密闭环境中氨制冷管道安全联锁装置的开发与试验

周 文 童良怀

（衢州市特种设备检验中心 衢州 324000）

近年来氨气泄漏事故频发[1-4]，特别是在密闭环境中的氨气泄漏事故往往造成大量人员伤亡。现在相应的国家法律、法规只要求在密闭环境中安装氨泄漏报警仪，未对进入密闭环境中的氨气管道有任何特殊要求，管道若发生泄漏只能发生报警而无法启动任何保护措施。本研究在此基础上，开发了一套氨制冷管道安全联锁装置，对实际工程应用有一定的参考价值。

1 密闭环境下氨制冷管道安全联锁装置的开发

密闭环境下氨制冷管道发生微量泄漏时，当不能通过排风扇之类强制通风装置排放出去，容易在环境中逐步积累，特别是积累到一定浓度之后容易发生人员中毒或者爆炸之类事故。当制冷管道发生大量泄漏时，若不及时切断管道进出口两端的阀门，泄漏量将会继续增大，对后续的救援产生一定的影响，若通过切断电源并打开排风扇进行强制通风将会急速降低房间内氨气浓度，这就能确保厂房内的人员安全。本安全联锁装置基于上述原理，在开发时主要就是通过在密闭环境下易泄漏位置放置氨检测仪，在密闭环境内安装排风扇，在进、出厂房的氨管道上分别安装电动阀。当密闭厂房内发生氨泄漏时，氨检测仪就能检测到数据，当检测的数据在正常范围内也就是小于数值1时，正常运行；当检测的数值大于数值1小于数值2（备：数值2大于数值1）时，能自动打开排风扇；当泄漏量足够大时，即使打开排风扇检测仪数值继续上升超过数值2或者泄漏比较严重检测仪数值直接超过数值2时，在打开排风扇的同时关闭进、出口电动阀，并停止运行[5]，具体流程如图1所示。

图1 安全联锁流程图

本安全联锁装置设计时采用有触点的继电器装置，如图2所示。在电路设计时候，采用三个继电器，当氨浓度监测仪监测到不同浓度值时，激发不同的继电器，从而实现不同的动作。

图2 自动控制电路图

2 氨制冷管道安全联锁装置的试验

本次试验安装选用了智能气体检测报警控制器见图3。该智能气体检测报警控制器主要由液晶触摸显示屏、主控芯片、稳压电源、总电源开关、继电器等组成。其中液晶触摸显示屏用于数据的显示和参数的设置，包括显示来自于三个氨浓度传感器的数据和对于氨浓度报警上限/下限报警值的设置，继电器则与三个氨浓度传感器的上限/下限阀值信号连接，当任何一个传感器的数值低于下限阀值时，对应的继电器会打开排风扇的供电回路，同理，当任何一个传感器的数值达到上限阀值时，对应的继电器会断开电磁阀的供电回路实现关闭电磁阀，从而实现自动保证氨气处于一个安全的浓度值以内。

在配电箱上，还设置有手动/自动模式切换开关、电磁阀和风扇的手动开关旋钮，当设置手动模式时，电磁阀和风扇的手动开关旋钮有效，可以人工对电磁阀和风扇的开启和关闭进行控制，而当设置自动模式时，电磁阀和风扇则会根据所设置的氨浓度上限/下限阀值实现自动开启/关闭。

图3 报警控制器

图4 试验平台

安装好之后的试验装置如图4所示，灵敏度为±0.2ml/m3，该装置由主控制器、电控箱、管道、电动阀、截止阀、液氨钢瓶、减压阀、压力表和压力传感器等组成。试验密闭空间的场地为3×3.7×2.45m，如图5所示。为了保证试验的安全，选用泄漏口的孔径为1mm，如图6所示，在氨气瓶出口处安装一个减压阀，在试验过程中在减压阀基础上通过两个截止阀再次控制压力，确保管道进口压力不大于0.04MPa。由小孔径泄漏模型可知计算式（1）。

式中：

Q——泄漏率；

Cd——泄漏系数；

p——气体泄漏前压力，Pa；

p0——环境压力，Pa；

γ——绝热指数，氨气取1.31；

M——气体分子量，取17；

R——气体指数，8.134J/（mol·K）；

T——管道内气体温度；

A——泄漏面积。

把具体数字代入公式可以算出来泄漏率为0.00163 kg/s，经过换算可知能保值在紧急切断阀和排风扇动作之后保证房间内的安全。

图5 密闭空间测点布置图

图6 泄漏孔

考虑到氨浓度在100ml/m3[6]及其以下对人体操作一般无不适感觉，本次试验在控制器上设置低报值为20ml/m3浓度时实现了自动开启风扇，由于试验过程中试验房尺寸较小，氨气泄漏量较大，试验房内浓度继续上升，而在50ml/m3浓度时，又实现了自动关闭电磁阀，由于电磁阀与泄漏口有一段距离，管道内还有一部分氨气排出，房间内氨气浓度短时间上升到80ml/m3后，在风扇的作用下经过201s后氨气房间内浓度恢复到5ml/m3以内，最终的试验成功实现了对于氨浓度的自动控制，防止事故的发生。

3 总结

1）针对密闭环境下的氨制冷管道设计了一套安全联锁装置，通过在密闭房间内设置氨浓度监测仪，在墙壁上安装防爆排风扇和在氨管道上安装紧急切断装置，当房间内氨浓度值超过规定值1时自动打开排风扇，当浓度继续上升超过规定值2时能自动关闭进出口阀门，实现安全联锁保护动作。

2）根据设计的安全联锁装置，在试验场地安装了一套安全联锁装置，并通过试验调式，在房间内有泄漏时，发出报警功能，当房间内浓度达到20ml/m3时成功实现开启风扇，在房间内浓度继续上升到50 ml/m3时自动关闭电动阀，实现保护功能，试验证明该套设备在危险时能发出报警、切断危险设备、控制灾害、减少损失的有效性。

3）本课题接下来对密闭空间尺寸大小与风扇功率的匹配性和氨浓度检测仪安装位置的研究还将继续。

[1] 黄金磊，朱国庆，俞梦玮.基于CFD的氨泄漏扩散危险性定量分析[J].消防科学与技术，2015，34（06）：812-814.

[2] 于畅，田贯三.可燃气体室内泄漏扩散的研究[J].山东建筑工程学院学报，2006，21(03)：243-247.

[3] 贾云飞.室内可燃气体泄漏过程的研究[D].天津：河北工业大学：2004.

[4] 韩志远，王伟华，谢国山.室内氨泄漏扩散后果面积评价模型[J].中国特种设备安全，2015，31(S1)：41-45.

[5] 周文，余志勇，童良怀.一种密闭环境下氨制冷管道安全联锁保护装置[P].浙江：CN203949420U，2014-11-19.

[6] 杨连润，余冬梅.浅谈氨对人体的危害及防护[J].贵州化工，2003，28（06）：49-51.