Криогенное оборудование для сверхпроводниковых электротехнических устройств
2008, Tом 5, выпуск 1
Тематика: Криогенное обеспечение
Сразу вскоре после появления первых опытных образцов сверхпроводниковых электротехнических устройств стало ясно, что криогенное оборудование, используемое в промышленности и для нужд физического эксперимента не подходит для охлаждения сверхпроводниковой электротехники как по уровню холодопроизводительности, так и по надежности и удобству эксплуатации.
В начале 20 века криогенное оборудование создавалось, в основном, для получения кислорода для нужд металлургии и химической промышленности. С развитием техники было также освоено получение в промышленных масштабах аргона, неона и гелия. Однако промышленные азотные и гелиевые ожижители – это сложные и громоздкие установки, требующие постоянного технического обслуживания высококвалифицированным персоналом, их холодопроизводительность намного превосходит потребности любых сверхпроводниковых электро-технических устройств и даже целых сверхпроводниковых подстанций. Исключение составляют лишь СПИНЭ с запасенной энергией в несколько сотен МДж и выше, а также ВТСП ЛЭП протяженностью более чем 1?2 км.
Бурный расцвет МР томографии (сейчас в мире производится более тысячи СП томографов в год) был бы невозможен без появления принципиально новых криогенных устройств - криокулеров, отличающихся компактностью, высокой надежностью и удобством в техническом обслуживании. Для достижения криогенных температур достаточно просто включить криокулер. От пользователя теперь не требуются познания в криогенной технике, все необходимые сервисные работы выполняют представители фирмы изготовителя с периодичностью раз в полгода или реже. Сейчас криокулеры широко используются в различном лабораторном оборудовании, благодаря им существенно упростилась конструкция вакуумных крионасосов. Криокулеры в большом количестве производятся несколькими фирмами: SHI Cryogenics, Cryomech, Leybold и др. Существуют две конструктивные разновидности криокулеров: поршневые и на основе пульсационных труб, последние могут работать только в вертикальном положении. Криокулеры малой мощности обычно состоят из двух блоков: холодной головки, которая монтируется на охлаждаемом объекте, и гелиевого компрессора высокого давления, соединенного с головкой шлангами. Время непрерывной работы современных криокулеров достигает 10000 часов.
Однако у существующих криокулеров есть целый ряд недостатков: во-первых, хладопроизводительности единичного криокулера на гелиевом уровне температур недостаточно даже для охлаждения сверхпроводникового электротехнического устройства мощностью в несколько МВт во-вторых, КПД криокулера, работающего по циклу Гиффорда-МакМагона, существенно хуже, чем у классического ожижителя, работающего по циклу Брайтона, в-третьих, криокулеры (за исключением пульсационных труб) создают достаточно сильную вибрацию, борьба с которой требует дополнительных мер. Для охлаждения коммерческих сверхпроводниковых электротехнических устройств потребуется криогенное оборудование, которое по своей надежности и удобству эксплуатации должно, как минимум, не уступать существующим криокулерам, а по холодопроизводительности и КПД значительно превосходить их.
Развитие криогенного оборудования для охлаждения ВТСП электротехнических устройств идет по двум различным путям: созданию мощных пульсационных труб (компания Q-drive, США) и поршневых криокулеров с механическим приводом (компания Stirling Cryogenics, Голландия). Несомненным преимуществом пульсационных труб является почти полное отсутствие в них движущихся частей, что позволяет резко увеличить надежность устрой-ства и увеличить интервал между работами по техническому обслуживанию. На сегодня, компания Q-drive предлагает целую линейку криокулеров на базе пульсационных труб, в том числе и 2S362K с холодопроизводительностью в 1 кВт (рис. 1). Криокулеры 2S362K успешно используются для охлаждения ВТСП кабеля в Биксби (Коламбус, США).
Чрезвычайно перспективными представляются работы по созданию пульсационных труб, работающих по циклу Стирлинга, что позволит достичь более высокого КПД, чем для криокулеров, работающих по циклу Гиффорда МакМагона. В США и Японии проектируются пульсационные трубы с холодопроизводительностью при 77 К в 5 кВт и даже в 20 кВт.
Рис. 1. Криокулер Q-drive 2S362K (1 кВт при 77 К).
Компания Stirling Cryogenics предлагает широкий модельный ряд криокулеров с механическим приводом, работающих по циклу Стирлинга, КПД которых более чем в 1,5 раза выше, чем у криокулеров, работающих по циклу Гиффорда МакМагона. Отличительной особенностью криокулеров Stirling Cryogenics является их модульная конструкция, если криокулер типа LPC-1 RL состоит из одного модуля с холодопроизводительностью в 1 кВт при температуре 77 К, то криокулер LPC-8 RL включает в себя восемь таких модулей, и его холодопроизводительность при 77 К достигает 8 кВт. За счет модульности достигается удобство в монтаже и техническом обслуживании. Компания Stirling Cryogenics разработала несколько семейств криокулеров с различными рабочими температурами и схемами охлаждения, что позволяет найти оптимальное криогенное решение для охлаждения практически любого ВТСП электротехнического устройства.
