涉流體部件危險工況定量仿真、危險性分析方法及裝置與流程
2023-09-11 18:43:55 2
本發明涉及安全性分析領域，具體涉及一種涉流體部件危險工況定量仿真方法、一種涉流體部件的危險性分析方法、一種涉流體部件危險工況定量仿真裝置和一種涉流體部件的危險性分析裝置。
背景技術：
危險性分析也稱為危險性評價或風險評價，是指綜合運用安全工程方法，對系統組成部件的安全性進行度量和預測，通過對組成部件存在的危險性或不安全因素進行辨識和分析，確認組成部件發生危險的可能性及其嚴重程度，對該組成部件的安全性給予正確的評價，並相應地提出消除不安全因素和危險的具體對策措施。通過全面系統的、有目的、有計劃地實施這些措施，從而達到安全管理標準化、規範化，以提高安全生產水平，超前控制事故的發生。
目前，現有的涉流體部件的危險性分析方法主要有安全檢查表法、專家評議法以及預先危險分析法等定性分析方法，在實際應用中可以多種分析方法綜合運用，比如，在化工生產系統中，現有的針對涉流體部件的危險性分析方法，可以綜合採用HAZOP(危險與可操作性)、RBI(基於風險的檢測技術)、LEC(對具有潛在危險性作業環境中的危險源進行半定量的安全評價方法)進行分析和關聯，以達到正確評價涉流體部件的危險性的目的。但是，上述危險性分析方法需要對涉流體部件的各種潛在危險進行逐一分析，工作量較大，並且評價結果僅僅停留在半定量的分析範圍，評價結果不夠準確。對于越來越集中的工業生產來說，現有的針對涉流體部件的危險性分析方法已經無法滿足安全生產的需要。
因此，如何提高對涉流體部件的危險性分析的準確度，進而提升生產安全性，成為一個亟待解決的問題。
技術實現要素：
因此，本發明要解決的技術問題在於現有技術中的針對涉流體部件的危險性分析方法過程繁瑣、準確度低。
有鑑於此，根據第一方面，本發明實施例提供了一種涉流體部件危險工況定量仿真方法，包括：對包括所述涉流體部件的涉流體系統進行建模，以獲得所述涉流體系統的目標模型；對所述目標模型進行量化分割，以獲得多個計量域；根據所述涉流體部件的目標工況獲取所述目標模型的多個模型參數和多個初始條件，每一個所述模型參數對應一個所述初始條件；分別根據所述初始條件計算出對應的所述模型參數歷經預設時長後在每一個所述計量域內的分布結果。
優先地，所述模型參數包括：模型內溫度、模型內氣壓、目標流體的濃度、目標流體的流速、目標流體的流向、目標流體的質量以及目標流體的體積中的至少一個。
優先地，在所述分別根據所述初始條件計算出對應的所述模型參數歷經預設時長後在每一個所述計量域內的分布結果之後，還包括：將所述分布結果顯示在所述目標模型內。
根據第二方面，本發明實施例提供了一種涉流體部件的危險性分析方法，包括：對涉流體部件的危險工況進行篩選，以篩選出需要進行定量仿真的所述涉流體部件的目標工況；利用本發明的第一方面所述的涉流體部件的定量仿真方法，對需要進行定量仿真的所述目標工況進行定量仿真，以獲得所述目標工況的分布結果。
優先地，所述對涉流體部件的危險工況進行篩選，包括：分析所述涉流體部件的多種潛在危險工況以及每一種潛在危險工況的危險程度；根據所述危險程度從多個所述潛在危險工況中篩選出需要進行定量仿真的目標工況。
優先地，在所述對需要進行定量仿真的所述目標工況進行定量仿真，以獲得所述目標工況的分布結果之後，還包括：將所述分布結果與預設分布標準進行對比，以獲得所述目標工況的事件後果；根據所述事件後果制定針對所述目標工況的第一安全處理措施。
優先地，為不需要進行定量仿真的每一種所述潛在危險工況制定第二安全處理措施。
