Разработка систем криогенного обеспечения для перспективных ВТСП электромеханических преобразователей, электротехнических устройств и ВТСП силовых кабельных линий.

Показано, что при использовании газообразного неона для криостатирования сверхпроводников, величина критического тока уменьшится в сравнении с охлаждением жидким азотом на 20...30%. Поэтому, следует отдать предпочтение системе с жидким азотом. Для транспортных ВТСП систем наиболее выгодными являются газовое охлаждение, так как исключается контур охлаждения жидким азотом, а, следовательно, уменьшаются массогабаритные параметры. Разработаны два варианта системы криообеспечения – разомкнутый (расходная система криообеспечения) и замкнутый контуры криостатирования. Расходная система криообеспечения разработана применительно к трёхфазному ВТСП трансформатору (СКТ-01). Система предназначена для поддержания постоянного уровня и температуры жидкого азота в трёх криостатах обмоток ВТСП трансформатора (1000 кВА, 10/0.4 кВ) и обеспечивает холодопроизводительность до 3 кВт при поддержании температуры обмоток в диапазоне 77.4…78 К. В расходных системах при криостатировании ВТСП элементов происходит подогрев жидкости и возможно образование парожидкостного потока или потока пара. В окружающую среду дренируется пар или парожидкостная среда. Длительность работы системы криостатирования определяется запасом криожидкости в расходных баках и величиной массового расхода дренажа. В состав СКТ-01 входят три криостата обмоток низкого (НН) и высокого напряжения (ВН), две расходные ёмкости жидкого азота объёмом 370 л, система подачи жидкого азота из расходных ёмкостей в криостаты обмоток, система захолаживания и поддержания уровня жидкости в криостатах, система заправки расходных ёмкостей жидким азотом из переносных сосудов Дьюара ёмкостью 25 л или от ТРЖК – 7 ёмкостью 1.5 м3, системы управления работой СКТ-01. Система криообеспечения обеспечивает полное испарение жидкого азота в криостатах трансформатора за счёт теплопритоков в криостатах и тепловыделений в обмотках. Удаление пара происходит через дренажные магистрали в окружающую среду. Каждая обмотка трансформатора размещена в индивидуальном неметаллическом криостате, что предопределяет незначительное превышения давления в криостатах над давлением окружающей среды. Все элементы пневмогидросхемы расположенные вблизи трансформатора неэлектропроводные, в том числе трубопроводы, соединяющие азотные полости трёх криостатов. Они изготовлены из фторопластовых труб диаметром 10 мм. Криостаты изготавливаются из пенополиуретана «Изолан-123» и армированы стеклотканью по всем поверхностям. Поскольку вес обмоток достигает 100 кг, то предусмотрены силовые опоры из стеклотекстолита с минимальной осевой теплопроводностью, которые вклеены между текстолитовыми днищами толщиной 12 мм на нижнем днище криостата. Система управления состоит из микроконтроллера, обеспечивающего сопряжение с датчиками и исполнительными устройствами, а также с пультом управления, реализованным на базе планшетного компьютера, связанного с микроконтроллером по радио каналу (Bluetooth). Разработаны датчики уровня жидкости и датчик фазового состояния потока (датчику фазы). Оптоэлектронный датчик уровня поплавкового типа обеспечивает поддержание уровня азота в криостате трансформатора за счет управления работой электромагнитного клапана (ЭК). Датчик фазы анемометрического типа, устанавливается на выходе из дренажного трубопровода криостата трансформатора, и определяет момент перелива жидкого азота при заправке криостатов, так и при возникновении аварийных ситуаций. Для измерения массы жидкого азота в расходных емкостях 14 используются электронные весы. Показания весов используются при проведении операций заправки жидким азотом расходных емкостей и для контроля жидкого азота в этих ёмкостях, а также обеспечивают последовательное подключение расходных емкостей при работе. Измерение температуры поверхностей криостатов обеспечивается тепловизором ThermaCAM P60 «FLIR systems». Результаты расчёта теплопритоков в криостат показали, что суммарный теплоприток к криостату не превышает 500 Вт или 1500 Вт для трёх обмоток. Была разработана замкнутая система криообеспечения использованием цикла Брайтона на радиальных турбомашинах (Турбо - Брайтон) с холодопроизводительностью 600…1500 Вт на уровне 65 К применительно к ВТСП генераторам и электродвигателям Такая система обеспечивают большой межремонтный интервал (свыше 30000 часов) при высоком КПД. Особенности конструкции этой системы следующие: - рабочее тело