Tatizo kuu la utafiti: Hatari iko wapi katika vituo vya kujaza hidrojeni kioevu?

Hidrojeni inaonekana kama mbebaji muhimu wa nishati katika mpito wa nishati safi, haswa kwa sekta ya usafirishaji. Magari ya umeme ya seli za mafuta yana faida kama vile masafa marefu, kujaza haraka na hakuna uzalishaji wa kaboni kwenye kutolea nje. Hata hivyo, matumizi makubwa ya magari haya hayategemei tu teknolojia ya gari; miundombinu ya kujaza hidrojeni salama na yenye uwezo mkubwa lazima pia ianzishwe.

Vituo vya kujaza hidrojeni kioevu hutoa faida muhimu juu ya vituo vya hidrojeni vya gesi. Hidrojeni ya kioevu ina wiani mkubwa wa uhifadhi wa volumetric; Hiyo ni, hidrojeni zaidi inaweza kuhifadhiwa kwa kiasi sawa. Gharama ya usafiri inaweza kupungua, hidrojeni ya usafi wa juu inaweza kupatikana baada ya uvukizi, na shinikizo la kuhifadhi/usafiri linaweza kuwa chini kuliko mifumo ya hidrojeni ya gesi katika michakato fulani. Kwa hiyo, hidrojeni kioevu inachukuliwa kuwa chaguo thabiti kwa vituo vya hidrojeni vyenye uwezo mkubwa katika siku zijazo.

Hata hivyo, tatizo la usalama katika kiini cha utafiti hutokea kwa usahihi kutokana na hali ya kimwili nyuma ya faida hizi. Hidrojeni ya kioevu huhifadhiwa kwa joto la chini sana, katika hali ya cryogenic. Katika baadhi ya pointi katika kituo, awamu ya kioevu, uvukizi, awamu ya gesi ya shinikizo la juu, kubadilishana joto na kujaza gari huhusika katika mlolongo sawa wa mchakato. Hii inachanganya jinsi hidrojeni inavyoenea wakati uvujaji unatokea, jinsi inavyounda mchanganyiko unaoweza kuwaka, na wakati inaweza kugeuka kuwa moto wa ndege au, katika kesi ya kuchelewa kwa kuwasha, mlipuko.

Utafiti huo unasisitiza hasa baadhi ya mali kuu za hatari za hidrojeni. Kwa kuwa hidrojeni haina rangi na haina harufu, uvujaji ni vigumu kugundua moja kwa moja kwa hisia za binadamu. Nishati ya chini ya kuwasha ni karibu 0,02 mJ; hii ni thamani ya chini sana. Kwa kuongeza, mgawo wa usambazaji unaweza kufikia 6,11 × 10⁻⁵ m²/s. Hii ina maana kwamba hidrojeni inaweza kuchanganyika haraka na hewa na kuunda wingu linaloweza kuwaka chini ya hali zinazofaa. Katika mlinganisho wa kila siku, uvujaji wa hidrojeni unaweza kuunda eneo la hatari ambalo halionekani, halina harufu na huchanganyika haraka na hewa; hata hivyo, mlinganisho huu ni kurahisisha maudhui ya kiufundi ya utafiti. Tathmini halisi ya hatari ilifanywa kwa modeli na mahesabu ya uwezekano.

Pengo katika fasihi: Mpito wa moja kwa moja kutoka kwa vituo vya hidrojeni ya gesi hadi vituo vya hidrojeni kioevu haiwezekani

Mbinu na programu kama vile HAZOP, FMEA, uchanganuzi wa mti wa hitilafu, HyRAM+, Phast na Safeti zimetumika mara kwa mara katika tathmini ya hatari kwa vituo vya kujaza hidrojeni, hasa katika vituo vya hidrojeni vyenye gesi. Tafiti hizi zimeunda mbinu ya kukomaa kwa matukio ya uvujaji, moto wa ndege, mlipuko, mtaro wa hatari ya mtu binafsi na umbali wa kujitenga.

Hata hivyo, vituo vya kujaza hidrojeni kioevu havina hali sawa. Hapa, uhifadhi wa cryogenic, mabadiliko ya awamu, athari za joto la chini, vifaa vya shinikizo la juu, na mpito wa kioevu hadi gesi lazima uzingatiwe pamoja. Mfano wa hatari unaofanya kazi katika kituo cha hidrojeni ya gesi unaweza kuacha baadhi ya michakato muhimu ya kimwili inaposafirishwa moja kwa moja kwenye kituo cha hidrojeni kioevu. Kwa hivyo, pengo ambalo utafiti unataka kujaza fasihi ni kama ifuatavyo: Kuonyesha kwa mfumo jumuishi wa QRA ni mfumo gani ndio kitengo kikuu cha hatari katika vituo vya kujaza hidrojeni kioevu, ambayo kushindwa muhimu hukuza hatari zaidi, na ni hatua gani zinaweza kupunguza uwezekano wa kuvuja na ukali wa matokeo.

Mpaka wa kituo na mifumo iliyosomwa

Katika utafiti huo, kituo cha kujaza hidrojeni kioevu kilijadiliwa. Mchakato wa kituo; Inajumuisha hatua za kupakua hidrojeni kioevu kutoka kwa tanki, kuihifadhi, kuishinikiza na pampu ya nyongeza ya cryogenic, kuibadilisha kuwa hidrojeni ya gesi yenye shinikizo la juu kupitia evaporator na mchanganyiko wa joto, kuiweka kwenye benki ya silinda ya shinikizo la juu, baridi kabla na kujaza gari.

Katika utafiti, kituo kimegawanywa katika vitengo sita vya kazi:

• Hifadhi ya hidrojeni ya kioevu,
• Shinikizo la hidrojeni ya kioevu,
• Uvukizi na kubadilishana joto,
• Uhifadhi wa hidrojeni wa shinikizo la juu,
• Baridi ya kabla ya hidrojeni,
• Kujaza gari.

Kulingana na matokeo ya HAZOP na FMEA, mifumo minne muhimu ilichaguliwa kwa uchambuzi wa kina zaidi wa hatari: mfumo wa kuhifadhi hidrojeni kioevu, mfumo wa pampu ya nyongeza ya hidrojeni kioevu, benki ya silinda ya hidrojeni yenye shinikizo la juu na mfumo wa dispenser. Chaguo hili ni muhimu; kwa sababu utafiti hauchukulii kituo kizima kama sanduku moja la hatari, lakini kama mfumo wa uhandisi ambao vifaa tofauti vinachangia hatari kando.

