Криогенная техніка в системах энергетики

Міністерство спільного освітнього і професійного образования.

Російської федерации.

Вятський державний университет.

Електротехнічний факультет.

Кафедра електроенергетичних систем.

Реферат.

на тему.

«Криогенна техніка в системах энергетики».

По курсу введення у специальность Разработал студент грн. Э-12.

Скулкин Д.В.

Проверила.

Репкина Н.Г.

Кіров 2001.

1. Кріогенні і сверхпроводящие лінії электропередачи.

2. Накопичувачі энергии.

3. Криогенна техника.

4. Оцінка целесообразности.

Заключение

.

Суттєве зменшення електричного опору дуже чистих металів (алюмінію, міді, берилію, натрію) зі зниженням температури, головне — збереження деякими сплавами надпровідності в сильних магнітних полях на великих плотностях струму створили принципові змогу застосування глибокого в нових сферах, у тому числі найважливішу значення мають електротехніка і электроника.

Використання надпровідників може бути економічним при створення у майбутньому надпотужних електричних машин, апаратів, лінії електропередачі (ЛЕП), але це бачиться неабияк актуальною проблемою для розвитку електроенергетики. Мета наукових досліджень про на найближчу перспективу: пошук нових надпровідних матеріалів з підвищеними критичними параметрами, зниженими втратами в змінних полях і створення з їхньої основі досконалої технології виготовлення провідників (дротяних і стрічкових, — придатних для обмоток машин і апаратів; композиційних виробів), здешевлення надпровідних матеріалів, визначення областей техніко-економічній доцільності застосування надпровідників, і навіть розробка конструкції надпровідних машин, апаратів. ЛЕП і пр.

У насправді. науково-технічний прогрес електротехніки (вдосконалення магнітних, электроизоляционных матеріалів, впровадження досконаліших систем охолодження, глибше вивчення фізичної сутності процесів, нові технологічні розробки та ін.) не торкнувся основного електротехнічного матеріалу — провідника, який виявився незмінним із властивою йому опором, які обмежують допустиму щільність струму і потужність машин і апаратів в заданих габаритів.". Зниження активного опору провідника, а тим паче застосування надпровідників дозволило в принципі істотно підвищити потужність електричних машин і апаратів у тих-таки габаритів, підвищити до. п. буд. за рахунок збільшення робочої індукції і щільність тока.

Увага провідних електротехнічних фірм прикута до проблеми використання глибокого холоду та явища надпровідності в електротехніці великих потужностей. На XII Міжнародному конгресі за холодом (1967 р., Мадрид) вперше працювала спеціальна секція щодо застосування надпровідності в електротехніці, а березні 1969 р. (Лондон) відбулася I Міжнародна конференція на задану тему: «Низькі температури і електроенергетика», де розглядалися перспективи створення кріогенних ЛЕП. Обговорюються два можливих напрями работ:

1) застосування дуже чистих алюмінію чи міді, охлаждаемых рідким воднем (кріогенні* машини, апарати, лінії электропередачи);

2) застосування надпровідників, охлаждаемых рідким чи сверхкритическим гелієм (сверхпроводящие машини, апарати, лінії электропередачи).

Кріогенні і сверхпроводящие лінії электропередачи.

Можливість застосування низьких температурах системах передачі електроенергії протягом років привертає мою увагу багатьох исследователей.

Передача і розподіл переважної кількості електроенергії проводиться у разі мереж змінного струму. основний елемент яких є повітряні ліній електропередач (ЛЕП), функціонуючі під високим напругою (у Росії зазвичай 110.220, 500).

Введення больш*их потоків енергії в великі міста Київ і промислові райони у вигляді повітряних ЛЕП пов’язані з серйозними ускладненнями: необхідно відчуження значних ділянок землі на приміських житлових районах, створюються перешкоди авіатранспорту і відомий небезпеку обману населення, виникають радіоперешкоди і т.п.

