Зависимость свойств СПГ от его компонентного состава

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 5Следующая ⇒

Сжиженный природный газ — криогенная жидкость, представляющая собой смесь углеводородов и состоящая главным образом из метана, а также небольших количеств этана, пропана, бутана-гексана, гептана-декана, непредельных и циклических углеводородов. Кроме углеводородов в СПГ могут содержаться азот, двуокись углерода и сероводород, а также следы воды. Несмотря на то что основным компонентом СПГ является метан, при оценке его поведения в заправочных системах и в баках потребителей необходимо учитывать влияние других углеводородов и компонентов, входящих в его состав.

Средства хранения и транспортировки

Для решения задач хранения и транспортировки СПГ в России имеется достаточная научно-производственная и техническая база. Это связано с развитием криогенной заправочной техники применительно к стартовым ракетно-космическим комплексам . Производством освоен широкий ассортимент резервуаров с экранно-вакуумной и порошково-вакуумной изоляциями в передвижном и стационарном исполнении, решены вопросы транспортировки криогенных продуктов практически на любые расстояния железнодорожным и автомобильным транспортом. В настоящее время специально для СПГ созданы современные железнодорожные и автомобильные перевозчики, которые имеют порошково- или экранно-вакуумную изоляцию для максимального сохранения кондиции продукта. Специальных средств хранения СПГ пока не создано, но для этой цели могут быть использованы резервуары с вакуумной изоляцией для хранения жидких кислорода, азота и других криогенных продуктов, которые без существенных доработок обеспечат хранение СПГ. Следует отметить, что температура и теплоемкость жидкого природного газа выше температуры и теплоемкости жидких кислорода и азота, и в связи с этим целесообразно создание средств хранения и перевозки СПГ с использованием обычной (безвакуумной) изоляции, например стеклоткани или пенополиуретана, что экономически существенно выгоднее.

Резервуары для хранения СПГ

Вопросы, связанные со средствами хранения СПГ, имеют важное значение для его внедрения в народное хозяйство, поэтому часть затрат на создание комплексов СПГ приходится на создание резервуаров. Хранение СПГ возможно в двух типах резервуаров —криогенных и изотермических.

Заправка баков потребителя

Как отмечалось ранее, хранение СПГ осуществляется в стационарных или транспортабельных резервуарах: небольших количествгаза – с вакуумной (экранной или порошковой) изоляцией, больших количеств – в двухстенных крупных резервуарах с насыпной изоляцией. Рассмотрим процессы, возникающие при заполнении «теплых» резервуаров хранилища СПГ из транспортных средств или при подаче его по трубопроводам с завода-производителя в хранилище. В криогенных хранилищах из-за разности температур между компонентом и теплой стенкой резервуара происходят процессы теплообмена с фазовыми превращениями жидкости в пар. Эти фазовые переходы связаны с изменением молекулярной структуры вещества и сопровождаются выделением (поглощением) энергии. Теплообмен при кипении зависит от физических параметров компонента, состояния и формы поверхности соприкосновения, характера образования центров новой фазы, давления, температуры, теплоты фазового перехода, условий распространения теплоты в каждой из фаз. Процесс кипения при фазовых превращениях (переход жидкости в пар) происходит тогда, когда температура поверхности Тс превышает равновесную температуру насыщения Тн при данном давлении и определяется разностью температур:

ΔТ = Тс – Тн.

Комплектующее оборудование и материалы

В настоящее время в Российской Федерации специальное комплектующее оборудование для средств производства СПГ и его эксплуатации в различных отраслях хозяйства не выпускается. Однако оборудование, разработанное для криогенной техники ракетно-космических комплексов и других отраслей, может быть с успехом (особенно на первой стадии освоения) использовано при создании промышленности СПГ.

Жидкий водород.

Жидкий водород – одно из агрегатных состояний водорода. Выделяют еще газообразное и твердое состояние этого элемента. И если газообразная форма хорошо знакома многим, то остальные два крайних состояния вызывают вопросы.

Физические свойства

Данное агрегатное состояние характеризуется очень низкой плотностью вещества – сотые доли граммов на кубический сантиметр. Это дает возможность использовать относительно маленькие емкости, чтобы хранить жидкий водород. Температура кипения равна всего 20 Кельвинам (-252 по Цельсию), а замерзает эта субстанция уже при 14 Кельвинах. Жидкость не имеет запаха, цвета и вкуса. Смешивание ее с кислородом может привести к взрыву в половине случаев. При достижении температуры кипения водород переходит в газообразное состояние, и его объем увеличивается в 850 раз. После сжижения водород помещается в изолированные контейнеры, в которых поддерживается низкое давление и температура в промежутке от 15 до 19 Кельвинов.

Распространенность жидкого водорода

Жидкий водород производится искусственно и в естественной среде не встречается. Если не брать в расчет агрегатные состояния, то водород – самый распространенный элемент не только на планете Земля, но и во Вселенной. Из него состоят звезды (в том числе и наше Солнце), им заполнено пространство между ними. Водород принимает участие в реакциях термоядерного синтеза, а также может образовывать облака. В земной коре этот элемент занимает всего лишь около процента от всего количества вещества. Его роль в нашей экосистеме можно оценить по тому факту, что число атомов водорода по количеству уступает только кислороду. На нашей планете практически все запасы Н2 находятся в связанном состоянии. Водород - составная часть всех живых существ.

