一种氢气泄漏风险预警方法及系统

1.本发明涉及氢气泄漏领域，特别是涉及一种氢气泄漏风险预警方法及系统。


背景技术：

2.氢能作为一种高能量密度、清洁无污染的绿色能源，其大规模应用是解决能源浪费和环境污染问题的有力途径。然而氢气作为小分子气体，物理和化学性质极为特殊，不仅容易泄漏，还极易扩散，在通风条件较差的场所很容易聚集，这种情况一旦发生，聚集的氢气将很快达到燃爆极限，极易发生燃烧爆炸事故。实际应用场景中，储氢容器和管道在焊缝、锈蚀及阀门开口处易出现开裂现象，这些容易出现泄漏和聚集的危险空间区域应被划分为高风险区间，并给予着重的监测和保护。对于整个空间区域的划分应考虑到发生氢气聚集的快慢程度和气体聚集的严重程度，分为不同危险级别，以指导安全布防工作。目前在该领域尚没有较为完善的研究，对于安全距离、安全区间的研究，主要集中在工程施工、安全疏散的相关研究上，对于危险气体的安全警戒，大多简单地按照危险气体浓度这单一变量来划分，且仅划分成安全与危险两个区域导致划分的风险区域不准确，因此预警会发生误报，或者直接布置传感器来监测，却鲜有系统地分析不同空间的危险程度再针对性地布置报警方案，使得报警系统的效果不能充分发挥，因此急需一种准确合理的风险区间划分方法来降低风险预警的误报。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种氢气泄漏风险预警方法及系统，通过氢气达到爆燃浓度范围的快慢程度来划分多级危险区域，从而提高涉氢场所风险等级划分的准确性进而提高风险预警的准确性。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种氢气泄漏风险预警方法，包括：获取涉氢场所的通风信息；对所述涉氢场所的管路系统进行网格划分，得到网格化的管路系统；根据所述管路系统的泄漏源确定所述网格化的管路系统每个网格对应的危险系数；根据所述危险系数利用射流锥模型确定高危风险区域；根据所述危险系数和所述通风信息确定中等风险区域、低等风险区域和安全区域；分别根据所述高危风险区域、所述中等风险区域、所述低等风险区域和所述安全区域进行风险预警。
5.可选地，所述根据所述管路系统的泄漏源确定所述网格化的管路系统每个网格对应的危险系数，具体包括：获取所述网格化的管路系统每个网格中泄漏源的危险系数；
将每个所述网格中泄漏源的最大危险系数作为每个网格对应的危险系数。
6.可选地，所述根据所述危险系数利用射流锥模型确定高危风险区域，具体包括：根据所述危险系数利用射流锥模型确定氢气浓度分布；根据所述氢气浓度分布和所述泄漏源确定高危风险区域。
7.可选地，所述根据所述危险系数和所述通风信息确定中等风险区域、低等风险区域和安全区域，具体包括：判断所述通风信息中的顶部通风量是否大于所述高危风险区域的气体容积，得到第一判断结果；若所述第一判断结果为是，则确定所述涉氢场所除所述高危风险区域外的区域为安全区域；若所述第一判断结果为否，则根据所述危险系数和所述通风信息确定中等风险区域；根据所述中等风险区域、所述高危风险区域、所述涉氢场所的内部气体容积和所述通风信息确定低等风险区域和安全区域。
8.可选地，所述根据所述中等风险区域、所述高危风险区域、所述涉氢场所的内部气体容积和所述通风信息确定低等风险区域和安全区域，具体包括：判断所述通风信息中是否同时存在顶部通风量和非顶部通风量，得到第二判断结果；若所述第二判断结果为否，则确定所述涉氢场所除所述高危风险区域和所述中等风险区域外的区域为低等风险区域；若所述第二判断结果为是，则根据所述涉氢场所的内部气体容积和所述通风信息确定低等风险区域和安全区域。
9.可选地，所述根据所述涉氢场所的内部气体容积和所述通风信息确定低等风险区域和安全区域，具体包括：将所述通风信息中的顶部通风量和非顶部通风量确定总通风量；根据所述总通风量和所述危险系数确定低等风险区域；根据所述涉氢场所的内部气体容积和所述低等风险区域确定安全区域。
