CC BY
57
ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ХРАНЕНИЯ ВОДОРОДА НА БОРТУ ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ
© Алексин E.H.*
Санкт-Петербургский государственный морской технический университет,
г. Санкт-Петербург
Мировой рынок подводных лодок испытывает все возрастающую потребность в неатомных подводных лодках, оснащенных воздухоне-зависимыми энергоустановками, в том числе на основе электрохимических генераторов, где топливом является водород, а окислителем -кислород. Существуют различные варианты систем хранения водорода на борту, однако эту проблему до сих пор нельзя назвать решенной. В данном докладе рассматривается проблема выбора оптимальной системы хранения или получения водорода.
В наши дни одним из наиболее мощных и эффективных видов морского оружия являются подводные лодки. Причем если атомные лодки могут строить и эксплуатировать только государства «Ядерного клуба», то неатомные подводные лодки (НАПЛ) могут и хотят иметь на вооружении все страны, имеющие выход в Мировой Океан и имеющие военно-морские амбиции. Неатомная подводная лодка дешевле атомной, имеет меньшее водоизмещение, следовательно, не столь жесткие требования к пунктам базирования, обладает серьезным разрушительным потенциалом, при этом не требует решения проблемы утилизации, транспортировки и хранения ядерного топлива. Однако, существенным недостатком НАПЛ с обычной дизель-электрической энергоустановкой является ограниченное время пребывания под водой. Такие корабли в надводном положении движутся с помощью дизельного двигателя. В подводном положении дизель-электрическая подлодка идет «под аккумуляторной батареей», емкость которой ограничена. Фактически, время нахождения под водой лодок последних поколений не превышает нескольких суток, при условии патрулирования на малых скоростях. Движение в подводном положении на максимальной скорости (порядка 20 узлов) разряжает батарею за пару часов. Поэтому в конце 20 века все ведущие морские державы мира ускорили работы по созданию атмосферонезависимой энергетической установки, способной повысить важнейшее качество подводной лодки - скрытность - путем увеличения времени пребывания в подводном положении.
Эта задача может быть решена путем создания воздухонезависимых энергоустановок на основе электрохимических генераторов, где топливом является водород, а окислителем - кислород. Существуют различные ва-
* Аспирант кафедры Теплофизических основ судовой энергетики.
рианты систем хранения водорода на борту, однако эту проблему до сих пор нельзя назвать решенной. К наиболее известным способам хранения водорода относятся: хранение газообразного водорода в баллонах под давлением, криогенное, в инкапсулированном состоянии в микросферах, в гидридах интерметаллических соединений, в нанотубуленах. Общей особенностью для всех вышеперечисленных способов является необходимость заправки системы хранения значительным количеством водорода, необходимым для работы корабельной энергоустановки на требуемых режимах, для поддержания минимального давления в системе и компенсации диффузионных потерь. В этом случае всегда существует определенный риск возникновения на борту чрезвычайной ситуации. Такой опасности можно избежать, если получать водород только в количестве, соответствующем текущей секундной потребности электрохимического генератора. Получать водород на борту можно гидролизом металлов, гидролизом гидридов металлов (в частности, боргидрида натрия), риформингом углеводородного топлива и т.д.
Таким образом, при проектировании системы хранения или генерации водорода (СХГВ) неизбежно возникает проблема выбора. Предпочтение тому или иному типу СХГВ может быть отдано по соображениям взрыво-пожаробезопасности, экономической целесообразности, технологичности конструкции, объемным характеристикам системы, исходя из возможностей отечественной промышленности и т.п., так что прежде собственно процесса проектирования необходимо выбрать оптимальный по некоему критерию вариант, т.е. сформулировать и решить задачу оптимизации.
Постановка задачи является важнейшей частью оптимизационного исследования. В первую очередь определяется количественный характеристический критерий, нахождение максимума или минимума которого и является задачей оптимизации. В качестве такого критерия представляется целесообразным выбрать приведенные затраты на изготовление и эксплуатацию (в более подробном варианте - и на утилизацию) системы хранения водорода.
с = с + л ■ е
текущие затраты на эксплуатацию системы в течение заданного срока службы;
капитальные затраты на изготовление системы; нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.
Задачей оптимизации в данном варианте будет являться нахождение минимума приведенных затрат.
Далее определяются параметры системы, описывающие условия функционирования системы и влияющие на характеристический критерий (целевую функцию).
где с -
Е -
л -
В случае газобаллонного хранения водорода это давление, температура хранения, материал стенок баллона. Давление и температура определяют плотность газа, а, следовательно, суммарный объем баллонов, т.е. количество баллонов при выбранном объеме одного баллона. При нахождении плотности в данном случае, когда давление водорода 20-70 МПа, уравнение Клапейрона дает погрешность порядка 30%, лучше воспользоваться уравнением Ван-дер-Ваальса:
( Р + а/У,2 )•( у,- Ь ) = Я /Г
Материал баллона (углеродистая сталь, нержавеющая сталь, сплав титана, композиты) помимо непосредственного оказывает и косвенное влияние на приведенные затраты - через коэффициент диффузии водорода, и, следовательно, необходимость учета диффузионных потерь.
