設置低報值為20ml/m3濃度時實現了自動開啟風扇，由于試驗過程中試驗房尺寸較小，氨氣泄漏量較大，試驗房內濃度繼續上升，而在50ml/m3濃度時，又實現了自動關閉電磁閥，由于電磁閥與泄漏口有一段距離，管道內還有一部分氨氣排出，房間內氨氣濃度短時間上升到80ml/m3后，在風扇的作用下經過201s后氨氣房間內濃度恢復到5ml/m3以內，最終的試驗成功實現了對于氨濃度的自動控制，防止事故的發生。

3 總結

1）針對密閉環境下的氨制冷管道設計了一套安全聯鎖裝置，通過在密閉房間內設置氨濃度監測儀，在墻壁上安裝防爆排風扇和在氨管道上安裝緊急切斷裝置，當房間內氨濃度值超過規定值1時自動打開排風扇，當濃度繼續上升超過規定值2時能自動關閉進出口閥門，實現安全聯鎖保護動作。

2）根據設計的安全聯鎖裝置，在試驗場地安裝了一套安全聯鎖裝置，并通過試驗調式，在房間內有泄漏時，發出報警功能，當房間內濃度達到20ml/m3時成功實現開啟風扇，在房間內濃度繼續上升到50 ml/m3時自動關閉電動閥，實現保護功能，試驗證明該套設備在危險時能發出報警、切斷危險設備、控制災害、減少損失的有效性。

3）本課題接下來對密閉空間尺寸大小與風扇功率的匹配性和氨濃度檢測儀安裝位置的研究還將繼續。

[1] 黃金磊，朱國慶，俞夢瑋.基于CFD的氨泄漏擴散危險性定量分析[J].消防科學與技術，2015，34（06）：812-814.

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[3] 賈云飛.室內可燃氣體泄漏過程的研究[D].天津：河北工業大學：2004.

[4] 韓志遠，王偉華，謝國山.室內氨泄漏擴散后果面積評價模型[J].中國特種設備安全，2015，31(S1)：41-45.

[5] 周文，余志勇，童良懷.一種密閉環境下氨制冷管道安全聯鎖保護裝置[P].浙江：CN203949420U，2014-11-19.

[6] 楊連潤，余冬梅.淺談氨對人體的危害及防護[J].貴州化工，2003，28（06）：49-51.