Будущее энергетики — сверхпроводниковые электрогенераторы, трансформаторы и линии электропередачи

Одним из основных направлений развития науки намечены теоретические и экспериментальные исследования в области сверхпроводящих материалов, а одним из основных направлений развития техники – разработка сверхпроводниковых турбогенераторов.

Сверхпроводящее электрооборудование позволит резко увеличить электрические и магнитные нагрузки в элементах устройств и благодаря этому резко сократить их размеры. В сверхпроводящем проводе допустима плотность тока, в 10…50 раз превышающая плотность тока в обычном электрооборудовании. Магнитные поля можно будет довести до значений порядка 10 Тл, по сравнению с 0,8…1 Тл в обычных машинах. Если учесть, что размеры электротехнических устройств обратно пропорциональны произведению допустимой плотности тока на индукцию магнитного поля, то ясно, что применение сверхпроводников уменьшит размеры и массу электрооборудования во много раз!

По мнению одного из конструкторов системы охлаждения новых типов криогенных турбогенераторов советского ученого И.Ф. Филиппова, есть основание считать задачу создания экономичных криотурбогенераторов со сверхпроводниками решенной. Предварительные расчеты и исследования позволяют надеяться, что не только размеры и масса, но и КПД новых машин будут выше, чем у самых совершенных генераторов традиционной конструкции.

Это мнение разделяют руководители работ по созданию нового сверхпроводникового турбогенератора серии КТГ-1000 академик И.А. Глебов, доктора технических наук В.Г. Новицкий и В.Н. Шахтарин. Генератор КТГ-1000 испытан летом 1975 г., за ним последовал модельный криогенный турбогенератор КТ-2-2, созданный объединением «Электросила» в содружестве с учеными Физико-технического института низких температур АН УССР. Результаты испытаний позволили приступить к постройке сверхпроводникового агрегата значительно большей мощности.

Приведем некоторые данные сверхпроводникового турбогенератора мощностью 1200 кВт, разработанного во ВНИИэлектромаш. Сверхпроводящая обмотка возбуждения выполнена из провода диаметром 0,7 мм с 37 сверхпроводящими жилами из ниобий-титана в медной матрице. Центробежные и электродинамические усилия в обмотке воспринимаются бандажом из нержавеющей стали. Между наружной толстостенной оболочкой из нержавеющей стали и бандажом размещен медный электротермический экран, охлаждаемый потоком проходящего в канале холодного газообразного гелия (он затем возвращается в ожижитель).

Подшипники работают при комнатной температуре. Обмотка статора выполнена из медных проводников (охладитель – вода) и окружена ферромагнитным экраном из шихтованной стали. Ротор вращается в вакуумированном пространстве внутри оболочки из изоляционного материала. Сохранение вакуума в оболочке гарантируют уплотнители.

Опытный генератор КТГ-1000 был в свое время самым крупным по габаритам криотурбогенератором в мире. Цель его создания – отработка конструкции вращающихся криостатов больших размеров, устройств подачи гелия к сверхпроводящей обмотке ротора, исследование тепловой схемы, работы сверхпроводящей обмотки ротора, его захолаживания.

А перспективы просто завораживают. Машина мощностью 1300 МВт будет иметь длину около 10 м при массе 280 т, в то время как аналогичная по мощности машина обычного исполнения имеет длину 20 м при массе 700 т! Наконец, обычную машину мощностью более 2000 МВт создать трудно, а при использовании сверхпроводников можно реально достичь единичной мощности 20 000 МВт!

Итак, на выигрыш в материалах приходится примерно три четверти себестоимости. Облегчаются производственные процессы. Любому машиностроительному заводу проще и дешевле сделать несколько крупных электрических машин, чем большое количество мелких: меньше требуется рабочих, не так напряженно загружаются станочный парк и другое оборудование.

Для установки мощного турбогенератора нужна относительно небольшая площадь электростанции. Значит, сокращаются расходы на сооружение машинного зала, станцию можно быстрее ввести в строй. И, наконец, чем крупнее электрическая машина, тем выше ее КПД.