Использование

Жидкий водород (температура по Цельсию -252 градуса) используется в виде формы для хранения бензина и других производных нефтепереработки. Кроме того, в данный момент создаются концепции транспорта, который смог бы использовать сжиженный водород как топливо вместо природного газа. Это позволило бы сократить затраты на добычу ценных ископаемых и снизить выбросы в атмосферу. Но пока оптимальной конструкции двигателя так и не было найдено.

Ту-155

Ту-155 − экспериментальная модификация самолета Ту-154, в основу которой заложена проверка работоспособности аппарата на двигателях, которые использовали криогенное топливо. Первый полет совершил в 1988 году. За все время построено около 100 экземпляров, из которых 5 работали на жидком водороде.

История

В связи с наступившим энергетическим кризисом 70-х годов авиапромышленности пришлось рассматривать альтернативные типы топлива и их возможность применения на летательных аппаратах.

Академия наук СССР вместе со специалистами, учеными различных институтов развернула программу по внедрению водородного топлива как энергетической базы в различные отрасли народного хозяйства. В авиапромышленности данная тема получила название «Холод».

На ММЗ «Опыт» начали постройку летающей лаборатории, которая бы потребляла как топливо жидкий водород. Базовой моделью для этой задачи стал самолет Ту-154Б. Программа способствовала также улучшению экологической ситуации. Для разработки летающей лаборатории понадобилось провести огромный объем научно-исследовательских и проверочных работ. Дефицит бензинового и керосинового топлива на рынке требовал его замены природным газом. В авиации он приемлем только в сжиженном состоянии (СПГ).

Двигатели на жидком водороде имели огромный потенциал развития. Топливо в резервуарах имело постоянную температуру -253 °C. С 1989 г. стали применять двигатели, работающие на СПГ (температура -162 °C).

Плюсом потребления СПГ в авиации является не только экологическая чистота, но и экономичность. При росте цен на нефть стоимость сниженного природного газа не увеличится. Теплотворная способность данного вида топлива на 15% выше, нежели углеродных аналогов (бензин и керосин).

Криогенный авиакомплекс позволил проводить исследования с огромным количеством криогенного топлива. Летающую лабораторию Ту-155 сделали путем переделки самолета Ту-154 (бортовой номер 85035).

Первый полет самолета Ту-155 произошел 15.04.1988. Руководил машиной в этот день летчик-испытатель В. Севанакаев. Был проведен ряд испытаний, результатом которых стало не только подтверждение эффективности использования альтернативного топлива, но и 14 мировых рекордов авиации. Ту-155 успешно провел дальние международные перелеты «Москва – Братислава − Ницца» и «Москва − Ганновер».

Отличительные черты конструкции

В связи с перестройкой самолета на вероятность использования криогенного топлива в состав конструкции внесли следующие коррективы:

В одном из отсеков самолета разместили топливный бак, имеющий высокоэффективную теплоизоляцию для локализации жидкого водорода или СПГ.

Доработали топливную систему самолета. Топливный комплекс имел в расположении агрегаты системы подачи горючего в двигатель, систему стабилизации давления внутри бака с предохранительным аварийным устройством, систему наддува бака и циркуляции, аварийного слива топлива. В систему подачи топлива входили струйные и центробежные насосы, теплоизолированные трубопроводы, криогенные клапаны и аппараты.

Самолет снабдили тремя дополнительными системами:

гелиевая – отвечала за управление устройствами силовой установки;

азотная – замещала обычную атмосферу в отсеках самолета и предупреждала экипаж об утечке криогенного топлива;

система, отвечающая за отсутствие воздуха в теплоизоляционных полостях.

Экспериментальный штатный двигатель НК-88 разработки конструктора Н.Д. Кузнецова.

Для проведения экспериментальных работ и технического обслуживания был разработан криогенный авиационный комплекс. В его состав вошли следующие системы:

пневмопитания;

заправки криогенным топливом;

газового анализа;

электроснабжения;

противопожарная система орошения водой;

телевизионного контроля;

проверки качества потребляемого топлива.

Технические идеи и решения, которые были применены в создании Ту-155, внесли огромный вклад в советскую науку. Страна получила важнейший опыт работы проектирования систем, работающих на криогенном топливе, которые в то время называли технологиями будущего. Освоены новые методы исследования, создана экспериментальная база летательных аппаратов, потребляющих в качестве горючего сниженный природный газ или водород. Специально под этот тип топлива спроектированы противопожарные системы.

На базе самолета Ту-155 было потом построено много моделей авиалайнеров и грузовых самолетов, несущих криогенные силовые установки. Направление по внедрению альтернативного вида топлива в авиации с начала 90-х годов обрело международный характер. В 90-х годах построена мощная кооперационная система предприятий, делающая криогенные силовые установки для различных отраслей промышленности и транспорта.

Ту-155 характеристики:

Модификация Ту-155

Размах крыла, м 37.55

Длина самолета, м 47.90

Высота самолета, м 11.40

Площадь крыла, м2 202.00

Масса, кг

пустого самолета 52000

максимальная взлетная 98000

Тип двигателя 2 2 НК-8-2 + 1 НК-88

Тяга, кгс 3 х 10500

Крейсерская скорость, км/ч 850