Криогенная техника в системах энергетики

Министерство общего и профессионального образования

Российской федерации

Вятский государственный университет

Электротехнический факультет

Кафедра электроэнергетических систем

на тему

«Криогенная техника в системах энергетики»

По курсу введение в специальность

Разработал студент гр. Э-12Скулкин Д.В.

Проверила Репкина Н.Г.

Киров 2001

Содержание

Введение

1. Криогенные и сверхпроводящие линии электропередачи

2. Накопители энергии

3. Криогенная техника

4. Оценка целесообразности

Заключение

Введение

Существенное уменьшение электрического сопротивления очень чистых металлов (алюминия, меди, бериллия, натрия) с понижением температуры, главное — сохранение некоторыми сплавами сверхпроводимости в сильных магнитных полях при больших плотностях тока создали принципиальные возможности для применения глубокого холода в новых сферах, из которых наиболее важное значение имеют электротехника и электроника.

Использование сверхпроводников может оказаться экономичным при создании в будущем сверхмощных электрических машин, аппаратов, линии электропередачи (ЛЭП), что представляется весьма актуальной проблемой для перспектив развития электроэнергетики. Цель научных исследований на ближайший период: изыскание новых сверхпроводящих материалов с повышенными критическими параметрами, пониженными потерями в переменных полях и создание на их основе совершенной технологии изготовления проводников (проволочных и ленточных, - пригодных для обмоток машин и аппаратов; композиционных изделий), удешевление сверхпроводящих материалов, определение областей технико-экономической целесообразности применения сверхпроводников, а также разработка конструкции сверхпроводящих машин, аппаратов. ЛЭП и пр.

В самом деле. научно-технический прогресс электротехники (совершенствование магнитных, электроизоляционных материалов, внедрение более совершенных систем охлаждения, более глубокое изучение физической сущности процессов, новые технологические разработки и др.) не коснулся основного электротехнического материала — проводника, который оказался неизменным с присущим ему сопротивлением, ограничивающим допустимую плотность тока и мощность машин и аппаратов в заданных габаритах.». Снижение активного сопротивления проводника, а тем более применение сверхпроводников позволило бы в принципе существенно повысить мощность электрических машин и аппаратов в тех же габаритах, повысить к. п. д. за счет увеличения рабочей индукции и плотности тока.

Внимание ведущих электротехнических фирм привлечено к проблеме использования глубокого холода и явления сверхпроводимости в электротехнике больших мощностей. На XII Международном конгрессе по холоду (1967 г., Мадрид) впервые работала специальная секция по применению сверхпроводимости в электротехнике, а в марте 1969 г. (Лондон) состоялась I Международная конференция на тему: «Низкие температуры и электроэнергетика», где в основном рассматривались перспективы создания криогенных ЛЭП. Обсуждаются два возможных направления работ:

1) применение очень чистых алюминия или меди, охлаждаемых жидким водородом (криогенные* машины, аппараты, линии электропередачи);

2) применение сверхпроводников, охлаждаемых жидким или сверхкритическим гелием (сверхпроводящие машины, аппараты, линии электропередачи).

1 Криогенные и сверхпроводящие линии электропередачи

Возможность применения низких температур в системах передачи электроэнергии на протяжении последних лет привлекает внимание многих исследователей.

Передача и распределение подавляющего количества электроэнергии производится по сетям переменного тока. основным элементом которых являются воздушные линии электропередачи (ЛЭП), функционирующие под высоким напряжением (в России обычно 110.220, 500).

Ввод больш* их потоков энергии в крупные города и промышленные районы посредством воздушных ЛЭП связан с серьезными осложнениями: необходимо отчуждение значительных участков земли в пригородных жилых районах, создаются помехи авиатранспорту и известная опасность для населения, возникают радиопомехи и т.п.