Однако все эти преимущества не исключают технических трудностей, возникающих при создании крупных энергетических агрегатов. И, что самое существенное, их мощность можно увеличивать лишь до определенных пределов. Расчеты показывают, что перешагнуть верхний предел, ограниченный мощностью турбогенератора 2500 МВт, ротор которого вращается с частотой 3000 об/мин, не удастся, так как этот предел определяется, в первую очередь, прочностными характеристиками: напряжения в механической конструкции машины более высокой мощности возрастают настолько, что центробежные силы неизбежно вызовут разрушение ротора.

Немало забот возникает при транспортировке. Для перевозки того же турбогенератора мощностью 1200 МВт пришлось построить сочлененный транспортер грузоподъемностью 500 т, длиной почти 64 м. Каждая из двух его тележек опиралась на 16 вагонных осей.

Многие препятствия сами по себе отпадают, если использовать эффект сверхпроводимости и применить сверхпроводящие материалы. Тогда потери в роторной обмотке можно практически свести к нулю, так как постоянный ток не будет встречать в ней сопротивления. А раз так, повышается КПД машины. Протекающий по сверхпроводящей обмотке возбуждения ток большой силы создает столь сильное магнитное поле, что уже нет необходимости применять стальной магнитопровод, традиционный для любой электрической машины. Устранение стали снизит массу ротора и его инерционность.

Создание криогенных электрических машин – не дань моде, а необходимость, естественное следствие научно-технического прогресса. И есть все основания утверждать, что к концу века сверхпроводящие турбогенераторы мощностью более 1000 МВт будут работать в энергосистемах.

Первая в Советском Союзе электрическая машина со сверхпроводниками была спроектирована в Институте электромеханики в Ленинграде еще в 1962…1963 гг. Это была машина постоянного тока с обычным («теплым») якорем и сверхпроводниковой обмоткой возбуждения. Мощность ее составляла всего несколько ватт.

С тех пор коллектив института (сейчас – ВНИИэлектромаш) работает над созданием сверхпроводящих турбогенераторов для энергетики. За истекшие годы удалось построить опытные конструкции мощностью 0,018 и 1 МВт, а затем и 20 МВт…

Каковы же особенности этого детища ВНИИэлектромаша?

Сверхпроводящая обмотка возбуждения находится в гелиевой ванне. Жидкий гелий поступает во вращающийся ротор по трубе, расположенной в центре полого вала. Испарившийся газ направляется обратно в конденсационную установку через зазор между этой трубой и внутренней стенкой вала.

В конструкции трубопровода для гелия, как и в самом роторе, есть вакуумные полости, создающие хорошую теплоизоляцию. Вращающий момент от первичного двигателя подается к обмотке возбуждения через «тепловые мосты» – конструкцию, достаточно прочную механически, но плохо передающую тепло.

В итоге конструкция ротора представляет собой вращающийся криостат со сверхпроводящей обмоткой возбуждения.

Статор сверхпроводящего турбогенератора, как и в традиционном варианте, имеет трехфазную обмотку, в которой магнитным полем ротора возбуждается электродвижущая сила. Исследования показали, что применять сверхпроводящую обмотку в статоре нецелесообразно, так как на переменном токе в сверхпроводниках возникают немалые потери. Но в конструкции статора с «обычной» обмоткой есть свои особенности.

Обмотку оказалось возможным в принципе разместить в воздушном зазоре между статором и ротором и крепить по-новому, с помощью эпоксидных смол и конструктивных элементов из стеклопластика. Такая схема позволила разместить больше медных проводников в статоре.

Оригинальна и система охлаждения статора: тепло отводится фреоном, который одновременно выполняет и функцию изолятора. В перспективе это отведенное тепло можно будет использовать для практических целей с помощью теплового насоса.

В моторе турбогенератора мощностью 20 МВт был применен медный провод прямоугольного сечения 2,5 х 3,5 мм. В него впрессовано 3600 жил из ниобий-титана. Такой провод способен пропускать ток до 2200 А.

