АКАДЕМІЯ ЦИВІЛЬНОГО ЗАХИСТУ УКРАЇНИ

КОРНІЄНКО РУСЛАН ВАЛЕРІЙОВИЧ

УДК 614.84

ОЦІНКА ПОЖЕЖОВИБУХОНЕБЕЗПЕКИ СИСТЕМ

ЗБЕРІГАННЯ ТА ПОДАННЯ ВОДНЮ НА ОСНОВІ

ГІДРОРЕАГУЮЧИХ СПОЛУК ТА РОЗРОБКА

РЕКОМЕНДАЦІЙ ЩОДО ЇЇ ЗНИЖЕННЯ

21.06.02 – Пожежна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Академії цивільного захисту України МНС України.

Науковий керівник – | кандидат психологічних наук, доцент Росоха Володимир Омелянович, Академія цивільного захисту України МНС України, ректор.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Соловей Віктор Васильович, Інститут проблем машинобудування НАН України, завідувач відділом гідридних енергоустановок, м. Харків;

кандидат технічних наук, доцент Тищенко Олександр Михайлович, Черкаський інститут пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України, проректор з наукової роботи, м. Черкаси.

Провідна установа – | Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, кафедра комп’ютерного моделювання та інформаційних технологій, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться 20.01.2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.707.01 в Академії цивільного захисту України за адресою: вул. Чернишевського, 94, м. Харків, 61023.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Академії цивільного захисту України за адресою: вул. Чернишевського, 94, м. Харків, 61023.

Автореферат розісланий 17.12. 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.І. Кривцова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Водень є одним з висококалорійних палив, споживання якого в силу його унікальних теплофізичних властивостей постійно зростає. Однак ефективність використання водню в енергетичних установках (ЕУ) визначається не тільки його теплофізичними властивостями, але й характеристиками його системи зберігання і подання (СЗП).

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.

Існує інтерес щодо збереження водню у хімічно зв’язаному стані, зокрема, в формі гідридів металів та інтерметалідів.

Дослідження, що проведені співробітниками ІПМаш НАН України (м. Харків) показали, що одним з перспективних методів, що використовуються для виділення водню з гідридів, є використання реакцій гідролізу, у основі яких лежать незворотні реакції взаємодії різних гідрореагуючих сполук (ГРС), що містять водень, з водою. Дослідженнями в галузі розробки, створення та визначення властивостей таких гідрореагуючих сполук займалися Щербіна К.Г., Сокольський Д.В., Сармурзіна Р.Г. Роботи Трошенькіна Б.А., Калекіна О.Ю., Кривцової В.І. та інших дозволили оцінити існуючий рівень розробки генераторів та реакторів водню з використанням ГРС та можливість їх використання в ЕУ.

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. Питання пожежовибухонебезпеки (ПВН) таких систем розглядалися переважно з точки зору міцнісних властивостей систем та обладнання, що використовується. Робот, котрі присвячені питанням ПВН таких систем, як функції технологічного процесу генерації водню, не виявлено. Однак, як показує досвід, пожежовибухонебезпека таких систем залежить від параметрів водню, що виділяється, характеристик процесу його генерації та конструктивних рішень СЗП.

Таким чином, визначення характеристик процесу генерації водню у СЗП на основі ГРС та їх взаємозв’язків з пожежовибухонебезпекою СЗП такого типу дозволить визначити рівень ПВН таких систем та можливість його зниження за допомогою регулювання процесу генерації.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках Державної програми забезпечення пожежної безпеки в Україні на 2000 2010 р.р., а також в рамках держбюджетної НДР № U006759 (2004 р.).

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є оцінка пожежовибухонебезпеки СЗП водню на основі гідрореагуючих сполук та можливість її зниження шляхом регулювання термодинамічних характеристик процесу генерації та використання схемотехнічних рішень СЗП.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

–

–

–

–

–

–

Об’єкт дослідження – СЗП водню на основі ГРС та особливості, пов’язані з організацією процесів генерації водню.

Предмет дослідження – пожежовибухонебезпека СЗП водню на основі гідрореагуючих сполук та її взаємозв’язок з параметрами технологічного процесу виділення водню.

