低温氢气火炬燃烧放空特性数值模拟研究

放空火炬系统作为氢液化、储运、加注等关键装备的末端保护屏障,在紧急处理大规模失衡氢气时起着关键作用。建立了低温氢气火炬燃烧排放过程的工程物理模型和三维CFD数值计算模型,对氢气放空燃烧过程进行数值模拟,评估了不同放空温度条件对火炬火焰燃烧特性及热辐射分布特征的影响。研究结果表明,在低温氢气燃烧排放过程中,由于冷氢气与空气混合不充分,射流火焰更易受环境影响,导致火焰形态及热辐射场分布特征变化明显;随着氢气排放温度接近环境温度,氢气密度减小,流速增大,火焰体积、热辐射场中心偏移距离、偏移角度均以逐渐减小的趋势变化。相较于低温排放(43 K)情况,排放温度为293 K时火焰体积、热辐射场中心偏移距离以及偏移角度分别减小了53.77%、78.18%和49.75%,印证了低温条件会为火炬放空作业带来极大的危险性。研究可为放空火炬系统的布置设计和氢安全控制策略的制定提供指导。

天然气掺氢对站场放空系统的影响规律分析

为了掌握天然气掺氢后对站场放空系统的影响规律,利用ASPEN HYSYS流程模拟软件,分析天然气掺氢后放空系统的适应性。结果表明:天然气掺氢后安全阀额定泄放量始终大于所需泄放量,原安全阀能满足泄放要求;天然气掺氢不会导致放空系统运行温度超出设计范围,反而对放空管道的低温工况有明显的抑制作用;天然气掺氢会使安全阀背压轻微减小,不会导致安全阀背压及放空系统运行压力超压;天然气掺氢后放空系统管径均满足泄放要求;随着掺氢比例的提高,放空火炬的辐射热距离逐渐减小。

液氢贮罐内过热蒸气不同质量流量泄放过程模拟

以液氢工厂中贮存液氢的液氢贮罐为研究对象,选择液氢、气液相界面、蒸气三个区域合适的控制方程,建立了可模拟从自增压到泄放后回到初始压力过程的三区模型。模拟了充液率为50%的10 m3液氢贮罐从自增压-泄放后回到初始压力的周期过程。在特定泄放时间,不同泄放质量流量条件下,对比了液氢贮罐内贮罐压力、饱和液氢和过热蒸气的质量流量和温度以及液氢体积随时间的变化特性。结果表明:泄放过热蒸气质量流量大小随泄放时间增大不断减小;泄压时间越短,泄放后过热蒸气温度越接近初始温度;进入泄放阶段,蒸发液氢质量流量发生了明显激增,增大幅度随泄放时间增大而减小。

非燃烧方式氢气放空系统本质安全设计研究

氢放空系统是在正常生产或紧急情况下,将氢安全、可靠地排放至大气的系统。但是氢气为易燃易爆气体,点火能低,微小的静电、微弱的火星就能点燃氢气。氢排放系统的本质安全设计要选择合适的排放方式,在合适排放方式的基础上,还要考虑到燃爆、静电、雷电、排放管材料、排放管内氢气流速、排放口高度及方向、阻火器等因素的影响。国家现行标准对氢气放空系统设计的规定相对简单,为了氢能产业的健康发展,建议加强对相关标准的研究,完善标准中的安全条款,开发专用的氢气放空系统。

微重力液氢贮箱气液两相重定位特性数值研究

针对液氢贮箱在轨气液两相正推重定位过程,借助CFD手段研究了不同重力水平、充液率等条件下的微重力气液分布规律及其影响因素,分析了利用蒸发排气实现正推气液分离方案的可行性,提出了低温推进剂正推重定位时序管理的建议方案。研究表明:采用二维轴对称模型模拟重定位过程的方法可行,建立重定位所需的时间随重力水平增大和充液率增大而缩短,发动机再启动的特征时间是贮箱排气特征时间的2倍以上;在贮箱绝热良好的条件下(1~10 W/m~2),利用直接连续排气和TVS间歇排气作用力难以实现正推重定位;对于推进剂时序管理方案,待间歇泉向下运动,质心曲线稳定震荡前的极小值点增大推力为比较合理的推力时序。