根據第三方面，本發明實施例提供了一種涉流體部件危險工況定量仿真裝置，包括：建模模塊，用於對包括所述涉流體部件的涉流體系統進行建模，以獲得所述涉流體系統的目標模型；量化模塊，用於對所述目標模型進行量化分割，以獲得多個計量域；獲取模塊，用於根據所述涉流體部件的目標工況獲取所述目標模型的多個模型參數和多個初始條件，每一個所述模型參數對應一個所述初始條件；計算模塊，用於分別根據所述初始條件計算出對應的所述模型參數歷經預設時長後在每一個所述計量域內的分布結果。
優先地，所述模型參數包括：模型內溫度、模型內氣壓、目標流體的濃度、目標流體的流速、目標流體的流向、目標流體的質量以及目標流體的體積中的至少一個。
優先地，還包括：顯示模塊，用於在所述分別根據所述初始條件計算出對應的所述模型參數歷經預設時長後，在每一個所述計量域內的分布結果之後，將所述分布結果顯示在所述目標模型內。
根據第四方面，本發明實施例提供了一種涉流體部件的危險性分析裝置，包括：篩選模塊，用於對涉流體部件的危險工況進行篩選，以篩選出需要進行定量仿真的所述涉流體部件的目標工況；仿真模塊，用於利用本發明的第一方面所述的涉流體部件的定量仿真方法，對需要進行定量仿真的所述目標工況進行定量仿真，以獲得所述目標工況的分布結果。
優先地，所述篩選模塊包括：分析單元，用於分析所述涉流體部件的多種潛在危險工況以及每一種潛在危險工況的危險程度；篩選單元，用於根據所述危險程度從多個所述潛在危險工況中篩選出需要進行定量仿真的目標工況。
優先地，還包括：對比模塊，用於將所述分布結果與預設分布標準進行對比，以獲得所述目標工況的事件後果；第一處理模塊，用於根據所述事件後果制定針對所述目標工況的第一安全處理措施。
優先地，還包括：第二處理模塊，用於為不需要進行定量仿真的每一種所述潛在危險工況制定第二安全處理措施。
本發明實施例的技術方案，具有如下優點：
1.本發明實施例提供的一種涉流體部件危險工況定量仿真方法，通過對涉流體系統的目標模型進行量化分割獲得作為最小計算單元的多個計量域，並根據由目標工況確定的各種模型參數及其對應的初始條件，計算出隨時間變化每一個模型參數在多個計量域內的分布結果，實現了對涉流體部件的危險工況進行準確定量仿真。
2.本發明實施例提供的一種涉流體部件的危險性分析方法，首先從涉流體部件的各種危險工況中篩選出需要進行定量仿真的目標工況，然後採用本發明的第一方面提供的涉流體部件危險工況定量仿真方法對該目標工況進行定量仿真，最後根據定量仿真結果制定有針對性的安全處理措施，如此，實現了將定量的仿真計算與定性的安全分析方法聯合應用到涉流體部件的危險性分析中，與現有技術相比，不僅提高了涉流體部件危險性分析的全面性與準確性，而且有針對性的定量仿真減少了複雜部件的仿真分析工作量。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施方式，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1A為本發明實施例1中涉流體部件危險工況定量仿真方法的一個流程圖；
圖1B為本發明實施例1中燃料電池系統氫氣洩漏100s後目標模型內氣體流速分布的示意圖；
圖1C為本發明實施例1中燃料電池系統氫氣洩漏100s後目標模型內氫氣濃度分布的示意圖；
圖2為本發明實施例2中涉流體部件的危險性分析方法的流程圖；
圖3為本發明實施例3中涉流體部件的危險性分析方法的流程圖；
圖4為本發明實施例4中涉流體部件危險工況定量仿真裝置的示意圖；
圖5為本發明實施例5中涉流體部件的危險性分析裝置的示意圖；
附圖標記：
