Безопасность водородной энергетики применительно к автотранспортному процессу на газомоторных топливах

Безопасность водородной энергетики применительно к автотранспортному процессу на газомоторных топливах

В.Н. Коноплев,

профессор кафедры «Автомобили и двигатели» МГИУ, д.т.н.

В статье проанализирована безопасность автотранспортных средств, использующих природный газ в качестве моторного топлива, рассмотрены аспекты использования водорода в качестве моторного топлива с учетом Правил ЕЭК ООН, регламентирующих требования пассивной безопасности грузовых транспортных средств. Освещены следующие аспекты: изготовление и испытания криогенных сосудов для водорода; особенности тепломассообмена в транспортных криогенных резервуарах с учетом содержания ортофазы; обеспечение безопасности при выбросе водорода из топливных сосудов и магистралей в эксплуатационных условиях и аварийных ситуациях; структура безопасности грузового автотранспортного процесса при использовании газомоторных топлив.

Сформулированы соответствующие задачи для освоения использования водорода в качестве моторного топлива грузовыми автотранспортными средствами.

Ключевые слова: пожароопасность, пожаровзрывобезопасность, компримированный природный газ (КПГ), система пассивной безопасности, Правила ЕЭК ООН, криогенный сосуд, тепломассообмен, захолажива-ние сосуда, криожидкость, ортофаза, ортопараконверсия, компоновочно-конструкторские схемы.

Basic safety aspects of hydrogen energy as applied for gas vehicles

V.N. Konoplev

Article deals with the safety of vehicles, which using natural gas as a motor fuel, there was considered some aspects of using hydrogen as a fuel with the UNECE Regulations, regulating the passive safety requirements of trucks. There are some aspects: manufacturing and testing of cryogenic vessels for hydrogen; features of the heat and mass exchange in the transport cryogenic tanks considering the content of the ortho phase; the providing of the safety in the ejection of hydrogen from the fuel vessels and lines in operational conditions and emergency situations; the structure of the safety of gas vehicles.

For the development of using hydrogen as a fuel for trucks, there have been formulated some relevant tasks.

Keywords: fire and explosion safety, compressed natural gas (CNG), passive safety system, UNECE Regulations, cryogenic vessel, heat and mass exchange, cooling down the vessel, cryogenic liquid, ortho phase, layout and design schemes.

В настоящее время расширяется применение пожароопасных технологий, насыщенных пожароопасными веществами, материалами, изделиями. В автотранспортном процессе новые технологии, как правило, также пожароопасны [1].

Защита автотранспорта и автопредприятий от пожаров и взрывов неразрывно связана с изучением причин пожаровзрывоопасности автотранспортных средств (АТС), возможности распространения горения по технологическим средам, а также с разработкой технических средств, препятствующих распространению пламени и разрушению технологического оборудования.

По данным НИЦ ГИБДД МВД РФ, число ДТП по техническим причинам в общем числе транспортных происшествий достигает 15 % [1].

На 01.01.2012 г. парк грузовых АТС в России насчитывал 5,5 млн ед. При этом, по статистическим данным, грузовые автомобили участвуют в каждом пятом ДТП, а аварии с их участием отличаются особо высокой тяжестью последствий.

Во Франции произошли две аварии с автобусами, работающими на КПГ. В обоих случаях были разрушены композитные баллоны с последующим возгоранием газовоздушной смеси. По результатам расследований французские власти предложили запретить эксплуатацию газовых автобусов в туннелях.

Для подготовки контраргументов Французская газомоторная ассоциация (AFGNV) сформировала межведомственную экспертную группу для проведения исследований, которые включали:

• анализ рисков эксплуатации грузовых автомобилей, автобусов и мусоровозов, работающих на КПГ;

• моделирование сценариев развития аварий и связанных с ними опасных последствий;

Уш]

Альтернативные топлива

• оценку рисков эксплуатации грузовых автомобилей, автобусов и мусоровозов, работающих на КПГ, и их сравнение с дизельными аналогами в подобных ситуациях.

