Моделирование котла КВГМ-10 и горелки РГМГ-10 при работе на метано-водородной смеси
Ключевые слова:
водородные технологии, метано-водородные смеси, горелочные устройства, газораспределение, газопотребление, теплоэнергетика, водородные котельные
Аннотация
В последние годы в энергетическом сообществе среди ведущих экономически и энергетически развитых стран повышенное внимание уделено проблематике наиболее экологичного использования уже имеющихся энергетических мощностей. Для разрешения данной проблемы необходимы модернизация текущего энергопотенциала той или иной страны (и в совокупности их общей энергосистемы), разработки новых принципов и технологий для генерации, транспорта и потребления энергии в разных ее видах. Наиболее обсуждаемой и набирающей популярность темой, в том числе и в Российской Федерации, является водородная энергетика и ее производные. Основная задача водородной энергетики заключается в использовании водорода, как конечного продукта, в качестве топлива в энергосекторе, поддерживая тем самым климатическую повестку по снижению углеродного следа от воздействия энергетической сферы на окружающую среду. Наиболее перспективным и обсуждаемым вектором отечественной водородной энергетики считается внедрение метано-водородных смесей в газотранспортный сектор, а именно, — подмешивание водорода в транспортируемый природный газ в определенной концентрации.
Цель работы — анализ особенностей функционирования отечественных систем газотранспорта и газораспределения при возможности их перехода на метано-водородные технологии. В ходе выполнения работы использованы методы системного анализа и математического моделирования. Моделирование горелки РГМГ-10 в среде ANSYS, описанное в работе, показало, что функционирование такого рода оборудования потребует модификации конструктивных характеристик при условии его работы на метано-водородных смесях. Моделирование топочного узла типового котельного агрегата в среде Aspen Plus продемонстрировало, что при работе на метано-водородных смесях наблюдается положительная тенденция по снижению СО2, однако наблюдается рост концентрации соединений NОx в уходящих газах. Исследования в данной области перспективны и вносят немаловажный вклад в общий научно-технический задел в развивающийся сегмент российской водородной энергетики.
Литература
1. Multilateral. Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone/Layer (with Annex). Concluded at Montreal on 16 September 1987 [Электрон. ресурс] https://docviewer.yandex.ru/?tm=1696644677&tld=ru&lang=en&name=volume-1522-i-26369-english.pdf (дата обращения 17.08.2025).
2. Kyoto Protocol to the United Nations Framework Convention on Climate Change. Done at Kyoto This Eleventh Day of December One Thousand Nine Hundred and Ninety-seven. [Электрон. ресурс] https://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpeng.html (дата обращения 05.07.2025).
3. Paris Agreement Done at Paris This Twelfth Day of December Two Thousand and Fifteen. [Электрон. ресурс] https://docviewer.yandex.ru/?tm=1696644127&tld=ru&lang=en&name=english_paris_agreement.pdf.https://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpeng.html (дата обращения 22.07.2025).
4. Указ Президента Российской Федерации № 666 от 04 ноября 2020 г. «О сокращении выбросов парниковых газов».
5. Стенограмма пленарного заседания Международного форума «Российская энергетическая неделя». [Электрон. ресурс] http://prezident.org/tekst/stenogramma-plenarnogozasedanija-mezhdunarodnogo-foruma-rossiiskaja-energeticheskaja-nedelja-12-10-.html (дата обращения 02.08.2024).
6. Yin Z.C., Yang G., Liu H., Ma Q., Hao J. Research Status and Prospect Analysis of Key Technologies for Hydrogen Energy Storage and Transportation // Mod. Chem. Ind. 2021. V. 41. Pp. 53—57.
7. Li X.L., Tang L.Y. Research Progress on Application of Hydrogen-mixed Natural Gas in Terminal Pipe Network // Oil Gas Storage Transp. 2022. V. 41. Pp 381—390.
8. Qiu Y., Zhou S.Y., Gu W., Pan G.S., Chen X.G. Application Prospect Analysis of Hydrogen Enriched Compressed Natural Gas Technologies Under the Target of Carbon Emission Peak and Carbon Neutrality // Proc. Chinese Soc. Electrical Eng. 2022. V. 42. 1301—1321.
9. Xu L.B. Research on the Prospect and Development Strategy of Hydrogen Energy in China // Clean Coal Technol. 2022. V. 28. Pp. 1—10.
