Моделирование процесса перекачки метано-водородной смеси по участку магистрального трубопровода

Ключевые слова: метано-водородная смесь, магистральный газопровод, водородная энергетика, вычислительная гидродинамика (CFD), Ansys Fluent, удельные энергозатраты, пропускная способность, уравнение Пенга-Робинсона.

Современный мировой энергетический рынок характеризуется стремительным ростом интереса к водороду как к универсальному энергоносителю.

Согласно текущим тенденциям, классификация водорода включает до шести типов («цветов»), из которых наиболее распространенным на данный момент является «серый», однако долгосрочные стратегии стран ЕС и России ориентированы на низкоуглеродный («голубой» и «зеленый») водород. Для Российской Федерации наиболее перспективным является трубопроводный транспорт МВС, что обусловлено наличием развитой сети магистральных трубопроводов (далее – МТ) и возможностью минимизации капитальных вложений на начальных этапах перехода к водородной экономике. При рассмотрении возможности транспортировки метано-водородной смеси с помощью существующего фонда магистральных трубопроводов России необходимо определить наиболее экономически обоснованный режим перекачки.

На первый взгляд, использование существующего фонда МТ позволит существенно снизить капитальные затраты на создание новой инфраструктуры, однако физико-химические отличия водорода от природного газа (низкая плотность, высокая диффузионная способность и иная теплотворная способность) ставят перед специалистами задачу детального изучения изменения гидравлических и энергетических характеристик потока [1].

Целью данной статьи является оценка технологических перспектив и энергетической эффективности транспорта МВС различных концентраций (от 0 до 80 % водорода по объему) по линейному участку магистрального газопровода (далее – МГ) диаметром 1420 мм (внутренний диаметр 1380 мм).

Для достижения поставленной цели в программном комплексе вычислительной гидродинамики (CFD) разработана трехмерная модель участка газопровода.

В рамках данной статьи решаются следующие задачи:

• Верификация и калибровка модели: определение эквивалентных параметров расчетного участка на основе базового режима транспортировки 100 % метана при нормативной скорости перекачки 10 м/с и рабочем давлении 7,5 МПа.

• Гидравлический анализ: оценка изменения профиля скоростей и распределения давления при варьировании доли водорода в смеси в условиях фиксированного гидравлического градиента.

• Энергетический анализ: расчет потребной мощности компрессорного оборудования для компенсации потерь давления и определения удельных энергозатрат для перемещения МВС на единицу пути [2].

Водород сильно отличается от метана по физическим свойствам, что критически влияет на работу компрессорных станций:

• Плотность и теплотворная способность. Водород в 8 раз легче метана. Его объемная теплота сгорания примерно в три раза ниже. Чтобы доставить потребителю то же количество энергии, нужно прокачивать в три раза больше объема газа [3, 4].

• Компрессоры. Центробежные нагнетатели, которые стоят на российских МГ, рассчитаны на определенную молекулярную массу газа. Для легкой МВС потребуются более высокие частоты вращения ротора или замена рабочих колес [5, 6].

• Энергозатраты. Из-за низкой плотности водорода затраты на собственные нужды (работу турбин) при перекачке МВС растут пропорционально концентрации водорода [7].

С помощью CFD проведено моделирование участка газопровода диаметром 1420 с внутренним диаметром 1380 мм [10], в котором перекачивается метано-водородная смесь различных концентраций. Результат данного моделирования – определение массовых расходов на выходе из трубопровода для анализа влияния физических свойств водорода в составе МВС на процесс перекачки [8].

Исходные данные для проведения анализа представлены в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1. Исходные данные для моделирования

Для исследования выбран участок трубопровода длиной 400 м. Выбор данной дистанции обусловлен необходимостью обеспечения стабилизированного профиля скорости при оптимизации вычислительных затрат. Учитывая незначительное падение давления на данном отрезке относительно рабочего давления 7,5 МПа, эффекты сжимаемости газа на расчетном участке 400 м пренебрежимо малы, что позволяет с высокой точностью определять локальный гидравлический градиент [11].

