Российскойфедерации
Вятскийгосударственный университет
Электротехническийфакультет
Кафедраэлектроэнергетических системРефератна тему
«Криогенная техника в системах энергетики»
По курсу введение в специальность
Разработал студент гр. Э-12 Скулкин Д.В.
Проверила Репкина Н.Г.
Киров 2001Содержание Введение1. Криогенные и сверхпроводящие линииэлектропередачи 2. Накопители энергии3. Криогенная техника4. Оценка целесообразности
ЗаключениеВведение
Существенное уменьшениеэлектрического сопротивления очень чистых металлов (алюминия, меди, бериллия,натрия) с понижением температуры, главное — сохранение некоторыми сплавамисверхпроводимости в сильных магнитных полях при больших плотностях тока создалипринципиальные возможности для применения глубокого холода в новых сферах, изкоторых наиболее важное значение имеют электротехника и электроника.
Использованиесверхпроводников может оказаться экономичным при создании в будущем сверхмощныхэлектрических машин, аппаратов, линии электропередачи (ЛЭП), что представляетсявесьма актуальной проблемой для перспектив развития электроэнергетики. Цельнаучных исследований на ближайший период: изыскание новых сверхпроводящихматериалов с повышенными критическими параметрами, пониженными потерями впеременных полях и создание на их основе совершенной технологии изготовленияпроводников (проволочных и ленточных, - пригодных для обмоток машин и аппаратов; композиционных изделий),удешевление сверхпроводящих материалов, определение областей технико-экономическойцелесообразности применения сверхпроводников, а также разработка конструкциисверхпроводящих 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 технологическиеразработки и др.) не коснулся основного электротехнического материала —проводника, который оказался неизменным с присущим ему сопротивлением,ограничивающим допустимую плотность тока и мощность машин и аппаратов взаданных габаритах.». Снижение активного сопротивления проводника, а тем болееприменение сверхпроводников позволило бы в принципе существенно повыситьмощность электрических машин и аппаратов в тех же габаритах, повысить к. п. д.за счет увеличения рабочей индукции и плотности тока.
Внимание ведущихэлектротехнических фирм привлечено к проблеме использования глубокогохолода и явления сверхпроводимости в электротехнике больших мощностей. На XIIМеждународном конгрессе по холоду (1967 г., Мадрид) впервые работаласпециальная секция по применению сверхпроводимости в электротехнике, а в марте1969 г. (Лондон) состоялась IМеждународная конференцияна тему: «Низкие температуры иэлектроэнергетика», где в основном рассматривались перспективы созданиякриогенных 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 сверхкритическимгелием (сверхпроводящие машины, аппараты, линии электропередачи).1 Криогенные исверхпроводящие линии электропередачи
Возможность применениянизких температур в системах передачи электроэнергии на протяжении последнихлет привлекает внимание многих исследователей.
Передача и распределениеподавляющего количества электроэнергиипроизводится по сетям переменного тока. основным элементомкоторых являются воздушные линии электропередачи (ЛЭП), функционирующие подвысоким напряжением (в России обычно 110.220, 500).
Ввод больш*их потоков энергии в крупные города ипромышленные 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, возникаютрадиопомехи и т.п.
По этим причинамопределилась тенденция к осуществлению так называемых глубоких вводов в городаи промышленные районы с помощью высоковольтных подземных кабелей, которые надостаточном удалении от потребителей (5—50 км) стыкуются с воздушной ЛЭП. Прибольших передаваемых мощностях обычно применяются высоковольтныемаслонаполненные кабели: в США максимальная мощность, передаваемая по такому кабелюпри 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 ЛЭПкапитальные затраты при сооружении кабельной линии на напряжение 345 кВ в 10—13раз выше, чем при сооружении воздушной ЛЭП на те же параметры, поэтомуестественны поиски других технических решений, к числу которых относитсяисследование возможности сооружения криогенных и сверхпроводящих линийэлектропередачи относительно небольшой протяженности.
Короткие сверхпроводящиекабельные линии постоянного тока могут найти применение в производствах,использующих большие токи сравнительно низкого напряжения: при полученииалюминия или хлора электролизом, в мощных электропечах. более отдаленной и менее определеннойперспективой представляется сооружение криогенных или сверхпроводящих ЛЭПбольшой протяженности: такие линии намного сложнее и дороже обычных воздушныеЛЭП и сооружение их может оказаться.
