Криогенные системы передачи электроэнергии

Реферат

по дисциплине «Основы энергосбережения»

на тему: «Криогенные системы передачи электроэнергии»

Минск 2005 
Содержание

   Введение

1.   Криогенные и сверхпроводящие  линии электропередачи 

2.   Криогенная техника

   Заключение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Существенное  уменьшение электрического сопротивления  очень чистых металлов (алюминия, меди, бериллия, натрия) с понижением температуры, главное — сохранение некоторыми сплавами сверхпроводимости в сильных  магнитных полях при больших плотностях тока создали принципиальные возможности для применения глубокого холода в новых сферах, из которых наиболее важное значение имеют электротехника и электроника.

     Использование сверхпроводников может оказаться  экономичным при создании в будущем сверхмощных электрических машин, аппаратов, линии электропередачи (ЛЭП), что представляется весьма актуальной проблемой для перспектив развития электроэнергетики. Цель научных исследований на ближайший период: изыскание новых сверхпроводящих материалов с повышенными критическими параметрами, пониженными потерями в переменных полях и создание на их основе совершенной технологии изготовления проводников (проволочных и ленточных, -  пригодных для обмоток машин и аппаратов; композиционных изделий), удешевление сверхпроводящих материалов, определение областей технико-экономической целесообразности применения сверхпроводников, а также разработка конструкции сверхпроводящих 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 технологические разработки и др.) не коснулся основного электротехнического материала — проводника, который оказался неизменным с присущим ему сопротивлением, ограничивающим допустимую плотность тока и мощность машин и аппаратов в заданных габаритах.». Снижение активного сопротивления проводника, а тем более применение сверхпроводников позволило бы в принципе существенно повысить мощность электрических машин и аппаратов в тех же габаритах, повысить к. п. д. за счет увеличения рабочей индукции и плотности тока.

     Внимание  ведущих электротехнических фирм привлечено к проблеме использования глубокого холода  и  явления сверхпроводимости в электротехнике больших мощностей. На XII Международном конгрессе по холоду (1967 г., Мадрид) впервые работала специальная секция по применению сверхпроводимости в электротехнике, а в марте 1969 г. (Лондон) состоялась I Международная конференция на  тему: «Низкие температуры и электроэнергетика», где в основном рассматривались перспективы создания криогенных 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 сверхкритическим гелием (сверхпроводящие  машины, аппараты, линии электропередачи).

1. Криогенные  и сверхпроводящие  линии электропередачи

     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 (обычно 110.220, 500).

     Ввод  больш^*их 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 т.п.

     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 воздушные ЛЭП и сооружение их может оказаться.

     Современная электротехника требует изыскания  принципиально новых решений  научно-технических задач, обусловленных  ростом единичной мощности энергетических блоков и необходимостью передачи огромных количеств энергии по дальним по дальним линиям электропередачи. Уже освоены энергоблоки  мощностью 500 и 800 МВт, на стадии изготовления находятся блохи мощностью 1200, а для более далекой перспективы (к 2000 г.) анализируются возможности доведения единичной мощности турбогенератора до 2500-3000 МВт на базе обычной конструкции в четырехполюсном исполнении. Рост единичной мощности требует  более интенсивного охлаждения, приводит к снижению КПД и увеличению относительных реактивностей. 

2. Криогенная  техника

     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).

     Функционируют ожижители Н₂ производительностью 30—60 т в сутки. За период 1961—1968 гг. производство жидкого Н₂ в США возросло с 14 т до 151 т в сутки. Созданы большие хранилища жидкого Н₂; так, на полигоне для испытании ракет в штате Невада (США) сооружено хранилище жидкого Н₂ емкостью 209 м³ (потери от испарения не превышают 0,2% в сутки). Создано сферическое хранилище жидкого Н₂ из алюминия емкостью 378,5 м³.

     Применяются транспортные СОСУДЫ жидкого водорода емкостью

5-6 м³ с суточной испаряемостью 1,5%, а в последние годы сооружены транспортные цистерны емкостью 107 м³ жидкого Н₂. Емкость самого крупного хранилища шарообразной формы для жидкого Н₂ достигает 2850 м³ при диаметре внутренней алюминиевой сферы 17,4  м. Еще совсем недавно получение, хранение, транспортирование и применение таких больших количеств взрывоопасного жидкого водорода, кипящего при —253 °С, казалось немыслимым; ныне жидкий водород применяется в качестве топлива верхних ступеней ракет, в пузырьковых камерах. Изучается проблема применения жидкого водорода в качестве авиационного топлива.

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.

     Фирмой  Артур Д. Литл (США) 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.

     В 1950 г. продукция криогенной техники США оценивалась в 400 млн. долл., а к концу 1970 г. она превысила 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.

Заключение

     Габариты, масса криогенных установок, удельные энергозатраты на производство холода при 4,2—15 К. надежность работы в длительном режиме пока еще не  соответствуют высоким требованиям будущей криогенной электротехники. Технико-экономическая целесообразность создания криогенной электротехники определяется также значениями теплопритоков н внутренних тепловыделений, которые должны быть предельно снижены, в частности, путем усовершенствования теплоизоляции, конструкции токовводов и др.

     Неоднократно   подчеркивалось, что необходимо активно  проводить исследования  по  созданию принципиально новых видов электрооборудования  — опытных образцов  турбогенераторов, электродвигателей и силовых промышленных трансформаторов на основе сверхпроводящих материалов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список используемой литературы 

     1.   Фастовский В.Г.   Криогенная  техника, изд. 2-ое. перераб. и доп.  М., «Энергия», 1974  (с)