HAZOP na FMEA zilionyesha nini?

HAZOP inachunguza kupotoka ambayo inaweza kutokea katika vigezo kama vile shinikizo, joto, mtiririko, na kiwango cha maji katika mchakato. Kwa mfano, hali kama vile "shinikizo la juu", "joto la chini", "hakuna mtiririko", "mtiririko wa nyuma" hutathminiwa pamoja na sababu na matokeo yanayowezekana katika kila nodi ya mchakato. Katika utafiti huo, kituo kiligawanywa katika nodi nane za uchambuzi na kupotoka kwa mchakato 61 na matukio 223 ya ajali yanayoweza kutokea yaliamuliwa kupitia nodi hizi.

Kati ya hali hizi 223, 171 i zimeainishwa kama hatari ndogo na 52 kama hatari ya kati. Hakuna hali iliyopatikana katika darasa la hatari kubwa au kubwa sana. Hata hivyo, matokeo haya haimaanishi kuwa "kituo ni salama kabisa". Kwa sababu hali za hatari za kati zimejilimbikizia nodi fulani. Hasa, uhifadhi wa hidrojeni kioevu, shinikizo la hidrojeni kioevu, uhifadhi wa hidrojeni wa shinikizo la juu na mifumo ya wasambazaji ilikuja mbele. Matukio ya hatari ya kati yalipatikana katika kila shinikizo la hidrojeni kioevu na nodes11 ya kuhifadhi hidrojeni ya shinikizo la juu.

FMEA inachunguza kushindwa katika kiwango cha vifaa na sehemu. Utafiti uligundua njia 231 za kushindwa na sababu 427 zinazowezekana za mifumo muhimu. Kulingana na matokeo ya FMEA, hakuna hali ya kushindwa kwa hatari kubwa; hata hivyo, kushindwa kwa hatari ya kati hujilimbikizia hasa kuvuja kwa valve, kuvuja kwa bomba, kushindwa kwa gasket, na kushindwa kwa sensorer. Ugunduzi huu ni muhimu: Usalama wa hidrojeni sio tu kuhusu matukio makubwa kama vile mlipuko wa tanki kubwa. Gasket, valve, muunganisho, sensor na kushindwa kwa bomba, ambayo inaonekana kuwa ya kawaida zaidi, inaweza kugeuka kuwa hatari kubwa za kuvuja na moto kwa njia ya mnyororo.

FMEA fomula ya kielezo cha hatari

Uhusiano kuu unaotumiwa kwa FMEA ya utabaka wa hatari katika utafiti ni:

[ RI = SI + PI ]

Hapa, RI inarejelea kielelezo cha hatari, SI kielezo cha ukali, PI inahusu uwezekano wa index ya tukio. Thamani SI inaonyesha jinsi kushindwa kunaweza kuwa kali, na thamani ya PI inaonyesha uwezekano wa kushindwa huku. Kwa mfano, ikiwa uvujaji mdogo ni wa mara kwa mara, PI inaweza kuwa juu; lakini ikiwa matokeo mabaya hayatarajiwi, SI inaweza kuwa chini. Kwa upande mwingine, katika hali ya nadra lakini mbaya, SI inaweza kuwa ya juu na PI ya chini. Utafiti ulitathmini vipimo hivi viwili pamoja na kugawanya njia za kushindwa katika madarasa ya chini, yanayokubalika, ya kati na ya juu.

Uchambuzi wa mti wa hitilafu: Hata tukio moja la msingi linaweza kuanzisha uvujaji

Baada ya kuamua mifumo muhimu na HAZOP na FMEA, uchambuzi wa mti wa makosa ulifanyika. Uchambuzi wa mti wa makosa unaonyesha ni mchanganyiko gani wa matukio ya kimsingi tukio la mzazi linaweza kutokea. Katika utafiti huu, tukio la mzazi ni kutolewa kwa hidrojeni kutoka kwa mfumo husika. Kwa mfano, kwa mfumo wa pampu ya nyongeza, tukio la juu linafafanuliwa kama "kutolewa kwa hidrojeni kutoka kwa mfumo wa pampu ya nyongeza ya hidrojeni kioevu".

Mti wa hitilafu ulioundwa kwa mfumo wa pampu ya nyongeza ulizingatia kushindwa kwa bomba, uharibifu wa mwili wa pampu, kushindwa kwa nyongeza ya pampu, sababu za kibinadamu, na uharibifu wa mtu wa tatu. Matukio muhimu yaliyotambuliwa katika utafiti kutoka X1 hadi X27 ni pamoja na kutu ya bomba, kushindwa kwa muunganisho, kushindwa kwa valve ya kudhibiti shinikizo, kushindwa kwa insulation, shida ya ubora wa pampu, kasoro ya muundo, kushindwa kwa nyenzo za gasket, usakinishaji usiofaa wa gasket, uvujaji wa flange, uvujaji wa shina la valve, sifa duni za wafanyikazi wa ujenzi, udhibiti duni wa kutu, matumizi duni ya kulehemu, ukaguzi duni wa kukubalika, ukosefu wa matengenezo, ukosefu wa usimamizi wa usalama, na majanga ya asili.

Katika mti wa hitilafu ya pampu ya nyongeza, 26 vikundi vidogo vya kukatiza vilipatikana. Kati ya thesei 25 zinajumuisha tukio moja; moja tu ni matukio mawili. Hii inaonyesha kuwa mfumo unaweza kuathiriwa na kushindwa moja wakati fulani. Kwa maneno mengine, moja ya matukio maalum ya kimsingi pekee ina uwezo wa kuanzisha tukio la mzazi, yaani, kutolewa kwa hidrojeni. Ugunduzi huu unaweka wazi kwa nini tabaka za michakato ya ulinzi na uhakikisho wa ubora ni muhimu.

Hapa kuna matukio matatu muhimu ambayo utafiti unaangazia hasa kwa mfumo wa pampu ya nyongeza:

• X20: Usimamizi duni wa ujenzi/kukubalika,
• X1: Uharibifu wa kutu wa bomba,
• X7: Kushindwa kwa nyenzo za gasket.

