一种氢能电站多米诺事故风险评价方法及系统与流程

1.本发明属于氢能电站中的事故防范技术领域，特别涉及一种氢能电站 多米诺事故风险评价方法及系统。


背景技术：

2.氢能电站集制氢、储氢、用氢为一体，具有生产装置复杂化、过程连 续化、危险源集中化的特点，一旦氢气发生泄漏，遇点火源将引发火灾、 爆炸事故，其产生的热辐射和冲击波将可能引发多米诺效应，造成二次甚 至三次事故，使得事故规模进一步扩大，后果不堪设想，因此，安全问题 是氢能经济必须要面对和解决的问题。
3.目前对多米诺效应的研究较为成熟，然而以往研究大多集中在液态危 险物质上，对气态物质的研究尚且不多，并且大多数研究对象即危险单元 存放量相同，在多米诺事故初始事件的选取上带有随机性或依照大概率原 则，而电站内危险源存放装置及存放量上有很大不同，因此有必要采用系 统的方式找到所有事故扩展可能，对站内布局规划及事故防控才能起到指 导性作用。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供了一种氢能电站多米诺事故风险评价方法， 所述方法包括：
5.辨识氢能电站内部的主危险源及相关的危险单元；
6.获取火灾事故后果有关的危险单元扩展向量中，热辐射与距离之间的 关系，以及爆炸事故后果有关的危险单元扩展向量中，超压与距离之间的 关系；
7.根据热辐射与距离之间的关系以及超压与距离之间的关系，建立多米 诺事故场景；
8.根据多米诺事故场景，获取各级多米诺事故发生的概率；
9.根据各级多米诺事故发生的概率，确定人员风险概率。
10.进一步地，根据热辐射与距离之间的关系以及超压与距离之间的关系， 建立多米诺事故场景包括：
11.根据热辐射与距离之间的关系以及超压与距离之间的关系，确定临近 可能受影响的临近危险单元；
12.根据临近危险单元，建立初始危险单元引发的多米诺事故场景。
13.进一步地，根据多米诺事故场景，获取各级多米诺事故发生的概率包 括：
14.根据多米诺事故场景，选取事故后果最严重的多米诺事故场景；
15.根据后果最严重的多米诺事故场景，获取后果最严重的各级多米诺事 故发生的概率。
16.进一步地，热辐射通过如下公式进行计算：
17.i＝i0υτ
18.其中：
19.i为目标的热辐射强度；
20.i0为喷射源的热辐射强度；
21.υ为视角系数；
22.τ为大气投射系数，其中，大气投射系数通过如下公式计算：
23.τ＝log14.4n-0.108
k-0.13
24.其中：
25.n为相对湿度；
26.k为目标到火焰表面的距离。
27.进一步地，爆炸事故后果有关的危险单元扩展向量中，包括蒸气云爆 炸产生冲击波的损害半径。
28.进一步地，蒸气云爆炸产生冲击波的损害半径通过如下公式进行计算：
[0029][0030]
其中：
[0031]
r为损害半径,单位为m(米)；
[0032]cs
为经验常数，取决于伤害等级。
[0033]
进一步地，人员风险概率通过如下公式进行计算：
[0034][0035]
其中：
[0036]
r(x,y)为重大危险源在(x,y)处的个人风险；
[0037]fs，0
为第s个事件发生的原始频率；
[0038]
fe为设备修正系数；
[0039]fm
为安全管理系统修正系数；
[0040]
pw为气象条件w的概率；
[0041]
pi为点火源的概率；
[0042]vs
(x,y)为泄漏事件s在气象条件w点火源i的情况下引起(x，y) 处个体死亡的概率；
[0043]
s为泄漏事件个数；
[0044]
w为气象条件个数；
[0045]
i为点火源个数。
[0046]
另一方面，本发明还提供一种氢能电站多米诺事故风险评价系统，所 述系统包括：
[0047]
辨识模块，用于辨识氢能电站内部的主危险源及相关的危险单元；
[0048]
第一获取模块，用于获取火灾事故后果有关的危险单元扩展向量中， 热辐射与距离之间的关系，以及爆炸事故后果有关的危险单元扩展向量中， 超压与距离之间的关系；
[0049]
建立模块，用于根据热辐射与距离之间的关系以及超压与距离之间的 关系，建立多米诺事故场景；
[0050]
第二获取模块，用于根据多米诺事故场景，获取各级多米诺事故发生 的概率；