Результаты моделирования позволили сделать следующие выводы.

• Для автобуса на КПГ, движущегося в туннеле, в первые 10 мин после аварии количественная оценка показывает, что уровень глобального риска в три раза меньше, чем для дизельного автобуса. В частности, для газового автобуса задымление на 80 % меньше, чем для дизельного. Через 1 ч после аварии уровень глобального риска в 1,4 раза меньше, чем для дизельного автобуса.

• Для газовых грузовых автомобилей грузоподъемностью 3,5...10 т уровень глобального риска на 61 % ниже, чем для дизельных автомобилей, а при грузоподъемности 19.26 т этот показатель на 87 % ниже, чем для дизельных автомобилей.

Результаты исследований позволили сделать вывод, что эксплуатация грузовых автомобилей, автобусов и мусоровозов, работающих на КПГ, в туннелях не более опасна, чем эксплуатация дизельных аналогов.

В автомобиле конструктивно объединяются достаточно мощная

система электроснабжения, разветвленная электрическая сеть, развитые топливные магистрали, детали двигателя и его систем, которые могут подвергаться нагреву и при определенных условиях привести к возникновению источников аномально высокой тепловой радиации. Радиационный или кондуктивный перенос теплоты в зоны нахождения горючих материалов или топлива повышает их температуру и при ее критическом значении может привести к воспламенению и развитию пожара.

Пожары АТС относятся к особо тяжелым авариям и часто приводят к человеческим жертвам. Поэтому проблема повышения пожарной безопасности грузовых АТС весьма актуальна.

Пожарная безопасность АТС оценивается главным образом на основе анализа статистики пожаров и реже при экспериментах. Вероятность загорания находится в пределах 2^10-3...8^10-4 в год для грузовых и легковых автомобилей [2]. Во Франции число пожаров легковых автомобилей составляет 2,3, а в США 1,0 на 1 тыс. застрахованных машин. В про-мышленно развитых странах пожары АТС составляют 5.15 % общего числа пожаров. Гибель людей при этом

достигает 6.12 % общего числа погибающих на пожарах. Ежегодно в США возникает около 17 тыс. пожаров АТС при ДТП.

Вероятность загорания грузового автомобиля при ДТП в 10 раз выше, чем легкового, и составляет до 1,0 % в год. В Великобритании 5,38.7,2 % общего числа ДТП сопровождаются загораниями АТС, в ФРГ 2,4.4,2 %. Пожары на транспорте в Московской обл. составляют до 10 % всех зарегистрированных ДТП. По статистическим данным, в среднем по стране ежегодно сгорает около 11 тыс. легковых, 3 тыс. грузовых автомобилей, до 1 тыс. автобусов, троллейбусов и трамваев. В результате пожаров на транспорте в год гибнет около 200 человек и около 680 получают травмы и увечья. Годовой материальный ущерб оценивается более чем в 165 млн руб. Ежегодно число пожаров возрастает в среднем на 9, погибших - на 11, травмированных - на 8,2 %. Ежегодный рост материального ущерба достигает 18 % [2].

Непрерывный рост интенсивности движения транспортных средств и использования ими газомоторных топлив, увеличение потерь общества от ДТП вызывали необходимость при создании и эксплуатации

Таблица 1

Правила ЕЭК ООН, регламентирующие требования пассивной безопасности грузовых транспортных средств [4]

Номер правил и серия действующих поправок Дата вступления в силу оригинальной версии правил Краткое наименование правил (область применения для категорий ТС) Обозначение официально принятого документа Е/ЕСЕ/324-Е/ЕСЕ/ TRANS/505/ ... Дата начала применения в РФ Аналогичные российские нормативные документы

29 - 02 15.06.1974 Кабина грузовых автомобилей (N1) Веу.1/™.28/Веу.1 Веу.1/^.28/Веу.1/Атег^.1 17.02.1987 ГОСТ Р 41.29-99

