CC BY
76УДК: 629.764.082.6.002.71:629.1.06
создание водородной инфраструктуры для рн «энергия» (Производство, транспортирование, хранение и заправка)
А.В. Толяренко, М.В. Лихачев
ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева», Ленина, д.4, г.Королев, Московской обл., Россия, 141070 Тел.: (495) 513-86-55, факс: (495) 513-86-20, e-mail : [email protected]
Время создания, отработки и первых запусков РН «Энергия» явилось целой эпохой создания уникальной и целостной водородной инфраструктуры, включившей в себя все этапы: производство, транспортирование, хранение и заправку жидкого водорода
DEVELOPMENT OF HYDROGEN INFRASTRUCTURE FOR THE ENERGIA LV (PRODUCTION, TRANSPORTATION, STORAGE AND FUELING)
Time of creation, testing and first launches of LV "Energia" was the whole era of creation of unique and integral hydrogen infrastructure, which included all stages: manufacturing, transportation, storage and liquid hydrogen loading.
Жидкий водород является одним из самых эффективных видов горючего для ракетных двигателей. Применение жидкого водорода позволяет значительно повысить эксплуатационные характеристики средств выведения за счет его высокой энергетики. Не последнюю роль играет вопрос экологической чистоты использования кислородно-водородных двигателей.
Недостатком использования жидкого водорода в качестве горючего для ракетных двигателей являются повышенные требования по пожаровзрывобезопаснос-ти работ с этим компонентом ракетных топлив.
В нашей стране силами многих научно-технических и производственных предприятий (РКК «Энергия» им. С.П. Королева, ГИАП, НПО «Криогенмаш», ОАО «Урал-криомаш», КБОМ им. В.П. Бармина и др.) была создана совершенная инфраструктура обеспечения ракетно-космического комплекса «Энергия-Буран» жидким водородом, включающая производство, транспортирование и эксплуатацию жидкого водорода. В процессе создания инфраструктуры были разработаны четкие технологические подходы, обеспечивающие безопасность при работе с жидким водородом на всех этапах эксплуатации.
Производство
На начало разработки ракетно-космического комплекса «Энергия-Буран» в СССР имелись ограниченные производственные мощности по изготовлению жидкого водорода (Россия, Узбекистан, Украина). Однако
существующих мощностей было недостаточно для обеспечения задач программы «Энергия-Буран».
На основе подробного технико-экономического анализа обеспечения тактико-технических требований ракетно-космического комплекса «Энергия-Буран» в части обеспечения жидким водородом было принято правительственное решение о реконструкции производственного объединения ПО «Электрохимпром» (г.Чирчик, Узбекистан).
Следует отметить, что одним из важнейших факторов, влияющих на перспективное применение жидкого водорода является его стоимость. Этот показатель в значительной степени зависит от способа получения газообразного водорода, экономичности холодильного цикла, используемого при ожижении водорода, и от объемов его производства.
Существует ряд способов получения газообразного водорода: это различные методы, основанные на переработке природного газа, газов нефтепереработки, метод, основанный на электролизе воды, и другие.
Холодильные циклы, применяемые в процессах ожижения водорода, также в значительной степени влияют на экономику получения жидкого водорода. В современных производствах жидкого водорода используются холодильные циклы Линде с простым дросселированием и предварительным охлаждением, цикл двух давлений, цикл Клода с детандером и другие.
Производство жидкого водорода на ПО «Электро-химпром» было создано в 1970 году для обеспечения
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №3 (59) 2008 f 1 ( cz' ' 1 /"j", I c-JI" H
© Scientific Technical Centre «TATA»,2008 L r3 P )l r\W ^
жидким водородом «лунной» программы Н-1. Производство создано на базе 4-х установок типа 501М производительностью 180 кг/час на штуцере установки. Мощность производства составляла 4000 т/год. Технология была основана на получении газообразного водорода путем электролитического разложения воды и последующего его ожижения.
Для обеспечения задач программы «Энергия-Буран» была проведена реконструкция водородного производства с увеличением мощности до 8700 т/год.
В реконструированном производстве использовался газообразный водород, получаемый из азото-водород-ной смеси (АВС) аммиачного цикла с последующим его ожижением на модернизированной установке типа 501М-1. Долговременное хранилище для жидкого водорода на заводе отсутствовало, получаемый водород сливался непосредственно в транспортные цистерны. Парк цистерн типа ЖВЦ-100 во время эксплуатации РКК «Энергия-Буран» составлял 50 штук.