b1—燃料電池機櫃、b2—電容器機櫃、b3—電子設備機櫃、b4—燃料電池堆、b5—組成部件。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
在本發明的描述中，需要說明的是，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
此外，下面所描述的本發明不同實施方式中所涉及的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互結合。
實施例1
本實施例提供了一種涉流體部件危險工況的定量仿真方法，如圖1A所示，包括如下步驟：
S11：對包括涉流體部件的涉流體系統進行建模，以獲得涉流體系統的目標模型。
具體地，涉流體系統可以是燃料電池系統，涉流體部件可以是該燃料電池系統中的燃料電池堆，例如可以通過GASFLOW等流體動態仿真軟體來對該燃料電池系統進行幾何建模，根據需求可以建立二維模型或三維模型，主要可以對流體源、影響流體流動因素、物體溫度等進行建模，比如可以建立該燃料電池系統的二維模型作為目標模型。
S12：對目標模型進行量化分割，以獲得多個計量域，如果建立三維模型，可以將幾何模型劃分為小立方體(即計量域)作為最小的計算單元，如果建立二維模型，則可以將幾何模型劃分為網格(即計量域)作為最小的計算單元，在計算機性能允許的情況下，可劃分為無限小的立方體/網格，一般情況下，可以有針對性的選取需要進一步詳細仿真的區域(比如介質界面較多的區域)，將該區域劃分為更小的立方體/網格，而不需要進一步詳細仿真的區域則可以劃分為較大的立方體/網格，以節省計算時間和資源。例如，本實施例中可以將步驟S12中建立的燃料電池系統的二維模型量化為網格，作為計量域。
S13：根據涉流體部件的目標工況獲取目標模型的多個模型參數和多個初始條件，每一個模型參數對應一個初始條件，具體地，首先根據選取的目標工況，在充分考慮到模型內各個區域的傳熱係數、尺寸等必要參數的條件下，定義目標模型內所有物體及介質的屬性(即模型參數)，然後為各個參數模型設置初始條件。例如，可以將上述涉流體部件燃料電池堆的工況：氫氣洩漏到空氣中作為目標工況，具體地，經過步驟S12處理後的目標模型是一個封閉的計算域，有兩個流體進口和兩個流體出口，其中兩個進口可以從外部環境吸入空氣，因此需要設置模型內的溫度參數和氣壓參數，而兩個出口處需要檢測氫氣的流速，因此，綜合考慮該目標模型的實際情況，需要設置的模型參數包含但不限於：模型內溫度、模型內氣壓、氫氣的濃度、氫氣的流速、氫氣的流向、氫氣的質量以及氫氣的體積(本實施例中以氫氣的質量流率來表示氫氣的流速)。然後為每一個模型參數設置初始條件，由於初始時刻，該目標模型內被靜止的空氣充滿，模型內氣壓參數初始值為：1個標準大氣壓和293.15開爾文，即模型內溫度參數的初始值為20攝氏度，由於初始時刻模型內沒有氫氣，因此其他有關氫氣的模型參數的初始值均為0。
S14：分別根據初始條件計算出對應的模型參數歷經預設時長後在每一個計量域內的分布結果，具體地，可以按照時間順序對各個模型參數進行流體動力學仿真計算，計算出隨著時間的推進，各個模型參數每一個計量域內分布結果。
