CN111368445A - 一种基于天然气热辐射的安全距离确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天然气热辐射的安全距离确定方法及系统，所述安全距离确定方法包括：获取可燃气体参数；根据可燃气体参数确定质量流量；根据质量流量确定等效火源直径以及燃烧产热；根据等效火源直径确定喷射火焰高度；根据喷射火焰高度确定喷射火焰表面积；根据燃烧产热确定表面辐射功率；获取观测点距离泄漏点的距离以及当地大气中的水分压；根据喷射火焰高度以及观测点距离泄漏点的距离确定最大视角因子；根据当地大气中的水分压确定大气透射率；根据大气透射率以及最大视角因子确定任一位置处的热辐射；根据热辐射确定安全距离。采用本发明所提供的安全距离确定方法及系统能够快速确定重大关键仪器设备与管道间的热辐射安全设计距离。

Description

一种基于天然气热辐射的安全距离确定方法及系统

技术领域

本发明涉及天然气热辐射评估领域，特别是涉及一种基于天然气热辐射的安全距离确定方法及系统。

背景技术

油气储运管线设施，易因腐蚀等原因破裂，造成可燃气体泄漏，形成喷射火燃爆事故，带来的高温与强热辐射则易造成其余设施二次爆炸、火灾或其他后果严重的灾害，因此，需要在设计中预先对事故可能造成的热辐射损伤进行估算，提供关键仪器布设安全距离；如果发生事故，现场抢险救援人员需要可活动的热辐射安全距离划定。现有的热辐射估算方法包括使用点源模型基础的喷射火模型，以及各种复杂的计算流体力学模型等，但其需要数日的漫长计算以及高度专业的流体力学专业人员来操作，不适应于工程现场的即时、简便、易操作等要求。

发明内容

针对现有技术中的技术问题，本发明提供了一种基于天然气热辐射的安全距离确定方法及系统，以解决现有的热辐射估算方法确定热辐射安全距离耗时长，效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以解决：

一种基于天然气热辐射的安全距离确定方法，包括：

获取可燃气体参数；所述可燃气体参数包括可燃气体分子质量、气体定压比热、气体定容比热、气体初始温度、初始气体压力、泄漏面积以及孔流系数；

根据所述可燃气体参数确定质量流量；

根据所述质量流量确定等效火源直径以及燃烧产热；

根据所述等效火源直径确定喷射火焰高度；

根据所述喷射火焰高度确定喷射火焰表面积；

根据所述燃烧产热以及所述喷射火焰表面积确定表面辐射功率；

获取观测点距离泄漏点的距离以及当地大气中的水分压；

根据所述喷射火焰高度以及所述观测点距离泄漏点的距离确定最大视角因子；

根据所述当地大气中的水分压确定大气透射率；

根据所述表面辐射功率、所述大气透射率以及所述最大视角因子确定任一位置处的热辐射；

根据所述热辐射确定安全距离。

进一步地，所述根据所述可燃气体参数确定质量流量，具体包括：

根据公式

确定质量流量；

其中，C₀为孔流系数，圆孔取1；A₁为泄漏面积；m′为质量流量；P_init为初始气体压力；γ为比热比；T_s为气体初始温；W_g为可燃气体分子质量；R_c为普适气体常数。