[0051]
确定模块，用于根据各级多米诺事故发生的概率，确定人员风险概率。
[0052]
进一步地，建立模块的执行步骤具体包括：
[0053]
根据热辐射与距离之间的关系以及超压与距离之间的关系，确定临近 可能受影响的临近危险单元。
[0054]
进一步地，第二获取模块的执行步骤具体包括：
[0055]
根据多米诺事故场景，选取事故后果最严重的多米诺事故场景；
[0056]
根据后果最严重的多米诺事故场景，获取后果最严重的各级多米诺事 故发生的概率。
[0057]
本发明提供的一种氢能电站多米诺事故风险评价方法及系统，通过定 量风险理论结合多米诺分析法对站内危险源之间的联系进行了系统分析， 通过构建的多场景下的多米诺扩展模式，为氢能电站内布置及安全防控提 供了科学依据。
[0058]
另外，本发明的优点还在于可以迅速找到关键致使事故扩大化的危险 单元，可以有效确定事故后果影响范围，并且能够动态预测系统风险性， 对氢能电站的设计、选址、建设等起到重要性作用。
[0059]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从 说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其 他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获 得。
附图说明
[0060]
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一个简单地介绍，显而易见 地，下面描述中的附图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。
[0061]
图1示出了根据本发明实施例的氢能电站多米诺事件扩展模式图。
[0062]
图2示出了根据本发明实施例的初始事件概率分析图。图3为无量纲峰值侧向超压随距离的变化曲线图。
具体实施方式
[0063]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本 发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说 明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提 下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0064]
如图1所示的，本发明提供了一种氢能电站多米诺事故风险评价方法， 所述方法包括有：
[0065]
在氢能电站中，通过危险源辨识方法，辨识氢能电站内部的主危险源 及相关危险单元，获得氢能电站内部所有与危险单元相关的各危险源装置 间的布局及各危险源装置的物料信息。
[0066]
其中，氢能电站内部危险单元主要包括管线、容器、压缩机以及燃料 电池等，不同危险单元由于其物料状态(例如压强、温度等)以及存放装 置的差异，造成危险源装置产生
火灾、爆炸时的影响范围不同。
[0067]
通过火灾爆炸模型计算危险单元的扩展向量，其中，在本实施例中， 对于火灾对应的危险单元，通过选择shell固体火焰模型，对危险单元的 扩展向量(扩展向量包括火焰长度以及热辐射强度)进行计算。
[0068]
其中，火焰长度(喷射火的火焰长度)可通过如下公式(1)计算：
[0069][0070]
公式(1)中：
[0071]
l——喷射火的火焰长度，单位为m(米)；
[0072]
hc——喷射火的燃烧热，单位为j/kg(焦/千克)；
[0073]
m——喷射火的质量流速，单位为kg/s(千米/秒)。
[0074]
其中，热辐射(目标距离热辐射)强度可通过如下公式(2)计算：
[0075]
i＝i0υτ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0076]
公式(2)中：
[0077]
i——目标距离热辐射强度，单位为kw/m2(千瓦/米2)；
[0078]
i0——喷射源的热辐射强度，kw/m2(千瓦/米2)；
[0079]