По этим причинам определилась тенденция к осуществлению так называемых глубоких вводов в города и промышленные районы с помощью высоковольтных подземных кабелей, которые на достаточном удалении от потребителей (5—50 км) стыкуются с воздушной ЛЭП. При больших передаваемых мощностях обычно применяются высоковольтные маслонаполненные кабели: в США максимальная мощность, передаваемая по такому кабелю при напряжении 345 кВ. достигает 500 МВ×А, а в Европе— 1000 МВ×А. Стоимость самого кабеля, а также его прокладки довольно высоки- в зависимости от режима эксплуатации ЛЭП капитальные затраты при сооружении кабельной линии на напряжение 345 кВ в 10—13 раз выше, чем при сооружении воздушной ЛЭП на те же параметры , поэтому естественны поиски других технических решений, к числу которых относится исследование возможности сооружения криогенных и сверхпроводящих линий электропередачи относительно небольшой протяженности.

Короткие сверхпроводящие кабельные линии постоянного тока могут найти применение в производствах, использующих большие токи сравнительно низкого напряжения: при получении алюминия или хлора электролизом, в мощных электропечах. более отдаленной и менее определенной перспективой представляется сооружение криогенных или сверхпроводящих ЛЭП большой протяженности: такие линии намного сложнее и дороже обычных воздушные ЛЭП и сооружение их может оказаться.

Современная электротехника требует изыскания принципиально новых решений научно-технических задач, обусловленных ростом единичной мощности энергетических блоков и необходимостью передачи огромных количеств энергии по дальним по дальним линиям электропередачи. Уже освоены энергоблоки мощностью 500 и 800 МВт, на стадии изготовления находятся блохи мощностью 1200, а для более далекой перспективы (к 2000 г.) анализируются возможности доведения единичной мощности турбогенератора до 2500-3000 МВт на базе обычной конструкции в четырехполюсном исполнении. Рост единичной мощности требует более интенсивного охлаждения, приводит к снижению КПД и увеличению относительных реактивностей

Для России с ее огромными пространствами и крайне неравномерным распределением энергоресурсов (в европейской части страны около 12% энергоресурсов, а в азиатской до 88%) первостепенное значение имеет проблема создания мощных и дальних ЛЭП.

Помимо других сложных вопросов, возникает необходимость в существенном повышении Номинального напряжения. Уже освоено напряжение переменного тока 500 кВ, испытываются воздушные ЛЭП переменного тока на 750 кВ (Конаково - Москва), а также ЛЭП постоянного тока 'на 800 кВ (Волгоград—Донбасс). В соответствии с разрабатывается комплексное электрооборудование для ЛЭП переменного тока 1150 кВ (для межсистемных связей в энергосистемах) и для ЛЭП постоянного тока на 1500 кВ протяженностью 2500 км (Экибастуз-Центр) с передаваемой мощностью 6 МВт. Напряжения 1150кВ переменного или1500 постоянного тока оказываются недостаточными для более мощных ЛЭП. Между тем мощность будущих ЛЭП из Восточной Сибири в европейскую часть России будет превышать 10 ГВт по одной цепи, что потребует повышение уровня напряжения до 2200-2400 кВ. В свете. сказанного ожидается, что в недалеком будущем (1990-2000 гг.) научно-технические возможности классической электротехники достигнут своего предела и потребуются новые решения сложных задач генерирования, преобразования и передачи электроэнергии. Применение чистых металлов, охлажденных до 15—20 К, а главное сверхпроводников представляется одним из возможных путей развития будущей электротехники больших мощностей.