10. US 5139002A. Special Purpose Blends of Hydrogen and Natural Gas.
11. Cui Z.X. e. a. Pressure Drop Rate Threshold Setting of Block Valves in Hydrogen-blended Natural Gas Pipelines // Oil Gas Storage Transp. 2021. V. 40(1313). Pp. 1293—1298.
12. Troiano A.R. The Role of Hydrogen and Other Interstitials in the Mechanical Behavior of Metals: (1959 Edward De Mille Campbell Memorial Lecture // Metallography, Microstructure and Analysis. 2026. V. 5. Pp. 557—569.
13. Zhang J.X. e. a. Research Progress on Hydrogen Embrittlement Behavior of Pipeline Steel in the Environment of Hydrogen-blended Natural Gas // Surface Technol. 2022. Pp. 1—11.
14. Song P.F. Impact of Hydrogen into Natural Gas Grid and Technical Feasibility Analysis // Mod. Chem. Ind. 2020. V. 40. Pp. 5—10.
15. Zhou J. Characteristic Analysis of Mixing Hydrogen in Natural Gas Pipeline. Fushun: LiaoNing Petrochemical University, 2020.
16. Zhong B., Zhang X.X., Zhang B., Peng S.P. Industrial Development of Hydrogen Blending in Natural Gas Pipelines in China // Chinese J. Eng. Sci. 2022. V. 24(3). Pp. 100—107.
17. Li Z.F., Sun M.Y. Analysis of the Influence of Natural Gas Containing Hydrogen on Pipeline Internal Corrosion // Proc. China Gas Operations and Safety Seminar, 2012.
18. Lin M. The Research of Thick-walled Pipe Inspection and Evaluation of Hydrogen Damage. Qingdao: Qingdao University of Sci. and Technol., 2010.
19. Yu Z.L. e. a. Natural Gas Hydrogen Mixing Pipeline Transportation and Terminal Application // Mechanical. Eng. 2022. Pp. 491—502.
20. Wang H.J. e. a. Application Status and Analysis of Technology for Blending Hydrogen Into Natural Gas // Gas and Heat. 2021. V. 41(10). Pp. 12—15.
---
Для цитирования: Дронов С.А., Федюхин А.В., Семин Д.В., Ситас В.И. Моделирование котла КВГМ-10 и горелки РГМГ-10 при работе на метано-водородной смеси // Вестник МЭИ. 2025. № 5. С. 51—58. DOI: 10.24160/1993-6982-2025-5-51-58
---
Работа выполнена в рамках ПНИ «Приоритет 2030: Технологии будущего» на период 2022 — 2024 гг. (ПНИ 2022/24). Заказчик: ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ». Договор № ПНИ/2022/24-16 от 01.11.2022, выполненной кафедрой ПТС
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Multilateral. Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone/Layer (with Annex). Concluded at Montreal on 16 September 1987 [Elektron. Resurs] https://docviewer.yandex.ru/?tm=1696644677&tld=ru&lang=en&name=volume-1522-i-26369-english.pdf (Data Obrashcheniya 17.08.2025).
2. Kyoto Protocol to the United Nations Framework Convention on Climate Change. Done at Kyoto This Eleventh Day of December One Thousand Nine Hundred and Ninety-seven. [Elektron. Resurs] https://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpeng.html (Data Obrashcheniya 05.07.2025).
3. Paris Agreement Done at Paris This Twelfth Day of December Two Thousand and Fifteen. [Elektron. Resurs] https://docviewer.yandex.ru/?tm=1696644127&tld=ru&lang=en&name=english_paris_agreement.pdf.https://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpeng.html (Data Obrashcheniya 22.07.2025).
4. Ukaz Prezidenta Rossiyskoy Federatsii № 666 ot 04 Noyabrya 2020 g. «O Sokrashchenii Vybrosov Parnikovykh Gazov». (in Russian).
5. Stenogramma Plenarnogo Zasedaniya Mezhdunarodnogo Foruma «Rossiyskaya Energeticheskaya Nedelya» [Elektron. Resurs] http://prezident.org/tekst/stenogramma-plenarnogozasedanija-mezhdunarodnogo-foruma-rossiiskaja-energeticheskaja-nedelja-12-10-.html (Data Obrashcheniya 02.08.2024). (in Russian).
6. Yin Z.C., Yang G., Liu H., Ma Q., Hao J. Research Status and Prospect Analysis of Key Technologies for Hydrogen Energy Storage and Transportation. Mod. Chem. Ind. 2021;41:53—57.