进一步地，所述根据所述质量流量确定等效火源直径以及燃烧产热，具体包括：

根据公式

确定等效火源直径；

其中，Ds为等效火源直径，P_air为大气压力；u_j为喷射气流速度；

根据公式Q′＝m′×ΔH_c确定燃烧产热；

其中，Q′为燃烧产热；ΔH_c为可燃气体燃烧热；π为圆周率。

进一步地，所述根据所述等效火源直径确定喷射火焰高度，具体包括：

根据公式

确定喷射火焰高度；

其中，L_b为喷射火焰高度；L_b0为静止空气中火焰长度，L_b0＝Y×D_s，Y为第一辅助变量；θ为泄漏喷口与水平面倾斜角；u_w为风速。

进一步地，所述根据所述喷射火焰高度确定喷射火焰表面积，具体包括：

根据公式

确定喷射火焰表面积；

其中，A₂为喷射火焰表面积；W₁为火焰底部宽度；W₂为火焰顶部宽度；R_l为燃烧中的火焰长度。

进一步地，所述根据所述燃烧产热以及所述喷射火焰表面积确定表面辐射功率，具体包括：

根据公式SEP＝F_s×Q′/A₂确定表面辐射功率；

其中，SEP为表面辐射功率；F_s为热能向表面辐射的转化比例。

进一步地，所述根据所述喷射火焰高度以及所述观测点距离泄漏点的距离确定最大视角因子，具体包括：

根据公式

确定最大视角因子；

其中，F_max为最大视角因子；F_v为垂直视角因子；F_h为水平视角因子。

进一步地，所述根据所述当地大气中的水分压确定大气透射率，具体包括：

根据公式τ_a＝2.02×(p_w×x)^-0.08确定大气透射率；

其中，τ_a为大气透射率；p_w为当地大气中的水分压；x为第二辅助变量。

进一步地，所述根据所述表面辐射功率、所述大气透射率以及所述最大视角因子确定任一位置处的热辐射，具体包括：

根据公式q″＝SEP×F_max×τ_a确定任一位置处的热辐射；

其中，q″为任一位置处的热辐射。

一种基于天然气热辐射的安全距离确定系统，包括：

可燃气体参数获取模块，用于获取可燃气体参数；所述可燃气体参数包括可燃气体分子质量、气体定压比热、气体定容比热、气体初始温度、初始气体压力、泄漏面积以及孔流系数；

质量流量确定模块，用于根据所述可燃气体参数确定质量流量；

等效火源直径以及燃烧产热确定模块，用于根据所述质量流量确定等效火源直径以及燃烧产热；

喷射火焰高度确定模块，用于根据所述等效火源直径确定喷射火焰高度；

喷射火焰表面积确定模块，用于根据所述喷射火焰高度确定喷射火焰表面积；

表面辐射功率确定模块，用于根据所述燃烧产热以及所述喷射火焰表面积确定表面辐射功率；

获取模块，用于获取观测点距离泄漏点的距离以及当地大气中的水分压；

最大视角因子确定模块，用于根据所述喷射火焰高度以及所述观测点距离泄漏点的距离确定最大视角因子；

大气透射率确定模块，用于根据所述当地大气中的水分压确定大气透射率；

热辐射确定模块，用于根据所述表面辐射功率、所述大气透射率以及所述最大视角因子确定任一位置处的热辐射；

安全距离确定模块，用于根据所述热辐射确定安全距离。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：在天然气管道敷设路径设计时，考虑到管道发生喷射火事故后对周围人员仪器的可能损伤，以及事故后人员处理施救时的安全距离划定，需要在短时间内，对管道喷射火热辐射对周围不同距离处的毁伤等级进行快速估算；本发明提高了一种基于天然气热辐射的安全距离确定方法及系统，可以在单台笔记本电脑级别的很小的计算资源下，使用远小于复杂计算流体力学模型的计算资源、计算时间与专业性要求，得到符合工程准确度要求的喷射火焰热辐射与毁伤分布范围，适合于安全设计工程人员对仪器设备布设安全距离进行计算，快速确定重大关键仪器设备与管道间的热辐射安全设计距离，以及事故后抢险人员活动的热辐射安全距离。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的基于天然气热辐射的安全距离确定方法流程图；

图2为本发明所提供的基于天然气热辐射的安全距离确定系统结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于天然气热辐射的安全距离确定方法及系统，能够快速确定重大关键仪器设备与管道间的热辐射安全设计距离，以及事故后抢险人员活动的热辐射安全距离。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

