[发明专利]一种有机朗肯循环系统混合工质泄漏安全性的评估方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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；