в газовом контуре – неон; - турбокомпрессоры и турбодетандер с газодинамическими подшипниками; - охлаждение рабочего тела (неона) после компрессии происходит в компактных пластинчато-ребристых концевых теплообменниках с помощью антифриза, а, охлаждение антифриза - воздухом в теплообменном аппарате с помощью вентиляторов. Система состоит из двух контуров – газового и жидкостного. Криорефрижератор в качестве рабочего тела газообразного контура используется неон. В криорефрижераторе обеспечивается компримирование неона тремя раздельными компрессорами. В качестве первой ступени компримирования и механической нагрузки на валу турбодетандера используется дожимающий компрессор. Затраченная работа на сжатие и потери обеспечивают нагрузку турбины ТД для достижения необходимой температуры газа. Температура неона за сопловым аппаратом турбины свыше 60 К. Ступень компрессора и турбина находятся на одном валу. Основное сжатие неона происходит в двухступенчатом компрессоре. Охлаждение неона после сжатия в компрессорах осуществляется в концевых теплообменных аппаратах. После сжатия в компрессоре третьей ступени неон охлаждается в концевом теплообменном аппарате и поступает в рекуперативный теплообменный аппарат и, затем, на турбину детандера и далее направляется через теплообменный аппарат нагрузки для охлаждения жидкого азота до температуры 65…74К. Неон позволяет в несколько раз сократить количество ступеней сжатия компрессора по сравнению с гелиевым контуром и значительно уменьшить стоимость компрессорного оборудования, а также уменьшает потери рабочего тела при работе по сравнению с гелиевым контуром. В контуре жидкостного охлаждения неона в концевых теплообменных аппаратах компрессоров и статора электродвигателя тепло отводится за счёт вынужденной циркуляции антифриза «Экасол» и затем обеспечивается сброс тепла в окружающую среду в «сухой» градирне. Использование радиальных турбомашин на газодинамических подшипниках позволяет при малых габаритах обеспечивать большую надежность и длительность работы криорефрижератора в сочетание с высокой термодинамической эффективностью. Для выбора основных параметров в контуре криорефрижератора была разработана замкнутая математическая модель системы охлаждения гибридной силовой установки с использованием термодинамических моделей отдельных элементов схемы. Дополнительно использовались программные комплексы для моделирования и определения геометрических размеров проточных частей этих элементов: Flowvizion, ANSYS (VISTA.RTD, VISTA.CCD). Математическая модель системы охлаждения ВТСП устройств была создана с использованием термодинамических моделей отдельных элементов схемы с учётом КПД каждого элемента, гидравлических потерь в трактах всех элементов системы. Были разработаны алгоритм и программа расчёта криорефрижератора и проведены расчёты. Все программные модули были верифицированы путём сопоставления результатов расчётов и экспериментов. Экспериментальные данные были получены в МАИ и фирмой Taiyo Nippon Sanso Corporation (Япония) на криорефрижераторе с использованием цикла Турбо-Брайтон. Его холодопроизводительностью составляет 2 кВт при температуре 70 К. Разработана испарительная система криостатирования (ИСКР) для протяжённых кабельных линий. Использование традиционных методов защиты от теплопритоков с использованием только пассивной теплоизоляции не может обеспечить необходимый температурный режим работы сверхпроводников для сверхпроводящих трактов большой длины. ИСКР является активной расходной системой криостатирования. Температура защищаемого от теплопритоков кабеля при использовании ИСКР будет сохраняться практически постоянной по длине. Для реализации ИСКР используются специальные теплообменные каналы. В эти каналы криогенная жидкость поступает через входные дозирующие устройства (жиклёры). В каналах теплообменника поддерживается давление ниже давления насыщения в тракте основного канала. Из каналов теплообменника поток удаляется через выходное дозирующее устройство (жиклёр) в зону пониженного давления. В системе ИСКР может использоваться один или несколько параллельных протяжённых каналов. Величина давления в каналах ТА ИСКР поддерживается ниже давления в транспортном канале или баке, но выше давления тройной точки. Температура в канале теплообменника меньше температуры среды в охлаждаемом потока, поэтому за входным дозирующим устройством возникает тепловой поток от охлаждаемой среды в канал ТА ИСКР. В каналах ТА происходит испарение жидкости и прогрев пара. Величина создаваемого температурного напора