Поиск по сайту:
Главная

Публикации

МосЭнергоСбыт ЕИРЦ МОЭК МОЭСК МТК МОСГАЗ

Проблемы создания сверхмощных турбогенераторов

Сверхэнергетика: сверхмощные машины, сверхпроводящие кабели, сверхъемкие накопители энергии


  Рассказывает директор Всесоюзного научно-исследовательского института электромашиностроения, академик И. А. ГЛЕБОВ.
  Беседу ведет корреспондент журнала кандидат технических наук Ф. ПАТРУНОВ
Знание-сила 6, 1979



КОРРЕСПОНДЕНТ: — В нашей стране создают все более крупные машины для энергетики. Какие проблемы при этом возникают? Что, например, делают для увеличения надежности сверхмощных турбогенераторов? И есть ли предел для этих гигантов?
И. А. ГЛЕБОВ: — За последние двадцать лет единичная мощность турбогенератора возросла в шесть раз — с 200 до 1200 мегаватт. Машины стали столь крупными, что возникла проблема: как перевозить их по железной дороге. Проектировщики вынуждены «вписывать» все более мошные турбогенераторы в практически неизменный объем. За счет чего же поднимать мощность машин? За счет интенсификации их работы: улучшать системы отвода тепла, применять особые материалы, совершенствовать конструкции. Результат — уменьшается удельный расход материалов. Для установки на электростанции мощного генератора необходима относительно небольшая площадь, значит — сокращаются расходы на сооружение машинного зала. Крупный турбогенератор выгоден и в эксплуатации — у него выше КПД. Выдержать необходимые темпы электрификации страны можно, только сооружая новые электростанции со все более мощными энергетическими блоками. Увеличивается не только мощность каждого генератора, но и суммарная мощность энергосистем. Тем не менее авария, выход из строя крупной электрической машины может повлечь тяжелые последствия для народного хозяйства. Значит, необходимо повышать надежность машин.

