CN113128755A - 液氢泄露扩散范围的预测方法及系统 - Google Patents

液氢泄露扩散范围的预测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液氢泄露扩散范围的预测方法及系统，涉及液氢扩散预测技术领域，解决了现有技术不能准确推导液氢泄露后空气中氢气浓度的时空分布特征的技术问题，其技术方案要点是通过对液氢泄露处的温度T和液氢泄漏质量m进行测量；根据液氢泄露后是否形成液池将液氢蒸发分为连续蒸发和瞬时蒸发；构建瞬时蒸发扩散模型和连续蒸发扩散模型；根据所述瞬时蒸发扩散模型和所述连续蒸发扩散模型对液氢泄露扩散范围进行预测，并根据预测发出预警，从而能够降低液氢泄露的风险。

Description

液氢泄露扩散范围的预测方法及系统
技术领域
本公开涉及液氢扩散预测技术领域，尤其涉及一种液氢泄露扩散范围的预测方法及系统。
背景技术
氢能作为一种高效清洁的能源，是未来可替代能源的理想选择。综合比较几种氢能的储存方式，液氢是一种能量密度最高且较为经济的方法，但由于液氢的低温、易爆、易扩散的特点，一旦液氢发生泄露，由于其低温性会迅速汽化，产生大量氢气，在较大范围内可能导致严重的安全事故。液氢泄露检测是加氢站应急管理的关键环节，及时、准确的提供氢气浓度数据有利于在液氢发生泄露后尽可能控制风险。在加氢站附近设置风险区，风险区域内严格控制用火及各类设备的使用，能有效减少因液氢泄露而引发爆炸事故的概率。因此对液氢泄露蒸发扩散范围进行预测，判断周围区域是否达到爆炸极限浓度，对控制液氢泄露事故的风险、降低人身和财产安全风险至关重要。
对于泄露范围的预测，现有的方法存在理论模型过于简化不能与实际工况相匹配，难以准确预测液氢泄露蒸发扩散范围以及氢气浓度随扩散时间的变化，也就难以获得危险评价范围并快速做出应急响应。
发明内容
本公开提供了一种液氢泄露扩散范围的预测方法及系统，其技术目的是根据液氢泄露时是否形成液池将液氢蒸发分为瞬时蒸发和连续蒸发，并建立了不同的液氢蒸发扩散模型，推导液氢泄露后空气中氢气浓度的时空分布特征，预测氢气爆炸危险区域并对超出安全阈值的范围进行警报。
本公开的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种液氢泄露扩散范围的预测方法，包括：
对液氢泄露处的温度T和液氢泄漏质量m进行测量；
根据液氢泄露后是否形成液池将液氢蒸发分为连续蒸发和瞬时蒸发；其中，所述瞬时蒸发表示液氢泄露但未形成液池时氢气的扩散范围，所述连续蒸发表示液氢泄露且已形成液池时氢气的扩散范围；
构建瞬时蒸发扩散模型和连续蒸发扩散模型；
若未形成液池则根据所述瞬时蒸发扩散模型对液氢泄露扩散范围进行预测，若形成液池则根据所述连续蒸发扩散模型对液氢泄露扩散范围进行预测；
其中，所述瞬时蒸发扩散模型的构建包括：
在任意半径的半球体内选取一单元体作为控制体，所述半球体在氢气扩散范围之内；
根据菲克扩散定律建构建所述控制体的质量守恒方程；
通过无量纲分析对氢气浓度与扩散系数、时间、液氢泄露质量的关系进行分析，获得氢气浓度与各因素的无量纲关系式；
将所述质量守恒方程与所述无量纲关系式结合，得到所述瞬时蒸发扩散模型：
Figure BDA0003000924090000021
其中，c(r,t)即表示氢气浓度分布，m表示液氢泄露质量，D表示氢气扩散系数，r表示氢气扩散半径，t表示时间。
一种液氢泄露扩散范围的预测系统，包括：
数据采集模块，用于获取液氢泄露处的温度T和液氢泄漏质量m；
划分模块，用于根据液氢泄露后是否形成液池将液氢蒸发分为连续蒸发和瞬时蒸发；其中，所述瞬时蒸发表示液氢泄露但未形成液池时氢气的扩散范围，所述连续蒸发表示液氢泄露且已形成液池时氢气的扩散范围；
模型构建模块，包括第一模型构建单元和第二模型构建单元，所述第一模型构建单元用于构建所述瞬时蒸发扩散模型，所述第二模型构建单元用于构建所述连续蒸发扩散模型；
预测模块，包括第一预测单元和第二预测单元，若未形成液池则所述第一预测单元根据所述瞬时蒸发扩散模型对液氢泄露扩散范围进行预测，若形成液池则所述第二预测单元根据所述连续蒸发扩散模型对液氢泄露扩散范围进行预测。
