Безопасность водородной энергетики Safety of hydrogen energy and transport
ПРОБЛЕМЫ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ПРИ СОЗДАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ЖИДКОГО ВОДОРОДА.
СТАНДАРТЫ
А. М. Домашенко
ОАО «Криогенмаш» пр. Ленина, 67, г. Балашиха Московской обл., 143907, Россия Тел.: (095) 521-40-84; факс: (095) 521-57-22, e-mail: root@cryogenmash.ru
Представлены проблемы взрывобезопаснос-ти при создании систем хранения и транспортирования жидкого водорода. Выделены основные аварийные ситуации, физическая картина их развития, количество водородно-воздушных смесей, участвующих в горении и детонации, способы защиты. Дана информация о разработанных и планируемых разработках нормативных документов, обеспечивающих проектирование и безопасную эксплуатацию криогенных комплексов жидкого водорода.
Создание в 1960-1980 гг. инфраструктуры снабжения ракетно-космической техники и ряда отраслей науки и техники жидким водородом, включающей в себя крупномасштабное производство жидкого водорода (до 12000 т Н2/год), хранилищ суммарным объемом до 11000 м3 (на базе горизонтальных резервуаров объемом до 250 м3 и шаровых резервуаров объемом 1400 м3) автомобильных и железнодорожных цистерн (объемом 45 м3 и 100 м3 соответственно), потребовало выполнения значительного объема НИОКР по проблемам взрывобезопасности криогенного оборудования и систем.
Разработка водородных систем с точки зрения взрывоопасности представлялась задачей сложной, учитывая особенности водорода: широкий диапазон концентрации воспламеняющихся смесей водорода с воздухом, малая энергия воспламенения смесей, детонационные явления в закрытом пространстве. При разработке программ исследования были установлены основные аварийные ситуации: разгерметизация резервуаров и пролив жидкого водорода на грунт; разрыв трубопровода с выбросом большого облака пара; выброс пара через газосбросные трубопроводы; накопление твердого кислорода или воздуха в резервуарах и аппаратах.
Первой из серьезных аварий является пролив жидкого водорода из резервуара на грунт, его интенсивное испарение за счет поглощения тепла от грунта и окружающего воздуха, образование значительного объема воздушно-водородной смеси, воспламенение и детонация. По ре-
зультатам исследований установлено, что детонация воздушно-водородных смесей в открытом пространстве возможна, если обеспечен стехио-метрический состав смеси и имеется источник сильной ударной волны (до 2 г пентолита). При этом во взрыве может принять участие не более 10 % от вылитого водорода. Поскольку вероятность осуществления таких идеализированных условий маловероятна, то и детонация больших количеств газообразного водорода также маловероятна. Испытания, выполненные ОАО «Криогенмаш» и ВНИИПО по проливам в атмосферу из транспортной системы ~10 м3 жидкого водорода подтвердили сделанные ранее выводы. Водород сгорал без детонационных явлений. В то же время при создании комплексов жидкого водорода считается, что детонация возможна во всех случаях. Естественно, что при таком подходе задача безопасного размещения объектов РКТ по отношению к хранилищу жидкого Н2 и безопасность эксплуатации специальных отраслей техники решаются достаточно надежно. Однако, при широкомасштабном внедрении водорода в промышленность, транспорт и быт потребуются новые, возможно более смелые, но разумные подходы к оценке самих опасностей и величин безопасных разрывов. Требования безопасности при проектировании, изготовлении и эксплуатации криогенных комплексов изложены в «Правилах безопасности при производстве, хранении и работе с водородом», на базе которых в ближайшие два года будет разработан национальный стандарт.
Следующая задача касается проблемы безопасности при мгновенном выбросе водорода. Теоретически определены: время достижения максимума взрывоопасной массы и полного «рас-плывания» шарового облака, по истечении которого смесь поджечь нельзя; радиус «облака» взрывоопасных смесей в момент достижения взрывоопасной массы. Показано, что время перемешивания водорода значительно и может привести к образованию долгоживущего «облака», состоящего из «тяжелой» смеси водорода с
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE № 6(38) (2006) <|Q
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ №6(38) (2006)
Водородная энергетика и транспорт
воздухом, которая может перемещаться на некоторое расстояние под действием аэродинамических сил. Установлено также, что максимальное количество водорода, которое может принять участие во взрыве во всех случаях, не превышает 42 % от начальной массы. При этом образование однородной стехиометрической смеси в области смешения водорода с воздухом невозможно. Технологически неизбежны также струйные истечения водорода в атмосферу из трубопроводов. Режимы истечения зависят от скорости газа, его температуры и формы насадки отверстия трубы. Характерной особенностью развитой турбулентной струи, а именно такие струи реализуются при газосбросе, является зависимость распределения концентрации и взрывоопасной массы водорода только от диаметра трубы и температуры выбрасываемого газа. При воспламенении струи величина первоначальной зоны, охваченной пламенем, ограничена поверхностью с концентрацией водорода ~4 %. В реальных условиях газосброса безопасные расстояния от горящей струи всегда больше, чем безопасное расстояние от взрыва, и поэтому его можно не принимать во внимание при эксплуатации и расчетах безопасных расстояний. Последние могут быть снижены за счет уменьшения диаметра выходного сечения дренажной трубы, повышения температуры дренируемого водорода и разбавления его инертным газом.