7. Li X.L., Tang L.Y. Research Progress on Application of Hydrogen-mixed Natural Gas in Terminal Pipe Network. Oil Gas Storage Transp. 2022;41. Pp 381—390.
8. Qiu Y., Zhou S.Y., Gu W., Pan G.S., Chen X.G. Application Prospect Analysis of Hydrogen Enriched Compressed Natural Gas Technologies Under the Target of Carbon Emission Peak and Carbon Neutrality. Proc. Chinese Soc. Electrical Eng. 2022;42. 1301—1321.
9. Xu L.B. Research on the Prospect and Development Strategy of Hydrogen Energy in China. Clean Coal Technol. 2022;28:1—10.
10. US 5139002A. Special Purpose Blends of Hydrogen and Natural Gas.
11. Cui Z.X. e. a. Pressure Drop Rate Threshold Setting of Block Valves in Hydrogen-blended Natural Gas Pipelines. Oil Gas Storage Transp. 2021;40(1313):1293—1298.
12. Troiano A.R. The Role of Hydrogen and Other Interstitials in the Mechanical Behavior of Metals: (1959 Edward De Mille Campbell Memorial Lecture. Metallography, Microstructure and Analysis. 2026;5:557—569.
13. Zhang J.X. e. a. Research Progress on Hydrogen Embrittlement Behavior of Pipeline Steel in the Environment of Hydrogen-blended Natural Gas. Surface Technol. 2022:1—11.
14. Song P.F. Impact of Hydrogen into Natural Gas Grid and Technical Feasibility Analysis. Mod. Chem. Ind. 2020;40:5—10.
15. Zhou J. Characteristic Analysis of Mixing Hydrogen in Natural Gas Pipeline. Fushun: LiaoNing Petrochemical University, 2020.
16. Zhong B., Zhang X.X., Zhang B., Peng S.P. Industrial Development of Hydrogen Blending in Natural Gas Pipelines in China. Chinese J. Eng. Sci. 2022;24(3):100—107.
17. Li Z.F., Sun M.Y. Analysis of the Influence of Natural Gas Containing Hydrogen on Pipeline Internal Corrosion. Proc. China Gas Operations and Safety Seminar, 2012.
18. Lin M. The Research of Thick-walled Pipe Inspection and Evaluation of Hydrogen Damage. Qingdao: Qingdao University of Sci. and Technol., 2010.
19. Yu Z.L. e. a. Natural Gas Hydrogen Mixing Pipeline Transportation and Terminal Application. Mechanical. Eng. 2022:491—502.
20. Wang H.J. e. a. Application Status and Analysis of Technology for Blending Hydrogen Into Natural Gas. Gas and Heat. 2021;41(10):12—15
---
For citation: Dronov S.A., Fedyukhin F.V., Semin D.V., Sitas V.I. Simulation of the KVGM-10 Boiler and the RGMG-10 Burner, when Operating on a Methane-hydrogen Mixture. Bulletin of MPEI. 2025;5:51—58. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2025-5-51-58
---
The Work was Carried Out within the Framework of the Priority 2030 Research Program for the Period 2022 — 2024 (Priority 2022/24). Customer: FGBOU VO «NRU «MPEI». Contract No. Priority 2022/24-16 dated November 1, 2022, executed by the Department of Technical Systems
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
2. Kyoto Protocol to the United Nations Framework Convention on Climate Change. Done at Kyoto This Eleventh Day of December One Thousand Nine Hundred and Ninety-seven. [Электрон. ресурс] https://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpeng.html (дата обращения 05.07.2025).
3. Paris Agreement Done at Paris This Twelfth Day of December Two Thousand and Fifteen. [Электрон. ресурс] https://docviewer.yandex.ru/?tm=1696644127&tld=ru&lang=en&name=english_paris_agreement.pdf.https://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpeng.html (дата обращения 22.07.2025).
4. Указ Президента Российской Федерации № 666 от 04 ноября 2020 г. «О сокращении выбросов парниковых газов».
5. Стенограмма пленарного заседания Международного форума «Российская энергетическая неделя». [Электрон. ресурс] http://prezident.org/tekst/stenogramma-plenarnogozasedanija-mezhdunarodnogo-foruma-rossiiskaja-energeticheskaja-nedelja-12-10-.html (дата обращения 02.08.2024).
