Большая часть мировой энергии сегодня производится за счёт сжигания угля, нефти и газа. Эти ресурсы питают промышленность, транспорт, отопление и электростанции, но их повсеместное использование ведёт к необратимому росту парниковых газов. По актуальным оценкам, энергетический сектор отвечает более чем за 60 % выбросов углекислого газа. К тому же углеводородные запасы истощаются, а их извлечение год от года усложняется и требует освоения труднодоступных месторождений.
Екатерина Королева
Источник фото: пресс-служба ПНИПУ
Поэтому отрасль ищет топливо, способное сохранить привычную тепловую генерацию без ущерба для климата и здоровья людей. Главным кандидатом считается водород: при реакции с кислородом он образует лишь водяной пар, то есть с экологической точки зрения это практически идеальный энергоноситель. Вдобавок водород весьма энергоёмок — при сжигании он даёт почти втрое больше тепла, чем бензин, и вчетверо больше, чем метан. Значит, того же количества мощности можно достичь меньшим объёмом топлива, что снижает расходы на его хранение и перевозку. Неудивительно, что крупнейшие энергетические компании мира рассматривают водород как топливо будущего.
В чём главное препятствие
Основная сложность в том, что нынешние газотурбинные установки, вырабатывающие электричество и тепло, рассчитаны на природный газ. Перевести их на водород «одним движением» нельзя: физика горения у этих газов принципиально разная. Без адаптации оборудование выйдет из строя за считанные часы работы, а эксплуатация станет опасной и слишком дорогой. Сегодня основной путь решения — создание новых камер сгорания, что требует крупных вложений и многолетних испытаний.
Но и здесь есть пробел: многие исследования игнорируют реальные условия работы промышленных турбин — высокое давление, сложное движение и завихрения воздуха в камере. А именно эти факторы определяют смешение топлива с воздухом и стабильность горения. От устойчивости пламени напрямую зависит, сможет ли турбина работать на водороде без перегрева, вибраций и разрушений. Лабораторные условия не дают результатов, переносимых на реальное оборудование, поэтому инженеры не получают надёжных данных о поведении водорода в настоящей камере сгорания — и вынуждены оставаться на природном газе.
Что сделали исследователи Пермского Политеха
Учёные ПНИПУ смоделировали горение водорода в газотурбинной установке в условиях, максимально близких к реальным, и впервые в России получили точные значения, при которых топливо горит стабильно и не повреждает оборудование. Это открывает инженерам путь к переводу существующих турбин на экологически чистый водород.
Если прежде горение изучали на упрощённых моделях — плоских горелках или закрытых камерах без движения газа, — то пермские специалисты построили 3D-модель камеры сгорания со всеми элементами и конструктивными особенностями. Более того, они впервые объединили в модели все сложные процессы: движение воздуха, его смешение с топливом и образование вредных веществ. Входные параметры — температуру, давление, расходы топлива и воздуха — задали такими же, как у реально работающей установки. Модель сделали максимально детальной: камеру разбили на множество мелких участков и просчитали процессы в каждом. Это позволило отследить, как меняется температура, формируется пламя и распределяются вредные вещества.
Чтобы определить условия стабильности водорода, в цифровой модели варьировали расходы топлива и воздуха, замеряя два параметра — скорость потока газов и скорость движения пламени. Их сравнение показывает, остаётся ли огонь на месте или смещается в камере. Это принципиально важно: смещение пламени ведёт к повреждению оборудования или его затуханию, а значит, по этим параметрам можно подобрать правильную подачу топлива и воздуха для безопасной работы.
Комментарии авторов
— В результате мы нашли точные значения, при которых горение водорода остаётся стабильным. Мы проверили разные режимы подачи топлива и воздуха и увидели, что в оптимальных условиях положение пламени фиксированное, температура на выходе из камеры соответствует норме, а риск перегрева оборудования отсутствует. Это значит, что инженеры могут использовать полученные цифры для настройки существующих турбин, спроектированных под природный газ, — рассказал Станислав Архипов, аспирант кафедры «Энергетическое машиностроение» ПНИПУ.
Предложенные значения специалисты могут применять в своих расчётах: взять геометрию камеры сгорания, расходы топлива и воздуха и проверить, попадают ли полученные величины в безопасную зону. Если нет — параметры работы установки меняют до тех пор, пока условия не станут оптимальными для водорода.
— В ходе тестирования мы также определили, сколько выбросов оксидов азота образуется при горении. Эти вещества появляются при высоких температурах и в больших количествах очень опасны для здоровья. Расчёты показали, что в самой горячей зоне камеры их концентрация ещё заметна, но уже на выходе она падает почти до нуля. То есть при правильной настройке водородная турбина практически не даёт вредных выбросов, — отметил Роман Бульбович, профессор кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ, доктор технических наук.
Практический эффект
Решение пермских учёных впервые позволит защитить оборудование от перегрева и разрушения, а главное — даст возможность перевести действующие турбины с природного газа на водород без колоссальных затрат на разработку принципиально новых технических решений.
Ранее «Химагрегаты» писали, как в ТГУ разработали инструмент, который выявляет усталость металла до его разрушения. Подробности — по ссылке. А ещё читайте, как учёные Новосибирского государственного университета (НГУ) научились предсказывать нештатные режимы газотурбинных установок — в том числе тех, что лежат в основе авиационных двигателей.