Matukio haya matatu yalizingatiwa kuwa kipaumbele katika mkakati wa kupunguza hatari kwa sababu yalichangia juu katika suala la uwezekano na umuhimu. Hatua hii huongeza thamani ya vitendo ya utafiti: Inaonyesha kuwa hatari inatokana sio tu na "hatari ya hidrojeni", lakini pia kutoka kwa michakato halisi ya uhandisi kama vile ukaguzi, vifaa, kulehemu, unganisho, kutu na matengenezo.

Mantiki ya mahesabu ya uwezekano

Katika utafiti, uwezekano wa kimsingi wa tukio uliamuliwa kwa njia mbili. Kwa sensorer, valves za usalama, valves za kudhibiti, na vifaa sawa, makadirio ya uwezekano wa msingi wa hifadhidata yalifanywa kwa kutumia hifadhidata OREDA na data HIAD 2.1 tukio la hidrojeni. Kwa matukio yenye data dhaifu ya takwimu, maoni ya wataalam na hisabati isiyoeleweka iliunganishwa.

Moja ya fomula muhimu zinazotumiwa katika makadirio ya kiwango cha kutofaulu kwa msingi wa hifadhidata ni:

\[ \bar{\lambda}=\frac{1}{\sum_{i=1}^{k}\frac{1}{\frac{\lambda_i}{\tau_i}+\hat{\sigma}_i^2}}\times\sum_{i=1}^{k}\left(\frac{1}{\frac{\lambda_i}{\tau_i}+\hat{\sigma}_i^2}\times\frac{n_i}{\tau_i}\right) \]

Hapa, \bar{\lambda} inarejelea kiwango cha wastani cha kushindwa kwa aina fulani ya sehemu, \lambda_i kiwango cha kushindwa kilichoripotiwa kwa sampuli i, \hat{\sigma}_i makadirio ya kupotoka kwa kawaida ya mfano husika, n_i idadi ya kushindwa na \tau_i inahusu wakati wa uendeshaji. Wazo la msingi la fomula ni kupata kiwango kizuri zaidi cha wastani cha kutofaulu kwa kupima data ya kutofaulu kutoka kwa vyanzo tofauti pamoja na kutokuwa na uhakika kwao.

Uhusiano unaotumiwa kwa uwezekano wa kushindwa kwa kitengo katika vipengele vinavyoweza kurekebishwa ni kama ifuatavyo:

\[ F=\frac{\lambda}{\lambda+\mu}\approx\frac{\lambda}{\mu}=\lambda t \]

Hapa, F inarejelea uwezekano wa kushindwa, \lambda kiwango cha kushindwa kwa uzito, \mu kiwango cha ukarabati na t inarejelea wastani wa muda wa ukarabati. Kwa kuwa thamani ya \lambda inachukuliwa kuwa ndogo sana kuliko thamani ya \mu katika utafiti, usemi ni takriban F ≈ λt fomu. Hii inamaanisha kuwa kiwango cha juu cha kushindwa na wakati wa juu wa ukarabati, uwezekano mkubwa kwamba sehemu hiyo itakuwa katika hali ya kasoro.

Uwezekano wa tukio la juu katika mti wa makosa ulihesabiwa juu ya seti ndogo za kupunguzwa:

\[ P(T)=P\left(\bigcup_{j=1}^{n}K_j\right) \]

Hapa, P(T) inarejelea uwezekano wa tukio la juu, yaani, kutolewa kwa hidrojeni kutoka kwa mfumo; K_j inahusu seti ndogo ya kukatiza j. Nguzo ndogo ya kukatiza ni mchanganyiko mdogo wa matukio ya msingi ambayo yanatosha kutoa tukio la mzazi. Ikiwa mfumo una makundi mengi ya kukatiza ya tukio moja, mfumo unahusika zaidi na kushindwa moja.

Uwezekano wa tukio la juu uliohesabiwa katika utafiti ni kama ifuatavyo:

Katika jedwali hili, uwezekano wa tukio la juu kwa mfumo wa dispenser unaonekana kuwa wa juu zaidi kwa nambari. Hata hivyo, katika tathmini jumuishi ya hatari ya utafiti, kitengo kikubwa cha hatari kilichaguliwa kama mfumo wa pampu ya nyongeza. Sababu ya hii sio tu uwezekano wa kutolewa; kiwango cha kutolewa, upana wa wingu linaloweza kuwaka, eneo la mionzi ya moto wa ndege na mtaro wa hatari ya mtu binafsi hutathminiwa pamoja. Kwa maneno mengine, mfumo muhimu zaidi sio lazima uwe mfumo wenye uwezekano mkubwa zaidi peke yake; uwezekano na ukali wa matokeo ni maamuzi pamoja.

Uundaji wa matokeo: Kwa nini hali ya uvujaji wa 5 mm ni muhimu?

Katika utafiti huo, kipenyo sawa cha uvujaji wa 5 mm kilichaguliwa kama uvujaji mdogo wa shimo. Uvujaji wa shimo ndogo ni hali ya maana katika uchambuzi wa hatari ya uhandisi kwani inaweza kuwa sehemu kubwa ya matukio ya kuzuia yaliyopotea. Katika utafiti, vigezo tofauti vya utoaji vilifafanuliwa kwa mifumo minne:

Kiwango cha mtiririko wa kutolewa kwa hidrojeni, mtawanyiko wa ndege, mionzi ya moto wa ndege, na shinikizo la mlipuko baada ya kuchelewa kuwasha lilihesabiwa kwa kutumia HyRAM+ 5.1. Hifadhidata ya CoolProp ilitumika kwa mali ya thermophysical. Kuna kizuizi cha kuzingatia hapa: Uchambuzi wa mwisho wa utafiti ulilenga usambazaji wa baada ya mvuke, mwako, na mlipuko wa hidrojeni; haikufafanua juu ya kuangaza au mtiririko wa awamu mbili karibu na orifice. Matoleo ya hidrojeni ya kioevu ya Cryogenic yaliigwa kwa kiwango cha uhandisi kama ndege ya hidrojeni ya gesi iliyovukizwa baada ya orifice.

