CN112879804A - 一种基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置 - Google Patents

一种基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置，包括：气帘及水帘发生器、气源、水源、气水引射混合器和被防护装置；气源和水源分别通过各自的管线与气水引射混合器相连，后汇聚成一路管线连通至气帘及水帘发生器；水源与气水引射混合器之间依次设置有水路电磁阀和水路止回阀。本发明的有益效果是：混合流体帘可保护被防护装置免受外部恶劣环境的影响；可以加速“非实体排气烟囱”内泄漏的气体向上运动，加速气体稀释；有效降低液氢泄漏的扩散危害，显著缩小扩散危害范围，因此可降低被防护装置的安全距离，可减小液氢加氢站建设所需的整体布局空间，在提升安全性的同时降低土地使用成本。

Description

一种基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置
技术领域
本发明涉及流体泄漏防护装置，具体涉及一种基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置。
背景技术
液氢具有储氢密度高、运输效率高、低压储运安全等优势，是氢能规模化储运供应公认的理想方式，是支撑我国氢能汽车产业发展的关键保障。液氢加氢站是加氢站重要发展趋势。全球在营加氢站400余座，其中日本、德国和美国数量最多，加氢站分为高压气氢和液氢存储气态加氢站，液氢(存储)加氢站约占1/3。
液氢存储相对于高压气氢存储，在安全上最大的优势是非高压储存，可规避高压爆破释能高的风险。相较于常压气氢，液氢泄漏的危害主要包括：
(1)低温伤害。液氢是一种温度极低的低温流体，其温度仅为20K左右，会冻伤人体组织。低温也会改变材料的物理性质，使其失效。
(2)窒息。液氢泄漏后会迅速蒸发，引起局部氧气浓度的下降，形成窒息风险。
常压液氢发生泄漏时，20.4K温度下低温氢气的密度约为1.32kg/m3，约为常温空气密度的1.1倍，加之低温氢气云团快速膨胀引起的竖向方向扩展，液氢泄漏导致的氢气会在一定范围内贴地扩散，这对于近地面的人员及设备是极大的安全隐患，必须要加以防护。对应液氢泄漏的低温伤害以及窒息风险，通过特定手段对泄漏产生的低温气氢进行快速升温及稀释，可有效降低风险。
专利公开CN 111928116 A，提出了“一种模块化加氢站及其氮气抑爆系统”，其背景技术中提到：对于密闭空间内的氢气泄漏，可以采用强制通风和惰化可燃混合气等方法实行迅速稀释。采用上述惰化可燃混合气的方法，其提出的氮气抑爆系统能够主动抑爆、可实现无人化操作且响应快速。
上述专利公开CN 111928116 A，针对密闭空间内氢气泄漏进行了安全防护，不同于密闭空间情况，液氢储罐置于开放空间，无法实现密闭空间内的快速稀释，需采用其他方案进行液氢泄漏的安全防护。开放空间的液氢泄漏，会根据当时的大气状态(如风速、风向)，形成不同的扩散结果，对于扩散后危险范围的确定有一定难度。
液氢泄漏后的贴地扩散过程大大增大了扩散的危害影响。在加氢站的设计建设过程中，考虑氢泄漏、燃爆危害、高压爆炸(高压储氢罐情形)等危害，都对氢设备设定了一定的安全距离。对于液氢加氢站，若是采取特定防护措施可以有效降低液氢泄漏危害，从而减小液氢设备的安全距离，则可进一步实现液氢加氢站的紧凑化，有效降低土地使用成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置。
这种基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置，包括气帘及水帘发生器、气源、水源、气水引射混合器和被防护装置；气源和水源分别通过各自的管线与气水引射混合器相连，后汇聚成一路管线连通至气帘及水帘发生器；水源与气水引射混合器之间依次设置有水路电磁阀和水路止回阀；气源与气水引射混合器之间依次设置有气路电磁阀和气路止回阀；气帘及水帘发生器环绕被防护装置设置，气帘及水帘发生器包括产生竖直向上的流体帘的外侧发生器以及产生覆盖范围较大的气水混合喷雾的内侧发生器。
作为优选：气源采用氮气瓶组或空气压缩机，更为优选采用氮气瓶组。
作为优选：水源采用消防栓或蓄水池。
作为优选：外侧发生器采用连续线型窄缝喷射器或连续排列的扇形喷嘴。
