опыт применения водорода в оао кбха при проведении испытаний жидкостных ракетных двигателей, их агрегатов и энергоустановок
В.И. Пригожин, А.И. Коваль, А.Р. Савич
Открытое акционерное общество «Конструкторское бюро химавтоматики», ул. Ворошилова, дом 20, г. Воронеж, 394006, Россия. Тел.: (4732) 77-09-68, 77-14-40; факс: (4732) 36-62-75, 63-32-68. E-mail: [email protected]
В Открытом акционерном обществе «Конструкторское бюро химавтоматики» (ОАО КБХА) имеется значительный опыт использования водорода в качестве компонента топлива для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) и энергоустановок. В настоящее время на предприятии для проведения испытаний используется газообразный водород, получаемый при электролизном разложении воды в двух стационарных электролизных установках СЭУ-40 производительностью по 40 нм3/ч водорода каждый, газообразный водород после электролизеров подается на очистку от влаги и кислорода
и поступает далее в четыре накопительные емкости объемом по 10 м3 каждая под давлением 7 кгс/см2. Для получения жидкого водорода на Испытательном комплексе ОАО КБХА создан производственный комплекс, где смонтирована установка ожижения водорода ОВ-70 производительностью 5,0-6,0 кг/ч, работающая по турбодетандерному гелио-водородному конденсационному циклу. Ожижение газообразного водорода до 20 К осуществляется в рекуперативных теплообменниках гелием, охлажденным в турбодетандере до температуры 15-17 К. Предусмотрена возможность увеличения производительности до 7,5 кг/ч. Для сокращения энергетических затрат при получении водорода исследуются технологии альтернативных способов производства. С этой целью изготовлена опытно-промышленная установка получения газообразного водорода плазмохимическим разложением природного газа в водородной плазменной дуге и в настоящее время проходит стендовые испытания. Особенностью установки является возможность ее эксплуатации при применении различных технологических процессов получения газообразного водорода. Имеется экспериментальная база, где проводятся модельные и натурные испытания узлов и агрегатов двигателей на прочность, определяются их гидравлические, газодинамические, вибрационные характеристики. Создан стенд для огневых доводочных и контрольно-технологических испытаний водородных двигателей различного назначения. В настоящее время проходят стендовые испытания кислородно-водородный ЖРД тягой 10 тс для разгонных блоков ракетоносителей различного назначения и водородо-кислородные парогенераторы.
EXPERIENCE OF HYDROGEN USE IN OSC KBKHA DURING TESTING OF LIQUID ROCKET ENGINES, THEIR COMPONENTS AND POWER UNITS
A.I. Koval, V.I. Prigozhin, A.R. Savich Open Stock Company Konstruktorskoye Bureau Khimavtomatiki, Voroshilova st., # 20, Voronezh, 394006, Russia. Ph.: (4732) 77-09-68, 77-14-40; Fax: (4732) 36-62-75, 63-32-68. E-mail: [email protected]
In the Open Stock Company "Konstruktorskoye Bureau Khimavtomatiki" it has been gained significant
experience of the hydrogen use as propellant for liquid rocket engines (LRE) and power units. At present, in the company for test performance it is used gaseous hydrogen obtained at water electrolysis in 2 stationary electrolysis units SEU-40 (СЭУ-40) providing the output of 40 st.m3/h of hydrogen each; after the electrolysis units, the gaseous hydrogen is processed to eliminate water vapor and oxygen and is supplied to 4 accumulation vessels of 10 m3 each under the pressure 7 kgf/cm2. For production of liquid hydrogen at Test Facility Complex of OSC KBKhA it has been created a special complex where it has been mounted a hydrogen liquefying unit OV-70 (OB-70) providing the output of 5.0-6.0 kg/h and operating according to the turbo-expander helium-hydrogen condensation cycle. Recuperative heat exchangers are used to liquefy gaseous hydrogen to 20 K with the help of helium chilled-down in the turbo-expander to the temperature of 15-17 K. It is provided the possibility to increase the output up to 7.5 kg/h. To reduces power consumption at hydrogen production, we are investigating technologies of alternative production methods. For this purpose it has been manufactured an experimental-production unit for gaseous hydrogen production by plasma-chemical decomposition of natural gas in hydrogen plasma arc, and currently we perform the test stand testing of this unit. The peculiar feature of this unit is the possibility to apply different technological processes of gaseous hydrogen production. By now it is created an experimental base where model and full-scale strength tests of engine subassemblies and components are carried out and their hydraulic, gasdynamic and vibration characteristics are defined. It has been created a test stand for hot-fire final tests and check-out technological tests of hydrogen engines for various applications. Currently the 10 tf LOX-LH2 LRE for LV booster blocks for various applications as well as hydrogen-oxygen steam-gas generators are tested at our test facilities.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «ТАТА»,2008
Пригожин Виктор Иванович, кандидат технических наук (1997 г.), действительный член Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского (1997 г.), директор испытательного комплекса Открытого акционерного общества «Конструкторское бюро химавтоматики». Участвовал в отработке ряда ракетных двигателей для ракетоносителей «Союз», «Протон», «Энергия», «Со-юз-2», «Ангара» и других двигателей и установок. Образование: Ленинградский энергетический институт (1965 г.)
