涂 騰，胡 珀

(上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

氫氣-空氣混合氣體燃燒特性試驗(yàn)分析

涂 騰，胡 珀

(上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

為了保證嚴(yán)重事故下安全殼的完整性，氫氣點(diǎn)火器燃燒緩解措施被廣泛應(yīng)用于核電站內(nèi)。本文在1個(gè)20 m3立式圓柱罐體內(nèi)進(jìn)行9.28%濃度下的氫氣燃燒試驗(yàn)，結(jié)合GASFLOW數(shù)值模擬和其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)本次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了綜合分析。試驗(yàn)和模擬結(jié)果均表明：9.28%濃度下氫氣完全燃燒，罐體內(nèi)溫度和壓力快速增加；燃燒過(guò)程中罐體內(nèi)高溫氣體通過(guò)輻射傳熱、對(duì)流換熱和相變傳熱3種方式向罐體結(jié)構(gòu)散熱，使得罐體內(nèi)溫度和壓力隨時(shí)間逐漸降低，達(dá)到泄壓和冷卻的作用；燃燒過(guò)程有明顯的方向性，即點(diǎn)燃后火焰在浮力作用下沿罐體中心線(xiàn)向上傳播，到達(dá)頂部后轉(zhuǎn)而沿罐體四周向下燃燒，燃燒初期火焰速度為11.15 m/s；試驗(yàn)中由于內(nèi)部構(gòu)件的影響，火焰?zhèn)鞑ジ鼮閺?fù)雜。

氫氣燃燒試驗(yàn)；氫氣點(diǎn)火器；火焰?zhèn)鞑?/p>

壓水堆核電站發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)燃料包殼發(fā)生鋯水反應(yīng)可產(chǎn)生大量氫氣。氫氣燃燒可導(dǎo)致安全殼內(nèi)的溫度和壓力上升，尤其是高濃度時(shí)的氫氣爆炸可產(chǎn)生瞬時(shí)高溫、高壓，嚴(yán)重威脅安全殼的完整性。目前用于核電站的氫氣緩解措施包括點(diǎn)火器和復(fù)合器的應(yīng)用，可將嚴(yán)重事故下產(chǎn)生的氫氣通過(guò)燃燒和催化復(fù)合控制在低濃度水平。本文主要探究點(diǎn)火器緩解措施的有效性。

Lowry等[1]進(jìn)行了一系列氫氣燃燒試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)干混合氣體在8%～9%濃度下氫氣可完全燃燒，出現(xiàn)壓力峰值的驟升。Kumar等[2]研究了H2-Air-H2O混合氣體的燃燒特性。Tamm等[3]比較了電熱塞式點(diǎn)火器和Tayco點(diǎn)火器的性能，得出了不同水蒸氣濃度下的可點(diǎn)燃?xì)錃鉂舛鹊拈撝登€(xiàn)。Whitehouse等[4]研究了氫氣在濃度分層分布情況下的燃燒特性，并和均勻分布下的燃燒進(jìn)行了比較。Krause[5]總結(jié)燃燒過(guò)程的方向性，表明由于浮力的作用，燃燒開(kāi)始時(shí)向上和向下發(fā)展的極限濃度不同，分別為4%和9%。

為進(jìn)一步探究氫氣的燃爆機(jī)理，為我國(guó)核電站采用氫氣點(diǎn)火器作為氫氣風(fēng)險(xiǎn)緩解措施提供理論支持，本文在一中型壓力罐體內(nèi)進(jìn)行9.28%濃度下的氫氣燃燒試驗(yàn)，并結(jié)合GASFLOW程序模擬和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，研究氫氣燃燒特性。

1 試驗(yàn)裝置和流程

本試驗(yàn)在一體積約為20 m3的壓力容器內(nèi)進(jìn)行，罐體直徑為2.6 m，高為4.5 m，兩端為半橢球連接。工作平臺(tái)距罐體底部1 165 mm，點(diǎn)火器放置于工作平臺(tái)的中心位置，其高度為400 mm。試驗(yàn)過(guò)程中的溫度、氣體成分、壓力和火焰?zhèn)鞑サ臏y(cè)量點(diǎn)布置如圖1所示。各測(cè)量元件的具體參數(shù)列于表1。