表1为参量含义及其获取方法示意表，按照下表变量表中所描述的方法，得到计算所需各个参量，如表1所示。

表1参量含义及其获取方法示意表

图1为本发明所提供的基于天然气热辐射的安全距离确定方法流程图，如图1所示，一种基于天然气热辐射的安全距离确定方法，包括：

步骤101：获取可燃气体参数；所述可燃气体参数包括可燃气体分子质量、气体定压比热、气体定容比热、气体初始温度、初始气体压力、泄漏面积以及孔流系数。

步骤102：根据所述可燃气体参数确定质量流量。

计算与空气的混合物中可燃气体质量占比

其中，W_g为可燃气体分子质量，单位kg/mol。

计算比热比γ：γ＝C_p/C_v

其中，C_p为气体定压比热，C_v为气体定容比热。

计算膨胀射流温度：

其中，T_s为气体初始温度，单位K；P_air为大气压力，单位N/m²；P_init为初始气体压力，单位N/m²。

计算出口平面静压：

计算出口塞流马赫数：

计算膨胀射流速度：

其中，u_j为膨胀射流速度。

计算风速与射流速度之比：R_w＝u_w/u_j

计算大气密度：ρ_air＝P_air×W_air/(R_c×T_air)

其中，W_air为空气分子质量，单位kg/mol；T_air为空气温度，单位K。

质量流量：

其中，m′为质量流量，单位kg/s；C₀为孔流系数，圆孔取1；A₂为泄漏面积。

步骤103：根据所述质量流量确定等效火源直径以及燃烧产热。

根据公式

确定等效火源直径；其中，Ds为等效火源直径，P_air为大气压力；

根据公式Q′＝m′×ΔH_c确定燃烧产热；其中，Q′为燃烧产热；ΔH_c为可燃气体燃烧热；π为圆周率。

步骤104：根据所述等效火源直径确定喷射火焰高度。

计算第一辅助变量Y，Y为下式的根，

C_a×Y^5/3+C_b×Y^2/3-C_c＝0

其中，

计算静止空气中火焰长度，L_b0＝Y×D_s，单位为m。

根据公式

确定喷射火焰高度；其中，L_b为喷射火焰高度；L_b0为静止空气中火焰长度，L_b0＝Y×D_s，Y为第一辅助变量；θ为泄漏喷口与水平面倾斜角；u_w为风速。

步骤105：根据所述喷射火焰高度以及所述喷射火焰表面积确定喷射火焰表面积。

计算静止大气中火焰的理查德森数：

若Ri≤0.05，则火焰本身的倾斜角为，

若Ri>0.05，则火焰本身的倾斜角为，

计算火焰推举高度：

其中，

当α＝0，b＝0.2×L_b

计算火焰长度

单位为m。

计算射流与空气密度比：

基于等效火源直径计算理查德森数和辅助变量C′：

C′＝1000×e^(-100×R_w+0.8)

计算火焰底部宽度：

单位为m。

计算火焰顶部宽度：

单位m。

根据公式

确定喷射火焰表面积；其中，A₂为喷射火焰表面积；W₁为火焰底部宽度；W₂为火焰顶部宽度；R_l为燃烧中的火焰长度。

步骤106：根据所述燃烧产热确定表面辐射功率。

根据公式SEP＝F_s×Q′/A₂确定表面辐射功率；其中，SEP为表面辐射功率；F_s为热能向表面辐射的转化比例，

步骤107：获取观测点距离泄漏点的距离以及当地大气中的水分压。

步骤108：根据所述喷射火焰高度以及所述观测点距离泄漏点的距离确定最大视角因子。

计算视角因子辅助变量：

记火焰长度L＝R_l，观测点距离泄漏点距离X。

R＝(W₁+W₂)/4；

E＝(a×cosθ)/(b₁-a×sinθ)；

根据公式

确定最大视角因子；其中，Fmax为最大视角因子；F_v为垂直视角因子；F_h为水平视角因子。

步骤109：根据所述当地大气中的水分压确定大气透射率。

根据公式τ_a＝2.02×(p_w×x)^-0.08确定大气透射率；

其中，τ_a为大气透射率；p_w为当地大气中的水分压，p_w＝RH×1705，其中，p_w为当地大气中的水分压，RH为相对湿度；x＝X′-(W₁+W₂)/4；

x为第二辅助变量，X为观测点距离泄漏点距离。

步骤110：根据所述表面辐射功率、所述大气透射率以及所述最大视角因子确定任一位置处的热辐射。

根据公式q″＝SEP×F_max×τ_a确定任一位置处的热辐射；其中，q″为任一位置处的热辐射。

步骤111：根据所述热辐射确定安全距离。

表2为本发明所提供的损伤程度判断表，如表2所示，对照表2判断损害程度，可以得到关键仪器设备的热辐射设计安全距离，应大于12.5kW/m2对应的距离，而37.85kW/m2对应的计算范围内，不应有任何关键操作设备；发生事故时，现场抢险人员活动范围不能接近12.5kW/m2对应的等辐射距离内。

