掺氢天然气燃爆风险定量评估方法及系统

本技术涉及新能源安全，尤其涉及掺氢天然气燃爆风险定量评估方法及系统。

背景技术：

1、随着全球能源结构的转型与环保标准的日益提升，氢能作为一种清洁能源，已经成为新能源消纳、储能和融合的关键途径，对于推动全球能源的转型发挥着至关重要的作用。在其多种应用中，利用现有的天然气管道进行掺氢输送，是当前阶段平衡氢能储运安全与经济性的有效策略。掺氢天然气不仅可以减少对石化燃料的依赖，还具有显著降低温室气体排放的效果，然而，氢气的宽爆炸极限、低最小点火能量和快速的燃烧速率等特性，显著增加了其在储存和使用过程中的安全风险。

2、目前，对掺氢天然气的燃爆风险评估大多依赖于定性或半定量方法，比如，hazop分析，这些方法依靠专家评判并提供初步的风险评估，在精确预测和量化风险方面存在局限，且无法实现持续监测或提供实时的风险评估。

3、因而，亟需提供一种针对上述现有技术不足的技术方案。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种掺氢天然气燃爆风险定量评估方法及系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

2、为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

3、第一方面，本技术实施例提供一种掺氢天然气燃爆风险定量评估方法，用于对掺氢天然气管道发生泄漏导致燃爆进行风险评估，该评估方法包括：

4、步骤s101、确定掺氢天然气管道发生泄漏时泄漏物质的爆炸下限l、第j种泄漏情景对应的物质泄漏速率wj和管道泄漏概率pleak；其中，j为正整数；

5、步骤s102、基于事件树思想，根据泄漏物质的爆炸下限l，根据物质泄漏速率wj，计算掺氢天然气管道发生泄漏时对应的立即点火概率pimm，ign、延迟点火概率pdel，ign以及爆炸概率pexp/ign；其中，立即点火概率表征摩擦引燃的可能性；延迟点火概率表征外部能量激励的引燃可能性；爆炸概率表征外部能量激励引燃导致的爆炸可能性；

6、步骤s103、根据立即点火概率pimm，ign、延迟点火概率pdel，ign以及爆炸概率pexp/ign，确定掺氢天然气管道发生泄漏的最终事件概率；

7、步骤s104、根据第j种泄漏情景对应的物质泄漏速率wj，计算掺氢天然气管道发生泄漏的燃爆后果评价指标c；

8、以及，根据立即点火概率pimm，ign、延迟点火概率pdel，ign、爆炸概率pexp/ign和管道泄漏概率pleak，计算掺氢天然气管道发生泄漏的燃爆风险评价指标r。

9、优选的，步骤s101中，按照公式：

10、

11、确定泄漏物质的爆炸下限l；

12、式中，为1mol泄漏物质在298k时的标准燃烧热，ci＝{c1、c2、c3、c4}；c1表示泄漏物质的组分中包含的甲烷；c2表示泄漏物质的组分中包含的乙烷；c3表示泄漏物质的组分中包含的丙烷；c4表示泄漏物质的组分中包含的氢气；

13、a、b、c、x分别为泄漏物质达到爆炸下限的临界条件时，与c1、c2、c3、c4相对应的组分系数；

14、ni为泄漏物质中第i种组分的摩尔分数；cp，i为泄漏物质中第i种组分的恒压比热；t为掺氢天然气管道发生泄漏时泄漏物质的温度；

15、为泄漏物质燃烧前的反应物中各组分的摩尔分数；

16、为泄漏物质燃烧后的生成物中各组分的摩尔分数；

17、qr为每摩尔泄漏物质的热辐射损失，按照公式：

18、

19、确定热辐射损失；

20、式中，α为表面辐射换热系数；e为物体表面性质决定的辐照度；σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数；as为每摩尔泄漏物质的换热表面积；δt为火焰；ti表示泄漏物质中第i种组分的初始温度；t为掺氢天然气管道发生泄漏时泄漏物质的温度；

21、按照公式：

22、

23、确定物质泄漏速率；

24、式中，wj为第j种泄漏情景对应的物质泄漏速率；j为正整数，cd为泄漏点的气体流量系数；p1为泄漏孔同截面管道内部点临界压力；p2为掺氢天然气管道的外界大气压力；m为气体摩尔质量；z为平均压缩因子；r为标准气体质量常数；k为气体绝热指数。