Методи дослідження: універсальний термодинамічний метод; методи імітаційного моделювання; методи теорії планування експерименту; метод нульмірної балістики; чисельні методи рішення математичних рівнянь.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

–

–

–

–

–

–

–

–

Практичне значення отриманих результатів. Комплекс математичних моделей, що описують процеси генерації водню, у сукупності зі схемотехнічними рішеннями, є теоретичною базою для синтезу СЗП водню на основі гідрореагуючих сполуків з мінімальним рівнем пожежовибухонебезпеки.

Технічні рішення щодо реалізації запропонованих методів контролю за режимом генерації водню з метою недопущення аварійної ситуації, захищені патентами України.

Математичні моделі процесів генерації водню при розгерметизації газогенераторів використовуються у навчальному процесі АЦЗУ МНС України, а також можуть бути використані при розрахунку об’ємів приміщень, які містять СЗП даного типу, та визначення типу датчиків контролю середовища.

Практичні рекомендації по схемотехнічним рішенням та режимам роботи СЗП водню на основі ГРС, які забезпечують мінімальну пожежовибухонебезпеку, були використані у відділі гідридних енергоустановок ІПМаш НАН України та ЗАТ НТВ “Котлоенергопром”.

Особистий внесок здобувача. Автор приймав безпосередню участь у отриманні чисельних результатів та оцінок, пов’язаних з визначенням термодинамічних параметрів газогенерації на основі фундаментального принципу ентропії у сполуці з методами імітаційного моделювання [2, , ]. За безпосередньою участю автора були проведені експериментальні дослідження, в результаті яких були визначені кінетичні характеристики процесу генерації водню та їх залежність від тиску та температури в системі [2, 3]. Автором розроблені математичні моделі, які описують режими роботи газогенератору у випадку його розгерметизації та зміни витрат води, що подається до газогенератора [4, 7, 10, 11].

Особисто автором отримані чисельні оцінки, пов’язані з визначенням пожежовибухонебезпеки СЗП даного типу та розроблені рекомендації щодо схемотехнічних рішень та організації процесів генерації водню у СЗП з мінімальною пожежовибухонебезпекою [1, 5, 6, 8, 9, 12].

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на: Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми пожежної безпеки. Ліквідація аварій та їх наслідків” (м. Донецьк, 2002), ІІ науково-технічній конференції “Живучість корабля та безпека на морі” (м. Севастополь, 2003), ІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Надзвичайні ситуації: попередження та ліквідація” (м. Мінськ, 2003), VI науково-практичній конференції “Пожежна безпека – 2003” (м. Харків, 2003), а також на постійнодіючому науково-технічному семінарі АЦЗУ (м. Харків, 2001 ).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в 7 наукових статтях у виданнях, що входять до Переліку ВАК України, 1 патенту України на винахід та в 5 тезах доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків та додатків. Загальний обсяг дисертації складає 160 сторінок, вона містить 55 рисунків, 18 таблиць і 126 використаних літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі проведений аналіз перспектив використання водню в якості палива в енергетичних установках, його власних пожежовибухонебезпечних властивостей, а також методів його збереження.

Показано, що одним з перспективних методів довгострокового збереження водню є його збереження у хімічно зв’язаному стані, зокрема, у формі гідридів металів та інтерметалидів. Спосіб виділення водню з твердих речовин, що містять водень, обирається у залежності від задач, що вирішуються.

Одним з перспективних методів виділенню водню з гідридів є гідроліз (необратима реакція гідриду з водою), який характеризується мінімальними енерговитратами на процес газовиділення, дешевими похідними гідридами та відносно низьким діапазоном робочих температур.

На рис. 1 наведено структурну схему автономної СЗП закритого типу. Перевагою такого типу СЗП є можливість управління процесом гідролізу за допомогою регулювання витрат води, що подається до газогенератора, а також можливість контролю аварійної ситуації з подальшим її виключенням.

