初始壓力對氫氣燃燒影響的試驗分析

程莎莉, 王 迎

(1. 重慶理工大學 工程訓練與經(jīng)管實驗中心, 重慶 400054; 2. 中國核動力研究設計院, 四川 成都 610041)

核電站發(fā)生嚴重事故時,鋯與水或水蒸氣發(fā)生強烈反應而釋放大量的氫氣,產(chǎn)生的氫氣會釋放到安全殼,發(fā)生氫氣在安全殼中大量聚集的現(xiàn)象[1],安全殼是核電廠與環(huán)境之間的最后一道實體屏障,安全殼的破裂會造成核輻射的泄露,從而對環(huán)境和人體造成巨大傷害[2-3].為避免裂變產(chǎn)物對環(huán)境和人體的輻射危害,核電站嚴重事故管理的基本目標是保證安全殼的完整性[4].在核電站嚴重事故中,有各種威脅安全殼完整性的因素,其中泄漏到安全殼中的氫氣燃燒后產(chǎn)生的壓力可能超過安全殼的設計強度,是威脅安全殼完整性的一個重要因素[5-7],因此需要避免氫氣在安全殼中的積聚和燃燒.國際原子能機構(IAEA)在《核電廠安全設計》中明確規(guī)定:必須考慮嚴重事故下保持安全殼完整性的措施,特別是必須考慮預計發(fā)生的各種可燃氣體的燃燒效應.而氫氣是核電廠發(fā)生嚴重事故時產(chǎn)生的主要可燃氣體,因此也需要重點考慮嚴重事故下氫氣的生成、擴散以及燃燒爆炸等問題[8-9].

當嚴重事故發(fā)生時,鋯水反應釋放大量氫氣的同時,不同的初始壓力會導致氫氣燃燒具有不同的燃燒模式,低初始壓力會產(chǎn)生氫氣的緩慢燃燒,對安全殼的壓力和熱沖擊也比較小[10],而較高的初始壓力會形成爆燃甚至爆炸,對安全殼完整性造成巨大威脅[11-12].筆者構建氫氣燃燒試驗回路,獲得氫氣在不同初始壓力下燃燒的溫度、壓力以及燃盡率等試驗數(shù)據(jù),研究不同初始壓力對氫氣燃燒火焰的傳播速度、最高燃燒溫度、峰值壓力以及氫氣燃盡率的影響.

1 試驗裝置

氫氣燃燒試驗系統(tǒng)構成如圖1所示. 試驗系統(tǒng)由回路系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等幾部分構成.試驗系統(tǒng)可以進行氫氣、氧氣以及水蒸氣混合物的燃燒試驗,通過試驗可獲得反應容器中溫度、壓力和氣體產(chǎn)物的成分等參數(shù),對這些參數(shù)進行分析,可進一步得到氫氣燃燒過程中的火焰?zhèn)鞑ニ俣?、燃盡率、燃燒過程中的壓力變化曲線和溫度變化曲線,從而對氫氣的燃燒特性進行研究.通過改變反應初始時的壓力,對比分析初始壓力對氫氣燃燒特性的影響.

圖1 氫氣燃燒試驗系統(tǒng)構成圖

1.1 回路系統(tǒng)

回路系統(tǒng)是氫氣及其混合氣體進行送氣、清洗、反應等過程的系統(tǒng),包括反應容器、加熱與保溫系統(tǒng)、送氣及清洗系統(tǒng)和點火系統(tǒng)等.反應容器形狀為圓柱形,上下為橢球形封頭,總容積約為0.25 m3,圓柱段高為2.1 m,內(nèi)徑為402 mm,外徑為426 mm,設計壓力為2 MPa.其作用是在反應容器內(nèi)部實現(xiàn)混合氣體的燃燒以及燃燒過程中試驗參數(shù)的測量.反應容器壁面上安裝快速響應熱電偶、壓力傳感器以及混合氣取樣探頭等主要的測量儀器,以測量混合氣體燃燒過程中氣體的溫度、壓力以及體積分數(shù)等參數(shù).通過在容器壁面不同高度布置熱電偶,依據(jù)火焰前鋒到達熱電偶的時刻以及不同熱電偶之間的間距,即可計算出火焰?zhèn)鞑ニ俣?

