CN113128045A - 一种长管拖车失效后果工程评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种长管拖车失效后果工程评估方法，包括：步骤1、对氢气，天然气的泄漏扩散过程进行仿真计算；步骤2、高斯模型修正；步骤3、基于修正高斯模型仿真计算，提取气体泄漏后果域面积；步骤4、对气体泄漏后果域面积进行非线性拟合，建立氢气，天然气长管拖车失效泄漏扩散危险域模型。步骤5、建立长管拖车道路运输氢气，天然气失效后果工程评估方法。本发明方法为氢气、天然气长管拖车突发性失效事故后果评估和应急抢险提供了技术支撑。同时，本发明基于修正的高斯模型，提高了计算精度，该方法具有较高的可靠性。

Description

一种长管拖车失效后果工程评估方法

技术领域

本发明属于移动承压设备动态风险评估领域，尤其涉及一种长管拖车失效后果工程评估方法。

背景技术

伴随社会经济日益发展，能源短缺和环境污染矛盾日益突出，氢气、天然气作为新型高效、清洁能源受到越发广泛的关注，一次能源消费占比快速增长，直接促进了氢气和天然气道路运输行业蓬勃发展。然而随着长管拖车的普及应用，在道路运输过程中由于设备失效致使氢气、天然气泄漏扩散的事故日渐增加，造成巨大安全风险和严重财产损失。因此，针对道路运输危险气体失效泄漏事故发生后，及时有效计算气体浓度分布规律，划定危险区域范围、组织人员疏散、失效后果评价等，对突发性泄漏扩散事故应急与救援具有重大意义。

现阶段，高斯模型仍是最成熟且应用最广泛的气体扩散模型，但其模拟计算精度较差；对于不同介质，存在参数固化现象，因此，如何提高高斯模型的计算精度是现在急需解决的问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种高斯模型的改进方法，解决高斯模型在模拟气体泄漏扩散计算精度差的问题，并基于改进的高斯模型建立长管拖车运输氢气、天然气过程中发生泄漏的失效后果工程评估方法。具体步骤如下：包括以下步骤

步骤1、对氢气，天然气的泄漏扩散过程进行仿真计算，得到氢气、天然气泄漏扩散浓度场数据；

步骤2、根据氢气、天然气泄漏扩散浓度场数据，提取高斯模型修正参量，得到氢气、天然气泄漏扩散高斯模型修正公式；

步骤3、基于氢气、天然气泄漏扩散高斯模型修正公式，对氢气、天然气长管拖车在三种典型场景下的泄漏扩散进行数值计算，提取气体泄漏后果域面积；

步骤4、形成氢气、天然气长管拖车失效泄漏扩散危险域模型；

步骤5、运用打分法，根据工程实际情况，提取地区等级、人口密度，财产分布，交通状况因素作为失效后果评分项，并进行等级划分和定性赋值，结合步骤4得到的危险域模型，建立长管拖车道路运输氢气、天然气失效后果工程评估方法。

步骤1包括：

步骤1.1、构建长管拖车在道路储运氢气、天然气过程中失效泄漏流域物理模型；

步骤1.2、对氢气、天然气扩散流域进行网格划分；

步骤1.3、设定边界条件：质量流量入口，速度入口边界、压力出口边；

步骤1.4、分别在风速2m/s、4m/s、6m/s、8m/s四种工况下对氢气、天然气在平坦开阔地区泄漏扩散展开仿真模拟，得到氢气、天然气泄漏扩散浓度场数据。

步骤2包括：

步骤2.1、修正参量风速关系表征；

步骤2.2、修正参量距离关系表征；

步骤2.3、得到氢气、天然气泄漏扩散高斯模型修正公式。

步骤2.1中，所述修正参量风速关系表征如下式：

氢气：C₁＝0.84+0.08u，

天然气：C₂＝0.84+0.08u。

式中：C₁，C₂分别表示氢气浓度和天然气浓度，u表示环境风速。

步骤2.2中，所述修正参量距离关系表征如下式：

氢气：

天然气：

式中：x表示气体泄露距离

步骤2.3中，所述氢气、天然气泄漏扩散高斯模型修正公式分别如下式：

氢气：

天然气：

式中：C₁(x,y,z)，C₂(x,y,z)分别表示氢气在位置(x,y,z)的浓度、天然气在位置(x,y,z)的浓度；Q_c表示介质泄漏速率；σ_y,σ_z分别气体扩散在y,z方向的扩散标准差；

