潛用燃料電池氫泄漏分析及檢測(cè)技術(shù)

張 偉，劉義軍，張 濤

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064;2.中國(guó)人民解放軍63878部隊(duì)，陜西 渭南 714000)

0 引言

不依賴空氣推進(jìn)系統(tǒng)(AIP)是指潛艇在水下不依賴外界的空氣也能提供推進(jìn)動(dòng)力和其他動(dòng)力的能源系統(tǒng)。常規(guī)潛艇的AIP系統(tǒng)主要利用自身攜帶的氧氣(通常為液氧)，為熱機(jī)或電化學(xué)發(fā)電裝置提供燃燒條件，完成能量轉(zhuǎn)換，提供水下航行所需的推進(jìn)動(dòng)力。國(guó)內(nèi)外多年的探索和實(shí)踐證明，AIP系統(tǒng)能行之有效地提高常規(guī)潛艇的作戰(zhàn)范圍、潛航時(shí)間和隱蔽性，引領(lǐng)著新一代常規(guī)潛艇的發(fā)展方向。

國(guó)外常規(guī)潛艇的AIP系統(tǒng)主要分為熱機(jī)系統(tǒng)和電化學(xué)系統(tǒng)兩類。其中熱機(jī)系統(tǒng)主要包括閉式循環(huán)柴油機(jī) (CCD/AIP)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) (SE/AIP)、閉式循環(huán)汽輪機(jī) (MESMA/AIP);電化學(xué)系統(tǒng)主要是燃料電池AIP系統(tǒng) (FC/AIP)。目前國(guó)外技術(shù)較為成熟、已進(jìn)入實(shí)用階段，且能夠大幅提高常規(guī)潛艇水下作戰(zhàn)能力的AIP系統(tǒng)主要是燃料電池AIP(FC/AIP)系統(tǒng)和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)AIP(SE/AIP)系統(tǒng)。但與SE/AIP相比，F(xiàn)C/AIP系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更明顯，發(fā)展?jié)摿Ω?。常?guī)潛艇采用燃料電池AIP系統(tǒng)后，向海水輻射的熱能及紅外特征變小，系統(tǒng)基本不向艇外排放廢物，尾流特征極小，聲特征遠(yuǎn)低于常規(guī)柴電動(dòng)力或熱氣機(jī)動(dòng)力，能安靜運(yùn)行，具有優(yōu)異的“隱身”作戰(zhàn)能力。鑒于此，燃料電池AIP潛艇將成為繼傳統(tǒng)的柴油機(jī)潛艇之后的新型常規(guī)潛艇。

由于燃料電池系統(tǒng)使用氫作為燃料，而氫是穿透性極強(qiáng)的氣體，特別容易泄漏。在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用全過程中，泄漏可達(dá)10% ～20%［9］。此外，由于氫/空氣混合物燃燒體積比范圍大，著火能量低，容易爆炸等，故而在常規(guī)潛艇密閉狹小空間內(nèi)裝備燃料電池，必須對(duì)氫的泄漏進(jìn)行分析和在線監(jiān)測(cè)。

圖1 潛用燃料電池系統(tǒng)組成［6］Fig.1 Composition of submarine fuel cell AIP

1 氫的安全性特性分析和對(duì)策

1.1 安全特性分析

1)氫的泄漏性和擴(kuò)散性

氫氣的分子量為2，具有極強(qiáng)的擴(kuò)散性，比液體燃料和其他燃料更容易從小孔中泄露。表1列出了氫氣和丙烷、天然氣 (主要成分為甲烷)的泄漏和擴(kuò)散特性。

表1 氫氣和丙烷、天然氣的泄漏率對(duì)比Tab.1 Leakage probability contrast of H2，C3H8，CH4

從表1可以看出，在層流情況下，氫氣的泄漏率比天然氣高26%，但低于丙烷。而在湍流情況下，氫氣的泄漏率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于甲烷和丙烷。目前燃料電池系統(tǒng)的工作壓力都較高，如高壓氣罐儲(chǔ)氫時(shí)壓力在30 MPa左右，金屬儲(chǔ)氫容器的壓力也在6 MPa以上。如果儲(chǔ)氫容器發(fā)生泄漏，必然是湍流形式，其泄漏速率將非常驚人，短時(shí)間就會(huì)造成潛艇艙內(nèi)氫濃度急劇升高。