Область научных интересов: теория и практика наземных испытаний ракетных двигателей и двигательных установок, исследование в области водородных технологий и нанотехнологий.
Публикации: более 20 опубликованных работ, 5 изобретений.
Коваль Анатолий Иванович, главный инженер испытательного комплекса ОАО «Конструкторское бюро химавто-матики».
Участвовал в отработке ряда ракетных двигателей для ракетоносителей «Союз», «Протон», «Энергия», «Союз-2», «Ангара» и других двигателей и установок.
Образование: Харьковский авиационный институт (1959 г.)
Область научных интересов: теория и практика наземных испытаний ракетных двигателей и двигательных установок, исследование в области водородных технологий.
Публикации: 5 опубликованных работ, 4 изобретения.
Савич Анатолий Романович, ведущий конструктор испытательного комплекса ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики».
Образование: Воронежский политехнический институт (1965 г.). Область научных интересов: специалист в области разработок водородных технологий, наноматериалов и парогенераторных установок. Публикации: 5 опубликованных работ, 10 изобретений.
Введение
В мире наблюдается возможность возникновения глобального энергоэкологического кризиса, который может быть преодолен при условии энергетической революции, основным содержанием которой станет переход от преобладания невоспроизводимого, загрязняющего окружающую среду ископаемого топлива к возобновляемым, экологически чистым источникам
энергии, и прежде всего, к водородному топливу. На такой переход направлены долгосрочные энергетические программы США, Европейского союза, Японии и других стран [1].
В Открытом акционерном обществе «Конструкторское бюро химавтоматики» (ОАО КБХА) имеется значительный опыт использования водорода в качестве компонента топлива для жидкостных ракетных
Гиперзвуковой
прямоточный воздушно-
реактивным двигатель
58Л
Двигатели и водородные агрегаты КБХА для иностранных заказчиков
Научно-исследовательские работы
по водородной проблематике
Рис. 1. Применение водорода в ОАО КБХА
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
двигателей (ЖРД) и энергоустановок. ОАО КБХА является современным научно-производственным предприятием, на котором создаются ЖРД различного назначения, из 60 разработанных образцов которых 30 доведены до серийного производства. В том числе созданы ЖРД, работающие на компонентах топлива водород и кислород.
Схема основных направлений использования водорода в ОАО КБХА представлена на рис. 1. Водород используется, в основном, при испытании различного вида ракетных двигателей и энергетических установок. Исследуются также новые технологии получения, хранения, ожижения водорода и его использования.
1. Получение водорода
Водород является экологически чистым, эффективным энергоносителем с удельной теплотой сгорания 0с = 33928 ккал/кг (142049 кДж/кг) [2], что в несколько раз превышает теплоту сгорания углеводородных топлив. При его сжигании не происходит выделения никаких химических веществ и парниковых газов, выпадения кислотных дождей и загрязнения окружающей среды, разрушающих озонный слой земли. Водород как элемент топлива при сгорании в кислороде дает нам не только тепло и электроэнергию, но и обладает способностью аккумулировать энергию.
