Пожарная безопасность

Общие сведения о пожарной безопасности

Системы пожаротушения

Пожарные извещатели

Термокабель Protectowire

Техника безопасности

Виды опасностей при работе с кислородом

Водород как универсальный энергоноситель и техника безопасности при работе с водородом

Безопасность работы с криогенными жидкостями

Опасности при работе с азотом и аргоном

Свойства аммиака и фреона, опасности при работе с холодильными агентами

Система безопасности при производстве жидкого гелия

Общие вопросы обеспечения безопасной эксплуатации криогенных систем

Вопросы безопасности криогенных систем, связанные с химическими свойствами азота

Вопросы безопасности криогенных систем, связанные с химическими свойствами кислорода

Криогенные системы: безопасность и вероятность загорания

Вопросы безопасности криогенных систем, связанные с химическими свойствами водорода и метана

Вопросы безопасности криогенных систем, связанные с химическими свойствами водорода и метана

Филин Н.В., Буланов А.В.
Жидкостные криогенные системы.
По изданию - Л.: Машиностроение, 1985.

Основные проблемы обеспечения техники безопасности систем, работающих на жидких водороде и метане, обусловлены взрывопожароопасными свойствами продуктов в смеси с воздухом. Смесь метана с воздухом при нормальных условиях воспламеняется, если объемная доля содержании метана находится в пределах 5,3-15%, детонирует при его объемной доле 6,3-13%; смесь водорода с воздухом воспламеняется и детонирует в гораздо большем диапазоне концентраций водорода, содержащий объемные доли 4-75% и 18.3-74%. В смеси с кислородом пределы воспламенения и детонации расширяются и составляют в объемных долях для метана 5,1-61% и 10-60%, а для водорода – 4-96% и 15-94% соответственно.

Тепловой импульс (энергия зажигания), необходимый для воспламенения указанных веществ, весьма мал и составляет для смесей метана с воздухом E₀=280∙10^-6Дж и для водородно-воздушных смесей E₀=19.6 10^-6Дж. Энергия, инициирующая реакцию водорода с воздухом, столь мала, что воспламенение водорода может произойти даже за счет разряда электростатического электричества, накопившегося на одежде. Тротиловые эквиваленты взрыва стехиометрических смесей метана и водорода с воздухом равны соответственно 4,8 и 10,6 кг тринитротолуола на один килограмм продукта.

Защитные мероприятия

При длительной эксплуатации водородных резервуаров и других видов оборудования, в которых имеет место испарение продукта и не исключены небольшие поступления воздуха и кислорода (например, при наддуве сосудов, подстыковке трубопроводов), возможно постепенное накопление кислорода и азота. Ввиду ничтожно малой растворимости кислород и азот в жидком водороде легко образуют твердые осадки. Накопление кислородосодержащих осадков вызывает потенциальную опасность их возгорания и взрыва. Осадки твердого кислорода в жидком водороде могут детонировать уже при толщине 100мкм и даже менее. С увеличением содержания азота опасность взрыва осадков уменьшается и осадок воздуха в жидком водороде вполне безопасен в отношении взрыва. Однако возгонка воздуха при отогреве сосудов может приводить к образованию взрывоопасной газовой смеси.

Безопасность эксплуатации систем, работающих на жидких водороде и метане, обеспечивается комплексом мероприятий по исключению образования взрывоопасных смесей, ликвидации источников воспламенения, а также организацией безопасного дренажа в атмосферу. Предотвращение образования газовых взрывоопасных смесей в оборудовании достигается тем, что перед подачей жидких или газообразных продуктов в объемах снижается содержание кислорода путем вакуумирования или замещения воздуха на инертный газ (обычно азот). При удалении воздуха вакуумированием остаточное давление должно быть ниже предельного, при котором смеси становятся негорючими, т.е. ниже 6000 Па для метана и 3400 Па для водорода. При замещении воздуха на инертный газ остаточное содержание кислорода понижается до значений ниже верхнего предела воспламенения в смеси с кислородом, т.е. до значений c<0.05 объемной доли при заполнении метаном и c<0,04 объемной доли при заполнении водородом.

После заполнения систем жидкими продуктами во внутренних полостях во избежание подсоса воздуха поддерживается небольшое избыточное давление, которое обычно составляет не менее 0,03МПа. Перед осмотром и ремонтом оборудование отогревается, а концентрация продукта во внутренних полостях снижается до безопасных пределов путем продувок или полосканий газообразным азотом, а затем воздухом. Ввиду очень широкого диапазона концентраций, при которых происходит воспламенение смесей водород-воздух, предотвращению возможного загорания и взрыва при эксплуатации водородных систем уделяется особое внимание. Помещения, в которых возможна утечка водорода, оборудуются автоматическими сигнализаторами содержания кислорода в воздухе, которые срабатывают при достижении концентрации водорода не менее 10% от нижнего предела воспламенения водородо-воздушной смеси.

