Деловая слава России


Новости


МЕЖОТРАСЛЕВОЙ АЛЬМАНАХ

Свежий номер альманаха, Архив номеров, Подписка на альманах, Реклама в альманахе, Контакты



РАЗВИТИЕ НАУКИ В РОССИИ



Опрос

Нужно ли стремиться вернуть в Россию учёных, уехавших жить и работать за границу?
Да, не стоит упускать умных и талантливых людей
Скорее да, но вряд ли наше государство сможет обеспечить им заграничный уровень жизни
Скорее нет, лучше обеспечить хорошие условия тем, что ещё не уехали
Нет, лучше вложить средства в воспитание и развитие молодых учёных
Другое








Деловая слава России » Наука » Новые технологии в энергетике

Наука: Новые технологии в энергетике - 4-03-2012, 14:16

Владимир Евгеньевич ФОРТОВ академик РАН, академик-секретарь отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления; директор Института теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН 

 

Владимир Евгеньевич ФОРТОВ
академик РАН, академик-секретарь отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления; директор Института теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН

 

РЕШЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГЕТИКИ МОСКВЫ

 

Объединенный институт высоких температур (ОИВТ) РАН является институтом, ведущим исследования в широкой области, так или иначе связанной с решением проблем развития современной энергетики. Если говорить укрупнено, то это исследования свойств веществ и материалов в широкой области изменения внешних условий (в том числе и в экстремальных состояниях), изучение фундаментальных процессов энерго- и массопереноса и, наконец, разработка и исследование новых энергетических технологий. Настоящая статья в большей мере посвящена некоторым конкретным разработкам в этом третьем направлении. И эти разработки представляют, на наш взгляд, интерес именно для Москвы с ее мощной электрогенерирующей и сетевой системами.

 

Начну с того, что с удовольствием отмечу тот факт, что высказанная много лет тому назад в ОИВТ РАН и встреченная в то время в штыки идея надстройки РТС газовыми турбинами сегодня реализуется на целом ряде объектов в Москве, что является, безусловно, правильным. Использование на этих РТС авиапроизводных газовых турбин подсказало и следующий шаг их нетрадиционного использования в энергетике.

 

 

Большинство действующих парогазовых установок, а их мощность составляет в настоящее время в мире несколько тысяч мегаватт, работает по «классическому» бинарному циклу. В этой схеме пар одного или двух давлений, выработанный в котле-утилизаторе (КУ) в результате использования тепла отработанных газов газовой турбины (ГТ), поступает в паровую турбину (ПТ). Повышение начальной температуры газа Тτ и соответствующее ее оптимальной степени повышение давления в компрессоре πк увеличивают кпд верхней части цикла и установки в целом и изменяют соотношение мощностей ГТ и ПТ в пользу первой.

 


Относительно небольшая мощность авиационных газотурбинных двигателей 10÷20 МВт делает их применение в классической бинарной схеме парогазовой установки малопривлекательным. Полная мощность таких установок составит ~15÷25 МВт. Гораздо более привлекательным является схема ГТУ с впрыском пара в камеру сгорания. Эта схема впервые была предложена академиком С. А. Христиановичем с сотрудниками. В последние годы она нашла достаточно широкое применение за рубежом, получив по латинской аббревиатуре название схемы STIG, или, при наличии промежуточного охлаждения воздуха в компрессоре, схемы ISTIG.

 


В первоначальных вариантах пар в ограниченном количестве вводился в камеру сгорания для снижения образования оксидов азота (так называемый экологический впрыск пара). В последующем количество пара, подаваемого в камеру сгорания, было увеличено. Он стал составлять значительную долю рабочего тела ГТ (энергетический впрыск пара). Это дало возможность поднять удельную (на единицу расхода воздуха на входе в компрессор) мощность ГТУ. И, наконец, на третьем этапе вырабатываемый в КУ пар полностью используется в тракте ГТ — большей частью как рабочее тело, а также для охлаждения высокотемпературного лопаточного аппарата ГТ, частично или полностью замещая охлаждающий воздух.

 

Это увеличивает эффективность охлаждения лопаточного аппарата, обеспечивает возможность повышения Тτ до 1500-16000С при использовании современных конструкционных материалов и значительно снижает потребную мощность компрессора, что существенно, поскольку доля расхода воздуха на охлаждение при высоких Тτ становится чрезвычайно большой (до 15-20%). Кпд выработки электроэнергии в установке ISTIG в диапазоне температур 1400-16000С составляет 51-56%.