В нашей стране и за рубежом получают водород в различных отраслях промышленности. Наиболее распространенными методами производства водорода в больших количествах являются электролизное разложение воды и разложение углево-дородосодержащих газов (например, природного газа с содержанием метана до 98 %) при паровой конверсии, парокислородной конверсии, парциальном окислении. Осваиваются способы получения водорода из угля, малоценных нефтяных фракций, промышленных и бытовых отходов, биомассы и сельскохозяйственных продуктов. Метод получения
водорода выбирается в зависимости от наличия исходного сырья, энергоресурсов и их размещения относительно места нахождения потребителя. По требованиям к конечному продукту водород проходит очистку, компримирование, транспортировку и накопление. На все эти работы требуются значительные затраты электроэнергии и тепла. Поэтому в процессе производства водорода постоянно исследуются возможности сокращения энергетических затрат, в том числе, за счет использования атомной и солнечной энергии, силы ветра, приливов и отливов, тепла геотермальных вод. При этом исследуются и способы сокращения различных сопутствующих выбросов вредных веществ, влияющих на загрязнение окружающей природы.
Таблица 1
Технические характеристики установки СЭУ-40
Производительность газообразного водорода стационарной электролизной установкой СЭУ-40, нм3/ч 40
Производительность газообразного кислорода, нм3/ч 20
Рабочее давление газов, кгс/см2 Напряжение, В Сила постоянного тока, А 10 230 1000
Кислород в атмосферу
Регулятор давления кислорода
Промыватель — кислорода
Раздешггельнаяколонка кислорода
02
©
Промыватен водорода
Регулятор давления водорода
Питательный бак
=1-
Вода дистиллированная
Разделительнаяколонка водорода
Н2
Рис. 2. Технология получения газообразного водорода
Реактор катагигиче ской очистки водорода
Блок Блок
осушки осушки
водорода водорода
Блок приготовления электролита
Ресивер
—IZZ
Ресивер
Ресивер
Ресивер
Водород к потребителю
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
В ОАО КБХА в настоящее время для проведения испытаний используется газообразный водород, получаемый при электролизном разложении воды в двух стационарных электролизных установках СЭУ-40 производительностью по 40 нм3/ч водорода каждый (рис. 2, табл. 1). Газообразный водород после электролизеров подается на очистку от влаги и кислорода и поступает далее в четыре накопительные емкости объемом по 10 м3 каждая под давлением 7 кгс/см2.
Для получения жидкого водорода на Испытательном комплексе ОАО КБХА создан производственный комплекс (рис. 3), где смонтирована установка ОВ-70 ожижения водорода производительностью 5,0-6,0 кг/ч, работающая по турбодетандерному гелио-водородному конденсационному циклу (табл. 2). Ожижение газообразного водорода до 20 К осуществляется в рекуперативных теплообменниках гелием, охлажденным в турбодетанде-ре до температуры 15-17 К. Предусмотрена возможность увеличения производительности до 7,5 кг/ч.
Газообразный водород поступает на станцию ожижения водорода ОВ-70 по стационарному трубопроводу из накопительных емкостей и (или) в компрессорную станцию. В компрессорной станции давление газообразного водорода повышается компрессорами до 320 кгс/см2, и затем водород подается в емкости двух водородных хранилищ:
• в хранилище, состоящее из 3 емкостей объемом 10 м3 каждая при рабочем давлении 320 кгс/см2 (суммарный объем водорода равен 96000 нм3);
• в хранилище, состоящее из 16 емкостей объемом 0,4 м3 каждая при рабочем давлении 320 кгс/см2 (суммарный объем водорода равен 2000 нм3).
Водород подается на дополнительную очистку от примесей до степени 99,9999 % об. Ожижение и накопление жидкого водорода в криогенной емкости объемом 16 м3 (1000 кг) осуществляются в течение 10-12 суток. Это определяет темп проведения огневых испытаний.
Из накопительной емкости жидкий водород поступает на огневой стенд 62 в расходную емкость объемом 22 м3 и пусковую емкость объемом 1 м3 для проведения испытаний кислородно-водородных ЖРД.