10.一种氢气泄漏风险预警系统，包括：获取模块，用于获取涉氢场所的通风信息；网格划分模块，用于对所述涉氢场所的管路系统进行网格划分，得到网格化的管路系统；危险系数确定模块，用于根据所述管路系统的泄漏源确定所述网格化的管路系统每个网格对应的危险系数；高危风险区域确定模块，用于根据所述危险系数利用射流锥模型确定高危风险区域；中等风险区域、低等风险区域和安全区域确定模块，用于根据所述危险系数和所述通风信息确定中等风险区域、低等风险区域和安全区域；预警模块，用于分别根据所述高危风险区域、所述中等风险区域、所述低等风险区域和所述安全区域进行风险预警。
11.可选地，所述危险系数确定模块，具体包括：获取单元，用于获取所述网格化的管路系统每个网格中泄漏源的危险系数；危险系数确定单元，用于将每个所述网格中泄漏源的最大危险系数作为每个网格对应的危险系数。
12.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明获取涉氢场所的通风信息；对所述涉氢场所的管路系统进行网格划分，得到网格化的管路系统；根据所述管路系统的泄漏源确定所述网格化的管路系统每个网格对应的危险系数；根据所述危险系数利用射流锥模型确定高危风险区域；根据所述危险系数和所述通风信息确定中等风险区域、低等风险区域和安全区域。通过射流锥模型能够在极短时间内对到达燃烧阈值的空间边界区域作重点划定，确定高危险区域，进而确定中等风险区域、低等风险区域和安全区域，从而提高涉氢场所风险等级划分的准确性。分别根据所述高危风险区域、所述中等风险区域、所述低等风险区域和所述安全区域进行风险预警进而提高风险预警的准确性。
附图说明
13.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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为本发明提供的氢气泄漏风险预警方法流程图；图2为本发明提供的氢气泄漏风险预警方法在实际应用中的流程图；图3为可调流量通风口涉氢场所风险区域划分流程图；图4为涉氢场所与管路示意图；图5为风险等级为高危险区域示意图；图6为风险等级为中等风险区域示意图；图7为风险等级为低等风险区域示意图；图8为氢气浓度传感器布置位置图；图9为第二次危险区间划分图；图10为第三次危险区间划分图。
具体实施方式
15.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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
16.本发明的目的是提供一种氢气泄漏风险预警方法及系统，通过氢气达到爆燃浓度范围的快慢程度来划分多级危险区域，从而提高涉氢场所风险等级划分的准确性进而提高风险预警的准确性。
17.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实
施方式对本发明作进一步详细的说明。
18.本发明的目的是提供一种涉氢场所（制氢车间、氢燃料电池交通工具等）的安全区间划分方法，以实现涉氢场所内按照危险程度的不同来设置多个安全等级，以指明涉氢空间中安全防控优先级的不同。如图1和图2所示，本发明提供的一种氢气泄漏风险预警方法，包括：步骤101：获取涉氢场所的通风信息。其中，通风信息包括各类通风口的通风量，气体交换流量大小等。
19.在实际应用中，按照从顶棚到下的顺序对涉氢场所的通风口依次进行编号。
20.步骤102：对所述涉氢场所的管路系统进行网格划分，得到网格化的管路系统。
21.步骤103：根据所述管路系统的泄漏源确定所述网格化的管路系统每个网格对应的危险系数。步骤103，具体包括：获取所述网格化的管路系统每个网格中泄漏源的危险系数；将每个所述网格中泄漏源的最大危险系数作为每个网格对应的危险系数。
22.确立危险程度高的潜在泄漏源。研究表明，在储氢容器和管道上最容易出现因意外开裂而发生泄漏的位置是管路焊缝、锈蚀处及阀门开口处，而强度正常的储氢容器壁或管道壁则很难发生破坏和泄漏。在整个管路系统的表面划分网格，并按照表1判断其是否符合潜在泄漏源的特征，如果是，则进一步地确定潜在泄漏源的危险系数p，危险系数表如表1所示。
23.表1 危险系数表对于危险系数不为0的网格，将其标记出来并记录其危险系数，若处于边界上的网格包含不止一种危险系数的区域，则取其中最大者作为该网格的危险系数，这是为了采取较为严格的危险划定标准，是使最终的划分结果留有一定安全裕度。
