Водородное производство ФКП «НИЦ РКП»

Водородное производство было создано в составе водородного испытательного комплекса КСВИ-106. Первая очередь производства начала функционировать в 1965 году, вторая очередь с промышленным агрегатом ожижения водорода 501-А и хранилищем в 1968 году. Это было первое промышленное производство жидкого водорода в СССР, а в настоящее время является единственным функционирующим крупнотоннажным производством жидкого водорода в России.

Продукты производства – газообразный и жидкий водород используются в основном на испытательных стендах ФКП «НИЦ РКП» и соответствуют требованиям существующих стандартов. Выработка жидкого водорода достигала 800 т/год.

Производство полностью обеспечило водородом проведение испытаний на стендах предприятия кислородно-водородных ЖРД 11Д56, 11Д57, РД0410, РД-120, КВД-1, разгонных блоков для ракет-носителей Н-1, «Энергия», «GSLV» (Индия).

Всего за время существования было выработано более 10000 т (150000 м³) жидкого водорода.

Перспективы использования жидкого водорода связаны с отработкой современных ЖРД, разгонных блоков для РН «Ангара-А5», кислородно-водородных ступеней и двигательных установок большой тяги для ракет-носителей тяжелого класса. Кроме того перспективы использования водорода в будущем, как универсального экологически чистого энергоносителя, связаны с предсказываемым истощением запасов природных углеводородных топлив: нефти, газа.

Инфраструктура производства позволяет поставлять газообразный водород в баллонах и жидкий водород в автомобильных и железнодорожных цистернах другим предприятиям и на космодромы Плесецк и Восточный. В ФКП «НИЦ РКП» имеются 2 железнодорожные цистерны ЖВЦ-100М объемом по 119м³ каждая и 2 автоцистерны ТРЖВ-20 объемом 20м³ каждая.

За время существования периодически осуществлялась модернизация и обновление ряда технологических систем производства.

В 1973 -1974 годах была проведена замена части аппаратов агрегата ожижения водорода, усовершенствована система адсорбционной очистки в цикле ожижения водорода, что улучшило показатели качества продукции. В эти же годы проведена реконструкция хранилища жидкого водорода: создан фронт слива водорода на 4 цистерны, смонтирован новый трубопровод заправки Ду200 стенда В-2, который позволил проводить ресурсные испытания ЖРД с выдачей компонента на изделие непосредственно из хранилища.

В период 1986-2006 годов были заменены 2 шт. физически устаревших компрессора мощностью 2000 кВт из 4-х, в цикле ожижения.

В 1990-1991 годах приобретены две новые железнодорожные цистерны ЖВЦ-100М взамен цистерн, выработавших ресурс.

В 2011 году ОАО «ИПРОМАШПРОМ» был разработан и прошел Госэкспертизу проект реконструкции водородной производственной базы и с 2012 года осуществляются согласно выделяемым объемам финансирования мероприятия по реконструкции и модернизации технологических систем и сооружений .

В настоящее время реконструкция производства продолжается. Выполнен ремонт основных зданий и систем тепло-энергоснабжения. Произведена замена 2-х электролизеров, систем оборотного водоснабжения, систем получения обессоленной воды – сырья для получения водорода, смонтированы современные системы обеспечения взрывобезопасности и очистки водорода низкого давления. Переоснащена новыми современными анализаторами лаборатория контроля качества продуктов водородного производства. Ведутся пуско-наладочные работы по вводу в эксплуатацию нового оборудования реконструированного технологического цикла получения и очистки газообразного водорода низкого давления с его компримированием и подачей на испытательные стенды.

Следует отметить , что выполненные на данный момент работы не решают всех проблем водородного производства. В эксплуатации еще остается порядка 55% оборудования и систем, отработавших от 20 до 50 лет. По результатам диагностики технического состояния выведены из эксплуатации две емкости хранилища жидкого водорода.

Проект реконструкции предусматривает приобретение и монтаж еще двух новых электролизеров, блоков очистки и осушки газа высокого давления и замену двух компрессоров в цикле ожижения водорода, создание нового хранилища жидкого водорода, ремонт внутризаводских железнодорожных путей. По окончании реконструкции производство выйдет на проектную мощность.

Технические характеристики водородного производства

Проектная производительность по жидкому водороду - 1200 т в год.

На данном этапе реконструкции возможно производство жидкого водорода в количестве до 400 т в год.

Возможности оборудования производства позволяют полностью обеспечивать проведение испытаний, НИР и ОКР на стендах ФКП «НИЦ РКП» и осуществлять поставки жидкого водорода на космодромы для эксплуатации РКТ в перспективе.

Как подразделение водородное производство имеет самостоятельный технологический цикл, включающий:

- получение сырья - очищенной от растворенных примесей воды, выработку газообразного водорода методом электролиза воды;

- предварительную очистку электролизного водорода от примесей кислорода и влаги и компримирование его до давления 15 МПа;

- получение жидкого водорода в многоступенчатом холодильном цикле простого дросселирования с предварительным аммиачным и азотным охлаждением, адсорбционной низкотемпературной очисткой и двухступенчатой ортопараконверсией;

- хранение жидкого водорода в стационарных резервуарах хранилища или в цистернах, обеспечение стендов жидким и газообразным водородом.

