CC BY
4Безопасность 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 probability of such idealized conditions is unlikely, detonation of great amounts of gaseous hydrogen is also unlikely. Tests in "Cryogenmash" JSC and VNIIPO regarding the liquid hydrogen spill of about 10 m3 from the transport system have confirmed the conclusion made earlier. Hydrogen burned down with no detonation phenomena. At the same time when developing the liquid hydrogen systems it is considered that detonation is possible in all cases. It is clear that keeping to such approach the task of safe arrangement of the rocket-and-space equipment relative to the liquid H2 storage system and the safe operation of this equipment are solved with sufficient reliability. However, at a large-scale implementation of hydrogen in the industry, transport and in the household the new, maybe more courageous, but reasonable approaches to the estimation of dangers and sizes of safe breaks will be required. Safety requirements at designing, manufacturing and operation of the cryogenic systems are stated in "Safety Rules at Hydrogen Production, Storage & Handling", on the basis of which a national standard will be developed in the coming two years.
The following task is related to the problem of safety at instantaneous discharge of hydrogen. It was theoretically determined the following: the time of reaching the maximum explosive mass and full "spreading" of the spherical cloud, after which the mixture firing is impossible; the radius of the "cloud" of explosive mixtures at the moment the explosive mass is obtained. It is shown, that the period of hydrogen mixing is considerable and can result into formation of the long-living "cloud"
consisting of a "heavy" hydrogen-and-air mixture, which can move over some distance under the effect of aerodynamic forces. It is also established that the maximum quantity of hydrogen, which can be involved in an explosion in all cases, does not exceed 42 % of the initial mass. In this case the formation of a homogeneous stoichiometric mixture in the area of hydrogen and air mixing is impossible. The jet outflows of hydrogen into the atmosphere from the pipelines are also technologically inevitable. The outflow modes depend on the gas velocity, its temperature and the shape of a pipe hole nozzle. The distinctive feature of the developed turbulent jet, and just such jets are formed under the gas discharge, is a dependence of the hydrogen concentration and explosive mass distribution only on the pipe diameter and the discharged gas temperature. Under the jet ignition the size of the initial area covered with flame is restricted by the surface with hydrogen concentration of about 4 %. Under real conditions of gas discharge safe distances from the burning jet are always longer than a safe distance from the explosion, and so it can be ignored under the operation and calculations of the safe distances, which can be shortened by reducing the diameter of the drainage pipe outlet section, by increasing temperature of the drained hydrogen, and diluting hydrogen with an inert gas.
An accumulation of solid oxygen residues is a special hazard for the cryogenic equipment during the process operations. As a result of liquid hydrogen evaporation under the cooldown of the equipment, its storage, transportation, delivery and so on, the concentration of the dissolved hydrogen is continuously increased up to the maximum level, and then its impurities will precipitate from the solution. Experimentally (in "GIPCH") there was established the thickness of the solid oxygen residue, which does not ignite (<30 |m), ignites (30-100 |m), detonates (100-300 |m). Crystals of air do not burn and do not detonate, but are mechanical impurities, which are capable to have a serious affect on the service performance of systems. Of great importance is the experimentally established fact of an adhesion of oxygen and nitrogen crystals to the tank walls, which are not "stirred up" and do not move during LH2 transfer. On the basis of the research done, "Cryogen-mash" JSC, "NII CHIMMASH" FSUE, "GIPCH" RSC, and "Nauka" STC have developed a safe procedure for liquid hydrogen handling and a procedure to determin its quality; it is specified in the following normative documents: 1. STP 2082-5612006 "Cryogenic Equipment. Liquid Hydrogen Storage and Transportation Systems. General Requirements for Operation". 2. RD 2082-33-2003 "Liquid Hydrogen. Determination of Impurity Content". Further researches in the field of explosion safety shall simplify the liquid hydrogen handling procedure and the determination and maintenance of its quality.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE № 6(38) (2006) 1A
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ № 6(38) (2006) 2 '