在擴(kuò)散性方面，氫氣更遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于甲烷和丙烷。同等條件下，氫氣的密度僅為空氣7%，與甲烷和丙烷比具有更大的浮力和擴(kuò)散性。在開放空間內(nèi)，氫氣的快速擴(kuò)散性對(duì)安全性有利，但在潛艇艙內(nèi)的密閉空間，擴(kuò)散性好會(huì)導(dǎo)致整個(gè)艙室的濃度達(dá)到著火點(diǎn)，在有火源情況下易發(fā)生火災(zāi)和爆炸事故。

2)氫對(duì)金屬性能的破壞

儲(chǔ)氫容器和管路長(zhǎng)期處于高壓氫氣環(huán)境下，會(huì)因氫脆現(xiàn)象導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料的性能破壞而發(fā)生滯后斷裂。目前氫氣導(dǎo)致金屬性能破壞主要有氫脆、氫腐蝕、形成氫化物、白點(diǎn)、氫泡、顯微穿孔等。

氫對(duì)金屬性能的破壞機(jī)理［2］，主要是氫以分子形式先進(jìn)入金屬表面 (物理吸附)，再以原子形式進(jìn)入外表面 (化學(xué)吸附)，然后遷移至內(nèi)表面 (溶解過程)，最后氫原子或氫離子溶解在金屬的晶格間隙或晶界 (擴(kuò)散過程)。

針對(duì)氫對(duì)金屬性能的破壞，國(guó)內(nèi)開發(fā)了一系列抗氫鋼材，如21/4Cr－1Mo鋼，用以制造儲(chǔ)氫管路［8］。此外，還出現(xiàn)了采用復(fù)合材料制造的高壓儲(chǔ)氫容器［5］。

3)氫的可燃性

在空氣中，氫的燃燒范圍較寬，同時(shí)著火能較低。表2列出了氫氣和丙烷、天然氣 (主要成分為甲烷)、汽油氣的燃燒特性。

表2 氫氣和丙烷、天然氣、汽油氣的燃燒性能對(duì)比Tab.2 Combustion features contrast of H2，C3H8，CH4，gasoline gaseous

與丙烷、天然氣、汽油氣等可燃性氣體相比，氫氣的燃燒范圍在4% ～75%，具有最寬的燃燒范圍，同時(shí)其著火能最低。

4)氫在密閉空間的爆炸性

如果在開放空間，由于氫的迅速擴(kuò)散特性，氫氣即使發(fā)生燃燒，也由于燃燒速度較低而不會(huì)發(fā)生爆炸。但在潛艇艙內(nèi)的密閉空間內(nèi)，燃燒速度將會(huì)快速增加，繼而發(fā)生爆炸。

表3列出了氫氣和丙烷、天然氣 (主要成分為甲烷)、汽油氣的爆炸特性。

表3 氫氣和丙烷、天然氣、汽油氣的爆炸性能對(duì)比Tab.3 Explosion features contrast of H2，C3H8，CH4，gasoline gaseous

從表3可知，氫氣的燃燒速度是天然氣和汽油氣的7倍，所需的爆炸能量也最低。氫氣的爆炸特性可概括為:氫氣最不易形成可爆炸氣霧，但一旦達(dá)到爆炸下限，卻最容易發(fā)生爆燃和爆炸。

1.2 安全對(duì)策

由于氫氣泄漏后具有較強(qiáng)的擴(kuò)散性，在密閉空間內(nèi)其著火范圍較寬，爆炸需要的能力較低等危險(xiǎn)特性，預(yù)防氫泄漏引起燃燒和爆炸的最優(yōu)安全對(duì)策是對(duì)密閉空間內(nèi)的氫氣泄露和擴(kuò)散特性進(jìn)行研究，并在氫氣濃度達(dá)到危險(xiǎn)下限前進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和報(bào)警［1］。這牽涉到氫泄漏擴(kuò)散分析方法和氫泄漏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 密閉空間氫泄漏擴(kuò)散分析方法

