Оцінка пожежовибухонебезпеки систем зберігання та подачі водню на основі оборотних гідридів інтерметалідів та розробка рекомендацій щодо її зниження - Автореферат

В той же час, ефективність використання водню в енергетичних установках визначається не тільки його характеристиками, але й характеристиками його системи зберігання й подачі (СЗП). СЗП водню з використанням оборотних гідридів інтерметалідів мають досить високий рівень пророблення, однак, в більшості випадків, це стосується створення сполук, які дозволяють поглинати та виділяти максимальну кількість водню при досить низьких значеннях температури й тиску. Пожежовибухонебезпека (ПВН) систем на основі оборотних гідридів інтерметалідів розглядалася тільки з урахуванням міцнісних властивостей систем і устаткування, що використовується. Таким чином, незважаючи на те, що водень є перспективним енергоносієм, а його зберігання у вигляді оборотних гідридів інтерметалідів досить безпечне в порівнянні зі зберіганням у газоподібному і рідинному стані, ПВН таких систем залишається маловивченою, а її рівень невизначеним. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі: провести аналіз областей використання СЗП водню на основі оборотних гідридів інтерметалідів і оцінити рівень вивчення питань, повязаних із ПВН таких систем;Аналіз показав, що одним з перспективних способів зберігання водню є зберігання у хімічно повязаному стані, а саме, у формі твердих сполук, до чого відноситься зберігання у вигляді оборотних гідридів інтерметалідів, які спроможні як поглинати водень, так і виділяти його. Процес сорбції-десорбції водню інтерметалідними сполуками протікає при порівняно низьких температурах та тисках і представляється у вигляді: , (1) де N - гідридоутворюючий метал II, III, IV груп; M - 3d-і 4d-перехідний метал; n, m=1?5; х - кількість молекул водню, поглинутих однією молекулою інтерметаліда; Q - теплота реакції; Табс, Рабс - температура і тиск сорбції водню; ПВН систем зберігання та подачі (СЗП) водню такого типу буде складатися з ПВН водню, ПВН гідриду ІМС та ПВН технологічних процесів. Визначено, що ПВН технологічного процесу зберігання та генерації водню характеризується температурою гідриду, тиском водню та його концентрацією в гідриді, значення яких можна отримати за допомогою РСТ - діаграм (залежностей тиску в системі від температури та концентрації водню в гідриді) систем гідрид-водень. , (2) де Т - температура в системі; - тиск на рівні плато (область, в якій величина тиску інваріантна до значення відносної концентрації); - відносна концентрація водню в гідриді; - хімічний потенціал системи на рівні плато; - хімічний потенціал системи, який визначається відповідно до виразуПоказано, що пожежовибухонебезпека СЗП водню на основі оборотних гідридів інтерметалідів визначається не тільки фізико-хімічними властивостями водню і гідриду інтерметалічної сполуки, але й характеристиками процесів сорбції-десорбції водню, основними з яких є концентрація водню в гідриді, його температура та тиск у системі. Показано, що існує критичне значення вмісту водню в гідриді, для якого характерно різке зростання тиску в системі, що спричиняє різке збільшення ПВН СЗП водню. Стосовно до аварійних режимів роботи СЗП водню, зокрема, для випадків розгерметизації порожнини газогенератора та неконтрольованої зміни температури в ньому, з використанням методу “нульмірної” балістики отримані математичні моделі, що описують процеси генерації водню, використання яких дозволило одержати оцінки параметрів, характеризуючих рівень ПВН СЗП водню.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У роботі отримані нові науково обґрунтовані результати, які в сукупності забезпечують розвязання науково-практичної задачі по оцінці пожежовибухонебезпеки систем зберігання і подачі водню на основі оборотних гідридів інтерметалідів і її зниженню шляхом регулювання характеристик процесу генерації та використання схемотехнічних рішень.

1. Показано, що пожежовибухонебезпека СЗП водню на основі оборотних гідридів інтерметалідів визначається не тільки фізико-хімічними властивостями водню і гідриду інтерметалічної сполуки, але й характеристиками процесів сорбції-десорбції водню, основними з яких є концентрація водню в гідриді, його температура та тиск у системі.

2. З використанням методу, заснованого на визначенні властивостей неідеальної водневої підсистеми металогідриду та рівноважної з ним молекулярної фази водню, отримані РСТ - діаграми для оборотного гідриду інтерметаліду LANI5Hx, що дозволяють встановити взаємозвязок основних термодинамічних характеристик процесів сорбції-десорбції водню. Показано, що існує критичне значення вмісту водню в гідриді, для якого характерно різке зростання тиску в системі, що спричиняє різке збільшення ПВН СЗП водню.

3. Визначена область існування технологічних параметрів СЗП для різних режимів її експлуатації, у якій виключена можливість виникнення водневого охрупчення елементів системи, що знижує рівень ПВН СЗП водню.