試驗(yàn)時(shí)先向罐體內(nèi)填充氫氣，開(kāi)啟風(fēng)扇攪混使氫氣均勻分布并通過(guò)氣體分析儀監(jiān)測(cè)罐體內(nèi)的氫氣濃度。達(dá)到目標(biāo)氫氣濃度后關(guān)閉充氣管路，待上、下氫氣濃度分布均勻后關(guān)閉風(fēng)扇，開(kāi)啟點(diǎn)火器點(diǎn)燃?xì)錃?。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)束后開(kāi)啟罐體檢查各設(shè)備情況。試驗(yàn)時(shí)罐體內(nèi)氫氣實(shí)際濃度為9.28%，初始?xì)怏w壓力為0.1 MPa，初始溫度為276 K。

圖1 試驗(yàn)裝置和測(cè)量點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Scheme of test equipment and measuring points

表1 測(cè)量點(diǎn)具體位置Table 1 Arrangement of measuring points

2 GASFLOW程序簡(jiǎn)介和建模

GASFLOW程序是德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心(FZK)和美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)為研究核電站安全殼內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)研發(fā)的三維計(jì)算流體力學(xué)程序。該程序可求解多種氣體組分的非定?？蓧嚎sNavier-Stocks方程[6-7]。本文運(yùn)用GASFLOW對(duì)實(shí)際試驗(yàn)壓力容器建模。采用圓柱坐標(biāo)的結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格對(duì)罐體進(jìn)行劃分，為研究GASFLOW的網(wǎng)格敏感性，分別使用5×12×18、10×18×30和13×24×45 3種網(wǎng)格進(jìn)行模擬并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果列于表2。

不同網(wǎng)格情況下氫氣燃燒達(dá)到的平均溫度和壓力的極值差異很小(<0.1%)，為方便在GASFLOW模擬中對(duì)實(shí)際試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行取值比較，本文選用10×18×30網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，即徑向、周向和軸向分別劃分10、18和30個(gè)網(wǎng)格。罐體建模后的徑向切面圖如圖2所示。

表2 網(wǎng)格敏感性分析Table 2 Grid sensitivity analyses

3 結(jié)果分析

3.1 溫度和壓力對(duì)比

試驗(yàn)中，燃燒開(kāi)始后罐體內(nèi)氣體溫度和壓力迅速升高，達(dá)到極值后隨時(shí)間逐漸下降，說(shuō)明在試驗(yàn)中存在高溫氣體向罐體和相關(guān)結(jié)構(gòu)的能量耗散。為在GASFLOW模擬中引入氣體向罐體的散熱過(guò)程，假設(shè)鋼質(zhì)罐體厚度為2.3 cm，外壁面絕熱，壁面初始溫度和罐體內(nèi)氣體溫度一致為276 K。GASFLOW模擬的溫度和壓力結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3、4所示。

圖2 罐體模型徑向切面圖Fig.2 Radial section of tank model

圖3 GASFLOW模擬的溫度與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of temperature between GASFLOW simulation and test results

圖4 GASFLOW模擬的壓力和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of pressure between GASFLOW simulation and test results

由圖3、4可見(jiàn)，燃燒開(kāi)始后，各點(diǎn)溫度逐漸升高，且開(kāi)始升高時(shí)間和幅度差別不大，達(dá)到極值后開(kāi)始下降，壓力在6 s左右達(dá)到極值0.345 MPa。GASFLOW模擬中各點(diǎn)溫度在燃燒傳播到該點(diǎn)時(shí)幾乎瞬間升高，有明顯的先后順序，各點(diǎn)溫度在較高值浮動(dòng)，極值高于試驗(yàn)測(cè)量值，15 s左右燃燒結(jié)束后開(kāi)始下降，且下降速率逐漸降低，隨著時(shí)間延長(zhǎng)模擬結(jié)果下降到略低于試驗(yàn)結(jié)果的水平，壓力極值為0.283 MPa，壓力下降趨勢(shì)和試驗(yàn)結(jié)果相似。