 

 

Тепловая схема ПГУ с впрыском пара может быть предельно упрощена: из нее исключаются паровая турбина, конденсатор и соответствующая система охлаждения циркуляционной воды.  Это создает предпосылки для существенного снижения капитальных затрат и сокращения срока ввода новых установок. При этом основная цель – произвести минимум затрат на получение электроэнергии — достигается не при предельно высоком кпд установки, а при несколько более низких значениях тепловой экономичности, но при существенном упрощении тепловой схемы.

 

 

Первая отечественная реализация схемы STIG была осуществлена совместными усилиями коллективов ОИВТ РАН, ММПП «Салют» и ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго». В качестве базового газотурбинного двигателя был выбран серийный авиадвигатель АЛ-21 (рис. 1), модифицированный под условия впрыска пара в КС в объеме ~25% от расхода продуктов сгорания.


 

Модифицированный двигательпредставляет собой газогенератор, формирующий поток рабочего тела, состоящего из смеси  продуктов сгорания и водяного пара и направляемого на вход в рабочую турбину. Температура на входе в турбину Т=12140С, давление Р=11,5 атм., мощность турбины W= 40 МВт.

 

 

Важным обстоятельством, реализованным при создании силовой турбины, явилось применение пара для охлаждения сопловых и  рабочих лопаток. Применение пара, обладающего большей теплоемкостью, чем воздух, позволяет существенно снизить расход охладителя при неизменной температуре материала лопаток или поднять температуру газа при неизменном расходе охладителя.

 


Вниз по потоку расположен парогенератор, вырабатывающий пар с параметрами Т=5400С, Р=95 атм. Эти параметры превышают необходимые для впрыска пара в КС, что связано с наличием в составе ТЭЦ-28 противодавленческой паровой турбины, вырабатывающей дополнительную мощность, но при этом усложняющей тепловую схему. За парогенератором расположен контактный конденсатор, позволяющий улавливать не только все количество впрыснутого пара, но и воду, образующуюся при сгорании природного газа.

 

 

В 2008 году после окончания строительно-монтажных работ на установке, получившей название МЭС-60, начались и ведутся пусконаладочные работы. На средних мощностях до 25 МВт установка уже отработала непрерывно 72 часа. Продолжаются работы по подготовке к испытаниям на максимальной мощности ~40 МВт. Одновременно ведется разработка системы водоподготовки для питания парогенератора водой после контактного конденсатора.

 


Следует сказать, что подвод водяного пара в камеру сгорания даже при весьма высокой результирующей температуре рабочего тела на выходе из нее позволяет снизить температуру в стехиометрических зонах горения топлива и обеспечить содержание вредных примесей (NOx, CO и полиароматических углеводородов) на уровне, предписываемом требованиями современных санитарных норм.

 

Таким образом, схема ПГУ с впрыском пара обладает рядом достоинств как по эффективности преобразования тепла топлива в электроэнергию и экологическим показаниям, так и по удельным показателям мощности и стоимости выработки электроэнергии. Разработки этого варианта ПГУ с использованием уже имеющегося опыта и с учетом технологических возможностей авиационного двигателестроения перспективны. Они соответствуют складывающимся в мировой энергетике тенденциям: широкое использование природного газа, рост начальных параметров, применение новых материалов, использование впрыска пара и внедрение в стационарную энергетику инженерных решений, отработанных в военном двигателестроении.

 

 

В Московском регионе энергоблоки STIG мощностью 50÷70 МВт органично вписываются в энергосистему, занимая промежуточное положение между крупными ТЭЦ и районными тепловыми станциями. Эффективность их использования резко возрастет при использовании теплонасосных установок, оригинальные схемы которых также разрабатываются ММПП «Салют».

 

 

Второй проблемой, которую хотелось бы затронуть, является разработка средств защиты от прямых ударов молнии и опасных воздействий ее электромагнитного поля в первую очередь на микропроцессорные системы управления. Для исследования этих процессов в ОИВТ РАН разработан и создан мобильный испытательный комплекс (МИК) на основе взрывомагнитного генератора (ВМГ).



МИК состоит из ВМГ, емкостного источника начальной энергии, системы дистанционного управления и системы формирования тока, состоящей из повышающего импульсного трансфор матора и нелинейных элементов на основе взрывных размыкателей тока. Эквивалентная электрическая схема МИК показана на рис. 2.