Kiwango cha kutolewa kwa wingi na mfano wa ndege

Muundo wa orifice ya thermodynamic unaotumiwa katika HyRAM+ huchukulia mtiririko kupitia sehemu ya kuvuja kuwa isiyoeleweka. Mahusiano ya kimsingi yanayotumiwa katika kuhesabu kasi ya orifice na kiwango cha mtiririko wa wingi ni:

\[ \frac{v^2}{2}+h=h_0 \]

\[ \dot{m}=\frac{\pi}{4}d^2m''C_d=\frac{\pi}{4}d^2\rho vC_d \]

Hapa, v inarejelea kasi ya orifice, h_0 enthalpy ya kushuka kwa uchumi wa juu, h enthalpy maalum kwenye orifice, \dot{m} kiwango cha kutolewa kwa wingi, d kipenyo sawa cha uvujaji, \rho Uzito wa maji na C_d Inaonyesha mgawo wa kutokwa. Fomula ya kwanza inawakilisha usawa wa nishati: Sehemu ya shinikizo na nishati ya joto ya maji hubadilishwa kuwa kasi katika hatua ya kuvuja. Fomula ya pili huhesabu ni kilo ngapi za hidrojeni hutolewa kwa sekunde juu ya eneo hili la kasi, wiani na orifice.

Profaili za radial zinazofanana na Gaussian zilitumika kwa kasi, msongamano, na sehemu ya molekuli ya hidrojeni katika uenezi wa ndege ya hidrojeni:

\[ v=v_{cl}\exp\left(-\frac{r^2}{B^2}\right) \]

\[ \rho=(\rho_{cl}-\rho_{amb})\exp\left(-\frac{r^2}{\lambda^2B^2}\right)+\rho_{amb} \]

\[ \rho Y=\rho_{cl}Y_{cl}\exp\left(-\frac{r^2}{\lambda^2B^2}\right) \]

Hapa, r inarejelea umbali wa radial kutoka kituo cha ndege, B ndege ina upana wa nusu, \lambda uwiano kati ya upana wa kuenea kwa wiani na upana wa kuenea kwa kasi, Y sehemu ya molekuli wa hidrojeni, cl hali ya katikati na amb inahusu hali ya mazingira. Fomula hizi zinaonyesha kuwa hidrojeni ni mnene na haraka katika kituo cha ndege, ikipungua kwa mkusanyiko na kasi inaposonga mbali na katikati.

Moto wa ndege na mionzi ya joto

Ikiwa uvujaji wa hidrojeni unawaka mara moja, moto wa ndege hutokea. Moto wa ndege ni mwako wa hidrojeni kutoka kwa kiwango cha uvujaji wa shinikizo la juu hadi kwenye ndege inayowaka. Katika kesi hii, athari muhimu zaidi ya kuua ni mionzi ya joto. Katika utafiti, uwiano wa urefu wa moto katika HyRAM+ na mfano wa mionzi yenye uzani wa vyanzo vingi ulitumika kwa urefu wa moto wa ndege na mionzi ya joto.

Urefu wa moto usio na mwelekeo unaonyeshwa kama:

\[ L^*=\begin{cases}\frac{13.5Fr^{2/5}}{(1+0.07Fr^2)^{1/5}}, & Fr<5\\ 23, & Fr>5 \end{cases} \]

Hapa, L* inarejelea urefu wa moto usio na mwelekeo, Fr Inahusu nambari ya froude. Nambari ya froude inaonyesha jinsi kasi ya ndege inavyotawala ikilinganishwa na athari ya uvutano. Katika jeti za kasi ya juu, moto unaweza kuenea zaidi; katika hali ya kasi ya chini, buoyancy na athari za uvutano huathiri jiometri ya moto zaidi.

Uhusiano unaotumiwa katika hesabu ya mionzi ya joto ni kama ifuatavyo:

\[ q=\tau S_{rad}\frac{V_F}{A_f} \]

\[ S_{rad}=X_{rad}\dot{m}_{fuel}\Delta H_c \]

Hapa, q inarejelea mtiririko wa mionzi ya joto kwenye hatua inayolengwa, \tau upenyezaji wa angahewa, V_F sababu ya maono, A_f eneo la uso wa moto, S_{rad} jumla ya nguvu ya mionzi, X_{rad} sehemu ya mionzi, \dot{m}_{fuel} kiwango cha mtiririko wa wingi wa mafuta na \Delta H_c inahusu joto la mwako. Kwa ufupi, kadiri kiasi cha hidrojeni na nishati ya mwako kinachotolewa kutokana na uvujaji kinapoongezeka, joto linalotolewa na moto kwenye mazingira pia huongezeka. Joto hili linaweza kusababisha uharibifu kwa watu wa karibu, vifaa, vifaa vya plastiki, nyuso za mbao, na mifumo ya usalama.

Kuchelewa kuwasha na shinikizo la mlipuko

Ikiwa hidrojeni haiwaki mara moja, wingu linaloweza kuwaka linaweza kuunda kwanza. Ikiwa wingu hili litakutana na chanzo cha kuwasha, shinikizo la juu linaweza kutokea kama matokeo ya mlipuko au mwako wa haraka. Katika utafiti, shinikizo la mlipuko baada ya kuchelewa kuwasha lilihesabiwa na mfano wa Baker-Strehlow-Tang.

Wingu linaloweza kuwaka, nishati ya mwako, na uhusiano wa umbali uliopunguzwa hutolewa kama ifuatavyo:

\[ m_{flam}=\int_{S=0}^{S=\infty}\left(\int_{r_Y=Y_{UFL}}^{r_Y=Y_{LFL}}\rho Y2\pi r\,dr\right)ds \]

\[ E_{flam}=k_{reflection}m_{flam}\Delta H_c \]

\[ R^*_{BST}=\frac{R}{(E_{flam}/P_{ambient})^{1/3}} \]

\[ P^*=\frac{P_s}{P_{ambient}} \]

Hapa, m_flam inarejelea wingu linaloweza kuwaka, Y_LFL na Y_UFL sehemu za wingi kwenye mipaka ya chini na ya juu ya kuwaka kwa hidrojeni, E_flam nishati ya mwako, k_reflection mgawo wa kutafakari ardhini, R umbali kutoka kituo cha mlipuko hadi lengo, P_s shinikizo la kilele na P_ambient inahusu shinikizo la mazingira. Mfano huu hukokotoa athari ya mlipuko kulingana na wingi wa hidrojeni, nishati, na umbali unaolengwa katika safu inayoweza kuwaka, sio tu uwepo wa wingu.

