Атомная наука и промышленность
| Вид материала | Документы |
СодержаниеО возможности создания сверхпроводящего индукционного накопителя энергии (спин) на базе тоннеля и инфраструктуры унк Нагрузки на криогенную систему СПИН |
- 4. Атомная энергетика, 5.38kb.
- О конкурсе рефератов «Атомная наука и техника» для учащихся средних общеобразовательных, 126.39kb.
- Программа вступительного экзамена для поступления в магистратуру по профессионально-образовательной, 39.27kb.
- Паспорт инвестиционного проекта, 27.34kb.
- Всероссийская научно техническая конференция «сибирь атомная. XXI век», 28.4kb.
- Рекомендации по повышению конкурентоспособности малого и среднего бизнеса в россии, 67.45kb.
- ««наука и промышленность вот мои мечты», 79.34kb.
- Социальная программа «Шаг в будущее, Электросталь», городская тематическая конференция, 600.58kb.
- Урок класс 10 Тема «Топливно-энергетическая промышленность мира. Топливная промышленность», 16.12kb.
- Атомная физика это наука об электронном строении вещества. Она призвана объяснить его, 16.7kb.
О ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ИНДУКЦИОННОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ (СПИН) НА БАЗЕ ТОННЕЛЯ И ИНФРАСТРУКТУРЫ УНК
Васильев Л.М., Даньшин В.П., Зинченко С.И., Курнаев О.В., Серебряков Б.А., Сычев В.А., Ткаченко Л.М., ГНЦ ИФВЭ им.А.И.Лейпунского
Применение накопителей энергии в электроэнергетике позволяет решить две важные задачи: снизить затраты на производство электроэнергии и увеличить надежность энергосистем в целом. Затраты уменьшаются за счет сглаживания пиков нагрузки и поддержания тем самым режима турбогенераторов в области максимального КПД. Демпфирование пиков нагрузки способствует повышению устойчивости энергосистем и, следовательно, повышает надежность.
В настоящее время в качестве накопителей энергии используются в ограниченных масштабах гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), способные компенсировать суточные и часовые пики нагрузки. Однако, их строительство требует больших капитальных затрат и не везде возможно географически. Кроме того, инерционность ГАЭС не позволяет сглаживать кратковременные пики нагрузки. Сверхпроводящие накопители энергии (СПИН) запасают энергию в магнитном поле индукционной катушки, в которой ток циркулирует без потерь. Важнейшим преимуществом индуктивного накопителя является его быстродействие, достигающее единиц миллисекунд, что позволяет реагировать на самые внезапные аварии в энергосистеме.
В мире предлагаются различные варианты СПИН. Наиболее дешевым считается вариант накопителя в виде короткого соленоида с большим, порядка 1 км, диаметром, и высотой обмотки в несколько метров. Здесь возникают две проблемы: выход поля далеко за пределы соленоида (спадает до уровня земного поля на расстоянии до 10 км) и сложность конструкции бандажа для противодействия пондеромоторным силам. Эти проблемы предлагается решать за счет использования пустынной местности и скального непроводящего грунта.
Более предпочтительным представляется вариант тороидальной СП катушки, в которой все поле сосредоточено внутри тороида, а пондеромоторные силы воспринимаются бандажом в виде стальной трубы - внешней оболочки тороида. Такая конструкция хорошо вписывается в подземный кольцевой тоннель, построенный для ускорителя УНК, периметром 21 км и диаметром сечения 5,1 м. В таком тоннеле можно разместить СП тороидальную катушку, например, внутренним диаметром сечения обмотки 1,8 м и полем около 6 Тл, используя сверхпроводник из ниобий-титана, охлаждаемый жидким гелием до температуры 4,5 К. Энергия поля в такой СП катушке составит 720 ГДж или 200 МВт-час. Для такой катушки потребуется около 8 тыс. тонн СП кабеля.
Следует сказать, что для создания СПИН может быть использована инфраструктура УНК, часть которой уже существует. По периметру кольца УНК предусматривается высоковольтная сеть 220 кВ и шесть распределительных трансформаторов 220кВ/10 - 63 МВА. Системы питания, выпрямители – инверторы, могут располагаться в предусмотренных проектом 12 технологических зданиях, расположенных равномерно по кольцу УНК. К тому же, параметры преобразователей не будут значительно отличаться от предусмотренных проектом для СП кольца УНК. Например, можно использовать 24 преобразователя – 1кВ, 10 кА каждый. Таким образом, и сеть, и преобразователи допускали бы сглаживание нагрузок до 240 МВт и длительностью при максимальной мощности до десятков минут.
Метод накопления электроэнергии с помощью СПИН отличается экологической чистотой. Не используются вредные материалы, никаких химических реакций не происходит. Отходы производства отсутствуют. Применяемый для охлаждения жидкий гелий является безвредным инертным газом, а при аварийной разгерметизации криостата легко удаляется системой вентиляции тоннеля. Магнитное поле СПИН заключено внутри тороидального соленоида и при нормальном режиме работы снаружи тоннеля отсутствует. При отказе одного из секторов (например, при аварийном выходе из сверхпроводящего состояния) магнитный поток оставшихся секторов замкнется через окружающее пространство, в том числе через стальные тюбинги тоннеля. С точки зрения безопасности в аварийном режиме постоянное магнитное поле на расстоянии 25 м от стенки тоннеля не превысит 2.4 мТл при ПДУ по санитарным нормам 10 мТл (СанПИН 2.2.40-95).
