С каждым годом проблема влияния на экологию традиционных видов топлива набирает все большую масштабность и актуальность [1]. На данный момент одним из привлекательных универсальных и экологически чистых энергоносителей является водород [2]. Водородная энергетика главным образом отличается отсутствием выбросов парниковых газов, в частности диоксида углерода [18]. Этот факт стал наиболее интересным, когда энергетическая комиссия стран Евросоюза объявила, что к 2050 году стремится достичь углеродной нейтральности и направит все имеющие ресурсы на решение данной задачи [7]. Однако в связи с перебоями поставок природного газа в Европейский союз по газопроводу «Северный поток» реализация данных планов ставится под сомнение, но это не снимает экологической и технологической актуальности рассматриваемого вопроса.
Водородное топливо изучается уже достаточно длительное время [16], но до сих пор не может называться полноценной альтернативой традиционному виду топлива [14]. Существует множество спорных вопросов по производству, хранению, перекачке и распределению водородного топлива [6]. Одной из ключевых проблем является вопрос транспорта водорода по действующим газопроводам [5]. Это связано с высоким уровнем проницаемости водорода, а также возникновение явления водородного охрупчивания металлических трубопроводов.
Строить новые трубопроводы для транспортировки водорода экономически невыгодно [8], так как возникнет необходимость в обновлении всей трубопроводной системы, что подразумевает большие затраты [12].
Однако есть вариант транспортировки водородного топлива в составе природного газа с концентрацией водорода до 20 %, не проводя серьезной реконструкции газопроводов [3]. Введение водорода в существующую газотранспортную сеть с концентрацией от 5 до 20 % при сжигании метано-водородной смеси (МВС) поможет снизить выбросы углекислого газа в атмосферу примерно в два раза [9].
При проработке вопросов, связанных с транспортировкой метано-водородной смеси по существующим газопроводам, для определения изменения давления по длине газопровода при различных содержаниях водорода в метано-водородной смеси были проведены расчеты физических свойств и гидравлический расчет в упрощенном виде.
Как известно, распределение давления по длине газопровода описывается следующей формулой [11]:
Рассмотрим, как изменяется давление метано-водородной смеси по длине газопровода при постоянном массовом расходе и при постоянном коммерческом расходе.
Если учесть, что массовый расход при транспортировке МВС не изменяется [4], тогда распределение давления по длине газопровода в зависимости от концентрации водорода [19] в метано-водородной смеси будет зависеть главным образом от изменения среднего коэффициента сжимаемости и молекулярной массы метано-водородной смеси:
При постоянном коммерческом расходе распределение давления по длине газопровода будет напрямую зависеть от изменения плотности [10], среднего коэффициента сжимаемости и молекулярной массы метано-водородной смеси:
В качестве численной оценки произведем расчет транспортировки метано-водородной смеси по условному участку газопровода. Исходные данные условного участка газопровода, а также заданный состав метано-водородной смеси представлены в таблицах 1 и 2 соответственно.
Результаты расчета основных показателей физических свойств метано-водородной смеси представлены на рисунках 1, 2, 3.
Исходя из расчета физических свойств метано-водородной смеси, можно заметить, что основные показатели, такие как молекулярная масса, плотность и низшая теплота сгорания при стандартных условия уменьшаются с увеличением концентрации водорода в МВС.
В результате гидравлического расчета были построены графики распределения давления по длине газопровода в зависимости от концентрации водорода в метано-водородной смеси при постоянном массовом расходе (рис. 4) и постоянном коммерческом расходе (рис. 5).
В результате гидравлического расчета можно заметить, что, принимая массовый расход постоянным, потери давления будут расти с увеличением процентного содержания водорода в метано-водородной смеси, в то время как при постоянном коммерческом расходе потери давления снижаются пропорционально повышению концентрации водорода.
Однако, чтобы понять каким количеством энергии может быть обеспечен потребитель [17], необходимо произвести расчет энергетической эквивалентности для постоянного массового и коммерческого расхода по формулам 4 и 5 соответственно.
Гистограммы зависимости энергетической эквивалентности от концентрации водорода в метано-водородной смеси при постоянном массовом и коммерческом расходах представлены на рисунках 6 и 7 соответственно
По приведенным гистограммам видно, что, если принимать постоянным массовый расход, энергетический эквивалент растет вместе с повышением процента водорода, в то время как при неизменном коммерческом расходе его значения снижаются.
Таким образом, если производить расчет, не меняя массовый расход, можно обеспечить потребителей большим количеством энергии, но при этом возрастут и потери давления при транспортировке метано-водородной смеси. Если же принять постоянным коммерческий расход, потери давления, наоборот, сократятся, но в этом случае невозможно обеспечить потребителей достаточным количеством энергии.
Произведем расчет изменения потерь давления в газотранспортной системе при постоянной энергетической эквивалентности по следующей формуле:
Результаты расчета отражены на рисунке 8 в графике распределения давления по длине газопровода в зависимости от концентрации водорода в метано-водородной смеси при условии, что энергетическая эквивалентность постоянна.
Данные графика показывают, что потери давления возрастают с увеличением концентрации водорода в метано-водородной смеси так же, как и при постоянном массовом расходе.
Однако при сравнении с графиком потерь давления при постоянном массовом расходе можно заметить, что, не изменяя энергетический эквивалент газотранспортной системы, потери давления будут меньше.
Таким образом, результаты исследований позволяют сделать вывод о том, что при транспортировке метано-водородной смеси по действующим газопроводам для обеспечения потребителей тем же количеством энергии [15], что и при перекачке природного газа, следует повышать давление на входе пропорционально увеличению концентрации водорода в метано-водородной смеси для компенсации потерь давления по длине газопровода, которые возникают вследствие изменения физических показателей метано-водородной смеси при увеличении содержания в ней водорода.