Геометрическая модель участка трубопровода построена в CAD-системе трехмерного моделирования и представлена на рисунке 1а. Для разбиения расчетной области на конечные элементы использовалась структурированная гексаэдрическая сетка (рисунок 1б). Далее в модели задавались участки входа и выхода потока, а также «стена», через которую поток проходить не может (рисунок 1в).

РИСУНОК 1. Этапы разработки модели участка трубопровода

Для адекватного описания термодинамических свойств метано-водородной смеси при высоком рабочем давлении была использована модель реального газа Пенга-Робинсона. Выбор обусловлен высокой точностью модели в предсказании коэффициента сжимаемости и плотности многокомпонентных систем углеводородов с легкими газами [12].

Для моделирования турбулентной структуры потока МВС была выбрана двухпараметрическая модель переноса сдвиговых напряжений Ментера. Выбор обусловлен необходимостью высокоточного разрешения пограничного слоя у стенок трубопровода [13].

Создание метано-водородной смеси с помощью модели Species transport (модель переноса компонентов). Данная модель позволяет корректно учесть изменение плотности, вязкости и теплоемкости среды в зависимости от локальной массовой концентрации водорода.

Поскольку граничные условия в используемом программном комплексе CFD задаются в массовых долях, был произведен пересчет исходных объемных концентраций метано-водородной смеси.

Алгоритм реализации процесса перекачки МВС в Ansys Fluent

Как видно из рисунка 2, перепад давления между входом и выходом смеси составил ≈ 0,5 МПа. Данный параметр выбран в качестве константы для обеспечения возможности сравнительного анализа пропускной способности трубопровода [13].

РИСУНОК 2. Градиент давления в модели трубопровода

В основе расчетного модуля CFD-системы лежит метод конечных объемов, который преобразует дифференциальные уравнения сохранения энергии в систему алгебраических уравнений, решаемых итерационным путем.

Для расчетного модуля CFD-системы используются:

• закон сохранения массы (при установившейся течении);

• закон сохранения количества движения;

• уравнения сохранения энергии (1 закон термодинамики);

• уравнение сохранения компонентов.

Программа использует данные уравнения, интегрируя их по объему в каждую созданную ячейку модели, и выдает огромную систему алгебраических уравнений, где необходимо найти значения скорости, давления и т.п.

Процесс расчета продолжается до тех пор, пока не будет достигнут заданный уровень невязок – левой и правой частями уравнений сохранения энергии (рисунок 3).

РИСУНОК 3. Результат сходимости невязок по окончании 600 итераций расчета модели

Так как участок трубы в модели принят малой длины, но с большим перепадом давления, необходимо результаты расчетов скоростей привести к реальным эксплуатационным условиям. На первом этапе определим реальную длину участка трубопровода для заданного перепада давления.

Расчет эксплуатационной длины с учетом расчетной скорости [13]:

(2)

где L_m длина модели, L_m = 400 м; υ_m - скорость потока МВС в модели, 120,3 м/с для 100 % метана.

Найдем базовую длину участка магистрального трубопровода с учетом нормативной скорости перекачки метана и длины модели:

При заданном перепаде давления в 0,5 МПа расчетная базовая длина трубопровода составила 57,89 км. При давлении на входе 7,5 МПа и длине участка 57,89 км перепад в 0,5 МПа является оптимальным и технически достоверным [14, 15].

Основываясь на формуле (2), определим расчетную формулу эксплуатационной скорости потока МВС и рассчитаем для всех соотношений концентраций метана и водорода:

(3)

Определив эксплуатационную скорость потока, далее определяем эксплуатационный массовый расход на основе гидравлического подобия, поскольку геометрические параметры (площадь сечения трубы S) и термодинамические параметры (плотность смеси ρ) в численной модели соответствую реальным условиям эксплуатации. Переход к реальному эксплуатационному массовому расходу осуществим пропорционально изменению скорости потока согласно уравнению неразрывности . Так как плотность и площадь в модели и в реальности одинаковы, решаем соотношение [14]:

(4)

Таким образом, определены эксплуатационные расходы для всех концентраций метано-водородной смеси и результаты занесены в таблицу 2.