58 - 01 01.07.1983 Задние защитные устройства грузовых транспортных средств (1\12,1\13,03,04) Веу.1^.57/Веу.1 06.03.1988 ГОСТ Р 41.58-2001

61 - 00 15.07.1984 Наружные выступы грузовых автомобилей (1\1) Rev.1ZAdd.60 17.02.1987 ГОСТ Р 41.61-2001

73 - 00 01.01.1988 Боковая защита грузовых транспортных средств (1\12,1\13,03,04) Rev.1ZAdd.72 08.04.1996 ГОСТ Р 41.73-99

93 - 00 27.02.1994 Передние противоподкатные защитные устройства (1\12,1\13) Rev.VAdd.92 30.06.1998 ГОСТ Р 41.93-99

современных сложных транспортных систем разработки комплекса мероприятий, обеспечивающих функционирование систем в условиях ДТП с минимальной тяжестью последствий для его участников и направленных на повышение пассивной безопасности.

Пассивная безопасность грузовых АТС, как научное направление, стала развиваться с 60-х гг. ХХ в. Интенсивное развитие работ в этой области для грузовых АТС в нашей стране пришлось на период 1970-1990 гг. [3].

Несмотря на многогранность и комплексность проблемы обеспечения пассивной безопасности к началу работ (1981 г.) по использованию природного газа в качестве моторного топлива для грузовых АТС в недостаточной степени были разработаны научно обоснованные методы исследования, отсутствовали многие оценочные критерии и характеристики. Практическое внедрение мероприятий по повышению пассивной безопасности в большой степени сдерживалось отсутствием разработок, комплексно охватывающих проблему в целом. Автомобильная промышленность и транспорт только искали пути повышения пассивной безопасности грузовых АТС, работающих на ГМТ с системами их хранения под давлением 1,6...20,0 МПа или в сжиженном состоянии при температуре -161 °С. В настоящее время система обеспечения пассивной безопасности комплекса человек-автомобиль-дорога-среда регламентируется Правилами ЕЭК ООН № 29, 58, 61, 73 (табл. 1).

Будущее развитие автотранспорта неразрывно связано с возрастающими темпами применения водорода в качестве моторного топлива, которое сопровождается интенсификацией рабочих и технологических процессов, увеличением единичной мощности агрегатов, созданием

и использованием энергоемких веществ и материалов с новыми, недостаточно изученными, свойствами. Эти процессы регламентируются Техническими регламентами по безопасности автотранспортных средств и транспортной инфраструктуры [5-9].

Использования водорода в качестве моторного топлива для АТС потребует решение комплекса проблем безопасности в следующих процессах:

• при изготовлении и испытании криогенных сосудов;

• при протекании процессов тепломассообмена в криогенных резервуарах во время транспортировок;

• при выбросе водорода из топливных сосудов и магистралей в эксплуатационных условиях и аварийных ситуациях;

• при создании датчиков водорода и использовании средств измерений для контроля производства, хранения, транспортировки топлива и расчетов при купле-продаже;

• при создании водородной инфраструктуры.

Рассмотрим каждый аспект.

Изготовление и испытания криогенных сосудов для водорода

Изготовление криогенных резервуаров, предназначенных для накопления, хранения,перевозки и выдачи жидкого водорода, требует высокого качества работ, так как нарушение функционирования систем резервуара в лучшем случае приводит к ухудшению технических характеристик, то есть параметров эксплуатации. Высокая стоимость жидкого водорода и ограниченность его производства и потребления могут привести к серьезным финансовым потерям. В худших случаях, например, при разгерметизации вакуумного пространства, происходит выброс большого количества газообразного водорода

и возможны, хотя и очень маловероятны, разрыв емкости и (или) взрыв облака водорода.

Изготовление резервуаров тщательно контролируется. После изготовления для подтверждения их технических характеристик проводится комплекс испытаний, включающий:

• проверку на прочность пробным давлением;

• захолаживание резервуаров;

• проверку функционирования арматуры и измерительных приборов;

• определение максимально допустимого давления в резервуаре при наличии в нем криожидкости (холодный удар);

• проверку темпа выдачи крио-жидкости из резервуара;

• измерение потерь криожид-кости от испарения с замером вакуума в теплоизоляционной полости и др.

