Материал: Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А., Небольсин В.А
Задачу обоснования нагруженного резерва на основе нормирования надежности (то есть без применения векторной оптимизации) по сути можно квалифицировать как задачу, аналогичную параметрической оптимизации. Отличие состоит в том, что она должна выполняться в виде цикла вычислений, каждая итерация которого включает два этапа: первый предназначен для имитации (прогноза) аварийной ситуации, связанной с исключением, вышедшего из строя элемента; второйобеспечивает нахождение резерва по всей совокупности оставшихся элементов, гарантирующего лимитированное потребление у абонентов. Общее количество итераций в цикле определяется числом элементов, подлежащих проверке на случай отказа и устанавливается пользователем. Первый этап представляет собой задачу анализа возмущенного состояния и выполняется на основе моделей потокораспределения.
По отношению к исходному (нерезервированному) варианту системы, процесс формирования нагруженного резерва рассматривается как последовательная корректировка диаметров линий в сочетании с анализом ее возмущенного состояния. В этом случае использование гидравлических эквивалентов абонентских подсистем позволяет реализовать задачу на основе унарной расчетной схемы и кроме того связать граничные условия (лимитированное потребление) с режимными ограничениями. Естественно, что исходя из сущности задачи, ее можно было решать и на основе бинарной расчетной схемы с привлечением того же аппроксимационного алгоритма, однако при этом пришлось бы сразу вводить множители недопустимости на фиктивные элементы схемы, причем размерность системы уравнений стала бы значительно больше. Этап резервирования в имитационных расчетах по отказу каждого последующего участка начинался со значений диаметров, обеспечивающих резерв предыдущего. Интересно, что в ходе вычислений расчетные значения всех диаметров претерпевают изменения, однако на этапе стандартизации новый размер диаметра получают лишь некоторые из участков относительно проектного варианта сети после первого этапа, причем по мере продвижения по списку испытываемых элементов их число убывает. Следует отметить, что основные теоретические положения и полученный на их основе алгоритм формирования параметрического резерва может быть использован не только для систем теплоснабжения, но и для других гидравлических систем по аналогии, с учетом соответствующих особенностей. Реализация поставленной задачи для СТС требует решения ряда дополнительных задач [8], решаемых комплексно и обеспечивающих надежность функционирования и безопасность систем. В рамках комплексных задач необходимо рассматривать так же задачи пожарной безопасности [9-11]. Комплексное решение поставленных задач обеспечит требуемый уровень безопасности на объектах защиты и позволит оперативно принять решение в случае нарушения режимов эксплуатации сложных исследуемых систем.
Литература
1.Гамм А.3. Нелинейная наблюдаемость электроэнергетической системы [Текст] / А.3. Гамм // Изв. ЛН СССР. Энергетика и транспорт. - 1980. - № 2. - С. 3 - 14.
2.Новицкий Н.Н. Оценивание параметров гидравлических цепей [Текст] / Н.Н. Новицкий. - Новосибирск: Наука, Сибирское предприятие РАН, 1998. – 213 с.
3.Квасов, И.С. Оценивание параметров трубопроводных систем [Текст] / И.С. Квасов, С.А. Сазонова, В.Е. Столяров // В сборнике: Информационные технологии и системы. Материалы III Всероссийской научно-технической конференции - Воронеж, 1999. - С. 112-113.
4.Квасов, И.С. Оценивание параметров трубопроводных систем на основе функционального эквивалентирования [Текст] / И.С. Квасов, С.А. Сазонова, В.Е. Столяров // В книге: Понтрягинские чтения - Х. - Воронежский государственный университет, 1999. - С. 219.
5.Фомин В.Н. Рекуррентное оценивание и адаптивная фильтрация [Текст] / В.Н. Фомин. - М.: Наука, 1984.
6.Квасов, И.С. Информационные системы технической диагностики трубопроводных сетей [Текст] / И.С. Квасов, С.А. Сазонова, В.Е. Столяров // В книге: Математическое моделирование в естественных и гуманитарных науках. Тезисы докладов Воронежский государ-
176
ственный университет. - 2000. - С. 105.
7.Квасов, И.С. Синтез систем сбора данных для распределительных гидравлических сетей [Текст] / И.С. Квасов, С.А. Сазонова, В.Е. Столяров // В сборнике: Информационные технологии и системы. Материалы III Всероссийской научно-технической конференции Воронеж, 1999. - С. 113-115.
8.Николенко, С.Д. Обеспечение безопасности земляных работ с применением расчетов прикладной механики [Текст] / С.Д. Николенко, С.А. Сазонова // Моделирование систем
ипроцессов. - 2016. - Т. 9. - № 4. - С. 47-51.
9.Сазонова, С.А. Численное решение задач в сфере пожарной безопасности [Текст] / С.А. Сазонова, С.Д. Николенко // Моделирование систем и процессов. - 2016. - Т. 9. - № 4. - С. 68-71.
10.Николенко, С.Д. Автоматизация расчетов по интегральной математической модели времени эвакуации людей при пожаре [Текст] / С.Д. Николенко, С.А. Сазонова // Моделирование систем и процессов. - 2017. - Т. 10. - № 1. - С. 43-49.