υ——为视角系数；
[0080]
τ——为大气投射系数，其中，大气投射系数通过如下公式(3) 计算：
[0081]
τ＝log14.4n-0.108
k-0.13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0082]
公式(3)中：
[0083]
n——相对湿度；
[0084]
k——目标(受损设备)到火焰表面的距离。
[0085]
在本实施例中，对于爆炸对应的危险单元，对危险单元的扩展向量(扩 展向量包括蒸气云爆炸产生冲击波的损害半径)进行计算。
[0086]
其中，蒸气云爆炸产生冲击波的损害半径通过如下公式(4)计算：
[0087][0088]
公式(4)中：
[0089]
r——损害半径,单位为m(米)；
[0090]cs
——经验常数，取决于伤害等级，其中，伤害等级见如下表一：
[0091]
表一
[0092][0093]
n——效率因子；
[0094]
e——爆炸能量，单位为kj(千焦)，其中，爆炸能量通过如下公 式(5)计算：
[0095][0096]
公式(5)中：
[0097]
w——危险物质质量，单位为kg(千克)；
[0098]
wi——物质质量,单位为kg(千克)；
[0099]
qi——物质爆热,kj/kg(千焦/千克)。
[0100]
在本实施中，对氢能电站内部的每一个危险单元从泄漏出发，可通过 火灾对应的热辐射强度以及爆炸对应的超压进行分析，确定不同危险源装 置的影响区域，确立热辐射-距离、超压-距离的关系(图3为无量纲峰值 侧向超压随距离的变化曲线)，从而确定潜在受损单元受到的超压和热辐 射值，以判断受损概率。
[0101]
多米诺事故的扩展除了和初始危险单元火灾、爆炸威力有关，还取决 于目标危险单元的脆弱性，利用阈值法确定处在初始危险单元损害范围内 的临近危险单元，造成相关设备损坏的热辐射强度和超压下限分别为 37.5kw/m2和20kpa，临近危险单元又可能会对下一目标的危险单元造成损 坏，继续分析直到不出现下一受影响单元。在氢能电站中造成事故升级的 主要扩展向量为超压，因此，根据超压，建立单个初始危险单元引发的多 米诺事件场景，选取事故后果最严重的多米诺事故场景进行风险(发生多 米诺效应前后的社会及个人风险)以及多米诺事故概率计算。
[0102]
本实施例中建立的多米诺事件场景如下表二所示：
[0103]
表二
[0104][0105]
通过以上分析即可构建起氢能电站内多米诺事故的所有传播路径，由 初始事故到二次事故、三次事故由有向线段连接起来的连接图(如图1)。
[0106]
通过图1，可以获得各危险单元之间相互影响的路径，得到危险单元之 间直接或间接影响的关系，辨识出互不干扰的危险单元(即当一方危险单 元发生事故后另一方不受影响的危险单元)，找到引起事故扩大化的关键 危险单元。
[0107]
另外，在本实施例中，可通过事件树分析以及参考相关标准获得初始 事故概率，再结合概率模型得到各级多米诺事故发生的概率。
[0108]
下面通过图2事件树以及相关标准计算初始事故发生概率，由初始危 险单元的氢气泄漏出发，得到初始事故火灾以及爆炸发生概率；氢气泄漏 的概率则取自相关标准，具体如下：
[0109]
接下来通过概率模型计算多米诺事故扩展概率，通过如下公式(6)进 行计算：
[0110][0111]
公式(6)中：
[0112]
p——热辐射(或冲击波超压或碎片，其中，冲击波超压(本实施 例中，冲击宝超压简称超压)和碎片均由蒸气云爆炸产生的)引起的设备(如 一些压力容器、压缩机之类的相
关设备)损坏概率；
[0113]
y——热辐射(或超压或碎片)的概率单位；
[0114]
x——设备损坏概率的积分变量；
[0115]
其中，对于初始危险单元为压力容器的，选择超压的概率单位：y＝
‑ꢀ
42.44 4.33ln(ps)；热辐射的概率单位：y＝12.54-1.847ln(ttf)， ln(ttf)＝-0.95ln(i) 8.845v
0.32
，其中，ttf为容器失效时间(压力容器失 效时间)；i为热辐射强度值大小，ps为超压值大小。
[0116]
