CN114595648B - 一种加氢站惰性气体抑爆方案设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加氢站惰性气体抑爆方案设计方法及系统，方法包括：S1构建三维模型、氢气泄漏场景库、惰性气体抑爆系统设计参数库；S2基于三维模型、氢气泄漏场景库进行CFD气云泄漏模拟，以得到各氢气泄漏场景下设备内部随时间变化的第一氢浓度分布情况数据库；S3基于三维模型、氢气泄漏场景库、惰性气体抑爆系统设计参数库再次进行CFD气云泄漏模拟，以得到各氢气泄漏场景在不同惰性气体抑爆系统设计方案下设备内部随时间变化的第二氢浓度分布情况数据库；S4根据第一、第二氢浓度分布情况数据库，得到一种适配设备在各种氢气泄漏场景下的最优惰性气体抑爆系统设计方案。该方案可保证在各种氢气泄漏场景下的抑爆效果以及避免惰性气体的资源浪费效果。

Description

一种加氢站惰性气体抑爆方案设计方法及系统

技术领域

本发明属于加氢站抑爆技术领域，具体涉及一种加氢站惰性气体抑爆方案设计方法及系统。

背景技术

加氢站作为氢燃料电池汽车的基础保障设施，是连接上游氢气和下游燃料汽车用户的纽带。

现有的加氢站，在面对氢气泄漏、火灾等情况发生时，通过安装在加氢站内的氢浓度探测器、火焰探测器等识别氢气泄漏、火灾发生等情况，一般采用的是紧急切断氢气气源，打开加氢站放空阀进行紧急泄压、排出管道内高压氢气，然后人员撤离、等待氢气泄漏、火灾事故结束后再人工进入加氢站内进行现场处理。或者根据氢浓度探测器的检测氢气泄漏情况，通过释放惰性气体以降低氢气泄漏浓度，从而达到主动抑爆的目的，例如申请号为CN202010791640.4的中国发明专利，公开了一种模块化加氢站及其氮气抑爆系统，该氮气抑爆系统包括氮气源、控制阀、氮气抑爆环、安全泄漏报警装置以及控制装置；氮气源内储存有高压氮气；氮气抑爆环固定安装于模块化加氢站的顶部，与氮气源之间通过输气管路连通，并设置有用于喷射氮气的多个喷射器；控制阀安装于输气管路上，用于控制输气管路的通断；安全泄漏报警装置用于实时检测模块化加氢站内的氢气浓度和火焰，并将检测信号传递给控制装置；控制装置与控制阀和安全泄漏报警装置之间均信号连接，并根据接收的检测信号控制控制阀的开关。该氮气抑爆系统能够主动抑爆、可实现无人化操作且响应快速。

但目前仅能实现当出现氢气泄漏情况时进行惰性气体的喷射，具体的喷射角度、喷射流量和喷射时间等如何进行设置均未进行研究，因此当出现氢气泄漏情况时，或出现惰性气体释放过少抑爆效果不好的情况，或出现惰性气体释放过多资源浪费的情况。

此外加氢站设备内部会出现不同的氢气泄露场景，不同的氢气泄露场景中氢气泄漏位置、氢气泄漏流速、氢气泄漏方向均不同，对于惰性气体释放的需求也将不同，因此若当每次出现氢气泄露情况时，均根据当前氢气泄露情况去计算惰性气体的喷射角度、喷射流量和喷射时间等参数，将大大增加主动抑爆的反应时间。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种加氢站惰性气体抑爆方案设计方法及系统，可提供一种适配设备在各种氢气泄漏场景下的最优惰性气体抑爆系统设计方案，该种惰性气体抑爆系统设计方案可在各种氢气泄漏场景下保证抑爆效果以及避免惰性气体的资源浪费。

本发明采用以下技术方案：

一种加氢站惰性气体抑爆方案设计方法，包括步骤：

S1、构建加氢站设备相应的三维模型、氢气泄漏场景库、惰性气体抑爆系统设计参数库；

S2、基于三维模型、氢气泄漏场景库进行CFD气云泄漏模拟，以得到各氢气泄漏场景下设备内部随时间变化的第一氢浓度分布情况数据库；

S3、基于三维模型、氢气泄漏场景库、惰性气体抑爆系统设计参数库再次进行CFD气云泄漏模拟，以得到各氢气泄漏场景在不同惰性气体抑爆系统设计方案下设备内部随时间变化的第二氢浓度分布情况数据库；