Особую опасность для криогенного оборудования представляет накопление осадков твердого кислорода в процессах проведения техноло-
гических операций. В результате испарения жидкого водорода при захолаживании оборудования, его хранении, транспортировании, выдаче и т. д. концентрация растворенного кислорода постоянно увеличивается, достигая предельного уровня, и далее его примеси выпадают в осадок. Экспериментально (ГНЦ «ГИПХ») установлены: толщина осадка твердого кислорода, который не воспламеняется (<30 мкм), воспламеняется (30-100 мкм), детонирует (100-300 мкм). Кристаллы воздуха не горят и не детонируют, но представляют из себя механические примеси, способные серьезно влиять на эксплуатационные характеристики систем. Важен экспериментально установленный факт адгезии кристаллов кислорода и азота к стенкам резервуаров, которые не «взмучиваются» и не перемещаются в процессах переливания жидкого Н2. На основе выполненных исследований ОАО «Криогенмаш», ФГУП «НИИхиммаш», РНЦ «ГИПХ», НТК «Наука» разработали безопасную технологию обращения с жидким водородом и технологию определения его качества, изложенную в нормативных документах: 1) СТП 2082-561-2006 «Оборудование криогенное. Системы транспортирования и хранения жидкого водорода. Общие требования к эксплуатации»; 2) РД 2082-33-2003 «Водород жидкий. Определение содержания примесей».
Дальнейшие исследования в области взры-вобезопасности должны привести к упрощению технологии обращения с жидким водородом и упрощению процессов определения и поддержания его качества.
PROBLEMS OF EXPLOSION SAFETY AT DEVELOPMENT AND OPERATION OF INDUSTRIAL SYSTEMS FOR LIQUID HYDROGEN STORAGE AND TRANSPORTATION.
STANDARDS
A. M. Domashenko
JSC "Cryogenmash" Lenin Av. 67, Balashikha, Moscow Reg., 143907, Russia Ph.: (495) 521-40-84; fax: (495) 521-57-22 E-mail: root@cryogenmash.ru
In this paper presented are the problems of explosion safety occurring at the development of liquid hydrogen storage and transportation systems. Highlighted are the basic emergencies, a physical pattern of their dynamics, the quantity of hydrogen-and-air mixtures participating in burning and detonation, and the protection means. Information as to the worked-out and planned developments of normative documents, which ensure designing and safe operation of liquid hydrogen cryogenic systems is given.
The infrastructure created in 1960-1980s for supplying the space-rocket equipment and some branches of science and engineering with liquid hydrogen including large-scale production of liquid hydrogen (up to 12000 t of LH2/year), storage systems of total capacity up to 11000 m3 (based on horizontal tanks of capacity up to 250 m3 and spherical tanks of 1400-m3 capacity), road and railway tankers (45-m3 and 100-m3 capacity correspondingly) has demanded the significant re-search-and-development activities regarding the
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE № 6(38) (2006) Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ № 6(38) (2006)
Безопасность водородной энергетики
problems of explosion safety of the cryogenic equipment and systems.
From the standpoint of explosive risk, the development of hydrogen systems seemed a difficult task, considering hydrogen features: a wide range of inflammable hydrogen-and-air mixtures concentration, small energy of mixtures ignition, and detonation phenomena in a closed space. During development of research programs the basic emergencies were established: depressurization of tanks and spill of liquid hydrogen on the ground; pipeline break followed by discharge of a big vapor cloud; the vapor discharge through the gas discharge pipelines; accumulation of solid oxygen or air in tanks and apparatuses.
The first of serious emergencies is a liquid hydrogen spill from the tank on the ground, its intensive evaporation due to the absorption of the ground and ambient air heat, formation of a great amount of the air-and-hydrogen mixture, ignition, and detonation. By the results of research it has been found that detonation of the air-and-hydrogen mixtures in an open space is possible if the stoichiometric composition of the mixture is provided and a source of strong shock wave exists there (up to 2g of pentolite). In this case not more than 10 % of the spilled hydrogen can be involved in the explosion. As the
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.