針對(duì)氣體的泄漏和擴(kuò)散特性研究，國(guó)外開展了大量的研究工作，提出了許多泄漏和擴(kuò)散模型，目前得到大規(guī)模應(yīng)用的模型主要有高斯模型、箱板模型及三維CFD計(jì)算模型［3］。其中高斯模型主要適用于輕氣體或與空氣密度相當(dāng)?shù)臍怏w的擴(kuò)散;箱板模型適用于密度比空氣大的氣體泄漏擴(kuò)散分析，如高密度燃?xì)饣驓馊苣z的泄漏事故;三維有限元計(jì)算模型模型適用于連續(xù)源泄漏及有限時(shí)間的泄漏，以及密度較大的氣體在復(fù)雜地形條件下的泄漏。

上述氣體泄漏和擴(kuò)散模型主要適用于在開闊空間，考慮氣象條件和地形條件下的泄漏擴(kuò)散。而對(duì)于密閉空間下的氫泄漏擴(kuò)散分析，可采用工程熱力學(xué)的氣體流動(dòng)理論，將氫氣管路的泄漏點(diǎn)附近的氣體流動(dòng)簡(jiǎn)化為為工程熱力學(xué)中的噴管計(jì)算［4］。

2.1 泄漏量計(jì)算

對(duì)高壓氫氣通過裂縫或漏孔向外泄漏，因?yàn)榱魉佥^高，時(shí)間較短，可視為絕熱過程，應(yīng)用噴管理論，其質(zhì)量流量Q計(jì)算公式如下:

式中:r為泄漏孔徑;Cd為泄漏系數(shù)，通常取1［5］;k為絕熱系數(shù)，氫氣為1.4;p1為輸氫管道內(nèi)壓力;p2為環(huán)境壓力;v1為輸氫管道內(nèi)氣體比容。

泄漏處的氣體實(shí)際流速與氣體的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，即氫管道壓力比與臨界壓力比pcr的比值。

對(duì)于氫氣來說，其k=1.4，臨界壓力比pcr=0.528，如果按環(huán)境壓力100 kPa換算，工作壓力200 kPa(0.2 MPa)以上的儲(chǔ)氫容器泄漏過程必然為聲速。

按儲(chǔ)氫容器內(nèi)部壓力p1=6 MPa，泄漏孔徑r=2 mm，溫度T1=300 K，按式(3)計(jì)算，Q=0.0019806 kg/s。

2.2 擴(kuò)散速率計(jì)算

對(duì)于氫氣在密閉空間內(nèi)的泄漏和擴(kuò)散，由于氫氣的擴(kuò)散能力極強(qiáng)，如果在通風(fēng)設(shè)施不開啟的情況下，從泄漏口射流出來的氫氣在空間內(nèi)迅速散開，較短時(shí)間內(nèi)將會(huì)縮小局部濃度差異，除了泄漏口軸線周圍的射流情況外，密閉空間各處氫氣濃度差異不大。

密閉空間內(nèi)氫氣擴(kuò)散達(dá)到可燃濃度下限的時(shí)間t計(jì)算公式如下:

式中:r為艙容系數(shù)，考慮艙室內(nèi)設(shè)備所占容積導(dǎo)致氫氣無法擴(kuò)散的系數(shù)，通常取0.5;V為艙室容積;d為氫氣的著火下限，通常取4%;Q為氫氣泄漏的體積流量;ρ為氫氣的密度，常溫下約70kg/m3。

對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)10 m，直徑6 m的圓柱形艙段，按式(4)并且將氫氣泄漏流量按2.1節(jié)中的算例取值，達(dá)到燃燒下限的時(shí)間t=200 s，即在該艙室內(nèi)，儲(chǔ)存壓力6 MPa的儲(chǔ)氫容器，如發(fā)生2 mm的孔徑泄漏，則約在200 s左右即可達(dá)到燃燒下限。

3 氫泄漏點(diǎn)快速定位技術(shù)