Испытания нового генератора подтвердили расчетные данные. Он оказался вдвое легче традиционных машин той же мощности, а его КПД выше на 1%. Сейчас этот генератор работает в системе «Ленэнерго» в качестве синхронного компенсатора и вырабатывает реактивную мощность .

Но основной итог работы – колоссальный опыт, накопленный в процессе создания турбогенератора. Опираясь на него, ленинградское электромашиностроительное объединение «Электросила» приступило к созданию турбогенератора мощностью уже 300 МВт, который будет установлен на одной из строящихся в нашей стране электростанций.

Сверхпроводящая обмотка возбуждения ротора изготовлена из ниобий-титанового провода. Устройство его необычно – тончайшие ниобий-титановые проводники запрессованы в медную матрицу. Сделано это для того, чтобы предотвратить переход обмотки из сверхпроводящего состояния в нормальное в результате воздействия флуктуаций магнитного потока или других причин. Если же это все-таки произойдет, ток потечет по медной матрице, тепло рассеется, сверхпроводящее состояние восстановится.

Технология изготовления собственно ротора потребовала внедрения принципиально новых технических решений. Если ротор обычной машины делают из цельной поковки магнитопроводящей стали, то в данном случае он должен состоять из нескольких вставленных один в другой цилиндров, изготовленных из стали немагнитной. Между стенками одних цилиндров находится жидкий гелий, между стенками других создан вакуум. Стенки цилиндров, естественно, должны обладать высокой механической прочностью, быть вакуумно-плотными.

Масса нового турбогенератора, так же как масса его предшественника, почти в 2 раза меньше массы обычного той же мощности, а КПД увеличен еще на 0,5…0,7%. Турбогенератор «живет» около 30 лет и большую часть времени находился в работе, поэтому совершенно очевидно, что такое, казалось бы, небольшое увеличение КПД будет весьма солидным выигрышем.

Энергетикам нужны не только холодные генераторы. Уже изготовлено и испытано несколько десятков сверхпроводящих трансформаторов (первый из них построен американцем Мак-Фи в 1961 г.; трансформатор работал на уровне 15 кВт). Имеются проекты сверхпроводящих трансформаторов на мощность до 1 млн. кВт. При достаточно больших мощностях сверхпроводящие трансформаторы будут легче обычных на 40…50% при примерно одинаковых с обычными трансформаторами потерях мощности (в этих расчетах учитывалась и мощность ожижителя).

У сверхпроводящих трансформаторов, однако, есть и существенные недостатки. Они связаны с необходимостью защиты трансформатора от выхода его из сверхпроводящего состояния при перегрузках, коротких замыканиях, перегревах, когда магнитное поле, ток или температура могут достичь критических значений.

Если трансформатор при этом не разрушится, то потребуется несколько часов, чтобы снова охладить его и восстановить сверхпроводимость. В ряде случаев такой перерыв в электроснабжении неприемлем. Поэтому, прежде чем говорить о массовом изготовлении сверхпроводящих трансформаторов, необходимо разработать меры защиты от аварийных режимов и возможности обеспечения потребителей электроэнергией во время простоев сверхпроводящего трансформатора. Достигнутые в этой области успехи позволяют думать, что в ближайшем будущем проблема защиты сверхпроводящих трансформаторов будет решена, и они займут свое место на электростанциях.

В последние годы становится все более близкой к осуществлению мечта о сверхпроводящих линиях электропередачи. Все возрастающая потребность в электроэнергии делает очень привлекательной передачу большой мощности на большие расстояния. Советские ученые убедительно показали перспективность сверхпроводящих линий передачи. Стоимость линий будет сопоставима со стоимостью обычных воздушных линий передачи электроэнергии (стоимость сверхпроводника, если учесть высокое значение критической плотности его тока по сравнению с экономически целесообразной плотностью тока в медных или алюминиевых проводах, невелика) и ниже стоимости кабельных линий.