Современная электротехникатребует изыскания принципиально новых решений научно-технических задач,обусловленных ростом единичной мощности энергетических блоков и необходимостьюпередачи огромных количеств энергии по дальним по дальним линиямэлектропередачи. Уже освоены энергоблоки мощностью 500 и 800 МВт, на стадии изготовления находятся блохимощностью 1200, а для более далекой перспективы (к 2000 г.) анализируютсявозможности доведения единичной мощности турбогенератора до 2500-3000 МВт набазе обычной конструкции в четырехполюсном исполнении. Рост единичной мощноститребует более интенсивного охлаждения,приводит к снижению КПД и увеличению относительных реактивностей
Для России с ее огромнымипространствами и крайне неравномерным распределением энергоресурсов (вевропейской части страны около 12% энергоресурсов, а в азиатской до 88%)первостепенное значение имеет проблема создания мощных и дальних ЛЭП.
Помимо других сложныхвопросов, возникает необходимость в существенном повышении Номинальногонапряжения. Уже освоено напряжение переменного тока 500 кВ, испытываются воздушные ЛЭП переменного токана 750 кВ (Конаково — Москва), а также ЛЭП постоянного тока 'на 800 кВ(Волгоград—Донбасс). В соответствии с разрабатывается комплексноеэлектрооборудование для ЛЭП переменного тока 1150 кВ (для межсистемных связей вэнергосистемах) и для ЛЭП постоянного тока на 1500 кВ протяженностью 2500 км(Экибастуз-Центр) с передаваемой мощностью 6 МВт. Напряжения 1150кВ переменногоили1500 постоянного тока оказываются недостаточными для более мощных ЛЭП. Междутем мощность будущих ЛЭП из ВосточнойСибири в европейскую часть России будет превышать 10 ГВт по одной цепи, чтопотребует повышение уровня напряжения до 2200-2400 кВ. В свете. сказанногоожидается, что в недалеком будущем (1990-2000 гг.) научно-технические возможности классическойэлектротехники достигнут своего предела и потребуются новые решения сложныхзадач генерирования, преобразования и передачи электроэнергии. Применениечистых металлов, охлажденных до 15—20 К, а главное сверхпроводников представляетсяодним из возможных путей развития будущей электротехники больших мощностей. 2 Накопители энергии
Наличие материалов,сохраняющих свойства сверхпроводимости в сильных магнитных полях, выдвинулоинтересную идею накопления энергии в магнитном поле соленоидов. Накоплениеэнергии часто требуется для создания импульсных разрядов большой мощности приисследованиях оптических квантовых генераторов (лазеров) и опытах порасщеплению и синтезу ядер и др. Импульсное выделение энергии за короткийпромежуток 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 конденсаторныхбатарей, но аккумуляторы не могут обеспечить отдачу энергии в милли- илимикросекунды. Достаточные плотности энергии могут быть получены прииспользовании магнитного поля катушки с воздушным сердечником, но для обычныхкатушек это сопряжено с большими потерями мощности. В свете сказанногозначительный интерес для создания мощных импульсных источников представляюткатушки из жестких сверхпроводников. Энергия, заключенная в магнитном поле, наединицу объема равна 0,5m0Н2; дляоднородного поля напряженностью в 80 кА/см запас энергии составит около 40МДж/м3. Предполагается, что жесткие сверхпроводники могут бытьприменены не только для создания мощных импульсных источников энергии, но ивкачестве аккумуляторов энергии для покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах.В существующих сверхпроводящих магнитных системах запасенная энергия достигает4—б МДж. Исследуется возможность накопления энергии порядка 1013 Дж, что можетоказаться уже полезным для регулирования производства электроэнергии в стране.Такой грандиозный накопитель предполагается выполнить в виде тороидальнойкатушки диаметром обмотки 17 м, средний радиус тороида 68 м, плотность тока 3×105 А/см2,а максимальная индукция 7 Т. Намагничивание жестких сверхпроводников приводит ксильному гистерезису, определяющему потери. При резких изменениях тока кгистерезисным потерям добавляются потери, связанные с перемещением магнитногопотока. Значительны потери за счет теплопритоков, оцениваемые 0,05 Вт/м2при 4 К. Грубые оценки общих потерь для этого накопителя дают значение около104 Вт на уровне 4,2 К; криогенные установки такой мощности пока еще несозданы, но их стоимость должна быть мала по сравнению со стоимостьюнакопителя.
При включении накопителярассеиваемые мощности велики и необходимы меры, обеспечивающие рассасываниенебольших зон нормальной проводимости в сверхпроводящем материале. При токе 105А 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 каждыйпроводник внутри катушки должен разбиваться на 70 нитей с током в каждойпримерно 2000 А.
На рис. 1 показана схемаиндуктивного накопителя энергии со сверхпроводящей катушкой. Сверхпроводящаякатушка Lзаряжается при замкнутом выключателе B1и разомкнутых выключателях В2 и В3. Последовательноесопротивление Rрегулирует постоянную времени и соответственнодлительность зарядки. Когда в L запасено нужное количество энергии, выключательВ3 в цепи 2 замыкается, а выключатель B1в цепи 1 размыкается; темсамым накопитель энергии отключается от источника питания.
