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)
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。
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)。
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]。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
[1]秦國(guó)軍,胡蔦慶,袁杰紅.氫泄漏檢測(cè)技術(shù)[M].北京:國(guó)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(yàn)技術(shù)[M].北京:國(guó)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(cè)[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(bào),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].