  Сейчас базовая машина — турбогенератор 800 мегаватт. По сравнению с машиной предыдущей ступени — 500 мегаватт — он более совершенной конструкции, изготовлен по лучшей технологии, с применением новых материалов. Оригинальна у него и система охлаждения. В современном турбогенераторе от больших токов выделяется так много тепла, что без принудительного охлаждении работать он не может. От обмоток статора тепло отводят водой — у нее наибольшая теплоемкость. Роторные обмотки и активное железо охлаждают водородом вода и водород циркулируют непосредственно внутри проводников и отбирают гепло очень эффективно. В магните 800 мегаватт обмотки нагреваются всего на 32-36° выше температуры окружающей среды. Это очень небольшой перегрев, срок службы изолляции значительно увеличился.
  Oт электромагинтных сил, с которыми ротор притягивается к статору, стальной сердечник вибрирует (периодически принимая форму эллипса. В машине 800 мегаватт удалось сердечник статора сделать более жестким, и вибрации уменьшились. Чтобы колебания не передавались на фундамент, между сердечником статора и корпусом предусмотрели эластичную подвеску. Снижение амплитуды вибрации — это очень важное достижение.
  В результате надежность турбогенератора 800 мегаватт не только не понизилась, но оказалась более высокой, чем у машин предыдущих ступеней мощности. Машина 800 мегаватт — одна из самых надежных среди всех находящихся в эксплуатации.
  А вот еще сложная проблема. Любой генератор работает в энергосистеме параллельно с другими машинами. На электростанциях Единой энергетической системы страны несколько тысяч генераторов. Все они должны вырабатывать напряжение совершенно одинаково (иначе между машинами появятся нежелательные «уравнительные токи»). Для этого роторы всех генераторов обязаны вращаться с одинаковой скоростью и занимать в каждый момент одинаковое угловое положение. Тогда энергосистема будет устойчивой. При потере устойчивости происходит массовое отключение генераторов, энергосистема, как говорят инженеры, «разваливается». Именно так в 1965 году в США произошла крупная авария. Семь штатов с населением около 30 миллионов человек остались без электроэнергии, ущерб превысил 100 миллионов долларов. К сожалению, чем крупнее турбогенератор, тем он менее «устойчив» при параллельной работе. Происходит это потому, что единичная мощность турбогенераторов растет, а их габариты по существу остаются без изменения. Нет большой разницы по массе между роторами машин 300, 500, 800 мегаватт. Но у мощных генераторов роторы становится относительно более легкими, малоинерционными и поэтому менее устойчивыми в аварийных режимах. Есть и другие причины снижения устойчивости в крупных машинах. Эта проблема с каждым новым повыением мощности турбогенератора становится все сложнее.
  Наши исследования доказали: компенсировать относительное уменьшение массы машин можно применением быстродействующих тиристорных систем возбуждения и автоматических регуляторов и а напряжения. Например, при возникновении короткого замыкания ротор гурбогенератора начинает колебаться, устойчивость параллельной работы снижается. Система возбуждения под воздействием регулятора автоматически почти мгновенно резко увеличивает ток в роторе турбогенератора. В машине возрастают электромагнитные силы, как бы сцепляющие ее с другими генераторами и предохраняющие энергосистему от развала. Все более трудноразрешимой становится проблема изготовления поковок для роторов крупных электрических машин. Для ротора машины 1200 мегаватт пришлось отливать слиток массой 230 тонн. Не существует металлургических печей соответствующей емкости, и плавку вели одновременно в двух электропечах и одной мартеновской печи. Получить металл нужного качества очень непросто: чем слиток больше, тем, как правило, хуже его качество из-за пустот, раковин, трещин, примесей. Растут мощности турбогенераторов — требуются все более тяжелые поковки. Думаю, что слитки свыше 500 тонн отливать просто не будут.