11.Сазонова, С.А. Расчет коэффициента теплопотерь на начальной стадии пожара с применением информационных технологий [Текст] / С.А. Сазонова, С.Д. Николенко // Моделирование систем и процессов. - 2016. - Т. 9. - № 4. - С. 63-68.
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
S.A. Sazonova, S.D. Nikolenko
THE PROBLEM OF SAFETY IN THE IDENTIFICATION OF THE TEMPLATE
OF EXPLOITABLE HEAT SUPPLY SYSTEMS
The problem of identification of the current state of functioning heat supply systems is considered. The identification is necessary to ensure the required level of safety in the operation of hydraulic systems. We consider fast-changing parameters of the system, which are subject to estimation in real-time conditions. Based on the results of identification, a decision is made to install additional jumpers normalizing the operating mode of hydraulic systems
Key words: mathematical modeling, heat supply systems, state identification, operational safety, information system, jumpers, reservation
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State Technical University»
УДК 628.4; 504.06
А.В. Звягинцева1, А.О. Артемьева2, Р.Н. Комарский3
НОВЕЙШИЕ ТЕХНОЛОГИИ СИНТЕЗА МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ НАКОПИТЕЛЬНЫХ ВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХСЯ В СОВРЕМЕННЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
На основе электрохимических систем продемонстрирован вариант водородного аккумулятора. В качестве основы был использован никель, как материал, обладающий большей склонностью кпоглощению водорода. Образованная таким образом система является плотноупакованной, что обеспечивает получение компактного образца с коммерческой нормой насыщенного водорода. Описываются пути исследования и методология синтеза структур эдектрохимических композитов Nix-Iny-Hz на основе никеля с намеренно увеличенной степенью дефектности. Синтезирован электрохимический композит Ni-In с фазовым составом - Ni70In30, который обладает структурой, обеспечивающей удержание допированного дейтерия (водорода). Показывается, что содержание водорода в экспериментальных образцах композита Nix-Iny-Hz, определенное методом термодесорбции, составило ~ 6 мас. %, что подтверждает: гальванически полученный композит обладает способностью к накоплению водорода и дальнейшему сохранению его в форме металлических гидридов
Ключевые слова: водород, дейтерий, материалы, аккумуляторы водорода, дефектность структуры, гидриды ме-
таллов
Вследствие повышенного спроса на используемые во всем мире невозобновляемые
177
углеродистые энергоносители, такие как уголь, бензин, возникла необходимость найти альтернативные источники энергии. В настоящее время водород рассматривается как альтернативный источник энергии, который можно использовать в топливном элементе, представляющим собой источник питания, непосредственно преобразующий водород в электрическую энергию.
Одной из важнейших проблем использования водорода в энергетике и в системах питания является его безопасное хранение и использование при сравнительно малых эксплуатационных расходах. Исследуемая в работе система гидридного хранения успешно разрешает эту актуальную проблему. Химическое соединение водорода в форме металлических гидридов обладает целым рядом преимуществ по сравнению с традиционными способами, такими, как криогенный и балонный, которые небезопасны и энергоемки.
Научная новизна нашего проекта заключается в том, что нами впервые исследовалась способность электрохимических систем к поглощению водорода [1, 2].
Переходя к проблемам водородной энергетики, необходимо сосредоточить внимание на главном - энергетической целесообразности разрабатываемого процесса. Так, водородные технологии для космоса не могут быть адекватно перенесены из стационарных водородных комплексов наземного базирования, поскольку операции компримирования, ожижения и криостатирования водорода крайне энергозатратны. Что же касается хранения водорода, то решение этого вопроса носит пока только дискуссионный характер. Так, по мнению одних авторов [3], разработка гидридного метода хранения водорода бесперспективна, поэтому за основу должен быть принят способ компримированного хранения водорода. Главное сомнение сторонников базируется на тезисе о том, что водород закрепляется в структуре металла только по междуузлиям, в нашем представлении [4, 5] водород взаимодействует с металлами также по дефектам структуры.
Согласно нашим экспериментальным данным, общий объем водорода, поглощаемого образцом, может быть определен по формуле:
VН 2 kД mсплава / сплава Э,
где kД - концентрация дефектов в единице объема; mсплава - масса сплава; ρсплава - плотность сплава; Э - электрохимический эквивалент водорода в гидриде никеля NiH2 или алюминия
AlH3.
По мнению ряда авторов [3], в качестве систем, аккумулирующих водород целесообразно использовать порошковые материалы. Однако такие системы могут оказаться неэффективными. На рис. 1 демонстрируется пример структур на основе порошков или имеющих аморфную структуру. Наличие оксидного слоя резко повышает ширину запрещенной зоны и увеличивает сопротивление образца.
Решение проблемы развития поверхности для цельнометаллической структуры предполагается осуществить с использованием импульсных электрохимических методов. В частности, для выбора режимов оптимизации технологических параметров, разработана математическая модель образования пористых структур в металлах, склонных к пассивации [2]. При этом было предложено ввести ряд ограничений:
1.Концентрация электролита на всей поверхности образца постоянна;
2.Температура электролита также не меняется;
3.Плотность тока по образцу - равнораспределенная;
4.Абсолютное отсутствие полей другой природы;
5.Концентрация электролита постоянна во времени.