З цих причин визначилася тенденція для реалізації про глибоких уведень до міст і промислові райони з допомогою високовольтних підземних кабелів, котрі з достатньому віддаленні споживачів (5—50 км) стикуються із повітряною ЛЕП. При великих переданих потужностях зазвичай застосовуються високовольтні маслонаполненные кабелі: США максимальна потужність, передана за таким кабелю при напрузі 345 кВ. сягає 500 МВ (А, а Європі— 1000 МВ (А. Вартість самого кабелю, і навіть його прокладки досить високізалежно від режиму експлуатації ЛЕП капітальні витрати під час спорудження кабельної лінії на напруга 345 кВ в 10—13 разів більше, аніж за спорудженні повітряної ЛЕП ті ж параметри, тому природні пошуки інших технічних рішень, до яких належить дослідження можливості споруди кріогенних і надпровідних ліній електропередач відносно невеликий протяженности.

Короткі сверхпроводящие кабельні лінії постійного струму може вишукати використання у виробництвах, використовують великі струми порівняно низького напруги: і при отриманні алюмінію чи хлору електроліз, в потужних електропечах. більш далекій і менше певної перспективою представляється спорудження кріогенних чи надпровідних ЛЕП великий протяжності: такі лінії набагато складніший і дорожче звичайних повітряні ЛЕП і спорудження їх може оказаться.

Сучасна електротехніка вимагає пошуки принципово нових рішень науково-технічних завдань, обумовлених зростанням одиничної потужності енергетичних блоків і необхідністю передачі величезних кількостей енергії по далеким по далеким лініях електропередачі. Вже освоєно енергоблоки потужністю 500 і 800 МВт, на стадії виготовлення перебувають блохи потужністю 1200, а більш далекої перспективи (до 2000 р.) аналізуються можливості доведення одиничної потужності турбогенератора до 2500−3000 МВт з урахуванням звичайній конструкції в четырехполюсном виконанні. Зростання одиничної потужності потребує більше інтенсивного охолодження, призводить до зниження ККД і збільшення відносних реактивностей.

Росії з її величезними просторами і дуже нерівномірним розподілом енергоресурсів (у частині країни близько 12-ї% енергоресурсів, а азіатською до 88%) першочергового значення має проблема створення потужних і дальніх ЛЭП.

Крім інших питань, виникає у істотному підвищенні Номінального напруги. Вже освоєно напруга змінного струму 500 кВ, випробовуються повітряні ЛЕП змінного струму на 750 кВ (Конаково — Москва), і навіть ЛЕП постійного струму «на 800 кВ (Волгоград—Донбасс). У відповідність до розробляється комплексне електрообладнання для ЛЕП змінного струму 1150 кВ (для міжсистемних зв’язків в енергосистемах) й у ЛЕП постійного струму на 1500 кВ протяжністю 2500 км (Экибастуз-Центр) з переданої потужністю 6 МВт. Напруги 1150кВ змінного или1500 постійного струму виявляються недостатніми ще потужних ЛЕП. Тим більше що потужність майбутніх ЛЕП зі Східного Сибіру на європейського частина Росії перевищувати 10 ГВт за однією ланцюга, що вимагає підвищення рівня напруги до 2200−2400 кВ. У цьому світлі. сказаного очікується, у недалекому майбутньому (1990;2000 рр.) науково-технічні можливості класичної електротехніки досягнуть своєї межі і знадобляться нові розв’язання складних завдань генерування, перетворення і передавання електроенергії. Застосування чистих металів, охолоджених до 15—20 До, а головне надпровідників представляється однією з можливих шляхів розвитку майбутньої електротехніки великих мощностей.

Накопичувачі энергии.