2 Накопители энергии

Наличие материалов, сохраняющих свойства сверхпроводимости в сильных магнитных полях, выдвинуло интересную идею накопления энергии в магнитном поле соленоидов. Накопление энергии часто требуется для создания импульсных разрядов большой мощности при исследованиях оптических квантовых генераторов (лазеров) и опытах по расщеплению и синтезу ядер и др. Импульсное выделение энергии за короткий промежуток времени могут обеспечить заряженные конденсаторные батареи. Плотность энергии, запасенной в конденсаторной батарее, сравнительно мала (3×10⁵ Дж/м³ ); для создания мощных импульсов необходимы очень громоздкие конденсаторы. Энергоемкость аккумуляторов на три порядка больше энергоемкости конденсаторных батарей, но аккумуляторы не могут обеспечить отдачу энергии в милли- или микросекунды. Достаточные плотности энергии могут быть получены при использовании магнитного поля катушки с воздушным сердечником, но для обычных катушек это сопряжено с большими потерями мощности. В свете сказанного значительный интерес для создания мощных импульсных источников представляют катушки из жестких сверхпроводников. Энергия, заключенная в магнитном поле, на единицу объема равна 0,5m₀ Н² ; для однородного поля напряженностью в 80 кА/см запас энергии составит около 40 МДж/м³ . Предполагается, что жесткие сверхпроводники могут быть применены не только для создания мощных импульсных источников энергии, но ив качестве аккумуляторов энергии для покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах. В существующих сверхпроводящих магнитных системах запасенная энергия достигает 4—б МДж. Исследуется возможность накопления энергии порядка 1013 Дж, что может оказаться уже полезным для регулирования производства электроэнергии в стране. Такой грандиозный накопитель предполагается выполнить в виде тороидальной катушки диаметром обмотки 17 м, средний радиус тороида 68 м, плотность тока 3×10⁵ А/см² , а максимальная индукция 7 Т. Намагничивание жестких сверхпроводников приводит к сильному гистерезису, определяющему потери. При резких изменениях тока к гистерезисным потерям добавляются потери, связанные с перемещением магнитного потока. Значительны потери за счет теплопритоков, оцениваемые 0,05 Вт/м² при 4 К. Грубые оценки общих потерь для этого накопителя дают значение около 104 Вт на уровне 4,2 К; криогенные установки такой мощности пока еще не созданы, но их стоимость должна быть мала по сравнению со стоимостью накопителя.

При включении накопителя рассеиваемые мощности велики и необходимы меры, обеспечивающие рассасывание небольших зон нормальной проводимости в сверхпроводящем материале. При токе 105 А на провод отношение сечений стабилизирующего (5н) и сверхпроводящего (5с) материала, т. е. 5н/5с=40, а при токе 2-103 А это отношение снижается до 11. Рекомендованное значение тока 1,4×10⁵ А, и каждый проводник внутри катушки должен разбиваться на 70 нитей с током в каждой примерно 2000 А.

На рис. 1 показана схема индуктивного накопителя энергии со сверхпроводящей катушкой. Сверхпроводящая катушка L заряжается при замкнутом выключателе B₁ и разомкнутых выключателях В₂ и В₃ . Последовательное сопротивление R регулирует постоянную времени и соответственно длительность зарядки. Когда в L запасено нужное количество энергии, выключатель В₃ в цепи 2 замыкается, а выключатель B₁ в цепи 1 размыкается; тем самым накопитель энергии отключается от источника питания.

Сверхпроводящий выключатель В₃ обеспечивает циркуляцию тока в цепи 2. Разрядку на нагрузку производят, замыкая В₂ в цепи 3 и размыкая В₁ . Энергия запасается при низком напряжении, высокие напряжения имеют место только при разрядке. Возможен очень быстрый разряд, но для этого необходим подходящий сверхпроводящий выключатель В₃ , который должен в замкнутом состоянии обеспечить нулевое сопротивление, а при разряде размыкаться за возможно короткое время (в целях снижения потерь в В₃ при разряде). Эймин и Видерхольд рассмотрели работу мощных быстродействующих сверхпроводящих выключателей с тепловым и магнитным управлением для получения коротких мощных разрядов энергии, запасенной в сверхпроводящих катушках. Авторы считают, что магнитный 'выключатель в данном случае более удобен для сверхпроводящих систем накопления энергии.

Вполне естественно, что создание крупной сверхпроводящей системы накопления энергии требует решения многих сложных задач, но первоочередная состоит в определении рентабельности подобных аккумулирующих устройств.

Подчеркивается, что наличие накопителя позволяет снизить установленную мощность электростанции, предназначенных для покрытия суточных пиков нагрузки, причем экономия капиталовложений в энергосистеме тем больше, чем значительнее флуктуации потребляемой мощности.

Модельные сверхпроводящие накопительные системы с запасенной энергией около 100 кДж созданы и испытываются. Однако пока пет достаточных оснований для оценки перспектив этого направления прикладной сверхпроводимости.

