一种受限空间氢系统级联事故监测方法与装置与流程

本发明属于氢安全与工业火灾防控，具体地说是一种受限空间氢系统级联事故监测方法与装置。

背景技术：

1、随着氢能产业的快速发展，制氢、储氢、用氢装备多集成于受限空间内，如加氢站站房、氢能车间、车载氢系统舱体等。受限空间内氢气泄漏后易积聚达到爆炸极限，遇点火源引发燃爆事故，产生的超压与热辐射会进一步波及周边涉氢设备，触发多米诺效应，造成灾难性后果。

2、现有技术中，针对氢泄漏多米诺效应的研究，多以氢气泄漏作为初始事故源，聚焦于氢泄漏扩散、燃爆后果的仿真与预测，却忽略了受限空间内最常见的初始危险源—电气线缆起火。实际工程场景中，大多数受限空间工业火灾由电线起火引发，而涉氢装备配套的电气系统遍布整个受限空间，形成了“电线起火→燃烧放热→受限空间温度骤升→涉氢装备热结构变形→密封失效氢气泄漏→氢气燃爆→超压与热辐射触发更多氢设备失效→多级多米诺事故”的完整氢电耦合级联事故链条。

3、目前针对该耦合链条的研究存在明显技术空白：其一，缺乏将电线起火fds建模与氢系统燃爆仿真相结合的全链条数值模拟方法，无法完整揭示氢电耦合级联事故的演化规律；其二，现有预测模型未考虑热致结构变形导致的氢泄漏过程，无法实现从初始电缆起火到最终多米诺事故的全流程快速预测；其三，缺少针对氢电耦合风险的双维度安全区间量化方法，以及适配事故演化特征的传感器协同布置方案，监测系统无法实现超前预警；其四，缺少集危险源辨识、事故预测、实时监测、预警防控于一体的集成化系统与装置，难以满足工程现场的实际安全管控需求。

4、因此，开发一种受限空间氢系统级联事故监测方法，对提升受限空间氢系统的本质安全水平，防范重特大氢能安全事故具有重要意义。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的技术缺陷，本发明提供一种受限空间氢系统级联事故监测方法与装置，其通过耦合电缆起火 fds 仿真、涉氢装备热-结构耦合仿真、氢泄漏与燃爆流体力学仿真与人工神经网络技术，完整覆盖“电缆起火→热致变形→氢泄漏→燃爆→多米诺效应”全事故链条，实现级联事故后果的快速精准预测；同时量化电侧-氢侧双维度安全区间，提出传感器协同优化布置方案，搭建集成化监测装置与分析系统，以实现受限空间氢电耦合级联事故的实时监测、超前预警与主动防控。

2、为此，本发明采用如下的技术方案。

3、第一方面，本发明提供一种受限空间氢系统级联事故监测方法，其包括：

4、根据电缆起火温度场数据集、受限空间热致氢泄漏扩散数据集、单一燃爆事故后果数据集和氢泄漏多米诺效应二次事故数据集，分别训练并构建基于人工神经网络的电缆起火温度场预测模型、热致氢泄漏扩散预测模型、单一燃爆事故后果预测模型和二次事故后果预测模型，并通过多模型耦合，建立氢电耦合级联事故全流程快速预测模型；

5、根据电缆起火温度场演化规律和氢系统燃爆风险阈值，分别量化电缆起火安全区间和氢系统安全运行区间，形成电侧-氢侧双维度耦合安全边界；结合氢电耦合级联事故全流程快速预测模型的风险区域分布结果，确定受限空间内热传感器与氢浓度传感器的协同优化布置方案；

6、根据氢电耦合级联事故全流程快速预测模型、电侧-氢侧双维度耦合安全边界和协同优化布置方案，构建受限空间氢系统级联事故分析系统，采用该分析系统进行氢电耦合级联事故的实时监测、风险预判、后果快速预测和超前预警。

7、进一步地，所述的受限空间氢系统级联事故监测方法还包括：

8、通过失效模式分析识别电缆起火高风险点位与氢气泄漏高风险单元，通过故障树分析完成电侧危险单元与氢侧危险单元的空间匹配与关联划分，基于辨识结果与受限空间实际布局构建受限空间氢电耦合系统三维全尺寸模型。

9、进一步地，所述电缆起火温度场数据集的建立过程包括：基于辨识的电缆起火风险点，构建电线起火fds仿真模型，针对不同起火场景进行电缆燃烧数值模拟，获取受限空间内温度场分布及时序演化特性，进行电缆起火安全区间分析，建立电缆起火温度场数据集。

10、进一步地，所述受限空间热致氢泄漏扩散数据集的建立过程包括：根据电缆燃烧温度场仿真结果，进行涉氢装备与系统热结构变形分析，量化温度载荷下装备变形量和密封失效概率，建立装备变形量与氢气泄漏速率、泄漏规模之间的映射关系，进行变形致氢泄漏特性分析，建立受限空间热致氢泄漏扩散数据集。

11、进一步地，所述单一燃爆事故后果数据集的建立过程包括：根据热致氢泄漏扩散数据集，进行氢气燃爆事故流体力学仿真分析，获取不同单一燃爆事故下超压场与温度场的分布及演化特性，进行物理爆炸极限分析，建立单一燃爆事故后果数据集；所述氢气燃爆事故包括射流火焰、闪火和物理爆炸。

