一种评价制冷系统可燃工质泄漏火灾风险的方法

本发明属于安全评价技术领域，具体涉及评价制冷系统可燃工质泄漏火灾风险的方法。

背景技术：

随着制冷剂替代的不断推进，r32、r290等对环境友好并有着良好的性能的制冷剂引起了广泛的关注，然而由于其具有可燃性，在使用过程中其安全性受到高度的重视。目前国际电工委员会专门成立了工作组，对a2l制冷剂和a2、a3类可燃制冷剂的安全性进行讨论，标准iec60335-2-40:2018针对可燃制冷剂的相关要求进行了修订和完善。

据统计，由制冷剂泄漏引发的火灾一直持续至今，制冷系统中的可燃工质一旦泄漏形成可燃区域，遇到火花或周边高温物体极有可能发生火灾，对人的生命及财产安全造成不可逆的损失。对可燃工质泄漏火灾进行概率计算，能够将其风险进行量化表示。因此，研究可燃工质泄漏的火灾风险对预防及控制可燃工质导致火灾事故的发生尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种评价制冷系统可燃工质泄漏火灾风险的方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种评价制冷系统可燃工质泄漏火灾风险的方法，包括以下步骤：

(1)计算不同制冷系统室内室外泄漏的概率pleak、常见点火源的点火总概率n，可燃工质与空气形成的混合物和点火源在空间上重合的概率ps以及可燃工质与空气形成的混合物和点火源在时间上重合的概率pt；

(2)利用空间拥塞率的概念，考虑障碍物对可燃工质泄漏后浓度场的影响，将计算区域从原有的房间体积限定为泄漏区域，修正可燃工质与空气混合物与点火源在空间上重合的值fs，并将修正后的值代入可燃工质与空气形成的混合物和点火源在空间上重合的概率ps，计算得到修正后的值；

(3)考虑可燃工质泄漏后存在可燃区域的时长占泄漏总时长的比值，修正可燃工质与空气混合物与点火源在时间上重合的值ft，并将修正后的值代入可燃工质与空气形成的混合物和点火源在空间上重合的概率pt，计算得到修正后的值；

(4)基于修正后的值计算可燃工质泄漏火灾风险概率fignition，所得计算结果与居民可接受风险概率进行比较，判断可燃工质泄漏火灾风险的危险程度。

进一步的，步骤(1)中室内室外泄漏的概率是分别计算的，常见点火源的点火总概率也是室内室外分别计算的，计算可燃工质与空气形成的混合物和点火源在空间上重合的概率ps以及可燃工质与空气形成的混合物和点火源在时间上重合的概率pt的具体过程为：

1)基于工程热力学原理，可燃工质与空气形成的混合物和点火源在空间上重合的概率ps的表达式为：

2)基于工程热力学原理，可燃工质与空气形成的混合物和点火源在时间上重合的概率pt的表达式为：

pt＝τf×n(2)

其中，vf为可燃工质与空气形成的混合物体积，vr为房间体积，n为常见点火源的点火总概率，τf为可燃区域持续时间。

进一步的，步骤(2)包括瞬时泄漏和连续泄漏两种泄漏情况，其具体计算过程为：

1)基于工程热力学原理及几何学原理，室内侧修正可燃工质与空气混合物与点火源在空间上重合的值fs的表达式为：

瞬时泄漏：

连续泄漏：

式中，

vblock＝flocation·fhight·ve(6)

坐标中心为房间地面中心，以泄漏方向为x轴，以与泄漏方向垂直的方向为y轴，(x0，y0，h0)为泄漏点的坐标，(xi，yi，hi)为障碍物的坐标，hi为障碍物处于泄漏可燃区域的高度值。

瞬时泄漏：

连续泄漏：

当θ＝0°,ve＝2r·stop(12)

当θ＝90°,ve＝h1·stop(13)

其中，ve为在泄漏的可燃区域内其余物体(障碍物)所占体积，vblock为修正后泄漏可燃区域内其余物体所占体积，rs为瞬间泄漏半径(mm)，m为可燃工质泄漏总质量(kg)，α为传热系数，τ为瞬间泄漏时间(s)，β是0～1的系数，ρm是两相混合物平均密度(kg/m³)，pm是两相混合物压力(pa)，pc是临界压力(pa)，l为泄漏方向上房间的长度，w为与泄漏方向垂直的房间长度，stop可燃工质泄漏形成可燃区域范围内障碍物的顶面面积，s为连续泄漏射流的长度，r为连续泄漏射流末端的半径，可燃制冷剂的最低可燃浓度为cl(体积比浓度％)。r0为孔口半径(mm)，s为计算截面至孔口距离(m)，c0为泄漏孔口出的燃气浓度(％)，θ为射流方向与地面的夹角，a为紊流结构系数。

