Российские ученые предложили метод проектирования безопасных водородных систем

Внедрение водорода — общемировой тренд, поддерживаемый странами в рамках отказа от углеродного топлива в промышленности и энергетике. Сегодня Россия входит в пятерку его ведущих производителей (вместе с Китаем, США, Индией и ЕС), изготавливая и потребляя примерно 5,5 миллиона тонн в год. Водород активно применяется для самолетов, кораблей и наземного транспорта, которые при его использовании на выходе дают только водяной пар, а не вредные выбросы. Также его задействуют в металлургии для производства стали, в нефтяной промышленности для удаления вредных примесей из сырья и как накопитель для солнечной и ветровой энергии.

Несмотря на его использование в некоторых секторах, массовому внедрению водорода препятствует высокая стоимость всей цепочки производства. Это связано с тем, что широкое применение требует колоссальных инвестиций в создание отдельной инфраструктуры: специализированных трубопроводов, хранилищ, заправочных станций и транспортных средств.

Для практического использования водород необходимо эффективно и безопасно доставить от производителя к потребителю. Наиболее перспективным для больших объемов и расстояний считается передача по трубопроводам. Однако физические свойства водорода делают транспортировку более сложной. Он в семь раз легче природного газа, поэтому, чтобы перекачивать его, в трубопроводах нужно поддерживать очень высокое давление.

Это порождает другую, не менее серьезную проблему. Когда водород под высоким давлением проходит по трубопроводу, каждый поворот и неровность создают мощные вибрации, которые распространяются по всей конструкции. Подобная ударная нагрузка приводит к «усталости» металла, повышая риски микроповреждений.

Кроме того, молекулы водорода настолько маленькие, что легко просачиваются через возникшие от вибраций трещины. А поскольку этот газ при смешении с воздухом взрывоопасен, даже незначительная утечка создает угрозу безопасности.

Для подавления опасных вибраций в трубопроводах традиционно используют специальные внутренние перегородки. Чаще всего это небольшие металлические панели, которые частично гасят колебания газового потока.

До сих пор такие элементы часто проектировали на основе старых проверенных решений или простых расчетов, которые не учитывали физические особенности водорода. Однако если просто взять готовые решения от труб с природным газом и применить их для другого газа, можно получить нежелательный результат: вместо того чтобы гасить вибрации, система будет трястись еще сильнее, что только ускорит износ и приведет к преждевременной поломке.

Ученые Пермского Политеха создали уникальную методику, которая позволяет проектировать оптимальные перегородки в водородных трубах. Это позволит свести вибрации к минимуму и сделать транспортировку более безопасной. Разработка ученых уникальна и не имеет аналогов в мире. Статья опубликована в издании «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации».

В реальности общее количество и тип перегородок в трубопроводе зависят от конкретных параметров: давления, диаметра, длины и требуемого уровня подавления вибраций. Чтобы создать инструмент, который позволит проектировать оптимальные перегородки для любых условий, необходимо изучить, как они ведут себя под давлением и как влияют друг на друга.

Сначала эксперты создали модель участка трубопровода с двумя разными пластинами. Это стандартное решение для глушения вибраций, где первая преграда принимает на себя основной удар газового потока, а вторая гасит оставшиеся колебания. Однако именно для водорода такие системы ранее не изучались.

Первая перегородка, принимающая основной удар, была спроектирована в трех вариантах: как сплошной барьер, как фильтр с малым отверстием (14 миллиметров) и с большим (20 миллиметров). Это решение связано с тем, что в старых исследованиях перегородку считали неподвижной. В реальности под давлением она сама становится новым источником вибраций, а разные отверстия могут менять не только ее жесткость, но и силу колебаний.

Схема модельного канала с расположением областей и точек для задания граничных условий / © Пресс-служба ПНИПУ

Вторая перегородка во всех случаях оставалась глухой. Это было сделано специально, чтобы увидеть, как именно первая преграда влияет на остальной участок трубопровода. Измеряя вибрации неизменной сплошной пластины, можно точно определить, сколько вибраций «прорвалось» через первую. Таким образом ученые оценивали эффективность наличия или отсутствия отверстий для уменьшения колебаний.

— После разработки модели мы запустили виртуальный эксперимент и задали необходимое давление, как в реальном трубопроводе. Компьютер прослеживал всю цепочку событий: как газовый поток встречает первую перегородку, как частично отражается от нее, а частично проходит через отверстие. Мы сосредоточились на первой перегородке, поскольку она принимает на себя основной удар потока. Сравнивая три ее состояния — сплошную, с малым и с большим отверстием — мы смогли увидеть, как меняется ее собственная вибрация и какая часть колебаний передается дальше, на вторую преграду. Это позволило понять, как размер отверстий в первой перегородке влияет на вибрационную нагрузку во всей остальной конструкции, — объяснил Владимир Модорский, доктор технических наук, декан аэрокосмического факультета ПНИПУ.

Схема моделируемой части транспортной системы / © Пресс-служба ПНИПУ

В результате модель ученых показала, что наличие отверстий в первой перегородке заставляет ее вибрировать с меньшей силой. При этом сама энергия колебаний не исчезает, а просто передается дальше по потоку. В этом случае вторая, «глухая» пластина, расположенная дальше по трубе, будет колебаться в два раза сильнее первой.

Анализ результатов эксперимента также показал, что наличие в трубопроводе дополнительной сплошной перегородки снижает колебания во всем участке трубопровода в два раза. Следовательно, для водорода наиболее эффективным решением является установка не двух, а трех и более пластин, что позволит гасить вибрации последовательно.

— Чтобы убедиться в достоверности результатов, модель прошла строгую проверку. Для этого участок трубы разделили на мелкие ячейки, чтобы проследить, как меняется давление и вибрации в отдельных зонах. Модель запускали несколько раз, постепенно делая эту виртуальную «сетку» мельче и подробнее. Когда при увеличении сетки показатели перестали меняться, мы убедились, что модель дает точный результат на всех уровнях. Кроме того, результаты для водорода были сопоставлены с ранее полученными нами данными при исследовании перегородок для воздуха, и разница в итоговых показателях оказалась логичной и соответствующей их физическим свойствам этих газов, — рассказала Маргарита Серегина, аспирант кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ.

Для практического применения методики инженеру необходимо в специализированной программе сначала создать цифровую модель трубопровода с заданными параметрами газа и материалов, размеры и положение перегородок. На выходе специалист получает готовое решение: сколько перегородок ставить в конкретном участке, нужны ли в них отверстия и какого диаметра, и как именно они поведут себя под давлением.

Разработка найдет прямое применение в проектировании ключевых элементов водородной инфраструктуры: магистральных трубопроводов, заправочных станций, а также в создании топливных систем для энергоустановок. Это защитит оборудование от повреждений и значительно продлит его срок службы.