3 Криогенная техника

Термином «криогеника» пользуются последние два-три десятилетия для обозначения области более низких температур (70—0,3 К), широко применяемой в технике. До Второй мировой войны (1941—1945 гг.) редко применялись температуры ниже 70 К (жидкий азот под вакуумом). Более низкие температуры, достигаемые сжижением неона, водорода, гелия, применялись в единичных лабораториях мира для научных исследований, которые оказались исключительно плодотворными.

Развитие ракетной техники, выполнение программы космических исследований способствовали быстрому прогрессу криогенной техники, которая вышла за пределы лабораторий и превратилась в новую область индустрии. В 1959 г. начато строительство крупных установок жидкого водорода и за короткий срок создано много тоннажное производство жидкого водорода (масса 1 м³ жидкого Н₂ равна 70 кг).

Функционируют ожижители Н₂ производительностью 30—60 т в сутки. За период 1961—1968 гг. производство жидкого Н₂ в США возросло с 14 т до 151 т в сутки. Созданы большие хранилища жидкого Н₂ ; так, на полигоне для испытании ракет в штате Невада (США) сооружено хранилище жидкого Н₂ емкостью 209 м³ (потери от испарения не превышают 0,2% в сутки). Создано сферическое хранилище жидкого Н₂ из алюминия емкостью 378,5 м³ .

Применяются транспортные СОСУДЫ жидкого водорода емкостью

5-6 м³ с суточной испаряемостью 1,5%, а в последние годы сооружены транспортные цистерны емкостью 107 м³ жидкого Н₂ . Емкость самого крупного хранилища шарообразной формы для жидкого Н₂ достигает 2850 м³ при диаметре внутренней алюминиевой сферы 17,4 м. Еще совсем недавно получение, хранение, транспортирование и применение таких больших количеств взрывоопасного жидкого водорода, кипящего при —253 °С, казалось немыслимым; ныне жидкий водород применяется в качестве топлива верхних ступеней ракет, в пузырьковых камерах. Изучается проблема применения жидкого водорода в качестве авиационного топлива.

Не менее стремительное развитие получила техника ожижения гелия. До 1946 г. в мире насчитывалось всего 15 лабораторных ожижителей гелия, а ныне в различных странах функционирует свыше тысячи более крупных гелиевых ожижителей.

Фирмой Артур Д. Литл (США) за последние десять лет изготовлено свыше 300 ожижителей гелия различной производительности, включая ожижители на 500 л/ч жидкого гелия. Фирма Линде (США) выпускает ожижители гелия производительностью 650 и 720 л/ч. Фирма Гарднер Крайодженикс (США) изготовила ожижители гелия на 850 л/ч. Ведется разработка ожижителя гелия на 1000 л/ч. Различные фирмы Европы, Японии выпускают разные модели ожижителей гелия и рефрижераторов на уровне температур 2—15 К. В России производятся и разрабатываются ожижители гелия и рефрижераторные установки различной холодопроизводительности. Общее количество жидкого гелия, получаемое в США, оценивается в 12000 м³ в год. В ряде случаев признано целесообразным сжижать гелий в целях уменьшения затрат на его дальнее транспортирование к потребителям (по аналогии с транспортом жидкого кислорода). Жидкий гелий транспортируется в автоцистернах, вмещающих до 20000—40000 л жидкого гелия В США практикуется также перевозка жидкого гелия воздушным путем в специальных подвесных сосудах емкостью 500, 1000 и 8800 л. Заправка автоцистерн производится из стационарных хранилищ жидкого гелия; так, для хранения жидкого гелия, вырабатываемого ожижителем производительностью 850 л/ч, изготовлена стационарная емкость на 121 000 л, снабженная высоковакуумной изоляцией и экранированная жидким азотом. Транспортные цистерны различной емкости рассчитаны на рабочее давление до 0,8 МПа, что позволяет перевозить жидкий гелий без потерь в течение 8 суток; на месте потребления испарившийся гелий закачивается в баллоны под давлением до 20 МПа. Сжижение больших количеств гелия, его хранение и перевозка в сосудах различной емкости с испаряемостью 0,5—1% в сутки подтверждает большой прогресс, достигнутый за последние два-три десятилетия криогенной техникой, ведь речь идет о жидкости с нормальной температурой кипения —269 °С и обладающей крайне низкой скрытой теплотой испарения — всего 2,5 кДж/л (0,6 ккал/л) жидкого гелия.

