張 偉，劉義軍，張 濤

(1.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064;2.中國人民解放軍63878部隊，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)動力和其他動力的能源系統(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)動力。國內(nèi)外多年的探索和實踐證明，AIP系統(tǒng)能行之有效地提高常規(guī)潛艇的作戰(zhàn)范圍、潛航時間和隱蔽性，引領(lǐng)著新一代常規(guī)潛艇的發(fā)展方向。

國外常規(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)。目前國外技術(shù)較為成熟、已進(jìn)入實用階段，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)柴電動力或熱氣機(jī)動力，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，必須對氫的泄漏進(jìn)行分析和在線監(jiān)測。

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，如高壓氣罐儲氫時壓力在30 MPa左右，金屬儲氫容器的壓力也在6 MPa以上。如果儲氫容器發(fā)生泄漏，必然是湍流形式，其泄漏速率將非常驚人，短時間就會造成潛艇艙內(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)散性對安全性有利，但在潛艇艙內(nèi)的密閉空間，擴(kuò)散性好會導(dǎo)致整個艙室的濃度達(dá)到著火點，在有火源情況下易發(fā)生火災(zāi)和爆炸事故。

2)氫對金屬性能的破壞

儲氫容器和管路長期處于高壓氫氣環(huán)境下，會因氫脆現(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、氫泡、顯微穿孔等。

氫對金屬性能的破壞機(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)。

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

3)氫的可燃性

在空氣中，氫的燃燒范圍較寬，同時著火能較低。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特性，預(yù)防氫泄漏引起燃燒和爆炸的最優(yōu)安全對策是對密閉空間內(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)到危險下限前進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測和報警［1］。這牽涉到氫泄漏擴(kuò)散分析方法和氫泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)。

2 密閉空間氫泄漏擴(kuò)散分析方法

針對氣體的泄漏和擴(kuò)散特性研究，國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;三維有限元計算模型模型適用于連續(xù)源泄漏及有限時間的泄漏，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)的氣體流動理論，將氫氣管路的泄漏點附近的氣體流動簡化為為工程熱力學(xué)中的噴管計算［4］。

2.1 泄漏量計算

對高壓氫氣通過裂縫或漏孔向外泄漏，因為流速較高，時間較短，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。

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

對于氫氣來說，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)以上的儲氫容器泄漏過程必然為聲速。

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

2.2 擴(kuò)散速率計算

對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，較短時間內(nèi)將會縮小局部濃度差異，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間t計算公式如下:

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。

對于一個長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)到燃燒下限的時間t=200 s，即在該艙室內(nèi)，儲存壓力6 MPa的儲氫容器，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，在密閉空間內(nèi)將快速達(dá)到燃燒下限，所以應(yīng)對氫氣泄漏的最有效辦法是安裝高效的氫濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)，并具備對泄漏點的快速定位能力。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 (對其他氣體敏感)、壽命較短等缺點，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 基于無線信號衰減特性的氫泄漏點定位技術(shù)

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

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

目前常采用節(jié)點信號衰減對數(shù)模型如下式［7］:

式中:PL(d)為距離d的信號衰減功率;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的速率。

圖2 測點分布示意圖Fig.2 Diagram of measurement point

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

由此可得出任一個測點處相對2個基站的信號強(qiáng)度比值

在實際定位時，假設(shè)待測點為Xu，根據(jù)測得的信號強(qiáng)度Ru1和Ru2可求出

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

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)使用和存儲氫氣的實際情況，在分析氫氣擴(kuò)散和泄漏特性的基礎(chǔ)上，對氫氣在密閉空間內(nèi)的泄漏和擴(kuò)散特性進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和計算，指出氫氣在密閉空間內(nèi)使用具有快速泄漏并在短時間內(nèi)達(dá)到危險濃度的特點，提出了安全性對策及一種基于無線信號衰減特(RSSI)的氫泄漏點經(jīng)驗定位算法。

［1］秦國軍，胡蔦慶，袁杰紅.氫泄漏檢測技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2011.QIN Guo-jun，HU Niao-qing，YUAN Jie-hong.Technique of hydrogen leakage's check［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2011.

［2］周德惠，譚云.金屬的環(huán)境氫脆及其試驗技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1988.ZHOU De-hui，TAN Yun.Metal’s environmental hydrogen embrittlement and test technique［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2011.

［3］顧安忠，魯雪生.液化天然氣技術(shù)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.GU An-zhong，LU Xue-sheng.Technical handbook of LNG［M］.Beijing:China Machine Press，2011.

［4］沈維道，鄭佩芝，蔣淡安.工程熱力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1995.SHEN Wei-dao， ZHENG Pei-zhi， JIANG Dan-an.Thermodynamics and engineering［M］.Beijing:Higher Education Press，1995.

［5］吳玉厚，陳士忠.質(zhì)子交換膜燃料電池的水管理系統(tǒng)研究［M］.北京:科學(xué)出版社，2011.WU Yu-hou，CHEN Shi-zhong.Water-managment reasarch of PEM fuel cell［M］.Beijing:Science Press，2011.

［6］KRUMMRICH S.Fuel cell AIP-today and tomorrow［J］.Naval forces issue 2011－SUBCON2011，2011，32:117－119.

［7］王福豹，史龍，任豐原.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的自身定位系統(tǒng)和算法［J］.軟件學(xué)報，2005，16(5):857 －868.WANG Fu-bao，SHI Long，REN Feng-yuan.Self-localization systems and algorithms for wireless sensor networks［J］.Joural of Software，2005，16(5):857 －868.

［8］仇恩滄.抗氫鋼材的新發(fā)展［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，1995，16(3):1 －7.QIU En-cang.New development of anti－ hydrogen steel［J］.Petrochemical Equipment Technique，1995，16(3):1－7.

［9］GB4962－2008氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程［S］.GB4962－2008 Technical safety regulation for gaseous hydrogen use［S］.