Google+


9-08-2016, 14:22   Раздел: Статьи, Энергетика   » Энергосистема с высоким интеллектом Комментариев: 0  

Энергосистема с высоким интеллектом

Энергосистема с высоким интеллектом

Энергосистема с высоким интеллектом
При передаче по российской территории электроэнергии ее объемы теряются в огромном масштабе. Об этом заявил Президент РФ Дмитрий Медведев в Послании Федеральному собранию 12 ноября 2009 года. «Наши научно-исследовательские и производственные организации будут нацелены на внедрение инновационных технологий, таких, как разработки с применением эффекта сверхпроводимости», – предложил он выход из ситуации. Ответом этой сложной задачи стал проект создания первой в России высокотемпературной сверхпроводящей (ВТСП) кабельной линии. Федеральная сетевая компания совместно с ОАО «НТЦ электроэнергетики» успешно завершила его испытания.

Испытания ВТСП кабельной линии длиной 200 м на напряжение 20 кВ проводились на специально созданном в ОАО «НТЦ электроэнергетики» полигоне. Стенд оснащен криогенной системой охлаждения и позволяет проводить всесторонние испытания сверхпроводящих кабелей под нагрузкой. В условиях, максимально приближенных к реальной эксплуатации, было получено подтверждение соответствия характеристик ВТСП кабельной линии всем требованиям, заложенным при ее разработке.
Сверхпроводящий кабель работал под нагрузкой около 50 МВА (ток 1500 А), при этом температура кабеля полностью соответствовала расчетным параметрам. Изоляция кабеля выдержала высоковольтные испытания. Критический ток кабеля, при котором сверхпроводник теряет свои сверхпроводящие свойства, составил более 4000 А.

Финансирование проекта (300 млн. рублей) происходило из двух источников: одна половина – от Агентства по науке Минобразования, вторая – от ФСК. В научной разработке принимали участие ОАО «Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский институт кабельной промышленности, Московский авиационный институт им. С. Орджоникидзе, ОАО «НТЦ электроэнергетики» и Энергетический институт им. Кржижановского. Кроме этого было задействованы десятки российских предприятий.