本公开的有益效果在于：本公开所述的液氢泄露扩散范围的预测方法及系统，通过对液氢泄露处的温度T和液氢泄漏质量m进行测量；根据液氢泄露后是否形成液池将液氢蒸发分为连续蒸发和瞬时蒸发；构建瞬时蒸发扩散模型和连续蒸发扩散模型；根据所述瞬时蒸发扩散模型和所述连续蒸发扩散模型对液氢泄露扩散范围进行预测，并根据预测发出预警，从而能够降低液氢泄露的风险。
附图说明
图1为本公开所述预测方法的流程图；
图2为控制体示意图；
图3为液池在陆地上的蒸发扩散示意图；
图4为本公开所述预测系统的示意图；
图5为液氢泄露速度测点布置的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本公开技术方案进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解地是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，仅用来区分不同的组成部分。
图1为本公开所述的预测方法的流程图，液氢泄露后，首先对液氢泄露处的温度T和液氢泄漏质量m进行测量，然后根据液氢泄露后是否形成液池将液氢蒸发分为连续蒸发和瞬时蒸发，瞬时蒸发就表示液氢泄露但未形成液池时氢气的扩散范围，连续蒸发就表示液氢泄露且已形成液池时氢气的扩散范围。
若是瞬时蒸发就构建瞬时蒸发扩散模型，若是连续蒸发就构建连续蒸发扩散模型。同样，若未形成液池则根据所述瞬时蒸发扩散模型对液氢泄露扩散范围进行预测，若形成液池则根据所述连续蒸发扩散模型对液氢泄露扩散范围进行预测。
具体地，瞬时蒸发扩散模型的构建过程包括：
(1)在任意半径的半球体内选取一单元体作为控制体，所述半球体在氢气扩散范围之内.
(2)根据菲克扩散定律建构建所述控制体的质量守恒方程。
具体地，假设氢气在各个方向上的扩散规则是相同的，将三维的扩散简化到沿半径方向的一维扩散问题，氢气的浓度仅与半径有关。在任意半径的半球体内取一单元作为控制体，如图2所示，该半球体应在氢气扩散范围之内。图2中，q即表示蒸发速率qevap，一定量的氢气流入流出控制体，根据菲克扩散定律计算流入控制体和流出控制体的质量流量，根据质量守恒方程，净流量等于控制体内的质量累计。仅考虑扩散过程的物理变化，不考虑化学变化，在控制体内质量不随时间变化，所以流出流量等于流入流量。那么，根据菲克扩散定律建构建的控制体的质量守恒方程包括：计算所述半球体的在球坐标系
Figure BDA0003000924090000031
三个方向的净质量通量(表示流入减去流出)，具体包括：获取dt时刻内经r方向、θ方向、
Figure BDA0003000924090000032
方向进入所述控制体的氢气质量通量和流出所述控制体的氢气质量通量，获取所述控制体在r方向、θ方向、
Figure BDA0003000924090000033
方向各自的净质量通量，将三个方向的净质量通量相加得到所述质量守恒方程，即
Figure BDA0003000924090000034
其中c表示氢气浓度。
(3)通过无量纲分析对氢气浓度与扩散系数、时间、液氢泄露质量的关系进行分析，获得氢气浓度与各因素的无量纲关系式。具体地，无量纲关系式表示为：
Figure BDA0003000924090000035
(4)液氢泄露后未形成液池时，由于蒸发是瞬时发生的，因此在瞬时蒸发扩散模型中液氢泄露质量源项仍是常数m，那么通过质量守恒方程与无量纲关系式结合，得到瞬时蒸发扩散模型：
Figure BDA0003000924090000036
其中，c(r,t)即表示氢气浓度分布，m表示液氢泄露质量，D表示氢气扩散系数，r表示氢气扩散半径，t表示时间。