表示环境平均风速m/s；H表示泄漏源高度。

步骤3中，所述三种典型场景为平坦开阔地区，村落地区和城市地区，并基于氢气、天然气泄漏扩散高斯模型修正公式，对氢气、天然气长管拖车在三种典型场景下的泄漏扩散进行数值计算，提取气体泄漏危险域面积。

步骤4包括：

步骤4.1、构建气体泄漏扩散危险域模型；

步骤4.2、建立泄漏后果域计算模型。步骤3的后果域面积是通过有限元计算出来的，这里要将其化成一个公式，这样以后就都不用再进行一遍有限元计算了。

步骤4.1中，氢气、天然气长管拖车失效泄漏扩散危险域模型如下式：

A_c＝P₁A₁+P₂A₂+…+P_iA_i

式中：A_c表示危险域面积；A_i表示第i个单一后果域面积，i取值为正整数；P_i表示第i个特定后果概率，所述单一后果域是根据事件树和介质属性将氢气、天然气长管拖车危险域划分为窒息域、燃烧域和爆炸域；

步骤4.2包括：泄漏后果域计算模型如下式：

式中：A表示后果域面积；x表示环境风速；y表示泄漏口径；z₀,A₀₁,B₀₁,B₀₂,B₀₃,A₁,A₂,A₃,B₁,B₂表示模型函数系数，上述系数通过长管拖车在平坦开阔地区、村落散布地区、城市地区三种典型场景泄漏扩散数值计算结果，提取不同工况后果域面积A汇总，并对其关于环境风速x，泄漏口径y进行多项式拟合得到的。

步骤5包括：

步骤5.1、选取失效后果评分项：提取地区等级、人口密度、财产分布、交通状况为泄漏后果评分项，并运用打分法进行定性赋值；

步骤5.2、根据不同外界因子对泄漏事件后果影响程度不同，针对失效后果评分项进行权重系数赋值；

步骤5.3、将氢气、天然气长管拖车失效泄漏扩散危险域模型、失效后果评分项和权重系数相结合，得到氢气和天然气长管拖车失效泄漏后果计算方程，如下式所示：

C＝A_cdP_d+A_cmP_m+A_ceP_e+A_ctP_t

式中：C表示危险气体移动储运设备失效后果；A_c表示危险域面积；d表示地区等级数值；m表示人口密度数值；e表示财产分布数值；t表示交通状况数值；P_d，P_m，P_e，P_t均为后果评估系数权重；

将事故后果严重程度从轻到重划分五个等级，按照失效泄漏后果结果赋予相应的后果等级。

有益效果：本发明建立了一种长管拖车运输氢气、天然气过程中发生泄漏的失效后果工程评估方法，该方法基于修正的高斯模型，提高了该方法的准确性，针对道路运输危险气体失效泄漏事故发生后，及时有效计算气体浓度分布规律，划定危险区域范围、组织人员疏散、失效后果评价等，对突发性泄漏扩散事故应急与救援具有重大意义。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明氢气泄漏扩散事件树图。

图2为本发明天然气泄漏扩散事件树图。

图3为本发明失效后果评定流程图。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，本发明提供了一种长管拖车失效后果工程评估方法，包括：

