ВЗРЫВОПОЖАРООПАСНОСТЬ ПРИ СОЗДАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМ ПОЛУЧЕНИЯ, ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ЖИДКОГО ВОДОРОДА. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАЩИТЫ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.59:04-182.1

Взрывопожароопасность при создании и эксплуатации промышленных систем получения, хранения и транспортирования жидкого водорода. Методы обеспечения защиты

А.М. Домашенко1*, А.В. Степанов1

1 ПАО «Криогенмаш», Российская Федерация, 143907, Московская обл., г. Балашиха, пр-т. Ленина, д. 67 * E-mail: domashenko@cryogenmash.ru

Тезисы. Предложена классификационная схема аварийных ситуаций и опасностей, возникающих при получении, хранении, транспортировании и потреблении газообразного и жидкого водорода. В схему включены четыре группы взрывопожароопасности с описанием соответствующих методов защиты людей, оборудования и производственных помещений. Рассмотрены характерные процессы, сопровождающие или вызывающие аварийные ситуации. Проанализированы наиболее эффективные методы защиты. Результаты использованы при разработке Свода правил «Требования безопасности при производстве, хранении, транспортировании и использовании жидкого водорода» в ПАО «Криогенмаш» совместно с предприятиями и институтами ГК «Роскосмос» и РАН.

Перспективная разработка и реализация программ научно-технического развития цивилизации не может осуществляться без комплексного подхода к решению проблем безопасности. В ряду опасных технических комплексов особое место занимают водородные системы, поскольку водород обладает высокой степенью взрывопожароопасности. Из исследованных 150 крупных промышленных аварий, произошедших в СССР в период 1970-1989 гг., 27 связаны со взрывами водорода, причем в основном в замкнутых объемах помещений [1].

Создание в СССР в 1960-1980 гг. инфраструктуры снабжения ракетно-космической техники и ряда отраслей науки и промышленности жидким водородом (ЖН2), включающей в себя крупномасштабное производство газообразного и жидкого водорода (до 12 тыс. т/год), хранилища ЖН2 суммарным объемом до 11 тыс. м3 на базе горизонтальных резервуаров объемом до 250 м3 и шаровых резервуаров объемом 1400 м3 (рис. 1), хранилища газообразного водорода на базе баллонов высокого давления объемом до 10 м3, автомобильные (рис. 2) и железнодорожные цистерны вместимостью 45 и 100 м3 соответственно, потребовало выполнения значительного объема исследовательских и опытно-конструкторских работ по проблемам взры-вобезопасности. В те годы создание крупномасштабных водородных систем представлялось задачей чрезвычайно сложной и опасной вследствие широты диапазона взрывопожароопасных свойств смесей водорода с воздухом и уже тогда известных детонационных явлений в закрытом пространстве. Эти смеси воспламеняются и детонируют в диапазонах концентраций водорода в среде воздуха соответственно 4...75 % и 18,3...74 %, в среде кислорода - соответственно 4.. .96 % и 15.. .94 %. При этом энергия зажигания, необходимая для воспламенения, составляет 0,019 мДж. Подожженный водород горит невидимым спокойным пламенем при температуре T = 2200 К, пламя распространяется со скоростью 2,7 м/с. Но при этом интенсивность радиации водородного пламени почти на порядок меньше интенсивности радиации при горении углеводородов. Фундаментальной характеристикой взрывоопасности является тротиловый эквивалент взрыва стехиометрических смесей. Для смесей водорода с воздухом эта величина составляет 10,6 кг на один килограмм Н2 (для метана - 4,8 кг).

Ключевые слова:

водород, азот,

кислород,

авария,

пролив,

газосброс,

энергия зажигания,

допустимая

концентрация.

Рис. 1. Хранилище жидкого водорода Рис. 2. Автотранспортная цистерна жидкого объемом 11000 м3 на базе резервуаров водорода объемом 45 м3

РС-1400/1

К взрывоопасным свойствам жидкого водорода следует также отнести его способность накапливать твердый кислород из-за его низкой растворимости. При Т = 20,28 К предельная растворимость кислорода составляет 2 10-8 % об. Надо отметить, что с повышением температуры растворимость кислорода в водороде увеличивается значительно. Например, при Т = 25 К растворимость увеличивается по сравнению с Т = 20 К примерно в 50 раз, при Т = 30 К - в 2000 раз. Практически все технологические операции, связанные с испарением водорода, приводят в конечном итоге к кристаллизации кислорода и накоплению его на поверхностях оборудования.