S4、根据第一氢浓度分布情况数据库、第二氢浓度分布情况数据库，得到一种适配设备在各种氢气泄漏场景下的最优惰性气体抑爆系统设计方案。

作为优选方案，氢气泄漏场景库中包括氢气泄漏参数、加氢站环境参数。

作为优选方案，氢气泄漏参数包括氢气泄漏位置、氢气泄漏流速、氢气泄漏方向。

作为优选方案，加氢站环境参数包括加氢站当地风向、加氢站当地风速。

作为优选方案，惰性气体抑爆系统设计参数库中包括惰性气体抑爆装置喷嘴位置参数、喷嘴数量参数、喷射角度参数、喷射流量参数和喷射时间参数。

作为优选方案，步骤S2和步骤S3中所述CFD气云泄漏模拟均采用雷诺应力输运方程模型。

作为优选方案，加氢站设备为加氢设备、卸气设备、增压设备中的任意一种。

作为优选方案，步骤S2之后，还包括步骤：根据第一氢浓度分布情况数据库在设备内顶部最易聚集氢气的位置处安装氢浓度探测器，加氢站内控制系统分别与氢浓度探测器、惰性气体抑爆系统连接。

相应地，还提供了一种加氢站惰性气体抑爆方案设计系统，基于上述的一种加氢站惰性气体抑爆方案设计方法，包括构建模块、第一模拟模块、第二模拟模块、设计模块，构建模块分别与第一模拟模块、第二模拟模块连接，设计模块分别与第一模拟模块、第二模拟模块连接；

构建模块，用于构建加氢站设备相应的三维模型、氢气泄漏场景库、惰性气体抑爆系统设计参数库；

第一模拟模块，基于三维模型、氢气泄漏场景库进行CFD气云泄漏模拟，以得到各氢气泄漏场景下设备内部随时间变化的第一氢浓度分布情况数据库；

第二模拟模块，基于三维模型、氢气泄漏场景库、惰性气体抑爆系统设计参数库进行CFD气云泄漏模拟，以得到各氢气泄漏场景在不同惰性气体抑爆系统设计方案下设备内部随时间变化的第二氢浓度分布情况数据库；

设计模块，用于根据第一氢浓度分布情况数据库、第二氢浓度分布情况数据库，得到一种适配设备在各种氢气泄漏场景下的最优惰性气体抑爆系统设计方案。

作为优选方案，系统还包括与第一模拟模块连接的位置选定模块，位置选定模块，用于根据第一氢浓度分布情况数据库在设备内顶部选定最易聚集氢气的位置作为氢浓度探测器的安装位置。

本发明的有益效果是：

根据未引入惰性气体抑爆系统设计参数库时各氢气泄漏场景下设备内部随时间变化的第一氢浓度分布情况数据库，以及引入惰性气体抑爆系统设计参数库时各氢气泄漏场景下设备内部随时间变化的第二氢浓度分布情况数据库，得到一种适配设备在各种氢气泄漏场景下的最优惰性气体抑爆系统设计方案，该种惰性气体抑爆系统设计方案可在各种氢气泄漏场景下保证抑爆效果以及避免惰性气体的资源浪费。即不管出现何种氢气泄露情况，系统直接根据该种惰性气体抑爆系统设计方案进行惰性气体的释放，在保证抑爆效果、避免惰性气体的资源浪费的基础上，还可减少主动抑爆的反应时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明所述一种加氢站惰性气体抑爆方案设计方法的流程图；

图2是本发明所述一种加氢站惰性气体抑爆方案设计系统的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一：