在此，假设一级多米诺及以上危险单元在遭到破坏后发生灾难性破裂， 那么其产生蒸汽云爆炸的概率占40％(如图2中所示)，即扩展到下一临近危 险单元的概率为40％。
[0117]
多米诺事故概率计算公式(7)如下：
[0118][0119]
公式(7)中，其中i≥1，j≥0，ε为具体事故场景，vce(vapour cloudexplosion)为蒸汽云爆炸，f
ε
(xj)为多米诺事故概率,c表示初始事故场景。
[0120]
以初始危险单元为高压管线1(hp1)为例，由此即可计算得到hp1扩展 到高压储氢罐(hptk)，然后(hptk)扩展到回流缓冲罐(rptk)或燃料电池电 堆(fc)的多米诺事故发生的扩展概率(如下表三所示)。
[0121]
表三
[0122][0123]
下面对发生多米诺效应前后的社会及个人风险进行分析：
[0124]
其中，人员死亡概率与死亡人数的关系(个人风险)通过如下公式(8) 计算：
[0125][0126]
公式(8)中：
[0127]
r(x,y)——重大危险源在(x,y)处的个人风险；
[0128]fs，0
——第s个事件发生的原始频率；
[0129]
fe——设备修正系数；
[0130]fm
——安全管理系统修正系数；
[0131]
pw——气象条件w的概率；
[0132]
pi——点火源的概率；
[0133]vs
(x,y)——泄漏事件s在气象条件w点火源i的情况下引起(x，y) 处个体死亡的概率；
[0134]
s——泄漏事件个数；
[0135]
w——气象条件个数；
[0136]
i——点火源个数。
[0137]
其中，社会风险通过如下公式(9)计算：
[0138][0139]
公式(9)中：
[0140]
f为造成n≥n的所有事件的累计频率。
[0141]
通过以上计算，从而确定个人风险。
[0142]
结合以上分析，对氢能电站内安全防范提出以下措施：在该氢能电站 安全评价中，物质储存性质以及物质储存容量的大小直接决定了该危险单 元发生事故后果的严重程度，当对高压储氢罐进行隔离时，可大大降低多 米诺效应发生的可能性。其中压缩机和中压缓冲罐主要为互相影响，应添 加适当防范措施控制二者密切关联程度。
[0143]
另一方面，本发明还提供一种氢能电站多米诺事故风险评价系统，所 述系统包括：
[0144]
辨识模块，用于辨识氢能电站内部的主危险源及相关的危险单元；
[0145]
第一获取模块，用于获取火灾事故后果有关的危险单元扩展向量中， 热辐射与距离之间的关系，以及爆炸事故后果有关的危险单元扩展向量中， 超压与距离之间的关系；
[0146]
建立模块，用于根据热辐射与距离之间的关系以及超压与距离之间的 关系，建立多米诺事故场景；
[0147]
第二获取模块，用于根据多米诺事故场景，获取各级多米诺事故发生 的概率；
[0148]
确定模块，用于根据各级多米诺事故发生的概率，确定人员风险概率。
[0149]
进一步地，建立模块的执行步骤具体包括：
[0150]
根据热辐射与距离之间的关系以及超压与距离之间的关系，确定临近 可能受影响的临近危险单元。
[0151]
进一步地，第二获取模块的执行步骤具体包括：
[0152]
根据多米诺事故场景，选取事故后果最严重的多米诺事故场景；
[0153]
根据后果最严重的多米诺事故场景，获取后果最严重的各级多米诺事 故发生的概率
[0154]
本发明的一种氢能电站多米诺事故风险评价系统中的其他功能和方式 与本发明的一种氢能电站多米诺事故风险评价方法中的其他功能以及实现 方式对应一致，因此，此处不再做其他赘述。
[0155]
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上 的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明， 任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利 用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例 所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围 内。