 

 

Взрывомагнитный генератор в этой схеме выступает в качестве источника тока I1. ИТ работает как индуктивный накопитель. При достижении тока ВМГ максимального значения приводится в действие взрывной размыкатель тока. При этом в первичной обмотке L1, а, следовательно, и во вторичной обмотке L2 импульсного трансформатора резко поднимается напряжение, которое приводит к пробою замыкателя К3.



Вторичная обмотка импульсного трансформатора перехватывает магнитный поток, созданный первичной обмоткой. Таким образом, после срабатывания взрывного размыкателя энергия, накопленная первичной обмоткой и перехваченная вторичной обмоткой ИТ, через неуправляемый разрядник КЗ поступает на нагрузку Lн, Rн. Экспериментальные работы с применением макетного образца МИК были проведены на действующей подстанции 110кВ № 366 в п. Донино Московской области и макете опоры ВЛ с высоким сопротивлением заземления. В экспериментах на подстанции нагрузкой МИК являлся отдельно стоящий заземлитель, а во втором случае — заземлитель опоры ВЛ с сопротивлением постоянному току 24 Ом (рис. 3).

 

 

Проведенные испытания продемонстрировали возможность генерации с помощью МИК тока в нагрузке с параметрами, близкими к току молнии. Для испытания энергообъектов с высоким сопротивлением заземления более рационально использовать схему согласования без размыкателя тока в первичной обмотке. Поэтому в экспериментальном образце МИК применен новый специальный тип ВМГ, в котором вывод индуктивности последней секции генератора производится по линейному закону, что обеспечивает повышенную мощность и рост тока от 0,15 до 1 амплитудного значения фактически за последние 20 мкс. Применение нового типа ВМГ позволяет строить каскадные схемы включения мобильных генераторов тока молнии, что существенно расширяет их область применения.

 

 

Новая схема МИК более эффективно работает во всем диапазоне значений сопротивления нагрузки. Небольшой ток на уровне 0,15 от амплитудного значения можно считать предвестником, не влияющим на результаты испытаний. Важным преимуществом экспериментального образца МИК с ВМГ нового типа следует считать повышение стабильности выходного импульса за счет исключения из схемы нелинейных элементов.


 

Особо необходимо отметить, что впервые ВМГ, применяемый в составе МИК, снаряжен эмпульсионным взрывчатым веществом, что исключает необходимость в мобильных складах ВВ и доставку ВВ специальным транспортом. МИК способен формировать импульсный ток амплитудой 30-70 кА в индуктивно-омической нагрузке сопротивлением около 1-60 Ом и индуктивностью 50-500 мкГн. Длительность импульса тока (30-100 мкс) и его амплитуда зависят от индуктивности и сопротивления нагрузки. Выходное напряжение одного генератора токов молнии достигает 4 МВ. Энергия, рассеиваемая в сопротивлении нагрузки, может достигать 1 МДж и более. Параметры импульса, реализуемые в МИК, недостижимы в настоящее время при использовании иных импульсных источников энергии, например, ГИН традиционного исполнения.

 

 

Развитие электроэнергетики — ввод новых и расширение существующих электростанций, увеличение пропускной способности электрических сетей — приводит к неуклонному росту токов короткого замыкания (КЗ). Максимальные уровни токов КЗ наблюдаются в ОРУ крупных электростанций и на шинах подстанций с мощной трансформаторной связью при высокой концентрации электрических сетей и генерирующих источников.


 

При этом токи КЗ на ряде энергообъектов превышают допустимые значения по отключающей способности установленных выключателей. На перспективу тенденции роста токов КЗ сохраняются. Например, выполненные расчеты токов КЗ на перспективу до 2015 года показали, что в полностью замкнутой электрической сети Московской энергосистемы значения токов КЗ увеличиваются до 120-140 кА.

 


Существует несколько способов решения или смягчения проблемы. Среди них создание выключателей со значительно большими токами отключения, секционирование энергосистемы на несколько независимо работающих энергорайонов, наконец, применение различных токоограничивающих устройств, среди которых сегодня распространены токоограничивающие реакторы.


 

Но использование стационарных токоограничивающих реакторов сопровождается падением на них напряжения и дополнительными активными потерями, что ограничивает возможности их использования и глубину токоограничения. В настоящее время появились управляемые токоограничивающие устройства на основе применения силовой электроники. Эти устройства свободны от недостатков неуправляемых реакторов, связанных с их влиянием на нормальные режимы, и они уже начали применяться в зарубежных энергосистемах. Однако предлагаемые за рубежом управляемые устройства ограничения токов к.з. (ОТКЗ) имеют большие габариты и высокую стоимость. Проводятся эксперименты и по применению технологий высокотемпературной сверхпроводимости для ограничения токов к.з.

