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中国散裂中子源氢循环系统的氦降温调试试验研究

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低温工程 2018年第3期 24-29页

作者：何崇超叶斌李娜丁美莹王雅琼张玙何昆中国科学院高能物理研究所东莞分部东莞523803 东莞中子科学中心东莞523808

中国散裂中子源(CSNS)氢循环系统建成后,需要进行降温调试实验,以获得满足运行要求的温度、压力和流量参数。为了保证人员和设备的安全,先使用氦气替代氢气,成功后再使用氢气进行降温调试实验。介绍了氢循环系统及降温调试的原理,氦气... 详细信息

中国散裂中子源(CSNS)氢循环系统建成后,需要进行降温调试实验,以获得满足运行要求的温度、压力和流量参数。为了保证人员和设备的安全,先使用氦气替代氢气,成功后再使用氢气进行降温调试实验。介绍了氢循环系统及降温调试的原理,氦气降温调试的过程及相关的降温曲线,分析了降温过程中的异常现象。经过5轮调试实验,顺利完成了氢循环系统的氦降温调试,为氢循环系统的氢气降温调试实验奠定了基础。

关键词：中国散裂中子源氢循环系统氢安全降温调试

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中国散裂中子源氢循环系统的氢排放方案设计

低温工程 2015年第1期 29-33页

作者：何崇超王国平何昆中国科学院高能物理研究所东莞分部东莞523803 东莞中子科学中心东莞523808

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... 详细信息

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。

关键词：中国散裂中子源氢循环氢安全氢排放

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中国氢能发展的思考

科技导报 2017年第22期35卷 105-110页

作者：王赓郑津洋蒋利军陈健韩武林陈霖新中国标准化研究院资源与环境分院北京100191 浙江大学化工机械研究所杭州310058 北京有色金属研究总院北京100088 四川天一科技股份有限公司成都610225 北京海德利森科技有限公司北京100068 中国电子工程设计院北京100142

氢能应用是化解电力行业电量结构性过剩的重要手段,也是改善中国环境、降低大气污染物排放的重要技术方向。氢能燃料电池车辆的规模化应用推动氢能产业逐步进入高速发展期。本文基于大量行业调研及国内外经验教训总结,从氢能制取、存储... 详细信息

氢能应用是化解电力行业电量结构性过剩的重要手段,也是改善中国环境、降低大气污染物排放的重要技术方向。氢能燃料电池车辆的规模化应用推动氢能产业逐步进入高速发展期。本文基于大量行业调研及国内外经验教训总结,从氢能制取、存储、运输、安全和应用等方面,总结了中国氢能产业的发展现状,并对中国氢能产业的多元化发展提出了意见和建议。

关键词：氢能燃料电池氢能基础设施氢安全加氢站

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高压氢气泄漏自燃研究进展

南京工业大学学报（自然科学版） 2019年第5期41卷 656-663页

作者：汪志雷潘旭海蒋军成南京工业大学安全科学与工程学院江苏南京211800 常州大学环境与安全工程学院江苏常州213164

针对基于扩散点火理论的高压氢气泄漏自燃研究进展进行总结,对自燃机制、主要影响因素及变化规律进行阐述。介绍相关实验研究的发展变化过程,阐述该领域从定性研究到定量研究的过程中各阶段主要研究成果对于研究的推动作用,对于泄放压... 详细信息

针对基于扩散点火理论的高压氢气泄漏自燃研究进展进行总结,对自燃机制、主要影响因素及变化规律进行阐述。介绍相关实验研究的发展变化过程,阐述该领域从定性研究到定量研究的过程中各阶段主要研究成果对于研究的推动作用,对于泄放压力、破膜条件、管道尺寸等主要影响因素的研究内容进行详细的对比分析。最后讨论现阶段存在的问题并展望了今后的发展趋势。