Кроме взрывопожарных свойств водород несет человеку некоторые биологические опасности. Водород - газ физиологически инертный, но поскольку он не поддерживает дыхания, пребывание в среде водорода требует обязательной защиты органов дыхания. Жидкий водород и пар на уровне насыщения или близком к температуре насыщения опасны для органов дыхания, а их воздействие на открытые участки тела приводит к обморожению. Следовательно, нужны индивидуальные средства защиты от поражения органов дыхания, глаз, кожи.

Проблемы взрывобезопасности

Опыт создания водородного оборудования и систем и их эксплуатации с учетом свойств водорода позволил выделить четыре основные группы взрывопожароопасности и методов защиты людей, оборудования и производственных помещений (рис. 3) [2]. Первая группа (условно) - это аварийные ситуации, которые могут возникнуть в водородном оборудовании

при его эксплуатации за счет накопления кислорода. В газообразном оборудовании эксплуатация осуществляется при давлении, большем атмосферного, и поэтому в реальности накопление кислорода трудноосуществимо и возникновение аварии маловероятно. В жидкостных системах, начиная от технологической операции заправки цистерны на производстве и кончая использованием у потребителя, постоянно происходят повышение концентрации кислорода и после достижения состояния насыщения его высаждение на поверхностях оборудования. Следует отметить, что степень перенасыщения в этих процессах крайне незначительна и соответствует снижению температуры жидкого водорода на 0,1...0,2 градуса по сравнению с температурой насыщения. Релаксационный период кристаллизации, т.е. время от момента создания перенасыщения до момента появления первых кристаллов примеси в жидкости, составляет миллисекунды. Дисперсный состав образующихся частиц в зависимости от условий создания перенасыщения находится в пределах от десятых долей микрона до десятков микронов. Исследования ФГУП РНЦ «Прикладная химия» позволили установить предельные толщины (5) слоя осадка твердого кислорода, который способен гореть (5 > 30 мкм), детонировать (5 > 100 мкм), проявлять бризантное действие взрыва (5 > 300 мкм). К этому следует добавить весьма значимый результат исследования: твердый воздух в отличие от кислорода в жидком водороде не горит и не детонирует. Кроме этого, в системах, периодически заправляемых жидким водородом и отогреваемых перед повторными заправками, взрывоопасное накопление кислорода практически невозможно.

В нормативных документах1 для расчета норм безопасного накопления (безопасной массы тб, г) кислорода в резервуарах с жидким водородом принято соотношение:

т6 = 0,425^,

(1)

где 0,42 - плотность осадка кислорода, г/см3; 5 - безопасная толщина слоя осадка кислорода в резервуаре, см; £ос - площадь днища резервуара, на которой происходят осаждение и адгезия кислорода, см2. Толщина 5 принимается равной 1,5 10-3 см. Это в 2 раза меньше толщины слоя кислорода, способного гореть под слоем жидкого водорода; приблизительно в 7 раз меньше толщины слоя, способного детонировать от сильного источника инициирования; примерно в 20 раз меньше значения, при котором проявляется бризантное действие взрыва. За £ос принимается площадь днища резервуара, на которую частицы кислорода могут падать под углом 45°...90°. Количество кислорода в слое не должно также приводить к образованию взрывоопасной смеси кислорода с водородом при отогреве резервуара.

При накоплении кислорода в процессе длительной эксплуатации выше допустимых значений, что определяется расчетным путем либо измерениями, водород очищается в адсорбционных аппаратах или оборудование освобождается от жидкого водорода, отогревается до температуры выше 95 К и очищается от примесей. Если в системе не предусмотрено измерение концентрации примесей, нормативные документы допускают 10-кратное заполнение жидкостью резервуаров2. Это реальная защита от аварий, связанных с горением или детонацией твердого кислорода в жидком водороде. Очевидно также, что для обеспечения безопасности эксплуатации систем ЖН2 требуется строгое соблюдение технологии с контролем параметров всех операций (подготовка систем к заправке, заправка, транспортирование, перелив в хранилище, хранение, заправка потребителей). При этом наиболее сложным является процесс отбора пробы жидкого водорода и измерения концентрации в нем примесей.

См.: Водород жидкий. Определение содержания примесей: РД 2082-33-2003. - Балашиха: Криогенмаш, 2003. - 48 с.

См.: Оборудование криогенное. Системы транспортирования и хранения жидкого водорода. Общие требования к эксплуатации: СТП 2082-561-2006.

