Оцінка пожежовибухонебезпеки систем зберігання та подання водню на основі гідрореагуючих сполук та розробка рекомендацій щодо її зниження - Автореферат

Вибір СЗП водню визначається рівнем забезпечення характеристик водню, що задані споживачем, а також рівнем пожежовибухонебезпеки (ПВН) СЗП, який буде визначатися як пожежовибухонебезпечними властивостями водню, що одержується, так і пожежовибухонебезпекою процесів його зберігання, виділення та транспортування. СЗП водню з використанням реакцій гідролізу мають достатньо високий рівень проробки, але це в основному стосується питань створення ефективних гідрореагуючих сполук, які дозволяють отримувати водень з максимально можливими швидкостями газовиділення. Таким чином, визначення характеристик процесу генерації водню у СЗП на основі ГРС та їх взаємозвязків з пожежовибухонебезпекою СЗП такого типу дозволить визначити рівень ПВН таких систем та можливість його зниження за допомогою регулювання процесу генерації. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі: визначити ступінь вивчення процесів, що протікають у СЗП водню на основі ГРС, обґрунтувати перспективні напрямки організації цих процесів з метою зниження рівня ПВН; теоретичним та експериментальним шляхами визначити комплекс термодинамічних та кінетичних характеристик і параметрів процесу генерації водню у СЗП на основі ГРС та отримати математичні моделі, які описують процеси генерації водню у СЗП даного типу;Спосіб виділення водню з твердих речовин, що містять водень, обирається у залежності від задач, що вирішуються. З використанням методу “нульмірної” балістики, у основі якого лежить гіпотеза про використання усереднених за обємом характеристик генератора, одержана математична модель процесу генерації водню у вигляді: (4) де - відповідно усереднені за обємом тиск та температура газової фази у генераторі; - усереднена за обємом швидкість газогенерації; - вільний обєм порожнини газогенератора; - показник адіабати; - газова постійна; - середня температура у зоні реакції на межі розділу фаз; - середній за обємом та часом коефіцієнт теплових втрат у порожнині газогенератора; - площа поверхні газовиділення; - коефіцієнт витрат крізь вихідний отвір; - площа поперечного перетину вихідного отвору; - щільність газу, що генерується; - функція показника ізоентропи , U - закон газовиділення. Вихід водню в залежності від тиску в системі Р та співвідношення компонентів, що реагують km: верхня поверхня - ГРС на основі АГН; нижня - ГРС на основі АГНК Адіабатична температура процесу генерації водню в залежності від тиску в системі Р та співвідношення компонентів, що реагують km: верхня поверхня - ГРС на основі АГН; нижня - ГРС на основі АГНК В третьому розділі здійснюється експериментальне дослідження параметрів технологічного процесу отримання водню, зокрема визначення швидкості генерації водню в залежності від тиску, температури та орієнтації поверхні ГРС, що реагує, необхідної для подальшого розрахунку процесів тепломасообміну в газогенераторі та визначення умов виникнення теплового вибуху та нештатних режимів функціонування СЗП.У роботі отримані нові науково обґрунтовані результати, які в сукупності забезпечують рішення науково-практичної задачі стосовно оцінки пожежовибухонебезпеки систем зберігання і подання водню на основі сполук, що реагують з водою, та її зниження шляхом регулювання термодинамічних характеристик процесу генерації та використання схемотехнічних рішень. Зокрема показано, що найбільший вплив на вихід водню оказує коефіцієнт співвідношення компонентів, а початкова температура води практично не впливає на цю характеристику. Для отримання оцінок часу досягнення пожежовибухонебезпечної концентрації водню у приміщенні, а також вивчення поведінки газогенератора водню у аварійних режимах, експериментальним шляхом, з використанням теорії планування експерименту, отримані математичні моделі для швидкості генерації водню у СЗП для ГРС на основі АГН та АГНК в залежності від тиску в системі, а також від просторової орієнтації поверхонь, що реагують. Аналіз цих залежностей свідчить про те, що основний вплив на швидкість газогенерації оказує тиск в системі, при цьому для обох типів ГРС швидкість газовиділення для поверхні, що орієнтована вертикально, більше, ніж для горизонтальної верхньої поверхні. Показано, що введення до складу СЗП патрону з інтерметалідом для зниження тиску водню в системі шляхом його поглинання (сорбції) з газогенератора приводить до зниження ймовірності виникнення ПВН ситуації у декілька разів, а забезпечення контролю за роботою ДТ та величиною струму споживання ЕМК, резервування пускового ЕМК, а також заземлення та встановлення антистатичних зйомників приводить до зниження рівня ПВН на два порядки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У роботі отримані нові науково обґрунтовані результати, які в сукупності забезпечують рішення науково-практичної задачі стосовно оцінки пожежовибухонебезпеки систем зберігання і подання водню на основі сполук, що реагують з водою, та її зниження шляхом регулювання термодинамічних характеристик процесу генерації та використання схемотехнічних рішень.