может превышать 6...4 К. На внутренней поверхности канала ТА возникает плёночное течение жидкости (жидкая плёнка на стенке), а в ядре потока наблюдается движение пара с возможным присутствием небольшого количества капель. Величина теплового потока, поглощаемого ИСКР, в основном, определяется теплоотдачей на внешней поверхности канала теплообменника ИСКР (между жидкостью в транспортном канале и внешней поверхностью ТА) и практически не зависит от величины теплоотдачи в каналах ТА, так как теплоотдача в каналах многократно превосходит теплоотдачу на внешней поверхности Величина коэффициента теплоотдачи в транспортном канале ИСКР определяется скоростью потока, массовым паросодержанием и давлением. Изменение массовых расходов жидкости в каналах ИСКР незначительно влияет на величину коэффициента теплопередачи. Если тепловой поток, поглощаемый в каналах ИСКР, превышает теплоприток на внешней поверхности ТА, то происходит охлаждение жидкости. На входе в ТА ИСКР установлено входное дозирующее устройство в виде жиклёра или капилляра. На выходе из ТА установлен жиклёр. Выходной жиклёр обеспечивает необходимый уровень давления в канале ИСКР. Входное дозирующее устройство работает в условиях сверхкритического перепада давления между основным потоком и трактом канала ТА. Величина массового расхода теплоносителя в канале ТА определяется только давлением и температурой жидкости в баке и в тракте транспортного канала. Выходной жиклёр обеспечивает сверхкритический перепад давления между трактом канала ТА и трактом дренажной магистрали. Температура потока в канале ТА определяется значением давления (в нашем случае 0,1…0,2 бар), так как испарение двухфазного потока происходит с поверхности плёнки в канале ТА в условиях термодинамического равновесия. В указанном диапазоне давлений температура потока в канале водородного ТА изменяется от 14,4 до 15,8 К, а в канале азотного ТА – 65…70 К. ИСКР обеспечивает полное или частичное поглощение тепла, поступающего через теплоизоляцию и по термомостам криогенной системы. Величина теплового потока, поглощаемого ИСКР, в основном, определяется теплоотдачей на внешней поверхности канала теплообменника ИСКР (между транспортным каналом и внешней поверхностью ТА) и практически не зависит от величины теплоотдачи в каналах ТА, так как теплоотдача в каналах ТА многократно превосходит теплоотдачу на внешней поверхности. Величина коэффициента теплоотдачи в транспортном канале ИСКР определяется скоростью потока, массовым паросодержанием и давлением. Изменение массовых расходов жидкости в каналах ИСКР незначительно влияет на величину коэффициента теплопередачи. Если тепловой поток, поглощаемый в каналах ИСКР, превышает теплоприток на внешней поверхности ТА, то происходит охлаждение жидкости. Разработана математическая модель расчёта протяжённых высокотемпературных сверхпроводящих кабелей с ИСКР. При создании математической модели использовался эмпирический подход к расчету параметров парожидкостного потока на основе модели с раздельным описанием фаз. Все запланированные в отчетном периоде научные результаты достигнуты: да Описание выполненных в отчетном периоде работ и полученных научных результатов для публикации на сайте РНФ на русском языке (до 3 страниц текста, также указываются ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту) Выполнен анализ возможности использования газообразного неона для криостатирования сверхпроводников. Показано, что величина критического тока уменьшится в сравнении с охлаждением жидким азотом на 20...30%. Поэтому, следует отдать предпочтение системе с жидким азотом. Для транспортных ВТСП систем наиболее выгодными являются газовое охлаждение, так как исключается контур охлаждения жидким азотом, а, следовательно, уменьшаются массогабаритные параметры. Разработаны два варианта системы криообеспечения ВТСП силовых устройств с расходной системой криообеспечения (разомкнутый контур) и безрасходной системой криостатирования (замкнутый контур). Расходная система криообеспечения разработана применительно к трёхфазному ВТСП трансформатору (СКТ-01). Система предназначена для поддержания постоянного уровня и температуры жидкого азота в трёх криостатах обмоток ВТСП трансформатора (1000 кВА, 10/0.4 кВ) и обеспечивает холодопроизводительность до 3 кВт при поддержании температуры обмоток в диапазоне 77.4…78 К. Длительность работы системы криостатирования определяется запасом криожидкости в расходных баках и величиной массового расхода дренажа. В состав СКТ-01 входят три криостата обмоток низкого (НН) и высокого