Основные характеристики СПИН и СП тороидального магнита
| Запасенная энергия, ГДж / МВт-час | 720/ 200 |
| Максимальное поле, Тл | 5.8 |
| Максимальный ток возбуждения, kA | 10 |
| Число секторов тора | 24 |
| Индуктивность сектора, Гн | 600 |
| Число модулей в секторе | 160 |
| Длина модуля, м | 5.8 |
| Максимальное напряжение на секторе, кВ | 1 |
| Полное время заряд/разряд, мин | 100 |
| Максимальная скорость изменения поля, мТл/с | 1 |
| Максимальная мощность СПИН, МВт | 240 |
| Внутренний диаметр СП обмотки, м | 1.8 |
| Сверхпроводящий материал | NbTi |
| Критическая плотность тока (5Тл, 4,2 К), A/см2 | 2.7х105 |
| Критическая температура, К | 5.3 |
1. Основные параметры СПИН в тоннеле УНК
Сверхпроводящий тороидальный магнит длиной по оси 21 км разбит на 24 сектора. Каждый сектор представляет собой цепочку из модулей длиной по обмотке 5,8 м, электрически соединённых последовательно и подсоединённых к своему тиристорному преобразователю. Длина модуля определяется размером вертикальных шахт, соединяющих тоннель с наземными зданиями, и удобством монтажа модулей в тоннеле.
2. Криогенная система СПИН
Основные требования к криогенной системе:
- температура криостатирования – 4,5 К;
- способность длительно и надежно поддерживать соленоид при рабочей температуре при минимальных затратах электроэнергии;
- обеспечивать захолаживание соленоида до рабочей температуры за разумный срок (~1 месяц);
- безаварийно воспринимать квенч одного из 24-х секторов соленоида и обеспечивать захолаживание перешедшего сектора без нарушения режима криостатирования остальных секторов.
Тепловая нагрузка на криогенную систему определяется в основном двумя составляющими:
- статическим теплопритоком из окружающей среды по опорным элементам конструкции и через экранно-вакуумную теплоизоляцию;
- необходимостью отводить часть жидкого гелия на охлаждение токовводов.
Статический теплоприток общепринято перехватывать тепловыми экранами на промежуточных температурных уровнях. Количество экранов и их температуры определяются технико-экономической оптимизацией. На этапе предварительной проработки принято два промежуточных экрана – при 80 К и при 20 К.
Для охлаждения 24-х пар коммерчески доступных составных токовводов на 10 кА, холодная часть которых выполнена из ВТСП материала, требуется около 12 г/с, или 360 л/час жидкого гелия.
Нагрузки на криогенную систему СПИН
| | Ожижительная нагрузка | 4,5 К | 20 К | 80 К |
| Расчетная тепловая нагрузка на криогенную систему СПИН | 12 г/с | 3,1 кВт | 22,0 кВт | 150,0 кВт |
Для поддержания СП тороидального магнита в рабочем состоянии на данном этапе рассматривается вариант с четырьмя гелиевыми рефрижераторами и азотным заводом. Каждый рефрижератор обслуживает шесть секторов. В случае остановки одного из них, увеличивается холодопроизводительность соседних двух в 1,5 раза. Наличие четырёх рефрижераторов повышает надёжность системы по сравнению со случаем использования одного мощного рефрижератора.
3. Преобразователи системы питания СПИН
Для связи СПИНа с энергосистемой планируется использовать шесть сетевых трансформаторов ТРДЦН–63МВА, 220кВ/10кВ, предусмотренных инфраструктурой УНК, от которых будут запитаны 24 преобразователя – 1кВ, 10кА каждый. Основные источники предполагается разместить в 12 технологических зданиях, расположенных равномерно по периметру кольца УНК, по два источника в каждом здании.
В качестве анодного трансформатора используется сухой преобразовательный трансформатор типа ТСЗП - 12500/10кВ, 2(Id =5000А, Ud0 =1012В.) с двумя вторичными обмотками, сдвинутыми на 30О относительно друг друга. Вторичным напряжением питаются два тиристорных моста, установленные в тиристорных шкафах, которые через развязывающие реакторы (СРОСЗ – 5000МУХЛ4, L=0.32мГн) включены для работы в параллель. Каждый мост выполнен на основе тиристорного модуля, разработанного НИИЭФА-ЭНЕРГО для сильноточных устройств электрофизики: тиристоры типа Т993-2500, I=2500А, класс-30. Охлаждение приборов водяное.
На выходе преобразователя, как защитное устройство, установлен ТКЗ – тиристорный короткозамыкатель, также постоянно охлаждаемый водой. Кроме того, на выходе источника для снижения пульсаций напряжения применен двухзвенный пассивный фильтр. Расчетный коэффициент сглаживания основной частоты пульсаций (600Гц.) ~ 150.