Подробно о проекте рассказал исполнительный директор Энергетического института им.Г.М.Кржижановского, член-корреспондент РАН, профессор Эдуард Петрович Волков:
– Легче всего было пойти по простому пути – купить проводник, потому что в России проводники не производятся, и из него сделать кабель. Затем приобрести криостат, охлаждающий систему, и – никаких проблем. Но мы пошли по пути создания оригинальных систем, собственного отечественного производства. При этом очень хотелось превзойти мировой уровень.
Задачу поставили перед собой дерзкую, а времени на ее решение было очень мало: чуть больше двух лет. Денег еще меньше, чем времени, потому что 300 млн. рублей на такой проект по мировым стандартам немного. Даже первые кабели в 100 м стоили дороже, чем те деньги, которые мы имели. Поскольку мы понимали, что проводник сделать не сможем, это исключительно сложная и дорогая технология, сразу договорились, что будем их покупать. Но решили, что систему криообеспечения и криостатирования, то есть криостат сам по себе и источник холода, будем делать свои. И такие, которых в мире до наших разработок не было.
Плюс ко всему решили, что будем делать новые токовводы. То есть, чтобы перейти от подачи электроэнергии в кабель, надо ввести потоки электроэнергии из обычной температуры в зону температур очень низких. А низкие температуры предполагают высокую герметичность, которая становится ниже, когда идет захолаживание.Мы должны были сделать такие токовводы, которые бы имели потери тепловые ниже, чем все те, которые существуют сейчас на всех кабелях мира.
Таким образом, была поставлена задача создания оригинального нового оборудования, затем закуплено оборудование, специальные машины. Важно было провести повивы таким образом, чтобы между витками ток распределялся максимально равномерно. ВНИИКП провело специальные эксперименты на малом отрезке и нашло углы скрутки, как укладывать повивы один на другой, чтобы ток не вытеснялся к периферии, а шел по всем проводам, – были приняты некоторые оптимизационные технические исследовательские решения. С точки зрения системы криостатирования решения были принципиальные.
Во-первых, мы выбрали в качестве хладагента, то есть агента, который переносит при низких температурах тепло, не гелий, а неон. Неон – это газ, который не такой текучий, как гелий, правда, тепловые характеристики у него похуже, но с точки зрения транспортировки холода он лучше.
Во-вторых, мы заменили сложные поршневые машины на радиальные, которые работают как компрессоры. Благодаря этому появилась возможность избежать охлаждения водой, стали охлаждать воздухом.
В-третьих, мы попытались сделать так, чтобы мощность этого источника холода была выше, чем за рубежом, и сделали это, получив мощность 8 кВт вместо существующих 5–6 кВт. КПД выше. И самое главное, что нам удалось сделать, – мы сделали активную систему криостатирования.
В чем здесь дело? Когда кабель охлаждается, то за счет того, что существуют различного рода тепловые воздействия (окружающая среда теплая), возникают тепловые потери, и азот начинает нагреваться: на входе – 65 градусов, а после – 77 градусов. Если температура выше 79 градусов, в азоте появляются пузырьки газа, начинается расслоение потока и явление сверхпроводимости исчезает. Поэтому мы должны температуру поддерживать в пределах строго этих 10 градусов – 65–75. Чтобы это делать, через каждый километр – 800 метров нужно устанавливать новый источник хладоснабжения.
Если линия 100 км – будет сто таких источников. Получается, что стоимость кабеля и стоимость системы криоснабжения примерно одинаковы на длинных кабелях, что становится экономически нерентабельным. Поэтому получить такую систему, где бы было мало источников хладоснабжения, к тому же мощных, – задача очень серьезная.
Мы такую задачу решили, насколько, пока сказать трудно. Для нас очевидно, что, во-первых, имеем более мощный источник, и, во-вторых, применен так называемый принцип активного охлаждения. Активное охлаждение достигается не за счет нового источника охлаждения, то есть хладосистемы, а за счет специального распределенного теплообменника, и устанавливается специальное устройство – инжектор. Очень простое устройство, где смешивается газ азота и жидкий азот.
Что это такое? Это обычное сопло, куда запускается смесь азота и пара, и пар разгоняется до высоких скоростей, за счет чего происходит отъем тепла от хладагента. Тогда можно на 10 градусов снизить температуру азота.
Это очень важно. Такого в мире нигде нет. Создав этот кабель, Россия встанет в один ряд со всеми странами мира. У нас было отставание порядка 20 лет, когда мы начинали работу, за два года это расстояние преодолели. Плюс ко всему мы заложили новые решения в виде этой крио-
системы, но параллельно мы сделали и токо-вводы, с потерями в два раза меньше обычных.
Мы создали новую активную систему криообеспечения, то есть одну установку можно использовать на большие расстояния, до 10 км. И плюс ко всему сделали криостат, который имеет теплопотери в полтора раза меньшие, чем самые лучшие в мире криостаты Nexans. То есть это действительно технический и научный серьезный шаг вперед.
Вместе с тем создан уникальный сверхпроводящий крионасос. В мире таких тоже нет. С помощью этого крионасоса можно создавать сверхкритическое для азота давление. Насосом его можно сжимать до 40 атмосфер, и тогда азот будет находиться в сверхкритическом состоянии. Это то состояние, когда между жидкостью и газом нет различий. В этом состоянии разделение азота на жидкость и пузырьки невозможно. Мы можем поставить сверхкритическое давление и прямую магистраль на любое расстояние, даже на тысячу километров.
Принципиальные возможности здесь появляются удивительные. Применение сверхпроводящих кабельных линий позволит существенно сократить потери электроэнергии, передавать большие потоки мощности при обычных габаритах кабеля, продлить срок эксплуатации кабельных линий, повысить уровень их пожарной и экологической безопасности, уменьшить площадь отчуждаемых под строительство кабельных линий земель в мегаполисах, обеспечить электроснабжение крупных потребителей в мегаполисах на напряжении 20 кВ.

