本發(fā)明屬于余熱回收熱力循環(huán)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到對(duì)一種有機(jī)朗肯循環(huán)混合工質(zhì)泄漏安全性的評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

隨著能源短缺和環(huán)境污染的問題日益突出，開展節(jié)能減排是緩解這兩大問題的有效途徑。余熱(如內(nèi)燃機(jī)余熱和工業(yè)余熱等)資源的回收利用技術(shù)，對(duì)于減少能源消耗和溫室氣體的排放具有重要意義。其中有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收是一種有效的節(jié)能減排方式，但如果余熱源溫度過高，會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)有機(jī)工質(zhì)分解。在中高溫余熱利用領(lǐng)域(如內(nèi)燃機(jī)排氣余熱)，可燃類工質(zhì)(如烷烴類、硅氧烷類等)具有良好的熱力性能，但其易燃易爆的特點(diǎn)限制了其應(yīng)用。在可燃工質(zhì)中加入環(huán)保型阻燃劑(如co2等)形成混合工質(zhì)，其性質(zhì)可以隨著組元配比的不同得到調(diào)和，既可以抑制可燃工質(zhì)的可燃性，又能改善循環(huán)性能。此外，可燃工質(zhì)和阻燃劑都是自然工質(zhì)，odp值都等于零，gwp值都較小，符合環(huán)保工質(zhì)發(fā)展的方向，在中高溫余熱利用領(lǐng)域具有成為長遠(yuǎn)替代工質(zhì)的潛力。在實(shí)際應(yīng)用中，由于系統(tǒng)各部件及管道連接處的密封性影響，工質(zhì)的泄漏總是不可避免的。一旦泄漏后在空氣中濃度超過燃燒下限，便存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn),因此，工質(zhì)泄漏后的安全性評(píng)估十分重要。

目前，針對(duì)混合工質(zhì)在余熱回收領(lǐng)域的安全性研究，主要集中在混合工質(zhì)燃燒極限方面，而對(duì)其實(shí)際應(yīng)用中發(fā)生泄漏的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，仍處于起步階段。而當(dāng)前存在的一些安全評(píng)估方法，主要集中在煤礦安全領(lǐng)域，石油化工碼頭風(fēng)險(xiǎn)管理領(lǐng)域；多采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法，事故樹法等，并沒有對(duì)氣體泄漏擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行細(xì)致全面的分析，而精確的擴(kuò)散規(guī)律分析正是危險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)，能為后續(xù)評(píng)估提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。近些年來，隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(cfd)技術(shù)因能實(shí)現(xiàn)預(yù)測真實(shí)過程中各種場的分布，以達(dá)到對(duì)擴(kuò)散過程的詳細(xì)描述，在純工質(zhì)泄漏擴(kuò)散方面已得到了廣泛應(yīng)用。

因此，針對(duì)可燃性混合工質(zhì)實(shí)際應(yīng)用中泄漏后的安全性尚無一套完整的方法對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是研究混合工質(zhì)實(shí)際應(yīng)用于有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)生泄漏后的空間分布規(guī)律，結(jié)合爆炸極限與tnt當(dāng)量法進(jìn)行爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，最后提出針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施。提供一種廣泛應(yīng)用于余熱回收的有機(jī)朗肯循環(huán)可燃工質(zhì)泄漏的安全評(píng)估方法，有效開展對(duì)不同系統(tǒng)、不同工質(zhì)的直觀評(píng)估。本發(fā)明綜合數(shù)值模擬方法與tnt當(dāng)量法，基于有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行層面，結(jié)合爆炸極限，對(duì)混合工質(zhì)泄漏后安全性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并提出針對(duì)性安全措施。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供的一種有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)混合工質(zhì)泄漏安全性評(píng)估方法，混合工質(zhì)包括可燃組元和阻燃劑，并包括以下步驟：

步驟一、根據(jù)評(píng)估目標(biāo)有機(jī)朗肯循環(huán)各部件進(jìn)出口處的溫度及壓力，設(shè)定工質(zhì)泄漏源，計(jì)算工質(zhì)泄漏源的工質(zhì)泄漏速率；

