某制冷機房氨氣泄漏時氣流組織優(yōu)化分析

張倩茹 張 旭 葉 蔚,2 趙文萱 職承強 黃奕翔 馬 進

(1 同濟大學機械與能源工程學院 上海 201804； 2 同濟大學工程結構性能演化與控制教育部重點實驗室 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性能，且尚未發(fā)現對大氣層有不良效應，在制冷技術的發(fā)展進程中，具有重要的作用。氨具有制冷效率高、能效系數大、熱物性好、價格低廉、自然環(huán)保等優(yōu)勢，作為大型制冷系統(tǒng)的制冷工質性價比非常高[1-3]。在氨制冷車間生產運行中，設備之間由高壓管道相連，由于管道內部長期處于高壓環(huán)境或存在焊接質量缺陷，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，將會對周圍的環(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)的安全生產事故時有發(fā)生[8-9]。在較高溫度下，氨和空氣混合物體積濃度達到一定的濃度時遇明火可引起爆炸。氨氣具有毒性，能灼傷皮膚、眼睛、呼吸器官的粘膜，人吸入過多會引起肺腫脹，以至死亡。當氨在密閉空間的質量分數達到4.2×10-4時，接觸時間超過30 min會造成永久性傷害[2]。

通過實驗的方法來研究氨制冷機房泄漏的場景有一定的難度。由于計算流體力學(CFD)方法可以模擬復雜湍流流動的氣體擴散過程，可對有害氣體泄漏擴散進行風險評估及氣流組織優(yōu)化，因此被廣泛應用于氨制冷機房泄漏的研究中[2, 10-14]。

在氨制冷機房內部的氨擴散研究方面，董曉強等[2]采用Fluent軟件對無通風及上下通風情況下的制冷機房氨氣低壓儲罐泄漏擴散進行了數值模擬，對報警器位置及風口位置給出了建議。王國濤等[5]針對氨制冷車間管道焊口易發(fā)生氨氣泄漏的問題，研究了制冷壓縮機和冷凝器之間管道焊口位置不同裂口方向對氨氣泄漏擴散特性的影響。王迪等[6]以某氨制冷機房為研究對象，采用CFD方法研究了氨制冷壓縮機高壓排氣口管道和低壓吸氣管道在長期運行中存在的制冷劑泄漏問題，研究了垂直向上、水平背風和水平迎風方向泄漏時氨氣的擴散特性，以及泄漏方向對報警器安裝位置和易燃易爆區(qū)域的影響。上述研究均針對實際氨制冷機房的設備泄漏進行研究，并且考慮了房間下部障礙物的影響。根據氨氣物理性質，位于建筑頂部的障礙物很有可能對氨氣的擴散及排除有一定的影響，因此亟需對此進行研究。

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

1 研究對象及障礙物形式

圖1 氨制冷機房通風口位置及尺寸

圖2 氨制冷機房簡化三維模型

本文研究的氨制冷機房各通風口位置及尺寸如圖1所示。在氨制冷機房的一側墻上有兩扇門，分布在墻的兩端。同一側的墻上共有11扇窗。每扇門和窗均可獨立開啟或關閉，作為房間機械通風的進風口。原排風口為設置在廠房頂部的3個排風口，在研究中將其簡化為方形排風口，且在離排風口較近的側墻上增加不同高度的排風口以進行對比。側墻排風口上沿距離屋頂的距離分別為0、0.1、0.2 m。

該氨制冷機房的簡化三維模型如圖2所示。機房內部地面上分布有4個壓縮機、3個氨液循環(huán)泵、1個儲氨器和1個排液桶。機房頂部在橫向和縱向的結構梁交叉處形成凹槽。由于壓縮機2非正對于任何進風口和排風口，相對其他設備更不利于污染物排除，因此選取壓縮機2的上表面中心位置作為污染源的泄漏位置，如圖2中圓點位置所示。

2 研究方法

2.1 泄漏量計算

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

氣體從孔口泄漏時的速度與流動狀態(tài)有關，因此計算泄漏量時，首先要判斷氣體流動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：

(1)

式中：κ為定熵指數(絕熱指數)，取值1.334。

當pa/p0CPR時，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。

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

(2)

當泄漏口為亞臨界狀態(tài)時，出口流速v1的計算方式為[6,18]：

(3)