№№ пп	Наименование характеристик оборудования	Показатели
1.	Расчетная 100% производительность ожижителя (при работе 8000ч в год). При работе с 50% загрузкой на текущем этапе реконструкции	180 кг/час (1200т/год) 60-65 кг/час (300-400 т/год)
2.	Производство газообразного водорода Удельный расход электроэнергии	Электролиз воды 5,2квтч/м3
3.	Способ ожижения водорода	Дросселирование сжатого водорода с двумя ступенями предварительного охлаждения
4.	Время заполнения цистерны ЖВЦ-100М, 7350кг при 100% производительности При работе с 50% загрузкой на этапе реконструкции	2 суток 5 суток
5.	Удельный расход электроэнергии на получение 1 кг жидкого водорода (на 1 кг товарного продукта)	134 квтч/кг (140 квтч/кг)
6.	Наличие цистерн для поставок жидкого водорода на космодромы. 2 железнодорожные цистерны ЖВЦ-100М	Вместимость одной цистерны 7,35 тонн

Характеристики выпускаемой продукции

1. «Водород технический сжатый». ГОСТ 3022-80:

Марка А – 99,99%Н₂, Марка Б – 99,95%Н₂.

2. « Водород газообразный очищенный». ТУ 252-001-93:

Марка А1-99,99% Н₂, Марка А2-99,99999% Н₂-при работе агрегата ожижения.

3. « Водород жидкий. Технические условия» ГОСТ Р 56248-2014.

№ п/п	Показатель	на заводе-изготовителе
	Марка	А	Б
1.	Пара-модификация ( %об.) не менее	98	98
2.	Содержание примесей ( %об.) не более кислорода азота	2х10-7 2х10-6	2х10-7 2х10-5
3.	Слив через фильтр с тонкостью фильтрации (мкм)	10	10

Производство состоит из трех технологических участков:

Участок электролиза. Газообразный водород получается электролизом воды в щелочных электролизерах типа ANG-500 производительностью 500 нм³/час. На участке в настоящее время установлено 2 электролизера. Удельный расход электроэнергии на получение газообразного водорода составляет 5,2 квтч/нм³. В состав участка входит вспомогательное оборудование: азотный (1000 м³) и водородный (6000 м³), газгольдеры, система оборотного водоснабжения.

Участок ожижения предназначен для ожижения газообразного водорода. В составе участка имеются:

- отделение очистки газообразного водорода от кислорода и от влаги;

- отделение компрессии для сжатия газообразных водорода и азота до давления 15 и 20 МПа;

- аммиачно-холодильная установка холодопроизводительностью 175000 ккал/час, предназначенная для предварительного охлаждения азота и водорода на входе в агрегат ожижения;

- отделение ожижения, включающее агрегат ожижения 501А с проектной производительностью 180 кг/час жидкого водорода.

В составе агрегата 501А имеется цикл ожижения азота, который служит для предварительного охлаждения водорода.

При работе производства используются 2 электролизера, 1 водородный компрессор, 1 азотный компрессор, аммиачно-холодильная установка и вспомогательное оборудование.

Удельные технологические расходы электроэнергии на выработку газообразного и жидкого водорода составляют 134-168 квтч/кг в зависимости от режима работы.

Хранилище жидкого водорода. Состоит из 3-х криогенных резервуаров объемом 60 м³ каждый. Жидкий водород из хранилища выдается на стенды по трубопроводам для проведения испытаний изделий РКТ.

Для хранения и транспортировки жидкого водорода имеются 2 железнодорожные цистерны типа ЖВЦ-100М на 3-осных тележках и 2 автомобильные цистерны ТРЖВ-20.

Заполнение цистерн может производиться либо непосредственно из агрегата ожижения водорода, либо из резервуаров хранилища.

Принцип получения жидкого водорода

Жидкий водород получают из газообразного водорода. Газообразный водород получают методом электролитического разложения воды в электролизерах ANG-500.

Всего электролизеров - 2 шт. Электролизеры объединены в серии попарно. Электролизер ANG - 500:

Максимальная производительность

по водороду - 500 нм³/час,

по кислороду - 250 нм³/час.

Чистота получаемых газов, %

- водорода - 99,7%,

- кислорода - 99,2%.

Количество ячеек в одном электролизере - 250 шт.

Сила тока, подаваемого на электролизер - 8500 А.

Напряжение на электролизере - 170 В.

Мощность электролизера - 3000 кВт.

Рабочая масса электролизера - 40 тонн.

Удельный расход электроэнергии - 5,2 квтч/нм³ (78,47 квтч/кг).

Жидкий водород получают в процессе дросселирования сжатого до давления 14-15 МПа и предварительно охлажденного газа. Охлаждение газообразного водорода перед дросселированием осуществляется в теплообменных аппаратах жидким аммиаком, жидким азотом, кипящим под вакуумом, и обратным потоком не сжиженного газа. Коэффициент ожижения водорода при дросселировании составляет величину 14-15% от массы сжатого газа, подаваемого водородными компрессорами в ожижитель.

Отдел обеспечения водородом ООВ-109 (сооружение 7-6)

Установка обессоливания воды методом обратного осмоса

Технологическая система получения газообразного водорода методом электролиза воды

Технологическая система компримирования цикла ожижения водорода

Отделение очистки водорода от газообразных примесей

Агрегат ожижения водорода 501А

Аммиачно-холодильная установка СХ-200 цикла ожижения водорода

Резервуары 3301 хранилища жидкого водорода

Фронт слива жидкого водорода из железнодорожных цистерн ЖВЦ-100М

Заправочно-сливные коммуникации цистерн

Лаборатория химико-технологического анализа. Хроматографы ЛХМ-80

Кабина тонкого аналитического контроля сжижаемого газа и жидкого водорода. Хроматографы «Кристалл-5000», «Луч-6.7»