根據(jù)以上分析可知，氫氣泄漏具有高流速和高擴(kuò)散性的特點(diǎn)，在密閉空間內(nèi)將快速達(dá)到燃燒下限，所以應(yīng)對(duì)氫氣泄漏的最有效辦法是安裝高效的氫濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并具備對(duì)泄漏點(diǎn)的快速定位能力。而其關(guān)鍵技術(shù)是泄漏源的定位技術(shù)。

3.1 氫傳感器選型

氫敏傳感器指對(duì)氫氣的存在及量值具有響應(yīng)與檢出功能，并能將響應(yīng)轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)的元器件或裝置。

目前，氫敏傳感器主要有電化學(xué)氫敏傳感器、半導(dǎo)體氫敏傳感器、光學(xué)氫敏傳感器等。其中電化學(xué)氫敏傳感器存在受其他氣體和環(huán)境影響較大、存在交叉敏感性 (對(duì)其他氣體敏感)、壽命較短等缺點(diǎn)，不適合在船舶的密閉艙室內(nèi)應(yīng)用，而半導(dǎo)體氫敏傳感器和光學(xué)氫敏傳感器比較適合于船舶上的密封空間。

3.2 基于無線信號(hào)衰減特性的氫泄漏點(diǎn)定位技術(shù)

對(duì)于氫泄漏點(diǎn)的定位，較常用的辦法是通過將傳感器的安裝位置和其標(biāo)識(shí)碼(ID)進(jìn)行人工列表或標(biāo)圖來實(shí)現(xiàn)，這種方法定位較準(zhǔn)確，但是測(cè)點(diǎn)較多時(shí)工作量較大，且更換傳感器時(shí)需要同步修改安裝圖或?qū)?yīng)表。

在此，引入無線信號(hào)衰減特性(RSSI)定位方法，該方法是通過設(shè)置多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，根據(jù)每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)強(qiáng)度和預(yù)先知道的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度來計(jì)算傳播損耗，再利用理論或經(jīng)驗(yàn)公式將傳播損耗映射為距離以計(jì)算出信號(hào)發(fā)射點(diǎn)的距離或位置。

目前常采用節(jié)點(diǎn)信號(hào)衰減對(duì)數(shù)模型如下式［7］:

式中:PL(d)為距離d的信號(hào)衰減功率;PL(d0)為參考距離d0的功率;n為路徑損耗指數(shù)，表示路徑損耗隨距離增長(zhǎng)的速率。

圖2 測(cè)點(diǎn)分布示意圖Fig.2 Diagram of measurement point

定義Xi為2個(gè)基站中的參考點(diǎn)，Rt1和Rt2分別為SB1和SB2接收到參考點(diǎn)Xt的信號(hào)強(qiáng)度，在2個(gè)基站之間設(shè)定X1，X2，…XN作為參考點(diǎn) (見圖2)，R11，R12，R21，R22，…，RN1，RN2分別為 SB1，SB2接收到參考點(diǎn)X1，X2，…XN的信號(hào)強(qiáng)度，D為2個(gè)基站的間距。根據(jù)式(5)則有

由此可得出任一個(gè)測(cè)點(diǎn)處相對(duì)2個(gè)基站的信號(hào)強(qiáng)度比值

在實(shí)際定位時(shí)，假設(shè)待測(cè)點(diǎn)為Xu，根據(jù)測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度Ru1和Ru2可求出

式中:Ru與Rt之間最小的差值Dt所對(duì)應(yīng)的Xu的坐標(biāo)即為參考點(diǎn)Xt的坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)了氫泄漏點(diǎn)的定位。

4 結(jié)語

本文根據(jù)潛艇用燃料電池需要在密閉空間內(nèi)使用和存儲(chǔ)氫氣的實(shí)際情況，在分析氫氣擴(kuò)散和泄漏特性的基礎(chǔ)上，對(duì)氫氣在密閉空間內(nèi)的泄漏和擴(kuò)散特性進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和計(jì)算，指出氫氣在密閉空間內(nèi)使用具有快速泄漏并在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到危險(xiǎn)濃度的特點(diǎn)，提出了安全性對(duì)策及一種基于無線信號(hào)衰減特(RSSI)的氫泄漏點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)定位算法。

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