加熱保溫系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)反應容器的加熱和保溫.主要包括加熱帶、控制柜和保溫棉.采用加熱帶對反應容器進行分段加熱,加熱帶分為4段:筒體分3段加熱、下封頭1段加熱、上封頭只保溫、不加熱.用控制柜控制加熱帶的加熱溫度,控制柜的控溫精度為±5 ℃.保溫棉減少熱量的散失,保持加熱后的反應容器溫度維持在設定的溫度附近.

送氣及清洗系統(tǒng)的作用是在點火前提供干凈清潔的混合氣體,主要包括空壓機、冷干機、油氣水過濾器和真空泵等.點火系統(tǒng)的作用是點燃充入反應容器中的混合氣體.點火系統(tǒng)包括電壓轉換元件和點火電極.電壓轉換元件的作用是將24 V直流電源轉換成點火所需要的10 kV高壓電壓;點火電極的作用是在高壓電壓的作用下釋放電火花,點燃混合氣體.點火器采用24 V直流電源,所需功率約為10 W,經(jīng)電壓轉換元件后的點火電壓為10 kV,點火器的點火能約為7 J.

1.2 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)的作用是測量和控制試驗過程中的相關參數(shù).測控系統(tǒng)主要包括隔離式壓力變送器、動態(tài)壓力測試系統(tǒng)、快速響應熱電偶、測靜溫熱電偶、氫氣分析儀、真空計、質量流量計、量筒、大氣壓力計、NI數(shù)據(jù)采集板和計算機等.其中快速響應熱電偶采用的是OMEGA公司的直徑為0.05 mm的R型細線熱電偶,測溫范圍為0～1 450 ℃,精度為±1.5 ℃,響應時間約為50 ms.氫氣分析儀型號為TG-500,可測量混合氣體中的氫氣體積分數(shù),體積分數(shù)測量范圍為0～30%,滿量程精度為2%.

1.3 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)主要包括220 V交流電源、24 V直流電源(給點火器和隔離式壓力變送器供電)、控制加熱帶加熱溫度的加熱柜等.

2 試驗結果及分析

為得到初始壓力對氫氣燃燒特性的影響,選取的試驗工況分為2種情況:氫氣體積分數(shù)較低和氫氣體積分數(shù)較高.氫氣體積分數(shù)(5.0%,5.2%)較低時,初始絕對壓力為96.7 kPa(當?shù)卮髿鈮?、200.0 kPa和300.0 kPa,其他的初始條件為溫度180 ℃(178～181 ℃,不同的初始壓力下氣體初始溫度略有不同)、底部點火;氫氣體積分數(shù)(10.0%)較高,初始絕對壓力分別為98.9 kPa(當?shù)卮髿鈮?、150.0 kPa和200.0 kPa,其他的初始條件為溫度100 ℃(98～101 ℃,不同的初始壓力下氣體初始溫度略有不同)、底部點火.

2.1 初始壓力對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

不同初始壓力下的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣纫妶D2.

圖2 不同初始壓力下的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

從圖2可以看出： 在氫氣體積分數(shù)較低時,隨著初始壓力的升高,火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之升高.在氫氣體積分數(shù)較低、反應器體積不變時,初始壓力的升高使得單位體積內(nèi)的氫氣體積分數(shù)升高,體積分數(shù)對燃燒速率變大的影響較為顯著,為燃燒速率的主要控制因素,壓力的升高雖然使得單位體積內(nèi)的可燃物質量增多,但燃盡率降低使得平均火焰?zhèn)鞑ニ俣纫搽S之升高.從圖2c可以看出： 在氫氣體積分數(shù)較高時,燃盡率基本為100%,隨著初始壓力的升高,火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷杂薪档?這是由于初始壓力較低時,未燃氣體的絕壓較小,火焰膨脹向前傳播時火焰鋒面受到未燃氣體的阻礙較小,從而使初始壓力較低時的火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷钥?，壓力升?這種阻礙作用越明顯,從而火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?

2.2 初始壓力對燃燒過程中最高溫度的影響

燃燒過程中修正后的最高溫度隨初始壓力的變化如圖3所示.氫氣體積分數(shù)為5.0%,初始壓力分別為96.7,200.0 kPa時,熱電偶測得的最高溫度分別為469,336 ℃,修正后的溫度分別為472,337 ℃;氫氣體積分數(shù)為5.2%,初始壓力分別為96.7,300.0 kPa時,熱電偶測得的最高溫度分別為501,326 ℃,修正后的溫度分別505,327 ℃;氫氣體積分數(shù)為10.0%,初始壓力分別為98.9,150.0,200.0 kPa時,燃燒過程中熱電偶測得的最高溫度分別為823,829,838 ℃,修正后的最高溫度分別為837,843,852 ℃.在氫氣體積分數(shù)(5.0%,5.2%)較低時,修正溫度最大差值為4 ℃,在氫氣體積分數(shù)(10.0%)較高時,修正后溫度的最大差值為14 ℃.