Осуществлять сверхпроводниковые линии электропередачи предполагается так: между конечными пунктами передачи в земле прокладывается трубопровод с жидким азотом. Внутри этого трубопровода располагается трубопровод с жидким гелием. Гелий и азот протекают по трубопроводам вследствие создания между исходным и конечным пунктами разности давлений. Таким образом, ожижительно-насосные станции будут лишь на концах линии.

Жидкий азот можно использовать одновременно и в качестве диэлектрика. Гелиевый трубопровод поддерживается внутри азотного диэлектрическими стойками (у большинства изоляторов диэлектрические свойства при низких температурах улучшаются). Гелиевый трубопровод имеет вакуумную изоляцию. Внутренняя поверхность трубопровода жидкого гелия покрыта слоем сверхпроводника.

Потери в такой линии с учетом неизбежных потерь на концах линии, где сверхпроводник должен стыковаться с шинами при обычной температуре, не превысят нескольких долей процента, а в обычных линиях электропередачи потери в 5…10 раз больше!

Силами ученых Энергетического института имени Г.М. Кржижановского и Всесоюзного научно-исследовательского института кабельной промышленности уже создана серия опытных отрезков сверхпроводящих кабелей переменного и постоянного тока. Подобные линии смогут передавать мощности во много тысяч мегаватт при КПД более 99%, при умеренной стоимости и относительно невысоком (110…220 кВ) напряжении. Может быть, еще более важно, что сверхпроводящие линии электропередачи не будут нуждаться в дорогостоящих устройствах компенсации реактивной мощности. Обычные линии требуют установки токовых реакторов, мощных конденсаторов, чтобы нивелировать чрезмерные потери напряжения вдоль трассы, а линии на сверхпроводниках в состоянии себя самокомпенсировать!

Сверхпроводники оказались незаменимыми и в электрических машинах, принцип действия которых предельно прост, но которых никогда раньше не строили, ибо для их работы нужны очень сильные магниты. Речь идет о магнитогидродинамических (МГД) машинах, осуществить которые Фарадей пытался еще в 1831 г.

Идея опыта проста. В воду Темзы на ее противоположных берегах погружали две металлические пластинки. Если скорость реки 0,2 м/с, то, уподобив струи воды проводникам, движущимся с запада на восток в магнитном поле Земли (его вертикальная составляющая примерно равна 5·10–5 Тл), с электродов можно снять напряжение примерно 10 мкВ/м.

К сожалению, этот опыт окончился неудачей, «генератор-река» не заработал. Фарадей не смог замерить тока в цепи. Но через несколько лет лорд Кельвин повторил опыт Фарадея и получил небольшой ток. Казалось бы, все осталось, как у Фарадея: те же пластины, та же река, те же приборы. Разве что место не совсем то. Кельвин построил свой генератор ниже по Темзе, там, где ее воды смешиваются с соленой водой пролива.

Вот она разгадка! Вода ниже по течению была более соленой и, следовательно, обладала большей проводимостью! Это было сразу же зарегистрировано приборами. Увеличение проводимости «рабочего тела» – генеральный путь увеличения мощности МГД-генераторов. Но увеличить мощность можно и другим способом – повышая магнитное поле. Мощность МГД-генератора прямо пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля.

Мечты об МГД-генераторах получили реальную основу примерно в середине нашего века вместе с появлением первых партий сверхпроводящих промышленных материалов (ниобий-титан, ниобий-цирконий), из которых удалось сделать первые, еще маленькие, но работающие модели генераторов, двигателей, токопроводов, соленоидов. А в 1962 г. на симпозиуме в Ньюкасле англичане Вильсон и Роберт предложили проект МГД-генератора на 20 МВт с полем 4 Тл. Если обмотку сделать из медного провода, то при стоимости 0,6 мм/долл. джоулевы потери в ней «съедят» ѕ полезной мощности (15 МВт!). Зато на сверхпроводниках обмотка будет компактно облегать рабочую камеру, потерь в ней не будет, а на охлаждение уйдет всего 100 кВт мощности. КПД возрастет с 25 до 99,5%! Тут есть о чем задуматься.