作为优选：内侧发生器采用连续排列的实心锥喷嘴。
作为优选：实心锥喷嘴的喷口倾斜向被防护装置设置。
作为优选：气帘及水帘发生器为露出地面设置或埋地设置。当气帘及水帘发生器为埋地设置时，内侧发生器和外侧发生器的上表面与地面齐平。
作为优选：气帘及水帘发生器的布置形状和范围与被防护装置相适应。
本发明的有益效果是：
1、气帘及水帘发生器的外侧发生器产生的竖直向上的气与水的混合流体帘，环绕被防护装置形成“非实体排气烟囱”，将被防护装置泄漏的流体与周围环境隔绝，内部流体只能向上运动，无法透过混合流体帘水平向外扩散，当气体沿“非实体排气烟囱”越过安全高度后，气体离开“非实体排气烟囱”发生水平扩散，大大减小了安全危害。混合流体帘中的水可以起到防火防辐射的效果。同样的，假设外部环境恶化，混合流体帘也可保护被防护装置免受外部恶劣环境的影响。
2、气帘及水帘发生器的外侧发生器产生的竖直向上的气与水的混合流体帘，类似于射流对周边环境流体的卷吸作用，其在运动过程中对“非实体排气烟囱”的“壁面”内外侧附近的气体都具有一个向上的携带效果，因此可以加速“非实体排气烟囱”内泄漏的气体向上运动，加速气体稀释。
3、当气帘及水帘发生器埋地设置时，由于“非实体排气烟囱”的作用，被防护装置泄漏的液氢，虽然会在地面流动，但也会被外侧的混合流体帘限制在被防护区域内，当液氢接触到外侧的混合流体帘，由于剧烈的热交换将会迅速气化。
4、气帘及水帘发生器的内侧发生器产生的环绕被防护装置的气水混合喷雾，可将被防护装置完全覆盖，这些气水混合喷雾可与泄漏的流体进行传热传质，使其快速升温稀释，升温后的氢气密度减小，避免聚积在地面。
5、由于液氢温度极低(约-253℃)，气帘及水帘发生器内侧产生的全覆盖气水混合喷雾中的水接触泄漏口，会快速结冰堵塞泄漏口，起到临时补漏的效果。
6、基于上述的对被防护装置的液氢泄漏的安全防护效果，可有效降低液氢泄漏的扩散危害，显著缩小扩散危害范围，因此可降低被防护装置的安全距离，可减小液氢加氢站建设所需的整体布局空间，在提升安全性的同时降低土地使用成本。
附图说明
图1是本发明基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置的系统示意图；
图2是气帘及水帘发生器的防护效果示意图；
图3是气帘及水帘发生器的结构示意图；
图4是外侧发生器形成“非实体排气烟囱”的原理图(连续线型窄缝喷射器示意图)；
图5是外侧发生器形成“非实体排气烟囱”的原理图(连续排列的扇形喷嘴示意图)；
图6是内侧发生器形成大覆盖范围气水混合喷雾的原理图(常规实心锥喷嘴示意图)；
图7是内侧发生器形成大覆盖范围气水混合喷雾的原理图(适用埋地的实心锥喷嘴示意图)；
图8是气帘及水帘发生器外侧产生的竖直向上的流体帘及“非实体排气烟囱”效果示意图；
图9是有无竖直向上的流体帘的低温氢泄漏场景模拟对比图。
附图标记说明：1气帘及水帘发生器；2.1氮气瓶组；2.2空气压缩机；3.1消防栓；3.2蓄水池；4气水引射混合器；5.1水路电磁阀；5.2气路止回阀；6.1水路电磁阀；6.2水路止回阀；7被防护装置；8.1竖直向上的流体帘；8.2覆盖范围较大的气水混合喷雾；9内侧发生器；10外侧发生器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例一
所述基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置，针对被防护装置，分内外两侧分别产生气与水的混合流体帘，外侧发生器产生的竖直向上的流体帘形成竖直环面喷雾起到隔绝周边环境效果，建立“非实体排气烟囱”使内部气体竖直向上爬升至安全高度以上，起到“非实体排气烟囱”的隔绝环境、加速向上排气的效果，内侧发生器产生的覆盖范围较大的气水混合喷雾实现被防护装置的全覆盖，在“非实体排气烟囱”内部对低温氢气实现快速升温稀释，此外覆盖泄漏点的水于低温可结成固态冰封堵泄漏点，中止泄漏。
所述基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置，包括气帘及水帘发生器1、氮气瓶组2.1、消防栓3.1、气水引射混合器4。
图1是基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置的系统示意图，消防栓3.1和氮气瓶组2.1分别通过各自的管线与气水引射混合器4相连，后汇聚成一路管线连通至气帘及水帘发生器1。氮气瓶组2.1作为气源，消防栓3.1作为水源。