Прошедшая испытания ВТСП кабельная линия будет установлена на подстанции 110 кВ «Динамо» в Москве для опытной эксплуатации в 2011–2012 годах. А теперь, зачем все это. Ведь если сверхпроводимость осуществляется при комнатной температуре – это абсолютно новая электроэнергетика. Потому что это дешево и экономно.
Речь идет об использовании специального физического явления – сверхпроводимости. Почему сверх? Сверх, потому что если просто проводимость, то, протекая по определенным материалам, ток (специально организованное движение электронов), в том числе и в магнитном поле, тем самым переносит определенное количество электрической энергии. А когда ток проходит по проводам, то благодаря тому, что возбуждаются кристаллы решетки и идет взаимодействие поля и электронов, происходят его потери. Они связаны с так называемым сопротивлением электрическому току. И это электрическое сопротивление можно просчитать, используя разные законы (от закона Ома до закона Кирхгофа). В обычных проводниках это сопротивление существенно, поэтому и потери в сетях существенны. Максимальные – это где-то 6% от всего количества производимой электроэнергии. Наименьшие потери сейчас в сетях США и в некоторых европейских странах.
Эта проблема стала привлекать внимание во всем мире и в нашей стране. Президент РФ Дмитрий Медведев в своем послании об этом явлении уже упоминал. Более того, в Курчатовском институте прошло специальное заседание, где вопросы электроэнергетики, энергоэффективности, инновационных технологий, обсуждались предметно в течение заседания специально созданной комиссии под руководством президента по инновациям в экономике.
Еще в 1911 году Оннес сделал открытие (в 1913 году он получил за это Нобелевскую премию): если ток не переменный, а постоянный, то сопротивление при протекании тока отсутствует. Зная это, можно построить почти идеальные сети, а если еще избежать разных неприятностей при работе на переменном токе, то есть различного рода неустойчивости: статическая, динамическая, мы получаем сети, по которым транспортировку электроэнергии можно осуществить способом, близким к идеальному. Конечно, это очень важно, и поэтому ученые прежде всего, а дальше уже техники и инженеры занялись проблемой, как реализовать это явление в реальных технических установках и какие придумать технические решения.
Второе открытие – явление теплой сверхпроводимости. Его сделали Беднорц и Мюллер в 1987 году. Ландау исследовал не столько сверхпроводимость, сколько все законы, происходящие в твердом теле. Гинзбургу и Абрикосову принадлежит прямая теория сверхпроводимости и текучести. С точки зрения теоретической и научной, все было подготовлено, а дальше вступили в дело техники и инженеры.
Если говорить о сверхпроводимости низкотемпературной – так ее называют, а вторую – высокотемпературной (это условное название, очень низкие температуры, около 4 градусов, и сравнительно высокие, от 66 до 75 градусов Кельвина), начали готовить различного рода технические устройства. Эти технические устройства были различны для разных классов температур, главное из них – это собственно проводник.
Если характеризовать общую ситуацию, то при низких температурах все было хорошо, прежде всего, качество проводов как металлов – текучесть, изгибы и другие характеристики. Но низкие температуры – дорого. Поэтому были созданы практически все элементы, которые могут быть созданы: провода, генераторы, двигатели, специальные устройства токоограничители, тоже сверхпроводниковые, трансформаторы. Генератор мощностью 25 МВт, создал академик Игорь Алексеевич Глебов, он был автором этого проекта и руководителем. Но экономически это было невыгодно. Поэтому когда Беднорц и Мюллер открыли явление высокотемпературной сверхпроводимости, все начали работать над тем, чтобы получить провода, а потом уже изделия. Провода были получены, сначала первого поколения, потом второго.
Чтобы иметь явление сверхпроводимости, нужно захолодить этот провод. Для этого нужна специальная машина, которая будет генерировать холод и после этого, соответственно, охлаждать проводник, тогда он придет в состояние сверхпроводимости и как таковое сопротивление будет отсутствовать.
Чтобы поддерживать эту температуру, нужно устройство, аналогичное обычному термосу, которое мы называем криостат.

