Сверхпроводимость. Ученые МАИ замораживают кабель

Рoccийcкие физики-энергетики в 2011-2012 гг. гoтoвятcя применить на практике технoлoгию будущегo, а именнo уcтанoвить cверхпрoвoдящую кабельную линию на пoдcтанции 110 кВ Динамo в Мocкве. Заказчик рабoт «ФСК ЕЭС».  Еcли ее oпытная экcплуатация прoйдет уcпешнo, тo cверхпроводниковую, то еcть имеющую нулевое cопротивление электролинию, уcтановят на оcтальных моcковcких ТЭЦ. Их в мегаполиcе 21. Это приведет к существенному понижению цен на электричество.

Вкратце напомним суть вопроса: Революционность самой технологии -  высокотемпературной сверхпроводимости, то есть падения электрического сопротивления материалов до нуля уже при температурах ниже 100 К (-173 оС) состоит в том, что в обычном состоянии все проводники имеют электрическое сопротивление, а при сильном охлаждении колеблющиеся в разные стороны атомы, мешающие «передвигаться» электронам, замирают на месте, и электрический ток течет безо всяких преград. Это  позволяет во много раз увеличить эффективность использования сильноточных систем: увеличение мощности электрических распределительных сетей в 3-5 раз может быть достигнуто путем замены обычных силовых кабелей на сверхпроводящие при существующем распределительном  напряжении в 10 и 20 кВ. Один ВТСП (высокотемпературный сверхпроводящий) кабель может заменить 8 обычных. Основные преимущества применения сверхпроводящих силовых кабелей связано с минимальными электрическими потерями, экологической чистотой (отсутствие масел, минимальное электромагнитное и тепловое воздействие на окружающую среду), высоким уровнем взрыво - и пожарной безопасности. Дело в том, что сверхпроводник с током более 2,5 килоампер, окружен сверхпроводниковым экраном, который препятствует распространению электромагнитного излучения за пределы этого экрана. Сам жидкий азот, как известно, не поддерживает горение. ВТСП кабели гораздо компактнее, что существенно облегчает их прокладку в условиях насыщенной городской и пригородной инфраструктуры. При передаче большой мощности на низком (генераторном) напряжении не требуется промежуточных подстанций, что дает значительную экономию земли и капитальных затрат. Замена в городах воздушных линий на мощные сверхпроводящие кабельные вводы, закопанные под землю, позволит сократить полосу отчуждения.

Использование ВТСП устройств позволяет создавать уникальные на сегодняшний день технические устройства в энергетике, авиации, судостроении, космосе. Но самое большое внимание в мире уделяется разработке и строительству силовых электрических линий большой мощности с использованием ВТСП технологий.

Обозначим для начала два важных аспекта, связанных с разработкой и функционированием силовых кабелей нового поколения в России.

Во-первых, своего сверхпроводника в России нет. По словам физиков-энергетиков, проблему сверхпроводника проще и дешевле решить, закупая подходящий его вариант у Японской фирмы «Сумитама». На рынке есть и другие фирмы, готовые его продать. Например, такие американские компании как AMC и Superpower. Что касается американских аналогов сверхпроводников первого поколения, то они уступают японскому по величине критического тока. А американский сверхпроводник второго поколения дороже японского. Вообще помимо России еще четыре страны - США, Япония, Голландия, Китай занимаются опытно промышленной эксплуатацией  силовых кабелей. Из них только Китай делает  закупки в США. Отметим, что революция в физике - открытие высокотемпературной сверхпроводимости произошла в 1986 году. А сами высокотемпературные сверхпроводники для промышленной силовой электроэнергетики были созданы только в последнее десятилетие. Практический температурный диапазон работы сверхпроводников от 65 до 75К.

Во-вторых, большое достижение российских ученых из МАИ и ВНИИ КП состоит в разработке уникальных токовых вводов. Это сложнейшее устройство, необходимое для соединения низкотемпературной зоны кабеля (сверхпроводников) с высокотемпературной – с обычными кабелями. Именно эта система обеспечивает работу ВТСП кабеля в диапазоне температур 65-75 К. При создании системы криообеспечения российские ученые использовали собственные уникальные разработки.

К слову сказать, важнейший элемент сверхпроводниковой электролинии – кабель –тоже российский. Его создание относится к проекту федерального значения. Работу над разработкой  кабеля вели с 2007 г. в ВНИИ КП с привлечением ЭНИН и НТЦ электроэнергетика.

С  12 декабря 2009 г. Россия преодолела 15 летнее отставание в практическом использовании ВТСП технологий. Тогда была запущена ВТСП силовая линия длиной 200 метров на опытном полигоне в Научно-техническом  центре электроэнергетики. Над воплощением этого проекта приняли участие и сотрудники МАИ в рамках НТЦ МАИ и кафедры №№ 204, 303, 310. Они создавали систему криообеспечения на жидком азоте «СК 001», то есть систему поддерживающие температуру кабеля от 65 до 75 К.

В целом, одна из ключевых проблем при создании ВТСП устройств - создание систем криообеспечения (СК), обеспечивающих  надежное поддержание необходимого уровня температуры ВТСП проводников.

В результате за 2 года в МАИ была создана принципиально новая автономная высокоэффективная азотная система криообеспечения СК 001 для силовых высокотемпературных сверхпроводящих систем различного назначения.

На вопросы ответил Валерий Фирсов, главный конструктор системы криообеспечения, начальник сектора Научно-исследовательского центра новых технологий Московского авиационного института:

     - Кабель должен быть заморожен на всем протяжении. В МАИ это решают с привлечением космических технологий. Каких именно?