Сверхпроводящий выключательВ3 обеспечивает циркуляцию тока в цепи 2. Разрядку на нагрузкупроизводят, замыкая В2 в цепи 3 и размыкая В1. Энергиязапасается при низком напряжении, высокие напряжения имеют место только приразрядке. Возможен очень быстрый разряд, но для этого необходим подходящийсверхпроводящий выключатель В3, который должен в замкнутом состоянииобеспечить нулевое сопротивление, а при разряде размыкаться за возможнокороткое время (в целях снижения потерь в В3 при разряде). Эймин иВидерхольд рассмотрели работу мощных быстродействующих сверхпроводящихвыключателей с тепловым и магнитным управлением для получения коротких мощныхразрядов энергии, запасенной в сверхпроводящих катушках. Авторы считают, чтомагнитный 'выключатель в данном случае более удобен для сверхпроводящих системнакопления энергии.
Вполне естественно, чтосоздание крупной сверхпроводящей системы накопления энергии требует решениямногих сложных задач, но первоочередная состоит в определении рентабельностиподобных аккумулирующих устройств.
Подчеркивается, что наличие накопителя позволяетснизить установленную мощность электростанции, предназначенных для покрытиясуточных пиков нагрузки, причем экономия капиталовложений в энергосистеме тембольше, чем значительнее флуктуации потребляемой мощности.
Модельные сверхпроводящиенакопительные системы с запасенной энергией около 100 кДж созданы ииспытываются. Однако пока пет достаточных оснований для оценки перспектив этогонаправления прикладной сверхпроводимости.
3 Криогенная техника
Термином «криогеника»пользуются последние два-три десятилетия для обозначения области более низкихтемператур (70—0,3 К), широко применяемой в технике. До Второй мировой войны(1941—1945 гг.) редко применялись температуры ниже 70 К (жидкий азот подвакуумом). 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 прогрессукриогенной техники, которая вышла за пределы лабораторий и превратилась в новуюобласть индустрии. В 1959 г. начато строительство крупных установок жидкоговодорода и за короткий срок создано много тоннажное производство жидкоговодорода (масса 1 м3 жидкого Н2 равна 70 кг).
Функционируют ожижители Н2производительностью 30—60 т в сутки. За период 1961—1968 гг. производствожидкого Н2 в США возросло с 14 т до 151 т в сутки. Созданы большиехранилища жидкого Н2; так, на полигоне для испытании ракет в штатеНевада (США) сооружено хранилище жидкого Н2 емкостью 209 м3(потери от испарения не превышают 0,2% в сутки). Создано сферическое хранилищежидкого Н2 из алюминия емкостью 378,5 м3.
Применяются транспортныеСОСУДЫ жидкого водорода емкостью
5-6 м3 с суточной испаряемостью 1,5%, а впоследние годы сооружены транспортные цистерны емкостью 107 м3жидкого Н2. Емкость самого крупного хранилища шарообразной формы дляжидкого Н2 достигает 2850 м3 при диаметре внутреннейалюминиевой сферы 17,4 м. Еще совсемнедавно получение, хранение, транспортирование и применение таких больших количестввзрывоопасного жидкого водорода, кипящего при —253 °С, казалось немыслимым;ныне жидкий водород применяется в качестве топлива верхних ступеней ракет, впузырьковых камерах. Изучается проблема применения жидкого водорода в качествеавиационного топлива.
Не менее стремительное развитие получила техникаожижения гелия. До 1946 г. в миренасчитывалось всего 15 лабораторных ожижителей гелия, а ныне в различныхстранах функционирует свыше тысячи более крупных гелиевых ожижителей.