Функциональная схема установки 501М-1 построена на водородном и азотном циклах высокого давления с использованием холодильного цикла Клода с дросселированием. Эффективность процесса ожижения водорода по циклу высокого давления определяется более совершенной схемой орто-пара конверсии и внедрением в схему водородного и азотного турбо-детандеров.
Техническая характеристика установки 501М-1:
1. Массовая производительность по жидкому водороду на штуцере
установки, кг/час, не менее..................320
2. Параметры жидкого водорода:
температура, К, не более....................23,0
давление, МПа, не менее.....................0,4
объемная доля параформы, %, не менее........98
объемная доля примесей, %, не более:
кислорода...............................110-7
азота....................................210-6
3. Объемный расход водорода на входе
в установку, м3/час........................ 6000
4. Параметры водорода на входе в установку:
температура, К, не более....................308
давление, МПа.......................12,0...14,5
объемная доля примесей, %, не более:
кислорода...............................110-7
азота....................................210-3
метана................................. 110-4
аргона..................................110-6
окиси углерода...........................110-5
точка росы, К.............................233
5. Адиабатный КПД водородного турбодетандера............................0,63
Программа работ с изделием «Энергия-Буран» практически полностью была обеспечена поставками водорода с ПО «Электрохимпром».
В связи с закрытием программы «Энергия-Буран»
и отсутствием потребления производство в 1994 году было законсервировано.
На отдельных этапах эксплуатации программы «Энергия-Буран» поставки жидкого водорода проводились с ДПО «Азот» (г.Днепродзержинск, Украина).
Производство жидкого водорода на ДПО «Азот» основано на получении газообразного водорода из азото-водородной смеси (АВС) на основе коксового газа с последующей его очисткой и ожижением.
Особенностью данного производства является то, что жидкий водород как товарный продукт является побочным при производстве основного вида продукции. В технологическом процессе установки жидкий водород используется для орошения ректификационной колонны получения основной продукции. При соответствующем изменении технологического режима определенное количество жидкого водорода можно «выводить» из технологического цикла для использования в качестве товарного продукта и поставок сторонним потребителям.
При необходимости выработки жидкого водорода его получение на штуцере установки может быть обеспечено через 2-3 часа после начала цикла производства жидкого водорода.
На ДПО «Азот» имелись две установки, перерабатывающие АВС. Каждая установка перерабатывает 4500 м3/час АВС (суммарно 9000 м3/час). Годовая производительность по жидкому водороду составляет 900 т.
Хранилище для жидкого водорода на ДПО «Азот» отсутствует, поэтому выдача водорода производится непосредственно в транспортные емкости.
Оборудование для производства жидкого водорода практически состояло из площадок наполнения емкостей и парка цистерн. Парк транспортных цистерн на этапе эксплуатации РКК «Энергия-Буран» включал в себя 23 емкости ЖВЦ-100. Производство в течение месяца заполняло 20-24 емкости ЖВЦ-100.
Единственное существовавшее во время эксплуатации РКК «Энергия-Буран» и существующее сегодня (но практически законсервированное) производство жидкого водорода в России - производство в НИИ-ХимМаш (г.Пересвет Московской обл.).
В структуре НИИХимМаш водородное производство является самостоятельным заводом, состоящим из отдельных подразделений, связанных между собой технологическими процессами.
Водородное производство в НИИХимМаш создано для получения газообразного и жидкого водорода, предназначенных для испытаний изделий космической техники и специального криогенного оборудования на базе испытательного комплекса предприятия.
Водородное производство в НИИХимМаш было создано в 1964 году на базе лабораторных установок типа ВО-2, а в 1967 году была смонтирована и введена
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
в эксплуатацию первая промышленная установка по получению жидкого водорода типа 501А.
С целью обеспечения жидким водородом испытаний ракетно-космической техники постановлением Правительства в 1986 году было принято решение о реконструкции производства, включающей замену основного технологического оборудования, в т.ч. компрессоров, установки ожижения, аммиачно-холодильной установки и др. После реконструкции мощность производства увеличивалась с 800 до 1500 т/год жидкого водорода по первой очереди реконструкции и до 2300 т/год по второй очереди со значительным уменьшением удельного расхода энергоресурсов и снижением себестоимости жидкого водорода.
Реконструкцией хранилища жидкого водорода предусматривалось увеличение объема заводского хранилища с 300 м3 до 480 м3.
В связи с ограниченным финансированием реконструкция не была завершена.
Транспортировка
Хранение и транспортировка жидкого водорода по сравнению с другими сжиженными газами являются более сложной задачей вследствие небольшой скрытой теплоты испарения и низкой температуры кипения. Конструкция сосудов для жидкого водорода должна обеспечивать малый приток тепла из окружающей среды к хранимой жидкости. Для теплоизоляции сосудов с жидким водородом применяется:
• высоковакуумная изоляция с охлаждаемыми экранами;
• вакуумно-порошковая изоляция;
• вакуумно-многослойная изоляция.
