一种有机朗肯循环系统混合工质泄漏安全性的评估方法与流程

本发明属于余热回收热力循环技术领域，具体涉及到对一种有机朗肯循环混合工质泄漏安全性的评估方法。

背景技术：

随着能源短缺和环境污染的问题日益突出，开展节能减排是缓解这两大问题的有效途径。余热(如内燃机余热和工业余热等)资源的回收利用技术，对于减少能源消耗和温室气体的排放具有重要意义。其中有机朗肯循环余热回收是一种有效的节能减排方式，但如果余热源温度过高，会导致传统有机工质分解。在中高温余热利用领域(如内燃机排气余热)，可燃类工质(如烷烃类、硅氧烷类等)具有良好的热力性能，但其易燃易爆的特点限制了其应用。在可燃工质中加入环保型阻燃剂(如co2等)形成混合工质，其性质可以随着组元配比的不同得到调和，既可以抑制可燃工质的可燃性，又能改善循环性能。此外，可燃工质和阻燃剂都是自然工质，odp值都等于零，gwp值都较小，符合环保工质发展的方向，在中高温余热利用领域具有成为长远替代工质的潜力。在实际应用中，由于系统各部件及管道连接处的密封性影响，工质的泄漏总是不可避免的。一旦泄漏后在空气中浓度超过燃烧下限，便存在爆炸的风险,因此，工质泄漏后的安全性评估十分重要。

目前，针对混合工质在余热回收领域的安全性研究，主要集中在混合工质燃烧极限方面，而对其实际应用中发生泄漏的风险评估，仍处于起步阶段。而当前存在的一些安全评估方法，主要集中在煤矿安全领域，石油化工码头风险管理领域；多采用风险矩阵法，事故树法等，并没有对气体泄漏扩散规律进行细致全面的分析，而精确的扩散规律分析正是危险评估的基础，能为后续评估提供更精准的数据。近些年来，随着计算机数值模拟的发展，计算流体动力学(cfd)技术因能实现预测真实过程中各种场的分布，以达到对扩散过程的详细描述，在纯工质泄漏扩散方面已得到了广泛应用。

因此，针对可燃性混合工质实际应用中泄漏后的安全性尚无一套完整的方法对其进行评估。

技术实现要素：

本发明目的是研究混合工质实际应用于有机朗肯循环发生泄漏后的空间分布规律，结合爆炸极限与tnt当量法进行爆炸风险评估，最后提出针对性的风险规避措施。提供一种广泛应用于余热回收的有机朗肯循环可燃工质泄漏的安全评估方法，有效开展对不同系统、不同工质的直观评估。本发明综合数值模拟方法与tnt当量法，基于有机朗肯循环系统运行层面，结合爆炸极限，对混合工质泄漏后安全性进行风险评估并提出针对性安全措施。

为了解决现有技术中的问题，本发明提供的一种有机朗肯循环系统混合工质泄漏安全性评估方法，混合工质包括可燃组元和阻燃剂，并包括以下步骤：

步骤一、根据评估目标有机朗肯循环各部件进出口处的温度及压力，设定工质泄漏源，计算工质泄漏源的工质泄漏速率；

步骤二、建立有机朗肯循环系统工质泄漏的物理模型，该物理模型包括设置在房间模型内的有机郎肯循环系统，在物理模型中找出上述工质泄漏源对应的位置设定泄漏孔，所述房间模型包括有一个空气入口和一个气体出口；对该物理模型进行网格划分得到网格模型；

步骤三、以步骤二得到的网络模型作为仿真模型，利用fluent软件对该仿真模型进行浓度场的数值模拟，包括：

选择质量守恒方程、能量方程、动量方程以及组分输运方程作为控制方程；根据确定的仿真模型的边界条件以及初始条件进行模拟得到可燃组元浓度场；利用cfd后处理软件对上述可燃组元浓度场进行分析，得到该可燃组元的扩散规律和浓度分布；根据可燃组元的浓度分布以及混合工质的爆炸极限，划分易燃易爆区域，所述易燃易爆区域是指泄漏后空间内的可燃组元浓度介于混合工质爆炸下限和爆炸上限之间的区域；

步骤四、爆炸风险评估：在该易燃易爆区域内指定一点作为爆炸源；基于tnt当量法，预测该爆炸源发生爆炸后对建筑物以及人员的伤害程度，从而做出爆炸风险评估；其中，对于建筑物的伤害程度以冲击波超压值表示，按照对于人员伤害程度的不同划分出死亡区域，重伤区域，轻伤区域和安全区域；

步骤五、确定风险预防措施，利用fluent软件，在模拟仿真模型的空气入口处的风速为5m/s以下，且混合工质中可燃组元配比为0.1～0.9中，选取至少包括2个不同的风速下、且每个风速具有至少4个可燃组元配比作为边界条件，并记为风速-可燃组元配比，循环执行步骤三后，分别进行：