Таким образом, проводник неудобный, потому что это керамика, она ломается, механика у нее не очень хорошая, поэтому нужно быть очень аккуратным, чтобы с этим проводом работать, и провод делать непросто. Потому что проводимость по разным направлениям разная, и нужно выстраивать кристаллики керамики таким образом, чтобы проводимость была максимальная. Поэтому нужны специальные технологии, последняя технология – это напыление лазером в магнитных полях: нужно специально эти мини-, нанокристаллики располагать правильно и потом их укладывать на так называемую подложку, чтобы получить такой проводник. А дальше из проводника нужно делать устройство.
Начали делать устройства. Первые устройства были одновременно: кабель и токоограничители. Наиболее крупный токоограничитель, работающий в промышленных условиях, был сделан в Швейцарии, по отечественным, российским разработкам, и он был реализован в одном экземпляре. А кабели начали делать во всем мире.

Другое дело, какой кабель. Проблем нет, ни научных, ни технических. Проблема в другом. Я пытаюсь на этом остановиться. Три наиболее крупных кабеля сделали в Дании, Японии и США. Сначала делались кабели маленькие, 1 м, 5 м, потом 10, 30, 100. В конце концов – 200, 350 и 600 м. Самый длинный кабель в США, но делается он, по-моему, все-таки японской фирмой вместе с США.

Таким образом, работают три кабеля, и в целом они признаны удовлетворительными по нужным параметрам.

В России ничего подобного не было. И поэтому с 1995–1996 годов начались различного рода поисковые исследования, и примерно в 2004–2005 годах появился специальный совет под председательством А. Б. Чубайса, и началась предметная работа по созданию таких высокотемпературных кабелей. Были сделаны, кроме так называемых экспериментальных отрезков в 1 м и 5 м, две работы. Первая работа – это кабель длиной 30 м, его делала Федеральная сетевая компания и ВНИИКП. Этот кабель был по своим основным параметрам сверхпроводящий, то есть сверхпроводящая токонесущая жила, а экран, чтобы ликвидировать электромагнитные поля, которые будут воздействовать на внешнюю среду, не был из обычной меди.
Поэтому, строго говоря, этот кабель не был сверхпроводящим в полном смысле этого слова. В 2006 году начались первые контакты, а в 2007 году мы уже вышли на работу по созданию опытно-промышленного кабеля длиной 200 м на основе высокотемпературных сверхпроводников. При этом использовали проводники японские и американские, «Сумитома» и «Супер Кондактер».

В ней приняли участие четыре организации: НИИ кабельной промышленности, МАИ, НТЦ электроэнергетики (компания, ответственная за проведение всех экспериментов и за разработку методов анализа свойств кабеля, с целью использования его уже в конкретных электроэнергетических проектах), Энергетический институт им. Кржижановского (головная организация, осуществляющая общее руководство).
А теперь, зачем все это. Ведь если сверхпроводимость осуществляется при комнатной температуре – это абсолютно новая электроэнергетика. Потому что это дешево и экономно. Американцы сейчас работают над интересным проектом. Они хотят сверхпроводящими кабелями соединить между собой три крупнейшие системы, одна из которых – PGM – своей мощностью выше, чем вся электроэнергетика России. Поэтому эти соединения позволяют решить много проблем, в том числе и проблемы взаимодействия между системами.