В процессе работ с изделиями «Энергия-Буран» была создана и отработана уникальная схема обеспечения водородом, включающая производство, транспортировку и эксплуатацию жидкого водорода. В процессе отработки схемы были разработаны четкие технологические подходы, обеспечивающие безопасность при работе с жидким водородом на всех этапах.
Перевозка жидкого водорода от производства до потребителя может осуществляться различными видами транспорта: железнодорожным, автомобильным, водным и по трубопроводам. Во время работ по программе «Энергия-Буран» использовались железнодорожный и автомобильный виды транспорта.
Поставки больших количеств жидкого водорода осуществлялись в железнодорожных цистернах типа ЖВЦ-100 - ЖВЦ-100М1 - ЖВЦ-100М2 (в порядке их модернизации).
Сцепки цистерн ЖВЦ-100 транспортируются по железной дороге в составе грузового поезда. Сцепка состоит из 5 цистерн с жидким водородом типа ЖВЦ-100 с 2 платформами прикрытия. Сцепка сопровождается специальной бригадой в составе 3-х человек.
Цистерны типа ЖВЦ-100 были разработаны и изготовлены предприятием ОАО «Уралкриомаш».
Последняя модификация цистерн типа ЖВЦ-100М2 имеет следующие технические характеристики:
геометрический объем, м3....................119
масса заправляемого водорода, кг............7350
рабочее давление в сосуде, МПа..............0,25
потери на испарение, % в сутки...........0,8...1,0
масса порожней цистерны, т...................77
габаритные размеры по ГОСТ9238-83 - 1Т:
длина по осям сцепления автосцепок, мм.....25730
нагрузка от оси на рельсы, т.................21,2
Выдача жидкого водорода - вытеснительная, сторонним наддувом.
Во время работ с изделием «Энергия-Буран» накоплен большой опыт железнодорожной транспортировки жидкого водорода. Объемы поставок достигали 1000 т в год. За период с 1986 по 1991 г. было поставлено ~3500 т с ПО «Электрохимпром». В 1991-1992 гг. производились поставки жидкого водорода на полигон с ДПО «Азот» в количестве ~300 т.
Вся транспортировка жидкого водорода от заказа до слива в емкости-хранилища проводилась по строго отработанной схеме с соблюдением всех правил безопасности, при этом не возникало нештатных ситуаций.
Для поставок небольших количеств жидкого водорода использовались автомобильные транспортировщики.
На ОАО «Уралкриомаш» была разработана автомобильная цистерна для жидкого водорода со следующими техническими характеристиками:
геометрический объем, м3.....................10
масса заполняемого водорода, кг..............700
рабочее давление в сосуде, МПа................1,0
потери от испарения, % в сутки................2,4
габаритные размеры, мм
длина................................ 9870
ширина.............................. 2650
высота...............................3710
Криогенный резервуар для жидкого водорода устанавливался на шасси автомобиля КрАЗ.
Автомобильные средства перевозки жидкого водорода были также разработаны и НПО «Криогенмаш».
Хранение
В процессе работ с изделием «Энергия-Буран» на стартовом комплексе и универсальном комплексе стенд-старт были созданы уникальные системы хранения жидкого водорода и заправки его в изделие:
17Т24 - система заправки жидким водородом изделия «Буран» на СК;
17Г24С - система заправки жидким водородом блоков изделия «Энергия» на УКСС;
17Г86 - система заправки жидким водородом баков СЭП изделия «Буран» на СК.
До создания этих систем в мире не было опыта по хранению таких количеств жидкого водорода. Системы
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
17Г24 (17Г24С) были разработаны и изготовлены на НПО «Криогенмаш».
Хранилища систем 17Г24 (17Г24С) состояли из 4-х сферических резервуаров типа РСВ-1400/1 (каждая
из систем).
Техническая характеристика резервуара:
геометрический объем, м3...................1437
рабочее давление, МПа.......................1,0
количество жидкого водорода
(при коэффициенте заполнения 0,9), кг.......91700
потери продукта от испарения при давлении в теплоизоляционной полости 1,3210-2 Па (при t ~20 оС и давлении 760 мм рт. ст.),
% в сутки.................................0,138
диаметр наружного шара, мм ............... 16050
высота резервуара, мм......................3710
масса порожнего резервуара, т................360
Для обеспечения безопасности работ в соответствии с разработанной технологией перед заполнением резервуаров систем проводилась их подготовка сначала газообразным азотом, затем газообразным водородом.