Кроме того, водород поступает на стенды 1 и 5 для проведения испытаний энергоустановок, для проведения технологических работ на огневых стендах при подготовке и проведении испытаний кислородно-водородных двигателей, на заполнение баллонов газообразным водородом чистотой 99,9 % об под давлением до 300 кгс/см2 для предприятий электронной, пищевой, химической промышленности и в перспективе для автотранспорта.
Учитывая, что потери жидкого водорода на захолажива-ние баков и трубопроводов подачи достигают в настоящее время 350 кг, максимальная продолжительность одного огневого испытания двигателя составляет250 с. Рассматривается возможность увеличения длительности испытаний до 500 с за счет реконструкции хранилищ жидкого водорода.
Таблица 2
Технические характеристики установки ОВ-70
Производительность жидкого водорода, кг/ч 5,5-7,5
Рабочее давление накопительной емкости жидкого водорода, кгс/см2 16
Рабочее давление расходной емкости жидкого водорода, кгс/см2 10
Объем баков газообразного водорода, м3 (10 м3 х 3 шт.) 30
Давление газообразного водорода, кгс/см2 320
Объем накопительной емкости жидкого водорода, м3 16
Объем расходной емкости жидкого водорода, м3 22
Производство газообразного водорода
Накопительная
емкость Компримирование
газообразного —> водорода
водорода
Грубая оч истка газообразного водорода
Тонкая очис тка газообразного водорода
Заправка
Накопление газообразного гелия
I
Очистка
Компримиров ани газообразного
е гелия гелия
Охлаждение гелия в турбодетандерах
Охлаждение и конденсация водорода
Гелий после турбодетандеров
Жидкий водород
к потребителю
Рис. 3. Производственные мощности водородного комплекса ОАО КБХА
Накопительная емкость жидкого водорода
Реформинг водорода в параформу
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №3 (59) 2008 I 1 Pi f j"1
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008 M P P ) / n
На рабочих местах огневых стендов установлена специальная система контроля и продувок инертными газами (азотом, гелием) внутренних полостей трубопроводов заправки для пожаровзрывопредупреждения, предусмотрена балластировка водорода в дренажных трубах азотом при выхлопе в атмосферу и дожигании выбросов.
Для сокращения энергетических затрат при получении водорода исследуются технологии альтернативных способов производства. С этой целью изготовлена опытно-промышленная установка получения газообразного водорода плазмохимическим разложением природного газа в водородной плазменной дуге и в настоящее время проходит стендовые испытания. Особенностью установки является возможность ее эксплуатации при применении различных технологических процессов получения газообразного водорода:
• одновременного получения газообразного водорода для испытаний ЖРД и ацетилена для химической промышленности при изготовлении полихлорвиниловой смолы, простых виниловых эфиров, винилацетата, бальзамов и других ценных веществ, а также в машиностроении при газопламенной обработке металлов;
• пароконверсионного плазмохимического разложения природного газа;
• одновременного получения газообразного водорода, ацетилена и углеродных фуллеренов, нанотрубок (УНТ) и нановолокон (УНВ), необходимых в производстве электронной, электротехнической продукции, а также для получения металлических и полимерных конструкционных материалов;
• получения синтез-газа для добавки к традиционному углеводородному топливу двигателей транспортных средств и стационарных энергетических установок (рис. 4).
Пиролизное разложение природного газа осуществляется в плазмохимическом реакторе (ПХР), характеристики которого представлены в табл. 3.
Для обеспечения непрерывной работы установки планируется использовать два ПХР мощностью по 400 кВт каждый, работающих попеременно и имеющих собственные источники питания постоянного тока. Водород и ацетилен из парогазовой смеси выделяются в теплообменнике-промывателе и направляются в системы установки для дальнейшей очистки и накопления. Отходящие газы дожигаются и выбрасываются в атмосферу. Процесс разложения природного газа проходит в водородной низкотемпературной плазме.
Аккумулирование водорода в различных пористых материалах для двигателей транспортных средств и стационарных энергетических установок исследуется в ОАО КБХА на экспериментальной установке (ЭУАВ).