消防栓3.1与气水引射混合器4之间设置有水路止回阀6.1与水路电磁阀5.1，水路止回阀6.1防止气水引射混合器4至消防栓3.1方向发生水的回流，水路电磁阀5.1控制通入气水引射混合器4的水的流量。按从消防栓3.1到气水引射混合器4的方向，水路电磁阀5.1与水路止回阀6.1按先后顺序设置。
氮气瓶组2.1与气水引射混合器4之间设置有气路止回阀6.2与气路电磁阀5.2，气路止回阀6.2防止气水引射混合器4至氮气瓶组2.1方向发生气的回流，气路电磁阀5.2控制通入气水引射混合器4的气的流量。按从氮气瓶组2.1到气水引射混合器4的方向，气路电磁阀5.2与气路止回阀6.2按先后顺序设置。
气水引射混合器4，利用引射作用将不同压力的气与水进行混合。压力高的流体作为气水引射混合器4内的主流体。由于通常情况下氮气瓶组2.1内气的压力(≥12.5MPa)比消防栓3.1内水的压力(0.15-0.3MPa)等级大两个数量级，气水引射混合器4内的主流体为气，被引射流体为水。
气帘及水帘发生器1，可针对被防护装置7，单独产生气帘或水帘，以及气与水的混合流体帘(喷雾)。气与水的混合流体帘的防护效果要优于单独的气帘或水帘。水源与气源充足的情况下，气帘及水帘发生器1产生气与水的混合流体帘。根据现场设施配置状况，消防栓3.1可替换为蓄水池3.2或其他水源；氮气瓶组2.1可用空气压缩机2.2或其他非可燃气体的气源作为补充。考虑到使用氮气的成本较低，条件允许情况下优先使用氮气瓶组2.1或其他氮气源作为气源，无氮气可用情况下再考虑压缩空气或其他非可燃气体的气源。由于加氢站中一般都备有氮气瓶组2.1以提供氮气作为吹扫用气，使用氮气瓶组2.1作为本发明应用场景的气源符合实际。在没有氮气的场景中，如用压缩空气代替氮气，由于空气中含有氧气成分，防护效果要弱于氮气。
图2是气帘及水帘发生器的防护效果示意图，图3是气帘及水帘发生器的结构示意图，气帘及水帘发生器1，分为内外两侧，可分别产生两类的流体喷射效果。外侧发生器10采用连续线型窄缝喷射器(如图4)或连续排列的扇形喷嘴(如图5)，可产生竖直向上的流体帘8.1，将被防护装置围住，形成一个将之与周边环境隔绝的流体墙面。内侧发生器9采用连续排列的实心锥喷嘴(如图6、7所示)，单个实心锥喷嘴可产生覆盖范围较大的气水混合喷雾8.2，连续排列的实心锥喷嘴组合后可环绕被防护装置实现全覆盖。
图8是气帘及水帘发生器外侧产生的竖直向上的流体帘及“非实体排气烟囱”效果示意图，外侧发生器产生的竖直向上的气与水的混合流体帘(即竖直向上的流体帘8.1)，环绕被防护装置形成“非实体排气烟囱”，将被防护装置泄漏的流体与周围环境隔绝，内部流体只能向上运动，无法透过混合流体帘水平向外扩散，当气体沿“非实体排气烟囱”越过安全高度后，气体离开“非实体排气烟囱”发生水平扩散，就大大减小了安全危害。竖直向上的流体帘8.1的水可以起到防火防辐射的效果(相关参考文献：刘长春，邓天刁，刘新磊等.水雾遮蔽喷射火热辐射的计算模型研究.[J]工程热物理学报，2020，41(09)：2314-2323)。同样的，假设外部环境恶化，竖直向上的流体帘8.1也可保护被防护装置免受外部恶劣环境的影响。类似于射流对周边环境流体的卷吸作用，竖直向上的流体帘8.1在向上运动过程中对“非实体排气烟囱”的“壁面”内外侧附近的气体都具有一个向上的携带效果，因此可以加速“非实体排气烟囱”内泄漏的气体向上运动，加速气体稀释。
当气帘及水帘发生器1埋地设置时，由于“非实体排气烟囱”的作用，被防护装置7泄漏的液氢，虽然会在地面流动，但也会被竖直向上的流体帘8.1限制在被防护区域内，当液氢接触到竖直向上的流体帘8.1，由于剧烈的热交换将会迅速气化。
气帘及水帘发生器1的埋地设置，对于保持现场地面的整洁度有很大的帮助，可以减少对于日常作业的影响。为适用埋地设置，内侧发生器9的各个实心锥喷嘴可采用图7的形式，实心锥喷嘴的上表面与地面齐平。
内侧发生器9产生的连续排列的覆盖范围较大的气水混合喷雾8.2，环绕被防护装置7实现全覆盖。这些覆盖范围较大的气水混合喷雾8.2可与泄漏的流体进行传热传质，使其快速升温稀释，升温后的氢气密度减小，避免聚积在地面。由于液氢温度极低(约-253℃)，内侧发生器9产生的气水混合喷雾中的水接触泄漏口，会快速结冰堵塞泄漏口，起到临时补漏的效果。