24.步骤104：根据所述危险系数利用射流锥模型确定高危风险区域。步骤104，具体包括：根据所述危险系数利用射流锥模型确定氢气浓度分布；根据所述氢气浓度分布和所述
泄漏源确定高危风险区域。其中，高危风险区域为即为图中的高危区域。
25.确立风险级别为高危的安全区间。每一个危险系数不为0的网格都视为可能出现泄漏的危险点，按照氢气到达燃爆浓度范围（≥4%）的快慢程度来进行安全区间划分的依据，则高危区间指的是在发生泄漏事故后极短时间就能到达可燃范围的区域。
26.当某个危险系数为p的网格处发生泄漏事故时，其射出的氢气射流可以使用射流锥模型进行描述。根据射流锥模型氢气浓度分布的经验公式，有，其中，上式表示的氢气浓度分布为划分高危风险区域的较准确的公式，由于氢气密度远小于空气，因此该锥形是一个纵方向倒置的圆锥，式中，k为空间中某点的氢气百分比浓度，p为网格的危险系数；z为距离泄漏口的纵向距离；r为距离泄漏口的径向距离；为射流的纵向速度，可以通过一次泄漏试验获得。而k则是氢气的危险浓度阈值，一般可设为4%，或适当减小该阈值以留有安全裕度。
27.利用该经验公式可以计算出一个空间曲面，曲面内的区域即为超过危险浓度阈值的空间，在泄漏发生后，该射流锥几乎是瞬间形成，因此被划分为高危风险区域。完整的高危风险区域是由所有危险系数不为0的网格对应的射流锥叠加而成。
28.特别地，当对精度要求不高时，可以使用以角度描述的经验公式，这样计算出的超过危险浓度阈值的空间更加精简，在4%浓度阈值时，单个射流锥的危险边界可以描述为：高危风险区域的体积计算式可以写为：式中使用极坐标进行二重积分运算，坐标原点为射流锥顶点，是两个积分变量；为高危风险级别所占的体积，为积分区域，取顶棚与射流锥的交线所围面积，且如果有射流锥重叠的情况，不需要重复计算同一面积；是顶棚的曲面方程。
29.步骤105：根据所述危险系数和所述通风信息确定中等风险区域、低等风险区域和安全区域。
30.步骤105，具体包括：判断所述通风信息中的顶部通风量是否大于所述高危风险区域的气体容积，得到第一判断结果。若所述第一判断结果为是，则确定所述涉氢场所除所述高危风险区域外的区域为安全区域。若所述第一判断结果为否，则根据所述危险系数和所述通风信息确定中等风险区域。
31.根据所述中等风险区域、所述高危风险区域、所述涉氢场所的内部气体容积和所述通风信息确定低等风险区域和安全区域。
32.其中，所述根据所述中等风险区域、所述高危风险区域、所述涉氢场所的内部气体容积和所述通风信息确定低等风险区域和安全区域，具体包括：
判断所述通风信息中是否同时存在顶部通风量和非顶部通风量，得到第二判断结果。若所述第二判断结果为否，则确定所述涉氢场所除所述高危风险区域和所述中等风险区域外的区域为低等风险区域。若所述第二判断结果为是，则根据所述涉氢场所的内部气体容积和所述通风信息确定低等风险区域和安全区域。
33.其中，所述根据所述涉氢场所的内部气体容积和所述通风信息确定低等风险区域和安全区域，具体包括：将所述通风信息中的顶部通风量和非顶部通风量确定总通风量；根据所述总通风量和所述危险系数确定低等风险区域；根据所述涉氢场所的内部气体容积和所述低等风险区域确定安全区域。
34.确立风险级别为中等的安全区间。在进行这一步之前，需要已经确定的其他要素有：涉氢场所是否有气体交换、气体交换流量大小、内部空间的形状容积等。由于氢气会自发地向屋顶聚集，因此中等的安全区间的划分考虑了通风口的通风量q（单位m3/s），从顶棚向下对通风口依次编号，可得中等风险区域的容积计算公式为：式中，为中等风险区域所占的体积；p为网格的危险系数；d为网格边长；为射流的纵向速度；k是氢气的危险浓度阈值，一般为4%；为从上往下数第i个通风口的通风量；t为警戒时间，即在该时间内达到浓度阈值视为中等以上风险（当多种风险等级的区域有重叠时，按照最高风险等级算），一般该警戒时间可以设置为一分钟，可以根据目标场景的实际重要程度适当增大或减小。m为中等风险区域覆盖的通风口数量，实际计算中，考虑到中等风险区域随着时间变化，因此m对应时间微元dt内中等风险区域覆盖的通风口数量。此公式先计算了中等风险区域的体积，从而得到中、低等风险区域的分界线。