ТАБЛИЦА 2. Результаты моделирования перекачки метано-водородной смеси различных концентраций по магистральному трубопроводу

Расчет энергетической производительности газопровода и передаваемой мощности

С учетом того, что водород легче, но при этом калорийнее метана, рассчитаем передаваемую мощность газопровода, исходя из полученных результатов предыдущих расчетов.

Определим количество энергии, перекачиваемой по трубопроводу, Вт [16]:

(5)

Где LHV_mix - низшая теплота сгорания смеси, МДж/кг.

Для определения низшей теплоты сгорания смеси на основе массовых долей компонентов используем формулу [16]:

(6)

Где LHV_H2 – низшая теплота сгорания водорода, LHV_CH4 = 120,0 МДж/кг; LHV_CH4 – низшая теплота сгорания метана в расчете на массу, LHV_CH4 = 50,0 МДж/кг; ω_H2 – массовая доля водорода в смеси,

доли единиц; ω_CH4 – массовая доля метана в смеси, доли единиц.

Результаты расчетов количества энергии также занесены в таблицу 2.

Определение удельных затрат энергии на транспорт метано-водородной смеси

Для определения коэффициента эффективности перекачки смеси относительно затрачиваемой энергии на перекачку вычислим удельную энергию через мощность газоперекачивающего агрегата (далее – ГПА). Для поддержания необходимого давления необходим учет мощности ГПА, поэтому в расчете используем только энергию ГПА.

Определим необходимое количество энергии для перекачки энергии, которая дает МВС на 1 км пути.

Определим удельную энергию через мощность ГПА [18]:

(7)

Где N – мощность, затрачиваемая на перекачку МВС, Вт:

(8)

Где ρ – плотность смеси при рабочих условиях, кг/м3; η – адиабатический КПД компрессора, примем 0,8.

Анализ результатов моделирования

На рисунках 4–6 представлены результаты моделирования перекачки МВС с учетом изменения концентрации водорода:

• на рисунках (а) показан рост скорости перекачки при увеличении содержания водорода;

• на рисунках (б) отражено массовое содержание водорода соответственно при 0, 10 и 20 % об.;

• на рисунках (в) отражена турбулентная кинетическая энергия потока при различных концентрациях водорода.

РИСУНОК 4. Результаты моделирования перекачки для 100%‑ного метана (0 % водорода)

РИСУНОК 5. Результаты моделирования перекачки смеси для 20%-ного содержания водорода

РИСУНОК 6. Результаты моделирования перекачки смеси для 80%‑ного содержания водорода

По результатам проработки модели перекачки МВС и расчетам энергетической эффективности составлены графики зависимости определяемых параметров – рисунки 7–12.

По данным графикам установлено:

• Изменение гидравлических характеристик: при фиксированном перепаде давления (ΔP = 0,5 МПа) добавление водорода ведет к закономерному снижению плотности смеси: с 53,8 кг/м³ для чистого метана до 41,3 кг/м³ при концентрации Н₂ 20 % об. и до 13,9 кг/м³ при 80 % об. Это снижение плотности, при неизменном гидравлическом градиенте, вызывает рост эксплуатационной скорости потока с 10,0 до 11,3 м/с и 19,5 м/с (рисунок 7).

РИСУНОК 7. График соотношения изменения скорости потока и плотности метано-водородной смеси

РИСУНОК 8. График соотношения изменения скорости потока и массового расхода метано-водородной смеси

• Энергетическая производительность: несмотря на то, что низшая теплота сгорания смеси по массе LHV_mix растет (рисунок 9) с увеличением доли водорода (с 50,0 до 52,13 МДж/кг при 20 % и до 73,10 МДж/кг при 80 %), общее количество перекачиваемой энергии по трубопроводу снижается (рисунок 10). Это связано с крайне низкой плотностью водорода, которая не компенсируется увеличением скорости. Это приводит к снижению энергетической мощности перекачиваемого потока на 5,7 % (с 37 940 до 34 610 МВт при 20 % об. Н₂) и на 23,9 % (с 37 940 до 27 950 МВт при 20 % об. Н₂) по сравнению с чистым метаном.