实际使用中，气帘及水帘发生器1可根据被防护装置改变布置形状和范围，且可埋地布置，只需将上表面露出即可。
基于上述的对被防护装置7的液氢泄漏的安全防护效果，可有效降低液氢泄漏的扩散危害，显著缩小扩散危害范围，因此可降低被防护装置的安全距离，可减小液氢加氢站建设所需的整体布局空间，在提升安全性的同时降低土地使用成本。
实施例二
为更好地说明竖直向上的流体帘8.1的防护作用，利用CFD软件Fluent对有竖直向上的流体帘8.1和无此效果的两种低温氢泄漏的场景进行了模拟对比，为准确模拟气体混合扩散的流体传质过程，采用的模型包括：多组分传输模型、混合物模型和κ-ε湍流模型。两种场景中，泄漏源同为2m×2m的正方形，20.4K的氢气泄漏速度为0.1kg/s，当地风速为1m/s，环境温度300K，相对湿度50％，地面材质为水平平整的水泥地。在无竖直向上的流体帘8.1的场景中，低温氢泄漏后立即随风在水平地面上扩散；在另一个场景中，紧贴泄漏源的一周设置了正方形的竖直向上的流体帘8.1，氮气喷射源的尺寸宽为0.1m，可喷射出初速度为10m/s的常温氮气，用以形成“非实体排气烟囱”。
图9是有无竖直向上的流体帘8.1的低温氢泄漏场景模拟对比图，包括不同水平高度上的沿下风方向不同距离的温度和氢浓度分布，上侧两图为无竖直向上的流体帘8.1的模拟结果，下侧两图为有竖直向上的流体帘8.1的模拟结果。以273K即水的凝固点作为温度参考线，以0.04的体积分数即氢的燃烧下限作为氢浓度参考线，对比结果表明，竖直向上的流体帘8.1可有效缩小低温泄漏氢扩散的危害影响范围。

Claims (9)

1.一种基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置，其特征在于：包括气帘及水帘发生器(1)、气源、水源、气水引射混合器(4)和被防护装置(7)；气源和水源分别通过各自的管线与气水引射混合器(4)相连，后汇聚成一路管线连通至气帘及水帘发生器(1)；水源与气水引射混合器(4)之间依次设置有水路电磁阀(5.1)和水路止回阀(6.1)；气源与气水引射混合器(4)之间依次设置有气路电磁阀(5.2)和气路止回阀(6.2)；气帘及水帘发生器(1)环绕被防护装置(7)设置，气帘及水帘发生器(1)包括产生竖直向上的流体帘(8.1)的外侧发生器(10)以及产生覆盖范围较大的气水混合喷雾(8.2)的内侧发生器(9)。
2.根据权利要求1所述的基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置，其特征在于：气源采用氮气瓶组(2.1)或空气压缩机(2.2)。
3.根据权利要求1所述的基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置，其特征在于：水源采用消防栓(3.1)或蓄水池(3.2)。
4.根据权利要求1所述的基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置，其特征在于：外侧发生器(10)采用连续线型窄缝喷射器或连续排列的扇形喷嘴。
5.根据权利要求1所述的基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置，其特征在于：内侧发生器(9)采用连续排列的实心锥喷嘴。
6.根据权利要求1所述的基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置，其特征在于：实心锥喷嘴的喷口倾斜向被防护装置(7)设置。
7.根据权利要求1所述的基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置，其特征在于：气帘及水帘发生器(1)为露出地面设置或埋地设置。
8.根据权利要求1所述的基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置，其特征在于：当气帘及水帘发生器(1)为埋地设置时，内侧发生器(9)和外侧发生器(10)的上表面与地面齐平。
9.根据权利要求1所述的基于气帘及水帘的液氢泄漏防护装置，其特征在于：气帘及水帘发生器(1)的布置形状和范围与被防护装置(7)相适应。
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