步驟二、建立有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)泄漏的物理模型，該物理模型包括設(shè)置在房間模型內(nèi)的有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)，在物理模型中找出上述工質(zhì)泄漏源對(duì)應(yīng)的位置設(shè)定泄漏孔，所述房間模型包括有一個(gè)空氣入口和一個(gè)氣體出口；對(duì)該物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到網(wǎng)格模型；

步驟三、以步驟二得到的網(wǎng)絡(luò)模型作為仿真模型，利用fluent軟件對(duì)該仿真模型進(jìn)行濃度場的數(shù)值模擬，包括：

選擇質(zhì)量守恒方程、能量方程、動(dòng)量方程以及組分輸運(yùn)方程作為控制方程；根據(jù)確定的仿真模型的邊界條件以及初始條件進(jìn)行模擬得到可燃組元濃度場；利用cfd后處理軟件對(duì)上述可燃組元濃度場進(jìn)行分析，得到該可燃組元的擴(kuò)散規(guī)律和濃度分布；根據(jù)可燃組元的濃度分布以及混合工質(zhì)的爆炸極限，劃分易燃易爆區(qū)域，所述易燃易爆區(qū)域是指泄漏后空間內(nèi)的可燃組元濃度介于混合工質(zhì)爆炸下限和爆炸上限之間的區(qū)域；

步驟四、爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：在該易燃易爆區(qū)域內(nèi)指定一點(diǎn)作為爆炸源；基于tnt當(dāng)量法，預(yù)測該爆炸源發(fā)生爆炸后對(duì)建筑物以及人員的傷害程度，從而做出爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；其中，對(duì)于建筑物的傷害程度以沖擊波超壓值表示，按照對(duì)于人員傷害程度的不同劃分出死亡區(qū)域，重傷區(qū)域，輕傷區(qū)域和安全區(qū)域；

步驟五、確定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施，利用fluent軟件，在模擬仿真模型的空氣入口處的風(fēng)速為5m/s以下，且混合工質(zhì)中可燃組元配比為0.1～0.9中，選取至少包括2個(gè)不同的風(fēng)速下、且每個(gè)風(fēng)速具有至少4個(gè)可燃組元配比作為邊界條件，并記為風(fēng)速-可燃組元配比，循環(huán)執(zhí)行步驟三后，分別進(jìn)行：

5-1)確定安全的風(fēng)速及可燃組元的配比：根據(jù)易燃易爆區(qū)域的范圍并兼顧熱力性能確定出最優(yōu)的一組風(fēng)速-可燃組元配比數(shù)據(jù)；

5-2)確定氣體監(jiān)測報(bào)警裝置的安裝位置：根據(jù)可燃組元的擴(kuò)散規(guī)律和濃度分布，在可燃組元濃度值降序序列中選出前2～3位對(duì)對(duì)應(yīng)的區(qū)域，其中響應(yīng)最為敏感的區(qū)域即為氣體監(jiān)測報(bào)警裝置的安裝位置。

步驟三中，初始條件至少包括：房間內(nèi)的環(huán)境溫度及壓力，在空氣入口風(fēng)速的作用下形成的室內(nèi)流場，所述空氣入口進(jìn)入的是100％空氣，泄漏孔泄漏的為100％的混合工質(zhì)；邊界條件至少包括；空氣入口的風(fēng)速、工質(zhì)泄漏源的工質(zhì)泄漏速率，混合工質(zhì)中可燃組元配比，混合工質(zhì)溫度，出口邊界條件為壓力出口。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明建立了廣泛適用于余熱回收的有機(jī)朗肯循環(huán)安全評(píng)估系統(tǒng)。基于系統(tǒng)運(yùn)行層面，利用fluent軟件對(duì)混合工質(zhì)的泄漏后的濃度場進(jìn)行數(shù)值模擬，為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)提供了更直觀準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；根據(jù)不同工況下模擬結(jié)果提出的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施，有利于提高系統(tǒng)的安全性能。采用數(shù)值模擬和tnt當(dāng)量法的綜合評(píng)估系統(tǒng)，科學(xué)合理、實(shí)用性強(qiáng)，能全面直觀的對(duì)系統(tǒng)工質(zhì)泄漏后的安全性進(jìn)行評(píng)估。此方法不受混合工質(zhì)種類與有機(jī)朗肯系統(tǒng)循環(huán)形式、循環(huán)結(jié)構(gòu)的限制，為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的安全性評(píng)估提供指導(dǎo)，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中有機(jī)朗肯循環(huán)混合工質(zhì)泄漏安全性評(píng)估系統(tǒng)的流程圖；