Рис. 1. Структурна схема автономної СЗП водню на основі ГРС закритого типу: 1 – газогенератор; 1.1 – зразок ГРС; 2,8 – електромагнітні клапани; 3 – датчик рівня води; 4, 5 – підсилювач – формувач; 6, 7 – підсилювач потужності; 9 – датчик тиску; 10 – ємність з водою; 11 – автоматична система управління СЗП

Аналіз свідчить, що пожежна безпека СЗП такого класу визначалася, в основному, міцнісними характеристиками конструкційних елементів, що входять до її складу з (урахуванням умов впливу підвищеної температури та тиску), а також наявністю водневого середовища. Дані про зв’язок параметрів технологічного процесу збереження та генерації водню у СЗП з рівнем ПВН системи на сьогоднішній день відсутні.

На підставі аналізу стану питання сформульована ціль дослідження, яка представлена у вигляді сукупності локальних підзадач.

В другому розділі зроблено аналіз гідрореагуючих сполук для збереження водню у зв’язаному стані, проведено термодинамічний аналіз технологічного процесу газогенерації та одержані математичні моделі, які адекватно описують процеси отримання водню з використанням ГРС.

Показано, що виходячи зі значень по швидкості реакції та діапазонів робочих тисків і температур, найбільш перспективними є ГРС на основі алюмінію та алюмініймістячих речовин, а саме алюмогідрид натрію (АГН) та композитна суміш алюмінію та гідриду натрію (АГНК), процес взаємодії яких з водою описується наступним чином:

NaH + H2O NaOH + H2

Al + NaOH + H2O NaAlO2 + 3/2 H2 (1)

NaH + Al + 2H2O NaAlO2 + 5/2 H2

та

NaAlH4 + 4H2O Na[Al(OH)4] + 4H2. (2)

Продукти реакції, основним компонентом яких є дигидроалюмінат натрію Na[Al(OH)4(H2O)2]nH2O, уявляють собою пожежовибухонебезпечні речовини з показником рН = 13,2 і можуть бути використанні у якості пінообразуючого компоненту у випадках аварійних ситуацій або, в разі непотреби, легко утилізуються.

Термодинамічні параметри процесу генерації водню визначалися за допомогою універсального термодинамічного методу. На основі літературного огляду визначено, що кількість одержаного водню та його температура залежить від початкової температури води Т0, тиску в системі Р, а також коефіцієнта km, який характеризує співвідношення між кількістю ГРС та кількістю води. Для отримання цих залежностей у явному вигляді було використано методи теорії планування чисельного експерименту, а саме ротатабельний центрально-композиційний план, причому, виходячи з можливих умов організації технологічного процесу отримання водню, інтервали варіювання факторів були прийняті наступними: Т0 423) К; Р 50) МПа; km  6. У якості математичних моделей, що описують процеси виділення водню, було використано вирази виду

, (3)

де у1 – вихід водню, % мас; у2 – адіабатична температура генерації, К; хi – кодовані перемінні; аi , аii, aij – параметри (коефіцієнти) моделі, що підлягають визначенню.

На рис. – 3 наведені приклади таких залежностей.

Аналіз свідчить, що найбільший вплив на вихід водню надає коефіцієнт співвідношення компонентів km , а початкова температура води Т0 практично не впливає. Вплив тиску на вихід водню також не є суттєвим та приблизно на порядок менш, ніж вплив коефіцієнту km. Адіабатична температура генерації водню також практично не залежить від початкової температури води. Вплив коефіцієнту km на температуру технологічного процесу у порівнянні з тиском більш суттєвий.

З використанням методу “нульмірної” балістики, у основі якого лежить гіпотеза про використання усереднених за об’ємом характеристик генератора, одержана математична модель процесу генерації водню у вигляді:

(4)

де – відповідно усереднені за об’ємом тиск та температура газової фази у генераторі; – усереднена за об’ємом швидкість газогенерації; – вільний об’єм порожнини газогенератора; – показник адіабати; – газова постійна; – середня температура у зоні реакції на межі розділу фаз; – середній за об’ємом 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.

Рис. 2. 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 | Рис. 3. 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

Після лінеаризації шляхом розкладу у ряд Тейлора відносно малих відхилень та введення відповідних позначень система рівнянь (4) трансформується до вигляду:

(5)

де

; ; ; ; ; ; ; ; ; .

Отримана феноменологічна математична модель дозволяє визначати характеристики СЗП водню як в штатному, так і в аварійному режимах роботи.

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.

На рис. 4 наведена структурна схема експериментальної установки.