經(jīng)分析，GASFLOW模擬與試驗(yàn)結(jié)果的差異應(yīng)是由實(shí)際試驗(yàn)中火焰?zhèn)鞑ヂ窂礁鼮閺?fù)雜的原因造成的。GASFLOW模擬計(jì)算中，氣體燃燒到達(dá)頂部后從上而下逐層遞進(jìn)燃燒，所以氣體內(nèi)部各點(diǎn)溫度升高有明確的先后順序?；鹧娓艚^了上部已燃燒的高溫氣體和下部未燃燒的低溫氣體，限制了冷熱空氣間的傳熱傳質(zhì)，使高溫區(qū)能達(dá)到的溫度極值偏高。而在實(shí)際試驗(yàn)中，火焰由于受到罐體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的擾亂傳播更為復(fù)雜，燃燒區(qū)與未燃燒區(qū)沒(méi)有非常明確的界限，冷熱空氣的混合熱交換較為劇烈，空間各點(diǎn)的溫度趨于均勻，也降低了各點(diǎn)可能達(dá)到的溫度極值?；鹧?zhèn)鞑サ膹?fù)雜性也增加了燃燒的速率，縮短了燃燒時(shí)間，使試驗(yàn)中壓力能達(dá)到的極值偏大。

在燃燒過(guò)程中一直伴隨著高溫氣體向罐體結(jié)構(gòu)散熱，燃燒結(jié)束后散熱過(guò)程可大幅降低氣體的溫度和壓力，達(dá)到冷卻和泄壓的作用。GASFLOW模擬表明，氫氣燃燒過(guò)程釋放的總熱量為2.05×107J。高溫氣體向罐體壁面的傳熱方式主要有3種：輻射傳熱、對(duì)流換熱和水蒸氣在壁面上冷凝的相變傳熱。氫氣燃燒釋放總熱量、壁面吸收總熱量和3種不同傳熱方式的傳熱量Q隨時(shí)間的變化如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，由于燃燒過(guò)程很快，能量在15 s內(nèi)全部釋放，使罐體內(nèi)的溫度和壓力迅速升高。開(kāi)始時(shí)高溫氣體和壁面間溫差很大，壁面吸收的熱量快速增加，隨溫差減小，熱量傳遞減慢。壁面吸收總熱量占燃燒釋放總熱量的比例在最后趨于平衡態(tài)時(shí)高達(dá)96%。對(duì)比3種不同的傳熱方式發(fā)現(xiàn)，輻射傳熱傳遞的熱量最多，為壁面吸收總熱量的48.7%，其次為對(duì)流換熱(36.2%)和相變傳熱(15.1%)。對(duì)壁面溫度變化分析發(fā)現(xiàn)，220 s時(shí)罐體壁面上各處溫度還未完全達(dá)到一致，最高溫升為6.3 K。在后續(xù)試驗(yàn)中可對(duì)壁面溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)以分析氣體向罐體的傳熱，但由于壁面溫升較小，選用的溫度傳感器要有很高的精度。

圖5 氫氣燃燒過(guò)程中各項(xiàng)熱量隨時(shí)間的變化Fig.5 Heat variation vs. time during hydrogen combustion

3.2 氫氣濃度變化對(duì)比

GASFLOW模擬與試驗(yàn)的氫氣濃度C(H2)變化對(duì)比如圖6所示，為方便比較，同時(shí)給出相應(yīng)的壓力變化。由圖6可見(jiàn)，在GASFLOW模擬計(jì)算中，燃燒開(kāi)始后罐體內(nèi)氫氣濃度快速降低到0，氫氣完全燃燒，同時(shí)壓力升高達(dá)到極值。在試驗(yàn)中氫氣濃度也快速降低，氣體分析儀顯示氫氣濃度甚至降低到0以下，這是由氣體分析儀在超低濃度情況下的測(cè)量誤差造成的。試驗(yàn)中氫氣也全部燃燒。但試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量的氫氣濃度變化滯后于壓力變化，圖6中，氫氣濃度還沒(méi)有開(kāi)始明顯下降時(shí)壓力就已達(dá)到極值，這是由氫氣濃度測(cè)量方式造成的。試驗(yàn)中，氫氣濃度是經(jīng)由罐體上部的氣體采樣口G不間斷的抽取氣體，經(jīng)干燥器后由氣體分析儀測(cè)出。氣體從罐體抽取到達(dá)氣體分析儀需要時(shí)間，所以得到的氫氣濃度不是罐體內(nèi)實(shí)時(shí)氫氣濃度，存在時(shí)間延時(shí)(約14 s)。在向罐體內(nèi)填充氫氣時(shí)，尤其需注意此延時(shí)情況，防止氫氣過(guò)量填充，最好是在保證風(fēng)扇開(kāi)啟情況下間隙性小流量地注入氫氣。

圖6 GASFLOW模擬與試驗(yàn)的氫氣濃度對(duì)比Fig.6 Comparison of hydrogen concentration between GASFLOW simulation and test results