На испытаниях выявлено существенное влияние двух факторов: наличия процесса ортопараконверсии в жидком водороде и расположения резервуаров вне закрытого помещения [10].

Жидкий водород для заливки в резервуары чаще всего поступает с ожижителей водорода и поэтому содержит количество ортофазы, превышающее равновесное. Теплота фазового перехода при ортопара-конверсии ортофазы увеличивает испаряемость жидкости и искажает результаты замеров потерь водорода от испарения, вызванных теплопри-током из окружающей среды.

Тепловыделение от конверсии прямо пропорционально количеству водорода в резервуаре, в то время как теплоприток из окружающей среды при коэффициентах заполнения более 30 % зависит слабее от количества водорода в резервуаре. Поэтому для уменьшения влияния

тепловыделения от конверсии при испытаниях имеет смысл рассматривать возможность определенного уменьшения количества жидкости в резервуаре.

При испытаниях резервуаров с жидким водородом на испаряемость обязательно необходимо учитывать влияние средней температуры кожуха, и во время испытаний содержание в жидком водороде ортофазы не должно превышать 1,5...2 %.

Особенности тепломассообмена в транспортных криогенных резервуарах

В режиме движения при воздействии на резервуар, частично заполненный жидкостью, низко- и высокочастотных колебаний нагрев двухфазной системы жидкость-пар происходит практически равновесно. Данные по распределению температуры в жидком азоте, полученные при испытании автомобильного бака объемом 200 л, убедительно это доказывают. Согласно отечественным нормативным документам заполнение стационарных резервуаров криогенными продуктами допускается без учета рабочего давления. Из этого принципа следует, что увеличение рабочего давления сопровождается сокращением степени заполнения резервуара и ухудшением его технико-экономических показателей.

Обеспечение безопасности при выбросе водорода из топливных сосудов и магистралей в эксплуатационных условиях

и аварийных ситуациях Как правило, при испытаниях и для предупреждения взрывоопасных ситуаций при выбросе водорода из топливных баков грузовых АТС, цистерн или магистралей питания с расходами более 0,5 кг/с осуществляется

Таблица 2

Концентрационные пределы воспламенения и детонации для газовых смесей водорода с воздухом и кислородом

Объемное содержание водорода, %

Смесь Нижний предел Верхний предел

воспламенения детонации воспламенения детонации

Н2 О2 4,6 15 94 90

Н2-воздух 4,1 18,3 74,2 59

дожигание, а при меньших расходах - отвод водорода из технологических систем и сбрасывание в атмосферу.

Для предотвращения образования водородовоздушных и водородо-кислородных взрывоопасных смесей предусматриваются:

• повышение требований к герметичности соединений в системах стенда и изделия;

• контроль концентраций водорода и применение систем флегматиза-ции в отсеках испытательного стенда;

• предотвращение контакта водорода с воздухом или окислителем (кислород) в полостях и коммуникациях;

• применение систем организованного воспламенения и дожигания водородных выбросов (табл. 2).

В обычных условиях водородовоз-душная или водородокислородная смеси являются смесями квазиравновесного состава, для воспламенения которых необходим внешний источник энергии, ускоряющий химическую реакцию. Воспламенение горючей смеси может быть инициировано электрической искрой, нагретым телом, открытым пламенем, ударной волной и т.д. Минимальная энергия воспламенения водородовоздушной смеси составляет 0,02 мДж. Минимальная температура тела, приводящая к самовоспламенению водородо-воздушной смеси, равна 700 К.

При дожигании водорода воспламенение смеси может осуществляться горячей газовой струей. В реальных условиях при размерах воспламеняющих устройств, состав-

ляющих несколько сантиметров, температура воспламеняющей струи должна быть не менее 1100 К [10].