1. З метою вияву впливу параметрів технологічного процесу газогенерації на рівень пожежної небезпеки СЗП, з використанням універсального термодинамічного методу, визначені основні термодинамічні параметри генерації водню. Зокрема показано, що найбільший вплив на вихід водню оказує коефіцієнт співвідношення компонентів, а початкова температура води практично не впливає на цю характеристику. Вплив тиску не є суттєвим та, приблизно, на порядок менший, ніж вплив співвідношення компонентів.

2. Встановлено, що продукти реакції гідролізу найбільш перспективних ГРС, наприклад, на основі алюмогідріда натрію (АГН) та композитної суміші алюмінію та гідриду натрію (АГНК), є пожежовибухобезпечними та можуть бути використані у СЗП у якості піноутворюючого компоненту.

3. Для отримання оцінок часу досягнення пожежовибухонебезпечної концентрації водню у приміщенні, а також вивчення поведінки газогенератора водню у аварійних режимах, експериментальним шляхом, з використанням теорії планування експерименту, отримані математичні моделі для швидкості генерації водню у СЗП для ГРС на основі АГН та АГНК в залежності від тиску в системі, а також від просторової орієнтації поверхонь, що реагують. Аналіз цих залежностей свідчить про те, що основний вплив на швидкість газогенерації оказує тиск в системі, при цьому для обох типів ГРС швидкість газовиділення для поверхні, що орієнтована вертикально, більше, ніж для горизонтальної верхньої поверхні.

4. Визначені умови виникнення в газогенераторі СЗП теплового вибуху. Показано, що в умовах експериментів, що проводилися, при тиску, який не перевищує 25 МПА, та різницею температур між зоною реакції та внутрішньою стінкою газогенератора не менш 10 градусів, тепловий вибух неможливий.

5. З використанням методів “нульмірної” балістики побудовані математичні моделі генераторів водню, які описують процеси у аварійних режимах, які зумовлені розгерметизацією СЗП або неконтрольованим потраплянням води у газогенератор. Показано, що у разі неконтрольованого потрапляння води, найбільша зміна відносного тиску в газогенераторі відбувається при прирості води за миттєвим законом.

6. Для визначення рівня пожежовибухонебезпеки системи зберігання та подання водню на основі гідрореагуючих сполук в залежності від режиму її експлуатації та параметрів технологічного процесу генерації обґрунтовано використання методу, особливістю якого є поєднання властивостей граф-схем алгоритмів та схем древа подій.

7. Показано, що мінімальний рівень пожежовибухонебезпеки СЗП на основі ГРС забезпечується при температурі в газогенераторі, величина якої не перевищує значення 523 К, а співвідношення компонентів, що реагують, дорівнює трьом.

8. Запропонований ряд схемотехнічних рішень, спрямованих на зниження у СЗП ймовірності виникнення ПВН ситуації, до числа яких відноситься введення нових конструктивних елементів, резервування ЕМК та контроль за станом елементів системи. Показано, що введення до складу СЗП патрону з інтерметалідом для зниження тиску водню в системі шляхом його поглинання (сорбції) з газогенератора приводить до зниження ймовірності виникнення ПВН ситуації у декілька разів, а забезпечення контролю за роботою ДТ та величиною струму споживання ЕМК, резервування пускового ЕМК, а також заземлення та встановлення антистатичних зйомників приводить до зниження рівня ПВН на два порядки.

9. Показано, що ефективний захист від виникнення ПВН ситуації в технологічному приміщенні забезпечується за рахунок моніторингу газового складу приміщення, різниці температур стінки газогенератора та поверхні ГРС, що реагує, а також вологості у порожнині газогенератора у режимі зберігання.

10. Розроблені рекомендації щодо синтезу систем технологічної та пожежної автоматики, які забезпечують мінімальний рівень ПВН у СЗП водню і в основі яких лежить врахування динамічних характеристик газогенератора, а також геометричних характеристик робочого тіла ГРС та приміщення, в якому знаходиться СЗП водню.