« я

- а

2

^ & « &

& *

3 к

= я

3 я

х я

Л ^

с? &

^ 3

я 8

& о

^ и

м

V &

Ш

Ч о « = X

ч

^ я

и я

К я

м и

<и к я <и ч в я

X ? Л 8 8

с и

о и

Л и

к сч

X -Л Я

Я *

^ я

й я

о *

Н- ш

ч и

га §

& з

с <и

3 =Я

3 й я я

2 =я

5 я я &

сз

Я 3 И «

^ Я

6

4

& Р

то ^

я & ^

я 8 В

Я ^ я

Я « я в

>я

я

3

и я

ю ^

8

га 8 р ы V я

5 18 3 я

3 й

5 §

6 м

о к 3

о Я к

§ р § § %

8 (8 Р ^ * « а г ^ ¡я я ^

^ 18

я

я ^ В ю

2 5

Ч &

ю 5

Л " О и

& ^ 14

о Р £

я я

2

х

3 й

8 42 Й

х

х =

Г - Ш

г ¡=

х

2 ч

я о % §

й

°

2 и & «

а °

х

о &

- &

^ 5

х

р

И

« а

8 5

ш ^ р Р м

~ 1з н -

О § §■ 18

§ И я 13

Я Й о

^ ;3 й

3 £

4 я

то о

К а

8

й ^ о а ч о

I н 3

I ¡8 ё I ^

§ I I ^ ^

* 3 ч 8 ¡2

р ч я з о

Й - я §

Н я ^ Р га

£ И ¡3

я

а

Й " я о я &

я д

% т & «

й я

Ь я

(и я я §

я Й ш -л - 18 I и Н I я « и

А & ч (и г О (и ¡3 о ^

и а и & я р И ^ !* о* о о ю

с Р = о

18

о Я

1 .8

Наанализ

1 | р Ж 111 1 сз^

Капилляр ¡1

——1

т

на термостатирование и анализ

Рис. 4. Пробоотборник капиллярного типа производства ПАО «Криогенмаш»

На рис. 4 представлено конструктивное изображение устройства для отбора жидкой пробы. Сама технология взятия анализа требует тщательной подготовки (очистки) всех коммуникаций от любых примесей и прежде всего воздуха. Устройство для отбора пробы ЖН2 для надежного измерения растворенных примесей должно решать две главные задачи. Прежде всего, ЖН2 должен доставляться к теп-лообменному элементу без подпаривания, для чего тепло от окружающей среды к капилляру снимается омывающим его потоком ЖН2.

Вторая проблема заключается в том, чтобы водород, испаряясь в теплообменнике, нагревался до температуры выше температуры конденсации измеряемых примесей. Для испарения и нагрева водорода используется в качестве теплоносителя теплый азот. Если системы оснащены описанными средствами отбора пробы ЖН2 и измерения концентрации примесей, то в случае когда концентрация в жидкости достигнет предельного значения, после чего начинается неконтролируемый процесс накопления твердого кислорода, рекомендуется перекрыть газосброс из резервуаров (аппаратов), обеспечивая тем самым нагрев за счет теплопритока из окружающей среды 2-фазной системы с одновременным растворением твердого кислорода. При этом в ходе

последовательного отбора жидкости на анализ определяется концентрация каждой примеси, и если уровни концентрации будут меньше предельной концентрации растворения, то нагрев прекращается, поскольку в этом случае может быть рассчитано количество примесей в резервуаре. Если концентрация не уменьшается ниже предельной при нагреве жидкости до температуры, равновесной рабочему давлению, то определить количество примесей не представляется возможным. В этом случае необходимо сбросить давление до значения, на 0,05 МПа превышающего атмосферное давление, выдержать некоторое время, перелить жидкость в свободный резервуар, отогреть рабочий резервуар до Т > 95 К и произвести его очистку.

Далее рассмотрим некоторые особенности аварийных ситуаций и методов защиты в производственных помещениях (см. рис. 3), где размещается оборудование, обеспечивающее получение, хранение и использование газообразного и жидкого водорода. Такие помещения, в которых обращается водород, но при этом не допускается его присутствия в атмосфере помещения, относятся3 к классу взрывоопасности В-1а. С точки зрения обеспечения оптимальных условий взрывопожаробезопасности водородных технологических систем, размещенных в производственных помещениях, прежде всего необходимо выбирать схемы рациональные и обязательно с минимально возможными энергетическими потенциалами входящих в них технологических блоков. Необходимо также предусматривать специальные меры, предотвращающие образование в системах взрывоопасных смесей водорода с кислородом или другими окислителями, обеспечивать контроль параметров, определяющих взрывоо-пасность процессов, с регистрацией показаний и предаварийной сигнализацией их значений, а также пользоваться средствами автоматического регулирования и противоаварийной защиты. Поскольку водород образует с воздухом взрывоопасные смеси, то, естественно, технологические системы должны быть герметичными и исключать возможность создания опасных концентраций в окружающей среде при всех режимах работы. Следовательно, любые утечки из элементов водородного оборудования

См.: Правила устройства электроустановок. - СПб., 1999.

