| 标题 | 冷库氨泄漏仿真模拟及安全控制措施的研究 |
| 范文 | 周敏 摘 要：本文介绍了液氨汽化泄漏扩散模型及液氨储罐泄漏主要部位和影响因素。使用MATLAB数学软件进行数值计算和数据分析的方法对以氨作为连续泄漏源在不同风速，不同高度以及不同的大气稳定度的情况下氨扩散范围和扩散浓度进行了研究，得出了不同的风速，不同的泄漏高度以及不同的大气稳定度对氨泄漏扩散的定量影响范围的结论。该研究可以为厂区厂房道路设计、应急救援及逃生通道设置、人员疏散安全距离和方向判断等方面提供理论数据支持。同时为确定室外冷冻站储液罐设置的设计方案提供决策方案。 关键词：氨泄漏 扩散模型 事故模拟 一、研究背景 1.课题研究的背景及意义 安全生产是事关人民群众的生命财产、经济建设发展和社会稳定的一项极为重要的工作。在我国，目前经济发展势头良好，然而安全事故发生频率却正在增加，对于制冷行业，氨作为一种成熟的制冷剂，有着很多的优点，单位容积制冷量大，蒸发压力和冷凝压力适中，传热性好，是天然物质，不存在环保问题，因此在全世界范围的大型冷库中得到最广泛应用。但同时氨因其特性：可燃、易爆、有毒和在常温常压下表现为气态，致使近年来氨泄漏事故频发。2013年4月22日，四川仁寿县一工厂发生氨气管道的泄漏，事故造成20多人的伤亡。同年8月31日，上海一公司再次发生液氨泄漏事故，又造成50多人的伤亡。众多事故说明急需通过对氨系统泄漏扩散方式及影响范围进行分析。通过分析制定氨系统的泄漏扩散的预防预案，从而减少对氨泄漏造成的人员伤害。 2.氨的特性 （1）氨的物理化学性质。氨（NH3）为无色、具有强烈刺激性的气体，制冷剂代号R717。氨具有良好的热力学性质。在禁止使用氯氟烃（CFC）和限制使用氢氯氟烃（HCFC）制冷剂的形势下，氨由于臭氧消耗潜能值（ODP）为0和全球变暖潜能值（GWP）也为0，得到了更广泛的重视和应用。但氨属于火灾、爆炸危险物质，接触液氨可引起肿胀甚至造成冻伤。液氨属于危险化学品第二类压缩气体和液化气体。 二、液氨泄漏主要部位及计算模型 1.液氨泄漏的主要部位 此分析以北京某冷冻厂冷库为基础。该冷库总建筑面积约为20000平方米，整体系统氨储存量约30吨。根据制冷系统实际运行情况分析，安全风险主要来源于氨泄漏。液氨制冷系统中液氨易发生泄漏的设备有七类，按照泄漏概率大小依次为：加压或冷冻容器，储液桶，管路，各种阀门，柔性连接器，各种泵，制冷压缩机等。本文论述依据限制措施失效原因导致的泄漏。 （1）氨储液罐压力超过额定值，在薄弱处产生局部泄漏。 （2）氨液储罐超过使用期限，罐壁因腐蚀变簿，产生裂缝，液氨从此处泄漏。 （3）系统控制放气压力高于氨储液罐额定压力，导致泄漏。 （4）氨储液罐的安全阀未定期进行校验和更换，当罐内压力升高时，阀门的弹簧失效不能自动卸压，也不能弹起报警，产生局部泄漏。 （5）氨储液罐储液量长期过量（>95%），当夏季环境温度较高时，储液罐没有及时采取降低储液罐温度和减小储液量的方法，导致储罐内部液氨气化使得压力升高，从而在储液罐薄弱处产生局部泄漏。 （6）氨储液罐有的采用平板玻璃液位计显示液位，长期使用因耐压等级不高导致玻璃管发生破裂。 （7）高压储液罐的连接管道因受到腐蚀或者压力过高，使得管道破裂，连接压力表与罐体间的管道耐压性不符合要求，无法达到设定压力值，造成破裂。 （8）由于焊接缺陷，管道之间或者管道与储液罐连接处没有焊透或夹有焊渣，在使用过程中因无法长期承受设定的压力在缺陷处发生断裂或因腐蚀出现泄漏。 （9）由于设计缺陷，罐体的结构导致应力分布不均匀，在长期使用过程中在应力集中处出现破裂。 2.液氨气体泄漏扩散模型 （1）液氨泄漏扩散的物理过程。当液氨发生泄漏时，因为液氨罐内压力远远大于环境大气压力，因此液氨泄漏过程中在空气中必将产生明显的射流紊乱现象，即液氨是喷射方式泄漏，再加之风速和对流等扩散作用，泄漏出的氨液首先会在泄漏出口附近位置处发生闪蒸（物理现象，泄漏出的氨液在空气中由于压力下降迅速气化降温形成低温的氨蒸气，裹杂着未气化的非常细小的氨液滴和空气形成雾态混合物。