РИСУНОК 9. График соотношения изменения низшей теплоты сгорания смеси при увеличении концентраций водорода и массового расхода смеси

РИСУНОК 10. График соотношения изменения низшей теплоты сгорания смеси при увеличении концентраций водорода и количества перекачиваемой энергии по трубопроводу

• Эффективность транспортировки. Установлено, что рост концентрации водорода сопровождается увеличением потребной мощности на перекачку (рисунок 11). Для режима 20 % Н₂ мощность, затрачиваемая на компенсацию потерь давления, увеличивается на ~13,5 % (с 8,815 до 10,005 МВт) и на ~96,0 % (с 8,815 до 17,230 МВт) при режиме с 80 % Н₂. Удельная энергия на транспорт 1 км пути также возрастает с 0,000401 до 0,000501 и до 0,001065 соответственно увеличению содержания Н₂.

РИСУНОК 11. График соотношения изменения количества перекачиваемой энергии по трубопроводу и необходимой мощности газоперекачивающего агрегата для перекачки смеси

РИСУНОК 12. График соотношения изменения количества массового расхода смеси и удельной энергии при перекачке МВС на 1 км пути

Результаты исследования

• Выполнено комплексное исследование процесса транспортировки метано-водородных смесей (МВС) в магистральном трубопроводе диаметром 1420 мм с использованием методов вычислительной гидродинамики (CFD).

• Выявлена нелинейная зависимость между ростом объемной концентрации водорода и увеличением энергозатрат на перекачку. При увеличении % об. содержания наблюдается существенное снижение плотности смеси и соответствующий рост потребной мощности компрессорного оборудования.

• Выявлено, что при концентрации водорода 60 % скорость потока достигает 15,5 м/с, при дальнейшем повышении концентрации до 80 % скорость возрастает до 19,45 м/с, что может превысить допустимые значения параметров нормативной эксплуатации некоторых существующих МГ.

• Установлено, что снижение перекачиваемой энергии при увеличении концентрации водорода потребует компенсационных мероприятий для сохранения целевой производительности системы (увеличение мощности перекачивающего агрегата либо задействование дополнительной нитки магистрального трубопровода).

• С учетом установленных закономерностей можно сделать следующие заключения о целесообразности перекачки МВС:

• до 20 % Н₂ перекачка целесообразна практически без смены оборудования. Падение энергетической мощности составляет всего 5,7 %, скорость остается в пределах 11,3 м/с.

• 20–60 % Н₂ – зона технологической адаптации. Перекачка возможна, но требует модернизации компрессорных станций (ГПА), так как плотность газа падает в 2,4 раза (с 53,8 до 22,2 кг/м³), а скорость снижается до 15 м/с.

• выше 60 % Н₂ перекачка нецелесообразна в существующей инфраструктуре 1420 мм. Скорость потока (15,5–19,45 м/с) и двукратный рост затрат на перекачку (с 8,8 до 17,2 МВт) делают процесс экономически неэффективным и технически опасным из-за риска вибрационного разрушения и нехватки мощности нагнетателей.

Литература

1. Н.Н. Голунов, М.В. Лурье, И.Т. Мусаило в/ Транспортировка водорода по газопроводам в виде метано-водородной смеси // Журнал «Транспорт и хранение нефти и газа», 2021, № 3. С. 74–82. Дата обращения: 15.11.2025.

2. Tan K., Mahajan D., Venkatesh T.A. Computational fluid dynamic modeling of methane-hydrogen mixture transportation in pipelines: estimating energy costs // MRS Advances. 2022. Vol. 7. P. 388–393. DOI: 10.1557/s43580-022-00243-0. Дата обращения 15.11.2025.

