5. Бурак. Криогенные технологии в электроэнергетике и автоматике

[Анастасия]

Тема доклада: Криогенные технологии в электроэнергетике и автоматике
Выполнила: студентка гр. 342 об-3 Бурак Анастасия Васильевна
Научный руководитель: Карпова Т.В.

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 больших 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 многое другое. 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 воздушных ЛЭП и сооружение их может оказаться не окупаемым с экономической точки зрения, однако данный вопрос находится в активной разработке и возможно, ученые смогут найти пути решения поставленных проблем в данном вопросе.
Криогенные технологии нашли широкое применение в топливно-энергетической промышленности

Речь пойдет о трубопроводах, предназначенных для транспортировки сжиженного природного газа (СПГ). Трубопроводы для транспортировки СПГ должны разрабатываться из условия сохранения их работоспособности в диапазоне от +50 °С до минусовых температур подаваемого по ним продукта. Трубопровод можно не изолировать при условии, что его длина крайне мала, длительность работы невелика и скорость проходящей по нему жидкости высокая. Во всех других случаях трубопроводы для работы с криогенными продуктами должны быть изолированы для обеспечения относительно малого теплопритока из окружающей среды. Наиболее простой способ -- невакуумная изоляция матами из стекловолокна и пенопластиков с покрытием снаружи полимерной пленкой, защищающей трубопровод от влаги воздуха. Для СПГ такой способ изоляции следует признать наиболее целесообразным. Однако в случае необходимости уменьшения теплопритоков к системе и исключению двухфазного потока в трубопроводах могут применяться освоенные промышленностью для других криогенных продуктов трубопроводы с вакуумной (порошковой и экранно-вакуумной) изоляцией. Наибольшее распространение в заправочных криогенных системах для кислорода, азота и водорода получили конструкции внутренних трубопроводов из гладких цельнотянутых или сварных труб из нержавеющей стали 12Х18Н10Т или инвара 36НХ, имеющего относительно малый коэффициент линейного расширения. Наружный кожух изготавливается из нержавеющей или углеродистой стали. Пространство между внутренней и внешней трубами (кожухом) заполняется порошком (аэрогелем или перлитом) или обматывается слоисто-вакуумной изоляцией и вакуумируется. Внутренняя труба фиксируется относительно наружной с помощью опор различной конструкции из стеклопластиков. Для служебных помещений, где устанавливается криогенные трубопроводы нужно использовать систему водостоков. На рисунках ниже представлены типовые конструкции вакуумных криогенных трубопроводов с автономной изоляционной полостью и с сильфонным компенсатором.


Секции трубопроводов на основных предприятиях, выпускающих криогенное оборудование, унифицированы, как и элементы, с помощью которых создается трубопроводная сеть: колена, тройники, гибкие металлорукава, сильфонные компенсаторы, опоры, предохранительные мембраны. При создании криогенных систем особое внимание следует обратить на компенсационные узлы и крепление трубопроводов к основаниям эстакад или проходных каналов, по которым они прокладываются. Это вызвано большим перепадом температур и, следовательно, температурными деформациями, возникающими при захолаживании системы. Сжатие внутренней трубы при охлаждении компенсируется с помощью установки сильфонов. Для защиты от излишнего сжатия или растяжения сильфоны снабжают ограничителями. При этом жидкостные трубы целесообразно изготавливать из материала с малым коэффициентом теплового расширения. Одним из часто применяемых элементов, соединяющих коммуникации заправочных систем и компенсирующих температурные деформации, являются металлорукава, которые особенно часто используются при соединении заправочных систем с наполнительными соединениями потребителя, где требуется гибкая связь. Криогенная арматура служит для перекрытия или регулирования потоков криогенных жидкостей путем непосредственного воздействия на них. Арматура, устанавливаемая в криогенных системах работает в более жестких условиях, чем общепромышленная арматура. Это и существенно более широкий диапазон изменения температуры, затрудняющий герметизацию затворов, что требует увеличения мощности приводов арматуры, возникает необходимость в специальных материалах и появляются высокие требования к тепловой изоляции. При всем этом должны обеспечиваться небольшое гидравлическое сопротивление арматуры, отсутствие утечек, высокая надежность и большой ресурс работы. Арматуру выполняют различного назначения: запорная, регулирующая, предохранительная с разной степенью зашиты от перепада температур. Ее выполняют с ручным и пневматическим управлением, что связано со степенью автоматизации заправочной системы Изоляция арматуры может быть как обычной, не вакуумной, так и усложненной -- вакуумной. При этом следует иметь в виду, что из-за высокой стоимости вакуумной арматуры ее применение для СПГ не всегда оправдано.. Также 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).

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. 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.
Подводя итоги всему вышесказанному, хотелось бы добавить, что идея о сверхпроводимости и обеспечении малых потерь при передачи энергии прочно укрепилась. Достоверно известно, что использование криогенных технологий или физики холодной энергии, способно привести человечество к столь желанной цели.
Список используемой литературы:
1. Фастовский В.Г. Криогенная техника, изд. 2-ое. перераб. и доп. М., «Энергия», 2007(с)
2. Материалы сайта Wikipedia

[KTV]

Чем обусловлена сверхпроводимость ЛЭП без потерь при использовании криотехнологий ?

[Анастасия]

Формулировка "сверхпроводящая ЛЭП" является относительной и рассматривается в контексте доклада, по большому счету, полноценного революционного толчка в данной технологии не было. Однако существуют положения, которые доказывают теорию сверхпроводимости ЛЭП при использовании физики низких температур. Во-первых, ЛЭП низких температур изготавливаются из совершенно другого материала, нежели классические ЛЭП. Материал очень дорогостоящий и экономически не окупаемый. А использование низких температур в свою очередь снижает количество тепловых потерь. Недавно испанские инженеры из Барселоны, работая по гранту немецкой компании Nexans, установили рекорд пропускной способности сверхпроводящего кабеля, охлаждаемого жидким азотом. Через кабель длиной 30 м передали ток 3,2 кА при напряжении 24кВ.При этом испытания длились десять суток, в ходе испытаний были моменты, когда напряжение превосходило номинал вдвое. Другими словами, этот весьма скромный кабель рассчитан на суммарную мощность энергопотребителей 76.8 мегаватт и способен выдерживать вдвое большую пиковую нагрузку 4-5 таких кабелей могут снабжать энергией весь центр Москвы. На данный момент ведется активное обсуждение и решение проблем, которые затрудняют их физическую реализацию.