悬浮在空气中并在空气中迅速扩散。因此液氨的泄漏具有气—液二相流特征。 （2）液氨泄漏模型的计算公式。当前应用的气体扩散模型主要包含BM模型、Sutton模型以及高斯模型等。其中应用最广泛的是高斯模型，高斯模型是从统计方法入手，得到的模拟公式主要是描述扩散物质的浓度分布，依据浓度来研究扩散结构。该模型公式简单、易于理解、模拟运算量相对较小，计算结果与试验结果能较好吻合。而且高斯模型实验获得的数据多，所以该模型较为成熟，适用于非重气云气体的模拟，可利用高斯烟羽模型（Plume model）模拟连续性泄漏和高斯烟团模型（Puff model）模拟瞬时泄漏。本文研究的是连续性泄漏，因而采用烟羽模型进行研究。扩散浓度的表达采用等浓度曲线方式来进行描述，通过等浓度线来表明扩散的影响范围和大小。 从以上可以看出，扩散参数——是导致泄漏浓度变化的两个重要参数。扩散参数值的大小与大气紊流性质相关，扩散参数值的大小确定通常由大气扩散研究理论得到或通过实验的方式获得。 三、基于MATLAB的工程模拟实例 1.MATLAB简介 MATLAB（矩阵实验室）是Matrix Laboratory的缩写，是一款商业数学软件。其应用范围包括通信、图像和信号处理、控制系统研发、测试和测量、计算生物学等众多应用领域。MATLAB语言结构简单，使得计算过程大大简单，利用微机就可进行数据模拟，运行时间短，结果高度仿真。同时MATLAB支持三维动画，可以形象展示模拟结果，特别适用于工程模拟，故本研究选用MATLAB作为模拟工具。 2.工程模拟实例 （1）设立模拟边界条件。根据国家现有标准和文献资料的分析，假设泄漏为理想状态，根据泄漏计算以及站房、气体状态和设备设置等方面考虑，确定边界条件如下： ①假设泄漏时泄漏液体与站房外无温度变化。 ②假设在液氨泄漏过程中不考虑泄漏量的强度发生变化。 ③空气与氨气的混合状态遵循理想气体状态方程，视作理想气体。同时混合气体不再发生化学反应。 ④假设储液器作为泄漏源发生泄漏，泄漏点是由于焊接缺陷造成罐体与管道连接处的焊接点由于腐蚀造成裂口。泄漏面积设定为0.0001m2，泄漏点位于储液罐液面下分别模拟为 0.5m和2m二处，来获得不同的模拟结果。系统运行时冷凝压力设定为1.8MPa，在泄漏过程中假设压力不变化。温度不变化。 ⑤忽略站内障碍物对氨扩散的影响。 （2）储氨罐连续泄漏模拟。本研究的工程实例以西郊冷库企业贮存区的5m3储罐研究对象，进行模拟预测。假设5 m3储罐发生小孔连续性泄漏，泄漏经过60 min后得到有效控制。根据泄漏时间长度，符合高斯烟羽模型预测条件。查阅北京自然条件，北京位于北纬39054‘、东经116023‘属于暖温带大陆性季风气候；北京夏季平均风速为2.5～3.5m/s。为了得到不同风速下氨泄漏扩散影响的比较，选择风速2.5和3.5m/s进行仿真计算，夏季北京的大气稳定度常见的为B，C，泄漏源高度选择0.5m和2m，以得到不同风速，不同大气稳定度和不同泄漏源高度对氨泄漏范围的影响。 ①扩散参数的确定。高斯模型的应用对于确定横截面方向和垂直方向的扩散系数非常关键。只有正确选择了扩散参数才能进行准确的模拟，根据已知环境，模拟时候选择城市条件稳定度为B，C进行比较分析（见表2），得到不同大气稳定度对氨泄漏扩散的影响。 ②泄漏源强度确定。通常认为当氨泄漏到一定的时候，在风机持续通风的作用下，室内氨浓度就会稳定到一定的状态。如果氨一发生泄漏就达到开始报警（设定1/88s的时间的泄漏量就应该达到报警设定泄漏值），在风机作用下泄漏量达到稳定状态，泄漏源强度则等于储液罐泄漏的速度大小，本文根据泄漏量和泄漏时间确定源强Q =2.46kg/s。 ③毒害区域的划分。根据对有害气体泄漏事故研究发现，越接近泄漏的中心，有害气体的浓度越高，对人员产生的伤害也就越严重。通常我们把氨气泄漏事故的伤害影响范围定为4个区域，其浓度值（见表1）。 （3）储氨罐连续泄漏模拟计算结果。