Рис. 4. Схема експериментальної установки: 1 – камера високого тиску; 2 – ілюмінатори; 3 – зразок ГРС; 4 – шток; 5 – електропривод; 6 – електропневмокомпресор; 7 – водяний насос ПНВ-05-800; 8 – балон з інертним газом; 9 – манометр; 10 13 – вентилі; 14 – лічильник газовий; 15 – датчик тиску; 16 – датчик температури; 17 – перетворювач; 18 – осцилограф світопроміневий С1-117А; 19 – кінокамера СКС-1М

Отримані залежності швидкості генерації водню у наступному вигляді:

, (6)

де Р – тиск в системі; сi – параметри полінома (у залежності від орієнтації реагуючих поверхонь ГРС, вони знаходяться у межах: с0 =– 417) л/(м2с); с1 =– 29) л/(с кг); с2 = – (0,1 – 0,3) лм2/(с кг2)).

На рис. 5 та рис. 6 наведені графіки залежностей швидкості реакції від тиску в системі та температури рідкого реагенту.

Рис. 5. Залежність швидкості газогенерації ГРС на основі АГН від тиску Р та температури Т: нижня поверхня – горизонтально орієнтована поверхня ГРС; верхня поверхня – вертикально орієнтована поверхня ГРС |

Рис. 6. Залежність швидкості газогенерації на основі АГНК від тиску Р та температури Т: нижня поверхня – горизонтально орієнтована поверхня ГРС; верхня поверхня – вертикально орієнтована поверхня ГРС

Аналіз цих залежностей показує, що для процесів, що протікають з участю ГРС на основі АГН, вплив тиску у порівнянні з температурою рідкого реагенту приблизно в (30  ) разів сильніше. Для ГРС на основі АГНК цей показник лежить в межах (30  ). Швидкість газовиділення з вертикально орієнтованої поверхні, що реагує, більше, ніж з горизонтальної верхньої для обох видів ГРС.

Одержані результати є вихідним матеріалом для оцінки рівня ПВН СХП даного типу, зокрема в аварійних режимах роботи, та проектування систем раннього вияву ПВН - концентрацій водню.

В четвертому розділі розглядаються особливості функціонування СЗП водню в аварійних режимах, а саме в умовах виникнення теплового вибуху, розгерметизації системи та неконтрольованого потрапляння води у газогенератор.

Умови уникнення теплового вибуху у газогенераторі мають вигляд:

Q2 Q1; Q1 = QPU(Р)SP; Q2 = (Р)SPT, (7)

де Q1 – кількість теплоти, що виділяється в процесі взаємодії ГРС з водою, Дж; Q2 – кількість теплоти, що відводиться з зони реакції, Дж; QP – тепловий ефект реакції, кДж/кг; U(Р) – швидкість реакції в залежності від тиску, кг/(м2с); SP – реакційна поверхня, м2; – час реакції, с; (Р) – коефіцієнт тепловіддачі від реакційної поверхні до рідини в залежності від тиску, Вт/(м2К); T – різниця температури між зоною реакції та стінкою газогенератора, К.

На основі експериментальних даних одержані залежності, за допомогою яких можна визначати співвідношення параметрів технологічного процесу для уникнення в системі теплового вибуху. Так, наприклад, в умовах експерименту, що проводився, при тиску, який не перевищує 25 МПа, теплового вибуху можна уникнути при підтриманні різниці температур між зоною реакції та внутрішньою стінкою газогенератора не менш 10 градусів (рис. 7).

У разі виникнення розгерметизації СЗП водню для опису зміни приросту тиску в газогенераторі відносно його квазістаціонарного режиму роботи, як функції приросту площі вихідного перетину газогенератора, на підставі (5) отримано наступну математичну модель:

(8)

У роботі показано, що час досягнення сталого процесу при розгерметизації СЗП водню практично не залежить від температури. З цього приводу доцільно використовувати ізотермічний підхід для оцінки часу закінчення перехідних процесів у газогенераторах водню при їх розгерметизації. На рис. 8 наведено залежність часу перехідного процесу tП від температури та співвідношення площин F0/S0, побудовану на підставі виразу (9) та отриманого для оцінки tП у першому наближенні:

, (9)

де – висота порожнини газогенератора, яка заповнюється воднем; – площа поперечного перетину вихідного отвору; – площа поверхні газовиділення.

