初始压力对氢气燃烧影响的试验分析

程莎莉, 王 迎

(1. 重庆理工大学 工程训练与经管实验中心, 重庆 400054; 2. 中国核动力研究设计院, 四川 成都 610041)

核电站发生严重事故时,锆与水或水蒸气发生强烈反应而释放大量的氢气,产生的氢气会释放到安全壳,发生氢气在安全壳中大量聚集的现象[1],安全壳是核电厂与环境之间的最后一道实体屏障,安全壳的破裂会造成核辐射的泄露,从而对环境和人体造成巨大伤害[2-3].为避免裂变产物对环境和人体的辐射危害,核电站严重事故管理的基本目标是保证安全壳的完整性[4].在核电站严重事故中,有各种威胁安全壳完整性的因素,其中泄漏到安全壳中的氢气燃烧后产生的压力可能超过安全壳的设计强度,是威胁安全壳完整性的一个重要因素[5-7],因此需要避免氢气在安全壳中的积聚和燃烧.国际原子能机构(IAEA)在《核电厂安全设计》中明确规定:必须考虑严重事故下保持安全壳完整性的措施,特别是必须考虑预计发生的各种可燃气体的燃烧效应.而氢气是核电厂发生严重事故时产生的主要可燃气体,因此也需要重点考虑严重事故下氢气的生成、扩散以及燃烧爆炸等问题[8-9].

当严重事故发生时,锆水反应释放大量氢气的同时,不同的初始压力会导致氢气燃烧具有不同的燃烧模式,低初始压力会产生氢气的缓慢燃烧,对安全壳的压力和热冲击也比较小[10],而较高的初始压力会形成爆燃甚至爆炸,对安全壳完整性造成巨大威胁[11-12].笔者构建氢气燃烧试验回路,获得氢气在不同初始压力下燃烧的温度、压力以及燃尽率等试验数据,研究不同初始压力对氢气燃烧火焰的传播速度、最高燃烧温度、峰值压力以及氢气燃尽率的影响.

1 试验装置

氢气燃烧试验系统构成如图1所示. 试验系统由回路系统、测控系统和电气系统等几部分构成.试验系统可以进行氢气、氧气以及水蒸气混合物的燃烧试验,通过试验可获得反应容器中温度、压力和气体产物的成分等参数,对这些参数进行分析,可进一步得到氢气燃烧过程中的火焰传播速度、燃尽率、燃烧过程中的压力变化曲线和温度变化曲线,从而对氢气的燃烧特性进行研究.通过改变反应初始时的压力,对比分析初始压力对氢气燃烧特性的影响.

图1 氢气燃烧试验系统构成图

1.1 回路系统

回路系统是氢气及其混合气体进行送气、清洗、反应等过程的系统,包括反应容器、加热与保温系统、送气及清洗系统和点火系统等.反应容器形状为圆柱形,上下为椭球形封头,总容积约为0.25 m3,圆柱段高为2.1 m,内径为402 mm,外径为426 mm,设计压力为2 MPa.其作用是在反应容器内部实现混合气体的燃烧以及燃烧过程中试验参数的测量.反应容器壁面上安装快速响应热电偶、压力传感器以及混合气取样探头等主要的测量仪器,以测量混合气体燃烧过程中气体的温度、压力以及体积分数等参数.通过在容器壁面不同高度布置热电偶,依据火焰前锋到达热电偶的时刻以及不同热电偶之间的间距,即可计算出火焰传播速度.

加热保温系统的作用是实现反应容器的加热和保温.主要包括加热带、控制柜和保温棉.采用加热带对反应容器进行分段加热,加热带分为4段:筒体分3段加热、下封头1段加热、上封头只保温、不加热.用控制柜控制加热带的加热温度,控制柜的控温精度为±5 ℃.保温棉减少热量的散失,保持加热后的反应容器温度维持在设定的温度附近.

送气及清洗系统的作用是在点火前提供干净清洁的混合气体,主要包括空压机、冷干机、油气水过滤器和真空泵等.点火系统的作用是点燃充入反应容器中的混合气体.点火系统包括电压转换元件和点火电极.电压转换元件的作用是将24 V直流电源转换成点火所需要的10 kV高压电压;点火电极的作用是在高压电压的作用下释放电火花,点燃混合气体.点火器采用24 V直流电源,所需功率约为10 W,经电压转换元件后的点火电压为10 kV,点火器的点火能约为7 J.

1.2 测控系统

测控系统的作用是测量和控制试验过程中的相关参数.测控系统主要包括隔离式压力变送器、动态压力测试系统、快速响应热电偶、测静温热电偶、氢气分析仪、真空计、质量流量计、量筒、大气压力计、NI数据采集板和计算机等.其中快速响应热电偶采用的是OMEGA公司的直径为0.05 mm的R型细线热电偶,测温范围为0～1 450 ℃,精度为±1.5 ℃,响应时间约为50 ms.氢气分析仪型号为TG-500,可测量混合气体中的氢气体积分数,体积分数测量范围为0～30%,满量程精度为2%.

1.3 电气系统

电气系统主要包括220 V交流电源、24 V直流电源(给点火器和隔离式压力变送器供电)、控制加热带加热温度的加热柜等.

2 试验结果及分析

为得到初始压力对氢气燃烧特性的影响,选取的试验工况分为2种情况:氢气体积分数较低和氢气体积分数较高.氢气体积分数(5.0%,5.2%)较低时,初始绝对压力为96.7 kPa(当地大气压)、200.0 kPa和300.0 kPa,其他的初始条件为温度180 ℃(178～181 ℃,不同的初始压力下气体初始温度略有不同)、底部点火;氢气体积分数(10.0%)较高,初始绝对压力分别为98.9 kPa(当地大气压)、150.0 kPa和200.0 kPa,其他的初始条件为温度100 ℃(98～101 ℃,不同的初始压力下气体初始温度略有不同)、底部点火.