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

對于壓縮機的低壓吸氣管道工況，T0=252 K，p1=0.103 MPa，計算可得氨氣泄漏為亞臨界狀態(tài)，泄漏速度為62.5 m/s，與當地音速之比為0.176。對于速度與當地音速之比遠低于1的流動現象，CFD的方法較為有效[19]。故采用CFD的方法對低壓吸氣管道的泄漏場景進行研究。由于本研究主要針對氣流組織的優(yōu)化，因此在研究中忽略制冷劑的相變及溫度變化，假設為等溫工況。

2.2 模擬工況設置

本文對氨氣泄漏的模擬分為兩個階段。第一階段為氨氣泄漏發(fā)生后、應急通風啟動之前的工況。由于機房在平時運營階段的通風換氣次數較小，對大量的泄漏擴散影響也較小，因此在泄漏階段不設置機械通風。第二階段為報警器檢測到氨氣的體積濃度超過0.015%[20]，啟動事故通風之后的工況。假設報警器啟動之后，緊急停止各機組的工作，泄漏停止，開啟事故通風。報警器設置在機房頂部的中心位置。事故通風的換氣次數為12次/h，總排風量為21 427.2 m3/h。

本文研究了不同排風口和進風口對污染物排除效果的影響。排風口包括頂部及側墻不同高度共4種形式，進風口包括窗和門的若干組合形式，如圖3所示。

圖3 氨制冷機房氣流組織示意圖

事故通風階段的所有數值模擬工況如表1所示。通過工況1～工況4可以對比排風口在頂棚和側墻的排污效果，以及側墻排風口3個高度的排污效果。通過工況1和工況5～工況8可以對比進風口位置對房間排污效果的影響。

表1 事故通風數值模擬工況

2.3 數值模擬設置

采用商業(yè)軟件ANSYS Fluent進行數值模擬研究。因為Realizablek-ε模型為湍流黏度增加了1個限制條件公式，并為耗散率增加了傳輸方程，對旋轉流動、流動分離及復雜二次流均有更好的實現，對平板和圓柱射流發(fā)散比率有更精準的預測，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，動量及能量項離散格式為二階迎風格式，湍流項離散格式為二階迎風格式。

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

圖4 氨制冷機房網格劃分

3 數值模擬結果

3.1 氨氣泄漏階段

當室內無通風時，門窗緊閉，由于動量和浮力的共同作用，氨氣自泄漏口噴出后，向上運動。圖5所示為泄漏發(fā)生后不同時刻氨氣體積濃度為0.015%的等濃度面。

圖5 氨氣泄漏后不同時刻NH3體積濃度為0.015%的等濃度面

由圖5可知，起初氨氣向上運動并到達房頂高度，然后在屋頂附近向周圍擴散。當泄漏發(fā)生90 s后，該等濃度面到達房頂的中心處。即如果整個空間設置一個報警器，且放在房間中心處的屋頂時，在泄漏發(fā)生90 s時報警器會發(fā)出警報。由圖5還可知，氨氣在y方向的擴散比x方向距離更遠，這是由于頂部的梁在y方向的跨度大于x方向，而當氨氣抵達屋頂之后，梁對氨氣的擴散有一定的阻礙作用。

3.2 排風口位置及高度對氨氣排除的影響

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

圖6 事故通風120 s后不同排風口工況NH3濃度分布云圖

由圖6可知，在通風120 s后，質量分數超過4.2×10-4的區(qū)域只存在于梁間凹槽處。對比排風口在頂部和排風口在側墻3個高度的排風口工況，可知4種工況的濃度分布相似，沒有明顯的差異。說明在進風口的位置為開全部窗(不開門)的情況下，排風口置于頂部和側墻距頂0～0.2 m范圍內對房間濃度分布的影響較小。

圖7所示為各工況下NH3質量分數超過4.2×10-4區(qū)域的體積隨時間的變化。圖8所示為各工況下室內NH3總質量隨時間的變化。

圖7 不同排風口情況下NH3質量分數超過4.2×10-4區(qū)域的體積隨時間的變化

圖8 不同排風口高度工況室內NH3總質量隨時間變化

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

3.3 進風口位置對氨氣排除的影響

在研究進風口位置時，排風口的位置固定為頂部排風。在本研究對象中，窗的總面積和門的總面積相差較小，為4.8%。因此當進風口的面積相近時，僅開門和僅開窗導致的不同通風效果可以反映氣流組織的作用。