5-1)确定安全的风速及可燃组元的配比：根据易燃易爆区域的范围并兼顾热力性能确定出最优的一组风速-可燃组元配比数据；

5-2)确定气体监测报警装置的安装位置：根据可燃组元的扩散规律和浓度分布，在可燃组元浓度值降序序列中选出前2～3位对对应的区域，其中响应最为敏感的区域即为气体监测报警装置的安装位置。

步骤三中，初始条件至少包括：房间内的环境温度及压力，在空气入口风速的作用下形成的室内流场，所述空气入口进入的是100％空气，泄漏孔泄漏的为100％的混合工质；边界条件至少包括；空气入口的风速、工质泄漏源的工质泄漏速率，混合工质中可燃组元配比，混合工质温度，出口边界条件为压力出口。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明建立了广泛适用于余热回收的有机朗肯循环安全评估系统。基于系统运行层面，利用fluent软件对混合工质的泄漏后的浓度场进行数值模拟，为风险评估系统提供了更直观准确的基础数据；根据不同工况下模拟结果提出的风险规避措施，有利于提高系统的安全性能。采用数值模拟和tnt当量法的综合评估系统，科学合理、实用性强，能全面直观的对系统工质泄漏后的安全性进行评估。此方法不受混合工质种类与有机朗肯系统循环形式、循环结构的限制，为有机朗肯循环系统的安全性评估提供指导，具有积极的现实意义。

附图说明

图1是本发明中有机朗肯循环混合工质泄漏安全性评估系统的流程图；

图2有机朗肯循环物理模型；

图3有机朗肯循环网格模型；

图4不同高度处浓度分布规律；

图5风速对泄漏气体浓度的影响；

图6易燃易爆区域示意图；

图7不同时间危险区域划分结果示意图；

图8是100she150s危险区域划分结果示意图；

图9-1、图9-2、图9-3和图9-4是不同配比混合工质的易燃易爆区域，图9-1是丙烷配比为0.4，图9-2是丙烷配比为0.5，图9-3是丙烷配比为0.6，图9-4是丙烷配比为0.7。

图10气体监测位置的浓度变化。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明提出的一种有机朗肯循环系统混合工质泄漏安全性评估方法，其中涉及的混合工质包括可燃组元和阻燃剂，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据评估目标有机朗肯循环各部件进出口处的温度及压力，设定工质泄漏源，计算工质泄漏源的工质泄漏速率；

以实验室柴油机余热回收有机朗肯循环系统为研究对象，系统中的混合工质为丙烷/二氧化碳(0.7/0.3)。根据各部件进出口处的温度及压力，选取压力最高处为泄漏源，即泵出口。温度压力分别为307k,6mpa,假定泄漏孔直径为10mm。通过下列公式计算泄漏速率:

当时，用公式(1)计算

当时，用公式(2)计算

其中，pa是环境压力,p1是泄漏处的压力，p1c泄漏处的临界压力,k是绝热指数，r是气体常数，t1是泄漏处的温度,φ是流量系数,可取090～0.98。

根据公式(2)计算得出，泵出口处泄漏速率为245m/s。

步骤二、建立有机朗肯循环系统工质泄漏的物理模型，该物理模型包括设置在房间模型内的有机郎肯循环系统，在物理模型中找出上述工质泄漏源对应的位置设定泄漏孔，所述房间模型包括有一个空气入口和一个气体出口；对该物理模型进行网格划分得到网格模型；物理模型和网络模型分别如图2和图3所示。

步骤三、以步骤二得到的网络模型作为仿真模型，利用fluent软件对该仿真模型进行浓度场的数值模拟，包括：

选择质量守恒方程、能量方程、动量方程以及组分输运方程作为控制方程；根据确定的仿真模型的边界条件以及初始条件进行模拟得到可燃组元浓度场；

本发明中，初始条件至少包括：房间内的环境温度及压力，在空气入口风速的作用下形成的室内流场，所述空气入口进入的是100％空气，泄漏孔泄漏的为100％的混合工质。边界条件至少包括；空气入口的风速为1m/s、工质泄漏源的工质泄漏速率245m/s，混合工质中可燃组元配比0.7，混合工质温度307k,出口边界条件为压力出口。

利用cfd后处理软件对上述可燃组元浓度场进行分析，得到该可燃组元的扩散规律和浓度分布，如图4和图5所示；根据可燃组元的浓度分布以及混合工质的爆炸极限，划分易燃易爆区域，所述易燃易爆区域是指泄漏后空间内的可燃组元浓度介于混合工质爆炸下限和爆炸上限之间的区域，如图6所示；