напряжения (ВН), две расходные ёмкости жидкого азота объёмом 370 л, система подачи жидкого азота из расходных ёмкостей в криостаты обмоток, система захолаживания и поддержания уровня жидкости в криостатах, система заправки расходных ёмкостей жидким азотом из переносных сосудов Дьюара ёмкостью 25 л или от ТРЖК – 7 ёмкостью 1.5 м3, системы управления работой СКТ-01. Система криообеспечения обеспечивает полное испарение жидкого азота в криостатах трансформатора за счёт теплопритоков в криостатах и тепловыделений в обмотках. Удаление пара происходит через дренажные магистрали в окружающую среду. Каждая обмотка трансформатора размещена в индивидуальном неметаллическом криостате, что предопределяет ограничение превышения давления в криостатах над давлением окружающей среды. Все элементы пневмогидросхемы расположенные вблизи трансформатора неэлектропроводные, в том числе трубопроводы, соединяющие азотные полости трёх криостатов. Они изготовлены из фторопластовых труб диаметром 10 мм. Криостаты изготавливаются из пенополиуретана «Изолан-123» и армированы стеклотканью по всем поверхностям. Поскольку вес обмоток достигает 100 кг, то предусмотрены силовые опоры из стеклотекстолита с минимальной осевой теплопроводностью, которые вклеены между текстолитовыми днищами толщиной 12 мм на нижнем днище криостата. Система управления состоит из микроконтроллера, обеспечивающего сопряжение с датчиками и исполнительными устройствами, а также с пультом управления, реализованным на базе планшетного компьютера, связанного с микроконтроллером по радио каналу (Bluetooth). Разработаны оптоэлектронный датчик уровня жидкости в криостате поплавкового типа и датчик фазового состояния потока в дренажной магистрали (датчик фазы). Он обеспечивает поддержание уровня азота в криостате трансформатора за счет управления работой электромагнитного клапана, Датчик фазы анемометрического типа, устанавливается на выходе из дренажного трубопровода криостата трансформатора, и определяет момент перелива жидкого азота при заправке криостатов, так и при возникновении аварийных ситуаций. Для измерения массы жидкого азота в расходных емкостях 14 используются электронные весы. Показания весов используются при проведении операций заправки жидким азотом расходных емкостей и для контроля жидкого азота в этих ёмкостях, а также обеспечивают последовательное подключение расходных емкостей при работе. Измерение температуры поверхностей криостатов обеспечивается тепловизором ThermaCAM P60 «FLIR systems». Выполнены расчёты теплопритоков в криостат, которые показали, что суммарный теплоприток к криостату не превышает 500 Вт или 1500 Вт для трёх обмоток. Была разработана замкнутая система криообеспечения использованием цикла Брайтона на радиальных турбомашинах (Турбо - Брайтон) с холодопроизводительностью 600…1500 Вт на уровне 65 К применительно к ВТСП генераторам и электродвигателям Такая система обеспечивают большой межремонтный интервал (свыше 30000 часов) при высоком КПД. Особенности конструкции этой системы: рабочее тело в газовом контуре – неон; турбокомпрессоры и турбодетандер используют газодинамическиеподшипники; охлаждение рабочего тела (неона) после компрессии происходит в компактных пластинчато-ребристых концевых теплообменниках с помощью антифриза, а, охлаждение антифриза - воздухом в теплообменном аппарате с помощью вентиляторов. Система состоит из двух контуров – газового и жидкостного. Криорефрижератор в качестве рабочего тела газообразного контура используется неон. В криорефрижераторе обеспечивается компримирование неона тремя раздельными компрессорами. В качестве первой ступени компримирования и механической нагрузки на валу турбодетандера используется дожимающий компрессор. Затраченная работа на сжатие и потери обеспечивают нагрузку турбины ТД и охлаждение газа до температуры 60 К на выходе из турбины. Основное сжатие неона происходит в двухступенчатом компрессоре. Охлаждение неона после сжатия в компрессорах осуществляется в концевых теплообменных аппаратах. После сжатия в компрессоре третьей ступени неон охлаждается в концевом теплообменном аппарате и поступает в рекуперативный теплообменный аппарат и, затем, на турбину детандера и далее направляется через теплообменный аппарат нагрузки, где происходит охлаждения жидкого азота до температуры 65…74К. Неон позволяет в несколько раз сократить количество ступеней сжатия компрессора по сравнению с гелиевым контуром и значительно уменьшить стоимость компрессорного оборудования, а также уменьшает потери рабочего тела при работе по сравнению