一种加氢站火灾事故热辐射评估方法及系统

摘要

本发明公开了一种加氢站火灾事故热辐射评估方法及系统，根据加氢站的类型和等级进行火灾场景预测，根据火灾场景预测结果分析火灾事故原因以及火灾类型；然后，根据火灾类型，建立火灾事故网络模型；根据火灾事故网络模型，通过模拟计算即可得到不同位置的热辐射强度，根据确定的火灾事故不同位置的热辐射强度，对应火灾热辐射伤害准则表确定不同火灾事故对应的不同伤害等级距离，通过分析加氢站火灾事故危险，通过火灾事故网络模型模拟加氢站火灾事故，可为建立加氢站设备之间的防火间距和有效降低火灾事故风险提供数据上的支持，最终达到减少人员伤亡和财产损失的目的，具有重大的经济效益和社会效益。

说明书

技术领域

本发明涉及火灾事故危险分析技术领域，尤其涉及一种加氢站火灾事故热辐射评估方法及系统。

背景技术

氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。在2019年政府工作报告中，国家将推进加氢站建设写进政府工作任务中。目前，以加油站或加气站为基础建设加氢站，不仅安全且成本低，同时省去了选址的麻烦，容易推广，因此未来这种加氢加油和加氢加气合建站将成为主流。氢气是一种具有危险性的气体，与空气混合形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸，加氢站、加氢加气和加氢加油合建站中存储有大量的氢气和油品，一旦泄漏很容易发生火灾爆炸等事故。加氢站中的高压储氢容器、长管拖车等暴露在火灾下，可能会由于内部压力增加或温度升高使得容器材料的机械性能降低而导致容器开裂甚至爆炸，从而产生灾难性的后果。目前我国加氢站领域的风险评估还处于初期阶段，尤其是对于火灾事故的危险分析还在起步阶段，并且没有形成系统工作，因此亟需开展加氢站火灾事故危险分析工作，对加氢站火灾事故进行有效的评估预测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种加氢站火灾事故热辐射评估方法及系统，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种加氢站火灾事故热辐射评估方法，包括以下步骤：

S1，根据加氢站的类型和等级进行火灾场景预测，根据火灾场景预测结果分析火灾事故原因以及火灾类型；

S2，根据火灾类型，建立火灾事故网络模型；

S3，根据火灾事故网络模型，通过模拟计算即可得到不同位置的热辐射强度，根据确定的火灾事故不同位置的热辐射强度，对应火灾热辐射伤害准则表确定不同火灾事故对应的不同伤害等级距离。

进一步的，加氢站包括加氢单建站、加氢加气合建站和加氢加油合建站，加氢单建站和加氢加油合建站的等级包括一级站、二级站和三级站，加氢加气合建站等级包括一级站和二级站。

进一步的，进行火灾场景预测具体包括预测泄漏源、预测泄漏工况和预测点火源。

进一步的，加氢单建站的泄漏源包括加氢机、加氢机软管、固定式高压储氢容器、长管拖车、输送车、输氢管道；加氢加油合建站的泄漏源包括加氢机、加氢机软管、加油机、加油机软管、固定式高压储氢容器、埋地油罐、长管拖车、输送车、输氢管道、输油管道和油罐车；加氢加气合建站的泄漏源包括加氢机、加氢机软管、加气机、加气机软管、固定式高压储氢容器、储气罐、长管拖车、输送车、输氢管道、输气管道和油罐车。

进一步的，泄漏工况包括泄漏位置、泄漏速度、泄漏孔形状和大小、泄漏时间、泄漏形态、环境风速和环境温度。

进一步的，加氢站点火源包括发动机火花、发动机排气热、电气火花、机械火花、撞击火花、静电火花、电器及雷击。

进一步的，加氢加油合建站的火灾类型为池火灾，加氢单建站和加氢加气合建站的火灾类型为喷射火灾。

进一步的，火灾事故数学模型包括火灾事故数学模型和火灾事故三维数值模拟模型；

池火灾下的火灾事故数学模型包括点源模型、Shokri-Beyler模型和Mudan模型，喷射火下的火灾事故数学模型包括单点源模型、多点源模型、加权多点热源模型、平头锥体模型和线热源模型。