步骤1、通过FLUENT软件对氢气，天然气的泄漏扩散过程进行仿真计算，得到氢气，天燃气泄漏扩散浓度随着风速和距离的分布规律。

步骤2、在步骤1提取的氢气，天然气浓度场分布计算结果，提取高斯模型修正参量。得到氢气，天然气泄漏扩散高斯模型修正公式。

步骤3、基于修正高斯模型对氢气，天然气长管拖车在三种典型场景下的泄漏扩散进行数值计算，提取气体泄漏后果域面积。

步骤4、在步骤3得到的浓度场数值中提取各单一后果域面积，取定Rational12D模型为基础函数对后果域进行非线性曲面拟合。结合事件概率，对气体泄漏各后果域进行加权组合，形成氢气，天然气长管拖车失效泄漏扩散危险域模型。

步骤5、运用打分法，根据工程实际，提取地区等级、人口密度，财产分布，交通状况等因素作为失效后果评分项，并对其进行等级划分和定性赋值，结合步骤4的危险域模型，建立长管拖车道路运输氢气，天然气失效后果工程评估方法。

步骤1包括：

步骤1.1、在FLUENT软件中构建长管拖车在道路储运氢气、天然气过程中失效泄漏流域物理模型

步骤1.2、对氢气，天然气扩散流域进行网格划分。

步骤1.3、设定边界条件：质量流量入口，速度入口边界、压力出口边界。

步骤1.4、分别对风速2m/s、4m/s、6m/s、8m/s等四种工况下氢气，天然气在平坦开阔地区泄漏扩散展开仿真模拟，得到氢气，天然气泄漏扩散浓度场数据。

步骤1.2中，利用ICEM对氢气，天然气扩散流域划分网格，在泄露口附近压力，速度梯度变化较大区域进行网格加密操作，自泄漏口至后方及垂直方向对网格取用渐变稀释处理，达到较高的计算精度和计算速度。

步骤2包括：

步骤2.1、修正参量风速关系表征

步骤2.2、修正参量距离关系表征

步骤2.3、氢气、天然气泄漏扩散高斯模型修正

步骤2.1中，提取随机节点氢气，天然气浓度数据，将气体浓度C关于风速u进行线性拟合，最终得到高斯模型的氢气，天然气泄漏扩散风速修正公式。

氢气：C₁＝0.84+0.08u

天然气：C₂＝0.84+0.08u

式中：C₁，C₂分别表示氢气，天然气浓度，u表示环境风速。

步骤2.2中，提取随机节点氢气，天然气浓度数据，将气体浓度C关于泄漏距离x进行非线性拟合，最终得到高斯模型的氢气，天然气泄漏扩散距离修正公式。

氢气：

天然气：

式中：C1，C2分别表示氢气，天然气浓度，x表示气体泄露距离

步骤2.3中，将步骤2.1和步骤2.2的修正量与经典高斯公式相结合，从而得到氢气、天然气泄漏扩散计算模型修正公式。

氢气：

天然气：

式中：C₁(x,y,z),C₂(x,y,z)分别表示氢气、天然气在位置(x,y,z)的浓度，kg/m³；Q_c-介质泄漏速率，kg/s；σ_y,σ_z-气体扩散在y,z方向的扩散标准差，m；

-环境平均风速，m/s；H-泄漏源高度，m。

步骤3中基于修正的高斯模型对氢气，天然气长管拖车在平坦开阔地区，村落散布地区及城市地区进行数值计算，提取气体泄漏后果域面积。

步骤4包括：

步骤4.1、构建氢气、天然气长管拖车失效泄漏扩散危险域模型；

步骤4.2、建立泄漏后果域计算模型。

步骤4.1中，氢气、天然气长管拖车失效泄漏扩散危险域模型如下式：

A_c＝P₁A₁+P₂A₂+…+P_iA_i

式中：A_c表示危险域面积；A_i表示第i个单一后果域面积，i取值为正整数；P_i表示第i个特定后果概率，所述单一后果域是根据事件树和介质属性将氢气、天然气长管拖车危险域划分为窒息域、燃烧域和爆炸域；