необходимо относить к началу развития аварии. Поэтому производственные помещения оборудуются системами измерения концентрации водорода в их атмосфере с устройством световой и звуковой сигнализации, срабатывающей по достижении в атмосфере десятой доли нижнего концентрационного предела воспламенения. При повышении концентрации выше 25 % нижнего предела воспламенения (1 % об.) начинают реализовываться защитные мероприятия: включается дополнительная (аварийная) вентиляция и отключаются все технологические системы. В случае необходимости должны включаться системы пожаротушения. Поскольку энергия зажигания смесей водорода с воздухом чрезвычайно мала, в качестве защиты необходимо также исключать по крайней мере очевидные источники воспламенения. Электроаппаратура должна быть применена во взрывозащищенном исполнении, инструменты должны быть искробе-зопасными, требуется заземление оборудования, предотвращающее статистические разряды, и всех компонентов оборудования общим заземляющим проводом. Для полноты системы безопасности целесообразно также контролировать наличие пламени водорода в атмосфере производственных помещений.

В замкнутых объемах или частично замкнутых, а именно к таким объемам относятся производственные помещения, при значительных выбросах водорода из-за влияния ограничивающих стенок даже слабые источники воспламенения могут вызвать детонационное горение водородо-воздушной смеси, которое приводит к увеличению статического давления. Для производственных помещений считается4, что во взрыве принимает участие весь выбрасываемый водород. Для уменьшения разрушений при неуправляемом «мгновенном» процессе детонации водородо-воздушной смеси в строительных сооружениях в качестве защиты устраиваются ослабленные элементы: окна, сбросные крыши, неукрепленные стены и др.

Особое место в проблеме взрывопожа-робезопасности водородных систем имеют аварии, связанные с выбросом или проливом значительных количеств жидкого или газообразного водорода в атмосферу. Именно

вероятность таких ситуаций предопределяет размещение и основного, и вспомогательного оборудования на генеральном плане и допустимые безопасные расстояния между промышленными объектами и жилой зоной, дорогами, общественными зданиями и т.д.

Очевидно, что основной и серьезнейшей аварией, которая может произойти и привести к катастрофическим последствиям, является разрушение резервуара, цистерны или аппарата и пролив на грунт жидкого водорода, который при этом интенсивно испаряется и смешивается с воздухом. Последствия очевидны: это или воспламенение, или детонация смеси [3, 4]. Одной из мер обеспечения безопасности в этом случае является соблюдение безопасных расстояний между объектами и другими сооружениями. Причем под безопасным понимается наибольшее из двух расстояний, одно из которых определяется исходя из опасности действия взрыва, а другое исходя из опасности возникновения пожара. Для решения вопроса о безопасности расстояний важное значение имеет выяснение возможностей и условий возникновения детонации. Известно [2-5], что сферическая детонация газообразных смесей водорода с воздухом в открытом пространстве реализуется в том случае, если смесь хорошо перемешана и имеется сильный источник инициирования.

Если рассматривать физическую картину пролива ЖН2, то наиболее близкой к реальным событиям может быть модель мгновенного пролива жидкого водорода в организованный под резервуаром с помощью обваловки объем глубиной к и площадью поверхности теплообмена с грунтом, имеющий температуру окружающей среды (То). В этой модели массовая скорость испарения жидкости с единицы свободной поверхности определяется из соотношения

=

Г Е„

(2)

4 См.: Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств: ПБ 09-540-03.

где q(t) - удельный поток тепла к жидкости от поверхности г - теплота испарения; -площадь поверхности зеркала жидкости.

Зависимость (2) показывает, что скорость испарения определяется тепловым потоком от грунта (рис. 5). Расчет теплового потока и количества испарившейся жидкости в начальный период пролива производится для режима пленочного кипения. Этот режим существует

достаточно малое время. Далее начинаются короткий переходный режим и режим интенсивного пузырькового кипения, который практически можно не учитывать. Основное время за-холаживания грунта и соответствующего испарения водорода осуществляется в режиме пузырькового кипения с постоянным дальнейшим понижением температуры охлаждаемого слоя грунта.