关键词：氢气泄漏氢气自燃扩散点火激波氢安全喷射火

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低温氢泄漏及射流火传播特性研究现状

消防科学与技术 2021年第7期40卷 1056-1060页

作者：弓亮靳开颜杨胜男张玉春杨小龙李智胜西南交通大学地球科学与环境工程学院消防工程系四川成都611756

阐述了低温氢的应用前景及泄漏危险性,从气体扩散特性和射流火点火、传播行为两方面介绍了低温氢泄漏的研究现状,对低温氢泄漏气体扩散及射流火传播特性的研究方法、手段及结论进行了总结分析。目前,低温氢泄漏研究方法包括实验研究和... 详细信息

阐述了低温氢的应用前景及泄漏危险性,从气体扩散特性和射流火点火、传播行为两方面介绍了低温氢泄漏的研究现状,对低温氢泄漏气体扩散及射流火传播特性的研究方法、手段及结论进行了总结分析。目前,低温氢泄漏研究方法包括实验研究和数值模拟,多数研究集中在气体扩散特性,对射流火的点火、传播行为的产生条件及影响因素尚不明确。未来应完善低温氢泄漏气体扩散预测模型,以建立有效的低温氢泄漏气体扩散过程及射流火点火、传播预测模型。

关键词：氢安全低温氢泄漏气体扩散射流火

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矩形喷嘴超声速氢气射流实验和模拟研究

矩形喷嘴超声速氢气射流实验和模拟研究

作者：陈铭家山东大学

学位级别：硕士

为了减少对化石能源的使用,降低对石油进口的依赖度,同时控制污染物排放以改善环境,氢能作为一种重要的新能源形式被越来越广泛地研究。为了保证氢能的有不弱于传统能源的安全性能,需要对氢能的应用安全进行详尽的研究。氢气泄漏扩散研... 详细信息

为了减少对化石能源的使用,降低对石油进口的依赖度,同时控制污染物排放以改善环境,氢能作为一种重要的新能源形式被越来越广泛地研究。为了保证氢能的有不弱于传统能源的安全性能,需要对氢能的应用安全进行详尽的研究。氢气泄漏扩散研究作为氢安全研究的一个基础方向,对氢安全标准的制定和完善具有重要意义。现有的氢泄漏研究多针对圆形泄漏口,缺少针对非圆截面泄漏口的研究。考虑到实际的泄漏往往是通过狭长的裂缝发生,因此本文将泄漏口简化为不同长宽比的矩形,并进行了一系列的实验、模拟和理论研究。本文搭建了高压气体泄放实验台,为了保障实验安全,采用与氢气物理性质接近的氦气进行实验,实验最高压力为3.7 MPa。设计了一系列可替换的喷嘴,这些喷嘴的等效直径范围是0.55～1.5 mm、长宽比为1～12.6不等。实验结果表明,类似于圆形喷嘴射流,矩形喷嘴射流参数的变化也具有自相似性,可以采用等效直径和泄放压力对射流参数进行无量纲处理。在实验的压力范围内,正方形喷嘴扩散速率远小于其它长宽比喷嘴,而长宽比大于1的喷嘴的射流扩散速率受压力影响不明显。在泄放实验的基础上,本文对矩形喷嘴氢气射流进行了数值模拟研究,探究更高压力和更多喷嘴长宽比对射流的影响。模拟研究基于ANSYS Fluent平台,使用RSM湍流模型,并采用分段模拟方法提升计算效率。通过模拟氦气在实验条件下的流动扩散并与实验结果进行对比,验证了数值计算模型的有效性。模拟结果表明泄放压力越高,轴转换现象越明显。模拟的最大泄放压力为20 MPa远高于实验压力,在这个压力下,不同的喷嘴长宽比会显著影响氢气射流的扩散,喷嘴长宽比越高,扩散速率越大。因此,引入修正因子f（AR,P）,综合考虑泄放压力和长宽比对射流进行无量纲化处理,提高了射流轴线浓度的预测精度。为了能够快速对矩形喷嘴射流的流动扩散进行预测,本文还构建二维平面积分模型对矩形喷嘴射流长轴和短轴平面的流动进行计算。假设矩形喷嘴射流形成的非轴对称的流场是由无数“虚射流”构成,参考传统的一维积分模型的控制方程和特征方程,分别计算“虚射流”的流场并叠加构成矩形喷嘴射流的流场。为了简化计算,构建了二维平面上的积分模型,只对长轴平面和短轴平面上的速度场和浓度场进行计算。以数值模拟计算的速度场和浓度场作为入口条件,并将入口离散为一系列的“虚射流”入口。通过和模拟结果进行对比,二维平面积分模型能够准确预测矩形喷嘴氢气射流的速度和浓度分布,且不同的流场分辨率对计算结果的影响不大,因此鲁棒性较强。该模型为矩形喷嘴泄漏扩散提供了一个更加高效的预测方法,补充了风险评估的物理模型,有利于更加准确地进行氢安全评估,促进氢能的高效利用。