进一步的，火灾事故网络模型包括火灾事故数学模型和火灾事故三维数值模拟模型；根据确定的火灾事故数学模型，通过理论计算得到具体火灾不同位置的热辐射强度；

根据火灾事故三维数值模拟模型，以计算流体软件FLUENT为工具，建立不同火灾场景的三维数值模拟模型，进行不同火灾的数值模拟，根据建立的火灾事故三维数值模拟模型，通过数值模拟，模拟具体火灾不同位置的热辐射强度。

一种加氢站火灾事故热辐射评估系统，包括预测模块和评估计算模块；

预测模块用于根据加氢站的类型和等级进行火灾场景预测，并以火灾场景预测结果分析火灾事故原因以及火灾类型；评估计算模块根据火灾类型模拟火灾事故网络模型，并通过模拟计算即可得到不同位置的热辐射强度，根据确定的火灾事故不同位置的热辐射强度，对应火灾热辐射伤害准则表确定不同火灾事故对应的不同伤害等级距离。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种加氢站火灾事故热辐射评估方法，根据加氢站的类型和等级进行火灾场景预测，根据火灾场景预测结果分析火灾事故原因以及火灾类型；然后，根据火灾类型，建立火灾事故网络模型；根据火灾事故网络模型，通过模拟计算即可得到不同位置的热辐射强度，根据确定的火灾事故不同位置的热辐射强度，对应火灾热辐射伤害准则表确定不同火灾事故对应的不同伤害等级距离，通过分析加氢站火灾事故危险，通过火灾事故网络模型模拟加氢站火灾事故，可为建立加氢站设备之间的防火间距和有效降低火灾事故风险提供数据上的支持，最终达到减少人员伤亡和财产损失的目的，具有重大的经济效益和社会效益。

进一步的，通过理论分析和数值模拟两种方法建立加氢站设备之间的防火间距和有效降低火灾事故风险提供数据上的支持，提高了数据的准确度。

一种加氢站火灾事故热辐射评估系统，能够快速对外部流场区域进行数值分析研究，系统高效地获取了火灾外流场的热辐射强度分布情况，更能真实还原实际火灾场景，更符合实际火灾工况，计算精度更高。

附图说明

图1为本发明实施例一所示的一种加氢站火灾事故热辐射评估方法及系统流程图；

图2为本发明实施例所示加氢站工艺流程图。

图3为本发明实施例加氢站平面布置图。

图4为本发明实施例加氢加油合建站平面布置图。

图5为本发明实施例一所述方法计算得到的火灾场景不同热辐射强度对应的伤害等级图。

图6为本发明实施例二所示的一种加氢站火灾事故热辐射评估方法及系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种加氢站火灾事故热辐射评估方法，包括以下步骤：

S1，根据加氢站的类型和等级进行火灾场景预测，根据火灾场景预测结果分析火灾事故原因以及火灾类型；

加氢站包括加氢单建站、加氢加气合建站和加氢加油合建站，加氢单建站和加氢加油合建站的等级包括一级站、二级站和三级站，加氢加气合建站等级包括一级站和二级站；

进行火灾场景预测具体包括：

1-1：确定泄漏源：加氢单建站的泄漏源包括加氢机、加氢机软管、固定式高压储氢容器、长管拖车、输送车、输氢管道；加氢加油合建站的泄漏源包括加氢机、加氢机软管、加油机、加油机软管、固定式高压储氢容器、埋地油罐、长管拖车、输送车、输氢管道、输油管道和油罐车；加氢加气合建站的泄漏源包括加氢机、加氢机软管、加气机、加气机软管、固定式高压储氢容器、储气罐、长管拖车、输送车、输氢管道、输气管道和油罐车；

1-2：确定泄漏工况：根据步骤1-1确定的泄漏源，泄漏源分为气体泄漏和液体泄漏两种，泄漏工况包括泄漏位置、泄漏速度、泄漏孔形状和大小、泄漏时间、泄漏形态、环境风速和环境温度；

1-3：确定点火源：加氢站点火源包括发动机火花、发动机排气热、电气火花、机械火花、撞击火花、静电火花、电器及雷击。

加氢加油合建站的火灾类型为池火灾，加氢单建站和加氢加气合建站的火灾类型为喷射火灾；

S2，根据火灾类型，建立火灾事故网络模型；

火灾事故数学模型包括火灾事故数学模型和火灾事故三维数值模拟模型；

池火灾下的火灾事故数学模型包括点源模型、Shokri-Beyler模型和Mudan模型，喷射火下的火灾事故数学模型包括单点源模型、多点源模型、加权多点热源模型、平头锥体模型和线热源模型；根据火灾事故产生的原因和特点，结合各数学模型的适用范围，确定在不同火灾类型下得到不同火灾事故的数学模型；