当大量的液氢泄露形成液池后，液氢泄露质量源项会随蒸发速率qevap改变，扩散模型中的液氢泄露质量源项mf不再是常数。当大量的液氢泄漏时，虽然有大量液氢瞬时蒸发，但仍有部分液氢在泄漏点附近形成液池，如图3所示，且液池半径随时间变化，此时无法将液氢泄露质量源项看成常数。假定倾倒在地面上的液氢以恒定速率qevap蒸发，氢气的蒸发和扩散过程同时进行，直到液氢全部蒸发。然后，将蒸发的液氢视为无限空间中的点源，继续扩散过程，因此在构建液氢的连续蒸发扩散模型时，蒸发速率qevap是关键。
那么连续蒸发扩散模型的构建过程就包括：(1)根据液氢泄露处的温度T确定液氢饱和蒸气压，根据液氢饱和蒸气压、液池上方氢气分压、温度T、质量传输速率确定液氢的蒸发速率qevap；(2)根据所述瞬时蒸发扩散模型、蒸发速率qevap和随时间变化的氢气扩散半径构建所述连续蒸发扩散模型，包括：
Figure BDA0003000924090000041
其中，mf表示闪蒸氢气质量，t0表示液池消失的时刻，r0表示t0时刻的氢气扩散半径。
图4为本发明所述的预测系统的示意图，该系统包括数据采集模块、划分模块、模型构建模块和预测模块。数据采集模块用于获取液氢泄露处的温度T和液氢泄漏质量m；划分模块用于根据液氢泄露后是否形成液池将液氢蒸发分为连续蒸发和瞬时蒸发，其中，所述瞬时蒸发表示液氢泄露但未形成液池时氢气的扩散范围，所述连续蒸发表示液氢泄露且已形成液池时氢气的扩散范围。模型构建模块又包括第一模型构建单元和第二模型构建单元，第一模型构建单元用于构建所述瞬时蒸发扩散模型，第二模型构建单元用于构建所述连续蒸发扩散模型。预测模块又包括第一预测单元和第二预测单元，若未形成液池则所述第一预测单元根据所述瞬时蒸发扩散模型对液氢泄露扩散范围进行预测，若形成液池则所述第二预测单元根据所述连续蒸发扩散模型对液氢泄露扩散范围进行预测。
该预测系统还包括预警模块，预警系统用于根据氢气爆炸极限，对氢气浓度超过安全阈值的危险范围发出预警。该预警模块还包括显示单元，该显示单元用于显示爆炸危险范围。
作为具体实施例地，数据采集模块包括温度传感器、压力传感器和速度传感器，数据采集模块与液氢储罐的压力计相连测量液氢泄漏量。数据采集模块包括在液氢储罐泄漏点附近成半球面分布的多个速度传感器和温度传感器，如图5所示，根据速度与截面积乘积测量液氢泄露量。
划分模块可以根据温度传感器采集的温度确定是否形成液池，并根据液池将液氢蒸发分为连续蒸发和瞬时蒸发。
以上为本公开示范性实施例，本公开的保护范围由权利要求书及其等效物限定。

Claims (8)

1.一种液氢泄露扩散范围的预测方法，其特征在于，包括：
对液氢泄露处的温度T和液氢泄漏质量m进行测量；
根据液氢泄露后是否形成液池将液氢蒸发分为连续蒸发和瞬时蒸发；其中，所述瞬时蒸发表示液氢泄露但未形成液池时氢气的扩散范围，所述连续蒸发表示液氢泄露且已形成液池时氢气的扩散范围；
构建瞬时蒸发扩散模型和连续蒸发扩散模型；
若未形成液池则根据所述瞬时蒸发扩散模型对液氢泄露扩散范围进行预测，若形成液池则根据所述连续蒸发扩散模型对液氢泄露扩散范围进行预测；
其中，所述瞬时蒸发扩散模型的构建包括：
在任意半径的半球体内选取一单元体作为控制体，所述半球体在氢气扩散范围之内；
根据菲克扩散定律建构建所述控制体的质量守恒方程；
通过无量纲分析对氢气浓度与扩散系数、时间、液氢泄露质量的关系进行分析，获得氢气浓度与各因素的无量纲关系式；
将所述质量守恒方程与所述无量纲关系式结合，得到所述瞬时蒸发扩散模型：
Figure FDA0003000924080000011
其中，c(r,t)即表示氢气浓度分布，m表示液氢泄露质量，D表示氢气扩散系数，r表示氢气扩散半径，t表示时间。
2.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述连续蒸发扩散模型的构建包括：
根据液氢泄露处的温度T确定液氢饱和蒸气压，根据液氢饱和蒸气压、液池上方氢气分压、温度T、质量传输速率确定液氢的蒸发速率qevap；
根据所述瞬时蒸发扩散模型、蒸发速率qevap和随时间变化的氢气扩散半径构建所述连续蒸发扩散模型，包括：
Figure FDA0003000924080000012
其中，mf表示闪蒸氢气质量，t0表示液池消失的时刻，r0表示t0时刻的氢气扩散半径。
