Российские ученые разработали 1-ю методику проектирования безопасных водородных систем

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали первую в мире методику проектирования безопасных систем водородной инфраструктуры. Разработку можно применять при проектировании магистральных трубопроводов, заправочных станций, а также при создании топливных систем для энергоустановок, рассказали в пресс-службе вуза.

«Развитие „зеленой“ энергетики, критически важное для отказа от углеродного топлива, сталкивается с серьезной проблемой при транспортировке газов. Под давлением в трубах водород создает мощные колебания, которые резко повышают риск утечек. Традиционные подходы к решению проблемы оказываются неэффективны при проектировании надежных конструкций для трубопроводов. Ученые Пермского политеха создали методику, которая позволяет проектировать более безопасные элементы для водородной инфраструктуры. Разработка уникальна и не имеет аналогов в мире», — сообщили в ПНИПУ.

Как пояснили ученые, 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 7 раз легче природного газа, поэтому, чтобы перекачивать его, в трубопроводах нужно поддерживать очень высокое давление. Это порождает другую проблему: когда водород под высоким давлением проходит по трубопроводу, каждый поворот и неровность создают мощные вибрации, которые распространяются по всей конструкции. Такая ударная нагрузка приводит к «усталости» металла и повышает риски микроповреждений. А молекулы водорода настолько маленькие, что легко просачиваются через возникшие от вибраций трещины. И, поскольку водород при смешении с воздухом взрывоопасен, даже незначительная утечка создает угрозу безопасности. Поэтому для подавления опасных вибраций в трубопроводах используют специальные внутренние перегородки — небольшие металлические панели, которые частично гасят колебания газового потока.

До настоящего времени такие перегородки проектировали на основе старых проверенных решений или простых расчетов, которые не учитывали физические особенности водорода. Однако, если взять готовые решения от труб с природным газом и применить их для другого газа, вместо того, чтобы гасить вибрации, система будет трястись еще сильнее.

Так ученые ПНИПУ пришли к созданию методики, которая позволяет проектировать оптимальные перегородки в водородных трубах. Сначала они создали модель участка трубопровода с двумя разными пластинами, а после этого 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», — рассказал доктор технических наук, декан аэрокосмического факультета ПНИПУ Владимир Модорский.

В итоге 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. Ученые пришли к выводу, что наличие в трубопроводе дополнительной сплошной перегородки снижает колебания во всем участке трубопровода в два раза. Следовательно, для водорода наиболее эффективным решением будет 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», — отметила аспирант кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ Маргарита Серегина.

На практике методику смогут применять инженеры, которые в специальной программе сначала создадут цифровую модель трубопровода с заданными параметрами газа и материалов, размерами и положением перегородок. А на выходе специалисты получат готовое решение: сколько перегородок ставить в конкретном участке, нужны ли в них отверстия и какого диаметра, а также, как именно они поведут себя под давлением. В университете отмечают, что такая методика защитит оборудование от повреждений и значительно продлит срок его службы.