步骤4.2包括：泄漏后果域计算模型如下式：

式中：A表示后果域面积；x表示环境风速；y表示泄漏口径；z₀,A₀₁,B₀₁,B₀₂,B₀₃,A₁,A₂,A₃,B₁,B₂表示模型函数系数。

根据事件树和介质属性将氢气长管拖车泄漏危险域划分为窒息域、燃烧域和爆炸域，以氢气在空气中50％浓度下限为阈值划定流场窒息域，以氢气在空气中燃烧下限75％浓度为阈值划定流场燃烧域，以此表征喷射火及闪火后果危险域，以氢气爆炸上下极限4％～75％为阈值划定流场爆炸域。

将氢气长管拖车在平坦开阔地区、村落散布地区、城市地区三种典型场景泄漏扩散数值计算结果，提取氢气在三种工况环境下后果域面积，进行泄漏后果域计算模型非线性拟合，各系数在各工况下拟合取值如表1～3。

表1氢气长管拖车泄漏扩散窒息域曲面拟合

表2氢气长管拖车泄漏扩散燃烧域曲面拟合

表3氢气长管拖车泄漏扩散爆炸域曲面拟合

步骤4.3中、以天然气在空气中25％浓度下限为阈值划定流场窒息域，以15％浓度为阈值划定流场燃烧域，以爆炸上下极限5.3％～15％为阈值划定流场爆炸域。将天然气长管拖车在平坦开阔地区、村落散布地区、城市地区三种典型场景泄漏扩散数值计算结果，提取天然气在三种工况环境下后果域面积，进行泄漏后果域计算模型非线性拟合，各系数在各工况下拟合取值如表4～6。

表4天然气长管拖车泄漏扩散窒息域曲面拟合

表5天然气长管拖车泄漏扩散燃烧域曲面拟合

表6天然气长管拖车泄漏扩散爆炸域曲面拟合

步骤5包括：

步骤5.1、失效后果评分项选取

步骤5.2、失效后果评分项权重系数赋值

步骤5.3、将危险域模型、失效后果评分项以及权重系数相结合，得到氢气和天然气长管拖车失效泄漏后果计算方程。并将失效后果进行等级划分。

步骤5.1中、提取地区等级、人口密度、财产分布、交通状况为泄漏后果评分项，并运用打分法进行定性赋值。

步骤5.2中、根据不同外界因子对泄漏事件后果影响程度不同，针对失效后果评分项进行权重系数赋值。

步骤5.3中、氢气、天然气长管拖车失效泄漏后果计算方程如下式所示：

C＝A_cdP_d+A_cmP_m+A_ceP_e+A_ctP_t

式中：C表示危险气体移动储运设备失效后果；A_c表示危险域面积；d表示地区等级数值；m表示人口密度数值；e表示财产分布数值；t表示交通状况数值；P_d，P_m，P_e，P_t均为后果评估系数权重；

将事故后果严重程度从轻到重划分五个等级，按照失效后果计算结果赋予相应的后果等级。

实施例1

本实施例是氢气长管拖车失效后果评估方法，抽取10种常见的工况进行失效后果计算，评估氢气长管拖车在不同条件下失效后果严重程度，划定后果等级，具体泄漏扩散基础参数如表7所示。

表7氢气长管拖车泄漏扩散基础参数

具体按照以下步骤实施

步骤1、分别取用对应氢气泄漏后果域计算模型计算窒息域、燃烧域和爆炸域面积。

步骤2、运用介质泄漏危险域模型计算危险域面积。

步骤3、对10种工况进行失效后果评估参量打分，具体分值见表8。

表8氢气长管拖车失效后果评估系数打分

步骤4、运用氢气长管拖车失效泄漏后果计算方程计算失效泄漏后果，并按照失效后果计算结果赋予相应的后果等级，具体结果见表9。

表9氢气长管拖车失效后果评估

本发明提供了一种长管拖车失效后果工程评估方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种长管拖车失效后果工程评估方法，其特征在于，包括以下步骤：包括以下步骤