关键词：氢安全氢气泄漏矩形喷嘴高压欠膨胀射流

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低温压缩氢泄漏射流与爆炸事故研究

低温压缩氢泄漏射流与爆炸事故研究

作者：何倩山东大学

学位级别：硕士

氢气以其易制取、清洁环保、高质量能量密度的优势成为了替代传统能源的第一军团,世界各国都在争先开展氢能研究、加大氢能基础建设投入,可以预见氢能会对今后的交通运输领域、能量存储行业等产生重大的影响。氢能相关产业链中的关键环... 详细信息

氢气以其易制取、清洁环保、高质量能量密度的优势成为了替代传统能源的第一军团,世界各国都在争先开展氢能研究、加大氢能基础建设投入,可以预见氢能会对今后的交通运输领域、能量存储行业等产生重大的影响。氢能相关产业链中的关键环节是如何进行储存,而低温压缩储氢是其中一种非常有前景的方式,受到越来越多的重视。然而,氢气泄漏引发的安全事故常会使大众担忧,保障氢在使用过程中的安全性是目前亟需解决的问题,需要开展深入且全面的氢安全研究。目前氢安全的研究主要针对常温高压氢气,而有关低温压缩氢方面的研究还非常欠缺:系统准确的实验数据很少,且已有数据存在着大量的噪声,不能被直接使用;对低温压缩氢的加氢站泄漏、爆炸问题的研究较少。基于此,本文对低温压缩氢泄漏进行了一系列的研究,包含实验数据处理、数值模型验证以及低温压缩氢加氢站泄漏爆炸模拟等。本文首先对低温压缩氢射流实验所涉及的关键实验系统和相关测试技术进行了介绍。（1）重点说明了将氢液化所采用的液氮、低温氦气和液氦的三级冷却方法;（2）阐述了激光Raman散射测量的原理,同时对对测试系统进行了说明;（3）阐述了以亥姆霍兹自由能为基础的计算低温压缩氢物性参数的方法。由于测试环境或实验设备自身背景噪声都能对实验结果造成影响,再加上射流出口温度低,周围空气成分被冷凝造成散射,所获取的实验结果会存在较多的数据噪声,并不能直接被使用。为了得到更好的数据,本文开发了基于远场数据特征和小波分解的图像去噪算法,获得了较为精确的浓度场和温度场数据。通过对数据的分析表明:射流温度沿射流中心线方向升高、射流压力越高沿射流轴线的浓度值也越高;射流沿径向的参数分布遵循高斯分布;浓度与温度数据经过无量纲化与归一化处理后表现出了与常温高压氢气一致的相似性。利用计算流体力学软件（FLACS）建立泄漏几何模型,对四种工况下低温压缩氢泄漏后的浓度场和温度场分析,表明模拟值和实验值能较好的吻合、误差在可接受范围内,说明该数值计算方法的理论模型能良好的计算低温压缩氢射流流场的参数。在此基础上,参照实际尺寸建立了低温压缩氢加氢站模型,在不同工况下模拟了储氢罐底部管道破裂时发生泄漏和爆炸的后果,并对防护墙对泄漏和爆炸的防护效果进行研究,发现加装防护墙能有效降低爆炸带来的超温、超压伤害,且延迟爆炸带来的冲击波抵达某一位置的时间;合适的防护墙高度和距离会使其削波减爆的效果显著:在防护墙高度不变时,墙距离储氢罐越远防护效果越差;而在墙距一定的情况下,增加墙体高度能明显降低墙后的超温伤害、延迟压力峰值时间,但对降低超压的效果不明显。因此防护墙的建设应在保证墙高与储氢罐高度相当的基础上优先设计墙距。本文的研究将有助于完善和丰富氢安全研究的内容,填补低温氢泄漏扩散研究的空白,并为相应行业标准的制订和更新提供科学的参考。