Дренируемые пары газообразного водорода при хранении и в процессе работы с изделием по дренажным трубопроводам отводились на специальную площадку, где производился поддув дренажей газообразным азотом.
В системах была предусмотрена адсорбционная очистка жидкого водорода от примесей кислорода и азота, что позволяло повторно использовать сливаемый из изделия водород.
Для обеспечения в полном объеме жидким и газообразным водородом всего цикла работ системы 17Г24 (17Г24С) с изделием без дозаправки хранилища запас хранимого продукта составляет 320 т.
Система 17Г86 была разработана и изготовлена на ОАО «Уралкриомаш». В состав системы 17Г86 входило 4 емкости хранилища водорода, 1 вспомогательная емкость с жидким азотом для подпитки экрана. Суммарный запас водорода - 6,3 т. Водородные емкости выполнены по криогенному принципу «Сосуд в оболочке». Внутренний сосуд емкости помещен в оболочку, пространство между ними отвакуумировано до давления 133 Па (1 мм рт. ст.). Изоляционное пространство трубопроводов системы отвакуумировано до давления 13,3 Па (0,1 мм рт. ст.). На внутренний сосуд нанесена многослойная экранная изоляция. Для сокращения потерь водорода в емкостях введены дополнительные азотные экраны.
Заправка
Разработанные в 80-х годах системы заправки жидким водородом РН «Энергия» и электрохимических генераторов системы электропитания (ЭХГ СЭП) ОК «Буран» являются уникальными системами, не имевшими на тот период времени прототипов или аналогов.
Система 11Г86 для заправки водородных баков ЭХГ
СЭП ОК «Буран» на СК обеспечивала выдачу в ОК от 108 до 432 кг, в зависимости от программы полета и комплектации ОК. Для слива остатков водорода после полета на посадочном комплексе была создана система 17Г214. Обе системы в 1988-1991 годах прошли штатный цикл работ в ходе комплексных испытаний с использованием технологического макета ОК «Буран».
Заправка производилась вытеснительным методом, без использования насосов. В состав системы входили специальные промежуточные емкости для ступенчатого повышения давления.
Перед подачей жидкого водорода в коммуникации системы и в БХВ проводилась их вентиляция сначала инертным газом (аргон) для вытеснения кислорода, затем газифицированным водородом. Качество вентиляции гарантировалось проведением расчетного числа циклов и подтверждалось показаниями газоанализатора, входящего в состав системы.
Дренаж водорода осуществлялся с применением специального устройства (гидрозатвор), исключающего попадание атмосферного воздуха в коммуникации. К дренажной площадке водород подавался по специальным дренажным трубопроводам.
Управление работой системы 17Г86, включая газоанализ, осуществлялось с помощью автоматической системы управления 17Г513.
Система 17Г214 находилась на посадочном комплексе ОК «Буран». Система обеспечивала сброс давления (максимальное давление в БХВ перед сливом составляло 30 кгс/см2), слив, отогрев и вентиляцию БХВ.
Для обеспечения слива и отогрева использовался подогретый газообразный водород, газифицированный из жидкого, подаваемого из транспортного агрегата 17Г228 (на автомобильном шасси). Конструкция дренажного стояка исключала попадание в магистрали системы атмосферного воздуха. Сливаемый из БХВ жидкий водород перед сбросом в дренаж газифицировался. Перед началом работ с ОК магистрали вентилировались сначала инертным газом (гелием) до безопасного содержания кислорода, а затем газифицированным водородом. Во время работ контролировалось безопасное содержание водорода в воздухе. Управление работой системы осуществлялось дистанционно с помощью системы управления 17Г548. Заправка агрегата 17Г228 водородом из транспортных железнодорожных агрегатов осуществлялась на специально созданной площадке перелива. Управление заправкой осуществлялось дистанционно из безопасного укрытия.
Кроме того, для обслуживания ОК «Буран» на запасных аэродромах в части слива водорода из БХВ была разработана и создана система 14Г21, которая должна была храниться на складе и монтироваться на период работ.
Система 17Г24 (17Г24С) обеспечивала заправку жидким переохлажденным водородом блока Ц РН «Энергия».
Для заправки использовался жидкий водород с объемной долей азота и кислорода не более 1х10-4 %, в т. ч. объемная
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
доля кислорода не более 1х10-6 % и газообразный водород, полученный путем газификации исходного жидкого.
