СНИЖЕНИЕ ВЗРЫВОПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ В ЭЛЕКТРОЛИЗНЫХ ЦЕХАХ ТЭЦ НА ОСНОВЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ВОДОРОДНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ

Водород в больших количествах используется в различных отраслях промышленности, причем, с повышением производственных потребностей возрастают и соответствующие генерирующие мощности. Свидетельством важности данного факта служит утвержденное Правительством Российской Федерации распоряжение от 5 августа 2021 г. № 2162-р «Концепция развития водородной энергетики в Российской Федерации», которое определяет цели и задачи по развитию водородной энергетики в Российской Федерации на период до 2050 года. Необходимость использования водорода в различных сферах топливно-энергетического комплекса, обуславливает высокий уровень опасности процессов получения и применения из-за присущих водороду показателей пожаровзрывоопасности. В частности, низкая вязкость и высокий коэффициент диффузии водородно- воздушной смеси способствует проявлению эффектов стратификации – пространственной неоднородности концентраций, что в свою очередь, существенно усложняет численное моделирование диффузии и распространения водорода в воздухе, образования и горения водородно-воздушных смесей в условиях аварий на предприятиях промышленной энергетики. В связи с этим возникает необходимость в развитии и методических подходов в части обеспечения превентивных мероприятий, особенно в начальный период возникновения аварийных утечек водорода – для своевременного предотвращения образования взрыво- и пожароопасных концентраций в смеси с воздухом. Таким образом, актуальность исследования обуславливает необходимость решения научной задачи, состоящей в научно-методическом обосновании обеспечения пожаро- и взрывобезопасности объектов энергетики, на которых в процессе электролиза вырабатывается водород. Разработанность темы исследования Наиболее значимые результаты в изучении взрывопожароопасности водорода и водородсодержащих смесей внесли отечественные специалисты: В.В. Азатян, A.A. Борисов, Б.Е. Гельфанд, B.C. Бабкин, С.М. Когарко, А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, В.К. Макеев, И.А. Болодьян, Ю.Н. Шебеко, Д.М. Гордиенко, С.Г. Цариченко, С.В. Пузач, Г.Х. Самигуллин, И.А. Кириллов, С.Ю. Григорьев, Е.В. Никонова, В.Ю. Навценя, а также зарубежные ученые: M. Stefano, E. Zarei, Ch. Mumby, A. Duclos, P. Middha и другие. В этих работах были исследованы процессы диффузии и накопления водорода в закрытых помещениях, изучены вопросы детонационного, дефлаграционного режимов горения водорода в смеси с воздухом и другими углеводородными газами, а также заложены методические основы математического моделирования 4 образования взрывоопасных водородсодержащих смесей для широкого спектра начальных условий. Однако в этих подходах недостаточное внимание было уделено особенностям формирования водородно-воздушных смесей в подвижной воздушной среде в диапазоне довзрывных концентраций. Соответствие паспорту заявленной специальности Тема работы и содержание исследований соответствуют области исследований, определяемой паспортом специальности 2.10.1. Пожарная безопасность (технические науки), а именно пункту 6 «Исследование и разработка средств, методов и алгоритмов обеспечения пожаровзрывобезопасности технологических процессов и регламентных работ на стадии эксплуатации объектов защиты» и пункту 12 «Разработка научных основ создания систем, методов и технических средств обнаружения, предупреждения и ликвидации аварий, пожаров и взрывов». Целью диссертационного исследования является разработка методики оценки взрывопожарной опасности при получении водорода методом электролиза в электролизных цехах ТЭЦ посредством прогнозирования образования опасных концентраций газо-воздушных смесей. В качестве объекта исследования выбраны электролизные цеха генерации водорода и участки его применения на тепловых электростанциях. Предметом исследования являются процессы образования и распространения водородно-воздушных смесей при возникновении аварийных утечек водорода на производственных объектах ТЭЦ. Для достижения поставленной цели в диссертационном исследовании необходимо было решить следующие задачи: 1) провести обзор статистических данных по авариям и пожарам на объектах получения и применения водорода с определением частоты их возникновения, проанализировать отечественные и зарубежные нормативные источники в области обеспечения пожарной и промышленной безопасности на объектах водородной энергетики; 2) разработать математическую модель образования водородно воздушных смесей в ограниченном объеме при аварийных утечках водорода в помещениях электролизных цехов ТЭЦ; 3) провести экспериментальные исследования процессов диффузии водорода с образованием водородно-воздушных смесей в диапазонах довзрывных концентраций с учетом параметров приточно-вытяжной вентиляции; 4) предложить практические рекомендации по снижению уровня пожарной опасности в электролизных цехах ТЭЦ при возникновении аварийных утечек водорода. Научная новизна 5 1. Определены новые частоты реализации аварийных событий на предприятиях водородной энергетики для различных групп промышленного оборудования и технологических процессов, отличающиеся от существующих возможностью дифференциации расчетно-аналитических процедур при оценке пожарной опасности объектов, на которых обращаются горючие газы. 2. Разработана математическая модель процесса образования газовоздушной смеси в помещениях при аварийной утечке водорода, отличающаяся от существующих возможностью прогнозирования момента достижения локальных взрывоопасных концентраций с учетом влияния приточно-вытяжной вентиляции. 3. Получены экспериментальные зависимости о динамике образования водородно-воздушных смесей в диапазоне довзрывных концентрации водорода, а также аналитические зависимости коэффициентов диффузии водорода в зависимости от числа Рейнольдса для нестационарных режимов воздушного потока. 4. Разработана методика, основанная на критериальной модели и отличающаяся от известных реализацией оригинального алгоритма оценки потенциальной взрывопожарной опасности технологического оборудования по интегральному показателю, применяемого при производстве водорода на производственных объектах ТЭЦ. Теоретическая значимость работы заключается в следующем: - дополнена информационно-справочная база сведениями по частотам реализации аварийных событий при генерации, обращении и утилизации водорода для различных типов производственного оборудования и технологических процессов, расширяющая возможность формирования деревьев отказов и событий, применяемых в анализе и оценке пожарных рисков; - получены коэффициенты диффузии водорода и коэффициенты участия водорода во взрыве, позволяющие прогнозировать образование локальных взрывоопасных концентраций водородно-воздушных смесей при утечках водорода в различных точках пространства вентилируемого помещения. применение Практическая значимость работы заключается в следующем: - критериальной модели позволяет проводить дифференциацию по взрывопожарной опасности технологических участков производства и обращения водорода на основе сравнения расчетных и допустимых (безопасных) значений параметров, характеризующих пожарную опасность водорода в производственных условиях; - математическое моделирование аварийной утечки в вентилируемом помещении при производстве и обращении водорода может быть использовано в 6 качестве обоснования рационального расположения газоанализаторов и аварийной вентиляции в помещениях, где обращается водород. Методы исследования Для решения поставленных задач использовались: сбор и анализ статистических данных; метод экспертных оценок; экспериментальный метод с использованием поверенных средств измерения, регрессионный и корреляционный анализ, компьютерные методы моделирования, статистическая обработка результатов исследований. Положения, выносимые на защиту: 1. Математическая модель процессов образования и накопления водородно-воздушной смеси при аварийной утечке водорода в вентилируемых помещениях. 2. Расчетно-экспериментальные зависимости динамики концентрации водорода коэффициентов диффузии от режимов движения воздушной среды. 3. Методика оценки взрывопожарной опасности электролизных цехов производства водорода и ее применения на объектах тепловых электростанций.