S3，根据火灾事故网络模型，通过模拟计算即可得到不同位置的热辐射强度，根据确定的火灾事故不同位置的热辐射强度，对应火灾热辐射伤害准则表确定不同火灾事故对应的不同伤害等级距离。火灾事故网络模型包括火灾事故数学模型和火灾事故三维数值模拟模型；

具体的，根据确定的火灾事故数学模型，通过理论计算得到具体火灾不同位置的热辐射强度；

根据火灾事故三维数值模拟模型，以计算流体软件FLUENT为工具，建立不同火灾场景的三维数值模拟模型，进行不同火灾的数值模拟，根据建立的火灾事故三维数值模拟模型，通过数值模拟，模拟具体火灾不同位置的热辐射强度。具体包括以下步骤：

3-1：建立火灾三维数值模拟几何模型并进行网格划分，根据火灾场景和火灾类型，建立火灾三维数值模拟几何模型；

3-2：确定火灾三维数值模拟子模型，对于火灾模拟需要打开能量方程、湍流方程、燃烧方程和辐射方程，湍流模型选择RNG模型，燃烧模型选择非预混燃烧模型，辐射模型选择DO模型；

3-3：确定火灾三维数值模拟边界条件：根据预测的火灾场景和火灾类型，确定火灾三维数值模拟模型的边界条件；

3-4：对于火灾模拟，采用基于压力修正法的SIMPLE算法，控制方程的离散格式采用二阶迎风格式，通过数值模拟即可得到具体火灾不同位置的热辐射强度。本发明所述的一种加氢站火灾事故热辐射评估方法，对加氢站划分不同火灾场景和火灾类型，运用FLUENT软件建立火灾三维数值模拟几何模型，对外部流场区域进行数值分析研究，系统高效地获取了火灾外流场的热辐射强度分布情况，该方法更能真实还原实际火灾场景，更符合实际火灾工况，计算精度更高。

综上所述，本发明的技术方案，为加氢站火灾事故危险分析和风险评估提供了可靠的理论依据和三维数值模拟模型，为加氢站防范火灾事故提供技术支持和参考依据，达到减少人员伤亡和财产损失的目的，具有重大的经济效益和社会效益。

实施例一

如图1所示，本发明的一种加氢站火灾事故热辐射评估方法，

具体包括以下步骤：

步骤1：确定加氢站类型和等级：

在进行加氢站火灾事故热辐射评估之前，首先需要确定加氢站的类型和规模；目前现有的加氢站主要为加氢单建站，随着加氢站普及范围越来越广，以现有加油站和加气站为基础建立加氢加油、加氢加气合建站将在未来成为主流。加氢站可分为加氢单建站、加氢加气合建站以及加氢加油合建站。根据GB 50516-2010《加氢站技术规范》规定，加氢站分为三个等级，加氢加气合建站分为两个等级，加氢加油合建站分为三个等级，其具体规定如表1所示。

表1加氢站类型及等级划分

注：1、V为油罐总容积(m

2、柴油罐容积可折半计入油罐总容积；

3、当油罐总容积大于60m

4、当储氢罐总容积大于4000kg时，单罐容量不得大于2000kg；当储罐总容量大于1000kg时，单罐容量不得大于1000kg。

5、“×”表示不得合建。

步骤2：预测火灾场景：在进行加氢站火灾事故危险分析之前，需要根据步骤1确定的加氢站类型和等级进行火灾场景的预测，分析火灾事故原因。

步骤2-1：确定泄漏源：

加氢站主要工艺流程如图2所示，加氢单建站和加氢加油合建站平面布置图分别如图3和4所示；加氢单建站主要分为三个区域，分别为加注区、设备区和站控系统区。加注区主要设备有加氢机；设备区主要设备有压缩机、高压储氢容器、长管拖车，其中高压储氢容器可分为立式钢带缠绕式高压储氢容器、卧式钢带缠绕式高压储氢容器、气瓶组高压储氢容器。站控系统区域主要包括监控室和配电室等。加气加油合建站在上述设备的基础上，还有加气机、储气罐。加氢加油合建站在上述设备的基础上，还有加油机、储油罐、油罐车。根据上述加氢站的工艺流程和平面布置图确定不同类型加氢站的泄漏源如表2所示，加氢站泄漏源包括但不限于表中所列。