参照图1所示，本实施例提供了一种加氢站惰性气体抑爆方案设计方法，

包括步骤：

S1、构建加氢站设备相应的三维模型、氢气泄漏场景库、惰性气体抑爆系统设计参数库；

S2、基于三维模型、氢气泄漏场景库进行CFD气云泄漏模拟，以得到各氢气泄漏场景下设备内部随时间变化的第一氢浓度分布情况数据库；

S3、基于三维模型、氢气泄漏场景库、惰性气体抑爆系统设计参数库再次进行CFD气云泄漏模拟，以得到各氢气泄漏场景在不同惰性气体抑爆系统设计方案下设备内部随时间变化的第二氢浓度分布情况数据库；

S4、根据第一氢浓度分布情况数据库、第二氢浓度分布情况数据库，得到一种适配设备在各种氢气泄漏场景下的最优惰性气体抑爆系统设计方案。

可见，本发明根据未引入惰性气体抑爆系统设计参数库时各氢气泄漏场景下设备内部随时间变化的第一氢浓度分布情况数据库，以及引入惰性气体抑爆系统设计参数库时各氢气泄漏场景下设备内部随时间变化的第二氢浓度分布情况数据库，得到一种适配设备在各种氢气泄漏场景下的最优惰性气体抑爆系统设计方案，该种惰性气体抑爆系统设计方案可在各种氢气泄漏场景下保证抑爆效果以及避免惰性气体的资源浪费。即不管出现何种氢气泄露情况，系统直接根据该种惰性气体抑爆系统设计方案进行惰性气体的释放，在保证抑爆效果、避免惰性气体的资源浪费的基础上，还可减少主动抑爆的反应时间。

具体地：

在加氢站中最易发生氢气泄露的设备为加氢设备、卸气设备以及增压设备，本发明针对加氢设备设计加氢站惰性气体抑爆方案，进行举例说明：

首先构建加氢设备相应的三维模型、氢气泄漏场景库、以及惰性气体抑爆系统设计参数库；

氢气泄漏场景库中包括可影响氢气泄露情况的氢气泄漏参数、加氢站环境参数，其中氢气泄漏参数包括氢气泄漏位置、氢气泄漏流速、氢气泄漏方向，加氢站环境参数包括加氢站当地风向、加氢站当地风速。

惰性气体抑爆系统设计参数库中包括惰性气体抑爆装置喷嘴位置参数、喷嘴数量参数、喷射角度参数、喷射流量参数和喷射时间参数。

其中惰性气体抑爆装置由直径为DN20的无缝钢管管道和尺寸为1/2英寸的喷嘴组成，喷嘴通过承插焊的方式与无缝钢管管道连接，需要说明的是，无缝钢管管道用于输送惰性气体，一般设置于设备内顶部，一个设备内部仅设置一个无缝钢管管道，无缝钢管管道上可设置多个喷嘴，喷嘴用于喷射惰性气体。

进一步，遍历氢气泄漏场景库，并基于加氢设备三维模型进行CFD气云泄漏模拟，以得到各氢气泄漏场景下加氢设备内部随时间变化的第一氢浓度分布情况数据库。比如遍历氢气泄漏场景库得到X种氢气泄漏场景，此步骤即可得到X种氢气泄漏场景下加氢设备内部随时间变化的第一氢浓度分布情况数据库。

需要说明的是，CFD气云泄漏模拟的准确性对于最终设计方案的优化程度具有重大影响，数值计算的模拟方法主要包括直接数值模拟方法和非直接数值模拟的方法，直接数值模拟方法即直接求解瞬时湍流控制方程，而非直接数值模拟方法是对湍流做某种程度的近似，而不是去直接求解湍流的脉动特性。一般来说，湍流计算模型有k-ε模型、k-ω模型、RSM模型等，雷诺应力输运方程模型（RSM）完全抛弃了涡粘性假设，完全求解雷诺应力的微分输运方程，并且考虑了壁面对雷诺应力分布的影响，因此具有较其它两种模型更强的模拟能力，所以本发明步骤S2中的数值模拟采用了雷诺应力输运方程模型。