混氢天然气管道放空自燃过程数值模拟分析

天然气掺氢输送是实现大规模、远距离氢能转运的主要手段之一,但混氢天然气在放空过程中存在爆轰或爆燃的风险,对放空管壁施加的超压过大还会造成管壁破裂。因此,亟需明晰混氢天然气放空自燃与流场演化过程,进而量化放空管壁的一次超压。为此,利用计算流体力学方法数值模拟了混氢天然气管道放空自燃过程,对比分析了不同掺氢浓度条件下对自燃及压力波传播的影响规律,揭示了混氢天然气在阀门通道和放空管中的爆燃机制。研究结果表明:①高压气体在阀门通道内以压力波形式传播并不断地碰撞反射与叠加,形成马赫环结构,加热气体使温度升至自燃点,并触发自燃;②在阀门通道和放空管内均出现了爆燃现象,但压力波在放空管内能量迅速衰减,一段距离后温度大幅降低,气体不再燃烧;③掺氢比越大,压力波传递速度越快,自燃触发的时间越短,对放空管壁产生的一次超压也越大。结论认为,在确定的泄放压力与阀门开度工况下,降低掺氢浓度可有效减轻爆燃风险和减小壁面超压,实际工程中需结合输送经济成本和安全风险控制掺氢量在合理的浓度范围。混氢天然气管道放空自燃过程数值模拟分析取得的新认识有助于指导掺氢天然气管道的安全运行,将助力于绿色氢能的大规模混合输运。

破膜压力对氢-空气预混气体燃爆特性的影响

利用自主设计的5.00 m长矩形管道,对氢气体积分数为30%的氢气-空气预混气体进行了不同破膜压力(p_(v))下的系列燃爆实验,重点研究了p_(v)对管道内外火焰传播行为及爆炸超压的影响。实验结果表明:管道内的火焰传播行为受pv影响显著。在靠近泄爆口的压力传感器所监测的压力-时间曲线上,可以观察到3个压力峰值(p_(b)、p_(out)、p_(ext)),分别对应于铝膜破裂、燃烧混合物泄放以及外部爆炸,大多数情况下,p_(b)为最大压力峰值。管道内部最大超压随着pv升高而增大,但最大内部超压出现的位置受p_(v)的影响。管道外部火焰传播行为与pv有关,但不同p_(v)下外部火焰的最大长度无明显差异。最大外部超压与p_(v)之间呈现非单调变化规律。

高压加氢站氢气放空系统工艺设计若干问题探讨

从放空系统配置、工艺设计及安装布置等角度对高压加氢站放空系统开展研究。对安全阀选型、管路系统及放空总管的工艺设计进行了论述。针对安全阀泄放量及阻火器设置对整个管路系统和放空总管的影响进行了论证,对不同阻火方式的选择提出了建议,总结了放空系统的安装布置要求。经论证,安全阀选型冗余和阻火器盲目使用会提高氢气放空管路系统和放空总管的设计要求。设计上建议在满足泄放要求下,合理选用安全阀,根据应用场景选用阻火方式,对管路系统和放空总管规格进行整体核算。安装布置时,在满足规范规定的防火间距基础上,充分考虑管道柔性、接地和防雷要求,保证氢气能够安全通畅排放。

仲氢转化对液氢无损储存的影响研究

针对液氢无损储存(不放空)模型,将仲氢转化制冷技术与之相结合,建立转化过程的无损储存数学物理方程,进行仲氢转化制冷对液氢无损储存的影响分析,分析了储罐压力和初始充满率等因素的影响。结果表明,仲氢转化制冷技术对于延长液氢无损储存时间是有效的,延长率达到18%。