Следующий этап развития аварии связан с процессом смешения испаряющегося водорода с воздухом. При проливах ЖН2 на грунт режим испарения, как установлено выше, нестационарный. В начальный момент скорость испарения велика. Это приводит к значительному турбулентному конвективному перемешиванию водорода с окружающим воздухом, что одновременно приводит к увеличению притока тепла от воздуха к смеси. Благодаря этому смесь водорода с воздухом интенсивно прогревается и «всплывает». В дальнейшем грунт охлаждается, и скорость испарения снижается. Смешение холодного водорода с воздухом сопровождается, кроме всего, еще и конденсацией водяных паров, что приводит к появлению «видимого» облака. При этом освобождается дополнительное количество тепла, которое идет на нагревание смеси и приводит также к увеличению скорости перемешивания. В некоторый момент времени облако достигнет постоянных размеров, при которых распределение температуры и концентрации водорода в смеси имеет устойчивый, стационарный характер, а масса водорода, поступающая в облако, равна массе, уходящей из него.

Рис. 5. Схематическое изображение «лужи» жидкого водорода: Тос - температура окружающей среды; Г™ - температура кипения жидкости; Тг - температура грунта; - поверхность зеркала жидкости; X - изменение температуры по мере охлаждения грунта; д(0 - удельный поток тепла к жидкости от поверхности Ег

Реально в процессе смешения образуется неоднородная смесь водорода с воздухом, плотность которой может превышать как плотность холодного водорода над поверхностью испарения, так и плотность окружающего воздуха. Например, при Т = 100 К плотность смеси 75 % по объему водорода и 25 % воздуха составляет 1,07 кг/м3, т.е. равна плотности холодного водорода, а плотность смеси с 30 % водорода по объему при 160 К составляет 1,7 кг/м3, что больше, чем плотность окружающего воздуха. Следовательно, смесь водорода с воздухом над поверхностью испарения существенно неоднородна по плотности. Худший случай с точки зрения взрывоопасности реализуется, когда облако отрывается и начинает расплываться в окружающей атмосфере. В те же моменты, когда смесь находится над поверхностью испарения, взрывоопасность может быть минимальной из-за высокой концентрации водорода в смеси.

Дифференциальное уравнение, описывающее распределение массовой концентрации водорода в смеси (знание ее необходимо для определения взрывоопасной массы), выражающее закон сохранения потоков массы через произвольную замкнутую поверхность, находящуюся внутри облака смеси, рассмотрено и решено Н.В. Филиным и др. [4].

Конечное уравнение для расчета взрывоопасной массы водорода получено в следующем виде:

4 2

М = 0,175^ , кг, (3)

где - площадь испарения, м2; Пж - скорость испарения, см/мин. М ~ 6 % от общего количества пролитой жидкости.

Зависимость (3) отнесена к оценочной, поскольку для корректного решения необходимо экспериментально исследовать изменения концентрации водорода в атмосфере в зависимости от площади испарения, скорости испарения и ветровой нагрузки. Такие данные позволят определить режим смешения и более точно рассчитать взрывоопасную массу.

Практически во всех известных работах авторы утверждают, что поскольку образование стехиометрической смеси и появление мощного источника при проливе ЖН2 маловероятны, то маловероятна и детонация. Испытания по проливу 10 м3 жидкого водорода из транспортной цистерны, выполненные

Вместимость одной цистерны, м3 Суммарная допустимая вместимость транспортных средств на площадке, м3 Расстояние до производственных зданий, не относящихся непосредственно к площадке наполнения, м Расстояние до жилых зданий, м

0,1...2,6 5,2 25 70

2,6.10 100 100 500

10.50 500 150 750

50.100 1000 200 1000

ПАО «Криогенмаш» и ФГУП ВНИИПО МЧС России, подтвердили известные выводы: водород сгорает без детонационных явлений. И все-таки, поскольку абсолютно исключить возможность детонации нереально, принимается версия о том, что детонация смеси возможна во всех случаях. Но при широкомасштабном внедрении водорода в промышленность, транспорт и бытовую жизнь потребуются новые, может, более смелые, но и разумные подходы к оценке опасности и безопасных разрывов.