Наявність матеріалів, які зберігали властивості надпровідності в сильних магнітних полях, висунуло цікаву ідею накопичення енергії у потужному магнітному полі соленоидов. Нагромадження енергії часто потрібно створення імпульсних розрядів великої потужності при дослідженнях оптичних квантових генераторів (лазерів) і дослідах з розщеплення і синтезу ядер та інших. Импульсное виділення енергії за стислий період часу можуть забезпечити заряджені конденсаторные батареї. Щільність енергії, запасеної в конденсаторної батареї, порівняно мала (3(105 Дж/м3); до створення потужних імпульсів необхідні дуже громіздкі конденсатори. Енергоємність акумуляторів втричі порядку більше енергоємності конденсаторних батарей, але акумулятори що неспроможні забезпечити віддачу енергії в міллічи мікросекунди. Достатні щільності енергії можна отримати при використанні магнітного поля котушки з повітряним сердечником, але для звичайних котушок це пов’язано з більшими на втратами потужності. У цьому світлі сказаного значний інтерес до створення потужних імпульсних джерел представляють котушки з жорстких надпровідників. Енергія, ув’язнена в магнітному поле, на одиницю обсягу дорівнює 0,5(0Н2; для однорідної поля напруженістю в 80 кА/см запас енергії становить близько 40 МДж/м3. Передбачається, що жорсткі надпровідники можна буде застосувати як до створення потужних імпульсних джерел енергії, але верб ролі акумуляторів енергії покриття пікових навантажень в енергосистемах. У існуючих надпровідних магнітних системах запасена енергія сягає 4—б МДж. Досліджується можливість накопичення енергії порядку 1013 Дж, що небезпека може виявитися вже корисним для регулювання виробництва електроенергії у країні. Такий грандіозний нагромаджувач передбачається виконати як тороїдальної котушки діаметром обмотки 17 м, середній радіус тороида 68 м, щільність струму 3(105 А/см2, а максимальна індукція 7 Т. Намагнічування жорстких надпровідників призводить до сильному гистерезису, який визначає втрати. При різких змінах струму до гистерезисным втрат додаються втрати, пов’язані з переміщенням магнітного потоку. Значні втрати з допомогою теплопритоков, оцінювані 0,05 Вт/м2 при 4 До. Грубі оцінки загальних втрат при цьому нагромаджувача дають значення близько 104 Вт лише на рівні 4,2 До; кріогенні установки такий потужності поки що не створено, та їх вартість мусить бути мала порівняно з вартістю накопителя.

При включенні нагромаджувача рассеиваемые потужності великі й необхідні заходи, щоб забезпечити розсмоктування невеликих зон нормальної провідності в сверхпроводящем матеріалі. При струмі 105 На провід ставлення перетинів стабілізуючого (5н) і сверхпроводящего (5с) матеріалу, т. е. 5н/5с=40, а при струмі 2−103 І це ставлення знижується до 11. Рекомендований значення струму 1,4(105 Проте й кожен провідник всередині котушки повинен розбиватися на 70 ниток із течією у кожному приблизно 2000 А.

На рис. 1 показано схема індуктивного нагромаджувача енергії зі сверхпроводящей котушками. Надпровідна котушка L заряджається при замкнутому вимикачі B1 і розімкнутих выключателях В2 і В3. Послідовне опір R регулює постійну часу й відповідно тривалість зарядки. Коли L запасено потрібну кількість енергії, вимикач В3 у ланцюзі 2 замикається, а вимикач B1 у ланцюги 1 розмикається; цим нагромаджувач енергії відключається джерела питания.

Надпровідний вимикач В3 забезпечує циркуляцію струму у подальшому ланцюгу 2. Розрядку на навантаження виробляють, замикаючи В2 у ланцюги 3 і розмикаючи В1. Енергія запасається за низького напрузі, високі напруги мають місце лише за розрядці. Можливий дуже швидкий розряд, але при цьому необхідний підходящий надпровідний вимикач В3, який має у замкненому стані забезпечити нульовий опір, а при розряді размыкаться за можливо короткий час (з метою зниження втрат надходжень у В3 при розряді). Эймин і Видерхольд розглянули роботу потужних швидкодіючих надпровідних вимикачів з тепловим і магнітним управлінням щоб одержати коротких потужних розрядів енергії, запасеної в надпровідних котушках. Автори вважають, що магнітний «вимикач у разі більш зручний надпровідних систем накопичення энергии.

Цілком природно, створення великої сверхпроводящей системи накопичення енергії вимагає розв’язання багатьох складних завдань, але першочергова у визначенні рентабельності подібних які акумулюють устройств.

Подчеркивается, що наявність нагромаджувача дозволяє знизити встановлену потужність електростанції, виділені на покриття добових піків навантаження, причому економія капіталовкладень в енергосистемі тим більше коштів, ніж значніша флуктуації споживаної мощности.

Модельні сверхпроводящие накопичувальні системи з запасеної енергією близько 100 кДж вже створені і випробовуються. Але що пет достатніх підстав з оцінки перспектив цього напряму прикладної сверхпроводимости.

3. Криогенна техника.