采用MATLAB进行编程进行计算，代入相应的参数得到5m3氨储液罐气体扩散后浓度分布图（见图1）。 绘制氨气泄漏等浓度曲线能准确的反映氨气伤害在下风向的距离和伤害影响范围。它是对气体泄漏进行事故模拟的一个显示结果，通过不同的颜色表示等浓度线不同的浓度范围。如图1紫色线对应的为30mg/m?，表明的是下风向最远端的有害影响距离。 （4）储罐连续泄漏模拟计算结果讨论。 根据图1～图4，对比得出如下结论： ①H不同，对比每组中不同泄漏源高度，在其他参数相同的情况下，各个等浓度线也有所不同，随着高度增加，浓度有所下降，当泄漏源高度分别为0.5m和2m时，在距离泄漏源X=0m，Y=190m处，氨浓度分别为3558.8695mg/m3和3450.8632mg/m3，后者比前者略小，说明高度升高降低泄漏的危害。 ②u不同，风速不同，对比每组的各个氨泄漏等浓度线也不同，对比图1和图3，在风速u=2.5m/s的情况下，致死浓度3500mg/m3范围在Y向最远到230m左右，X向最远到35m左右，而当风速u=3.5m/s的情况下，致死浓度3500mg/m3范围在Y向最远不到200m，X向最远到30m。可见风速增大有益于氨的扩散，降低致死浓度和半致死浓度的范围。 ③大气稳定度不同，对比各组氨泄漏扩散等浓度图，在其他参数相同的情况下，大气稳定度越接近稳定，越不利于氨的扩散，以图1和图4为例比较，图1的大气稳定度为C（弱不稳定），氨气泄漏致死浓度的影响范围在Y向最远到230m左右，图4大气稳定度为A～B（不稳定）氨气泄漏致死浓度的影响范围在Y向最远不到200m。但同时不稳定的大气稳定度会扩大氨扩散影响范围。 ④随着u，H和大气稳定度的变化，致死区越小变化程度最大，半死区越小变化次之，直接致害区域越小只是略有变化。 四、小结 制冷技术与现代工业生产以及生活息息相关。在国家的大力提倡下，大型制冷企业从环保角度和经济角度出发将会更多地将氨作为制冷剂使用。因此对于氨泄漏造成人员伤亡和财产损失的预防，也就变得越来越重要，通过对液氨泄漏事故的仿真模拟和扩散范围及距离的研究，可以作为事故发生救援和事后调查发生原因等方面提供研究依据。 课题的最终结论是通过 MATLAB 模拟从对比中得来的。根据研究得出影响气体扩散浓度的范围的大小主要和以下几个因素有关，首先是泄漏时的风速影响，风速越大，有害气体越容易扩散，因此受氨气造成伤害的致死，半致死区域就会减小，可见风对有害气体的扩散是有利的，但是由于风速的扩散会增大泄漏的影响范围。其次是大气稳定度，当大气稳定度越高，此时风速较低，空气不易流动，有害气体扩散较慢，因此当有毒气体泄漏后会增大致死和半致死区域的范围，使得事故产生的后果越发严重。最后是泄漏源的高度，泄漏源距离地面越低，在地面造成致死浓度和半致死浓度及直接致害区的范围就越大。 利用计算机通过Matlab软件做出的高斯数学模型比较简单，容易仿真，并且模拟仿真出的浓度图有坐标值的大小，因此对影响范围可以定量分析。这对于企业可以方便地把影响范围在地图上表达出来，对于企业选址可以用于设定居民区距离企业的最小安全距离。也可作为指导人群的疏散路线提供具体的方向和疏散距离。液氨泄漏后，会马上气化成为含液氨的氨气扩散，受风的影响，扩散方向主要为下风向，所以当泄漏发生后要尽量迅速将处于泄漏源下风方向致害浓度范围内人员进行疏散，防止发生中毒事故。 本论文采用了 MATLAB、高斯烟羽模型对液氨泄漏的浓度变化进行了仿真模拟，但由于本人能力有限并且受篇幅限制，此外扩散的模型也不是完全能反映真实情况，很多影响因素没有考虑。如通风口数目和风速对站房内氨浓度扩散的影响，也没有考虑多点源扩散等，因此期待有更多人的关注和进一步研究以使得这一研究能上一个新的台阶。使得氨泄漏对人们生命造成的伤害减小到最少，直至彻底消除。 （作者单位：北京电子信息高级技工学校） |
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