12、进一步地，所述氢泄漏多米诺效应二次事故数据集的建立过程包括：根据单一燃爆事故后果数据集，结合多米诺效应触发阈值判据，判断二次事故触发风险，构建“初始电缆起火→氢泄漏→一次燃爆→二次/多级氢设备燃爆”的级联事故场景，进行全链条流体力学仿真，获取多米诺效应下温度场与超压场的演化规律，建立氢泄漏多米诺效应二次事故数据集。

13、进一步地，所述氢电耦合级联事故全流程快速预测模型的建立过程包括：

14、基于电缆起火温度场数据集，将起火位置、起火功率和起火时间作为输入特征，对应场景下全区域温度场时序数据作为输出标签，划分训练集、验证集和测试集，训练得到电缆起火温度场预测模型；

15、基于受限空间热致氢泄漏扩散数据集，将温度场分布、泄漏位置和泄漏规模作为输入特征，对应场景下氢气浓度时空分布数据作为输出标签，训练得到热致氢泄漏扩散预测模型；

16、基于单一燃爆事故后果数据集，将点火位置、点火时间和氢气浓度场分布作为输入特征，对应场景下超压场与温度场时序数据作为输出标签，训练得到单一燃爆事故后果预测模型；

17、基于氢泄漏多米诺效应二次事故数据集，将一次燃爆事故的超压场和温度场分布作为输入特征，对应二次/多级事故的超压场与温度场演化数据作为输出标签，训练得到二次事故后果预测模型；

18、耦合上述多个预测模型，构建“电缆起火温度场预测→热致氢泄漏扩散预测→单一燃爆事故后果预测→多米诺事故风险判断→二次事故后果预测”的级联架构，形成氢电耦合级联事故全流程快速预测模型。

19、进一步地，所述协同优化布置方案的确定过程包括：

20、以电缆不发生起火燃烧和起火后热辐射不导致涉氢装备失效为边界，量化电缆起火安全区间；以氢气浓度不达到爆炸极限和燃爆超压不触发二次事故为边界，量化氢系统安全运行区间，建立电侧-氢侧双维度耦合安全边界；

21、基于氢电耦合级联事故全流程快速预测模型输出的高风险区域、温度场与氢浓度场梯度分布特征，结合电侧-氢侧双维度耦合安全边界，形成热传感器与氢浓度传感器的空间布设方案；

22、针对传感器的空间布设方案，针对不同事故场景进行响应有效性仿真验证，优化传感器数量、安装位置和采样频率，形成最终的协同优化布置方案。

23、进一步地，所述受限空间氢系统级联事故分析系统包括：

24、数据采集单元，包括按协同优化布置方案布设的多路热传感器、氢浓度传感器，以及电气回路电压电流监测单元、视频监测单元，用于实时采集受限空间内温度数据、氢气浓度数据、电气运行参数与现场画面；

25、边缘计算单元，内置氢电耦合级联事故全流程快速预测模型，用于接收采集的实时数据，开展事故风险实时预判和后果快速预测，同时完成数据预处理、本地存储与异常数据识别；

26、预警输出单元，与边缘计算单元通信连接，设置多级预警阈值，对应输出声光预警、设备联动控制信号和应急处置提示信息；

27、云端管控单元，与边缘计算单元无线通信连接，用于实现历史数据回溯、模型迭代更新、多站点远程管控和应急方案推送。

28、第二方面，本发明提供一种受限空间氢系统级联事故监测装置，用于实现上述受限空间氢系统级联事故监测方法，其包括：

29、级联事故全流程快速预测模型构建单元，用于根据电缆起火温度场数据集、受限空间热致氢泄漏扩散数据集、单一燃爆事故后果数据集和氢泄漏多米诺效应二次事故数据集，分别训练并构建基于人工神经网络的电缆起火温度场预测模型、热致氢泄漏扩散预测模型、单一燃爆事故后果预测模型和二次事故后果预测模型，并通过多模型耦合，建立氢电耦合级联事故全流程快速预测模型；

30、协同优化布置方案确定单元，用于根据电缆起火温度场演化规律和氢系统燃爆风险阈值，分别量化电缆起火安全区间和氢系统安全运行区间，形成电侧-氢侧双维度耦合安全边界；结合氢电耦合级联事故全流程快速预测模型的风险区域分布结果，确定受限空间内热传感器与氢浓度传感器的协同优化布置方案；

31、级联事故分析系统构建单元，用于根据级联事故全流程快速预测模型、电侧-氢侧双维度耦合安全边界和协同优化布置方案，构建受限空间氢系统级联事故分析系统。

32、本发明具有以下有益效果：

33、1.本发明完整覆盖“电线起火→热致结构变形→氢泄漏→燃爆→多米诺效应”的氢电耦合级联事故全链条，耦合电缆起火 fds 仿真、涉氢装备热-结构耦合仿真（涉氢装备与系统热结构变形分析）和氢泄漏与燃爆流体力学仿真，完整揭示了受限空间内氢电耦合级联事故的演化规律。

34、2.本发明构建了多阶段级联的人工神经网络预测模型，实现了氢电耦合级联事故全流程的快速预测，相比传统逐场仿真方法，预测效率大幅提升，同时保证预测精度，可满足工程现场实时风险研判的需求。

35、3.本发明量化了电缆起火与氢系统双维度安全运行区间，提出了热传感器与氢浓度传感器的协同优化布置方案，解决了现有监测系统布局盲目、预警滞后的问题，可实现事故的超前预警。

36、4.本发明可直接应用于加氢站、氢能车间、车载氢系统等各类受限空间涉氢场景。