с гелиевым контуром. Использование радиальных турбомашин на газодинамических подшипниках позволяет при малых габаритах обеспечивать большую надежность и длительность работы криорефрижератора в сочетание с высокой термодинамической эффективностью. Для выбора основных параметров в контуре криорефрижератора была разработана замкнутая математическая модель системы охлаждения гибридной силовой установки с использованием термодинамических моделей отдельных элементов схемы. Дополнительно использовались программные комплексы для моделирования и определения геометрических размеров проточных частей этих элементов: Flowvizion, ANSYS (VISTA.RTD, VISTA.CCD). Математическая модель системы охлаждения ВТСП устройств была создана с использованием термодинамических моделей отдельных элементов схемы с учётом КПД каждого элемента, гидравлических потерь в трактах всех элементов системы. Были разработаны алгоритм и программа расчёта криорефрижератора и проведены расчёты. Все программные модули были верифицированы путём сопоставления результатов расчётов и экспериментов. Экспериментальные данные были получены в МАИ и фирмой Taiyo Nippon Sanso Corporation (Япония) на криорефрижераторе с использованием цикла Турбо-Брайтон. Его холодопроизводительностью составляет 2 кВт при температуре 70 К. Разработана испарительная система криостатирования (ИСКР) для протяжённых кабельных линий. Использование традиционных методов защиты от теплопритоков с использованием только пассивной теплоизоляции не может обеспечить необходимый температурный режим работы сверхпроводников для сверхпроводящих трактов большой длины. ИСКР является активной расходной системой криостатирования. Температура защищаемого от теплопритоков кабеля при использовании ИСКР будет сохраняться практически постоянной по длине. Для реализации ИСКР используются специальные теплообменные каналы. В эти каналы криогенная жидкость поступает через входные дозирующие устройства (жиклёры). В каналах теплообменника поддерживается давление ниже давления насыщения в тракте основного канала. Из каналов теплообменника поток удаляется через выходное дозирующее устройство (жиклёр) в зону пониженного давления. В системе ИСКР может использоваться один или несколько параллельных протяжённых каналов. Величина давления в каналах ТА ИСКР поддерживается ниже давления в транспортном канале или баке, но выше давления тройной точки. Температура в канале теплообменника меньше температуры среды в транспортном канале, поэтому за входным дозирующим устройством возникает тепловой поток от охлаждаемой среды в канал ТА ИСКР. В каналах ТА происходит испарение жидкости и прогрев пара. Величина создаваемого температурного напора может превышать 6...4 К. На внутренней поверхности канала ТА возникает плёночное течение жидкости (жидкая плёнка на стенке), а в ядре потока наблюдается движение пара с возможным присутствием небольшого количества капель. Если тепловой поток, поглощаемый в каналах ИСКР, превышает теплоприток на внешней поверхности ТА, то происходит охлаждение жидкости. На входе в ТА ИСКР установлено входное дозирующее устройство в виде жиклёра или капилляра. На выходе из ТА установлен жиклёр. Выходной жиклёр обеспечивает необходимый уровень давления в канале ИСКР. Входное дозирующее устройство работает в условиях сверхкритического перепада давления между основным потоком и трактом канала ТА. Величина массового расхода теплоносителя в канале ТА определяется только давлением и температурой жидкости в баке и в тракте транспортного канала. Выходной жиклёр обеспечивает сверхкритический перепад давления между трактом канала ТА и трактом дренажной магистрали. Температура потока в канале ТА определяется значением давления (в нашем случае 0,1…0,2 бар), так как испарение двухфазного потока происходит с поверхности плёнки в канале ТА в условиях термодинамического равновесия. В указанном диапазоне давлений температура потока в канале водородного ТА изменяется от 14,4 до 15,8 К, а в канале азотного ТА – 65…70 К. ИСКР обеспечивает полное или частичное поглощение тепла, поступающего через теплоизоляцию и по термомостам криогенной системы. Если тепловой поток, поглощаемый в каналах ИСКР, превышает теплоприток на внешней поверхности ТА, то происходит охлаждение жидкости в транспортном канале. Разработана математическая модель расчёта протяжённых высокотемпературных сверхпроводящих кабелей с ИСКР. При создании математической модели использовался эмпирический подход к расчету параметров парожидкостного потока на основе модели с раздельным описанием фаз.