冷库氨泄漏扩散规律探析

甄，王磊，郭靖，王长江

（哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院，哈尔滨150028）

冷库氨泄漏扩散规律探析

（哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院，哈尔滨150028）

本文介绍了冷库氨泄漏的基本模式，以及氨气泄漏与氨液泄漏的流量计算方法。以高贮器为例，利用Fluent分别模拟氨气与氨液泄漏后浓度场分布，并分析氨扩散规律，为氨泄漏事故预防及应急处置提供参考。

冷库；氨气；氨液；泄漏；Fluent

氨作为一种天然制冷剂具有环境友好、价格低廉、制取方便的特点，占据着我国80%以上的冷库制冷剂使用份额。同时氨也具有毒性、爆炸性等危险特性，一座万吨级的氨冷库其氨的冲注量可达20t以上，从而使冷库成为较大的危险源。

据统计，目前我国库龄在30年以上的冷库占全国冷库总量的1/2，这些高龄冷库由于年久失修，设备老化从而造成泄漏事故频发，近些年的几起氨泄漏事故更是造成大量人员伤亡，使人们谈氨色变。表1列举出仅2015上半年我国发生的氨泄漏安全事故。

表1 2015年部分氨泄漏事故统计表Tab.1 part of ammonia leakage accidents statistics in 2015

其实事故的罪魁祸首并不是氨本身，根本原因在于人员操作不规范，设备疏于维护，以及泄漏时应急处置不当。以氨作为制冷剂的冷库，其制冷工艺流程非常复杂，整个系统中高低压设备纵横交错，阀门、接头数不胜数，氨在系统中的状态更是变幻多端，任何一个部位都可能成为氨泄漏事故的源头。因此，不同状态的氨在不同部位泄漏时具有不同的泄漏规律，对不同泄漏规律的研究对于事故的预防及应急处置具有重要意义。

1 氨的泄漏模式

图1 常见泄漏情况Fig.1 Common ammonia leakage

氨泄漏大致可分为大面积泄漏、小孔泄漏及管道泄漏。大面积泄漏是指在短时间内有大量的氨泄漏出来，贮罐的超压爆炸就属于大面积泄漏，这种情况在冷库事故中并不常见。小孔泄漏是指氨以非常缓慢的速度持续地从小孔泄漏到外界。管道泄漏是指管道截面断裂或泄漏孔径与管道直径相当的时候发生的泄漏。图1显示了常见的泄漏情况。

1.1 氨气泄漏流量计算

1.1.1 氨气经小孔泄漏

气体含有的能量从小孔泄漏或扩散出去时，在压力的作用下转化为动能。气体经孔流出的过程中，其密度、压力和温度都发生着变化。若泄漏为自由扩散，绝大部分压力能转化为动能，可假设为等熵过程。此时仅需获取孔洞直径参数。

图2 氨气自由扩散泄漏Fig.2 Free diffusion leakage of ammonia gas

质量流率的表达式：

式（1）描述了在等熵膨胀中任意点处的质量流率。

表2 孔口形状与泄漏系数和当量直径的关系Tab.2 The relationship between the shape of orifices,leakage factor and equivalent diameter

对于许多安全性研究，都需要计算通过小孔泄漏的最大流量，引起最大流速的压力比为：

塞压Pchoked为流量最大时下游最大压力。当下游压力小于Pchoked时：（1）对于大多数情况，在小孔处气体流速是声速；（2）降低下游压力，亦不能进一步增加其流速及质量流量，他们独立于下游环境。通常称这种流动为塞流、声速流或临界流，如3图所示。

图3 氨气通过小孔的塞流Fig.3 Plug flow of ammonia gas pass through the small hole

确定最大流量为：

式中，γ是热融比；M是泄漏气体的摩尔质量；T0是泄漏源的温度（K）；Rg是理想气体常数。

在雷诺数大于30 000的锋利的小孔情况下，流出系数C0取0.61。然而，对于塞流和C0不确定的情况，推荐使用1.0。

1.1.2 氨气经管道泄漏

真实气体流动介于绝热和等温之间，根据Crane实验，可按绝热法建立流动模型。

有气体流动的绝热管道如图4所示。对这一情况，出口处流速低于声速，沿管道的压力梯度驱动流动。当气体流经管道时，因压力下降而膨胀，导致气体速度及动能增加，温度升高。然而，气体与管壁之间的摩擦力会使气体温度降低。气体最终温度的升降，取决于动能和摩擦力做功的大小。

图4 氨气通过管道的绝热非临界流动Fig.4 Adiabatic noncritical flow of ammonia gas pass through the pipe

式（4）即为氨气经管道泄漏的质量流量表达式。

1.2 氨液泄漏流量计算

存在于制冷系统中的液氨往往高于其饱和蒸气压，若储罐、管道或其他设备出现孔洞，部分液体会闪蒸为蒸气，有时会发生爆炸。

闪蒸发生的速度非常快，过程可设为绝热。过热液体中的额外能量使液体气化，并使温度降到新的沸点。如果m是初始液体的质量，cp是液体的比热容，T0是降压后液体的沸点，则包含在过热液体中额外的能量为：