步骤四、爆炸风险评估：在该易燃易爆区域内指定一点作为爆炸源；基于tnt当量法，预测该爆炸源发生爆炸后对建筑物以及人员的伤害程度，从而做出爆炸风险评估；其中，对于建筑物的伤害程度以冲击波超压值表示，按照对于人员伤害程度的不同划分出死亡区域，重伤区域，轻伤区域和安全区域；

其中，wtnt是等效tnt质量，kg；a是当量系数，取0.04；wf是发生爆炸的泄漏工质，总质量；qf是泄漏工质的爆炸热；qtnt是tnt的爆炸热，可取4.52×10³kj/kg

距离爆炸中心l处的冲击波超压计算式如下

△p是冲击波超压，pa；d是等效距离，m；l是距离爆炸中心的距离，m。

根据上述公式(3)～(7)，计算得爆炸发生后冲击波超压对房间各墙壁产生的影响，计算结果如表1所示，根据表2中超压准则判断爆炸发生后对建筑的破坏作用。

表1各墙壁超压随时间的变化

表2爆炸冲击波超压的破坏作用

爆炸发生后对不同区域会产生不同的破坏作用，根据公式(3)计算的等效tnt质量，根据超压对人体造成的伤害程度，按照距离的远近，可以划分为死亡区域，重伤区域，轻伤区域和安全区域。

死亡区域指的是0≤r≤r0.5,死亡区域外径r0.5计算式为：

重伤区域范围为r0.5≤r≤rd,0.5，重伤区域外径rd,0.5对应冲击波超压限值为44kpa。可由下式计算：

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

(9)

e＝wtnt·qtnt

(11)

其中，z是系数，e是爆炸总能量，j；p0是环境压力，pa

轻伤区域范围为rd,0.5≤r≤rd,0.01,其中轻伤区域外径rd,0.01对应超压峰值17kpa。计算方法同重伤半径,只需把公式(10)中的rd,0.5替换为rd,0.01。

安全区域的范围是r≥rd,0.01，在安全区域内，冲击波超压不会对人体造成伤害。

根据上述公式(8)～(11)计算出不同时间下各危险区域的半径，划分出死亡区域、重伤区域、轻伤区域及安全区域，如图7和图8所示。

步骤五、确定风险预防措施，利用fluent软件，在模拟仿真模型的空气入口处的风速为5m/s以下，且混合工质中可燃组元配比为0.1～0.9中，选取至少包括2个不同的风速下、且每个风速具有至少4个可燃组元配比作为边界条件，并记为风速-可燃组元配比，循环执行步骤三后，分别进行：

5-1)确定安全的风速及可燃组元的配比：根据易燃易爆区域的范围并兼顾热力性能确定出最优的一组风速-可燃组元配比数据；

分别对风速0.5m/s,1m/s时，混合工质丙烷/二氧化碳配比分别为(0.7/0.3)(0.6/0.4)(0.5/0.5)(0.4/0.6)进行模拟。图9-1至图9-4显示了风速为0.5m/s时，不同配比混合工质形成的易燃易爆区域，当该区域范围只集中在泄漏孔上方，未向周围扩散即认为此种情况下的混合工质配比为安全配比。根据易燃易爆区域的范围并兼顾热力性能确定出最优的一组风速-可燃组元配比数据。结果如表3：

表3丙烷/二氧化碳最优的风速-可燃组元配比

5-2)确定气体监测报警装置的安装位置：根据可燃组元的扩散规律和浓度分布，在可燃组元浓度值降序序列中选出前2～3位对应的区域，其中响应最为敏感的区域即为气体监测报警装置的安装位置。

选取房间内三个不同位置设置监测点，其坐标分别为(1.9,1.23,2.45)、(2.25,1.23,2.45)、(4,1.23,0.2)监测丙烷浓度值的变化，设置气体监测报警值为爆炸下限的百分之十，以丙烷/二氧化碳(0.5/0.5)为例，其爆炸下限的百分之十为0.00206。即当气体监测报警装置安装位置的浓度值超过0.00206时，报警装置就会报警。各监测点的浓度变化情况如图10所示。可见，在位置1处的丙烷浓度在1s内就超过了监测值，这说明将气体监测报警装置安装在此位置可以在1s内就监测到混合工质泄漏的发生。

将本发明应用于戊烷/二氧化碳混合工质，重复上述步骤，以戊烷/二氧化碳(0.7/0.3)为例，计算得爆炸发生后冲击波超压对房间各墙壁产生的影响如表4。根据超压对人体造成的伤害程度，划分的死亡区域，重伤区域，轻伤区域范围如表5所示。根据戊烷/二氧化碳混合工质易燃易爆区域的范围并兼顾热力性能确定出最优的一组风速-可燃组元配比数据如表6所示。

表4各墙壁超压随时间的变化

表5戊烷/二氧化碳(0.7/0.3)爆炸后的死亡区域，重伤区域，轻伤区域范围

表6戊烷/二氧化碳最优的风速-可燃组元配比

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。