关键词：低温压缩氢氢气泄漏爆炸低温压缩氢加氢站氢安全

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燃料电池客车高压舱氢气泄漏扩散研究

燃料电池客车高压舱氢气泄漏扩散研究

作者：余亚波武汉理工大学

学位级别：硕士

氢能被认为是21世纪最具前景的新型能源载体。作为氢能实际应用的典型,燃料电池汽车正在得到产业界和学术界的重点关注。其中,燃料电池客车因技术门槛低,市场稳定等优点,最具应用前景。燃料电池客车以氢气作为主要燃料,但氢气极易泄漏,... 详细信息

氢能被认为是21世纪最具前景的新型能源载体。作为氢能实际应用的典型,燃料电池汽车正在得到产业界和学术界的重点关注。其中,燃料电池客车因技术门槛低,市场稳定等优点,最具应用前景。燃料电池客车以氢气作为主要燃料,但氢气极易泄漏,并且易燃、易爆,这给燃料电池客车的使用带来了潜在的安全隐患。对燃料电池客车进行氢气泄漏扩散研究,能够获得氢气泄漏扩散规律,发现氢气泄漏事故影响因素,可为燃料电池客车的氢安全设计提供科学指导。燃料电池客车高压舱作为布置燃料电池电堆、动力电池等部件的舱室,空间相对封闭。若舱室内发生氢气泄漏,将有可能发生燃烧或爆炸等事故,造成严重后果。为此,本文利用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了高压舱在不同通风条件下舱室内的氢气泄漏扩散过程。利用FLUENT软件建立氢气泄漏扩散仿真模型,将数值模拟结果与他人实验数据进行对比,验证计算的准确性,在此基础上开展相关研究。主要研究内容如下:(1)研究自然通风面积、通风格栅布置方式、布置位置、泄漏时间等对高压舱内氢气泄漏扩散的影响。结果表明,利用合理的自然通风措施可使舱内的氢气浓度处于安全范围内,但需一定时间。总通风面积为0.096m时,需25s。总通风面积为0.128m时,需21s。布置自然通风时,须将其布置在顶部或较高处。当总通风面积一定时,相比于在水平方向增大单个通风格栅的面积,在垂直方向上增加通风格栅的数量能够更加快速有效地使舱内泄漏出的氢气排至舱外。(2)研究强制通风布置位置、通风速度对高压舱内氢气泄漏扩散的影响。结果表明,相较于自然通风,采用强制通风可以显著加快舱内氢气的外排,能够极大地降低高压舱内的氢安全隐患。将其布置在高压舱底部靠近燃料电池电堆处效果最佳。当通风口尺寸为200×200mm时,通风速度以15m/s为宜。(3)综合自然通风和强制通风对高压舱氢气泄漏扩散的影响及氢气泄漏事故的影响因素,从通风系统设计、氢安全监测系统、氢气系统必备安全功能、结构设计与系统布置四个方面系统阐述了燃料电池客车氢安全设计指导方案。本文的研究可以为燃料电池客车的氢安全设计提供科学系统的指导,能够在最大程度上保证燃料电池客车的用氢安全。

关键词：燃料电池客车氢安全泄漏与扩散通风数值模拟

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管道内贫氢泄爆超压特性及外部爆炸机理研究

管道内贫氢泄爆超压特性及外部爆炸机理研究

作者：罗鑫蛟合肥工业大学

学位级别：硕士

工业生产中可燃性气体爆燃引起的潜在爆炸危险是工程设计时必须要考虑和解决的现实问题。当潜在爆炸危险没有得到妥善处理时,无论是对人员伤亡、财产损失还是设备损坏,其后果都是灾难性的。泄爆作为公认和使用最为广泛的有效防爆策略之... 详细信息