中国散裂中子源低温系统的氢安全方案设计

针对氢具有易燃、易爆的危险特性,设计了一套氢安全系统,以保障中国散裂中子源(CSNS)低温系统安全、稳定、可靠地运行。设计的氢安全系统包括配气系统、监控系统、排放系统和真空系统4部分。介绍了CSNS低温氢循环系统的原理,并根据纵深防御设计理念,详细阐述了CSNS氢安全系统的组成及设计方法。采用的多重屏障隔离措施是氢安全设计的一大特点,对今后其它系统的氢安全设计具有一定的指导意义。

大流量氢气的排放与扩散研究

提出了试验与软件仿真计算结合的方法分析试验台贮箱大流量氢气排放的安全性,以试验期间测量的压力、温度作为Fluent软件仿真计算的边界条件及初始条件,分析试验台氢贮箱排放氢气的流场及温度场,获取排放管出口的氢气流速及温度,评估氢气排放的安全性。对于排放阀出入口压力之比远小于0.528的情况,采用孔板的超临界限流法估算氢气排放流量、流速,其结果能与前一种方法相互印证。在仿真计算的基础上,运用高架连续点源扩散的高斯模式,初步分析了氢气排入大气的扩散特性,通过数值软件Matlab分析计算并绘制了氢气危险浓度的空间分布,以确定氢气排放管附近的安全区域。

泄爆条件对预混H_(2)/空气燃爆特性影响的数值模拟

为研究泄爆口处破膜压力对管道内可燃气体燃爆特性的影响,基于大涡模拟(LES)和Zimont燃烧模型,在泄爆口不同破膜压力条件下(0.1MPa、0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa),对预混H_(2)/空气燃爆过程开展三维数值模拟。结果表明:在大长径比管道内,由于管壁作用、声波震荡作用及火焰的不稳定性,各工况条件下火焰传播速度曲线存在3个波峰、2个波谷;除破膜压力为0.1MPa工况外,泄爆口开启产生减速效应,使各工况条件下的火焰传播速度相比于密闭管道均下降;各工况的管内压力在泄爆口开启后整体呈下降趋势,且泄爆口的破膜压力越小,管内压力峰值越小;对比密闭管道,各工况的压力上升速率均有不同程度的降低,爆炸强度减弱,破膜压力为0.3MPa时,压力上升速率的下降幅度最大,泄爆效果最好。

中国散裂中子源氢循环系统的氢排放方案设计

为保障中国散裂中子源(CSNS)氢循环系统停机时,顺利、安全地将低温氢排放至大气中,设计一套可靠的氢排放系统非常重要。设计的氢排放系统包括氢排放管道、氢放空管、净化吹扫管道以及排放控制阀、阻火器、止回阀等装置。介绍了CSNS氢循环系统流程,CSNS氢排放方式和氢排放系统的流程,详细阐述了氢排放管道的设计和允许排放流量的计算。CSNS氢排放系统的设计考虑了CSNS装置的现场环境、风向、风速及居民区的距离,并通过计算确定了氢排放管道的长度,氢排放的最小流量和最大流量。

管道中氢气-空气爆轰的多级泄爆数值模拟研究

为了研究管道内氢气的爆燃转爆轰及其抑制过程,对单个障碍物管道中氢气-空气混合物燃爆过程以及多级泄爆进行了二维数值模拟。基于氢气-空气19步详细化学反应动力学机理,以及k-ε湍流模型、概率密度函数输运方程和同位网格SIMPLE算法,采用计算流体软件Fluent进行模拟。结果表明:密闭管道无泄爆时,在距点火端1.5 m左右爆燃转为爆轰;泄爆口的位置对管道内氢气-空气预混气体的爆炸参数有重要影响,泄爆口位于管道中部时,能降低管道内爆轰超压,泄爆效果较好;位于管道中部单个泄爆口泄爆时,有效降低爆轰超压,管道中部设置2个泄爆口时,能通过压力和混合气体的泄放将管道中已经发生的爆轰衰减为爆燃;当有3个泄爆口泄爆时,管道中没有发生爆轰,达到良好的泄爆效果。