В случае хранения водорода в микросферах основные параметры системы будут такими же.
При хранении водорода в виде твердого раствора в интерметаллидах на стоимость системы будут влиять свойства самого интерметаллического соединения: массовое содержание водорода, число циклов сорбции / десорбции, стоимость производства.
Аналогично определяются параметры любой СХГВ, следующим этапом является нахождение зависимости целевой функции от параметров системы. В частности, при хранении водорода в баллонах под давлением зависимость полных затрат на эксплуатацию и изготовление системы, без учета стоимости монтажа, примет вид:
^ Гт ^ Т Л ^ ТТГ ! 1 ^ т ' (ЪОТ + 1)
д=N. ■ т • п + С,+ Сё -Ж • п +1.7 • С--
% р-К
где N. - стоимость 1 кг водорода; т - масса водорода;
п - количество заправок в течение срока службы;
С, - стоимость баллонов;
ъЛ - жизненный цикл корабля;
% - срок службы баллонов;
С^е - стоимость кВт-ч электроэнергии;
Б - коэффициент диффузии;
2
Ь =-- геометрический параметр баллона [1];
г21п ^
Г,
W - электрическая энергия заполнения баллонов компрессорами, определяемая через работу заполнения и КПД компрессорной установки т]£ :
W = — Vi
На сжатие водорода массой М от начального давления p0 до давления p хранения затрачивается работа:
— = MRT XnJL ß Po
где R - универсальная газовая постоянная.
Количество заправок водородом n зависит от коэффициента оперативного напряжения (КОН) для данного объекта ВМФ:
t £Ö ' KOH
n =-
N....
поо
где Кон - коэффициент оперативного напряжения; ъж0 - жизненный цикл корабля; Nn.о - время патрулирования под ЭХГ в сутках.
Для других вариантов хранения или получения водорода на борту подводной лодки зависимость затрат на создание и эксплуатацию от параметров системы определяется аналогичным способом.
Таким образом, математическая модель при решении оптимизационной задачи должна содержать [6]:
- зависимость целевой функции от независимых переменных,
- уравнения, описывающие связи переменных ме^ду собой,
- ограничения (неравенства), определяющие границы подлежащей оптимизации системы, а также ограничивающие диапазон изменений независимых переменных.
Далее выбирается метод оптимизации и с помощью ЭВМ находится минимальное значение приведенных затрат на создание и эксплуатацию системы хранения и генерации водорода.
Список литературы:
1. Алексин E.H. Хранение газообразного водорода в баллонах под давлением. Определение потерь водорода вследствие диффузии через стенки баллона // Перспективы науки. - 2010. - № 6 (08).
2. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: справочное изд. / Д.Ю. Гамбург, В.П. Семенов, Н.Ф. Дубровкин, Л.Н. Смирнова; Под ред. Д.Ю. Гамбурга, Н.Ф. Дубровкина. - М.: Химия, 1989.
3. Дядик А.Н., Замуков В.В., Дядик В.А. Корабельные воздухонезави-симые энергетические установки. - СПб.: Судостроение, 2006.
4. Николаев О.С. Водород и атом водорода: справочник физических параметров. - М.: Ленанд, 2006.
5. Петухов P.M., Постнова Л.С. Экономика судостроительной промышленности: учебное пособие. - Л.: Судостроение, 1984.
6. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике: в 2-х кн. Кн. 1 / Пер. с англ. - М.: Мир, 1986.
АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ МЕТОДОВ КАЛИБРОВКИ В ПОЛОСКОВОМ ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ ТРАКТЕ1
© Белков И.Г., Малышев И.Н.*
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород
Волновые параметры рассеяния изделия определяются из результатов измерений векторного анализатора цепей контактного устройства с установленным в него изделием. Погрешности измерений в полосковом тракте складываются из следующих составляющих:
- систематическая погрешность калибровки;
- систематическая погрешность, вызванная температурными уходами;
- случайные погрешности, вызванные нестабильностью параметров измерительных кабелей и коаксиально-полосковых переходов, приборным шумом, не повторяемостью соединения переходов при пере стыковках.
Одной из наиболее сложных задач при измерениях в полосковом измерительном тракте, является минимизация систематической погрешности калибровки. Калибровка (вынесение, de-embedding) - это метод исключения влияния окружающих цепей на измеряемые параметры рассеяния, позволяющие получать параметры рассеяния самого изделия.
В настоящее время существует множество методов вынесения. Использование того или иного метода зачастую определяется типом измеряемого
1 Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
* Доцент кафедры «Компьютерные технологии в проектировании и производстве», кандидат технических наук.