Весь мир движется по пути освоения сверхпроводящих устройств. Мы тоже не хотим отставать. После 200 м пытаемся найти деньги на то, чтобы сделать кабель, скажем, на 1,5 км. Это от ТЭЦ-16 мы можем довести до подстанции «Ваганьковская», недалеко от одноименного кладбища, и дальше запустить эту систему передачи электроэнергии на Москва-Сити. Еще интереснее проект 4,5 км, от ТЭЦ-12, которая находится на продолжении набережной Тараса Шевченко, Бережковской набережной, до Москва-Сити. По этим двум кабелям мы можем перенести 120–140 МВт мощностей. То есть потрясающие мощности в одном кабеле.
Мы пока приняли достаточно консервативную схему: три фазы и три кабеля, а японцы и американцы делают в одном кабеле три фазы. Тогда диа-
метр будет побольше, но мощности те же. Кабель 1,5 км мы сейчас готовы сделать практически той же командой, и плюс ко всему пора делать токоограничители, муфты, чтобы защитить кабель в случае короткого замыкания, и корректные, грамотные токовводы. Многое у нас уже есть. Мы постараемся уложить этот кабель в реальную эксплуатацию, это подстанция «Динамо», прямо рядом с Ходынским полем, и таким образом продемонстрировать работу кабеля в промышленных устройствах у нас в России.
Финансировали проект (150 млн.) Агентство по науке Минобразования и столько же – РАО «ЕЭС России». С 2008 года, когда РАО «ЕЭС России» прекратила существование, финансирование шло от имени ФСК. И ФСК, естественно, будет платить деньги за установку этого кабеля в реальных сетях Москвы, оно будет владельцем этого кабеля, и оно, я думаю, будет развивать и дальше эти работы. То есть ФСК сейчас с точки зрения заказчика – главный игрок. А последующее финансирование – здесь вариантов много. Один вариант – программа, которую выделил президент, и мы обязательно будем участвовать в этой программе. Правда, выделено всего 700 млн. на всю инновационную энергетику, на науку. Сколько нам достанется, сказать трудно. Плюс ко всему инвестиции. На кабель 1,5 км нужно порядка 2 млрд. рублей. Вообще говоря, сумма не очень большая.
Это оборудование себя оправдает. Вообще, капитальные вложения в электроэнергетику достаточно долгосрочные. И вопрос окупаемости вложений порядка 20 лет – это уже нормальный срок.
Подобные технологии должны давать эффект в будущем при тиражировании. А когда этот момент наступит, то создать такую интеллектуальную энергосистему с активной адаптивной сетью мы планируем к 2015 году, и с 2020 года уже эта система должна функционировать.
Весь мир движется по пути освоения сверхпроводящих устройств. Американцы сейчас работают над интересным проектом. Они хотят сверхпроводящими кабелями соединить между собой три крупнейшие системы, одна из которых – PGM – своей мощностью выше, чем вся электроэнергетика России. Поэтому эти соединения позволяют решить много проблем, в том числе и проблемы взаимодействия между системами.
Разработки силовых сверхпроводящих кабелей ведутся по всему миру. Три кабеля длиной от 200 до 600 м испытываются в США в энергосетях с напряжением от 13,8 до 138 кВ. Разворачиваются работы по установке таких кабелей в энергосетях от 30 до 154 кВ в Японии и Южной Корее. Благодаря проведенным работам Россия находится на передовых рубежах разработки и создания кабелей подобного типа. За два года реализации проекта создания сверхпроводящей кабельной линии совершен рывок, позволивший практически преодолеть отставание развития этой техники от мирового уровня.


Также смотрите: 
  • Да будет свет
  • Зарплата чиновников спрятана в коммунальных тарифах




  • Другие статьи и новости по теме:
    Вам понравился материал? Поблагодарить легко!
    Будем весьма признательны, если поделитесь этой статьей в социальных сетях:

    Обнаружили ошибку или мёртвую ссылку?
    Выделите проблемный фрагмент мышкой и нажмите CTRL+ENTER.
    В появившемся окне опишите проблему и отправьте уведомление Администрации ресурса.
      Оставлено комментариев: 0
    Распечатать
    Информация
    Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.





    Наши партнёры
    Мы Вконтакте
    Популярные новости за нелелю
    Спонсоры проекта
    «    Август 2017    »
    ПнВтСрЧтПтСбВс
     123456
    78910111213
    14151617181920
    21222324252627
    28293031