МГД-генераторами занялись всерьез во многих странах, потому что в таких машинах можно использовать плазму в 8…10 раз более горячую, чем пар в турбинах тепловых электростанций, а при этом по известной формуле Карно КПД будет уже не 40, а все 60%. Вот почему в ближайшие годы недалеко от Рязани заработает первый промышленный МГД-генератор на 500 МВт.

Конечно, создать и экономично использовать такую станцию непросто: нелегко разместить рядом поток плазмы (2500 К) и криостат с обмоткой в жидком гелии (4…5 К), раскаленные электроды обгорают и зашлаковываются, из шлаков надо выщелачивать те присадки, которые только что добавлялись в топливо для ионизации плазмы, но ожидаемые выгоды должны окупить все трудозатраты.

Можно представить себе, как выглядит сверхпроводящая магнитная система МГД-генератора. Две сверхпроводящие обмотки расположены по бокам канала с плазмой, отделенного от обмоток многослойной тепловой изоляцией. Обмотки закреплены в титановых кассетах, и между ними поставлены титановые распорки. Кстати сказать, эти кассеты и распорки должны быть чрезвычайно прочными, так как электродинамические силы в обмотках с током стремятся разорвать их и притянуть друг к другу.

Поскольку в сверхпроводящей обмотке тепло не выделяется, рефрижератор, который требуется для работы сверхпроводящей магнитной системы, должен отводить лишь то тепло, которое поступает в криостат с жидким гелием через тепловую изоляцию и токоподводы. Потери в токоподводах можно свести практически к нулю, если использовать короткозамкнутые сверхпроводящие катушки, питаемые от сверхпроводящего трансформатора постоянного тока.

Гелиевый ожижитель, который будет восполнять потери гелия, испаряющегося через изоляцию, по расчетам должен вырабатывать несколько десятков литров жидкого гелия в 1 ч. Такие ожижители выпускает промышленность.

Без сверхпроводящих обмоток были бы нереальными крупные токамаки. В установке «Токамак-7», например, обмотка массой 12 т обтекается током 4,5 кА и создает на оси плазменного тора объемом 6 м3 магнитное поле 2,4 Тл. Это поле создается 48 сверхпроводящими катушками, потребляющими за час всего 150 л жидкого гелия, повторное сжижение которого требует мощности 300…400 кВт.

Не только большая энергетика нуждается в экономичных компактных мощных электромагнитах, без них трудно обойтись ученым, работающим с рекордно сильными полями. На порядок производительнее становятся установки для магнитного разделения изотопов. Уже не рассматриваются проекты крупных ускорителей без сверхпроводящих электромагнитов. Совершенно нереально обойтись без сверхпроводников на пузырьковых камерах, которые становятся чрезвычайно надежными и чувствительными регистраторами элементарных частиц. Так, одна из рекордно больших магнитных систем на сверхпроводниках (Аргоннская национальная лаборатория, США) создает поле 1,8 Тл с запасенной энергией 80 МДж. Исполинская обмотка массой 45 т (из них 400 кг ушло на сверхпроводник) при внутреннем диаметре 4,8 м, наружном 5,3 м и высоте 3 м требует для охлаждения до 4,2 К всего 500 кВт – ничтожно малую мощность.

Еще более внушительным представляется сверхпроводящий магнит пузырьковой камеры Европейского центра ядерных исследований в Женеве. Он имеет следующие характеристики: магнитное поле в центре до 3 Тл, внутренний диаметр «катушки» 4,7 м, запасенная энергия 800 МДж.

В конце 1977 г. в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) вступил в строй один из крупнейших в мире сверхпроводящих магнитов «Гиперон». Рабочая зона его имеет диаметр 1 м, поле в центре системы 5 Тл (!). Уникальный магнит предназначен для проведения экспериментов на протонном синхротроне ИФВЭ в Серпухове.

Осмыслив эти впечатляющие цифры, уже как-то неудобно говорить о том, что техническое освоение сверхпроводимости только начинается. В качестве примера можно напомнить о критических параметрах сверхпроводников. Если температура, давление, ток, магнитное поле превысят некоторые предельные значения, называемые критическими, сверхпроводник потеряет свои необычные свойства, превратившись в обычный материал.