Фирмой Артур Д. Литл (США)за последние десять лет изготовлено свыше 300 ожижителей гелия различнойпроизводительности, включая ожижители на 500 л/ч жидкого гелия. Фирма Линде (США) выпускаетожижители гелия производительностью 650и 720 л/ч. Фирма Гарднер Крайодженикс (США) изготовила ожижители гелия на850 л/ч. Ведется разработка ожижителягелия на 1000 л/ч. Различные фирмы Европы, Японии выпускают разные модели ожижителей гелия ирефрижераторов на уровне температур 2—15 К. В России производятся иразрабатываются ожижители гелия и рефрижераторные установки различной холодопроизводительности.Общее количество жидкого гелия, получаемое в США, оценивается в 12000 м3 в год. В рядеслучаев признано целесообразным сжижатьгелий в целях уменьшения затрат на его дальнее транспортирование к потребителям (по аналогии с транспортом жидкогокислорода). Жидкий гелийтранспортируется в автоцистернах, вмещающих до 20000—40000 л жидкого гелия ВСША практикуется также перевозка жидкого гелия воздушным путем в специальныхподвесных сосудах емкостью 500, 1000 и 8800 л. Заправка автоцистернпроизводится из стационарных хранилищ жидкого гелия; так, для хранения жидкогогелия, вырабатываемого ожижителем производительностью 850 л/ч, изготовленастационарная емкость на 121 000 л, снабженная высоковакуумной изоляцией иэкранированная жидким азотом. Транспортные цистерны различной емкостирассчитаны на рабочее давление до 0,8 МПа, что позволяет перевозить жидкийгелий без потерь в течение 8 суток; на месте потребления испарившийся гелийзакачивается в баллоны под давлением до 20 МПа. Сжижение больших количествгелия, его хранение и перевозка в сосудах различной емкости с испаряемостью0,5—1% в сутки подтверждает большой прогресс, достигнутый за последние два-тридесятилетия криогенной техникой, ведь речь идет о жидкости с нормальнойтемпературой кипения —269 °С и обладающей крайне низкой скрытой теплотой испарения — всего 2,5 кДж/л (0,6 ккал/л) жидкого гелия.
В 1950 г. продукциякриогенной техники США оценивалась в 400 млн. долл., а к концу 1970 г. онапревысила 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-экономическойоценке целесообразности применения холода в электротехнических устройствах,использующих очень чистые металлы, следует сопоставить выгоду, обусловленнуюснижением активного сопротивления р. с энергетическими затратами на получениехолода при соответствующей температуре.
С понижениемтемпературы затраты на единицу произведенного холода быстро возрастают, апоэтому оптимальная температура охлаждения проводников отнюдь не равна температуре, при которой сопротивление rпроводника минимально. В упрощенном виде задача сводится к определениютемпературы, соответствующей минимальному коэффициенту
где Т—оптимальная температура.хладагента (видеальном случае—проводника); рт и рзоок — электрическоесопротивление металла при температуре 300 К; h— КПД холодильного цикла (поотношению к циклу Карно).
При охлаждении жидким азотомуменьшение омических потерь примерно компенсируется энергозатратами наохлаждение, и в энергетическом отношении азотное охлаждение проводников (Си,А1) лишено смысла. Охлаждение жидким водородом представляется болееперспективным — выгода от уменьшения омических потерь для чистого алюминияпримерно в 8—10 раз превышает затраты на охлаждение. Французские исследователипоказали, 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 охлажденияжидким гелием (4,2 К). Во Франции работы в этом направлении проводилисьобъединенными усилиями фирм («Лэр Ликид», «Пешине», «Альстом»),специализирующихся по трем основным направлениям: криогенная техника,материаловедение, электротехника [Л. 4-3 и 4-4]. Достигнуты большие успехи вполучении очень чистого алюминия в виде тонких листов, ленты толщиной 20—50мкм, проволоки диаметром менее 0.1 мм. Стоимость чистого алюминия примерновдвое выше стоимости обычно применяемых алюминиевых проводников, а плотностьтока при охлаждении до 15—20 К может быть повышена в 10—20 раз.
Создание жесткихсверхпроводников, характеризующихся высокими значениями Iи Н,вызвало повышенный интерес к проблеме использования сверхпроводимости вэлектротехнике и электронике, что нашло выражение в публикациях на эту тему.
Проявляемый многимиэнтузиазм пока не подкреплен достаточным количеством опытных работ,результатами испытаний и представляется несколько преждевременным.
Бесспорно, однако, чтовозникла новая ветвь технической физики — прикладная сверхпроводимость, котораяуже приобрела большое значение для получения сильных магнитных полей в большихрабочих объемах. Не менее очевидно, что прикладная сверхпроводимость создаетпринципиальные предпосылки для анализа и опытного изучения новых путейнаучно-технического прогресса электротехники и электроники.
Заключение
Габариты н масса криогенныхустановок, удельные энергозатраты на производство холода при 4,2—15 К.надежность работы в длительном режиме пока еще не соответствуют высоким требованиям будущейкриогенной электротехники. Технико-экономическая целесообразность созданиякриогенной электротехники определяется также значениями теплопритоков нвнутренних тепловыделений, которые должны быть предельно снижены, в частности,путем усовершенствования теплоизоляции, конструкции токовводов и др.
Неоднократно подчеркивалось, что необходимо активнопроводить исследования по созданию принципиально новых видовэлектрооборудования — опытных образцов турбогенераторов, электродвигателей и силовых промышленныхтрансформаторов на основе сверхпроводящих материалов.
Библиографическийсписок
1. Фастовский В.Г. Криогенная техника, изд. 2-ое. перераб. идоп. М., «Энергия», 1974 (с)
* Термин«криогенный» предполагает применение охлаждаемых чистых металлов (Al, Cu), а не сверхпроводников.