當同時開門和窗時，窗的進風量占總風量的49.7%，門的進風量占總風量的50.3%。圖9所示為僅開門和同時開窗開門時不同時刻的污染物分布。由圖6(a)和圖9可知，對比不同進風口的情況，通風120 s后，僅開窗工況的空間內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，而且在較遠截面上出現了更大的高濃度區(qū)域，說明開門加劇了y方向污染物的擴散。同時開門和窗的工況介于上述二者之間。

圖9 事故通風120 s后不同進風位置工況NH3濃度分布云圖

圖10 不同進風位置工況NH3質量分數超過4.2×10-4區(qū)域的體積隨時間的變化

圖10所示為各工況質量分數超過4.2×10-4區(qū)域的體積隨時間的變化。圖11所示為各工況室內NH3總質量隨時間的變化。

圖11 不同進風位置工況室內NH3總質量隨時間變化

室內NH3總質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質量分數超過4.2×10-4區(qū)域的體積以及室內NH3總質量均下降最快，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入，到達污染物聚集處較慢，將污染物帶至排風口處的時間較長。而僅開窗的工況氣流從房間中間部位進入，能直接到達污染物聚集處，并將其帶至排風口處。綜上所述，當開窗總面積和開門總面積接近時，開窗對污染物排除的效果更好。

圖12所示為排風口在房頂，僅開上排窗和僅開下排窗時不同時刻的污染物分布。當全部窗開啟時，上排窗的進風量占總風量的45.45%，下排窗的進風量占總風量的54.55%，下排窗的進風量略高于上排窗。

圖12 事故通風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，上排開窗對于局部高濃度區(qū)域的消除效果顯著，通風120 s后，即使是房間頂部梁間凹槽處的濃度也顯著下降，整個房間內質量分數超過4.2×10-4的區(qū)域僅有0.22 m3。開下排窗對于局部高濃度區(qū)域的消除效果較差，通風120 s后仍有大量高濃度區(qū)域聚集在遠離排風口一側的梁間凹槽附近。

圖13所示為不同開窗位置室內質量分數超過4.2×10-4區(qū)域的體積隨時間的變化。圖14所示為不同開窗位置的室內NH3總質量隨時間變化。

圖13 不同開窗位置NH3質量分數超過4.2×10-4區(qū)域的體積隨時間的變化

圖14 不同開窗位置總NH3質量隨時間的變化

室內NH3總質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質量分數超過4.2×10-4區(qū)域的體積以及室內NH3總質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。這是因為氨氣較輕，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入，能直接到達污染物聚集處，并將其帶至排風口處。

表2所示為通風120 s后所有進風口工況室內NH3質量分數超過4.2×10-4區(qū)域體積和NH3總質量。

表2 事故通風120 s后各進風口工況室內質量分數超過4.2×10-4區(qū)域體積和NH3總質量

對于NH3質量分數超過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該區(qū)域體積高出180.3%。

對于室內NH3總質量，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 結論

本文以氨制冷機房為物理模型，采用CFD的方法研究了氨制冷壓縮機低壓吸氣管道破裂后氨氣的擴散及事故通風排除情況。當報警發(fā)生后，采取緊急措施使污染源停止泄漏，并啟動12次/h的事故通風。在事故通風階段，采用不同的排風口形式和進風口形式進行了事故通風。得到如下結論：

1)在氨氣的泄漏階段，房頂處的梁對氨氣的擴散有一定的阻礙作用。在有多個報警器的情況下，建議在梁跨度小的方向設置更多報警器。

2)當報警器設置在房間中心的頂部時，泄漏發(fā)生90 s后報警器能檢測到氨氣。

3)排風口設置在氨制冷機房的頂部比設置在側墻能更早的排除污染物；而側墻排風口在距頂0～0.2 m的范圍內變化對污染物排除幾乎沒有影響。

4)在氨制冷機房兩端有門、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120 s后，對于NH3質量分數超過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%。對于室內NH3總質量，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)在氨制冷機房有兩排窗的情況下，開上排窗對污染物的排除更快且更早，而開下排窗則會使污染物聚集在梁間艙室的附近難以排除。通風120 s后，對于NH3質量分數超過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該區(qū)域體積高出180.3%。對于室內NH3總質量，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%。