35.特别地，如果场地最顶部的一个或几个通风口的通风量非常大，如在实际计算中则说明顶棚处不会发生氢气聚集，则这种情况下的安全区间划分不包含中等风险区域，则不进行高危风险区域的确定和低等风险区域的确定步骤，此时的危险等级只包括高危和安全两种。其中，q
顶
为顶部通风量。此公式用来判断顶棚处是否会发生氢气聚集。
36.确立风险级别为低等的安全区间。如果确立风险级别为中等的安全区间中有被判断为中风险等级的区域且中等以上风险没有占据整个空间，则需要进一步划分低风险等级区域。低风险等级区域定义为在足够长时间内氢气浓度可以达到燃烧阈值的空间区域，如果是密闭空间或只有顶部通风的环境，则在确定了高危风险区域及中等风险区域后，余下的空间即为低等风险区域。
37.如果同时存在顶部和非顶部的通风口，则需要像计算中等风险区域一样比较通风量和泄漏量，按照从顶部往下的顺序对通风口的通风量依次相加，直到总的通风量大于泄漏的等效4%混合气体量为止。
38.此公式用来划分低等安全区域和安全区域。在这种情况下，以第n个通风口为分界线，分界线以上为低等风险区域，而分界线以下则是安全区域。低等风险区域的容积计算公式为：式中为中等、低等风险区域的边界；为等低等、安全风险区域的边界，如果边界上没有障碍物阻挡，则应是一个定值，同理；s为该涉氢场景的占地面积。
39.经过这四步的风险区域划分，等级为安全的区间自然也就被确定了，空间风险等级是安全的空间容积为，其中v是涉氢场所的有效容积（即总空间容积减去设备管路体积）。
40.如图3所示，对于通风口具有风量调节功能的涉氢场景，考虑到平时处于安全状态运作时节省能源的需求，并不需要让通风口一直保持最大风量通风状态。于是可以设定通风口的两种工作状态和，对应较低通风量状态，而则是最大通风状态。对通风口通风状态的切换依据可以是通过浓度传感器测得的浓度值或者各风险等级空间体积占比来确定，这里以浓度传感器为主的判断方法为例。
41.首先应按照前文提及方法来进行第一次的危险区域划分，通风口的参数按照状态来设定，与按照不可调节低通风量的通风口计算出来的危险区域等价。同时传感器的布置位置也可以根据第一次划分的危险区域来决定（一般来说在中等危险区域和低等风险区域各至少需要放置一个，安全区域则不需要布置）。判断是否所有传感器都完成报警或危险区域划分情况不再随时间变化，若是，则输出最新的风险区间划分结果，若否则根据氢气泄漏和通风状态按照时间顺序确定氢气聚集情况，假设经过时间后，某个传感器的指示浓度首先超过危险浓度阈值（一般为4%或更低）时，位于该传感器上方的所有通风口均切换到状态，加速危险气体排出，减小危险区域体积占比。此时由于场景的通风状况发生改变，需要重新划分危险区间，而基于时刻通风状态的危险区间划分将覆盖原先的划分结果。按照时间顺序继续进行泄漏情况的模拟并更新危险区间划分，直到所有传感器都完成报警或危险区间划分情况不再随时间变化为止。
42.如图4-图7所示，以某制氢车间为例，首先可以确定该场景中有三个通风口，它们的通风量是相同的，本实施例也会讨论这三个通风口是可以调节流量类型时的情况，假设某通风口从低通风状态切换到最大通风状态时，其流量可以变为原先的1.8倍。对这三个通风口按照从上到下的顺序进行编号，最靠上的是1号通风口，侧面的是2号通风口，剩下的则是3号通风口，如图4所示。值得注意的是，由于3号通风口大约处在2号通风口中间的位置，
故在分析时，认为2号通风口的流量达到一半当前模式的最大通风量时，3号通风口会开始发挥作用。
43.首先默认所有通风口都处于低通风量状态，进行第一次危险区域划分工作。按照表一对氢气管路表面划分网格并确定每个网格的危险因子，并以每一个危险因子不为0的网格为始点，到达墙壁或顶棚为止作出射流锥，如图5所示。图中只作出了部分射流锥以作示意，图中黑色区域即为风险等级为“高危”的空间范围。
44.设置氢气的危险浓度阈值为4%，警戒时间设定为一分钟，按照公式计算泄漏量和通风量的大小关系，首先确定最顶部的1号通风口不足以排尽危险气体，进一步得危险气体只会在图中较高的方形空间里聚集，且到达警戒时间时只启动了1.2倍单通风口的通风流量，通风口三未发挥作用。风险等级为“中等风险”的空间范围如图6所示。