2)基于工程热力学原理及几何学原理，室外侧修正可燃工质与空气混合物与点火源在空间上重合的值fs的表达式为：

瞬时泄漏、连续泄漏：

式中，

其中，f为无风率，vr为室外机体积，对于室外侧泄漏而言，根据实验结果可知，泄漏后的制冷剂集中在室内机机壳内，因此，ve为在室外机机壳内其余物体(障碍物)所占体积。

进一步的，步骤(3)包括瞬时泄漏和连续泄漏两种泄漏情况，其具体计算过程为：

基于工程热力学原理，室内室外侧修正可燃工质与空气混合物与点火源在时间上重合的值ft的表达式为：

瞬时泄漏：ft＝1(16)

连续泄漏：

其中，τc为可燃区域持续时长，指浓度超过制冷工质燃爆下限lfl的时长，τt为泄漏总时长，d0为在压力p0＝1.013×10⁵pa，温度为t0＝273k时的扩散系数，p、t为所测工况下的压力和温度。

进一步的，计算得到不同泄漏类型的火灾风险概率值；

fignition＝pleak×fs·ps×(ft·pt+pi)(18)

式中pi＝n×τb(19)

其中，fignition为可燃工质泄漏火灾风险概率值，η为连续泄漏占总泄漏的比值，n为常见点火源的点火总概率，τb为点火源点燃平均持续时间。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明的评价制冷系统可燃工质泄漏火灾风险的方法，基于可燃工质泄漏概率、点火源和可燃工质与空气形成的混合物在空间上重合的概率ps以及点火源和可燃工质与空气形成的混合物在时间上重合的概率pt，基于物理原理的公式推导，对点火源和可燃工质与空气形成的混合物在空间上重合的概率ps以及点火源和可燃工质与空气形成的混合物在时间上重合的概率pt进行修正后，概率相乘得到最终计算可燃工质泄漏火灾的风险值；本发明的理论推导，基于制冷工质瞬时泄漏模型、制冷工质连续泄漏射流模型、制冷工质泄漏后的空间拥塞率，定义可燃工质泄漏后的有效计算区域，增加空间内障碍物对泄漏的影响，以及可燃工质泄漏达到可燃浓度所持续的时长占泄漏总时长的比例，使得计算区域更为精确，计算结果更加有效。本发明的评价方法，考虑全面、详细务实，对于判断可燃工质在制冷系统中的风险值具有重要意义。

进一步的，考虑最危险的工况，室内室外侧在无风时，泄漏的浓度分布达到最大值；考虑到可燃工质泄漏后浓度场分布的诸多影响因素，主要来自制冷系统可燃工质的泄漏量、泄漏角度、泄漏孔径的大小、泄漏后的扩散系数、泄漏后可燃区域存在时间等，利用理论公式进行推导得到修正公式，使得计算结果更加贴近实际泄漏情况，为制冷系统可燃工质泄漏火灾风险值的计算提供了理论依据。

附图说明

图1为本发明的计算流程图；

图2为氨机房空间布置图(图原型为参考文献中的氨机房制冷系统，①，②，③为压缩机；④为低压循环桶；⑤为贮液桶)。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本实施例以氨在机房的泄漏情况对本发明做进一步的详细说明，但本发明并不局限于此。

(1)确定氨在机房内泄漏事件发生的概率值，以及统计计算在氨机房内可能出现点火源的点火概率值；

(2)利用修正公式对氨在机房泄漏的产生的可燃区域与点火源在空间上重合的值fs，可可燃区域与点火源在时间上重合的值ft进行计算；

(3)基于修正后的值计算氨在机房内泄漏可能产生火灾风险的概率fignition；

实施例

氨机房空间大小为13.5×5.3×6(m)，储罐高2m，长1m，宽1m；低压桶长3m，宽1m，高1m，泄漏发生在2号压缩机上方，泄漏点温度处于343k，压力为1.151mpa，泄漏孔径为10mm，泄漏速度为392m/s，泄漏方向垂直向上，氨气为连续泄漏，可燃区域持续时长约为17s，总泄漏时长为20s。

根据氨泄漏统计值，计算氨发生泄漏的概率为

可燃区域占整个空间的比值为：

可燃区域空间内障碍物位置对泄漏浓度分布的修正公式为：

算例中，泄漏发生在2号压缩机位置，1号和3号压缩机相对于2号压缩机的分布是对称的。

可燃区域与点火源在空间上相遇的位置修正为：

环境温度为293k，压力为常压，时间修正为：

氨泄漏可燃区域与点火源在时间上相遇的概率为：

点火源n的概率由点火源的故障树顶上事件计算可知，

n＝2.383×10^-3(12)

点火源点火的概率为：

计算得到最终氨泄漏可能引发火灾的概率为：

fignition＝pleak×fs·ps×(ft·pt+pi)

＝2.54×10^-4×1.012×0.872×(0.756×6.752×10^-4+7.943×10^-5)

＝1.323×10^-7(14)

居民对氨泄漏可接受的个人风险概率最高为1×10^-7，因此，该工况下氨的泄漏高于个人可接受风险，需要进行重点防控。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。