11. Моделі поведінки гідридних систем у аварійних режимах роботи, алгоритм визначення ймовірності виникнення пожежовибухонебезпечної ситуації у СЗП на основі ГРС, рекомендації стосовно зниження рівня ПВН СЗП такого типу (конструктивні та організаційно-технічні), а також розроблений перелік пожежно-профілактичних заходів впроваджені в навчальному процесі АЦЗУ, Інституті проблем машинобудування ім. А.Н. Подгорного НАН України та ЗАТ НТП “Котлоенергопром”, що дозволило забезпечити необхідний рівень пожежовибухонебезпеки при експлуатації систем такого типу.

1. Абрамов Ю.А., Кривцова В.И., Корниенко Р.В. Оценка уровня пожарной опасности системы хранения и подачи водорода на основе гидрореагирующих составов // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АПБ Украины. - Вып. 12. - Харьков: Фолио, 2002. - С.3 - 9.

2. Абрамов Ю.А., Кривцова В.И., Корниенко Р.В., Соловей О.И. Определение основных характеристик систем хранения и подачи водорода на основе гидридов металлов и интерметаллидов // Інтегровані технології та енергозбереження: Сб. науч. тр. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2003. - № 1. - С.79 - 85.

3. Абрамов Ю.А., Кривцова В.И., Корниенко Р.В. Характеристики систем хранения и подачи водорода на основе гидрореагирующих составов. Условия возникновения пожаровзрывоопасных режимов их работы // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. - Юбилейный выпуск. - Харьков: Фолио, 2003. - С. 101 - 122.

4. Абрамов Ю.А., Кривцова В.И., Корниенко Р.В. Анализ особенностей работы системы хранения и подачи водорода на основе гидрореагирующих составов при отказе клапана системы подачи воды // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АПБ Украины. - Вып. 14. - Харьков: Фолио, 2003. - С. 118 - 126.

5. Кривцова В.И., Абрамов Ю.А., Корниенко Р.В. Влияние параметров технологического процесса газогенерации водорода на уровень пожарной опасности СХП водорода // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АПБ Украины. - Вып. 13. - Харьков: Фолио, 2003. - С.75 - 82.

6. Абрамов Ю.А., Кривцова В.И., Корниенко Р.В. Пожарная опасность систем хранения и подачи водорода на основе гидрореагирующих составов и пути ее снижения // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АГЗ Украины. - Спец. вып. - Харьков: Фолио, 2004. - С. 90 - 113.

7. Абрамов Ю.А., Кривцова В.И., Корниенко Р.В. Анализ особенностей работы газогенераторов водорода на основе гидрореагирующих составов при их разгерметизации // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АГЗ Украины. - Вып. 15. - Харьков: Фолио, 2004. - С. 120 - 130.

8. Спосіб зберігання водню Абрамов Ю.О., Кривцова В.І., Росоха В.О., Корнієнко Р.В., Соловей О.І. Деклараційний патент на винахід № 47939, опубл. в Бюл. №7. - 2002 р.

9. Абрамов Ю.А., Кривцова В.И., Корниенко Р.В. Стохастический подход к оценке уровня пожарной опасности систем хранения и подачи водорода // Труды Междунар. науч.-практ. конф. “Проблемы пожарной безопасности. Ликвидация аварий и их последствий” - Донецк: НИИГД, 2002. - С. 5 - 6.

10. Абрамов Ю.А., Кривцова В.И., Корниенко Р.В. Определение условий возникновения теплового взрыва в генераторах водорода на основе гидрореагирующих составов // Тезисы докладов ІІ Межд. науч.-практич. конф. “Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация”. - Минск. - 2003. - С. 159 - 161.

11. Абрамов Ю.А., Кривцова В.И., Корниенко Р.В. Моделирование процессов генерации водорода в условиях разгерметизации систем хранения и подачи // II научно-техническая конференция “Живучесть корабля и безопасность на море”. - Севастополь: СВМИ им. П.С. Нахимова. - 2003. - С. 45 - 47.

12. Кривцова В.И., Корниенко Р.В. Снижение уровня пожарной опасности систем хранения и подачи водорода на основе гидрореагирующих составов // Материалы VI науч.-практ. конф. “Пожарная безопасность - 2003” - Харьков: АПБУ, 2003. - С.102 - 105.