圖3 燃燒過程中最高溫度隨初始壓力的變化

從圖3可以看出:在氫氣體積分數(shù)(5.0%,5.2%)較低時,燃燒過程中的最高溫度隨著初始壓力的增加而逐漸減小;在氫氣體積分數(shù)(10.0%)較高時,燃燒過程中的最高溫度隨著初始壓力的增加而增加,但是初始壓力對燃燒過程中的最高溫度的影響并不明顯.在氫氣體積分數(shù)分別為5.0%,5.2%時,隨著初始壓力的升高,物質的量增加,但是參與燃燒放熱的氫氣相對減少,即燃盡率降低,燃燒放熱量相對變低,導致最高溫度降低;氫氣體積分數(shù)為10.0%時,隨著初始壓力的增加,反應器內(nèi)的氫氣仍可完全燃燒,物質的量增加,燃燒放熱量增加,而燃燒時間基本不變,散熱相對減少,所以最高溫度略有升高.

2.3 初始壓力對燃燒過程中峰值壓力的影響

燃燒過程中峰值壓力隨初始壓力的變化如圖4所示,氫氣體積分數(shù)為5.0%,初始壓力分別為96.7,200.0 kPa時,對應的峰值壓力分別為146.0, 234.0 kPa,對應的壓比分別為1.50,1.20;氫氣體積分數(shù)為5.2%,初始壓力分別為96.7,300.0 kPa時,對應的峰值壓力分別為145.0,352.0 kPa,對應的壓比分別為1.50,1.20;氫氣體積分數(shù)為10.0%,初始壓力分別為98.9,150.0,200.0 kPa時,對應的最大峰值壓力分別為257.0,394.0,487.0 kPa,壓比分別為2.59,2.63,2.44,基本維持在2.50左右.

圖4 燃燒過程中峰值壓力隨初始壓力的變化

從圖4可以看出:最大絕對壓力隨著初始壓力的增加而增加,初始壓力越大,相同體積內(nèi)含有的氣體的量越多,氣體燃燒越劇烈,氣體的壓力增加越大;在氫氣體積分數(shù)(5.0%,5.2%)較低時,壓比隨著壓力的增加有所下降,這是由于氫氣體積分數(shù)低,不能完全燃燒,隨著初始壓力的升高,物質的量增加,但是參與燃燒放熱的氫氣相對量減少;在氫氣體積分數(shù)(10.0%)較高時,壓比基本維持不變,因為反應器內(nèi)的氫氣完全反應,參與燃燒的氫氣相對量不變.

2.4 初始壓力對燃盡率的影響

燃盡率隨初始溫度的變化如圖5所示,在氫氣體積分數(shù)(5.0%)較低時,燃盡率隨著壓力的升高而降低;在氫氣體積分數(shù)(10.0%)較高、初始壓力分別為98.9,150.0,200.0 kPa時,氫氣均能燃燒完全,壓力沒有對燃盡率產(chǎn)生影響.分析認為:在氫氣體積分數(shù)為5.0%、反應器體積不變時,初始壓力升高,使得單位體積內(nèi)的氫氣物質的量增加,但由于氫氣體積分數(shù)較低,火焰自持能力較弱,使得單位體積的氫氣剩余量增加,從而燃盡率降低;在氫氣體積分數(shù)為10.0%時,由于氫氣體積分數(shù)較高,反應器內(nèi)的氫氣可完全燃盡,所以壓力升高對其燃盡率并未產(chǎn)生影響.

圖5 燃盡率隨初始壓力的變化

3 結 論

在氫氣體積分數(shù)較低時,隨著初始壓力的升高,火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之升高,燃燒過程中的最高溫度隨初始壓力的升高而逐漸減小;在氫氣體積分數(shù)較高時,隨著初始壓力的升高,火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷杂薪档?燃燒過程中的最高溫度隨初始壓力的增加而增加,但是初始壓力對燃燒過程中的最高溫度的影響并不明顯;峰值壓力隨初始壓力的升高而升高;初始壓力對氫氣燃盡率沒有影響.