4. Стосовно до аварійних режимів роботи СЗП водню, зокрема, для випадків розгерметизації порожнини газогенератора та неконтрольованої зміни температури в ньому, з використанням методу “нульмірної” балістики отримані математичні моделі, що описують процеси генерації водню, використання яких дозволило одержати оцінки параметрів, характеризуючих рівень ПВН СЗП водню.

5. З використанням методів імітаційного моделювання встановлено, що для зниження швидкості утворення ПВН концентрації водню при експлуатації СЗП на основі оборотного гідриду інтерметаліду LANI5Hx, необхідно в рівній мірі забезпечувати збільшення вільного обєму порожнини газогенератора та зменшувати температуру газогенерації.

6. Розроблено алгоритм оцінки рівня ПВН СЗП водню, в основі якого лежить використання системи логічних формул, одержаних за допомогою граф-схем алгоритмів і схем дерева подій, а також інформації про параметри, що характеризують режими роботи системи та особливості технології генерації водню.

7. Визначено, що ймовірність виникнення ПВН ситуації в СЗП при змішаному режимі роботи на чотири порядки менше, ніж при зберіганні газоподібного водню в балонах високого тиску та на порядок менше, ніж у СЗП на основі гідрореагуючих сполук.

8. Запропоновані схемотехнічні рішення, спрямовані на зниження ймовірності виникнення ПВН ситуації, до числа яких відноситься введення функціональних елементів. Зокрема показано, що введення запобіжників у ланцюг живлення ЕМК, що входять до складу СХП, приводить до зниження ймовірності виникнення ПВН ситуації в декілька разів.

1. Кривцова В.И., Абрамов Ю.А., Умеренкова К.Р., Ключка Ю.П. Определение пожаровзрывоопасных технологических параметров систем хранения и подачи водовода на основе обратимых гидридов интерметаллидов // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АГЗ Украины. -Харьков: Фолио, 2004. - Вып. 16. - С.104 - 115.

2. Кривцова В.И., Абрамов Ю.А., Корниенко Р.В., Ключка Ю.П. Выбор параметров технологических помещений и систем пожарной автоматики при эксплуатации систем хранения и подачи водорода // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АГЗ Украины. -Харьков: Фолио, 2005. - Вып. 17. - С.83 - 89.

3. Ключка Ю.П., Абрамов Ю.А., Кривцова В.И. Анализ пожаровзрывобезопасности систем хранения и подачи водорода на основе обратимых гидридов интерметаллидов // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АГЗ Украины. -Харьков: Фолио, 2005. - Вып. 17. - С.66 - 74.

4. Абрамов Ю.А., Кривцова В.И., Левтеров А.А., Ключка Ю.П. Комплексная оценка пожаровзрывоопасных свойств систем хранения и подачи водорода на основе обратимых гидридов интерметаллидов // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АГЗ Украины. -Харьков: Фолио, 2005. - Вып. 18. - С.9 - 14.

5. Абрамов Ю.А., Кривцова В.И., Левтеров А.А., Ключка Ю.П. Анализ аварийных ситуаций в генераторе водорода на основе обратимых гидридов интерметаллидов // Проблеми надзвичайних ситуацій: Сб. науч. тр. АГЗ Украины. -Харьков: Фолио, 2006. - Вып. 3. - С.26 - 33.

6. Компресорна установка для стиснення водню Абрамов Ю.О., Кривцова В.І., Росоха В.О., Ключка Ю.П. Патент України № 9561, опубл. в Бюл. №10. - 2005 р.

7. Абрамов Ю.А., Кривцова В.И., Ключка Ю.П. Влияние водородного охрупчивания на пожаровзрывобезопасность систем хранения и подачи водорода на основе обратимых гидридов интерметаллидов // Труды II Междунар. науч.-техн. конф. “Шляхи автоматизації, інформатизації та компютеризації діяльності МНС України” - Харьков: АЦЗУ, 2005. - С. 13 - 15.

8. Абрамов Ю.А., Кривцова В.И., Ключка Ю.П., Маринин В.С., Умеренкова К.Р. Определение ПВО технологичесских параметров СХП водорода на основе обратимых гидридов интерметаллидов // Proc. IX International Conference on Hidrogen Materials Science (ICHMS’2005), Sevastopol, Ukraine, Sept. 5 - 11, 2005. C. 1084 - 1087.

9. Абрамов Ю.А., Кривцова В.И., Корниенко Р.В., Ключка Ю.П. Определение пожаровзрывобезопасных технологических параметров хранения водорода в форме обратимых гидридов интерметаллидов // Пожежна безпека та аварійно-рятувальна справа: стан, проблеми, перспективи: Матеріали VII Всеукраїнської науково-практичної конференції рятувальників. - Київ: УКРНДІПБ МНС України, 2005. - С. 288 - 290.

10. Абрамов Ю.А., Кривцова В.И., Ключка Ю.П. Пожаровзрывобезопасность систем хранения и подачи водорода на основе обратимых гидридов интерметаллидов // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация: Сборник тезисов докладов III Междунар. научно-практической конференции / Ред. кол.: Э.Р. Бариев и др. - Мн., 2005. - Т. 2 - С.171 - 173.