  Сейчас объединение «Электросила» изготовило самый мощный в мире двухполюсный турбогенератор 1200 мет ватт со скоростью вращения ротора 3000 оборотов в минуту.
  Интересное направление — беззубцовые турбогенераторы. Сейчас обмотка переменного
  тока закладывается в специальные пазы статора. Однако расстояние между статором и ротором в крупных машинах уже столь велико, что в принципе проводники обмотки можно разместить непосредственно в воздушном зазоре. Если удастся это сделать и ликвидировать зубцы, пазы статора, то можно при нынешних габаритах получить еще большую мощность. Но тут тоже своя проблема — на обмотку действуют значительные электромагнитные силы и очень сложно закрепить ее в воздушном зазоре.
  Видимый сегодня предел мощности турбогенераторов — 2500 мегаватт (3000 оборотов в минуту). При еще больших мощностях напряженность механических конструкций возрастет настолько, что центробежные силы разорвут узлы из самой прочной стали. Понадобятся непомерно большие роторы. Существуют и другие ограничения. Поэтому более мощные машины будут работать уже на других физических принципах — с использованием сверхпроводимости.

КОРРЕСПОНДЕНТ: — Итак, турбогенераторы будущего — со сверхпроводящими обмотками. Когда появятся первые промышленные образцы таких машин?
И. А. ГЛЕБОВ: — Все развитие турбогенераторов связано с усовершенствованием способов отвода тепла из машины. В довоенные годы выпускали генераторы, которые охлаждали воздухом, потом воздух заменяли водородом, затем внутри проводников статорной обмотки стали прогонять воду. И, наконец, в опытных машинах используют самый эффективный охладитель в природе — жидкий гелий. Обмотка из сплава ниобия с титаном полностью теряет сопротивление постоянному току — становится сверхпроводящей. Открываются очень широкие перспективы. Плотность тока можно увеличить примерно в сто раз. а обмотка останется холодной. Тепло в ней не выделяется вовсе. И при той же мощности сверхпроводящий турбогенератор будет иметь примерно в 3-4 раза меньшую массу. Или, наоборот, при той же массе существенно возрастет мощность. Увеличивается и коэффициент полезного действия — до 99.5 процента. Сверхпроводящие машины очень перспективны.
  Но любое сверхпроводящее устройство будет эффективным, если удастся до минимума свести приток тепла в зону самого жидкого гелия. Жидкий гелий очень дорог. Поэтому испарившийся гелий направляют в рефрижераторную установку, в которой он вновь сжижается. Приток тепла мощностью всего в один ватт за час испаряет 1,5 литра гелия. Чтобы скомпенсировать этот ватт тепла — выработать соответствующий холод и превратить газ в жидкость, криогенное оборудование потребляет не менее 500 ватт мощности. Ясно, что при несовершенной теплоизоляции, при больших притоках тепла в зону жидкого гелия использование сверхпроводящих обмоток теряет смысл. До сих пор усилия конструкторов были направлены на отвод тепла из машины, теперь решается проблема противоположная: как не допустить его из слишком теплой окружающей среды к холодным обмоткам.
  Сложность создания криогенного турбогенератора в том, что жидкий гелий надо непрерывно подавать во вращающийся ротор. Ротор — самая сложная и напряженно работающая часть турбогенератора — становится ешё и вращающимся криостатом.
  В нашем институте испытано два турбогенератора со сверхпроводящими обмотками мощностью 10 и 1000 киловатт. После испытаний, учитывая опыт других организаций, мы узнали, какие научно-технические проблемы. еще предстоит решать. Впереди непростой путь.
  В настоящее время .наш институт создает турбогенератор мощностью 20000 киловольт-ампер — самую крупную сверхпроводящую машину в мире. Надеемся в текущем году испытать ее. Затем машину установят на одной из подстанций Ленэнерго для эксплуатационном проверки.
  Промышленные криотурбогенераторы мощностью до 3000 мегаватт, возможно, появятся на рубеже нового века.