Конечным результатом расчетных и экспериментальных исследований является определение безопасных расстояний до объектов различного назначения в зависимости от количества пролитой жидкости. Если принять скорость испарения 6 см/мин, что соответствует интенсивности испарения 225 кг/(чм2), то тро-тиловый эквивалент взрыва Сэкв, кг ТНТ5, рассчитывается [4] по зависимости

Сэкв = 50^ж, где ^ м2. (4)

Особо следует остановиться на случае, когда во взрыве участвует 42 % пролитой жидкости, что соответствует случаю мгновенного выброса газообразного водорода, проливу и испарению всего объема водорода. Физически такой аварийный режим может быть реализован, например, при нагреве жидкого водорода в резервуаре до давления, близкого к критическому или закритическому (для отечественной промышленности ПАО «Криогенмаш» построены резервуары жидкого водорода вместимостью до 1400 м3, рассчитанные на давление 1,0 МПа, и вместимостью 16 м3, рассчитанные на давление 2,5 МПа), разрыве и выбросе в атмосферу значительного количества перегретого относительно давления окружающей среды водорода. При таком выбросе большая часть водорода мгновенно испаряется или находится в объеме в виде капель и только незначительная часть

ТНТ - тротил, или тринитротолуол.

может вылиться в поддон. Такое развитие события соответствует выбросу в атмосферу газового облака, его смешению с воздухом и детонации примерно 42 долей выброшенного водорода.

Существует еще одна нерешенная проблема. Известно, что с увеличением объема смеси увеличивается скорость пламени, а следовательно, возможно существование облаков таких критических размеров, при которых скорости пламени достигнут значений, которые будут способны сформировать ударный фронт и создать условия для перехода горения в детонацию. В этом случае в качестве защиты возможна установка факелов в расчетных точках для своевременного поджигания смеси.

В Единых правилах безопасности при взрывных работах [6] для расчета безопасных расстояний (К6ез) по действию воздушной ударной волны даются следующие формулы:

Ябе1 = к1 ^Сэкв для взрывов мощнее 10 т ТНТ; (5)

^ = Сэкв < 10 т ТНТ. (6)

При расчетах безопасных расстояний по зависимостям (5) и (6) коэффициенты к и к2 выбираются в зависимости от типа сооружения и допускаемых повреждений. В таблице приведены в качестве примера рассчитанные минимальные расстояния от отдельной площадки наполнения хранилища из транспортных цистерн до зданий и сооружений, непосредственно не относящихся к площадке наполнения. Расстояния могут быть уменьшены при обеспечении определенной стойкости зданий к воздействию ударной волны взрыва.

Второй вариант аварии в атмосфере связан с выбросом больших количеств газообразного и быстрым испарением жидкого водорода, разрывом баллонов и трубопроводов с водородом. Как и при проливах, это приводит к образованию взрывоопасной смеси водорода с воздухом. Такой процесс целесообразно в первом

приближении рассматривать как мгновенный, особенно в том случае, когда время реального выброса во много раз меньше, чем время смешения водорода с воздухом до взрывоопасных концентраций. Этот случай с достаточной вероятностью реализуется на практике. В ряде работ [2, 4] теоретически рассматривается изотермический процесс диффузии водорода, первоначально помещенного в сферическую оболочку, которая мгновенно убирается, и начинается смешение водорода с воздухом.

К проблеме взрывоопасности жидкостных водородных систем относятся также плановые и аварийные газосбросы. Несмотря на то что газосбросные операции осуществляются из заранее созданных дренажных систем и в заданной точке промышленной зоны, они обеспечивают регулярно выброс водорода, который после смешения с воздухом может, если расчет сбросных систем выполнен некорректно, создавать аварийные ситуации. Места расположения газосбросных устройств и их высоты выбираются с таким расчетом, чтобы при заданных расходах газа и геометрических характеристиках магистрали обеспечивались условия, при которых опасная зона струи сбрасываемого газа не достигала зданий и сооружений, мест размещения обслуживающего персонала и мест расположения воздухо-заборных устройств вентиляционных и других систем [7]. При этом опасной зоной считается зона по горизонтали и вертикали вокруг среза газосбросной трубы, внутри которой концентрация водорода в воздухе составляет 4 % и более. Таким образом, при воспламенении струи величина первоначальной зоны, охваченной пламенем, будет ограничена поверхностью с концентрацией водорода ~ 4 % об. Через некоторое время (секунды) размеры пламени уменьшаются и будут ограничены поверхностью, где содержание водорода в струе близко к стехиометрическому соотношению с кислородом воздуха. Очевидно, что размеры зон, где водород воспламеняется и непосредственно воздействует на окружающие объекты, определяются полем концентраций водорода в струе. Если рассматривать случай детонации сбрасываемого водорода в смеси с воздухом, то безопасные расстояния определяются на основе вычисления массы водорода, способной принять участие во взрыве. Эту массу находят путем расчета полей взрывоопасных концентраций водорода в струе.