Для розгляду аварійного режиму, зумовленого відмовою клапана подачі води у газогенератор, отримана математична модель, яка описує зміну прирощення тиску в газогенераторі відносно квазістаціонарного режиму роботи як функцію витрат води:

(10)

де – витрати води, кг/с.

Рис. 7. Залежність питомих теплових потоків (що виділяється в результаті реакції – q1 та що відводиться – q2) від тиску: 1 – q2 при Т = 1К; 2 – q2 при Т = 10К; 3 – q2 при Т = 20К; 4 – q2 при Т = 30К; 5 – q2 при Т = 40К; 6 – q1 | Рис. 8. Залежність часу перехідного процесу від температури та співвідношення площин

Аналіз отриманих графічних залежностей для миттєвого, лінійного та параболічного закону зміни витрат води дозволив зробити висновок, що найбільша зміна відносного тиску в газогенераторі відбуватиметься при миттєвої зміні.

В п’ятому розділі проведено оцінку рівня пожежовибухонебезпеки СЗП на основі гідрореагуючих сполук та розроблені рекомендації щодо її зниження.

Для визначення рівня ПВН для СЗП, що містить n елементів, запропоновано використовувати граф-схему, яка наведена на рис. 9. У відповідності з цією граф-схемою вираз для ймовірності виникнення ПВН ситуації у СЗП водню буде мати вигляд:

(11)

де , та – ймовірність виникнення горючого середовища, появи джерел запалювання у елементах СЗП та наявності умов самоспалахування, відповідно.

Для експоненційного закону розподілу потоку відмов та значення , яке дорівнюється “0”, вираз (11) записується наступним чином:

, (12)

де та – інтенсивність відмов технічних пристроїв, які забезпечують неможливість появи (реалізації) подій та ; tn – час безперервної роботи відповідних технічних пристроїв.

Рис. 9. Граф-схема виникнення ПВН ситуації у СЗП з урахуванням можливості виникнення самоспалахування: А(1)  А(n) – події, пов’язані з виникненням горючого (вибухонебезпечного) середовища в елементах (1 СЗП; В(1)  В(n) – події, пов’язані з виникненням джерела запалювання в елементах (1 СЗП; ВСВ – події, пов’язані з наявністю умов самоспалахування

Показано, що з існуючих параметрів технологічного процесу найбільш суттєвий вплив на рівень ПВН СЗП оказує тиск в системі, врахування якого досягається введенням коефіцієнту режиму Кр. В такому разі вирази для та записуються наступним чином:

; , (13)

де 0n – інтенсивність відмов при експлуатації у режимі, для якого нормувалися – характеристики; РСХП – текучий тиск у СЗП; Русл – найбільший робочий тиск для обраної СЗП.

Поправочний коефіцієнт k дозволяє врахувати вплив зовнішніх факторів при експлуатації СЗП: k1 – коефіцієнт впливу механічних факторів (вібрації, ударні навантаження); k2 – коефіцієнт впливу зовнішніх кліматичних факторів (температура, вологість, тиск).

Розглянувши можливі причини виникнення у СЗП водню на основі ГРС горючого середовища та джерел запалення, а також елементів, у яких можливе виникнення цих подій, для режиму збереження, експлуатації, змішаного режиму та аварійних ситуацій отримані оцінки ймовірності виникнення ПВН ситуації для різних значень технологічних параметрів процесу газовиділення, а також проведене порівняння цього параметру з СЗП, яка має на сьогодні найпоширеніше використання – балонною СЗП.

На рис. 10 для прикладу наведено графік ймовірності виникнення ПВН ситуації для змішаного режиму генерації водню.

Зроблений аналіз отриманих залежностей дозволяє зробити висновок, що у всіх режимах використання СЗП на основі ГРС має переваги перед СЗП балонного типу, стосовно показників ПВН.

Для СЗП на основі ГРС були отримані значення ймовірності виникнення ПВН ситуації в залежності від тиску в системі. Так, при зміні тиску в системі в інтервалі (5,7  ) МПа, якому відповідає значення коефіцієнту режиму Кр в діапазоні (0,1  ,0), величина ймовірності виникнення ПВН ситуації збільшується у 80 разів.