进一步，遍历氢气泄漏场景库、惰性气体抑爆系统设计参数库，并基于加氢设备三维模型再次进行CFD气云泄漏模拟，以得到引入惰性气体抑爆系统设计参数库时各氢气泄漏场景下加氢设备内部随时间变化的第二氢浓度分布情况数据库。比如遍历惰性气体抑爆系统设计参数库，可得到Y种惰性气体抑爆系统设计方案，因此可以得到X种氢气泄漏场景分别在Y种惰性气体抑爆系统设计方案下加氢设备内部随时间变化的第二氢浓度分布情况数据库。

需要说明的是，本发明步骤S3中的CFD气云泄漏模拟同样采用了雷诺应力输运方程模型，以提高模拟结果的准确性。

再进一步的，通过第一氢浓度分布情况数据库、第二氢浓度分布情况数据库中数据的对比，进而在Y种惰性气体抑爆系统设计方案中选取一种最优的惰性气体抑爆系统设计方案，该方案限定了气体抑爆装置各喷嘴的设置位置、喷嘴设置数量、各喷嘴的喷射角度、各喷嘴的喷射流量、各喷嘴的喷射时间。即不管发生何种氢气泄漏场景，均采用这套最优的惰性气体抑爆系统设计方案，以保证在氢气发生泄漏时，抑爆系统可在第一时间发挥抑爆作用，且该种最优的惰性气体抑爆系统设计方案在X种氢气泄漏场景下均可保证抑爆效果以及避免惰性气体的资源浪费效果。

需要说明的是，这种最优的惰性气体抑爆系统设计方案并非在所有氢气泄露场景下抑爆效果以及避免惰性气体的资源浪费效果均为最佳，而是在所有氢气泄露场景下综合抑爆效果、综合避免惰性气体的资源浪费效果为最佳。即在所有氢气泄露场景下，采用该种惰性气体抑爆系统设计方案，均可在相对较短时间、最小耗气量的基础上，将泄漏氢气浓度降至10%LEL以下，以保证加氢设备的安全。

进一步的，为保证在正式利用这套惰性气体抑爆系统设计方案进行主动抑爆时的及时性，氢浓度检测的检测及时性以及准确性也显得尤为重要，因此，本发明中还根据第一氢浓度分布情况数据库在加氢设备内顶部最易聚集氢气的位置处安装氢浓度探测器，加氢站内控制系统分别与氢浓度探测器、惰性气体抑爆系统连接。当氢浓度探测器探测到氢气泄露时，控制系统便控制惰性气体抑爆系统按照最优惰性气体抑爆系统设计方案进行工作。

需要说明的是，氢气的分子量相比较环境内其他气体是最低的，即使氢气管道接头处环装喷射点位置向下方喷射氢气，根据模拟结果，氢气仍然会迅速聚集在加氢设备壳体的顶部，并呈伞状沿加氢设备壳体顶部向四周扩散。因此本发明中选择在加氢设备内顶部最易聚集氢气的位置处安装氢浓度探测器，以用于第一时间识别氢气泄漏情况。作为优选，本发明还在加氢设备内顶部视野宽阔位置安装火焰探测器，以用于第一时间识别火灾发生情况。

针对加氢站中其他设备，例如上述的卸气设备、增压设备设计加氢站惰性气体抑爆方案的流程与上述流程一致，这里不作过多赘述。

实施例二：

参照图2所示，本实施例提供一种加氢站惰性气体抑爆方案设计系统，基于实施例一所述的一种加氢站惰性气体抑爆方案设计方法，包括构建模块、第一模拟模块、第二模拟模块、设计模块，构建模块分别与第一模拟模块、第二模拟模块连接，设计模块分别与第一模拟模块、第二模拟模块连接；

构建模块，用于构建加氢站设备相应的三维模型、氢气泄漏场景库、惰性气体抑爆系统设计参数库；

第一模拟模块，基于三维模型、氢气泄漏场景库进行CFD气云泄漏模拟，以得到各氢气泄漏场景下设备内部随时间变化的第一氢浓度分布情况数据库；

第二模拟模块，基于三维模型、氢气泄漏场景库、惰性气体抑爆系统设计参数库进行CFD气云泄漏模拟，以得到各氢气泄漏场景在不同惰性气体抑爆系统设计方案下设备内部随时间变化的第二氢浓度分布情况数据库；