6. Yin Z.C., Yang G., Liu H., Ma Q., Hao J. Research Status and Prospect Analysis of Key Technologies for Hydrogen Energy Storage and Transportation // Mod. Chem. Ind. 2021. V. 41. Pp. 53—57.
7. Li X.L., Tang L.Y. Research Progress on Application of Hydrogen-mixed Natural Gas in Terminal Pipe Network // Oil Gas Storage Transp. 2022. V. 41. Pp 381—390.
8. Qiu Y., Zhou S.Y., Gu W., Pan G.S., Chen X.G. Application Prospect Analysis of Hydrogen Enriched Compressed Natural Gas Technologies Under the Target of Carbon Emission Peak and Carbon Neutrality // Proc. Chinese Soc. Electrical Eng. 2022. V. 42. 1301—1321.
9. Xu L.B. Research on the Prospect and Development Strategy of Hydrogen Energy in China // Clean Coal Technol. 2022. V. 28. Pp. 1—10.
10. US 5139002A. Special Purpose Blends of Hydrogen and Natural Gas.
11. Cui Z.X. e. a. Pressure Drop Rate Threshold Setting of Block Valves in Hydrogen-blended Natural Gas Pipelines // Oil Gas Storage Transp. 2021. V. 40(1313). Pp. 1293—1298.
12. Troiano A.R. The Role of Hydrogen and Other Interstitials in the Mechanical Behavior of Metals: (1959 Edward De Mille Campbell Memorial Lecture // Metallography, Microstructure and Analysis. 2026. V. 5. Pp. 557—569.
13. Zhang J.X. e. a. Research Progress on Hydrogen Embrittlement Behavior of Pipeline Steel in the Environment of Hydrogen-blended Natural Gas // Surface Technol. 2022. Pp. 1—11.
14. Song P.F. Impact of Hydrogen into Natural Gas Grid and Technical Feasibility Analysis // Mod. Chem. Ind. 2020. V. 40. Pp. 5—10.
15. Zhou J. Characteristic Analysis of Mixing Hydrogen in Natural Gas Pipeline. Fushun: LiaoNing Petrochemical University, 2020.
16. Zhong B., Zhang X.X., Zhang B., Peng S.P. Industrial Development of Hydrogen Blending in Natural Gas Pipelines in China // Chinese J. Eng. Sci. 2022. V. 24(3). Pp. 100—107.
17. Li Z.F., Sun M.Y. Analysis of the Influence of Natural Gas Containing Hydrogen on Pipeline Internal Corrosion // Proc. China Gas Operations and Safety Seminar, 2012.
18. Lin M. The Research of Thick-walled Pipe Inspection and Evaluation of Hydrogen Damage. Qingdao: Qingdao University of Sci. and Technol., 2010.
19. Yu Z.L. e. a. Natural Gas Hydrogen Mixing Pipeline Transportation and Terminal Application // Mechanical. Eng. 2022. Pp. 491—502.
20. Wang H.J. e. a. Application Status and Analysis of Technology for Blending Hydrogen Into Natural Gas // Gas and Heat. 2021. V. 41(10). Pp. 12—15.
---
Для цитирования: Дронов С.А., Федюхин А.В., Семин Д.В., Ситас В.И. Моделирование котла КВГМ-10 и горелки РГМГ-10 при работе на метано-водородной смеси // Вестник МЭИ. 2025. № 5. С. 51—58. DOI: 10.24160/1993-6982-2025-5-51-58
---
Работа выполнена в рамках ПНИ «Приоритет 2030: Технологии будущего» на период 2022 — 2024 гг. (ПНИ 2022/24). Заказчик: ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ». Договор № ПНИ/2022/24-16 от 01.11.2022, выполненной кафедрой ПТС
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Multilateral. Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone/Layer (with Annex). Concluded at Montreal on 16 September 1987 [Elektron. Resurs] https://docviewer.yandex.ru/?tm=1696644677&tld=ru&lang=en&name=volume-1522-i-26369-english.pdf (Data Obrashcheniya 17.08.2025).
2. Kyoto Protocol to the United Nations Framework Convention on Climate Change. Done at Kyoto This Eleventh Day of December One Thousand Nine Hundred and Ninety-seven. [Elektron. Resurs] https://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpeng.html (Data Obrashcheniya 05.07.2025).
3. Paris Agreement Done at Paris This Twelfth Day of December Two Thousand and Fifteen. [Elektron. Resurs] https://docviewer.yandex.ru/?tm=1696644127&tld=ru&lang=en&name=english_paris_agreement.pdf.https://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpeng.html (Data Obrashcheniya 22.07.2025).