该能量使液体蒸发。若△Hv是液体的蒸发热，则蒸发的液体质量mv为：

液体蒸发比例是：

式（7）是基于液体的物理特性在T0到Tb的温度范围内不变得到的。更一般的表达形式如下所述。

温度T的变化导致液体质量m的变化为：

在初始温度T0（液体质量为m）与最终沸点温度Tb（液体质量为m-mv）区间内，对式（8）进行积分，得到：

因为两相流的存在，通过孔洞和管道泄漏出的闪蒸液体需要被考虑进来。如果泄漏的沿程很短，则存在不平衡条件，液体在孔洞外闪蒸，流出方程应选用不可压流体。

若泄漏的沿程大于10cm，即可达到平衡闪蒸条件，且流动为塞流。假设塞压与闪蒸液体的饱和蒸气压相等，质量流率计算式为：

式中，A是释放面积（m2）；C0是流出系数；ρf是液体密度（kg/m3）；p是储罐内压力（Pa）；ρsat是闪蒸液体处于周围温度情况下的饱和蒸气压（Pa）。

2 基于Fluent的模拟举例

Fluent采用计算流体力学方法模拟扩散湍流的流动过程。通过建立质量、动量、能量及组分等基本守恒方程，并设置适当初始条件和边界条件，运用数值计算理论和方法，实现各种场的分布和预测，借以描述扩散过程。其描述湍流动能的运输和湍流黏性系数的k-ε模型被广泛应用。

本文以某氨冷库高贮器发生管道泄漏为例，模拟氨气与氨液发生泄漏时的不同扩散规律。

2.1 建立模型及模拟条件设置

假设液氨存储在温度25℃、压力2.16Mpa、容积为

2.43 m3（液氨占80%）的高贮器中，发生泄漏部位是与高贮器相连接的管道，管道直径100mm。由于资源有限，选用二维网格进行模拟，泄漏空间为长度10m高5m制冷机房，机房一侧有高为2m的门作为模拟出口，进口位于模拟空间底边的中央，泄漏方向垂直于底边，泄漏过程中进口上游条件不发生变化。

设定边界参数时，选取湍流强度和水力半径项作为TurbulenceSpecification Method的方法，可避免用二维网格模拟出来的结果非狭缝泄漏。采用标准κ-ε模型，开启组分输运模型和气化冷凝模型。

2.2 模拟结果及分析

根据上述所建模型和条件设置，分别模拟氨气和氨液通过管道泄漏，模拟结果如下所示：

图5 氨气泄漏1s时浓度分布Fig.5 Concentration distribution at the 1s of ammonia gas leakage

图6 氨气泄漏5s时浓度分布Fig.6 Concentration distribution at the 5s of ammonia leakage

图7 氨液泄漏1s时浓度分布Fig.7 Concentration distribution at the 1s of ammonia liquor leakage

图8 氨液泄漏5s时浓度分布Fig.8 Concentration distribution at the 5s of ammonia liquor leakage

从模拟的浓度分布图中可以看出，对于高贮器来说，无论是氨气泄漏还是氨液泄漏，氨的扩散速度都十分迅速，发生泄漏5s后整个模拟机房空间已全部被氨气占据，可见氨泄漏事故的可怕程度，若泄漏时机房有作业人员留给其逃生时间极其短暂。但从泄漏开始到充满整个空间，氨扩散的方式并不同。氨气泄漏时，氨气浓度逐渐从低处，远离出口方向，向高处接近出口方向增加。而氨液泄漏则不然，氨气浓度从高处，接近出口方向，向低处远离出口方向增加。这是由于泄漏发生在相对受限的空间内且氨气的密度小于空气，泄漏发生时，受限空间内的总压升高，气体会向出口流动，并在空间内形成涡旋，图5可以清晰地看出气体的流动状态，泄漏的氨气会随着涡旋扩展开来。而氨液泄漏时，高速的氨液喷射到顶部并开始迅速气化，急速向出口下方方向流动扩散，从图7可以看出刚泄漏出的氨液还没有完全气化，这使得泄漏处反而低于顶部。

3 结语

俗话说，知己知彼，百战不殆。目前，人们对冷库不同设备发生氨泄漏扩散的规律仍知之甚少，本文仅以高贮器发生氨气及氨液泄漏为例初步探索了氨泄漏规律，至于其他设备及不同泄漏条件仍有待进一步研究。只要我们能够知“氨”善用，一定能够防范事故的发生，若事故真的发生，也一定能够正确、及时地做出处置措施。

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Study on the Diffusion Law of Ammonia Leakage in Cold Storage

ZHENBing,WANGLei,GUOJing,WANGChang-jiang
(School ofEnergyand Architectural Engineering,Harbin UniversityofCommerce,Harbin,150028,China)

In this paper,the basic mode of ammonia leakage in cold storage and the method for calculating the flowrate of ammonia leakage and ammonia liquid leakage was demonstrated.Taking the high pressure reservoir as an example,the concentration field distribution of ammonia vapor and ammonia liquid leakage was simulated by Fluent,and the ammonia diffusion law was analyzed.This work provides reference for the prevention and emergencydisposal ofammonia leakage accident。

Cold storage；Ammonia vapor；Ammonia liquid；Leakage；Fluent

x928.5

A

1674-8646（2015）10-0004-04

2015-08-19

黑龙江省教育厅科研项目（12531163）；哈尔滨商业大学博士科研启动金（12DL003）

甄（1973-），男，山东莒南人，副教授，博士，在站博士后，从事制冷系统优化设计、食品冷冻冷藏研究，e-mail:zb730812@sina.com。