Система криообеспечения силовых высокотемпературных сверхпроводящих устройств используется в электроэнергетике, высокоскоростном транспорте, аэрокосмической технике. Система криообеспечения силовых высокотемпературных сверхпроводящих устройств имеет замкнутый контур, в котором циркулирует жидкий азот. Она создана на базе криорефрижераторов с неоновым контуром и высокоресурсных турбомашин, крионасосов с электроприводом с использованием сверхпроводящих материалов.

Система криообеспечения имеет следующие параметры: холодопроизводительность криорефрижератора до 8 кВт при температуре 65 К; давление подачи на входе в криостаты до 15 бар; массовый расход жидкого азота от 0.1 до 2 кг/с; температура жидкого азота в контуре от 65 до 75 К; объём жидкого азота в расходной ёмкости 1 м3; запас жидкого азота в ёмкости хранения – 6 м3; потребляемая электрическая мощность до 107 кВт; ресурс не менее 30 000 часов без регламентных работ; масса системы криообеспечения – 2600 кг; габариты системы криообеспечения 4×6×3.5 м.

Ну во-первых, уникальность и новизна российской, созданной в МАИ, системы криообеспечения СК 001 заключается в следующем. Созданы уникальные «погружные» криогенные насосы с ВТСП электроприводом, обеспечивающие циркуляцию жидкого азота в системе криообеспечения; криорефрижератор на основе компактных радиальных высокоресурсных турбомашин с использованием неона в качестве рабочего тела, при высоком коэффициенте полезного действия (в 1.5 раза выше существующих в мире), с минимальными массой и габаритами, без водяной системы охлаждения.

Центробежный криогенный насос подачи жидкого азота с ВТСП электроприводом (одно из применений космических технологий) имеет более высокий КПД и улучшенные в 1.5…2 раза массогабаритные характеристики по сравнению с традиционными центробежными криогенными насосами. Ротор электропривода изготовлен из высокотемпературного сверхпроводника.

Основные параметры криогенного насоса: массовый расход от 0.01 до 2 кг/с; давление на выходе 0.2…2.0 МПа; подогрев жидкости в насосе не более 2 К при температуре жидкости на входе в насос 65…80 К; давление на входе в насос 0.05…0.15 МПа; мощность на валу привода 7.5 кВт; число оборотов насоса от 3000 до 12500 об/мин; КПД до 0.51.


Система криообеспечения СК 001 может использоваться не только для силовых ВТСП кабелей, но и для элементов сильноточного электротехнического оборудования  -ограничителей токов, трансформаторов, транспортных систем и т.п.. Она может найти применение в криогенной, ракетно-космической и авиационной технике в качестве криорефрижераторов, криоожижителей средней мощности. А ее применение  для системы криообеспечения протяженных силовых кабелей дает возможность увеличить мощность распределительных сетей до 8 раз и увеличить протяженность силовых кабельных линий до 1.5 километров.


Системы криообеспечения для охлаждения теплоносителя используют в циркуляционных контурах криорефрижераторы (криокулеры) нескольких фирм Stirling Cryogenics (Голландия), Cryomech (США), Q-drive(США). Максимальная холодопроизводительность криорефрижераторов при температуре 77 К фирм: Stirling Cryogenics LPC-8 FF достигает 7.4 кВт; Cryomech AL600 - 0.62 кВт; Q-drive 2S362K - 1 кВт. В основном, криорефрижераторы используют термодинамические циклы Стирлинга и Гиффорда МакМагона, поэтому они являются поршневыми с механическим приводом, а следовательно интервал между регламентными работами по техническому обслуживанию не превышает 10000 часов. Компания Q-drive использует пульсационные трубы, что обеспечивает большую надёжность криорефрижератора, однако они на сегодняшний день уступают по холодопроизводительности криорефрижераторам на базе цикла Стирлинга.

Ресурс непрерывной работы системы криообеспечения должен приближаться к 30 000 часов без проведения работ, связанных с остановкой её работы.

Криорефрижератор нашей системы криообеспечения СК 001 реализован на газовом детандерном холодильном цикле. В качестве компрессоров и детандеров применяются компактные радиальные турбомашины и компактные пластинчато-ребристые теплообменники, а в качестве рабочего тела низкотемпературного контура выбран неон, что позволяет существенно увеличить ресурс их работы.

Отвод тепла от криорефрижератора в окружающую среду двухступенчатый. В первой ступени антифриз, циркулирующий в системе, отводит тепло от неона и компрессорных блоков в трех пластинчато-ребристых теплообменных аппаратах. Во второй ступени антифриз охлаждается воздухом окружающей среды в теплообменном аппарате с помощью 6 вентиляторов. В качестве антифриза в жидкостном контуре охлаждения криорефрижератора используется морозостойкая жидкость "Экосол". Важное преимущество системы криообеспечения – ей не нужна вода для организации охлаждения агента и она является практически автономной.

Использование радиальных турбомашин позволяет при малых габаритах и простой конструкции обеспечивать большую надежность и длительность работы криорефрижератора в сочетание с высокой термодинамической эффективностью. Неон позволяет сократить количество ступеней сжатия компрессора по сравнению с гелиевым контуром и значительно уменьшить стоимость компрессорного оборудования. Кроме того, неоновый контур имеет меньшие потери рабочего тела при работе по сравнению с гелиевым контуром.

 
     – Необходимо создание модулей системы криообеспечения с различной холодопроизводительнстью – 2, 4, 8 и 16 кВт, что обеспечит возможность создания эффективных локальных и распределённых систем криообеспечения с резервированием их функций. Это увеличит гарантию бесперебойной непрерывной работы. После незначительной модернизации криорефрижератор может использоваться в качестве базовой разработки для новых систем криообеспечения, что позволит значительно снизить стоимость систем криообеспечения и ВТСП кабелей и устройств в целом.