作為一種優先的選擇方案，還包括：將分布結果顯示在目標模型內，例如將步驟S14計算出的每一個計量域內的模型參數的分布結果進行整理，最終以可視化的方式呈現各個模型參數在目標模型內的分布結果，以供工作人員可以直觀的在目標模型內觀察到氫氣的分布情況，圖1B和1C示出了本實施例中對燃料電池堆b4目標工況的仿真結果。具體地，圖1B示出了在氫氣洩漏100s後目標模型內所有氣體(包括空氣和氫氣)的流速分布，箭頭方向表示氣體流動方向。圖1C示出了在氫氣洩漏100s後目標模型內氫氣濃度分布(圖1B和1C是分別針對目標模型內不同位置的截面圖)，其中在燃料電池機櫃b1的頂部氫氣濃度最大(燃料電池堆b4位於燃料電池機櫃b1內部)，綜合考慮圖1B和1C所示內容，可以確定最終氫氣在燃料電池機櫃b1的頂部流速最快，濃度最大，因此可以進一步分析得出燃料電池機櫃b1的頂部存在的安全隱患最大(比如有可能發生爆炸)，還可以分析出上述氫氣分布結果對該系統中的電容器機櫃b2、電子設備機櫃b3以及其他的組成部件b5等的影響，以進一步制定安全處理措施。
上述涉流體部件危險工況定量仿真方法，通過對涉流體系統的目標模型進行量化分割獲得作為最小計算單元的多個計量域，並根據由目標工況確定的各種模型參數及其對應的初始條件，計算出隨時間變化每一個模型參數在多個計量域內的分布結果，並將分步結果顯示，實現了對涉流體部件的危險工況進行準確定量仿真，便於對仿真對象進行更加直觀的觀察和分析。
實施例2
本實施例提供了一種涉流體部件的危險性分析方法，如圖2所示，包括如下步驟：
S21：對涉流體部件的危險工況進行篩選，以篩選出需要進行定量仿真的涉流體部件的目標工況，此處涉流體部件為涉流體系統的組成部件之一，具體地，從多個組成部件中根據需要選取待分析的涉流體部件，然後從該涉流體部件的各種工況中篩選出目標工況，使後續仿真過程具有針對性，避免了對所有潛在危險工況逐一仿真的盲目性。例如，涉流體系統可以是燃料電池系統，涉流體部件可以是該燃料電池系統中的燃料電池堆，通過對燃料電池堆的危險工況進行篩選，獲取需要進行定量仿真的目標工況，比如可以選取危險工況：氫氣洩漏到空氣中作為目標工況進行後續的定量仿真。
S22：對需要進行定量仿真的目標工況進行定量仿真，以獲得目標工況的分布結果。優選地，可以利用實施例1的涉流體部件定量仿真方法對篩選出的目標工況進行仿真，例如，可以採用實施例1中所述的涉流體部件定量仿真方法對步驟S21中選取的燃料電池堆的目標工況：氫氣洩漏到空氣中進行定量仿真，詳細仿真過程參見實施例1中的描述。
上述涉流體部件的危險性分析方法，首先從涉流體部件的各種危險工況中篩選出需要進行定量仿真的目標工況，然後採用實施例1提供的涉流體部件危險工況定量仿真方法對該目標工況進行定量仿真，並獲得仿真結果，如此，實現了將定量的仿真計算與定性的安全分析方法聯合應用到涉流體部件的危險性分析中，與現有技術相比，不僅提高了系統危險性分析的全面性與準確性，而且有針對性的定量仿真減少了複雜部件的仿真分析工作量。
實施例3
本實施例對實施例2中提供的涉流體部件的危險性分析方法進行了進一步的詳細描述，如圖3所示，該分析方法包括如下步驟：
S31：分析涉流體部件的多種潛在危險工況以及每一種潛在危險工況的危險程度。此處涉流體部件為涉流體系統的組成部件之一。例如，涉流體系統可以是燃料電池系統，涉流體部件可以是該燃料電池系統中的燃料電池堆，首先對該燃料電池堆的多種潛在危險工況進行分析，優選的，可採用危險與可操作性分析方法，即HAZOP(Hazard、Operability，危險與可操作性)對該燃料電池堆進行分析，獲得該燃料電池堆可能會發生的故障(即多種潛在危險工況)，另外，還可以分析出引起故障的原因、故障後果以及避免故障發生的安全措施，以用於後續評價工作，分析結果見表1。
表1 燃料電池堆危險工況的HAZOP分析結果
然後對每一種潛在危險工況進行危險程度分析，獲得多個潛在危險工況的危險程度，例如，可以採用潛在失效模式與後果分析法，即FMEA(Failure Mode and Effects Analysis，失效模式及後果分析)對上述表1中燃料電池堆的3種潛在危險工況進行危險程度分析，分析出每種潛在危險工況的事故發生頻率、事故發生概率以及事故的後果，通過這三種指標，給每種潛在危險工況定出危險級別，分析結果見表2。