Для исследования адсорбции водорода в созданной установке используются углеродные наноматериалы, получаемые на установке плазмохимического разложения природного газа. Кроме того, проводятся работы для сокращения затрат на очистку газообразного водорода перед его ожижением. Исследуется экспериментальный мембранный фильтр с различными фильтрующими элементами и возможность внедрения его в опытное производство. Выделение водорода на мембранах до 99,9999 % об из пирогаза после плазмохимического реактора должно стать альтернативным способом использования фильтров по сравнению с короткоцик-ловыми адсорбционными установками.
Таблица 3
Технические характеристики ПХР
Производительность синтез-газа, нм3/ч 200-250
Состав синтез-газа, % об.: Н2 СО СО2 СН4 О2 62...75 2...3 15.30 5.10 0,01
Электропитание силовое 2 кВ
Электропитание вспомогательное 380 В, 50 Гц
Потребляемая мощность, кВт, не более 592
Расходы рабочих сред
Природный газ (углеводородный газ), нм3/ч 100-120
Пар, м3/ч 120-140
Вода техническая для охлаждения синтез-газа, л/ч 200-250
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
Рис. 4. Экспериментальная установка для получения синтез-газа паракаталитической конверсией природного газа
2. Испытание жидкостных ракетных двигателей и их агрегатов
В 1965 году начались доводочные испытания агрегатов ядерного ракетного двигателя, созданных в ОАО КБХА, и затем кислородно-водородного двигателя РД0120 тягой 200 тс и его агрегатов. Проводились они на испытательных стендах предприятий отрасли: в НИИХиммаш, г. Сергиев Посад Московской области, и в НИИМаш, г. Нижняя Салда Свердловской области. В это же время были организованы испытания на жидком и газообразном водороде и на стендах ОАО КБХА, при этом газообразный водород изготавливался в собственном криогенном производстве путем электролиза воды, а жидкий водород приобретался в НИИХиммаше.
В структуре ОАО КБХА в 2001 году в процессе создания ЖРД был организован полный цикл разработки, изготовления и испытания кислородно-водородных двигателей [3]. Экспериментальная база постоянно развивается. В настоящее время действуют стенды для испытаний узлов и агрегатов двигателей на прочность, определяются их гидравлические, газодинамические, вибрационные характеристики, проводится низкочастотная и высокочастотная балансировка различных массогабаритных роторов. В настоящее время проходит стендовые испытания кислородно-водородный ЖРД тягой 10 тс для разгонных блоков ракетоносителей различного назначения (КВРБ) на стенде 62, технические характеристики и общий вид которого представлены в табл. 4 и на рис. 5.
Таблица 4
Технические характеристики испытательного стенда № 62
Пневмогидравлические системы АСУТП испытания Автоматизированная система измерений
Агрегатов ПГС - 1000 ед.
Водород (газ) Объем баков V = 30 м3 Давление Р = 300 кгс/см2 Водород жидкий Объем баков V = 22 м3 Давление Р = 10 кгс/см2 Кислород жидкий Объем баков V = 44 м3 Давление Р = 10 кгс/см2 Азот Объем баков V = 70 м3 Давление Р = 320 кгс/см2 Бензин Объем баков V = 10 м3 Давление Р = 10 кгс/см2 Воздух Объем баков V = 50,4 м3 Давление Р = 320 кгс/см2 Гелий Объем баков V = 3,2 м3 Давление Р = 300 кгс/см2 Керосин Объем баков V = 30 м3 Давление Р = 10 кгс/см2 Управляемых агрегатов стенда - 450 Измерительных линий - 498
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
На стенде 5 проводятся огневые испытания узлов ЖРД (камер сгорания, газогенераторов, запальных устройств) на газообразном водороде, в стендовой рампе которого (объемом 8 м3) водород находится под давлением до 400 кгс/см2. На этом стенде проводились: отработка запуска трехкомпонентного двигателя-демонстратора РД750; испытания кольцевой камеры сгорания с тарельчатым соплом перспективного двигателя РД0126; водородо-кислородного парогенератора для получения высокотемпературного водяного пара для турбин энергоустановок. Внешний вид и технические характеристики стенда № 5 представлены на рис. 6 и в табл. 5.