Первый промышленный криотурбогенератор КТГ-300


КОРРЕСПОНДЕНТ: — Каковы особенности сверхпроводящих машин постоянного тока?
И. А. ГЛЕБОВ: — Машины постоянного тока имеют неподвижный индуктор с обмотками возбуждении и вращающийся якорь. Эта особенность конструкции облегчает использование сверхпроводимости. Сверхпроводящая обмотка возбуждения располагается в неподвижном криостате. в центральном отверстии которого вращается «теплый», обычный якорь.
  В обмотке возбуждения удастся получить плотность тока до 1000 А/мм*. В обычных машинах такая плотность казалась бы фантастической. Ток возбуждения создает столь большой магнитный поток, что ферромагнитный сердечник— неотъемлемая часть любой электрической машины — становится ненужным. Якорь можно сделать... из пластмассы. То есть очень легкий и малоинерционный. Двигатель постоянного тока с таким якорем можно очень быстро разгонять, тормозить, менять направление его вращения. Поэтому станет возможным существенно поднять производительность механизмов, которые приводит в действие такой двигатель, например прокатных станов. Это имеет очень важное значение в металлургическом производстве.
  Самая первая в стране машина постоянного тока со сверхпроводящей обмоткой возбуждения создана в нашем институте. Ее мощность была всего 4,5 киловатта. Теперь проектируем сверхпроводящий двигатель для прокатного производства.
КОРРЕСПОНДЕНТ: — Каковы успехи в создании сверхпроводящих кабелей?
И. А. ГЛЕБОВ:— Следует заметить, что обычные кабели тоже совершенствуются. Появились кабели с элегазовой изоляцией — они заполнены электроотрицательным газом, имеющим лучшие диэлектрические свойства, чем воздух,— стало возможным повышение напряження или уменьшение размеров кабеля. Есть экспериментальные кабели с очень эффективным непосредственным охлаждением водой. Вода течет внутри токоведущих жил. Такие кабели имеют пропускную мощность до 4000 мегавольтампер. Кабели обычные большей мощности, вероятно, создать не удастся. У нас уже работают опытные образцы сверхпроводящих кабелей постоянного и переменного тока. Но, как и в сверхпроводящих электрических машинах, одна из главных проблем — уменьшить приток тепла от внешней среды к жидкому гелию.
  Важно повысить надежность гелиевых рефрижераторов — они должны работать непрерывно в течение многих лет. Необходимо научиться стыковать секции сверхпроводящего кабеля в полевых условиях — это очень тяжелая, еще не решенная сегодня технологическая проблема.
  В современных больших городах прокладка обычных воздушных и кабельных линий стоит очень дорого. Один сверхпроводящий кабель заменит несколько обычных на линиях глубокого ввода. Первый сверхпроводящий кабель планируется для ввода энергии Чагинской подстанции в промышленные районы Москвы.
КОРРЕСПОНДЕНТ: — Совсем новое направление в энергетике — сверхпроводящие накопители энергии. Что можно рассказать о них?
И. А. ГЛЕБОВ: — Потребление электроэнергии отличается большой неравномерностью. Ночью, когда значительная часть промышленных предприятий бездействует, в графике потребления провал, С наступлением сумерек, когда работают тысячи заводов и фабрик, зажигаются бесчисленные электрические лампочки, включается множество телевизоров,— наступает пик, спрос на электроэнергию резко увеличивается.
  Для выравнивания графика можно использовать, например, гидроаккумулирующие электростанции . (см. «Знание — сила», М 2, 1979 год). На них устанавливают обратимые агрегаты. В ночное время, когда электроэнергии много, электрические машины работают как двигатели, а турбины как насосы перекачивают воду на более высокий уровень в водохранилище. В часы пик станция работает как обычная гидравлическая, вода вращает турбины, электрические машины вырабатывают ток.
  Новое направление для решения той же проблемы — использование сверхпроводящих накопителей энергии. Скажем, аакумулятор энергии в виде огромной сверхпроводящей катушки. Размеры ее — диаметр 300 метров высота примерно 100 метров. Расчеты показывают: в такой сверхпроводящей катушке. обтекаемой постоянным током, можно накопить 10(в13) джоулей энергии и в течение нескольких пиковых часов отдавать в энергосистему 2500 мегаватт мощности. От огромных токов на витки катушки действуют большие электродинамические силы, они стремятся ее разрушить. Поэтому сверхпроводящий накопитель думают разместить в скальных породах.
  Работы по подобным накопителям находятся лишь в начальной стадии. Предварительные расчеты показывают: возможно получить такие же показатели, как и на обычной гидроаккумулнрующей станции.
КОРРЕСПОНДЕНТ: - Как вы оцениваете другие перспективные источники анергии?
И. А. ГЛЕБОВ — В зарубежной печати много пишут о «водородной энергетике». Предлагают сооружать на островах в океане или на малонаселенном побережье атомные станции и путем электролиза разлагать воду на водород и кислород. Вместо электрического тока передавать по трубам водород и использовать его в промышленности, на транспорте, в быту. Я не думаю, что это радикальный путь развития энергетики. Основная проблема: как добыть дешевый водород? Получение водорода из морской воды с помощью электролиза весьма энергоемкий процесс. Много трудностей на путях освоения других способов выработки водорода, На транспорте,
  например в самолетах, где в ограниченном объеме надо иметь большой запас энергии, использование водорода более перспективно. А в большой энергетике маловероятно, чтобы водород стал основным энергоносителем.
  Большие успехи имеются в создании МГД-генераторов, в которых тепло непосредственно преобразуется в электрическую энергию и которые не имеют вращающихся частей. Коэффициент полезного действия МГД-установок будет примерно в 1,5 раза выше, чем на обычных тепловых электрических станциях. В МГД-канале низкотемпературная плазма отклоняется к электродам, с которых снимается постоянный ток, с помощью сильного магнитного поля. Чтобы резко снизить потери энергии, необходимо использовать сверхпроводящие магнитные системы. Промышленный МГД-генератор должен работать со сверхпроводящей обмоткой возбуждения.
  Та же проблема имеет место и в установках термоядерного синтеза, например в «Токамаках». Термоядерная реакция идет лишь при очень высоких температурах, порядка 100 миллионов градусов. Удержать плазменный шнур от соприкосновения со стенами может только очень сильное магнитное поле. «Токамак» представляет собой как бы трансформатор. Первичная обмотка наматывается на магнитопровод, вторичной обмоткой является тороид с плазмой. Чем сильнее намагничивающий ток. тем больше потребляемая магнитной системой мощность. Снизить потери, которые выделяются в виде тепла, можно только в том случае, если использовать сверхпроводящую обмотку. В Советском Союзе уже строится «Токамак» со сверхпроводящей обмоткой возбуждения. Сейчас наш «Токамак-10» — крупнейший в мире. Хочу отметить, что все установки термоядерного синтеза по существу являются электротехническими устройствами. Для обеспечения их работы нужны ударные генераторы — крупнейшие накопители энергии, очень мощные преобразователи разных уровней напряжения, инжекторные установки, дополнительно нагревающие плазму, и многое другое.
  Полученная в термоядерных реакторах тепловая энергия будет использована, как на обычной тепловой электростанции, — с помощью паровых турбин и турбогенераторов, с помощью МГД-генераторов или каким-либо другим способом. Эти работы пока находятся в начальной стадии. Промышленный термоядерный реактор, вероятно, будет создан в конце нашего столетия.