Тоді терміном «кріогеніка» користуються останні десятиліття для позначення галузі більше низьких температур (70—0,3 До), широко застосовуваної у техніці. До Другої світової війни (1941—1945 рр.) рідко застосовувалися температури нижче 70 До (рідкий азот під вакуумом). Нижчі температури, що досягаються сжижением неону, водню, гелію, застосовувалися в одиничних лабораторіях світу фінансування наукових досліджень, які опинилися виключно плодотворными.

Розвиток ракетної техніки, виконання програми космічних досліджень сприяли швидкому прогресу кріогенної техніки, яка межі лабораторій і перетворилася на нову область індустрії. У 1959 р. розпочате будівництво великих установок рідкого водню і поза стислі терміни створено чимало тоннажное виробництво рідкого водню (маса 1 м³ рідкого Н2 дорівнює 70 кг).

Функціонують ожижители Н2 продуктивністю 30—60 тонн на добу. За період 1961—1968 рр. виробництво рідкого Н2 США зросла з 14-ма т до 151 т на добу. Створено великі сховища рідкого Н2; так, на полігоні для випробуванні ракет у штаті Невада (США) споруджено сховище рідкого Н2 ємністю 209 м³ (втрати від випаровування становить 0,2% на добу). Створено сферичне сховище рідкого Н2 з алюмінію ємністю 378,5 м³.

Застосовуються транспортні СУДИНИ рідкого водню емкостью.

5−6 м3 з добової испаряемостью 1,5%, а останні роки споруджено транспортні цистерни ємністю 107 м³ рідкого Н2. Ємність найбільшого сховища кулеподібної форми для рідкого Н2 сягає 2850 м³ при діаметрі внутрішньої алюмінієвої сфери 17,4 м. Ще нещодавно отримання, зберігання, транспортування й застосування їх таких великих кількостей вибухонебезпечного рідкого водню, киплячого при —253 °З, здавалося немислимим; нині рідкий водень застосовується у яких як паливо верхніх щаблів ракет, в пузырьковых камерах. Вивчається проблема застосування рідкого водню в ролі авіаційного топлива.

Не менш стрімкий розвиток отримала техніка ожижения гелію. До 1946 р. у світі нараховувалося всього 15 лабораторних ожижителей гелію, нині в різних країнах функціонує понад тисячу більших гелієвих ожижителей.

Фірма Артур Д. Літл (США) протягом десяти років виготовлено понад 300 ожижителей гелію різної продуктивності, включаючи ожижители на 500 л/ч рідкого гелію. Фірма Лінді (США) випускає ожижители гелію продуктивністю 650 і 720 л/ч. Фірма Гарднер Крайодженикс (США) виготовила ожижители гелію на 850 л/ч. Ведеться розробка ожижителя гелію на 1000 л/ч. Різні фірми Європи, Японії випускають різні моделі ожижителей гелію і рефрижераторів лише на рівні температур 2—15 До. У Росії її виробляються розробляються ожижители гелію і рефрижераторні установки різної холодопроизводительности. Загальна кількість рідкого гелію, одержуване США, становить 12 000 м³ на рік. Нерідко визнано доцільним сжижать гелій з метою зменшення витрат за його далеке транспортування до споживачів (за аналогією з транспортом рідкого кисню). Рідкий гелій транспортується в автоцистернах, які вміщали до 20 000—40 000 л рідкого гелію У практикується також перевезення рідкого гелію повітряним шляхом у спеціальних підвісних посудинах ємністю 500, 1000 і 8800 л. Заправка автоцистерн робиться з стаціонарних сховищ рідкого гелію; так, для зберігання рідкого гелію, вироблюваного ожижителем продуктивністю 850 л/ч, виготовлено стаціонарна ємність на 121 000 л, споряджена высоковакуумной ізоляцією і экранированная рідким азотом. Транспортні цистерни різну місткість розраховані на робочий тиск до 0,8 МПа, що дозволяє перевозити рідкий гелій без втрат надходжень у протягом 8 діб; дома споживання испарившийся гелій закачується в балони під тиском до 20 МПа. Скраплення великих кількостей гелію, його збереження і перевезення у судинах різну місткість з испаряемостью 0,5—1% на добу підтверджує великого прогресу, досягнутий протягом останніх двоєтроє десятиліть кріогенної технікою, йдеться бо про рідини із нормальною температурою кипіння —269 °З повагою та яка має надміру низькою прихованої теплотою випаровування — всього 2,5 кДж/л (0,6 ккал/л) рідкого гелия.