表2不同类型加氢站泄漏源

步骤2-2：确定泄漏工况。

根据步骤2-1确定的泄漏源，泄漏可分为气体泄漏和液体泄漏两种。泄漏工况主要包括泄漏位置、泄漏速度、泄漏孔形状和大小、泄漏时间、泄漏形态、环境风速、环境温度。

步骤2-3：确定点火源。

加氢站点火源包括但不限于发动机火花、发动机排气热、电气火花、机械火花、撞击火花、静电火花、电器及雷击。

步骤3：确定火灾类型。

根据步骤2中预测的火灾场景，分析火灾事故原因，加氢加油合建站，由于油品泄漏流到地面形成液池或流到水面并覆盖水面，遇到点火源燃烧引发的火灾属于池火灾。因储罐破损、法兰盘、安全阀失效或管道破损等导致气体连续泄漏形成射流，遇到点火源燃烧引发的火灾属于喷射火。

步骤4：确定火灾事故数学模型。

池火灾下的火灾事故数学模型包括点源模型、Shokri-Beyler模型和Mudan模型。点源模型不考虑火焰形状，将火焰看作是一个质点，火焰释放的能量以该中心向外辐射；点源模型主要考虑火焰的热释放速率、点热源与目标物的距离以及目标物平面方向因素，火焰形状对目标物接受到的热辐射影响比较小。Shokri-Beyler模型假设辐射源通过表面均匀释放能量，辐射源是以液池直径为直径、以火焰高度为高度的圆柱体。Mudan模型考虑了风速的影响，无风条件下将火焰辐射源看作是垂直圆柱形模型，有风条件下将火焰辐射源看作倾斜的圆柱形模型。

以点源模型为例，池火灾数学模型建立包括以下几个步骤：

(1)确定火焰燃烧速度：

式中：H

(2)确定火焰高度：

式中：h为火焰高度，m；r为液池半径，m；ρ

(3)确定池总热辐射通量：

式中：Q为总热辐射通量，W；η为效率因子，可取0.13～0.35；

(4)确定目标距离热辐射通量：

式中：I为总热辐射通量，W/m

喷射火数学模型包括单点源模型、多点源模型、加权多点热源模型、平头锥体模型和线热源模型。单点源模型把火焰燃烧所产生的热量集中到火焰中心某一点上，不考虑火焰实际几何尺寸的影响。多点源模型考虑火焰高度，把火焰的热量均匀分布到火焰中心线上且能量相同的若干点热源。加权多点源模型考虑火焰热量的不均匀性，假设火焰为分布在火灾中心线上的各点，其热量与其位置成一定的比例关系。平头锥体模型考虑火焰的高和宽，把热量视为圆锥形火焰表面发出。线热源模型将火焰热载荷均匀分布到火焰中心线的线热源上，应用于垂直喷射火情况。

以多点源模型为例，喷射火数学模型建立包括以下几个步骤：

(1)确定喷射火扩张喷射出口速度

式中：u

(2)确定火焰形状

式中：D

L

式中：Lb为喷射火焰从火焰顶端到泄漏口中心的距离；Θ

式中：A为火焰的面积，m

(3)确定表面辐射率

Q'＝m'×ΔH

式中：Q'为热辐射通量；m'为物质的泄漏速度，kg/s；ΔH

F

式中：F

(4)确定视角因子

式中：F

(5)确定目标距离热辐射通量

q”＝SEP

式中：q”某一距离的热辐射强度，W/m

根据火灾事故产生的原因和特点，结合各数学模型的适用范围，确定不同火灾事故的数学模型。

步骤5：确定火灾事故的热辐射强度。

根据步骤4确定的火灾事故数学模型，通过理论计算，计算具体火灾不同位置的热辐射强度。以直径为10m的池火灾为例，采用点源模型进行计算，热辐射强度随距池中心距离变化如图5所示。

步骤6：确定人员和设备安全距离。

根据步骤5确定的火灾事故不同位置的热辐射强度，对应火灾热辐射伤害准则表确定不同火灾事故对应的不同伤害等级距离，火灾热辐射伤害准则如表3所示。以直径为10m的池火灾为例，采用点源模型进行计算，对应的不同伤害等级距离如图5所示。