圖6中氫氣濃度先出現(xiàn)一小幅增加后才開(kāi)始減少，這與試驗(yàn)流程有關(guān)。試驗(yàn)中向罐體填充氫氣需同時(shí)開(kāi)啟風(fēng)扇使氫氣擴(kuò)散并均勻分布，氫氣充完后關(guān)閉風(fēng)扇，開(kāi)啟氫氣點(diǎn)火器。點(diǎn)火器升溫到點(diǎn)燃?xì)錃庑枰欢〞r(shí)間，在此期間氫氣由于較輕會(huì)在罐體內(nèi)慢慢出現(xiàn)分層，底部濃度較低，頂部濃度較高，而氣體采樣口G在罐體頂部。在后續(xù)試驗(yàn)中可在罐體內(nèi)沿高度方向添加氣體采樣口，監(jiān)測(cè)氫氣的分層分布，同時(shí)也可進(jìn)行氫氣均勻分布和分層分布燃燒的對(duì)比。

3.3 光電二極管結(jié)果分析

為監(jiān)測(cè)火焰?zhèn)鞑サ姆较蚝退俣?，在罐體內(nèi)安裝了兩個(gè)光電二極管s1和s2，該光電二極管可將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～10 V的電信號(hào)。為使光電二極管只檢測(cè)所在水平平面的光信號(hào)，在光電二極管探頭上加裝了窄縫套筒保護(hù)套。

光電二極管的信號(hào)對(duì)比如圖7所示。由圖7a可見(jiàn)，燃燒開(kāi)始后，光電二極管檢測(cè)到火焰，其電壓信號(hào)迅速達(dá)到滿(mǎn)量程，維持一段時(shí)間后燃燒減弱，s2信號(hào)慢慢降低，趨近于0。試驗(yàn)測(cè)到的壓力在6 s左右達(dá)到極值，溫度在9 s左右下降，這與s2下降過(guò)程時(shí)間吻合。s1信號(hào)達(dá)到滿(mǎn)量程后一直穩(wěn)定在10 V，在燃燒結(jié)束一段時(shí)間后(25 s)才開(kāi)始下降。試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)s1的保護(hù)套發(fā)生燃燒熔化和變形現(xiàn)象，這是s1一直監(jiān)測(cè)到光信號(hào)的原因。

由圖7b可見(jiàn)，燃燒開(kāi)始后，s2信號(hào)較s1先升高，且s1信號(hào)比s2信號(hào)強(qiáng)。這說(shuō)明火焰?zhèn)鞑サ焦摅w中部的s2所在平面后再到達(dá)上部的s1平面，且火焰逐步增強(qiáng)，燃燒初期火焰由于浮力的影響從下向上傳播。而后兩個(gè)二極管的信號(hào)均出現(xiàn)下降，這是因?yàn)榛鹧胬^續(xù)向上傳播，s2與s1所在平面燃燒減弱。火焰?zhèn)鞑サ巾敳亢筠D(zhuǎn)而向下蔓延，依次通過(guò)s1與s2平面，導(dǎo)致s1信號(hào)較s2的提前升高達(dá)到滿(mǎn)量程。

GASFLOW模擬結(jié)果也證明燃燒過(guò)程有明顯的方向性。圖8示出燃燒過(guò)程中罐體內(nèi)溫度的分布?；旌蠚怏w被點(diǎn)燃后，火焰在浮力作用下沿罐體中心線(xiàn)向上傳播，到達(dá)頂部后沿罐體四周向下逐層遞進(jìn)燃燒。燃燒結(jié)束后罐體內(nèi)氣體溫度由于壁面熱阱的冷卻逐漸降低。

試驗(yàn)前期監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的變化如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，T2、T3和T4 3個(gè)熱電偶溫度升高的順序是T2早于T3，T3早于T4。這也說(shuō)明了燃燒在到達(dá)頂部后轉(zhuǎn)而向下傳播的特性。

通過(guò)光電二極管信號(hào)還可計(jì)算出燃燒初期火焰?zhèn)鞑サ乃俣取Ｈ紵_(kāi)始后火焰向上傳播先后經(jīng)過(guò)s2和s1平面，兩個(gè)光電二極管的電壓信號(hào)上升的時(shí)刻分別為1.835 4 s和1.956 4 s，兩者相差0.121 0 s，兩點(diǎn)間距為1 350 mm，考慮光電二極管保護(hù)套造成的距離誤差(±35 mm)，計(jì)算得到火焰初期的傳播速度為(11.15±0.58) m/s。