3.如权利要求2所述的预测方法，其特征在于，所述根据菲克扩散定律建构建所述控制体的质量守恒方程包括：
计算所述半球体的在球坐标系
Figure FDA0003000924080000013
三个方向的净质量通量，具体包括：获取dt时刻内经r方向、θ方向、
Figure FDA0003000924080000014
方向进入所述控制体的氢气质量通量和流出所述控制体的氢气质量通量，获取所述控制体在r方向、θ方向、
Figure FDA0003000924080000015
方向各自的净质量通量，将三个方向的净质量通量相加得到所述质量守恒方程，即
Figure FDA0003000924080000016
其中c表示氢气浓度。
4.如权利要求3所述的预测方法，其特征在于，所述无量纲关系式包括：
Figure FDA0003000924080000021
5.一种液氢泄露扩散范围的预测系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于获取液氢泄露处的温度T和液氢泄漏质量m；
划分模块，用于根据液氢泄露后是否形成液池将液氢蒸发分为连续蒸发和瞬时蒸发；其中，所述瞬时蒸发表示液氢泄露但未形成液池时氢气的扩散范围，所述连续蒸发表示液氢泄露且已形成液池时氢气的扩散范围；
模型构建模块，包括第一模型构建单元和第二模型构建单元，所述第一模型构建单元用于构建所述瞬时蒸发扩散模型，所述第二模型构建单元用于构建所述连续蒸发扩散模型；
预测模块，包括第一预测单元和第二预测单元，若未形成液池则所述第一预测单元根据所述瞬时蒸发扩散模型对液氢泄露扩散范围进行预测，若形成液池则所述第二预测单元根据所述连续蒸发扩散模型对液氢泄露扩散范围进行预测。
6.如权利要求5所述的预测系统，其特征在于，所述第一模型构建单元用于：
在任意半径的半球体内选取一单元体作为控制体，所述半球体在氢气扩散范围之内；
根据菲克扩散定律建构建所述控制体的质量守恒方程；
通过无量纲分析对氢气浓度与扩散系数、时间、液氢泄露质量的关系进行分析，获得氢气浓度与各因素的无量纲关系式；
将所述质量守恒方程与所述无量纲关系式结合，得到所述瞬时蒸发扩散模型：
Figure FDA0003000924080000022
其中，c(r,t)即表示氢气浓度分布，m表示液氢泄露质量，D表示氢气扩散系数，r表示氢气扩散半径，t表示时间；
所述第二模型构建单元用于：根据液氢泄露处的温度T确定液氢饱和蒸气压，根据液氢饱和蒸气压、液池上方氢气分压、温度T、质量传输速率确定液氢的蒸发速率qevap；
根据所述瞬时蒸发扩散模型、蒸发速率qevap和随时间变化的氢气扩散半径构建所述连续蒸发扩散模型，包括：
Figure FDA0003000924080000023
其中，mf表示闪蒸氢气质量，t0表示液池消失的时刻，r0表示t0时刻的氢气扩散半径。
7.如权利要求6所述的预测系统，其特征在于，所述根据菲克扩散定律建构建所述控制体的质量守恒方程包括：
计算所述半球体的在球坐标系
Figure FDA0003000924080000024
三个方向的净质量通量，具体包括：获取dt时刻内经r方向、θ方向、
Figure FDA0003000924080000025
方向进入所述控制体的氢气质量通量和流出所述控制体的氢气质量通量，获取所述控制体在r方向、θ方向、
Figure FDA0003000924080000026
方向各自的净质量通量，将三个方向的净质量通量相加得到所述质量守恒方程，即
Figure FDA0003000924080000031
其中c表示氢气浓度；
所述无量纲关系式包括：
Figure FDA0003000924080000032
8.如权利要求7所述的预测系统，其特征在于，该预测系统还包括预警模块，所述预警系统用于根据氢气爆炸极限，对氢气浓度超过安全阈值的危险范围发出预警；
所述预警模块包括显示单元，所述显示单元用于显示爆炸危险范围。
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