45.同样以4%为氢气的危险浓度阈值，按顺序对通风口通风量依次相加并计算通风量和泄漏量的平衡关系，可得需要启动了2.7倍单通风口的通风流量才能平衡泄漏量，在这种情况下，1、3号通风口和部分2号通风口处于有效状态。随之可以得到低等风险和安全区域的分界线，确定风险等级为“低等风险”的空间范围，如图7所示。进一步可得剩余空间就是风险等级为“安全”的空间范围。
46.当通风口是可以调节流量的类型时，接下来需要在第一次风险区间划分的基础上，决定氢气浓度传感器的布置位置，本实施例中，决定在中等风险区域和低等风险区域各布置一枚氢气浓度传感器，危险浓度阈值设为4%，超过则会报警并作为调节通风口通风模式的依据。传感器布置位置如图8所示。
47.由于一号传感器5就布置在屋顶上，因而一旦有氢气泄漏，该传感器几乎是马上就会报警。此时1号通风口的通风量变为1.8倍平时通风量，2号3号不变，按照相同的步骤，计算出此时的风险区间划分结果，如图9所示（高危区间不变故不再画出）。
48.二号传感器4布置在比2号通风口的中线高一点的地方，虽然1号通风口加大了风量，但随着氢气的积累，二号传感器4仍然达到了危险阈值，此时所有通风口都工作在最大流量状态了，此时危险区域的范围进一步缩小，如图10所示。之后，因为通风量的增加，随着时间推移，氢气的危险区间也不再继续扩大了，达到结束条件，因此图10便是最终的危险区域划分图。
49.步骤106：分别根据所述高危风险区域、所述中等风险区域、所述低等风险区域和所述安全区域进行风险预警。
50.针对不同风险级别的空间区域，提出多等级警报方法，对于高危、中等和低等风险等级，其细分的警报级别按照下式进行计算：。
51.其中，为警报级别重要度，如果小于0.3，对应该风险级别的ⅲ级警报，在0.3和0.7之间，对应ⅱ级警报，大于0.7，则对应ⅰ级警报。对应高危、中等、低等风险区域体积，为体积系数，计算低等风险时为1，计算中等和高危风险时则需要适当减小，例如分别取为0.5和0.1，假设某次风险区间的划分结果为：高危区域5%体积占比，中等风险区域20%体积占比，低等风险区域25%体积占比，安全区域50%体积占比，则经过计算后，应同时发出ⅱ级高危警报、ⅱ级中等警报和ⅲ级低等警报。
52.本发明还提供一种氢气泄漏风险预警系统，包括：获取模块，用于获取涉氢场所的通风信息。
53.网格划分模块，用于对所述涉氢场所的管路系统进行网格划分，得到网格化的管路系统。
54.危险系数确定模块，用于根据所述管路系统的泄漏源确定所述网格化的管路系统每个网格对应的危险系数。
55.高危风险区域确定模块，用于根据所述危险系数利用射流锥模型确定高危风险区域。
56.中等风险区域、低等风险区域和安全区域确定模块，用于根据所述危险系数和所述通风信息确定中等风险区域、低等风险区域和安全区域；预警模块，分别根据所述高危风险区域、所述中等风险区域、所述低等风险区域和所述安全区域进行风险预警。
57.优选地，所述危险系数确定模块，具体包括：获取单元，用于获取所述网格化的管路系统每个网格中泄漏源的危险系数；危险系数确定单元，用于将每个所述网格中泄漏源的最大危险系数作为每个网格对应的危险系数。
58.本发明对于制氢车间、氢燃料电池交通工具等涉氢场所，有必要考虑氢气泄漏的风险从而对涉氢空间进行危险等级的划分，从而指导氢安全预警和布防工作。本发明从氢气到达燃爆浓度范围的快慢程度不同来划分多级危险区域，能将涉氢场所的风险等级阶梯性地表示出来，具有简便易用、准确高效的优点。对于高危风险区域的划分，本发明借助实验总结出的射流锥模型，对在极短时间内就能到达燃烧阈值的空间边界区域作了重点划定，这是其他危险区域分界方法不曾考虑过的，这样可以使具有极端易燃易爆风险的空间范围被单独重点防范，且划分依据清晰，计算较为快捷，更准确地确定风险区域，从而提高预警的准确度。
59.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
60.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。