Hitimisho: Kwa nini mfumo wa pampu ya nyongeza ulijitokeza

Viwango vya juu vya kutolewa kwa hidrojeni vilivyokokotolewa kwa mifumo minne muhimu ni kama ifuatavyo:

Matokeo haya yanaonyesha wazi kwa nini mfumo wa pampu ya nyongeza umekuwa muhimu. Shinikizo la 100 MPa na hali ya cryogenic kwenye plagi ya pampu ya nyongeza chini ya kipenyo sawa cha uvujaji wa 5 mm imesababisha kiwango cha juu zaidi cha kutolewa kwa wingi. Kutolewa kwa kilo 2,23 za hidrojeni kwa sekunde kunaweza kuunda wingu kubwa linaloweza kuwaka na uwanja mkubwa wa mionzi ya mafuta, hata kwa uvujaji mdogo wa 5 mm.

Upanuzi wa wingu linaloweza kuwaka uliohesabiwa kulingana na asilimia 4 ya kiasi cha kikomo cha kuwaka kwa hidrojeni ni kama ifuatavyo:

Katika mfumo wa pampu ya nyongeza, upanuzi wa usawa wa wingu linaloweza kuwaka umefikia 36,89 m. Hii ni thamani muhimu kwa uwekaji wa kituo, nafasi ya vifaa, eneo la wafanyikazi, maeneo ya kusubiri gari, na mfiduo wa umma karibu na mpaka wa tovuti. Maeneo ya sehemu ya mole ya hidrojeni yaliyoonyeshwa katika uchunguzi yanaonyesha kuwa hidrojeni husafiri kwa mkusanyiko mkubwa kando ya mhimili wa ndege na kisha hupunguza kwa kuchanganya na hewa inayozunguka. Mtaro mweupe unawakilisha kikomo cha chini cha kuwaka kwa kila kiasi cha 4. Eneo ndani ya mtaro huu linachukuliwa kuwa hatari kwa moto au mlipuko ikiwa kuna chanzo kinachofaa cha kuwasha.

Katika uchambuzi wa moto wa ndege, mfumo wa pampu ya nyongeza ulitoa tena eneo kubwa zaidi la athari. Kipenyo cha takriban cha eneo lililo juu ya 1,6 kW/m² hutolewa kama 72 m. Kwa kuongezea, maeneo yanayozidi vizingiti vya 4, 12,5 na 25 kW/m² katika mfumo wa pampu ya nyongeza yalihesabiwa kama 1385 m², 531 m² na 227 m², mtawalia. Kulingana na vizingiti vilivyotumiwa katika utafiti, asilimia 100 inaweza kuwa mbaya kwa mfiduo wa 37,5 kW/m² 1 dakika, 25 kW/m² ni muhimu sana katika suala la jeraha kubwa na matokeo mabaya katika mfiduo wa muda mrefu, 12,5 kW/m² ni muhimu katika suala la kuchoma na uharibifu wa nyenzo, na kW/m² 4 iko katika kiwango ambacho kinaweza kusababisha maumivu katika mfiduo mrefu zaidi ya sekunde 20.

Kwa upande wa shinikizo la mlipuko, matokeo ya utafiti ni tofauti. Katika hali za kuwasha na kuchelewa kwa sekunde 60, shinikizo la kilele lilibaki chini ya 25 kPa katika hali zote. Athari za wafanyikazi zilitathminiwa zaidi kama majeraha madogo, na athari ya kituo ilitathminiwa zaidi kama uharibifu mdogo kama kuvunjika kwa glasi. Kwa sababu hii, mionzi ya moto wa ndege ilichaguliwa kama utaratibu kuu katika suala la hatari katika hesabu ya hatari ya mtu binafsi ya utafiti.

Hesabu ya hatari ya mtu binafsi: Hatari ya kila mwaka ya mtu ya kifo wakati fulani

Hatari ya mtu binafsi inahusu uwezekano kwamba mtu ambaye yupo kila wakati wakati fulani atapata athari mbaya kwa mwaka. Fomula ya msingi iliyotumiwa katika utafiti ni:

\[ IR(x,y)=\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{m}f_{i,j}d_{i,j}(x,y) \]

Hapa, IR(x,y) inarejelea hatari ya mtu binafsi katika hatua na kuratibu (x,y), f_i,j i mzunguko wa kila mwaka wa ajali ya j hutoka kwa chanzo, d_i,j(x,y) inahusu uwezekano wa kifo cha masharti wakati huo huo. Kwa hivyo fomula hii inazidisha mambo mawili: Ni mara ngapi ajali inaweza kutokea, na ikiwa itatokea, inaweza kuwa mbaya kiasi gani kwa mtu katika hatua fulani?

Thamani za athari za kimwili, i.e. mionzi ya joto au shinikizo la mlipuko, zilibadilishwa kuwa uwezekano wa kifo na mfano wa probit:

\[ d_i=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{Y-5}\exp\left(-\frac{u^2}{2}\right)du \]

Hapa, d_i inarejelea uwezekano wa kifo, Y kutofautiana kwa probit na u tofauti muhimu. Uhusiano wa kipimo unaotumiwa katika utafiti wa mionzi ya joto ni kama ifuatavyo:

\[ Y=-37.23+2.56\ln D \]

\[ D=I^{1.33}t_s \]

Hapa, D inarejelea kipimo hatari, I mtiririko wa mionzi ya joto na t_s inahusu wakati wa mfiduo. Katika utafiti, wakati wa mfiduo ulichukuliwa kama sekunde 60 na hatari ya mtu binafsi ilihesabiwa katika kila kituo cha seli kwa kugawanya pembezoni mwa kituo katika seli 5 m × 5 m za mraba.

Uainishaji wa hatari: Darasa D2 linamaanisha nini?