Для системы были приняты следующие схемно-конструкторские решения:
• хранилище жидкого водорода на базе 4-х сферических резервуаров РСВ-1400;
• вытеснительный способ подачи жидкого водорода в изделие;
• охлаждение подаваемого в изделие жидкого водорода в процессе заправки и термостатирования до требуемых температур осуществлялось в 2-х последовательно расположенных охладителях за счет теплообмена с кипящим под вакуумом жидким водородом;
• откачка паров водорода из охладителей осуществлялась с помощью эжекторов с активным газом - газообразным азотом;
• для обеспечения безопасности работ пары водорода, дренируемые из магистралей системы, охладителей и изделия, отводившиеся по дренажным трубопроводам, дожигались на специальной площадке дожигания. Поджигающие устройства были созданы на базе однокомпонентной горелки Гв-14015-30-00 (разработка НИИХимМаш). Выбросы не прореагировавшего водорода из агрегата 11Д122 (при его запуске и останове) дожигались с помощью 2-компонентной горелки (водород + воздух), разработанной ГИПХом. На каждый двигатель устанавливались 4 горелки с организацией дополнительной подачи воздуха в зону дожигания от специальных сопел наземной системы.
Система 17Г24 (17Г24С) обеспечивала заправку в блок Ц 104 т жидкого водорода с температурой 17,5...18 К на следующих расходах подачи:
предварительный......................10...12 т/ч
малый...............................15...40 т/ч
большой.............................70...100 т/ч
Термостатирование изделия осуществлялось циркуляцией водорода через теплообменники с помощью струйного насоса с расходом жидкого водорода 70...80 т/ч и температурой на входе в изделие 16,3...17 К.
Холодопроизводительность системы при заправке изделия составляла 1160 кВт, при термостатировании - 812 кВт.
Система обеспечивала подготовку изделия к заправке жидким водородом и обратную подготовку после слива водорода из изделия:
• азотная прямая подготовка газообразным азотом до объемной доли кислорода в азоте менее 1,5 % об. Замер производился прибором «Берилл-1»;
• водородная подготовка газифицированным из жидкого продукта до объемной доли кислорода в водороде менее 210-4 % об. Замер производился прибором «Гранат»;
• азотная обратная подготовка после слива и отогрева азотом до объемной доли водорода в азоте менее 0,4 % об. Замер производился прибором «Вант-1»;
• воздушная обратная подготовка до объемной доли кислорода в азоте более 19 % об. Замер производился прибором «Берилл-2».
Управление всеми технологическими операциями -дистанционное автоматическое.
Для обеспечения минимальных теплопритоков к водороду в системе использовалась экранно-вакуумная теплоизоляция криогенных резервуаров и трубопроводов на основе полиэтилентерефталатной металлизированной пленки ПЭТФ-Э-ОА-12 и вакуумирования теплоизоляционной полости до остаточного давления 1,33 Па (1х10-2 мм рт. ст.). Поддержание вакуума в процессе эксплуатации обеспечивали криосорбционные устройства.
Системы прошли длительную отработку и эксплуатацию при работах с изделием «Энергия» и его отдельными блоками - около 20 заправок водородом.
Безопасность эксплуатации систем была обеспечена комплексом мероприятий, осуществляемых на стадиях проектирования, изготовления и монтажа, а также во время их эксплуатации.
Помещения, в которых располагалось водородное оборудование, были оборудованы специальными сигнализаторами, срабатывавшими при достижении концентрации водорода не более 10 % от нижнего предела воспламенения водородно-воздушной смеси (4 %-96 %). Все электрооборудование и КИП было выполнено во взрывобезопасном исполнении. Исключение накопления в системах кислородосодержащих осадков (воздух, кислород) было достигнуто специальной технологией подготовки системы (см. выше) и ограничением срока непрерывной эксплуатации: безопасной принята 5-10 кратная заправка, после чего производится отогрев резервуаров до Т более 100 К с целью возгонки кислородосодержащих примесей.
Все перечисленные мероприятия обеспечили длительную безопасную эксплуатацию водородных систем комплексов «Энергия-Буран».
Заключение
Созданная водородная инфраструктура для работ с РКК «Энергия-Буран» обеспечила надежную и безопасную эксплуатацию водородных систем ракетно-космического комплекса.
Отсутствие практических задач по использованию жидкого водорода после закрытия программы «Энергия-Буран» привело фактически к разрушению водородной инфраструктуры. В настоящее время в стране отсутствуют действующие производства жидкого водорода (кроме экспериментального производства в КБХА, г.Воронеж), отсутствует парк транспортных цистерн для жидкого водорода, созданные уникальные системы заправки жидким водородом практически разрушены.
Однако имеющиеся огромные теоретические и практические наработки позволяют при достаточном финансировании восстановить водородную инфраструктуру в необходимом объеме.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