Более опасной по своим последствиям является детонация (взрыв) водородных смесей. При этом опасность усугубляется тем, что пределы детонации находятся внутри области воспламенения. Для возникновения детонации, кроме горючей смеси, необходим источник инициирования. Известно, что наиболее легко детонация возбуждается ударной волной. Было установлено [10], что в водородовоздушных смесях, близких к стехиометрическим, ударные волны могут возникать и в свободном пространстве при наличии достаточно мощного источника воспламенения. Минимальный критический размер ударной волны, необходимый для возбуждения сферической детонации, составляет 0,5 м. При разбавлении смеси азотом критический размер ударной волны увеличивается. Так, при 100%-м разбавлении воздуха азотом критический размер ударной волны равен 1,1 м.

При создании системы воспламенения и дожигания выбросов водорода необходимо обеспечить выбор типа и параметров поджигающего устройства и метода зажигания.

Создание датчиков водорода и использование средств измерений

Получение, хранение и использование водорода в жидком и газообразном состояниях немыслимы

без создания простых, надежных, малогабаритных, дешевых датчиков водорода и других молекулярных газов, содержащих атомы водорода. Создание датчиков для молекулярного водорода, работающих при низких и умеренных температурах, является важной задачей.

Наиболее перспективным направлением в создании датчиков водорода является использование углеродных нанотрубок. Благодаря развитию метода химического осаждения из пара с помощью катализатора получают почти любые морфологические структуры нанотрубок, меняя их свойства от баллистической проводимости до полупроводниковой с любой величиной энергетической щели [10].

Структура безопасности грузового автотранспортного процесса при использовании газомоторных топлив

Широкий комплекс исследований большинства аспектов конструктивной и эксплуатационной безопасности автомобильной техники и элементов системы человек-автомобиль-дорога-среда создал предпосылки для изучения и повышения

пожарной безопасности грузовых АТС. Росту пожаровзрывоопасности производства противопоставлены адекватные защитные меры, которые были определены федеральными законами «О пожарной безопасности» и «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», а также подзаконными актами и ГОСТ Р 12.3.047-98 «Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля».

Важным направлением снижения аварийности и повышения безопасности грузовых АТС является выработка концепции их обеспечения методами контроля технического состояния и системой поддержания работоспособности систем хранения и подачи ГМТ на грузовом АТС.

На основе вышесказанного по безопасности грузового АТС, использующего ГМТ, с учетом основных положений, изложенных в регламентациях активной и пассивной безопасности автотранспортных средств [4], выведена структура формирования эксплуатационной безопасности на стадии проектирования (рис. 1).

Система обеспечения пассивной безопасности (рис. 2) комплекса человек-автомобиль-дорога-среда

включает пассивную безопасность человека (водитель, пассажир, пешеход), транспортного средства, дороги [4] и регламентируется комплексом Правил ЕЭК ООН № 29, 58, 61, 73 (см. табл. 1).

Таким образом, для использования водорода в качестве моторного топлива грузовыми автотранспортными средствами необходимо:

1. Систематизировать регламентирующие требования к грузовым АТС по активной, пассивной безопасности и пожаровзрывобезопасности.

2. Разработать методологические основы проектирования кузовов, кабин по условиям обеспечения их безопасности и несущей способности при использовании ГМТ, в том числе и водорода.

3. Систематизировать методы расчета несущей способности кузовов и кабин с учетом особенностей компоновочно-конструкторских схем систем хранения и подачи ГМТ.

4. Получить аналитические зависимости разрушающих нагрузок от конструктивных параметров компоновочно-конструкторских схем систем хранения ГМТ для характерных силовых схем кузовных конструкций.