178
а) б)
Рис. 1. Влияние размера частиц на физико-химические свойства образующейся системы
Наиболее перспективным представляется применение гидрида магния, аккумулирующего на литр объема около 100 г водорода, и имеющего среди гидридных систем наиболее высокие показатели весовой и объемной энергетической плотности.
Предлагается проект по созданию нового предприятия по выпуску высокотехнологичной и конкурентной продукции: аккумуляторы и накопители энергии на основе гидридов никеля или алюминия [6-9]. Данный вид накопителей на основе гидридов металлов может быть использован во всех сферах народного хозяйства и оборонного комплекса. В предлагаемом нами техническом решении водород, как основной компонент накопителя энергоресурса, полностью безопасен и самопроизвольно не воспламеняется, поскольку находится в структуре металла без давления.
Теоретические расчеты накопителей, например, на основе гидридов алюминия показали, что их эффективность, выраженная в удельной аккумулируемой мощности на единицу объема, может быть значительно выше – 10-15 и более раз, чем у существующих аналогов. Количество циклов перезарядки может быть увеличено в несколько раз в сравнении с аналогами. Предварительные расчеты показали, что габаритные размеры аккумулятора на основе гидрида никеля или алюминия на порядок меньше в сравнении с существующими аналогами. Это позволяет в конструкции твердоэлектролитного топливного элемента разместить и аккумулятор водорода. Поэтому можно считать, что габариты совмещенной системы, включающей в себя аккумулятор топлива и электрохимический преобразователь, будут соизмеримы с существующими аналогами, а в перспективе и значительно меньше их. Вес изделий не превышает значений соответствующих аналогов. Особенность технологии изготовления аккумуляторов такого типа состоит в том, что предприятия их выпускающее может освоить всю номенклатуру аккумуляторов от малой емкости до большой, без затрат на основное технологическое оборудование. Утилизация данного вида аккумуляторов сводится к получению лома металла, с последующей переплавкой и не оказывает вредного влияния на экологическую обстановку.
Нами разработан и предложен метод для практического использования 3D нанотехнологии накопления водорода в металле по дефектам его структуры («ловушки» водорода). Для эффективного накопления водорода в объеме по дефектам структуры наиболее оптимальным является применение фольги из сплава Al-B (алюминий-бор, содержание бора в сплаве не более 3 ат. %) с рабочей толщиной от 0,05 до 0,1 мм или композита Ni-B, содержание бора не менее 5 ат. % и толщине слоя 8-12 мкм. Присутствие бора обеспечивает повышенную прочность фольги. Бор в соединении с другими веществами не дает токсичных компонентов. Он увеличивает число дефектов, которые являются «ловушками» для водорода. Число «ловушек» находится в прямой зависимости от количества борсодержащего восстановителя и плотности тока. Границы между зернами структуры металла служат оперативной зоной протекания процесса образования гидрида. Это значительно увеличивает энергетическую емкость аккумулятора. Таким образом, мы переходим от планарной системы накопления к объемной системе [4, 5].
179
Источники питания могут использоваться и в режимах больших токов и малых временных периодов (режим стартера) или, наоборот, в режимах длительного использования при небольшом потреблении тока. Эти особенности их работы могут быть учтены путем формирования соответствующих типов морфологической структуры для накопления водорода, которые будут определяться технологическими параметрами режимов анодной обработки фольги. Морфология формирования пор на фольге из сплава Al-B для различных типов аккумуляторов представлена разными видами (рис. 2). Морфология внутренней структуры пористой системы имеет древовидную форму. То есть каналы внутри электрода отличаются по сечению и протяженности. Возникает так называемый редукционный эффект, который полностью исключает взрывной характер экстракции и позволяет эффективно регулировать подачу энергии. Схема работы топливного элемента на водном растворе электролита дана на рис. 3.
а) режим больших токов и короткого |
б) режим малых токов и большего времени |
времени использования |
использования |
Рис. 2. Морфология структуры электрода водородного аккумулятора для разных режимов работы
Рис. 3. Топливный элемент на водном растворе электролита
Топливные элементы используются для непосредственного окисления водорода при электрохимическом преобразовании. Разработанная система позволяет более эффективно использовать водород для осуществления процесса его окисления на отрицательном электроде. Номинальное значение ЭДС такого элемента составляет примерно 0,9 В, в качестве окислителя используется кислород воздуха. Особо необходимо отметить экологическую значимость исследований: это поиск возможной замены углеводородного сырья на альтернативные источники энергии (без выбросов в атмосферу продуктов сгорания углеводородов). Важно также отметить компактность электрохимических систем для хранения водорода в виде гидридов металлов. Применение альтернативных источников энергии для хранения водорода в виде гидридов металлов в работе двигателей внутреннего сгорания может позволить сократить потребление топлива более чем на 50 %. Кроме этого, снизить уровень загрязнения окружающей среды выбрасываемыми частицами пыли на 90 % и выхлопами оксидов азота на 50 %.
180