3. Stolten D., Emonts B. Hydrogen Science and Engineering: Detonation, Properties, Applications and Safety. – Wiley-VCH, 2016. Дата обращения: 01.12.2025.

4. ГОСТ 30319.2–2015. Газ природный. Методы расчета физических свойств... – Москва: Стандартинформ, 2016. – 12 с. Дата обращения: 05.12.2025.

5. Лопатин А.С. Энергосберегающие технологии при транспортировке газа. – М.: Изд. центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2011.

6. Е.Б. Федорова, А.О. Юшин. Влияние водорода, внесенного в поток природного газа, на работу оборудования газотранспортной системы // Журнал «Газовая промышленность», 2022, № 2. С. 67–70. Дата обращения: 15.12.2025.

7. А.М. Балакин, А.Р. Бадамшин, Ю.В. Матвеев, М.А. Лаптев, В.В. Барсков Особенности работы газотурбинной установки на смеси водорода и природного газа – М.: Изд. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2021. Дата обращения: 22.12.2025.

8. Мэтссон, Д.Э. Введение в Ansys Fluent 2024 = An Introduction to Ansys Fluent 2024 / Д. Э. Мэтссон. – Mission, KS: SDC Publications, 2024. – 864 c. – ISBN 978-1-63057-695-0. – Текст: непосредственный. Дата обращения: 15.01.2026.

9. СТО Газпром 2-3.5-051-2006. Нормы технологического проектирования магистральных газопроводов. – Москва: Газпром экспо, 2006. Дата обращения: 25.01.2026.

10. Генеральная схема развития газовой отрасли на период до 2035 года: утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 04.05.2021 № 1150-р. – Текст: электронный // Официальный интернет-портал правовой информации. – URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001202105070014 (дата обращения: 09.03.2026).

11. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Идельчик ; под редакцией А.С. Штейнберга. – 3-е изд., перераб. и доп. – Москва: Машиностроение, 1992. – 672 с. – Текст: непосредственный. Дата обращения: 05.02.2026.

12. Peng, D.-Y. A New Two-Constant Equation of State / D.-Y. Peng, D. B. Robinson. – Текст: непосредственный // Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals. – 1976. – Vol. 15, no. 1. – P. 59–64. Дата обращения: 11.02.2026.

13. Альтшуль, А.Д. Гидравлика и аэродинамика: учебник для вузов / А.Д. Альтшуль, Л.С. Животовский, Л.П. Иванов. – Москва: Стройиздат, 1987. – 414 с. – Текст: непосредственный. Дата обращения: 15.02.2026.

14. Лурье, М.В. Математическое моделирование процессов трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: учебное пособие / М. В. Лурье. – Москва: Нефть и газ, 2003. – 336 с. – ISBN 5-7246-0220-4. Дата обращения: 22.02.2026.

15. СТО Газпром 2-3.5-051-2006. Нормы технологического проектирования магистральных газопроводов: корпоративный стандарт: утв. и введ. в действие распоряжением ОАО «Газпром» от 23 мая 2006 г. № 91. – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2006. – 196 с. Дата обращения: 25.02.2026.

16. ГОСТ 31369-2008 (ИСО 6976:1995). Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава: межгосударственный стандарт: введен впервые: дата введения 2010-01-01 / разработан ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». – М.: Стандартинформ, 2009. – 61 с. Дата обращения: 27.02.2026.

17. Шелыгин, Л.А. Влияние концентрации водорода на эксплуатационные характеристики линейных объектов магистральных газопроводов при транспорте метано-водородной смеси / Л.А. Шелыгин, Д.Р. Трушин, Р.А. Гринев // Наука и техника в газовой промышленности. – 2024. – № 2 (98). – С. 66–75. Дата обращения: 03.03.2026.

18. Поршаков, Б.П. Энергосберегающие технологии при магистральном транспорте природного газа: учебное пособие / Б.П. Поршаков, А.Ф. Калинин, А.С. Лопатин [и др.]. – Москва: Изд. центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2014. – 408 с. Дата обращения: 10.03.2026.