双氧水热失控时的泄放面积评估

为了保证50%双氧水热失控时在储罐中的安全泄放,利用VSP2(Vent Sizing Package 2)模拟了50%双氧水在带放空测试池中绝热条件下的热失控过程,得到了过程的温度、压力、温升速率变化情况,利用DIERS通用方法计算了50%双氧水安全泄放所需的放空口面积,得到了放空口面积的计算公式。结果表明,储罐设置足够的放空口面积可保证双氧水的安全泄放,在充装系数为0.8时所需的放空面积为0.005 2 V/m。

点火位置对氢气-空气预混气体泄爆过程的影响

利用高速纹影和压力测试系统对不同点火位置及不同破膜压力条件下氢气-空气预混气的泄爆特性进行研究。研究结果表明:在所有情况下,中心点火时火焰传播速率和面积最大,产生了最大的内部压力峰值,尾端点火时火焰传播速率和面积次之,产生的内部压力峰值也次之;前端点火时火焰传播速率和面积均最小,产生了最小的内部压力峰值。前端点火时,容器内部压力出现了3个明显的压力峰值,中心和尾端点火时,只能观察到第1个和第3个压力峰值。并且,随着破膜压力的增加,中心和尾端点火时,火焰面积均增大,产生的内部压力峰值均增大。在前端点火的条件下出现了声学振荡的现象,对内部压力产生了显著的影响。

基于联合电解催化交换工艺的氢气排放工艺设计

针对联合电解催化交换工艺中的氢气中的含氚水蒸气排放进行研究,在对比分析了两种不同的氢气冷凝方案的基础上,提出了“双冷凝器”的工艺优化设计方案,并分析了“双冷凝器”方案的运行模式。

有机磷酸稳定剂对双氧水绝热分解特性的影响

为研究有机磷酸稳定剂对双氧水的作用,利用绝热量热仪VSP2(vent sizing package 2)进行了不同浓度的氨基三亚甲基膦酸(ATMP)分别与纯双氧水以及含0.01%Fe3+的双氧水的放热测试,得到其在绝热条件下的热力学参数,并在此基础上计算出样品在起始温度为25℃时到达最大温升速率的时间TMRad。结果表明:有机磷酸稳定剂能有效抑制温度、Fe3+对双氧水的催化分解作用,降低双氧水发生热失控的风险。双氧水的起始分解温度T0随着ATMP质量分数的增加而提高。在质量分数为0.04%ATMP的影响下,双氧水的起始分解温度T0可由50℃提高至115℃。

离子膜法烧碱装置副产氢气在园区的安全利用

唐山三友氯碱有限责任公司烧碱生产能力为52万t/a,配套产生的大量氢气主要用于合成氯化氢。下游氯化氢用户调整负荷时,须调节氢气排空,以稳定离子膜压差。维持氢气压力稳定的方法有:设置单套独立输送工艺流程,设置基本保护连锁程序,减少氢气浪费,同时优化生产结构。给出了压力控制要点。

高位排气系统排放容量要求及主要影响因素分析

在三哩岛事故中,反应堆冷却剂系统内氢气气泡的产生并积聚在压力容器顶部位置阻碍了冷却剂流动,从而影响了堆芯的冷却效果。为消除事故过程中大量积聚在反应堆压力容器顶部的不可凝结气体对机组安全造成的重大威胁,电站需要设置压力容器顶部的事故排气系统,在事故中通过此系统将大量积聚在反应堆压力容器顶部的不可凝结气体排出。对于高位排气系统,其排放不可凝气体的容量受多种因素的影响,文章将对此系统排放容量的要求及其因素进行分析。