Рис. 1. Схема структуры безопасности автотранспортного процесса при использовании ГМТ: САБ - система активной безопасности; СПБ - система пассивной безопасности; СПАБ - система поставарийной безопасности; ГАТС - грузовые автотранспортные средства; СПЖБ - система пожаробезопасности; СВЗБ - система взрывобезопасности

(Щ

Альтернативные топлива

СПБ

ПБА ПБД ПБЧ

А-П

А-ОУ

БСХП,

гмт

А-Ч-УСч

А-Г-УСч-Ч

А-А

НП-А

V

Внешняя ПБ

Внутренняя ПБ

Рис. 2. Структурная схема системы обеспечения пассивной безопасности: СПБ - система пассивной безопасности; ПБА - пассивная безопасность автомобиля; ПБД - пассивная безопасность дороги (дорожные ограждения, травмобезопасные стойки и т.п.); ПБЧ - пассивная безопасность человека (шлемы, УС, ДУС); А-П - автомобиль-пешеход; А-ОУ - автомобиль-объект удара; А-Ч-УСч - автомобиль-человек-удерживающее средство человека; А-Г-УСг-Ч - автомобиль-груз-удерживающее средство груза-человек; А-А - автомобиль-автомобиль; НП-А - неподвижное препятствие-автомобиль; БСХПГМТ - безопасность системы хранения и подачи газомоторного топлива

5. Выполнить комплексную оценку безопасности, несущей способности рассматриваемого семейства кузовных конструкций для выявления закономерностей их работы в упругой и упруго-пластической фазах, а также для повышения несущих свойств.

6. Провести экспериментальную проверку разработанных теоретических положений, принятых гипотез и допущений, оценку адекватности выбранных расчетных моделей реальным конструкциям.

7. Разработать комплекс оборудования для специальных испытаний

компоновочно-конструкторских схем систем хранения водорода на ГАТС и методологию их проведения с учетом:

• процесса ортопараконверсии в жидком водороде и объема окружающего пространства;

• особенностей тепломассообмена в транспортных криогенных сосудах;

• особенностей обеспечения взрывобезопасности при выбросе водорода из топливных сосудов и магистралей в эксплуатационных условиях с расходами более 0,5 кг/с за счет осуществления его дожигания или сбрасывания в атмосферу при меньших расходах.

8. Проанализировать риски эксплуатации грузовых автомобилей, автобусов и мусоровозов, работающих на КПГ и водороде, смоделировать сценарии развития аварий и связанные с ними опасные последствия в условиях автотранспортного процесса РФ.

9. Оценить риски эксплуатации грузовых автомобилей, автобусов и мусоровозов, работающих на КПГ и водороде, сравнить их с дизельными аналогами в подобных ситуациях в условиях автотранспортного процесса РФ.

Литература

1. Русаков В.З. Безопасность автотранспортных средств в эксплуатации: автореферат на соискание ученой степени д.т.н. - М., 2005 г.

2. Рябчинский А.И. Правила № 29 ЕЭК ООН нуждаются в переработке. Факты. История вопроса // Автомобильная промышленность. - 2005. - № 1. - С. 35-37.

3. Исхаков Х.И. Пахомов А.В. Пожарная безопасность автомобиля. - М.: Транспорт, 1987. - С. 87.

4. Рябчинский А.И. Регламентация активной и пассивной безопасности автотранспортных средств, учеб. по-соб. / А.И. Рябчинский, В.В. Кисуленко, Т.Э. Морозова. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 432 с.

5. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности. Федеральный закон № 123-03 от 22 июля 2008 г.

6. Технический регламент о безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах. Утвержден

Постановлением Правительства Российской Федерации от 24 февраля 2010 г. № 86.

7. Технический регламент о безопасности сетей газораспределения и газопотребления. Утвержден Постановлением Правительства Российской Федерации от 29 октября 2010 г. № 870.

8. Технический регламент о безопасности машин и оборудования. Утвержден Постановлением Правительства Российской Федераци и от 15 сентября 2009 г. № 753.

9. Технический регламент о безопасности аппаратов, работающих на газообразном топливе. Утвержден Постановлением Правительства Российской Федерации от 11 февраля 2010 г. № 65.

10. Коноплев В.Н. Научные основы проектирования автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах: дисс. на соискание уч. степени д.т.н. - М.: ФГУП «НАМИ», 2007. - 354 с. с ил.