圖2有機(jī)朗肯循環(huán)物理模型；

圖3有機(jī)朗肯循環(huán)網(wǎng)格模型；

圖4不同高度處濃度分布規(guī)律；

圖5風(fēng)速對(duì)泄漏氣體濃度的影響；

圖6易燃易爆區(qū)域示意圖；

圖7不同時(shí)間危險(xiǎn)區(qū)域劃分結(jié)果示意圖；

圖8是100she150s危險(xiǎn)區(qū)域劃分結(jié)果示意圖；

圖9-1、圖9-2、圖9-3和圖9-4是不同配比混合工質(zhì)的易燃易爆區(qū)域，圖9-1是丙烷配比為0.4，圖9-2是丙烷配比為0.5，圖9-3是丙烷配比為0.6，圖9-4是丙烷配比為0.7。

圖10氣體監(jiān)測位置的濃度變化。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對(duì)本發(fā)明進(jìn)行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。

本發(fā)明提出的一種有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)混合工質(zhì)泄漏安全性評(píng)估方法，其中涉及的混合工質(zhì)包括可燃組元和阻燃劑，如圖1所示，該方法包括以下步驟：

步驟一、根據(jù)評(píng)估目標(biāo)有機(jī)朗肯循環(huán)各部件進(jìn)出口處的溫度及壓力，設(shè)定工質(zhì)泄漏源，計(jì)算工質(zhì)泄漏源的工質(zhì)泄漏速率；

以實(shí)驗(yàn)室柴油機(jī)余熱回收有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)為研究對(duì)象，系統(tǒng)中的混合工質(zhì)為丙烷/二氧化碳(0.7/0.3)。根據(jù)各部件進(jìn)出口處的溫度及壓力，選取壓力最高處為泄漏源，即泵出口。溫度壓力分別為307k,6mpa,假定泄漏孔直徑為10mm。通過下列公式計(jì)算泄漏速率:

當(dāng)時(shí)，用公式(1)計(jì)算

當(dāng)時(shí)，用公式(2)計(jì)算

其中，pa是環(huán)境壓力,p1是泄漏處的壓力，p1c泄漏處的臨界壓力,k是絕熱指數(shù)，r是氣體常數(shù)，t1是泄漏處的溫度,φ是流量系數(shù),可取090～0.98。

根據(jù)公式(2)計(jì)算得出，泵出口處泄漏速率為245m/s。

步驟二、建立有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)泄漏的物理模型，該物理模型包括設(shè)置在房間模型內(nèi)的有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)，在物理模型中找出上述工質(zhì)泄漏源對(duì)應(yīng)的位置設(shè)定泄漏孔，所述房間模型包括有一個(gè)空氣入口和一個(gè)氣體出口；對(duì)該物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到網(wǎng)格模型；物理模型和網(wǎng)絡(luò)模型分別如圖2和圖3所示。

步驟三、以步驟二得到的網(wǎng)絡(luò)模型作為仿真模型，利用fluent軟件對(duì)該仿真模型進(jìn)行濃度場的數(shù)值模擬，包括：

選擇質(zhì)量守恒方程、能量方程、動(dòng)量方程以及組分輸運(yùn)方程作為控制方程；根據(jù)確定的仿真模型的邊界條件以及初始條件進(jìn)行模擬得到可燃組元濃度場；