Предусматриваются меры по защите оборудования и обслуживающего персонала от накопления зарядов статического электричества. Электрооборудование и КИП выполняются во взрывозащищенном исполнении или устанавливаются в герметичных шкафах, продуваемых инертным газом. Чтобы избежать накопления осадков отвержденного воздуха и кислорода, ограничивается период непрерывной эксплуатации водородного оборудования. Безопасной считается 5–10-кратная заправка резервуаров; после этого они подлежат отогреву до температуры Т100К с целью возгонки и удаления кислородосодержащих примесей. Наибольшая вероятность образования взрывоопасных осадков и газовых смесей свойственна фильтрам тонкой очистки жидкого водорода, что обязательно должно учитываться при разработке конструкций и регламента их эксплуатации.

Дренаж

Обеспечение безопасных условий дренажа газообразного водорода производится путем оценки зоны воздействия пламени при поджигании струи. При определении безопасных расстояний от среза дренажной трубы следует иметь в виду, что в случае внезапного загорания объем пламени максимален в начальный период времени, поскольку ограничен поверхностью с концентрацией объемных долей водорода, составляющей 4%, соответствующей нижнему концентрационному пределу воспламенения смеси. Через небольшой отрезок времени объем пламени уменьшается и ограничивается поверхностью с содержанием объемных долей водорода 30%, что соответствует стехиометрическому соотношению смеси водорода с воздухом.

При расчетах обычно пренебрегают изменением концентрации по радиусу струи и не учитывают влияние подъемной силы. В этих условиях расстояние по оси струи, соответствующее изменению концентрации водорода от с=1 на срезе трубы до с на конце струи, при турбулентном режиме истечения определяется выражением:

где Т – температура окружающего воздуха; Т_в – температура водорода; d – диаметр сечения трубы газосброса; с – концентрация водорода в смеси на расстоянии вдоль струи.

При определении безопасного расстояния в случае кратковременного воздействия пламени a=1, с=0.04, А=1.86 для горизонтальной, и А=3.75 для вертикальной струи; при горении =1, с=0.4, А=5.3 для горизонтальной, и А=8.3 для вертикальной струи. В зависимости от конкретных условий эксплуатации за безопасное расстояние принимается одна из двух рассчитанных величин. Анализ приведенной зависимости показывает, что газосброс с дожиганием обеспечивается меньшие безопасные расстояния. Однако в этом случае необходимо наличие «дежурного» факела. Сокращение опасной зоны имеет место также при разбавлении дренируемого водорода газообразным азотом. Разбавление водорода азотом в объемном соотношении 1 : 1 сокращает длину пламени примерно в пять раз. Чтобы исключить образование взрывоопасных смесей внутри труб, температура дренируемого водорода должна быть выше температуры конденсации воздуха, а дренажные трубы перед началом и в конце сброса паров продуваются десятикратным объемом инертного газа (обычно азотом) при скорости не менее 0,1 м/с.

Безопасное расстояние

Важным условием безопасности окружающих объектов является удаление их на достаточно большое расстояние от хранилищ жидкого водорода. Для определения безопасных расстояний используют полуэмпирические формулы, применяемые для расчета избыточных давлений во фронте ударной волны и безопасных расстояний при взрыве взрывчатых веществ. Определение тротилового эквивалента массы водорода, способной детонировать при проливе, основано на использовании ряда упрощающих предположений. Считается, что жидкость мгновенно вступает в тепловое взаимодействие с заранее известной поверхностью грунта F, которая определяется площадью обваловки вокруг хранилища. Скорость испарения водорода находится из решения задачи теплопроводности полуограниченного тела при граничных условиях третьего рода:

где F – поверхность испарения; Т и Т₀ – температура жидкости и первоначальная температура грунта; r – теплота испарения; - текущее время; a - коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении; c, r, l - удельная теплоемкость, плотность и теплопроводность грунта.

Таким образом, при проливе жидкого водорода на грунт масса взрывоопасной смеси очень быстро достигает максимального значения, а затем постепенно уменьшается. Для расчетных оценок максимальной массы водорода, способной участвовать в реакции с воздухом, предполагается, что она формируется в течение первых двух минут:

где М – максимальная масса водорода, способная участвовать в реакции; _х- время формирования массы; G - скорость испарения.

С учетом теплофизических свойств покрытий типа сухой земли и бетона, а также предполагая, что полное перемешивание водорода с воздухом происходит в стехиометрическом соотношении, для расчета тротилового эквивалента можно использовать следующую формулу:

где С_экв - тротиловый эквивалент взрыва при мгновенном проливе водорода; F - поверхность испарения; K=40кг/м².

Наряду с определением взрывобезопасных расстояний при проектировании водородных систем следует иметь в виду необходимость противопожарных разрывов до ближайших сооружений. При их определении можно ориентироваться на нормативы, разработанные для сжижения газов.

Материал подготовлен в сотрудничестве с Кафедрой низких температур МЭИ