工业生产中可燃性气体爆燃引起的潜在爆炸危险是工程设计时必须要考虑和解决的现实问题。当潜在爆炸危险没有得到妥善处理时,无论是对人员伤亡、财产损失还是设备损坏,其后果都是灾难性的。泄爆作为公认和使用最为广泛的有效防爆策略之一,是工业防爆中一个重要的研究课题。另外,氢气作为一种来源广泛、清洁低碳、灵活高效的可再生能源,有望在引领人类向更可持续的低碳能源过渡方面发挥关键作用。开展氢气泄爆实验,加强氢气泄爆机理研究与技术开发,建立氢泄爆实验基础数据,为开发用于实际工业生产及生活中可能出现的风险和危害研究的预测方法提供理论基础,从而制定出更为全面的氢泄爆安全标准,对实现氢安全和氢经济具有重要意义。为了深入研究氢气泄爆特性,本文基于自行设计和搭建的管道氢气泄爆实验平台,通过改变泄爆系数、氢气浓度和障碍物,开展了一系列贫氢泄爆实验。实验中通过高速摄像和纹影光学技术记录管道内外部流场及火焰行为,通过压力采集系统记录管道内部及泄口外部压力动态过程,研究并揭示了管道氢泄爆过程中内外流场特性及其相互作用、内外部压力上升特性和超压峰值形成机理。本文研究内容具体如下:其一,进行了无障碍物下不同泄爆系数、不同氢气浓度的空管道贫氢泄爆实验。研究发现,随着泄口打开,泄口外流场中会出现2类典型超压峰值P和P。前者是由泄爆膜片破裂时,容器内部热燃烧产物挤压未燃烧气体形成的向外传播的压力波引起的。后者则是由管道内部火焰传播至泄口处点燃先前排出的未燃烧混合物于泄口外形成的可燃气云由此产生的压力波造成的。对于容器内部压力动态而言,泄爆系数与氢气浓度对其影响是巨大的。在泄口直径68.0 mm的泄爆实验中,管道内部压力历时曲线出现了3类典型超压峰值P、P和P3。其中P的形成与泄口的打开相关;P的形成与容器内部发生的亥姆霍兹振荡相关;P3则是火焰传播至传感器PT2处时因火焰失稳导致燃烧反应加剧、局部压力上升造成的。随着泄口直径减小、氢气浓度升高,外部可燃气云燃烧对内部压力动态的影响逐渐增强。如在泄口直径34.0 mm的泄爆实验中,仅观察到除与泄口打开相关的超压峰值P外的另一超压峰值P,其形成与泄口外可燃气云的燃烧相关。对比无障碍物下不同试验工况中峰值大小发现:峰值P与容器内最大超压P随氢气浓度的升高而升高,随着泄口面积的升高而减小。泄口外峰值P随氢气浓度的升高而升高。低浓度时,泄口面积对P影响较低,随着氢气浓度逐渐升高,P随着泄口面积的减小逐渐增大。其二,进行了有障碍物下不同泄爆系数、不同氢气浓度的贫氢泄爆实验。通过与无障碍物下空管道的贫氢泄爆实验现象及规律的对照,揭示障碍物的引入对管道氢泄爆带来的影响。研究发现,障碍物的存在使得容器内部出现新的峰值P,且峰值P在内部最大超压占据主导地位,并随着氢气浓度的升高,其主导地位愈强。在泄口直径68.0 mm的泄爆实验中,管道内部出现4类典型超压峰值P、P、P和P。随着泄口面积减小、氢气浓度升高,超压峰值P逐渐消失,而超压峰值P和P则逐渐耦合成为一个更大的峰值P5。泄口外流场中同样存在2类典型超压峰值P和P。对比障碍物下不同实验工况中超压峰值大小发现:峰值P与容器内部最大超压P随着氢气浓度的升高而升高,随着泄口面积的升高而减小。峰值P随着氢气浓度的升高而升高。而泄口面积对其大小有着正反两面的影响:一方面,泄口直径的减小使排出气体出流速度增加,泄口外流场的湍流强度随之增强,P增大;另一方面,排出气体出流速度的增加使得未燃气体在泄口外传播距离增加,外界空气对排出的未燃烧气体稀释作用增强,可燃气云的氢气浓度降低,P减小。

关键词：氢安全泄爆障碍物超压峰值外部爆炸