表2损伤程度判断表

图2为本发明所提供的基于天然气热辐射的安全距离确定系统结构图，如图2所示，一种基于天然气热辐射的安全距离确定系统，包括：

可燃气体参数获取模块201，用于获取可燃气体参数；所述可燃气体参数包括可燃气体分子质量、气体定压比热、气体定容比热、气体初始温度、初始气体压力、泄漏面积以及孔流系数。

质量流量确定模块202，用于根据所述可燃气体参数确定质量流量。

等效火源直径以及燃烧产热确定模块203，用于根据所述质量流量确定等效火源直径以及燃烧产热。

喷射火焰高度确定模块204，用于根据所述等效火源直径确定喷射火焰高度。

喷射火焰表面积确定模块205，用于根据所述喷射火焰高度确定喷射火焰表面积。

表面辐射功率确定模块206，用于根据所述燃烧产热以及所述喷射火焰表面积确定表面辐射功率。

获取模块207，用于获取观测点距离泄漏点的距离以及当地大气中的水分压。

最大视角因子确定模块208，用于根据所述喷射火焰高度以及所述观测点距离泄漏点的距离确定最大视角因子。

大气透射率确定模块209，用于根据所述当地大气中的水分压确定大气透射率。

热辐射确定模块210，用于根据所述表面辐射功率、所述大气透射率以及所述最大视角因子确定任一位置处的热辐射。

安全距离确定模块211，用于根据所述热辐射确定安全距离。

在天然气管道敷设路径设计时，考虑到管道发生喷射火事故后对周围人员仪器的可能损伤，以及事故后人员处理施救时的安全距离划定，需要预先对管道喷射火热辐射对周围不同距离处的毁伤等级进行计算；在已知管道设计运行压力、相关管道运输物质属性、环境风速的情况下，按照本发明所提供的基于天然气热辐射的安全距离确定方法及系统进行计算，可以得出重大关键仪器设备与管道间的热辐射安全设计距离，以及事故后抢险人员活动的热辐射安全距离；本发明将火焰形貌视作平截圆锥，将辐射视作火焰表面对外的辐射，描述不同环境压力与流场情况下，表面热辐射随不同火焰尺寸的变化。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于天然气热辐射的安全距离确定方法，其特征在于，包括：

获取可燃气体参数；所述可燃气体参数包括可燃气体分子质量、气体定压比热、气体定容比热、气体初始温度、初始气体压力、泄漏面积以及孔流系数；

根据所述可燃气体参数确定质量流量；

根据所述质量流量确定等效火源直径以及燃烧产热；

根据所述等效火源直径确定喷射火焰高度；

根据所述喷射火焰高度确定喷射火焰表面积；

根据所述燃烧产热以及所述喷射火焰表面积确定表面辐射功率；

获取观测点距离泄漏点的距离以及当地大气中的水分压；

根据所述喷射火焰高度以及所述观测点距离泄漏点的距离确定最大视角因子；

根据所述当地大气中的水分压确定大气透射率；

根据所述表面辐射功率、所述大气透射率以及所述最大视角因子确定任一位置处的热辐射；

根据所述热辐射确定安全距离。

2.根据权利要求1所述的基于天然气热辐射的安全距离确定方法，其特征在于，所述根据所述可燃气体参数确定质量流量，具体包括：

根据公式

确定质量流量；

其中，C₀为孔流系数，圆孔取1；A₁为泄漏面积；m′为质量流量；P_init为初始气体压力；γ为比热比；T_s为气体初始温；W_g为可燃气体分子质量；R_c为普适气体常数。