4. Ukaz Prezidenta Rossiyskoy Federatsii № 666 ot 04 Noyabrya 2020 g. «O Sokrashchenii Vybrosov Parnikovykh Gazov». (in Russian).
5. Stenogramma Plenarnogo Zasedaniya Mezhdunarodnogo Foruma «Rossiyskaya Energeticheskaya Nedelya» [Elektron. Resurs] http://prezident.org/tekst/stenogramma-plenarnogozasedanija-mezhdunarodnogo-foruma-rossiiskaja-energeticheskaja-nedelja-12-10-.html (Data Obrashcheniya 02.08.2024). (in Russian).
6. Yin Z.C., Yang G., Liu H., Ma Q., Hao J. Research Status and Prospect Analysis of Key Technologies for Hydrogen Energy Storage and Transportation. Mod. Chem. Ind. 2021;41:53—57.
7. Li X.L., Tang L.Y. Research Progress on Application of Hydrogen-mixed Natural Gas in Terminal Pipe Network. Oil Gas Storage Transp. 2022;41. Pp 381—390.
8. Qiu Y., Zhou S.Y., Gu W., Pan G.S., Chen X.G. Application Prospect Analysis of Hydrogen Enriched Compressed Natural Gas Technologies Under the Target of Carbon Emission Peak and Carbon Neutrality. Proc. Chinese Soc. Electrical Eng. 2022;42. 1301—1321.
9. Xu L.B. Research on the Prospect and Development Strategy of Hydrogen Energy in China. Clean Coal Technol. 2022;28:1—10.
10. US 5139002A. Special Purpose Blends of Hydrogen and Natural Gas.
11. Cui Z.X. e. a. Pressure Drop Rate Threshold Setting of Block Valves in Hydrogen-blended Natural Gas Pipelines. Oil Gas Storage Transp. 2021;40(1313):1293—1298.
12. Troiano A.R. The Role of Hydrogen and Other Interstitials in the Mechanical Behavior of Metals: (1959 Edward De Mille Campbell Memorial Lecture. Metallography, Microstructure and Analysis. 2026;5:557—569.
13. Zhang J.X. e. a. Research Progress on Hydrogen Embrittlement Behavior of Pipeline Steel in the Environment of Hydrogen-blended Natural Gas. Surface Technol. 2022:1—11.
14. Song P.F. Impact of Hydrogen into Natural Gas Grid and Technical Feasibility Analysis. Mod. Chem. Ind. 2020;40:5—10.
15. Zhou J. Characteristic Analysis of Mixing Hydrogen in Natural Gas Pipeline. Fushun: LiaoNing Petrochemical University, 2020.
16. Zhong B., Zhang X.X., Zhang B., Peng S.P. Industrial Development of Hydrogen Blending in Natural Gas Pipelines in China. Chinese J. Eng. Sci. 2022;24(3):100—107.
17. Li Z.F., Sun M.Y. Analysis of the Influence of Natural Gas Containing Hydrogen on Pipeline Internal Corrosion. Proc. China Gas Operations and Safety Seminar, 2012.
18. Lin M. The Research of Thick-walled Pipe Inspection and Evaluation of Hydrogen Damage. Qingdao: Qingdao University of Sci. and Technol., 2010.
19. Yu Z.L. e. a. Natural Gas Hydrogen Mixing Pipeline Transportation and Terminal Application. Mechanical. Eng. 2022:491—502.
20. Wang H.J. e. a. Application Status and Analysis of Technology for Blending Hydrogen Into Natural Gas. Gas and Heat. 2021;41(10):12—15
---
For citation: Dronov S.A., Fedyukhin F.V., Semin D.V., Sitas V.I. Simulation of the KVGM-10 Boiler and the RGMG-10 Burner, when Operating on a Methane-hydrogen Mixture. Bulletin of MPEI. 2025;5:51—58. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2025-5-51-58
---
The Work was Carried Out within the Framework of the Priority 2030 Research Program for the Period 2022 — 2024 (Priority 2022/24). Customer: FGBOU VO «NRU «MPEI». Contract No. Priority 2022/24-16 dated November 1, 2022, executed by the Department of Technical Systems
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
Опубликован
2025-09-15
Выпуск
Раздел
Теоретическая и прикладная теплотехника (технические науки) (2.4.6)