表2 燃料電池堆危險工況的FMEA分析結果
表2給出了該燃料電池堆每種潛在危險工況的危險程度，用RPN(Risk Priority Number，是事件發生的頻率、嚴重程度和檢測等級三者乘積，被稱為風險係數)值來表示，可以根據RPN值的高低將潛在危險排序(即獲得危險級別)。
需要說明的是，本實施例的危險性分析方法並不局限於上述的HAZOP和FMEA，只要是能實現本實施例的技術方案的危險性分析方法均適用於本實施例。
S32：根據危險程度從多個潛在危險工況中篩選出需要進行定量仿真的涉流體部件目標工況。可選的，可以將危險級別最高的潛在危險工況作為目標工況首先進行定量仿真，然後逐次對剩下的潛在危險工況進行定量仿真，而對於危險級別不太高或者是與實際應用關係不大的潛在危險工況，則可以不進行定量仿真，如此，使得定量仿真過程具有針對性，不僅可以提高危險性分析的準確性，而且降低了定量仿真的工作量。例如，表2中所示燃料電池堆的3種潛在危險工況中，危險工況3(氫氣洩漏到空氣中)的RPN值較高，則可以將危險工況3優先作為目標工況，由此篩選出了需要進行定量仿真的目標工況。
S33：對需要進行定量仿真的目標工況進行定量仿真，以獲得目標工況的分布結果。例如，可以採用實施例1所述的涉流體部件定量仿真方法對步驟S32中選取的燃料電池堆的目標工況3(氫氣洩漏到空氣中)進行定量仿真，具體請參見實施例1中的相關描述。
S34：將分布結果與預設分布標準進行對比，以獲得目標工況的事件後果。此處預設分布標準可以是能夠保持該涉流體部件或涉流體系統正常工作的各個模型參數的分布範圍，比如該系統所允許的每一個模型參數的最大值和最小值，或者是能使系統運行在最佳狀態的各個模型參數的分布值，通過將仿真中得到的分布結果與預設分布標準對比分析，得出該目標工況可能存在的具體事件後果。
S35：根據事件後果制定針對目標工況的第一安全處理措施，此處第一安全處理措施是針對定量仿真結果進行的，例如，可根據實際生產過程中的需要，針對該燃料電池堆的目標工況3的仿真結果制定針對目標工況3的第一安全處理措施，以避免目標工況3發生給該燃料電池堆以及整個燃料電池系統所帶來的損害，另外，第一安全處理措施可從提高危險的可預知性、降低事故後果的嚴重性、降低危險發生頻率等方面制定。
S36：為不需要進行定量仿真的每一種潛在危險工況制定第二安全處理措施。如果經過步驟S31和S32篩選後確定某一潛在危險工況不需要進行定量仿真，說明該潛在危險工況與涉流體部件的安全運行相關性不大，但是為確保生產安全性，仍然需要為不需要定量仿真的每一種潛在危險工況制定對應的第二安全處理措施，與第一安全處理措施不同的是，由於不需要定量仿真結果的參考，第二安全處理措施的制定更加簡便，大大降低了危險性分析的工作量。
另外，對目標工況採取相應的安全處理措施後，包含涉流體部件的整個涉流體系統可視為全新的系統，如有需要，可再次採用本實施例的涉流體部件的危險性分析方法對選取的涉流體部件進行危險性分析。
本實施例的技術方案，在採用涉流體部件危險工況的危險評估方法的基礎上，增加了對目標工況的定量仿真過程，實現了在定性分析的基礎上，定量掌握涉流體部件的潛在危險工況的後果，使安全措施制定更具針對性，與現有技術相比，不僅提高了系統安全性評價的全面性與準確性，保障了安全生產，而且有針對性的定量仿真減少了複雜部件的安全仿真分析的工作量。
實施例4
