可燃性混合工质有机朗肯循环系统运行安全性能研究

摘要

内燃机作为能源消耗的主要动力设备，在运行时有大量的热量通过排气余热的形式散失，开展内燃机的余热回收不仅能提高内燃机效率，而且能带来巨大的经济及环境效益。有机朗肯循环系统作为一种高效的余热回收技术手段, 其循环工质的物性在很大程度上决定着系统的性能，所以系统循环工质的选择非常重要。针对由于内燃机排气具有温度高的特点，将某些热力性能优良、环保性能好但可燃的小分子碳氢工质与阻燃剂二氧化碳混合,形成与高温排气相匹配的高效、环保、安全的混合工质。但在实际应用中，混合工质不可避免的从有机朗肯循环系统中泄漏出来，在环境中浓度积累到一定程度便存在燃烧爆炸的风险。目前，尚无基于系统运行层面的可燃碳氢/CO2混合工质泄漏后的安全问题研究。因此，本文将基于有机朗肯循环系统的运行层面，研究工质泄漏后的安全问题，旨在构建系统、全面的安全评价体系，对系统及工质的安全性进行评估，并制定针对性的风险规避措施，提高系统运行安全性。 本文构建了针对内燃机余热回收有机朗肯循环系统的三层级安全性评价体系，包括泄漏浓度场分析，爆炸风险评估和风险规避措施的制定。首先利用CFD方法对混合工质泄漏后的浓度场进行仿真模拟，并结合TNT当量法对工质泄露后的爆炸风险性进行评估，最后通过对不同影响因素下浓度场分布及易爆区域的分析，提出针对性的风险规避措施。以实验室柴油机余热回收系统为原型，对丙烷/CO2混合工质泄漏后的安全性进行了安全评估；并基于已构建的三层级安全评估模型，对不同碳氢/CO2混合工质泄漏后的安全性进行了评估。 研究发现，工质泄漏后的浓度分布是在泄漏初动量、通风条件、重力及房间内障碍物共同作用下的结果；随着泄漏时间的增大，各个损伤半径的范围不断增大；冲击波超压的值随距离的增加不断衰减；当混合工质中 HC 配比为 0.4 时，易爆区域只集中在泄漏口上方的区域，碳氢类配比不宜超过 0.4；通过分析不同监测点处浓度随时间的变化，发现当气体监测装置安装在屋顶上方时，能在1s内及时监测出泄漏的发生。爆炸后的破坏效应从丙烯/CO2 到丙烷/CO2，丁烷/CO2，戊烷/CO2，随着可燃组元分子量的增大而依次增强。 研究表明，对可燃碳氢/CO2混合工质实际应用于余热回收有机朗肯循环系统的泄漏风险预测，提出针对性规避措施，可有效减少人员伤亡和设备损毁，有利于提高系统的安全性能。对可燃碳氢/CO2混合工质实际中的风险评估，可以促进混合工质安全性的研究。本文提出的安全评估模型，不仅适用于有机朗肯循环系统碳氢/CO2混合工质，还适用于其他可燃工质与制冷及热泵系统。

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第一章 绪　论

1.2 工质泄漏安全的研究现状

1.2.2 工质安全性的研究现状

1.3 本文研究课题的确定

1.4 本文的研究思路及主要研究内容

第二章 有机朗肯循环系统泄漏安全评价体系构建

2.2 风险识别

2.2.1 气体泄漏扩散模型研究

2.2.2 混合工质泄漏速率的确定

2.2.4 气体泄漏扩散的基本方程

2.2.5 模型验证

2.3 风险评估

2.3.1 TNT当量法

2.3.2 损伤区域的确定

2.3.2 概率评估法

2.4 风险规避

2.5 本章小结

第三章 可燃性混合工质系统安全性评价结果

3.1.2 网格及时间步长独立性验证

3.1.3 泄漏扩散模拟

3.1.4 浓度场分析

3.1.4.1 不同平面浓度变化的分析

3.1.4.2 不同高度浓度分布的分析

3.1.4.3 不同时间的浓度变化

3.2 爆炸风险评估

3.2.2 爆炸超压对建筑的损伤评估

3.2.3 爆炸超压对人员的损伤评估

3.3 系统泄漏风险预防措施

3.3.1 混合工质安全配比的筛选

3.3.2 通风系统的设计

3.3.2.1 通风系统布置形式设计

3.3.2.2 通风强度的设计

3.3.3 气体泄漏监测装置的安装位置

3.4 本章小结

第四章 不同组元混合工质安全性评价

4.1 不同混合工质泄漏扩散特性对比

4.2 不同混合工质爆炸效应对比

4.2.2 对建筑及人员损伤的评估对比

4.2.3 超压及安全距离的变化规律

4.3 混合工质爆炸效应与纯工质的对比分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致　谢