论文精选 | 新加坡国立大学团队和HIMA集团联合发表题为《氨在管道中的安全输送：风险分析》的相关论文

清洁能源作为实现碳中和的关键方法已引起广泛关注。根据国际可再生能源署的数据，预计到2050年，90%的脱碳解决方案将涉及可再生能源。这包括低成本电力的直接供应、效率的提高、终端使用中的可再生能源电气化，以及绿色氢的生产。

在所有的能源载体中，氨作为一种前景广阔的能量存储介质，为未来的无二氧化碳能源系统铺平了道路。

然而，目前现有的管道基础设施不足以促进氨的广泛传播，这是一个重大挑战。

在开发氨气输送管道时，氨气泄漏的风险不容忽视。许多现有法规和规范将氨气归类为允许浓度相对较低的有毒化学品。美国国家消防协会（NFPA）已将其指定为危险材料，使其安全风险大大提升。值得注意的是，空气中氨的浓度只要超过4%即可在10分钟内导致老鼠死亡。根据美国国家医学图书馆的数据，氨气浓度在2500至4500ppm之间，可在大约30分钟内致人死亡。超过此阈值，如果浓度超过5000ppm就会迅速引起呼吸骤停。

氨还会对多种金属具有腐蚀性，包括铜、黄铜和青铜。幸运的是，它不会与不锈钢产生反应，因此通过钢制管道运输氨相对安全。尽管如此，因拉伸应力和暴露于腐蚀性介质而引起的应力腐蚀开裂（SCC）仍然是一个安全问题。

就新加坡的具体情况而言，据我们所知，尚未对管道中的氨泄漏进行过全面的风险研究。本研究旨在通过研究与管道基础设施中氨泄漏相关的潜在风险和缓解策略来填补这一空白。通过模拟，我们试图加深对此类事故潜在后果的理解，并为新加坡未来氨管道基础设施的整体安全性和可持续性做出贡献。

这项研究利用DNV的Phast软件进行计算流体动力学（CFD）模拟，以模拟潜在的氨泄漏情况。Phast的优势在于它能够进行瞬态模拟。这使我们能够捕捉到氨泄漏的动态特性，即周围环境中的氨浓度会随着时间的推移而变化。通过使用连续性、动量和能量方程，这些模拟可以全面了解潜在泄漏的范围、扩散和严重程度，与新加坡的普遍情况密切相关。通过比较和模拟不同的天气条件，包括白天和夜间的差异，我们可以实现结果的更精细和准确呈现。

在本研究中，我们参考了现有氨项目的参数，如温度和压力（18bars），以模拟接近现实世界条件的场景。

对裕廊岛管道氨泄漏的模拟产生了有趣的启示。首先，原文中图2展示了氨泄漏云的可燃性范围。无论在277K，18bar，36kg/s还是在277K，36bar，36kg/s的条件下进行的模拟中，泄漏的氨气池（液态）被控制在约2米的范围内（图例中阴影部分）。然而，在18bars压力情况下，可燃气体在夜间延伸至约14米，在白天延伸至约7米。同时，较高的管道压力会将可燃区的长度从14米稍微扩大到16米。这表明如果点火源在10米以内，就可能会发生火灾或爆炸。此外，左图显示的泄漏氨气的最大浓度在10米范围内达到峰值。在更高的管道压力下，泄漏氨气的最大浓度从不到5000ppm增加到10000ppm，几乎翻倍。

图2：不同管道压力下的易燃云足迹

其次，研究结果表明，稳定的天气条件可能会加剧泄漏的扩散，导致更危险的情况。这强调了在天气稳定的情况下，需要提高警惕和做好准备。特别值得注意的是，氨气传播的速度极快，大约需60秒。这种快速传播对附近人员构成了重大威胁，强调了采取有效应急响应措施的紧迫性。在前100秒内，氨气危害区（毒性）扩展至约100米，在夜间情况下则更长。后续的危害区发展显示了不同的趋势。在夜间情况下，假定的稳定天气条件有利于扩展，覆盖更大的最大危险区域。相比之下，由于天气条件不稳定，白天情况下的扩展受到抑制，长度限制在大约 100米。

氨泄漏云的侧视图如原文图4所示。结果显示，危害云的高度约为10米，表明在有毒云中的人员无法呼吸到未受污染的空气。此外，侧视图结果还显示，夜间情况和高压管道情况下的危险云相对较大。

图4：不同管道压力下的膨胀侧视图

原文图5展示了氨气浓度与时间的关系，该图是通过模拟图像传感器在距离泄漏点1米、5米和10米处获得的。在10米处，氨气浓度在大约600秒时达到峰值，而距离较近的情况则显示出不同的情况。对于10米以内的区域，浓度在几秒内达到峰值，表明缺乏过程安全时间，致命浓度超过30,000ppm。夜间情况下的峰值浓度几乎是白天情况下的5倍，导致更高的毒性和可燃性风险，而更高的压力也会将泄漏氨气的浓度从8500PPM提高到11000PPM。