1950;го р. продукція кріогенної техніки США оцінювався у 400 млн. дол., а до кінця 1970 р. вона перевищила 1 млрд. дол. Основні наукові і інженерні проблеми сучасності: керований термоядерний синтез, фізика високих енергій, магніто-гідродинамічний спосіб перетворення. космонавтика, електроніка, електротехніка вимагають застосування холоду на рівні 4—70 К.

4. Оцінка целесообразности.

При техніко-економічній оцінці доцільності застосування в електротехнічних пристроях, використовують дуже чисті метали, слід зіставити вигоду, зумовлену зниженням активного опору р. з енергетичними витратами отримання холоду за відповідного температуре.

С зниженням температури видатки одиницю виробленого холоду швидко зростають, тож оптимальна температура охолодження провідників аж ніяк не дорівнює температурі, коли він опір (провідника мінімально. У спрощеному вигляді завдання зводиться до визначення температури, відповідної мінімального коэффициенту.

[pic].

где Т—оптимальная температура. хладагента (в ідеальному случае—проводника); рт і рзоок — електричне опір металу за нормальної температури 300 До; (— ККД холодильного циклу (стосовно циклу Карно).

При охолодженні рідким азотом зменшення омических втрат приблизно компенсується енерговитратами на охолодження, й у енергетичному відношенні азотне охолодження провідників (Сі, А1) втрачає сенс. Охолодження рідким воднем видається більш перспективним — вигода від зменшення омических втрат для чистого алюмінію приблизно 8—10 разів перевищує витрати на охолодження. Французькі дослідники показали, що у сучасних умовах застосування провідників з чистої алюмінію (99,999%), охлаждаемых рідким воднем чи газоподібним гелієм (13—15 До), перспективніше, ніж застосування дорогих надпровідників, потребують охолодження рідким гелієм (4,2 До). У Франції роботи у цьому напрямі проводилися об'єднаними зусиллями фірм («Лэр Ликид», «Пешине», «Альстом»), які спеціалізуються по трьох основних напрямам: криогенна техніка, матеріалознавство, електротехніка [Л. 4−3 і 4−4]. Досягнуто великих успіхів отриманні дуже чистого алюмінію вигляді тонких аркушів, стрічки завтовшки 20—50 мкм, дроту діаметром менш 0.1 мм. Вартість чистого алюмінію приблизно удвічі більше вартості зазвичай застосовуваних алюмінієвих провідників, а щільність струму при охолодженні до 15—20 До може бути підвищено в 10—20 раз.

Створення жорстких надпровідників, що характеризуються високими значеннями I і М, викликав підвищений інтерес до проблеми використання надпровідності в електротехніці і електроніці, що вже знайшло вираження у публікаціях з цього тему.

Який Виявляють багатьма ентузіазм доки підкріплений достатнім кількістю досвідчених робіт, результатами випробувань, і представляється кілька преждевременным.

Безперечно, проте, що виникла нова гілка технічної фізики — прикладна надпровідність, що вже придбала велике значення для отримання сильних магнітних полів у великих робочих обсягах. Так само очевидно, що прикладна надпровідність створює принципові передумови для аналізу та досвідченого вивчення нових шляхів науково-технічного прогресу електротехніки і электроники.

Заключение

.

Габарити зв маса кріогенних установок, удільні енерговитрати на виробництво холоду при 4,2—15 До. надійність роботи у тривалому режимі поки що відповідають високим вимогам майбутньої кріогенної електротехніки. Техніко-економічна доцільність створення кріогенної електротехніки визначається також значеннями теплопритоков зв внутрішніх тепловыделений, що їх гранично знижено, зокрема, шляхом вдосконалення теплоізоляції, конструкції токовводов і др.

Неодноразово підкреслювалося, що необхідно активно проводити досліджень зі створення принципово нових видів електроустаткування — досвідчених зразків турбогенераторів, електродвигунів і силових промислових трансформаторів з урахуванням надпровідних материалов.

Бібліографічний список.

1. Фастівський В. Г. Кріогенна техніка, вид. 2-ое. перераб. і доп. М., «Енергія», 1974 ©.

* Термін «кріогенний» передбачає застосування охлаждаемых чистих металів (Al, Cu), а чи не сверхпроводников.