 

 

Таким образом, задача создания надежного устройства ОТКЗ с возможностью глубокого токоограничения для линий и подстанций энергосистем России на напряжения ПО кВ и выше является актуальной в настоящее время и будет оставаться актуальной в краткосрочной и среднесрочной перспективе.

 


ОИВТ РАН и ОАО «НТЦ электроэнергетики» совместно разрабатывают принципиально новое устройство глубокого ограничения токов короткого замыкания на основе магнитосвязанного реактора с быстродействующим коммутатором в его вторичной обмотке. Основными элементами токоограничивающего устройства являются магнитосвязанный реактор и быстродействующий коммутатор. Ограничитель токов короткого замыкания представляет собой трансформатор, вторичная обмотка которого закорочена в номинальном режиме через коммутационный элемент, а первичная включена последовательно в линию электропередачи. Возникновение короткого замыкания в линии приводит к резкому возрастанию тока в ней. При этом блок управления коммутационным элементом формирует сигнал на его срабатывание.

 

 

Коммутационный элемент разрывает цепь вторичной обмотки ограничителя. При этом сопротивление трансформатора, используемого в роли ограничителя, меняется от сопротивления КЗ до сопротивления холостого хода, которое на два-три порядка превосходит сопротивление КЗ, что приводит к резкому ограничению тока КЗ линии. Параллельно коммутационному элементу может быть подключено дополнительное сопротивление, ограничивающее ток КЗ до заданной величины.



РИС.5РИС.5Быстродейс твующий коммутационный элемент состоит из двух параллельных цепей. В первую входит металлический контакт, снабженный пиропатроном, во вторую — плавкий предохранитель в корпусе, заполненном кварцевым песком, с последовательно включенным добавочным сопротивлением. Взрыв пиропатрона разрывает главный металлический контакт. Электрическая дуга на месте разрыва не возникает, так как ток, протекающий по металлическому контакту коммутационного элемента, направляется в параллельную цепь, где ограничивается плавким предохранителем. Плавкий предохранитель срабатывает и срезает плавно ток. Назначение второй цепи — увеличение времени срабатывания коммутационного элемента и снижение уровня перенапряжений.

 

 

Прототип такого устройства ОТКЗ на напряжение 10 кВ был успешно испытан на стенде филиала ОАО «НТЦ Электроэнергетики» — НИЦ ВВА в ноябре 2008 года. Рис. 5 демонстрирует осциллограммы тока коммутационного элемента и тока на нагрузке при срабатывании ограничителя. После К3 ток в линии возрос до значения 1,25 КА (мгновение значении). Затем произошел срез тока, и при отсутствии дополнительного сопротивления (Zд =0) ток в линии ограничен практически до 0. Срез тока происходит на первом полупериоде за время, не превышающее 6 мс.



Испытания подтвердили работоспособность предлагаемого ограничителя токов КЗ, и в настоящее время ОАО «Запорожтрансформатор» уже выполнило эскизную проработку головного образца магнитосвязанного реактора на напряжение 110 КВ. Приведенные примеры свидетельствуют о том, что при заинтересованности сторон результаты фундаментальных исследований быстро и эффективно переходят в стадию опытно-конструкторских работ и освоения головных образцов нового оборудования. К сожалению, это происходит далеко не всегда. Освоение новых разработок требует дополнительных затрат.

 


Поэтому наиболее часто предприятия предпочитают приобретать оборудование уже отработанное, а разработчик, особенно отечественный, не имеет средств на доводку своих разработок. Развязать этот узел возможно, создав систему «полигонов» в электроэнергетике, нефтяной, газовой, угольной и других отраслях с обязательным участием государства. Применительно к Москве это могут быть полигон — РТС, полигон — электростанция с участием московского Правительства.

 

 

V. E. Fortov. Joint Institute for High Temperatures of Russian Academy of Sciences is the leading research institute in the area, working on the development of modern power. This article is more dedicated to certain specific development of new energy technologies. And that may be interesting to Moscow, with its powerful network and electricity systems.



 

Другие новости по теме:


Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.


АКТУАЛЬНО

ПРИОРИТЕТНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАУКИ


Календарь событий:

«    Май 2017    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
 

Архив новостей:

Февраль 2017 (1)
Декабрь 2016 (1)
Ноябрь 2016 (7)
Октябрь 2016 (11)
Сентябрь 2016 (6)
Август 2016 (13)