本發(fā)明中，初始條件至少包括：房間內(nèi)的環(huán)境溫度及壓力，在空氣入口風(fēng)速的作用下形成的室內(nèi)流場，所述空氣入口進(jìn)入的是100％空氣，泄漏孔泄漏的為100％的混合工質(zhì)。邊界條件至少包括；空氣入口的風(fēng)速為1m/s、工質(zhì)泄漏源的工質(zhì)泄漏速率245m/s，混合工質(zhì)中可燃組元配比0.7，混合工質(zhì)溫度307k,出口邊界條件為壓力出口。

利用cfd后處理軟件對(duì)上述可燃組元濃度場進(jìn)行分析，得到該可燃組元的擴(kuò)散規(guī)律和濃度分布，如圖4和圖5所示；根據(jù)可燃組元的濃度分布以及混合工質(zhì)的爆炸極限，劃分易燃易爆區(qū)域，所述易燃易爆區(qū)域是指泄漏后空間內(nèi)的可燃組元濃度介于混合工質(zhì)爆炸下限和爆炸上限之間的區(qū)域，如圖6所示；

步驟四、爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：在該易燃易爆區(qū)域內(nèi)指定一點(diǎn)作為爆炸源；基于tnt當(dāng)量法，預(yù)測該爆炸源發(fā)生爆炸后對(duì)建筑物以及人員的傷害程度，從而做出爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；其中，對(duì)于建筑物的傷害程度以沖擊波超壓值表示，按照對(duì)于人員傷害程度的不同劃分出死亡區(qū)域，重傷區(qū)域，輕傷區(qū)域和安全區(qū)域；

其中，wtnt是等效tnt質(zhì)量，kg；a是當(dāng)量系數(shù)，取0.04；wf是發(fā)生爆炸的泄漏工質(zhì)，總質(zhì)量；qf是泄漏工質(zhì)的爆炸熱；qtnt是tnt的爆炸熱，可取4.52×10³kj/kg

距離爆炸中心l處的沖擊波超壓計(jì)算式如下

△p是沖擊波超壓，pa；d是等效距離，m；l是距離爆炸中心的距離，m。

根據(jù)上述公式(3)～(7)，計(jì)算得爆炸發(fā)生后沖擊波超壓對(duì)房間各墻壁產(chǎn)生的影響，計(jì)算結(jié)果如表1所示，根據(jù)表2中超壓準(zhǔn)則判斷爆炸發(fā)生后對(duì)建筑的破壞作用。

表1各墻壁超壓隨時(shí)間的變化

表2爆炸沖擊波超壓的破壞作用

爆炸發(fā)生后對(duì)不同區(qū)域會(huì)產(chǎn)生不同的破壞作用，根據(jù)公式(3)計(jì)算的等效tnt質(zhì)量，根據(jù)超壓對(duì)人體造成的傷害程度，按照距離的遠(yuǎn)近，可以劃分為死亡區(qū)域，重傷區(qū)域，輕傷區(qū)域和安全區(qū)域。

死亡區(qū)域指的是0≤r≤r0.5,死亡區(qū)域外徑r0.5計(jì)算式為：

重傷區(qū)域范圍為r0.5≤r≤rd,0.5，重傷區(qū)域外徑rd,0.5對(duì)應(yīng)沖擊波超壓限值為44kpa?？捎上率接?jì)算：

△p/p0＝0.137z^-3+0.119z^-2+0.269z^-1-0.019

(9)

e＝wtnt·qtnt

(11)

其中，z是系數(shù)，e是爆炸總能量，j；p0是環(huán)境壓力，pa

輕傷區(qū)域范圍為rd,0.5≤r≤rd,0.01,其中輕傷區(qū)域外徑rd,0.01對(duì)應(yīng)超壓峰值17kpa。計(jì)算方法同重傷半徑,只需把公式(10)中的rd,0.5替換為rd,0.01。

安全區(qū)域的范圍是r≥rd,0.01，在安全區(qū)域內(nèi)，沖擊波超壓不會(huì)對(duì)人體造成傷害。

根據(jù)上述公式(8)～(11)計(jì)算出不同時(shí)間下各危險(xiǎn)區(qū)域的半徑，劃分出死亡區(qū)域、重傷區(qū)域、輕傷區(qū)域及安全區(qū)域，如圖7和圖8所示。