表3火灾热辐射伤害准则

本实施例所述的一种加氢站火灾事故危险分析方法，提供了一种简洁，易程序化的火灾事故危险分析方法，同时可为数值模拟方法提供理论依据。

实施例二

如图2所示，本发明的一种加氢站火灾事故热辐射评估方法，具体包括以下步骤：

步骤1-3与实施例一中一种加氢站火灾事故危险分析理论计算方法步骤1-3相同；

步骤4：建立火灾事故三维数值模拟模型。利用大型计算流体软件FLUENT为工具，建立不同火灾场景的三维数值模拟模型，对不同火灾场景进行数值模拟。步骤4具体包括以下步骤：

步骤4-1：建立火灾三维数值模拟几何模型并进行网格划分。

根据步骤2预测的火灾场景和步骤3确定的火灾类型，建立火灾三维数值模拟的几何模型，并进行网格划分。网格划分是计算流体力学中的关键步骤，网格的数目决定了计算的精度，在网格无关性分析的基础上，对于核心区域进行网格加密，以提高计算精度，对于扩展区域可采用较大的网格，以便减少计算时间，提高计算效率。

步骤4-2：确定火灾三维数值模拟子模型。模拟火灾涉及到流动、传质传热、燃烧现象，因此需要打开能量方程、湍流方程、燃烧方程和辐射方程。

对于湍流模型，k-ε湍流模型是FLUENT中最常用的湍流模型，具有适用范围大、计算资源需求少，收敛性好等优点，主要应用在无分离、可压/不可压流动问题，其中k-ε湍流模型中包括标准k-ε模型，RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型。RNG模型相比于标准k-ε对于瞬变流和流线弯曲的影响能做出更好的反应，因此湍流模型选择RNGk-ε模型。

对于燃烧模型，Fluent提供了四种燃烧模型，分别是有限速率模型，非预混燃烧(PDF)模型，预混燃烧模型，部分预混燃烧模型。非预混燃烧(PDF)模型不求解单个组分的输运方程，而是求解一个或者两个守恒标量(混合分数)的输运方程。PDF模型尤其适合于湍流扩散火焰的模拟和类似的反应过程。在该模型中，用概率密度函数PDF来考虑湍流效应。该模型不要求用户显式地定义反应机理，而是通过火焰面方法(即混即燃模型)或化学平衡计算来处理，因此比有限速率模型有更多的优势。因为不需要解大量的组分运输方程，该模型在计算上效率高。因此燃烧模型选择非预混燃烧(PDF)模型。

对于辐射模型，Fluent提供了五种辐射模型，分别是P-1模型，Rosseland模型，离散传递(DTRM)模型，离散坐标(DO)模型和表面辐射(S2S)模型。模拟火灾场景辐射条件非常复杂，DO模型的适用范围最广，因此辐射模型选择DO模型。

模型的控制方程如下：

质量守恒方程：

式中：ρ为密度，t为时间，u

动量守恒方程：

式中：p为单位压力，μ为动力粘度，δ

能量守恒方程：

式中：E为单位压力，T为流体温度，k

RNGk-ε双方程：

式中：G

热辐射方程：

式中：

步骤4-3：确定三维数值模拟边界条件。

根据步骤2预测的火灾场景和步骤3确定的火灾类型，确定火灾三维数值模拟模型的边界条件。

步骤4-4：确定火灾三维数值模拟数值算法及离散格式。

对于火灾模拟，可采用基于压力修正法的SIMPLE算法，控制方程的离散格式可采用二阶迎风格式。

步骤5：确定火灾事故的热辐射强度。

根据步骤4建立的火灾事故三维数值模拟模型，通过数值模拟，模拟具体火灾不同位置的热辐射强度。

步骤6：确定人员和设备安全距离。

根据步骤5确定的火灾事故不同位置的热辐射强度，对应火灾热辐射伤害准则表确定不同火灾事故对应的不同伤害等级距离。

本发明通过分析加氢站火灾事故危险，通过理论分析和数值模拟两种方法建立加氢站火灾事故模型，可为建立加氢站设备之间的防火间距和有效降低火灾事故风险提供数据上的支持，为加氢站防范火灾事故提供技术支持和参考依据，最终达到减少人员伤亡和财产损失的目的，具有重大的经济效益和社会效益。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。