3.根据权利要求2所述的基于天然气热辐射的安全距离确定方法，其特征在于，所述根据所述质量流量确定等效火源直径以及燃烧产热，具体包括：

根据公式

确定等效火源直径；

其中，Ds为等效火源直径，P_air为大气压力；u_j为喷射气流速度；

根据公式Q′＝m′×ΔH_c确定燃烧产热；

其中，Q′为燃烧产热；ΔH_c为可燃气体燃烧热；π为圆周率。

4.根据权利要求3所述的基于天然气热辐射的安全距离确定方法，其特征在于，所述根据所述等效火源直径确定喷射火焰高度，具体包括：

根据公式

确定喷射火焰高度；

其中，L_b为喷射火焰高度；L_b0为静止空气中火焰长度，L_b0＝Y×D_s，Y为第一辅助变量；θ为泄漏喷口与水平面倾斜角；y_w为风速。

5.根据权利要求4所述的基于天然气热辐射的安全距离确定方法，其特征在于，所述根据所述喷射火焰高度确定喷射火焰表面积，具体包括：

根据公式

确定喷射火焰表面积；

其中，A₂为喷射火焰表面积；W₁为火焰底部宽度；W₂为火焰顶部宽度；R_l为燃烧中的火焰长度。

6.根据权利要求5所述的基于天然气热辐射的安全距离确定方法，其特征在于，所述根据所述燃烧产热以及所述喷射火焰表面积确定表面辐射功率，具体包括：

根据公式SEP＝F_s×Q′/A₂确定表面辐射功率；

其中，SEP为表面辐射功率；F_s为热能向表面辐射的转化比例。

7.根据权利要求6所述的基于天然气热辐射的安全距离确定方法，其特征在于，所述根据所述喷射火焰高度以及所述观测点距离泄漏点的距离确定最大视角因子，具体包括：

根据公式

确定最大视角因子；

其中，F_max为最大视角因子；F_v为垂直视角因子；F_h为水平视角因子。

8.根据权利要求7所述的基于天然气热辐射的安全距离确定方法，其特征在于，所述根据所述当地大气中的水分压确定大气透射率，具体包括：

根据公式τ_a＝2.02×(p_w×x)^-0.08确定大气透射率；

其中，τ_a为大气透射率；p_w为当地大气中的水分压；x为第二辅助变量。

9.根据权利要求8所述的基于天然气热辐射的安全距离确定方法，其特征在于，所述根据所述表面辐射功率、所述大气透射率以及所述最大视角因子确定任一位置处的热辐射，具体包括：

根据公式q″＝SEP×F_max×τ_a确定任一位置处的热辐射；

其中，q″为任一位置处的热辐射。

10.一种基于天然气热辐射的安全距离确定系统，其特征在于，包括：

可燃气体参数获取模块，用于获取可燃气体参数；所述可燃气体参数包括可燃气体分子质量、气体定压比热、气体定容比热、气体初始温度、初始气体压力、泄漏面积以及孔流系数；

质量流量确定模块，用于根据所述可燃气体参数确定质量流量；

等效火源直径以及燃烧产热确定模块，用于根据所述质量流量确定等效火源直径以及燃烧产热；

喷射火焰高度确定模块，用于根据所述等效火源直径确定喷射火焰高度；

喷射火焰表面积确定模块，用于根据所述喷射火焰高度确定喷射火焰表面积；

表面辐射功率确定模块，用于根据所述燃烧产热以及所述喷射火焰表面积确定表面辐射功率；

获取模块，用于获取观测点距离泄漏点的距离以及当地大气中的水分压；

最大视角因子确定模块，用于根据所述喷射火焰高度以及所述观测点距离泄漏点的距离确定最大视角因子；

大气透射率确定模块，用于根据所述当地大气中的水分压确定大气透射率；

热辐射确定模块，用于根据所述表面辐射功率、所述大气透射率以及所述最大视角因子确定任一位置处的热辐射；

安全距离确定模块，用于根据所述热辐射确定安全距离。

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