В 1950 г. продукция криогенной техники США оценивалась в 400 млн. долл., а к концу 1970 г. она превысила 1 млрд. долл. Основные научные и инженерные проблемы современности: управляемый термоядерный синтез, физика высоких энергий, магнитогидродинамический способ преобразования энергии. космонавтика, электроника, электротехника требуют применения холода на уровне 4—70 К.

4 Оценка целесообразности

При технико-экономической оценке целесообразности применения холода в электротехнических устройствах, использующих очень чистые металлы, следует сопоставить выгоду, обусловленную снижением активного сопротивления р. с энергетическими затратами на получение холода при соответствующей температуре.

С понижением температуры затраты на единицу произведенного холода быстро возрастают, а поэтому оптимальная температура охлаждения проводников отнюдь не равна температуре, при которой сопротивление r проводника минимально. В упрощенном виде задача сводится к определению температуры, соответствующей минимальному коэффициенту

где Т—оптимальная температура .хладагента (в идеальном случае—проводника); р_т и р_зоок — электрическое сопротивление металла при температуре 300 К; h— КПД холодильного цикла (по отношению к циклу Карно).

При охлаждении жидким азотом уменьшение омических потерь примерно компенсируется энергозатратами на охлаждение, и в энергетическом отношении азотное охлаждение проводников (Си, А1) лишено смысла. Охлаждение жидким водородом представляется более перспективным — выгода от уменьшения омических потерь для чистого алюминия примерно в 8—10 раз превышает затраты на охлаждение. Французские исследователи показали, что в современных условиях применение проводников из чистого алюминия (99,999%), охлаждаемых жидким водородом или газообразным гелием (13—15 К), более перспективно, чем применение дорогих сверхпроводников, требующих охлаждения жидким гелием (4,2 К). Во Франции работы в этом направлении проводились объединенными усилиями фирм («Лэр Ликид», «Пешине», «Альстом»), специализирующихся по трем основным направлениям: криогенная техника, материаловедение, электротехника [Л. 4-3 и 4-4]. Достигнуты большие успехи в получении очень чистого алюминия в виде тонких листов, ленты толщиной 20—50 мкм, проволоки диаметром менее 0.1 мм. Стоимость чистого алюминия примерно вдвое выше стоимости обычно применяемых алюминиевых проводников, а плотность тока при охлаждении до 15—20 К может быть повышена в 10—20 раз.

Создание жестких сверхпроводников, характеризующихся высокими значениями I и Н , вызвало повышенный интерес к проблеме использования сверхпроводимости в электротехнике и электронике, что нашло выражение в публикациях на эту тему.

Проявляемый многими энтузиазм пока не подкреплен достаточным количеством опытных работ, результатами испытаний и представляется несколько преждевременным.

Бесспорно, однако, что возникла новая ветвь технической физики — прикладная сверхпроводимость, которая уже приобрела большое значение для получения сильных магнитных полей в больших рабочих объемах. Не менее очевидно, что прикладная сверхпроводимость создает принципиальные предпосылки для анализа и опытного изучения новых путей научно-технического прогресса электротехники и электроники.

Заключение

Габариты н масса криогенных установок, удельные энергозатраты на производство холода при 4,2—15 К. надежность работы в длительном режиме пока еще не соответствуют высоким требованиям будущей криогенной электротехники. Технико-экономическая целесообразность создания криогенной электротехники определяется также значениями теплопритоков н внутренних тепловыделений, которые должны быть предельно снижены, в частности, путем усовершенствования теплоизоляции, конструкции токовводов и др.

Неоднократно подчеркивалось, что необходимо активно проводить исследования по созданию принципиально новых видов электрооборудования — опытных образцов турбогенераторов, электродвигателей и силовых промышленных трансформаторов на основе сверхпроводящих материалов.

Библиографический список

1. Фастовский В.Г. Криогенная техника, изд. 2-ое. перераб. и доп. М., «Энергия», 1974 (с)

* Термин «криогенный» предполагает применение охлаждаемых чистых металлов (Al, Cu), а не сверхпроводников.