步骤1、对氢气，天然气的泄漏扩散过程进行仿真计算，得到氢气、天然气泄漏扩散浓度场数据；

步骤2、根据氢气、天然气泄漏扩散浓度场数据，得到氢气、天然气泄漏扩散高斯模型修正公式；

步骤3、基于氢气、天然气泄漏扩散高斯模型修正公式，对氢气、天然气长管拖车在三种典型场景下的泄漏扩散进行数值计算，提取气体泄漏后果域面积；

步骤4、形成氢气、天然气长管拖车失效泄漏扩散危险域模型；

步骤5、运用打分法，结合步骤4得到的危险域模型，建立长管拖车道路运输氢气、天然气失效后果工程评估方法。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：

步骤1.1、构建长管拖车在道路储运氢气、天然气过程中失效泄漏流域物理模型；

步骤1.2、对氢气、天然气扩散流域进行网格划分；

步骤1.3、设定边界条件：质量流量入口，速度入口边界、压力出口边；

步骤1.4、分别在风速2m/s、4m/s、6m/s、8m/s四种工况下对氢气、天然气在平坦开阔地区泄漏扩散展开仿真模拟，得到氢气、天然气泄漏扩散浓度场数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2包括：

步骤2.1、修正参量风速关系表征；

步骤2.2、修正参量距离关系表征；

步骤2.3、得到氢气、天然气泄漏扩散高斯模型修正公式。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2.1中，所述修正参量风速关系表征如下式：

氢气：C₁＝0.84+0.08u，

天然气：C₂＝0.84+0.08u，

式中：C₁，C₂分别表示氢气浓度和天然气浓度，u表示环境风速。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2.2中，所述修正参量距离关系表征如下式：

氢气：

天然气：

式中：x表示气体泄露距离。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2.3中，所述氢气、天然气泄漏扩散高斯模型修正公式分别如下式：

氢气：

天然气：

式中：C₁(x,y,z)，C₂(x,y,z)分别表示氢气在位置(x,y,z)的浓度、天然气在位置(x,y,z)的浓度；Q_c表示介质泄漏速率；σ_y,σ_z分别气体扩散在y,z方向的扩散标准差；

表示环境平均风速m/s；H表示泄漏源高度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述三种典型场景为平坦开阔地区，村落地区和城市地区，并基于氢气、天然气泄漏扩散高斯模型修正公式，对氢气、天然气长管拖车在三种典型场景下的泄漏扩散进行数值计算，提取气体泄漏后果域面积。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤4包括：

步骤4.1、构建氢气、天然气长管拖车失效泄漏扩散危险域模型；

步骤4.2、建立泄漏后果域计算模型。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤4.1中，氢气、天然气长管拖车失效泄漏扩散危险域模型如下式：

A_c＝P₁A₁+P₂A₂+…+P_iA_i

式中：A_c表示危险域面积；A_i表示第i个单一后果域面积，i取值为正整数；P_i表示第i个特定后果概率，所述单一后果域是根据事件树和介质属性将氢气、天然气长管拖车危险域划分为窒息域、燃烧域和爆炸域；

步骤4.2包括：泄漏后果域计算模型如下式：

式中：A表示后果域面积；x表示环境风速；y表示泄漏口径；z₀,A₀₁,B₀₁,B₀₂,B₀₃,A₁,A₂,A₃,B₁,B₂表示模型函数系数。

10.据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤5包括：

步骤5.1、选取失效后果评分项：提取地区等级、人口密度、财产分布、交通状况为泄漏后果评分项，并运用打分法进行定性赋值；

步骤5.2、根据不同外界因子对泄漏事件后果影响程度不同，针对失效后果评分项进行权重系数赋值；

步骤5.3、将氢气、天然气长管拖车失效泄漏扩散危险域模型、失效后果评分项和权重系数相结合，得到氢气和CNG长管拖车失效泄漏后果计算方程，如下式所示：

C＝A_cdP_d+A_cmP_m+A_ceP_e+A_ctP_t

式中：C表示危险气体移动储运设备失效后果；d表示地区等级数值；m表示人口密度数值；e表示财产分布数值；t表示交通状况数值；P_d，P_m，P_e，P_t均为后果评估系数权重；

将事故后果严重程度从轻到重划分五个等级，按照失效泄漏后果结果赋予相应的后果等级。

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