Технические характеристики испытательного стенда № 5
Рис. 6. Стенд № 5 для огневых испытаний камер сгорания тягой до 5000 кгс, газогенераторов и энергетических установок
Таблица 5
Пневмогидравлические системы АСУТП испытания Автоматизированная система измерений
Агрегатов ПГС - 300 ед.
Водород (газ) Объем баков V = 6,4 м3 Давление Р = 400 кгс/см2 Водород (газ) Объем баков V = 1,8 м3 Давление Р = 200 кгс/см2 Кислород жидкий Объем баков V = 0,6 м3 Давление Р = 300 кгс/см2 Воздух Объем баков V = 40,8 м3 Давление Р = 300 кгс/см2 Азот Объем баков V = 26,8 м3 Давление Р = 300 кгс/см2 Керосин Объем баков V = 0,3 м3 Давление Р = 200 кгс/см2 Вода Объем баков V = 4,8 м3 Давление Р = 300 кгс/см2 Управляемых агрегатов стенда - 132 Измерительных линий - 360
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
3. Применение водорода для проведения испытаний энергоустановок
Наряду с ракетными двигателями в испытательном комплексе ОАО КБХА разрабатываются и испытыва-ются водородо-кислородные энергоустановки для получения высокотемпературного пара. Основной составной
частью энергоустановки является парогенератор. В настоящее время на стенде №2 1 (рис. 7 и табл. 6) проходят доводочные испытания микропарогенератора (М1II ) мощностью до 150 кВт(т), а на стенде №2 5 (рис. 6) - экспериментального блока парогенератора (ПГ) мощностью до 20 МВт(т), разработанных ОИВТ РАН.
Таблица 6
Технические характеристики испытательного стенда № 1
Пневмогидравлические системы АСУТП испытания Автоматизированная система измерений
Агрегатов ПГС - 600 ед.
Водород (газ) Объем баков V = 0,24 м3 Давление Р=150 кгс/см2 Кислород (газ) Объем баков V = 0,15 м3 Давление Р = 150 кгс/см2 Метан (газ) Объем баков V = 0,45 м3 Давление Р = 200 кгс/см2 Воздух Объем баков V = 45,6 м3 Давление Р=200 кгс/см2 Керосин Объем баков V = 0,3 м3 Давление Р=150 кгс/см2 Азот Объем баков V = 34,8 м3 Давление Р=160 кгс/см2 Вода Объем баков V = 0,07 м3 Давление Р = 50 кгс/см2 Управляемых агрегатов стенда - 130 Измерительных линий -127
Рис. 7. Стенд № 1 для огневых испытаний газогенераторов и запальников
Заключение
В ОАО КБХА имеется достаточный опыт использования жидкого и газообразного водорода в качестве компонента топлива для жидкостных ракетных двигателей. На предприятии имеются 2 стационарные электролизные установки СЭУ-40 и установка ожижения водорода ОВ-70, позволяющие полностью удовлетворить в настоящее время потребности испытательного комплекса в газообразном и жидком водороде. Имеется экспериментальная база, где проводятся модельные и натурные испытания узлов и агрегатов двигателей на прочность, определяются их гидравлические, газодинамические, вибрационные характеристики, проводится низкочастотная и высокочастотная балансировка различных массогабаритных роторов. Создан стенд №2 62 для огневых доводочных и контрольно-технологических испытаний водородных двигателей различного назначения. В настоящее время проходит стендовые испытания кислородно-водородный ЖРД тягой 10 тс для разгонных блоков ракетоносителей различного назначения и водородо-кислородные парогенераторы.
Список литературы
1. Международный Форум «Водородные технологии для производства энергии».
2. Справочник по физико-техническим основам криогеники / Под ред. М.П. Малкова. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: «Энергия», 1973.
3. Труды Международного симпозиума по водородной энергетике. Москва, 1-2 ноября 2005 г. М.: Издательство МЭИ, 2005.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008