Показано, що одним зі шляхів зниження рівня ПВН СЗП, в тому числі у аварійних режимах, є введення в її структуру додаткових елементів. Так, наприклад, включення до структури СЗП водню патрону з інтерметаллідом (27) для поглинання водню в разі підвищенні тиску над встановленим, дозволяє знизити значення ймовірності виникнення ПВН ситуації до 7 разів (рис. 11). |

З метою зниження рівня ПВН СЗП запропоновано процедуру обробки вихідного сигналу датчика тиску (ДТ) за відповідним алгоритмом, що дозволяє окрім безпосереднього контролю за тиском в системі визначати працездатність датчику тиску.

Показано, що введення контролю за працездатністю ДТ (11) та током споживання ЕМК (8, 15, 18, 19, 23, 26), безпосереднє резервування пускового ЕМК (8), заземлення та встановлення антистатичних зйомників дозволяє знизити рівень ПВН СЗП до 500 разів.

Рис. 10. Ймовірність виникнення ПВН ситуації у СЗП при циклічній (змінний режим) генерації при часі генерації (0  ) годин на рік (нижня поверхня – СЗП на основі ГРС; верхня поверхня – балонна СЗП)

Рис. 11. Структурна схема автономної СЗП водню на основі ГРС з контролем аварійного стану: 1 – газогенератор; 1.1 – зразок РГС; 2,4 – порівняльні пристрої; 3,7, 16, 22 – підсилювачі - формувачі; 5,21 – елементи НІ; 6 – елемент І; 8,15,18,19,23,26 – електромагнітні клапани; 9 – осушувач; 10 – очищувач; 11 – датчик тиску; 12 – АСУ СЗП (штрихпунктирною лінією виділені елементи, що входять до АСУ); 13 – система електроживлення СЗП; 14 – ресивер; 17 – датчик рівня; 20 – система подачі води; 24 – ємність для продуктів реакції; 25 – балон з інертним газом; 27 – патрон з інтерметалідом

Для забезпечення вимог щодо ПВН обґрунтований підхід стосовно вибору систем пожежної автоматики для технологічних приміщень, у яких відбувається експлуатація СЗП на основі ГРС. Так, наприклад, для СЗП з продуктивністю час спрацьовування tср сповіщувачів у випадку досягнення ПВН концентрації водню у приміщенні обсягом V визначається згідно виразу:

. (14)

На рис. 12 наведено ілюстрацію вибору припустимого співвідношення обсягів приміщення до площі поверхні ГРС, що реагує, в разі встановлення у приміщення сповіщувача водню, наприклад, типу ЩИТ-3. Аналіз цього рисунка свідчить, що у разі використання сповіщувача водню типу ЩИТ-3, час спрацьовування у якого 10 с, СЗП водню даного типу треба розташовувати у приміщеннях, для яких відношення їх об’єму до площі поверхні, яка реагує, не менш ніж 280.

Рис. 12. Ілюстрація вибору припустимого співвідношення обсягу приміщення до площі поверхні ГРС, що реагує: tCдоп – час досягнення пожежовибухонебезпечної концентрації водню в приміщенні; t20%Сдоп – час досягнення концентрації, яка дорівнює обраному порогу сповіщувача (20% від НКПР); tCдоп –20%Сдоп

Для розглянутої СЗП на основі ГРС було розроблено перелік пожежно-профілактичних заходів, вигляд якого може бути адаптованим під продуктивність СЗП та умови її експлуатації.

ВИСНОВКИ

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.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

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. – 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 разгерметизацииПроблемы 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 водородаТруды 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 составовТезисы 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 составовМатериалы VI науч.-практ. конф. “Пожарная безопасность – 2003” – Харьков: АПБУ, 2003. – С.102 – 105.

АНОТАЦІЯ

Корнієнко Р.В. Оцінка пожежовибухонебезпеки систем зберігання та подання водню на основі гідрореагуючих сполук та розробка рекомендацій щодо її зниження. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 – Пожежна безпека. – Академія цивільного захисту України, Харків, 2004.