圖7 光電二極管的信號(hào)對(duì)比Fig.7 Comparison of signal for photoelectric diodes

圖9 試驗(yàn)前期溫度的變化Fig.9 Temperature variation during early stage of test

由以上分析可知，9.28%濃度下氫氣燃燒有先向上再轉(zhuǎn)而向下傳播的總體特性。但實(shí)際試驗(yàn)中由于罐體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在一定程度上擾亂了火焰?zhèn)鞑サ姆较?，使得火焰?zhèn)鞑ジ鼮閺?fù)雜。在圖7a中，s1與s2信號(hào)增加到10 V后均保持在滿(mǎn)量程直到燃燒減弱，說(shuō)明這段時(shí)間內(nèi)兩平面均在燃燒，火焰?zhèn)鞑ポ^為混亂，燃燒區(qū)和未燃燒區(qū)相互滲透，沒(méi)有非常明確的界限。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比

本文試驗(yàn)結(jié)果與其他試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比列于表3。由表3可見(jiàn)，濃度為9%～10%時(shí)氫氣基本完全燃燒，本試驗(yàn)罐體內(nèi)的壓力升高Δp與其他試驗(yàn)結(jié)果也非常接近。Whitehouse等[4]發(fā)現(xiàn)，9.28%濃度下氫氣點(diǎn)燃后6.2 s左右壓力達(dá)到極值，這與本試驗(yàn)6 s左右壓力達(dá)到極值相近。在后續(xù)試驗(yàn)中也可對(duì)不同氫氣濃度下達(dá)到壓力極值的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比研究。

表3 不同試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of results in different tests

4 結(jié)果討論

1) 9.28%濃度下氫氣完全燃燒，罐體內(nèi)溫度和壓力大幅增加。壓力升高為0.244 MPa，與其他試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)。

2) 試驗(yàn)中存在高溫氣體向罐體的散熱，傳遞的熱量從高到低分別由輻射傳熱、對(duì)流換熱和相變傳熱完成。此散熱過(guò)程可使氣體溫度與壓力隨時(shí)間逐漸降低，而罐體溫升較小。

3) 9.28%濃度下氫氣燃燒有明顯方向性?；鹧嬖诟×ψ饔孟卵毓摅w中心線(xiàn)先向上傳播，到頂部后轉(zhuǎn)而沿四周向下燃燒。燃燒初期火焰速度為11.15 m/s，為緩慢燃燒。實(shí)際試驗(yàn)中燃燒受罐體內(nèi)部構(gòu)件擾亂，火焰?zhèn)鞑ジ鼮閺?fù)雜。

[1] LOWRY W E, DAVIS B W. Final results of the hydrogen igniter experimental program[R]. US: Nuclear Regulatory Commission, 1982.

[2] KUMAR R K, TAMM H, HARRISON W C. Intermediate-scale combustion studies of hydrogen-air-steam mixtures[R]. USA: Electric Power Research Institute, 1984.

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Test Analysis of Combustion Mechanism for Hydrogen-air Mixture

TU Teng, HU Po

(SchoolofNuclearScienceandEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)

The hydrogen igniter combustion mitigation system is widely used in nuclear power plant for the purpose of ensuring the integrity of containment under severe accident. Combined with the numerical simulation using GASFLOW and other test data, the results obtained from the hydrogen combustion test carried out in a 20 m3cylinder with 9.28% hydrogen were analyzed. The results show that the hydrogen is completely consumed, leading to a rapid increase in temperature and pressure inside the tank. The heat could be transferred from the gas to the cylinder by three means: radiation, convection and phase change. This heat transfer process could largely reduce the temperature and pressure in the cylinder, resulting in cooling of the gas and depressurization of the tank. At the beginning of the combustion, the flame will propagate upward along the centerline of the cylinder as a result of buoyancy; once reaching the roof of the tank, it turns around and spreads downwards. The flame propagation speed is around 11.15 m/s. Under the influence of different internal structures in the test, the propagation of the flame is more complex.

hydrogen combustion test; hydrogen igniter; flame propagation

2014-06-24;

2014-11-24

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX06004-008)；國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011GB113006)

涂 騰(1990—)，男，貴州黔西南州人，碩士研究生，核科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)

TL364.1

A

1000-6931(2015)10-1792-06

10.7538/yzk.2015.49.10.1792