Katika utafiti huo, uwezekano wa moto wa ndege na ukali wa matokeo ulitathminiwa pamoja. Uwezekano wa moto wa ndege ulihesabiwa kama ifuatavyo:

Kwa upande wa athari za wafanyikazi, msongamano wa idadi ya watu wa ndani ulikubaliwa kama 0,003 mtu/m² katika utafiti. Chini ya dhana hii, idadi ya vifo, majeraha mabaya na majeraha madogo kwa mfumo wa pampu ya nyongeza ilihesabiwa kama 1, 2 na 4, mtawalia. Idadi ya vifo katika benki ya silinda ya shinikizo la juu na mifumo ya wasambazaji ilitolewa kama 0, 1 ya majeraha mabaya, na 2 ya majeraha madogo. Katika mfumo wa uhifadhi wa hidrojeni kioevu, kifo, jeraha kubwa na jeraha dogo ni takriban sifuri katika hali hii.

Uainishaji wa hatari jumuishi ni kama ifuatavyo:

Jedwali hili linafanya matokeo kuu ya utafiti kuwa wazi: Mfumo wa pampu ya nyongeza umekuwa muhimu sio tu kwa suala la uwezekano lakini pia kwa suala la ukali wa matokeo na umekuwa mfumo pekee katika darasa la hatari ya kati kati ya mifumo minne. Kwa sababu hii, ramani ya hatari ya mtu binafsi na chaguzi za kupunguza hatari katika kiwango cha kituo zilitathminiwa kupitia mfumo huu.

ALARP na hatari ya umma: Kwa nini ni muhimu nje ya mpaka wa uwanja?

Katika utafiti huo, mbinu ALARP na hatua za hatari za mtu binafsi HSE Uingereza zilitumika kwa kukubalika kwa hatari. Kikomo cha juu kinachoweza kuvumiliwa kwa wafanyikazi kilichukuliwa kama miaka 1 × 10⁻³⁻¹, kikomo cha juu kinachoweza kuvumiliwa kwa umma kilichukuliwa kama miaka 1 × 10⁻⁴⁻¹, na kizingiti kipana kinachokubalika kwa vikundi vyote viwili kilichukuliwa kama miaka 1 × 10⁻⁶⁻¹.

Hatari ya mtu binafsi karibu na pampu ya nyongeza imefikia mpangilio wa miaka 10⁻⁴⁻¹. Hatari ya mfanyakazi ndani ya kituo kwa ujumla imesalia ndani ya eneo linaloweza kuvumiliwa, wakati eneo la ujenzi wa kituo limeshuka chini ya kiwango cha 10⁻⁷ mwaka⁻¹. Walakini, katika maeneo mengine ya karibu nje ya mpaka wa tovuti, hatari kwa umma imezidi kigezo cha kukubalika kwa mwaka 1 × 10⁻⁴⁻¹. Ugunduzi huu ni moja wapo ya ujumbe muhimu zaidi wa usalama wa utafiti: Ubunifu ambao unaonekana kukubalika kwa wafanyikazi ndani ya kituo unaweza kusababisha hatari isiyokubalika kwa umma nje ya mpaka wa tovuti.

Matokeo haya pia ni muhimu kwa maisha ya kila siku. Vituo vya kujaza hidrojeni sio tu vifaa vya viwandani na wafanyikazi wa kiufundi; katika maeneo ya mijini au karibu na korido za usafirishaji, watumiaji wa gari, wafanyikazi wa huduma, watembea kwa miguu na maeneo ya jirani wanaweza pia kuathiriwa. Tathmini ya hatari kwa hivyo inapaswa kuangalia sio tu kile kilicho ndani ya vifaa, lakini pia athari za uvujaji unaomwagika nje ya mpaka wa kituo.

Kupunguza hatari: Kupunguza uwezekano au kupunguza matokeo?

Katika utafiti, kupunguza hatari kulitathminiwa kutoka kwa mambo mawili makuu: kupunguza uwezekano wa kuvuja na kupunguza ukali wa matokeo. Matokeo bora yalipatikana kwa kutumia njia hizi mbili pamoja.

Matukio muhimu muhimu kwa mfumo wa pampu ya nyongeza, X20, X1, na X7 yanalengwa. X20, mfumo wa kukubalika kwa mchakato mzima kwenye vifaa na mabomba unapendekezwa kwa usimamizi duni wa ujenzi na kukubalika. Katika muktadha huu, ubora wa weld, mpangilio wa flange, uimarishaji wa mfumo, na rekodi za ukaguzi zinazoweza kufuatiliwa zinaangaziwa. X1, vifaa vya cryogenic na sugu ya kutu kwa kutu ya bomba, ulinzi ulioimarishwa katika maeneo nyeti kama vile viwiko na welds, ufuatiliaji wa mkusanyiko wa hidrojeni, kipimo cha unene wa ukuta, na ukaguzi wa mara kwa mara wa borescope unapendekezwa. X7, halijoto ya cryogenic na nyenzo za muhuri zinazostahimili shinikizo la juu, jiometri iliyoboreshwa ya kuziba, na mpango wa uingizwaji wa kuzuia unapendekezwa kwa kushindwa kwa nyenzo za muhuri.

Wakati hatua hizi zilitekelezwa, uwezekano wa kutolewa kwa pampu ya nyongeza ulipunguzwa hadi 1 × 10⁻³ na uwezekano wa moto wa ndege ulipunguzwa hadi 5,3 × 10⁻⁵. Hii inaonyesha kuwa hatua za kupunguza uwezekano hupunguza sana ramani ya hatari. Walakini, utafiti huo pia ulisema kuwa kupunguza uwezekano peke yake hauondoi mtaro wote wa hatari.

Kwa upande wa kupunguza matokeo, kuongeza urefu wa ufungaji wa pampu ya nyongeza kulichunguzwa. Hatua hii ilisaidia kupunguza mkusanyiko wa hidrojeni karibu na ardhi na kupunguza mtaro wa hatari kwa miaka 10⁻⁴ na 10⁻⁶. Hasa, ukweli kwamba mtaro wa miaka 10⁻⁴⁻¹ ulibaki kwa kiasi kikubwa ndani ya mpaka wa kituo ulionekana kuwa chanya katika suala la hatari ya umma. Hata hivyo, hii pekee haikutoa upunguzaji mkubwa wa hatari.