Следует помнить, что над пламенем всегда имеется струя горячих газов, поэтому безопасные расстояния необходимо увеличить на 0,5.3 м. Если предположить, что при истечении струи водорода возникает взрывоопасная масса, то требуется рассчитывать взрывоопасное расстояние от точки газосброса до окружающих объектов. Расчеты показали, что взрывоопасные расстояния меньше пожароопасных расстояний для диаметров выходного сечения трубы газосброса, обычно используемых на практике [7, 8]. Следует отметить, что при эксплуатации промышленных систем жидкого водорода случаев взрыва истекающей струи водорода не наблюдалось.

С точки зрения схемно-конструкторских решений систем планового и неконтролируемого (аварийного) газосброса существует ряд отличий. Плановый сброс газообразного водорода в атмосферу может производиться как с дожиганием, так и без него. Сброс без дожигания производится через вертикальные трубные стояки с направлением истечения вертикально вверх при наименее возможном диаметре выходного сечения трубы. Сброс может осуществляться или над сооружениями, или на отдельной площадке, но при этом расстояние до мест газосбросных устройств или их высота над сооружениями должны обеспечивать условия, при которых опасная зона не достигает окружающих объектов и мест работы персонала.

Перед началом и после окончания газосброса производится продувка газосбросных магистралей азотом десятикратным объемом относительно объема трубопровода. В определенных условиях эксплуатации, например при циклическом сбросе, можно проводить постоянную продувку азотом с расходом не менее 0,085£>2 кг/с, где Б0 - внутренний диаметр выходного сечения газосброса, м. Температура водорода на выходе в атмосферу при сбросе без дожигания не должна превышать 700 К. Нижний предел рекомендуется не понижать ниже 100 К. Если температура может снижаться до значения меньше 90 К, то нужно принять меры, исключающие конденсацию воздуха на наружной поверхности труб. Чтобы исключить попадания воздуха в газосбросную магистраль, массовый расход водорода должен

быть не ниже 0,085£>2 кг/с [9].

Способ сброса с дожиганием реализуется в том случае, если сброс без дожигания может привести к накоплению взрывопожароопасных смесей водорода с воздухом. Этот вариант возможен при длительном истечении с расходом водорода более 0,5 кг/с. Дожигание водорода может производиться непосредственно на выходе из газосбросных труб или в дожигающих устройствах6. Неконтролируемый газосброс осуществляется, как правило, через специальные предохранительные устройства (предохранительные клапаны, мембраны и т.д.). При этом можно осуществить сброс и через штатную газосбросную систему, если последняя способна полностью пропустить расход газа. Выходное сечение патрубка должно быть расположено не менее чем на пять его диаметров выше самой верхней точки резервуара и окружающих объектов, попадающих в опасную зону струи сбрасываемого газа с учетом сноса ее ветром. Продувка устройств неконтролируемого газосброса инертным газом не обязательна. Однако при диаметре сечения газосброса более 30 мм желательно поддерживать в нем атмосферу инертного газа, заполняя азотом примерно 1 раз в смену.

В заключение необходимо отметить, что изложенные в статье возможные сценарии аварийных ситуаций, меры их локализации, способы защиты и методики расчетов явились основой СП 162.1330610.2014 «Требования безопасности при производстве, хранении, транспортировании и использовании жидкого водорода», разработанного специалистами ПАО «Криогенмаш», ГК «Роскосмос», РАН.

Список литературы

1. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение / М.В. Бесчастнов. -М.: Химия, 1991.

2. Домашенко А.М. Безопасность водородных криогенных систем / А.М. Домашенко // Энергия: экономика, техника, экология. -2007. - № 4. - С. 20-28.

3. Забетакис М. Взрывобезопасность жидкого водорода. Жидкий водород: сб. переводов / М. Забетакис и др. - М.: Мир, 1964.

4. Филин Н.В. Некоторые вопросы безопасности при хранении водорода и работа с ним /

Н.В. Филин, В.Ф. Комов, Ю.А. Кондрашков и др. - М.: Цинтихимнефтемаш, 1971. - № 5. -С. 14-17.