Для системи зберігання та подання водню на основі гідрореагуючих сполук на основі експериментальних даних та термодинамічного розрахунку одержано характеристики технологічного процесу газовиділення та визначені основні параметри, які зумовлюють рівень пожежовибухонебезпеки СЗП.

З використанням методу “нульмірної балістики”, згідно з законами збереження маси та енергії, одержана модель, яка описує процеси генерації водню і дозволяє отримувати характеристики СЗП як в штатному, так і в аварійному режимах роботи.

Визначено умови виникнення теплового вибуху в газогенераторі. Розглянуто реакцію системи на виникнення в ній аварійної ситуації, а саме випадок розгерметизації СЗП та неконтрольоване потрапляння води в порожнину газогенератора.

Здійснено оцінку рівня пожежовибухонебезпеки СЗП даного типу для різних режимів експлуатації з урахуванням параметрів технологічного процесу генерації.

Розроблені рекомендації по зниженню рівня ПВН СЗП водню на основі ГРС.

Ключові слова: водень, система зберігання та подання, пожежовибухонебезпека, гідрореагуюча сполука.

АННОТАЦИЯ

Корниенко Р.В. Оценка пожаровзрывоопасности систем хранения и подачи водорода на основе гидрореагирующих составов и разработка рекомендаций по ее снижению. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 – пожарная безопасность – Академия гражданской защиты Украины, Харьков, 2004.

Установлено, что в связи с постоянно возрастающим потреблением водорода, существует проблема его получения и пожаровзрывобезопасного хранения.

Определено, что одним из перспективных методов хранения водорода является его хранение в химически связанном состоянии, в частности, в форме гидридов металлов и интерметаллидов. Выделение водорода из гидридов путем реакции гидролиза, характеризующееся минимальными энергозатратами на процесс газовыделения, дешевизной исходных гидридов и относительно низким диапазоном рабочих температур, является одним из экономичных.

Определено, что исходя из значений скорости реакции и диапазонов рабочих давлений и температур, наиболее перспективными гидрореагирующими составами являются составы на основе алюминия и алюминий содержащих веществ, а именно алюмогидрид натрия и композитная смесь алюминия и гидрида натрия.

С использованием универсального термодинамического метода определены термодинамические параметры процесса генерации водорода. Экспериментальным путем проведено исследование параметров технологического процесса получения водорода, в частности определена скорость генерации водорода в зависимости от давления, температуры и ориентации реагирующей поверхности ГРС. С использованием метода “нульмерной баллистики” в соответствие с законами сохранения массы и энергии получена модель, которая описывает процессы генерации водорода и позволяет получать характеристики СХП как в штатном, так и в аварийном режимах работы.

Определены условия возникновения теплового взрыва в газогенераторе и пути его предотвращения.

Рассмотрена реакция системы хранения и подачи водорода на возникновение в ней аварийной ситуации, обусловленной разгерметизацией СХП и неконтролируемым поступлением воды в полость газогенератора. Показано, что время достижения установившегося процесса генерации при разгерметизации СХП практически не зависит от температуры, в связи с чем для оценки времени окончания переходных процессов целесообразно использование изотермического подхода.

На основании стохастического подхода с использованием граф-схем, в зависимости от параметров технологического процесса и режимов эксплуатации получены значения вероятности возникновения ПВО ситуации в СХП.

Показано, что одним из путей снижения уровня ПВО СХП, в том числе и в аварийных режимах, является введение в ее состав дополнительных элементов, в частности, патрона с интерметаллическим соединением.

Ключевые слова: водород, система хранения и подачи, пожаровзрывоопасность, гидрореагирующий состав.

ABSTRACT

Kornienko R.V. The evaluation of fire and explosion hazard for systems of keeping and supply the hydrogen on base hydroreacting composition and development of recommendations on its reduce. – Manuscript.

Dissertation for seeking the degree of candidate of technical sciences on speciality 21.06.02 Fire Safety. – Civil Defense Academy of Ukraine, Kharkiv, 2004.

Features of the technological process gasemission main parameters, which define the level of fire and explosion hazard for SKS are received and determined for system of keeping and supply the hydrogen on base hydroreacting composition based on experimental data and thermodynamic calculation.

With use of the method "zero measured ballistics"