Njia bora zaidi ni kutekeleza hatua za kupunguza mzunguko na kupunguza matokeo pamoja. Katika utafiti huo, ilionyeshwa kuwa baada ya hatua za pamoja, hatari ya mtu binafsi nje ya tovuti na jumla ya hatari ya hatari ilipungua zaidi ya hatua za mtu binafsi. Kama matokeo, usimamizi wa hatari katika vituo vya kujaza hidrojeni kioevu haipaswi kuachwa tu kwa njia ya "wacha tuweke kizuizi ikiwa kuna uvujaji"; inapaswa kuungwa mkono na ubora, nyenzo, matengenezo, ufuatiliaji na hatua za udhibiti wa kukubalika ambazo hupunguza uwezekano wa kuvuja kwanza.

Nguvu za utafiti

Moja ya nguvu za utafiti huu ni kwamba haiishii kwenye utambuzi wa hatari ya ubora. Hatari ziliamuliwa kwa HAZOP na FMEA, michango muhimu ya matukio ilihesabiwa kwa uchanganuzi wa mti wa makosa, matokeo ya kimwili yaliigwa na HyRAM+, na mtaro wa hatari ya mtu binafsi ulitolewa katika hatua ya mwisho. Kwa hivyo, utafiti hutoa mfumo jumuishi unaoendelea kutoka kwa swali "ni mfumo gani ni hatari?" hadi "ni kushindwa gani kimsingi, na matokeo gani ya kimwili, ni katika eneo gani linaleta hatari isiyokubalika?".

Nguvu nyingine ni kwamba mapendekezo ya kupunguza hatari yanatokana moja kwa moja na matokeo ya uchambuzi. Kwa mfano, mapendekezo ya ukaguzi wa kukubalika kwa ujenzi, kutu ya bomba, na kushindwa kwa nyenzo za muhuri sio mapendekezo ya jumla ya usalama; zinapewa kipaumbele kwa sababu zinachangia thamani ya juu katika mti wa makosa ya pampu ya nyongeza. Vile vile, mpangilio wa vifaa, uingizaji hewa, na ulinzi wa mionzi unategemea wingu na nyayo za mionzi ya joto katika matokeo ya HyRAM+.

Mapungufu ya utafiti

Mapungufu ya utafiti yenyewe yanapaswa kusomwa kwa uangalifu. Kwanza kabisa, ni mwakilishi tu wa hali ya kuvuja 5 mm iliyoundwa. Kupasuka kwa bomba la kipenyo kikubwa, uvujaji mdogo wa muda mrefu, au hali ngumu ambapo vifaa vingi vinashindwa pamoja hazijachunguzwa kwa uwazi. Kwa hivyo, matokeo hayapaswi kuonekana kama ramani kamili ya matukio yote ya ajali.

Kizuizi cha pili ni kwamba uwezekano wa tukio la msingi hubadilishwa kutoka kwa hifadhidata za umma au kukadiriwa na maoni ya wataalam. Wakati data ya OREDA na HIAD 2.1 inatumiwa, data ya uendeshaji maalum kwa vituo vya kujaza hidrojeni kioevu inaweza kuwa mdogo. Hii inaleta kutokuwa na uhakika katika uwezekano wa mti wa makosa.

Kizuizi cha tatu ni utatuzi wa kina wa mtiririko wa awamu mbili karibu na kuangaza na orifice katika matoleo ya cryogenic. Utafiti huo uliiga kutolewa baada ya uvukizi kama ndege sawa ya hidrojeni ya gesi. Njia hii inatoa tathmini ya maana katika kiwango cha uhandisi; hata hivyo, inaweza kuhitaji kuongezewa na mifano ya msingi wa CFD katika siku zijazo kwa fizikia ya mtiririko wa kina.

Nne, utafiti ni uchapishaji wa awali na haujapitiwa na rika. Kwa hivyo matokeo yanapaswa kuonekana kama uchambuzi muhimu wa kiufundi, lakini haipaswi kuwasilishwa kama kiwango dhahiri cha viwanda au ushahidi wa uwanja uliothibitishwa.

Umuhimu kwa zamani, sasa na siku zijazo

Hapo awali, tafiti nyingi za usalama wa hidrojeni zilizingatia vituo vya kujaza hidrojeni ya gesi. Utafiti huu unajaribu kupunguza pengo la maarifa katika eneo hili kwa kuzingatia hali ya cryogenic, shinikizo la juu, na mabadiliko ya awamu maalum kwa vituo vya kujaza hidrojeni kioevu pamoja.

Kwa mtazamo wa leo, sio tu uwezo na gharama lakini pia mpangilio, ubora wa vifaa, matengenezo, ufuatiliaji, kutengwa kwa dharura, uingizaji hewa na hatari ya umma lazima izingatiwe katika muundo tangu mwanzo kwa ukuaji salama wa miundombinu ya kujaza hidrojeni. Utambulisho wa utafiti wa mfumo wa pampu ya nyongeza kama kitengo muhimu ni onyo linalotumika moja kwa moja kwa wabunifu na waendeshaji.

Kwa siku zijazo, tathmini kama hizo za hatari zinaweza kuchangia upelekaji salama wa vituo vya kujaza hidrojeni katika miktadha tofauti, kama vile mijini, barabara kuu, kituo cha vifaa au miundombinu ya gari nzito. Mfumo huu unaweza kuimarishwa zaidi na data halisi zaidi ya biashara, uundaji wa kina wa mtiririko unaoungwa mkono na CFD, curves za hatari za kijamii na uchambuzi wa faida ya gharama.

Athari kwa maisha ya kila siku ni kama ifuatavyo: Kuenea kwa magari ya hidrojeni haitegemei tu mafanikio ya teknolojia ya gari. Miundombinu inahitajika ambapo watu wanaweza kujaza mafuta kwa usalama, wafanyikazi wa vituo wanaweza kulindwa, na hatari ya umma katika maeneo jirani huwekwa katika kiwango kinachokubalika. Utafiti huu hauchukulii tatizo hili la usalama kama "hatari" isiyoonekana, lakini kama tatizo la uhandisi ambalo linaweza kupimwa, kuchorwa ramani na kupunguzwa.