本實施例提供了一種涉流體部件危險工況定量仿真裝置，如圖4所示，包括：建模模塊41、量化模塊42、獲取模塊43、計算模塊44和顯示模塊45。
其中，建模模塊41用於對包括涉流體部件的涉流體系統進行建模，以獲得涉流體系統的目標模型，具體可以參見實施例1中對於步驟S11的描述。
量化模塊42用於對目標模型進行量化分割，以獲得多個計量域，具體可以參見實施例1中對於步驟S12的描述。
獲取模塊43用於根據涉流體部件的目標工況獲取目標模型的多個模型參數和多個初始條件，每一個模型參數對應一個初始條件，具體可以參見實施例1中對於步驟S13的描述。
計算模塊44用於分別根據初始條件計算出對應的模型參數歷經預設時長後在每一個計量域內的分布結果，具體可以參見實施例1中對於步驟S14的描述。
作為一種優選方案，模型參數包括：模型內溫度、模型內氣壓、目標流體的濃度、目標流體的流速、目標流體的流向、目標流體的質量以及目標流體的體積中的至少一個。
作為一種優選方案，還包括：
顯示模塊45，用於在所述分別根據所述初始條件計算出對應的所述模型參數歷經預設時長後在每一個所述計量域內的分布結果之後，將分布結果顯示在目標模型內，具體可以參見實施例1中的詳細描述。
上述涉流體部件危險工況定量仿真裝置，通過對涉流體系統的目標模型進行量化分割獲得作為最小計算單元的多個計量域，並根據目標工況確定的各種模型參數及其對應的初始條件，計算出隨時間變化每一個模型參數在多個計量域內的分布結果，並將分步結果顯示，實現了對涉流體部件的危險工況進行準確定量仿真，便於對仿真對象進行更加直觀的觀察和分析。
實施例5
本實施例提供了一種涉流體部件的危險性分析裝置，如圖5所示，包括：篩選模塊51、仿真模塊52、對比模塊53、第一處理模塊54和第二處理模塊55。
其中，篩選模塊51用於對涉流體部件的危險工況進行篩選，以篩選出需要進行定量仿真的涉流體部件的目標工況，具體可以參見實施例2中對於步驟S21的描述。
作為一種優選方案，篩選模塊51包括：分析單元511和篩選單元512。
其中，分析單元511用於分析涉流體部件的多種潛在危險工況以及每一種潛在危險工況的危險程度，具體可以參見實施例3中對於步驟S31的描述。
篩選單元512用於根據危險程度從多個潛在危險工況中篩選出需要進行定量仿真的目標工況，具體可以參見實施例3中對於步驟S32的描述。
作為一種優選方案，仿真模塊52用於利用實施例1中的涉流體部件定量仿真方法(參見實施例1)，對需要進行定量仿真的目標工況進行定量仿真，以獲得目標工況的分布結果，具體可以參見實施例2中對於步驟S22的描述。
對比模塊53用於將分布結果與預設分布標準進行對比，以獲得目標工況的事件後果，具體可以參見實施例3中對於步驟S34的描述。
第一處理模塊54用於根據事件後果制定針對目標工況的第一安全處理措施，具體可以參見實施例3中對於步驟S35的描述。
第二處理模塊55用於為不需要進行定量仿真的每一種潛在危險工況制定第二安全處理措施，具體可以參見實施例3中對於步驟S,36的描述。
上述涉流體部件的危險性分析裝置，首先從涉流體部件的各種危險工況中篩選出需要進行定量仿真的目標工況，然後採用實施例1提供的涉流體部件危險工況定量仿真方法對該目標工況進行定量仿真，最後根據定量仿真結果制定有針對性的安全處理措施，如此，實現了將定量的仿真計算與定性的安全分析方法聯合應用到涉流體部件的危險性分析中，與現有技術相比，不僅提高了涉流體部件危險性分析的全面性與準確性，而且有針對性的定量仿真減少了複雜部件的仿真分析工作量。
顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明創造的保護範圍之中。