2.1 初始压力对火焰传播速度的影响

不同初始压力下的平均火焰传播速度见图2.

图2 不同初始压力下的平均火焰传播速度

从图2可以看出： 在氢气体积分数较低时,随着初始压力的升高,火焰传播速度随之升高.在氢气体积分数较低、反应器体积不变时,初始压力的升高使得单位体积内的氢气体积分数升高,体积分数对燃烧速率变大的影响较为显著,为燃烧速率的主要控制因素,压力的升高虽然使得单位体积内的可燃物质量增多,但燃尽率降低使得平均火焰传播速度也随之升高.从图2c可以看出： 在氢气体积分数较高时,燃尽率基本为100%,随着初始压力的升高,火焰传播速度略有降低.这是由于初始压力较低时,未燃气体的绝压较小,火焰膨胀向前传播时火焰锋面受到未燃气体的阻碍较小,从而使初始压力较低时的火焰传播速度略快，压力升高,这种阻碍作用越明显,从而火焰传播速度变慢.

2.2 初始压力对燃烧过程中最高温度的影响

燃烧过程中修正后的最高温度随初始压力的变化如图3所示.氢气体积分数为5.0%,初始压力分别为96.7,200.0 kPa时,热电偶测得的最高温度分别为469,336 ℃,修正后的温度分别为472,337 ℃;氢气体积分数为5.2%,初始压力分别为96.7,300.0 kPa时,热电偶测得的最高温度分别为501,326 ℃,修正后的温度分别505,327 ℃;氢气体积分数为10.0%,初始压力分别为98.9,150.0,200.0 kPa时,燃烧过程中热电偶测得的最高温度分别为823,829,838 ℃,修正后的最高温度分别为837,843,852 ℃.在氢气体积分数(5.0%,5.2%)较低时,修正温度最大差值为4 ℃,在氢气体积分数(10.0%)较高时,修正后温度的最大差值为14 ℃.

图3 燃烧过程中最高温度随初始压力的变化

从图3可以看出:在氢气体积分数(5.0%,5.2%)较低时,燃烧过程中的最高温度随着初始压力的增加而逐渐减小;在氢气体积分数(10.0%)较高时,燃烧过程中的最高温度随着初始压力的增加而增加,但是初始压力对燃烧过程中的最高温度的影响并不明显.在氢气体积分数分别为5.0%,5.2%时,随着初始压力的升高,物质的量增加,但是参与燃烧放热的氢气相对减少,即燃尽率降低,燃烧放热量相对变低,导致最高温度降低;氢气体积分数为10.0%时,随着初始压力的增加,反应器内的氢气仍可完全燃烧,物质的量增加,燃烧放热量增加,而燃烧时间基本不变,散热相对减少,所以最高温度略有升高.

2.3 初始压力对燃烧过程中峰值压力的影响

燃烧过程中峰值压力随初始压力的变化如图4所示,氢气体积分数为5.0%,初始压力分别为96.7,200.0 kPa时,对应的峰值压力分别为146.0, 234.0 kPa,对应的压比分别为1.50,1.20;氢气体积分数为5.2%,初始压力分别为96.7,300.0 kPa时,对应的峰值压力分别为145.0,352.0 kPa,对应的压比分别为1.50,1.20;氢气体积分数为10.0%,初始压力分别为98.9,150.0,200.0 kPa时,对应的最大峰值压力分别为257.0,394.0,487.0 kPa,压比分别为2.59,2.63,2.44,基本维持在2.50左右.

图4 燃烧过程中峰值压力随初始压力的变化

从图4可以看出:最大绝对压力随着初始压力的增加而增加,初始压力越大,相同体积内含有的气体的量越多,气体燃烧越剧烈,气体的压力增加越大;在氢气体积分数(5.0%,5.2%)较低时,压比随着压力的增加有所下降,这是由于氢气体积分数低,不能完全燃烧,随着初始压力的升高,物质的量增加,但是参与燃烧放热的氢气相对量减少;在氢气体积分数(10.0%)较高时,压比基本维持不变,因为反应器内的氢气完全反应,参与燃烧的氢气相对量不变.

2.4 初始压力对燃尽率的影响

燃尽率随初始温度的变化如图5所示,在氢气体积分数(5.0%)较低时,燃尽率随着压力的升高而降低;在氢气体积分数(10.0%)较高、初始压力分别为98.9,150.0,200.0 kPa时,氢气均能燃烧完全,压力没有对燃尽率产生影响.分析认为:在氢气体积分数为5.0%、反应器体积不变时,初始压力升高,使得单位体积内的氢气物质的量增加,但由于氢气体积分数较低,火焰自持能力较弱,使得单位体积的氢气剩余量增加,从而燃尽率降低;在氢气体积分数为10.0%时,由于氢气体积分数较高,反应器内的氢气可完全燃尽,所以压力升高对其燃尽率并未产生影响.

图5 燃尽率随初始压力的变化

3 结 论

在氢气体积分数较低时,随着初始压力的升高,火焰传播速度随之升高,燃烧过程中的最高温度随初始压力的升高而逐渐减小;在氢气体积分数较高时,随着初始压力的升高,火焰传播速度略有降低,燃烧过程中的最高温度随初始压力的增加而增加,但是初始压力对燃烧过程中的最高温度的影响并不明显;峰值压力随初始压力的升高而升高;初始压力对氢气燃尽率没有影响.