图5：不同管道压力下不同距离处的浓度与时间的关系

模拟得出了几个重要发现。首先，氨气管道泄漏点10米半径范围内的风险明显较高，因为释放的氨气蒸汽具有毒性和易燃性危险。其次，1000米半径内的毒性水平显著。第三，在距离泄漏点10米以外的区域，过程安全时间可能不足30秒。第四，稳定天气条件，如夜间，可能会加剧泄漏的扩散，导致更危险的情况。第五，值得注意的是，较高的管道压力可能导致更大的可燃性和毒性危害区。第六，如果在泄漏点附近点燃泄漏的氨气，可能会产生大约5米长的喷射火焰，这是一种重大的高风险情况。还应注意的是，氨气和潮湿空气会形成密度高于环境空气的混合物，可能会影响氨气的扩散，导致混合物沉降到地面附近。这种现象在其他研究中也有观察到。

根据模拟结果，本研究建议采用被动和主动控制方法，以提高管道安全性。此外，它还确定了未来研究的潜在领域，旨在开发基于氨的能源系统，为清洁环境做出贡献。

被动控制：

1）新氨管道的建筑材料：氨气管道的建材选择对确保安全传输起着关键作用。不锈钢通常是首选材料，因为它具有耐氨腐蚀的特性。不过，某些等级的碳钢也被认为是合适的材料，尤其是在对系统进行精心维护和监测潜在腐蚀的情况下。

2）缓冲区：模拟结果表明，保持足够的距离可以有效减轻管道氨泄漏带来的危害。模拟结果表明，在稳定的环境条件下，氨泄漏的危害区可能延伸至约500米。因此，将管道战略性地布置在远离居民区或人口稠密区的地方，证明是降低潜在风险的有效措施。

3）为了进一步提高安全性，将氨管道放置在水下或地下也是值得考虑的。氨作为一种易溶于水的气体，这意味着位于水下或地下的管道泄漏可能会减少危害，因为大部分气体可以溶解到周围的水中。此外，鉴于海底温度通常保持在4°C左右，在水下建造氨管道可以充分利用这一自然条件。在压力小于4bars的情况下，保持氨的液态是可行的，这有可能降低建造成本，并能使用更宽的管道进行运输。然而，必须承认这种方法的潜在缺点，即一旦发生泄漏，可能会导致海洋生态系统的环境问题。

主动控制：

1）安全仪表系统：实施安全仪表系统（SIS）可以在不对现有系统进行重大修改的情况下提供额外的保护层，从而提高管道的安全性。确保SIS的有效性需要进行深入分析，包括通过保护层分析（LOPA）确定所需的安全完整性等级（SIL）。这涉及指定每个子系统的设备、其风险降低系数（RRF），考虑整体系统的冗余度，并考虑系统结构。以下简要介绍了SIS的基本工作流程。

2）启动设备子系统：可以将一系列传感器集成到启动设备子系统中，以触发安全仪表系统的激活。这些传感器可能包括质量平衡、液位指示、压降、声学、地震和土壤温度系统。战略性地部署各种类型的传感器，每种传感器都侧重于特定参数，可增强系统内的冗余性。为了达到更高的安全完整性等级，建议结合来自不同类别的多个传感器。这种方法不仅可以实现全面的监控策略，还可以显著降低系统的总体误报率。

3）逻辑处理器子系统：逻辑处理器子系统处理来自启动设备的信号，如模拟信号。基于特定标准，逻辑处理器子系统根据某些标准决定是否关闭隔离阀。其性能对整个系统至关重要。因此，必须确保处理器的系统完整性和可靠性，因为整个SIS依赖于逻辑处理器系统及时做出正确的决定。

4）终端设备子系统：终端设备子系统包括各种旨在执行特定功能以确保过程安全的各种设备，如紧急关闭阀门和报警系统。响应时间是一个重要的考虑因素，应确保其短于过程安全时间（PST）。例如，模拟结果表明，氨泄漏情况下的PST约为30秒。

认识到本研究的局限性是很必要的。首先，管道内的氨气参数可能会受到管道高度、分量以及与压缩站的距离等因素的影响而发生显著变化。为了实现更精确的模拟并得出更具体的结果和结论，有必要根据应用的具体情况进行模拟。其次，应该考虑更多的风险因素，如人为错误，以更好地体现氨气泄漏的危害。模拟作为一种有价值的工具，但与现实世界的实验相比有其局限性。由于网格质量和所选数学模型等因素会对结果产生重大影响，因此模拟泄漏场景可能无法完全复制实际情况。氨气泄漏的实际实验将为完善数学模型提供宝贵的数据，为政策制定者和管道建设者提供更明确的指导。

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Xuanchen Li , 新加坡国立大学

Siang Meng Ivan Sin, 新加坡国立大学

Sujith Bhaskara Panikkar, HIMA集团, 澳大利亚

Tzu Yang Loh，新加坡国立大学

新加坡国立大学，新加坡

新加坡国立大学是新加坡的第一所高等学府，也是世界级顶尖学府，其前身是一所成立于1905年的海峡殖民地医学学校。发展至今，新加坡国立大学已是一所共有16个学院的综合型研究大学。截至2023年，新加坡国立大学在QS世界大学排名为世界第8名。

HIMA

HIMA集团是全球领先的流程和轨道行业安全相关自动化解决方案独立供应商，致力于保护人员、环境和资本资产安全。集团成立于1908年，总部位于德国，目前拥有约800名员工，在全球50多个地区开展业务。