5. Гаусорн В. Смешение и горение

в турбулентных газовых струях / В. Гаусорн, Д. Уиддел, Г. Хотел // Вопросы горения. -М.: Изд-во иностр. лит., 1953. - Т. 1. -С. 146-193.

6. Единые правила безопасности при взрывных работах. - М.: Наука, 1968.

7. Руководство по расчету загрязнения воздуха на промышленных площадках // Научные работы институтов охраны труда: сб. -Вып. 100.

8. Правила безопасности при производстве, хранении и работе с водородом /

НПО «Криогенмаш». - Балашиха, 1974. - 144 с.

9. Шевяков Г.Г. Распространение и горение струи водорода в открытой атмосфере / Г.Г. Шевяков, Н.И. Савельева // Альтернативная энергетика и экология. - 2004. - № 1. - С. 23-27.

6 См.: Устройство факельных систем и режимы их эксплуатации: ПБ 03-591.

Explosion and fire hazard at development and operation of industrial systems for production, storage and transportation of liquid hydrogen. Protection methods

A.M. Domashenko1*, A.V. Stepanov1

1 Cryogenmash JSC, Bld. 67, prospect Lenina, Balashikha, Moscow Region, 143907, Russian Federation * E-mail: domashenko@cryogenmash.ru

Abstract. Authors suggest a classification of emergency situations and hazards arising under production, storage, transportation and consumption of gaseous and liquid hydrogen. The system includes four groups of explosion-fire hazards and methods for protecting people, equipment and production facilities. The typical processes accompanying or causing emergency situations are considered. The most effective protection methods are analyzed. The results were used under elaboration of the "Code of Practice. Safety requirements for liquid hydrogen production, storage, transportation and use", which was developed by "Cryogenmash" JSC jointly with companies and institutes of "Roscosmos" and Russian Academy of Sciences.

Keywords: hydrogen, nitrogen, oxygen, emergency, spillage, gas discharge, ignition energy, allowable concentration.

References

1. BESCHASTNOV, M.V. Industrial explosions. Assessment and prevention [Promyshlennyye vzryvy. Otsenka i preduprezhdeniye]. Moscow: Khimiya, 1991. (Russ.).

2. DOMASHENKO, A.M. Safety of hydrogen cryogenic systems [Bezopasnost vodorodnykh kriogennykh sistem]. Energiya: Ekonomika, tekhnika, ekologiya, 2007, no. 4, pp. 20-28, ISSN 0233-3619. (Russ.).

3. ZABETAKIS, M.G., et al. Explosion Hazards of Liquid Hydrogen. Liquid Hydrogen [Vzryvobezopasnost zhidkogo vodoroda. Zhidkiy vodorod]: collected translations. Moscow: Mir, 1964. (Russ.).

4. FILIN, N.V., V.F. KOMOV, Yu.A. KONDRASHKOV, et al. Few questions of safe hydrogen storing and its operation [Nekotoryye voprosy bezopasnosti pri khranenii vodoroda i rabota s nim]. Moscow: Tsintikhimneftemash, 1971, no. 5, pp. 14-17. (Russ.).

5. GAUSORN, V., D. UIDELL, G. KHOTTEL. Mixing and combustion in turbulent gas jets [Smesheniye i goreniye v turbulentnykh gazovykh struyakh]. In: Problems of combustion [Voprosy goreniya]. Translated for Engl. Moscow: Izdatelstvo inostrannoy literatury, 1953, vol. 1, pp. 146-193. (Russ.).

6. Unified safety instructions for blasting operations [Yedinyye pravila bezopasnosti pri vzryvnykh rabotakh]. Moscow: Nauka, 1968. (Russ.).

7. Guidelines for calculating air pollution at industrial sites [Rukovodstvo po raschetu zagryazneniya vozdukha na promyshlennykh ploshchadkakh]. In: Scientific works of the labor protection institutions: collected bk., is. 100. (Russ.).

8. CRYOGENMASH. Safety instructions for production, storage and operation of hydrogen [Pravila bezopasnosti pri proizvodstve, khranenii i rabote s vodorodom]. Balashikha, 1974. (Russ.).

9. SHEVYAKOV, G.G., N.I. SAVELYEVA. Expansion and combustion of hydrogen jet in open atmosphere [Rasprostraneniye i goreniye strui vodoroda v otkrytoy atmosphere]. Alternativnaya Energetika iEkologiya, 2004, no. 1, pp. 23-27, ISSN 1608-8298. (Russ.).