25、优选的，步骤s102中，按照公式：

26、pimm.ign＝[1-5000e-9.5(t/ait)]+[0.0024×(p)1/3/(l)2/3]

27、计算立即点火概率pimm，ign；

28、式中，t为掺氢天然气管道发生泄漏时泄漏物质的温度；ait为泄漏物质的自燃点；p为泄漏物质的压力；l为泄漏物质的爆炸下限；

29、按照公式：

30、

31、确定泄漏物质的自燃点ait；

32、式中，ni为泄漏物质中第i种组分的摩尔分数；aiti为泄漏物质中第i种组分的自燃点。

33、优选的，步骤s102中，按照公式：

34、

35、计算延迟点火概率pdel，ign；式中，kcon为取值因子，表征点火源控制措施的好坏程度；mmat为泄漏物质燃烧特性对延迟点火概率的贡献因子；l为泄漏物质的爆炸下限；mmag为泄漏物质的泄漏量对延迟点火概率的贡献因子；wj为第j种泄漏情景对应的物质泄漏速率；j为正整数；mdur为物质泄漏的持续时间以及点火源的数量、密度、强度对延迟点火概率的贡献因子；g为点火源强度，t为物质泄漏的持续时间。

36、优选的，步骤s102中，按照公式：

37、pexp/ign＝0.024×wj0.435

38、计算爆炸概率pexp/ign；式中，wj为第j种泄漏情景对应的物质泄漏速率；j为正整数。

39、优选的，步骤s103中，按照公式：

40、

41、确定掺氢天然气燃爆的最终事件发生概率pf；其中，pleak为管道泄漏概率；pimm，ign为立即点火概率；pdel，ign为延迟点火概率；pexp/ign为爆炸概率；f＝1时，最终事件发生概率pf＝p1，表征掺氢天然气燃爆的火灾发生概率；f＝2时，最终事件发生概率pf＝p2，表征掺氢天然气燃爆的爆炸发生概率；f＝3时，最终事件概率pf＝p3，表征掺氢天然气燃爆不导致火灾或爆炸的环境排放概率。

42、优选的，步骤s104中，按照公式：

43、r＝pf·s

44、计算燃爆风险评价指标r；

45、式中，pf为掺氢天然气燃爆的最终事件发生概率；s为严重性指数；f＝1时，最终事件发生概率pf＝p1，表征掺氢天然气燃爆的火灾发生概率；f＝2时，最终事件发生概率pf＝p2，表征掺氢天然气燃爆的爆炸发生概率；

46、按照公式：

47、

48、确定严重性指数s；

49、式中，n为每年在掺氢天然气管道泄漏区域出现的预期人数；pdea为整个泄漏区域的平均死亡概率；u为积分变量；

50、按照公式：

51、

52、确定中间变量yf；

53、式中，q为与掺氢天然气燃爆的最终事件发生概率pf对应的热辐射强度；为静态超压的峰值；ts为暴露时间。

54、优选的，步骤s104中，按照公式：

55、c：

56、计算燃爆后果评价指标c；

57、式中，p0为标准大气压；p′为掺氢天然气管道发生爆炸时的超压系数；i′为冲量系数；e为掺氢天然气管道发生爆炸时的爆炸能量；c0为声速；a为掺氢天然气管道发生泄漏的最终事件为火灾，且火灾的表现形式为火球的综合评价指标；ps为泄漏物质的爆炸超压；q为火球热辐射量；i为掺氢天然气管道发生爆炸时的爆炸冲量；p1为可能致死的爆炸超压；q1为可能致死的热辐射值；i1为可能致死的爆炸冲量；

58、qv为掺氢天然气管道发生泄漏的最终事件为火灾，且火灾的表现形式为垂直方向喷火时的热辐射值；pw为大气中水蒸气的分压；r0为最终事件为火灾时的监测位置到火焰表面的距离；η为热辐射系数；wj为第j种泄漏情景对应的泄漏速率；δhc为泄漏物质的燃烧热；r为最终事件为火灾时的监测位置到火焰中心的距离；j为正整数；

