По мере того, как энергетический переход набирает обороты, появляется импульс для быстрого и безопасного развития водородных объектов для производства, распределения и использования.
Как и в случае с углеводородным топливом, при случайном выбросе сжатого водорода существует вероятность возгорания реактивной струи. Поэтому понимание воздействия на критически важные конструкции и оборудование, а также, что немаловажно, на характеристики современных материалов пассивной противопожарной защиты (PFP), имеет решающее значение.
Компания DNV провела всесторонние исследования и тесты в своем исследовательском и испытательном центре в Камбрии, Великобритания, чтобы сначала понять сходства и различия между сценариями выброса водорода и углеводородов, а затем оценить, как это может повлиять на свойства реактивного пожара. Затем было рассмотрено влияние возгораний водорода и природного газа на PFP и возможность применения текущего стандартного испытания струйного пожара (ISO 22899-1:2021) к выбросам водорода.
Цель состоит в том, чтобы определить, подходят ли существующие материалы PFP и методологии испытаний для возгорания водородной струи, и требуются ли срочные изменения для смягчения последствий этого явления и, в конечном итоге, для защиты жизней.
Фундаментальные исследования
Исторически опасность струйного возгорания, как правило, была наиболее распространена в нефтяной и газовой промышленности и была связана со случайным выбросом углеводородов под давлением. Такие события были предметом обширных исследований.
В то время как небольшие водородные пожары широко изучались, опубликованных данных о крупномасштабных выбросах мало, особенно там, где может потребоваться противопожарная защита, а также о внутренних характеристиках крупномасштабного струйного водородного пожара. Крупнейшие на сегодняшний день выбросы загоревшейся водородной струи были произведены компанией DNV на ее объекте в Камбрии из резервуаров для хранения газа большой емкости на месте.
Исследования меньшего масштаба, проведенные в 2006 и 2007 годах, показали, что пожары водородных струй имеют долю излучения примерно вдвое меньше, чем у природного газа при сопоставимом размере. Однако исследования также показали, что доля излучаемого тепла увеличивается по мере увеличения скорости оттока , становясь похожей на природный газ.
Оценка
Факторы, лежащие в основе сравнительного исследования, подробно описаны в Таблице 1 ниже.
Ссылаясь на экспериментальные исследования и моделирование струйного возгорания, команда показала, что для одинаковых выбросов (одинаковое давление и размер отверстия) характеристики внешнего пламени (длина пламени, тепловое излучение) существенно не отличаются, а водородное пламя составляет на 10 % короче, чем аналогичное пламя метана/природного газа.
Они также определяют, что временный выброс (т. е. из изолированного запаса), аналогичный запасам водорода и метана/природного газа, приводит к результирующему возгоранию водородной струи, которое будет иметь продолжительность примерно в одну треть от продолжительности метанового пожара/возгорания струи природного газа из-за более высокого объемного расхода в случае водорода.
Понимание внутренних характеристик пламени менее определено. Температура пламени струи водорода выше, чем при возгорании струи метана/природного газа. Моделирование предполагает, что разница температур составляет не менее 150°C, но может быть и больше. Более высокая температура предполагает, что конвективный тепловой поток к объекту в пламени может быть выше в случае водорода по сравнению с метаном/природным газом, но в настоящее время нет подтверждающих экспериментальных данных.
Моделирование также показывает, что скорости и плотности газа в объеме пламени существенно не различаются между водородом и метаном/природным газом, предполагая, что эрозионные силы будут одинаковыми.
Водород обычно хранится при более высоком давлении по сравнению с природным газом. Если выбросы при этих очень высоких давлениях ведут себя так же, как и выбросы при более низком давлении, то они будут коррелировать с мощностью пламени. В этом случае сброс очень высокого давления через отверстие меньшего размера может быть эквивалентен сбросу более низкого давления через отверстие увеличенного размера для обеспечения той же мощности, хотя возможно, что условия, очень близкие к точке сброса, могут различаться. Это область, в которой отсутствует какое-либо крупномасштабное экспериментальное подтверждение, особенно потому, что очень высокие давления могут привести к мощности струйного пламени, превышающей диапазон текущих данных о возгорании струй углеводородов.
Воздействие на материалы PFP
Основными различиями между возгоранием струи метана и водорода, которые могут повлиять на характеристики PFP, являются повышенная температура пламени и возможность более высокой эрозии из-за более высокого давления в местах, близких к точке выброса. Эта комбинация может оказать большее влияние на эрозию реактивных систем PFP, таких как вспучивающиеся покрытия, чем это можно наблюдать при возгорании струй углеводородов.
Если мощность реактивной струи находится в пределах диапазона существующих данных по углеводородам, то нет никаких доказательств того, что более высокое давление само по себе повлияет на характеристики PFP.
Однако комбинированное воздействие эрозии и более высоких температур пламени для выделения водорода может повлиять на характеристики PFP. Этот эффект, вероятно, будет усиливаться при выбросах высокого давления, связанных с газом.
Более безопасная водородная экономика
Согласно недавнему отчету DNV, мировые специалисты в области энергетики определяют отсутствие инвестиций в инфраструктуру как самый высокий общий риск, с которым сталкиваются их организации в связи с водородом, и значительное большинство (78%) считают, что перепрофилирование существующей инфраструктуры будет иметь решающее значение для развития крупного бизнеса и масштабирования водородной экономики.
Решение проблемы водородной экономики основано на опросе более 1100 ведущих специалистов в области энергетики и подробных интервью с руководителями отрасли о новых цепочках создания стоимости водорода, от производства до потребления. В нем говорится, что около 84% ведущих специалистов в области энергетики считают, что водород может стать основным компонентом глобальной низкоуглеродной энергетической системы, в то время как три четверти (73%) считают, что цели Парижского соглашения будут невозможны без большого масштабная водородной экономики.
Использование водорода рассматривается в ряде секторов, включая транспортировку и хранение энергии, наземный транспорт, морские силовые установки, бытовое отопление и «трудно декарбонизируемые» отрасли. Поэтому важно понимать свойства струйного горения, в частности температуру пламени, конвективный и общий тепловой поток. Эти знания позволят широкому кругу отраслей промышленности оценить, влияет ли это на характеристики определенных материалов PFP и достаточно ли текущих испытаний ISO22899-1 и испытаний с высоким тепловым потоком (HHF), разработанных для горения струй углеводородов, для определения вероятных характеристик PFP, при воздействии водородных струй.
Также необходимо определить репрезентативные сценарии возгорания водородной струи для различных применений водорода, чтобы понять как вероятные размеры, так и продолжительность таких пожаров. Весьма вероятно, что в некоторых случаях выбросы воспламененного водорода будут иметь короткую продолжительность, что может означать, что PFP не требуется для смягчения последствий.
использованная литература
- https://www.icheme.org/media/17382/haz31_004_crewe.pdf
- Райан КЭ. 2019. Моделирование и численное моделирование пожаров водородных струй для анализа промышленной безопасности – сравнение с крупномасштабными экспериментами. 8-я Международная конференция по водородной безопасности (ICHS2019), 2019 г.
- Шефер Р.В., Хоуф В.Г., Борн Б., Колтон Дж., 2006. Пространственные и радиационные свойства водородного шлейфа открытого пламени. Международный журнал водородной энергетики 31 (2006) 1332-1340
- Шефер Р.В., Хоуф В.Г., Уильямс Т.С., Борн Б., Колтон Дж., 2007. Характеристика пламени недорасширенной струи водорода под высоким давлением. Международный журнал водородной энергетики 32 2007 2081-2093