步驟五、確定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施，利用fluent軟件，在模擬仿真模型的空氣入口處的風(fēng)速為5m/s以下，且混合工質(zhì)中可燃組元配比為0.1～0.9中，選取至少包括2個(gè)不同的風(fēng)速下、且每個(gè)風(fēng)速具有至少4個(gè)可燃組元配比作為邊界條件，并記為風(fēng)速-可燃組元配比，循環(huán)執(zhí)行步驟三后，分別進(jìn)行：

5-1)確定安全的風(fēng)速及可燃組元的配比：根據(jù)易燃易爆區(qū)域的范圍并兼顧熱力性能確定出最優(yōu)的一組風(fēng)速-可燃組元配比數(shù)據(jù)；

分別對(duì)風(fēng)速0.5m/s,1m/s時(shí)，混合工質(zhì)丙烷/二氧化碳配比分別為(0.7/0.3)(0.6/0.4)(0.5/0.5)(0.4/0.6)進(jìn)行模擬。圖9-1至圖9-4顯示了風(fēng)速為0.5m/s時(shí)，不同配比混合工質(zhì)形成的易燃易爆區(qū)域，當(dāng)該區(qū)域范圍只集中在泄漏孔上方，未向周圍擴(kuò)散即認(rèn)為此種情況下的混合工質(zhì)配比為安全配比。根據(jù)易燃易爆區(qū)域的范圍并兼顧熱力性能確定出最優(yōu)的一組風(fēng)速-可燃組元配比數(shù)據(jù)。結(jié)果如表3：

表3丙烷/二氧化碳最優(yōu)的風(fēng)速-可燃組元配比

5-2)確定氣體監(jiān)測報(bào)警裝置的安裝位置：根據(jù)可燃組元的擴(kuò)散規(guī)律和濃度分布，在可燃組元濃度值降序序列中選出前2～3位對(duì)應(yīng)的區(qū)域，其中響應(yīng)最為敏感的區(qū)域即為氣體監(jiān)測報(bào)警裝置的安裝位置。

選取房間內(nèi)三個(gè)不同位置設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為(1.9,1.23,2.45)、(2.25,1.23,2.45)、(4,1.23,0.2)監(jiān)測丙烷濃度值的變化，設(shè)置氣體監(jiān)測報(bào)警值為爆炸下限的百分之十，以丙烷/二氧化碳(0.5/0.5)為例，其爆炸下限的百分之十為0.00206。即當(dāng)氣體監(jiān)測報(bào)警裝置安裝位置的濃度值超過0.00206時(shí)，報(bào)警裝置就會(huì)報(bào)警。各監(jiān)測點(diǎn)的濃度變化情況如圖10所示?？梢姡谖恢?處的丙烷濃度在1s內(nèi)就超過了監(jiān)測值，這說明將氣體監(jiān)測報(bào)警裝置安裝在此位置可以在1s內(nèi)就監(jiān)測到混合工質(zhì)泄漏的發(fā)生。

將本發(fā)明應(yīng)用于戊烷/二氧化碳混合工質(zhì)，重復(fù)上述步驟，以戊烷/二氧化碳(0.7/0.3)為例，計(jì)算得爆炸發(fā)生后沖擊波超壓對(duì)房間各墻壁產(chǎn)生的影響如表4。根據(jù)超壓對(duì)人體造成的傷害程度，劃分的死亡區(qū)域，重傷區(qū)域，輕傷區(qū)域范圍如表5所示。根據(jù)戊烷/二氧化碳混合工質(zhì)易燃易爆區(qū)域的范圍并兼顧熱力性能確定出最優(yōu)的一組風(fēng)速-可燃組元配比數(shù)據(jù)如表6所示。

表4各墻壁超壓隨時(shí)間的變化

表5戊烷/二氧化碳(0.7/0.3)爆炸后的死亡區(qū)域，重傷區(qū)域，輕傷區(qū)域范圍

表6戊烷/二氧化碳最優(yōu)的風(fēng)速-可燃組元配比

盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。