设计模块，用于根据第一氢浓度分布情况数据库、第二氢浓度分布情况数据库，得到一种适配设备在各种氢气泄漏场景下的最优惰性气体抑爆系统设计方案。

具体的：

系统还包括与第一模拟模块连接的位置选定模块，位置选定模块，用于根据第一氢浓度分布情况数据库在设备内顶部选定最易聚集氢气的位置作为氢浓度探测器的安装位置。

需要说明的是，本实施例提供的一种加氢站惰性气体抑爆方案设计系统，与实施例一类似，在此不多做赘述。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种加氢站惰性气体抑爆方案设计方法，其特征在于，包括步骤：

S1、构建加氢站设备相应的三维模型、氢气泄漏场景库、惰性气体抑爆系统设计参数库；

S2、基于三维模型、氢气泄漏场景库进行CFD气云泄漏模拟，以得到各氢气泄漏场景下设备内部随时间变化的第一氢浓度分布情况数据库；

S3、基于三维模型、氢气泄漏场景库、惰性气体抑爆系统设计参数库再次进行CFD气云泄漏模拟，以得到各氢气泄漏场景在不同惰性气体抑爆系统设计方案下设备内部随时间变化的第二氢浓度分布情况数据库；

S4、根据第一氢浓度分布情况数据库、第二氢浓度分布情况数据库，得到一种适配设备在各种氢气泄漏场景下的最优惰性气体抑爆系统设计方案；

氢气泄漏场景库中包括氢气泄漏参数、加氢站环境参数；

氢气泄漏参数包括氢气泄漏位置、氢气泄漏流速、氢气泄漏方向；加氢站环境参数包括加氢站当地风向、加氢站当地风速；

惰性气体抑爆系统设计参数库中包括惰性气体抑爆装置喷嘴位置参数、喷嘴数量参数、喷射角度参数、喷射流量参数和喷射时间参数。

2.根据权利要求1所述的一种加氢站惰性气体抑爆方案设计方法，其特征在于，步骤S2和步骤S3中所述CFD气云泄漏模拟均采用雷诺应力输运方程模型。

3.根据权利要求1所述的一种加氢站惰性气体抑爆方案设计方法，其特征在于，加氢站设备为加氢设备、卸气设备、增压设备中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种加氢站惰性气体抑爆方案设计方法，其特征在于，步骤S2之后，还包括步骤：根据第一氢浓度分布情况数据库在设备内顶部最易聚集氢气的位置处安装氢浓度探测器，加氢站内控制系统分别与氢浓度探测器、惰性气体抑爆系统连接。

5.一种加氢站惰性气体抑爆方案设计系统，基于权利要求1-4任一项所述的一种加氢站惰性气体抑爆方案设计方法，其特征在于，包括构建模块、第一模拟模块、第二模拟模块、设计模块，构建模块分别与第一模拟模块、第二模拟模块连接，设计模块分别与第一模拟模块、第二模拟模块连接；

构建模块，用于构建加氢站设备相应的三维模型、氢气泄漏场景库、惰性气体抑爆系统设计参数库；

第一模拟模块，基于三维模型、氢气泄漏场景库进行CFD气云泄漏模拟，以得到各氢气泄漏场景下设备内部随时间变化的第一氢浓度分布情况数据库；

第二模拟模块，基于三维模型、氢气泄漏场景库、惰性气体抑爆系统设计参数库进行CFD气云泄漏模拟，以得到各氢气泄漏场景在不同惰性气体抑爆系统设计方案下设备内部随时间变化的第二氢浓度分布情况数据库；

设计模块，用于根据第一氢浓度分布情况数据库、第二氢浓度分布情况数据库，得到一种适配设备在各种氢气泄漏场景下的最优惰性气体抑爆系统设计方案。

6.根据权利要求5所述的一种加氢站惰性气体抑爆方案设计系统，其特征在于，系统还包括与第一模拟模块连接的位置选定模块，位置选定模块，用于根据第一氢浓度分布情况数据库在设备内顶部选定最易聚集氢气的位置作为氢浓度探测器的安装位置。

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