Наличие фазового перехода вполне естественно использовать для контроля внешних условий. Если есть сверхпроводимость, значит, поле меньше критического, если у датчика восстановилось сопротивление – поле выше критического. Уже разработана серия самых разнообразных сверхпроводящих измерителей: болометр на спутнике может «почувствовать» зажженную спичку на Земле, гальванометры становятся чувствительнее в несколько тысяч раз; в резонаторах ультравысокой добротности колебания электромагнитного поля словно консервируются, ибо они чрезвычайно долго не затухают.

Теперь самое время окинуть взором всю электрическую часть энергетики, чтобы понять, как россыпь сверхпроводящих устройств может дать суммарный народнохозяйственный эффект. Сверхпроводники могут повысить единичную мощность энергоагрегатов, высоковольтная энергетика может постепенно превратиться в многоамперную, вместо четырех-шестикратного преобразования напряжения между электростанцией и потребителем реально говорить об одной-двух трансформациях с соответствующим упрощением и удешевлением схемы, общий КПД электрических сетей неминуемо вырастет вследствие джоулевых потерь. Но и это еще не все.

Электрические системы неизбежно приобретут другой вид, когда в них будут применять сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИН)! Дело в том, что из всех отраслей промышленности только в энергетике нет складов: выработанное тепло и электричество хранить негде, их надо потреблять сразу. Определенные надежды связаны со сверхпроводниками. Из-за отсутствия в них электрического сопротивления ток может циркулировать по замкнутому сверхпроводящему контуру сколь угодно долго без затухания до тех пор, пока не настанет время его отбора потребителем. СПИНы станут естественными элементами электрической сети, их остается только оснастить регуляторами, переключателями или преобразователями тока или частоты при объединении с источниками и потребителями электричества.

Энергоемкость СПИНов может быть самой различной – от 10–5 (энергия портфеля, выпавшего из рук) до 1 кВт-ч (глыба 10 т, упавшая со скалы 40 м) или 10 млн. кВт-ч! Столь мощный накопитель должен иметь размеры беговой дорожки вокруг футбольного поля, его цена будет составлять 500 млн. дол., а КПД – 95%. Равноценная гидроаккумулирующая электростанция окажется на 20% дешевле, но на свои нужды потратит треть мощности! Поучительна раскладка стоимости такого СПИНа по составляющим: на рефрижераторы 2…4%, на преобразователи тока 10%, на сверхпроводящую обмотку 15…20%, на теплоизоляцию холодной зоны 25%, а на бандажи, крепления и распорки – почти 50%.

Со времени доклада Г.М. Кржижановского по плану ГОЭЛРО на VIII Всероссийском съезде Советов прошло более полувека. Претворение этого плана в жизнь позволило повысить мощность электростанций страны с 1 до 200…300 млн. кВт. Теперь появляется принципиальная возможность усилить энергосистемы страны в несколько десятков раз, переведя их на сверхпроводящее электрооборудование и упростив сами принципы построения таких систем.

Основой энергетики начала XXI века могут стать атомные и термоядерные станции с чрезвычайно мощными электрогенераторами. Электрические поля, порожденные сверхпроводящими электромагнитами, могучими реками смогут перетекать по сверхпроводящим линиям электропередачи в сверхпроводящие накопители энергии, откуда по мере необходимости будут отбираться потребителями. Электростанции смогут равномерно вырабатывать мощность и днем, и ночью, а освобождение их от плановых режимов должно повысить экономичность и срок службы главных агрегатов.

К наземным электростанциям можно добавить космические солнечные станции. Зависнув над фиксированными точками планеты, они должны будут преобразовывать солнечные лучи в коротковолновое электромагнитное из лучение, чтобы посылать сфокусированные потоки энергии к наземным преобразователям в токи промышленной назначения. Все электрооборудование наземно-космических электрических систем должно быть сверхпроводящим, в противном случае потери в проводниках конечной электропроводности окажутся, по-видимому, неприемлемо большими.