59、qh为掺氢天然气管道发生泄漏的最终事件为火灾，且火灾的表现形式为水平方向喷火时的热辐射值；τ为大气传输率；

60、按照公式：

61、

62、确定超压系数p′；式中，r′为比例距离，表征标准大气压下，爆炸能量与爆炸中心距离的比例系数；z为最终事件为爆炸时的监测位置距爆炸中心的距离；

63、按照公式：

64、

65、确定爆炸能量e；式中，q混为泄漏物质的热值，v为泄漏物质的体积；ri为泄漏物质中组分i的体积分数；qi为泄漏物质中组分i的热值；

66、按照公式：

67、

68、确定冲量系数i′；

69、按照公式：

70、

71、确定火球热辐射量q；式中，q0为火球表面的热辐射通量；r为火球直径；r为目标到火球中心的平均距离；m为掺氢天然气管道发生泄漏的最终事件为火灾时消耗的泄漏物质的质量；

72、按照公式：

73、

74、确定大气中水蒸气的分压pw；式中，rh为环境的相对湿度；ta为环境温度；

75、按照公式：

76、δhc＝∑(ri×δhi)

77、确定介质燃烧热δhc；式中，ri为泄漏物质中第i个组分的体积分数；δhi为泄漏物质中第i个组分的燃烧热；

78、按照公式：

79、τ＝1-0.0565lnr

80、确定大气传输率τ；式中，r为最终事件为火灾时的监测位置到火球中心的平均距离。

81、第二方面，本技术实施例还提供一种掺氢天然气燃爆风险定量评估系统，用于对掺氢天然气管道发生泄漏导致燃爆进行风险评估，该评估系统包括：

82、管道泄漏参数单元，配置为确定掺氢天然气管道发生泄漏时泄漏物质的爆炸下限l、第j种泄漏情景对应的物质泄漏速率wj和管道泄漏概率pleak；其中，j为正整数；

83、事件树单元，配置为基于事件树思想，根据泄漏物质的爆炸下限l，根据物质泄漏速率wj，计算掺氢天然气管道发生泄漏时的立即点火概率pimm，ign、延迟点火概率pdel，ign以及爆炸概率pexp/ign；其中，立即点火概率表征摩擦引燃的可能性；延迟点火概率表征外部能量激励的引燃可能性；爆炸概率表征外部能量激励引燃导致的爆炸可能性；

84、最终事件单元，配置为根据立即点火概率pimm，ign、延迟点火概率pdel，ign以及爆炸概率pexp/ign，确定掺氢天然气管道发生泄漏的最终事件概率；

85、风险评估单元，配置为根据第j种泄漏情景对应的物质泄漏速率wj，计算掺氢天然气管道发生泄漏的燃爆后果评价指标c；以及，根据立即点火概率pimm，ign、延迟点火概率pdel，ign、爆炸概率pexp/ign和管道泄漏概率pleak，计算掺氢天然气管道发生泄漏的燃爆风险评价指标r。

86、有益效果：

87、本技术实施例提供的掺氢天然气燃爆风险定量评估方法及系统，用于对掺氢天然气管道发生泄漏导致燃爆进行风险评估，该评估方法中，首先，确定掺氢天然气管道发生泄漏时泄漏物质的爆炸下限l、第j种泄漏情景对应的物质泄漏速率wj和管道泄漏概率pleak；然后，基于事件树思想，根据泄漏物质的爆炸下限l、第j种泄漏情景对应的物质泄漏速率wj，计算掺氢天然气管道发生泄漏时的立即点火概率pimm，ign、延迟点火概率pdel，ign、爆炸概率pexp/ign；接着，根据立即点火概率pimm，ign、延迟点火概率pdel，ign、爆炸概率pexp/ign，确定掺氢天然气管道发生泄漏的最终事件概率；最后，根据第j种泄漏情景对应的物质泄漏速率wj，计算掺氢天然气管道发生泄漏的燃爆后果评价指标c；以及，根据立即点火概率pimm，ign、延迟点火概率pdel，ign、爆炸概率pexp/ign和管道泄漏概率pleak，计算掺氢天然气管道发生泄漏的燃爆风险评价指标r。籍以，通过对掺氢天然气管道从泄漏到火灾、爆炸的整个过程进行评估，全面监控掺氢天然气燃爆的整个事件链，有助于准确把握掺氢天然气管道从泄漏到火灾、爆炸的全过程风险，从而实施有效的预防和控制措施，最大限度地减少可能的破坏和经济损失，确保公众生命财产的安全。