Mbinu ya Utafiti na Matokeo

Hatua za mbinu

1. Kikomo cha mfumo kinafafanuliwa: Kutokwa kwa hidrojeni kioevu, uhifadhi, shinikizo, uvukizi, uhifadhi wa shinikizo la juu, baridi ya awali na michakato ya kujaza gari iliamuliwa.
2. HAZOP kutekelezwa: Nodi nane za mchakato zilichunguzwa kwa shinikizo, joto, mtiririko, na kupotoka kwa kiwango cha maji.
3. FMEA kutekelezwa: Kushindwa kwa vifaa muhimu na sehemu, sababu zao, matokeo na viwango vya hatari vilitambuliwa.
4. Uchambuzi wa mti wa hitilafu ulifanyika: Michango ya tukio la msingi ilihesabiwa kwa kuiga tukio la juu la kutolewa kwa hidrojeni kwa uhifadhi wa hidrojeni kioevu, pampu ya nyongeza, benki ya silinda ya shinikizo la juu, na mifumo ya wasambazaji.
5. Uundaji wa matokeo ya HyRAM+ ulifanywa: Kwa hali ya uvujaji wa 5 mm, kiwango cha kutolewa, wingu linaloweza kuwaka, mionzi ya moto wa ndege, na shinikizo la mlipuko lilihesabiwa.
6. Hatari ya mtu binafsi imehesabiwa: Mionzi ya joto ya moto wa ndege ilichaguliwa kama utaratibu mbaya wa utekelezaji na mtaro wa hatari ulitolewa na seli 5 m × 5 m.
7. Kupunguza hatari kutathminiwa: Kupunguza uwezekano wa kuvuja, kupunguza matokeo na kutumia njia hizo mbili pamoja zililinganishwa.

Matokeo muhimu ya nambari

Maoni ya kiufundi

Maana ya kiufundi ya utafiti ni kwamba hatari katika vituo vya kujaza hidrojeni kioevu haipaswi kuzingatiwa tu inayozingatia "tank ya kuhifadhi". Pampu ya nyongeza ni hatua muhimu ya mpito ambayo hidrojeni kioevu husafirishwa kwa mchakato wa shinikizo la juu. Mambo kama vile joto la chini, shinikizo la juu, wiani, viunganisho vya bomba, mifumo ya muhuri na mtetemo wa mitambo huja pamoja hapa. Kwa hiyo, hata uvujaji mdogo unaweza kuunda kiwango cha juu cha kutolewa na wingu kubwa linaloweza kuwaka.

Matokeo ya mfano yanaonyesha kuwa hatari ya moto ni kubwa zaidi kuliko hatari ya mlipuko. Hii ni kweli hasa kwa hali ya tovuti wazi na hali ya kuvuja kwa 5 mm. Hata hivyo, matokeo haya haimaanishi kuwa mlipuko huo ni mdogo katika ajali zote zinazowezekana LHRS. Kile utafiti unasema ni mdogo zaidi: mionzi ya moto wa ndege ilitawaliwa katika suala la hatari mbaya katika shimo ndogo, uwanja wazi, na hali ya kuchelewa kwa kuwasha kwa sekunde 60 iliyochunguzwa.

Ujumbe wa vitendo wa utafiti uko wazi: Wakati wa awamu ya kubuni na uendeshaji, uteuzi wa nyenzo, kuziba, ufuatiliaji wa kutu, ukaguzi wa kukubalika, uingizaji hewa, mpangilio wa vifaa, kutengwa kwa dharura na ulinzi wa mionzi ya joto lazima izingatiwe pamoja karibu na pampu ya nyongeza. Haitoshi kutegemea kizuizi kimoja; tabaka za safu nyingi na za kujitegemea za ulinzi zinahitajika.

Dokezo la Chanzo na Mbinu

Makala hii imeandaliwa kwa kutegemea utafiti wa Jiepu Li, Xiaoxiong Lei, Shouhua Zhang, Hong Yang, Wulin Han, Weihua Wang na Xiang Li wenye kichwa “Quantitative risk assessment and mitigation of hydrogen releases at a liquid hydrogen refuelling station”. Utafiti huo unatathmini kwa kiasi hatari ya kuvuja kwa hidrojeni katika vituo vya kujaza hidrojeni kioevu; Utafiti unachanganya HAZOP, FMEA, uchanganuzi wa mti wa hitilafu, uundaji wa matokeo kwa HyRAM+ na hesabu ya hatari ya mtu binafsi.

Maandishi ya chanzo ni makala ya utafiti wa awali na imeelezwa wazi katika “This preprint research paper has not been peer reviewed” taarifa imejumuishwa. Kwa hivyo, utafiti haujapitiwa na rika. Matokeo sio kama ushahidi kamili wa uwanja au kiwango cha mwisho cha viwanda; inapaswa kusomwa kama utafiti wa tathmini ya hatari ya kiufundi ambayo mchakato wake wa ukaguzi wa rika haujakamilika.

Maelezo katika maudhui haya yametayarishwa kulingana na utafiti wa PDF. Hakuna madai ya utekelezaji wa uhakika, mafanikio ya kibiashara, mafanikio ya uwanja, dhamana ya usalama au idhini ya udhibiti ambayo hayako PDF yanaongezwa. Utafiti sio uchunguzi wa kesi uliothibitishwa moja kwa moja na data ya ajali ya uwanja wa majaribio; ni tathmini ya hatari ya kiasi, uchambuzi wa mti wa hitilafu na uundaji wa matokeo wa HyRAM+ kwenye mpangilio wa kituo cha mwakilishi.

Utafiti una mapungufu makubwa. Ni mwakilishi tu wa hali ya kuvuja 5 mm iliyoundwa; kupasuka kwa bomba kubwa, uvujaji mdogo wa kudumu, na kushindwa kwa vifaa vingi havikuchunguzwa waziwazi. Baadhi ya uwezekano wa tukio la msingi ulibadilishwa kutoka kwa hifadhidata za jumla au kukadiriwa na maoni ya wataalam. Mtiririko wa awamu mbili karibu na orifice katika matoleo ya hidrojeni ya kioevu ya cryogenic haukutatuliwa kwa undani; kutolewa baada ya uvukizi kulitathminiwa kama ndege sawa ya hidrojeni ya gesi. Mapungufu haya yanahitaji tafsiri makini ya matokeo ya utafiti.