Семейство криокулеров LPC FF предназначено для создания систем циркуляционного охлаждения, в которых жидкий азот с температурой 65-77 К под давлением прокачивается через охлаждаемый криостат. Помимо криокулера в состав системы циркуляционного охлаждения входят буферный танк, криогенный насос и газификатор для создания избыточного давления (рис. 2). Криокулеры LPC FF успешно используются для охлаждения нескольких ВТСП кабелей.
Криокулеры серий LPC RL и LPC T RL используются для реконденсации азота и неона. Криокулеры LPC T RL выполнены в двухступенчатом исполнении, за счет чего достигается рабочая температура в диапазоне 26-36 К (для серии LPC RL рабочая температура составляет 65-77 К). Конструктивно обе серии криокулеров достаточно близки (рис. 4), с охлаждаемым криостатом они соединяются через криогенный трубопровод большого сечения, по которому испарившийся газ поступает в реконденсатор криокулера, а сжиженный газ самотеком стекает обратно в криостат. Криокулеры серии LPC RL широко используются для охлаждения ВТСП токоограничителей и других ВТСП устройств с рабочей температурой 65-77 K.
Рис. 2. Система циркуляционного охлаждения Stirling LPC-2 FF (1700 Вт при 77 К).
Последняя разработка Stirling Cryogenics – криокулеры серии GPC предназначены для охлаждения до температуры 20-30 К путем принудительной циркуляции теплообменного газа (гелий). Криокулеры серии GPC имеют двухступенчатое исполнение, каждая из ступеней заканчивается теплообменником для охлаждения теплообменного газа, циркуляция которого по двум замкнутым контурам осуществляется при помощи криогенных насосов. Температура теплообменного газа в первом контуре составляет 80 К, а во втором – 20-30 К. Криокулеры серии GPC предназначены для охлаждения сверхпроводниковых электрических машин и трансформаторов.
В таблице приведены основные характеристики криокулеров различных производителей, для криокулеров двухступенчатого исполнения указано два значения. Для криокулеров Stirling Cryogenics указаны характеристики самой маломощной и самой мощной модели в серии (параметры в скобках).
Рис. 3. Криокулер Stirling LPC-1 T RL (105 Вт при 26 К).
Таблица.
Ниже приведены типовые криогенные задачи, возникающие при создании различных сверхпроводниковых устройств, а также кратко описаны пути их решения:
ВТСП кабели – Исходя из теплопритоков и тепло-выделений в кабеле на уровне 1-2 Вт на погонный метр, холодопроизводительность криогенной установки составит от 2 до 10 кВт в зависимости от конструкции и длины кабеля. Хладагент – жидкий азот с температурой от 66 до 77 К циркулирует под давлением по замкнутому контуру. Криогенная установка расположена на одном из концов кабеля, если все фазы кабеля находятся в общем криостате, то должен быть предусмотрен канал для возврата жидкого азота. Если же каждая фаза кабеля заключена в свой собственный криостат, то возврат азота к криоген-ной установке производится через криостат одной из фаз (рис. 4). Следует обратить внимание на то, что гидравлическое сопротивление ВТСП кабеля сильно возрастает с ростом его длины, если в ВТСП кабеле Олбани длиной 350 м давление хладагента составля-ло около 6 атм, то уже в 660 метровом кабеле Лонг-Айланде (LIPA) рабочее давление достигло 20 атм, что делает создание ВТСП кабелей длиной свыше 1 км проблематичным без использования дополнительных криогенных насосов.
Рис. 4. Криогенная схема ВТСП кабеля LIPA.
ВТСП токоограничители – Теплопритоки по токовводам и тепловыделения, связанные с потерями на переменном токе в токоограничивающих элементах, можно грубо оценить в 0,3 – 1 кВт в расчете на 10 МВт номинальной мощности устройства. Дать точную оценку тепловыделений можно, лишь зная характер нагрузки в сети. Теплопритоки по криостату будут много меньше, чем тепловыделения, связанные с потерями на переменном токе, и ими можно пренебречь. Хладагент – жидкий азот при температуре 66-77 К.
ВТСП трансформаторы – Вплоть до появления ВТСП материалов 2-го поколения, создание ВТСП трансформаторов, работающих при температуре 77К, было сопряжено со значительными трудностями, связанными с сильной и анизотропной зависимостью критических свойств ВТСП проводников на основе Bi-2223 от магнитного поля. Для того чтобы достичь рабочей плотности тока в ВТСП обмотках, находящихся в магнитном поле с индукцией порядка 1 Тл, необходимо значительно снизить их рабочую температуру, что достигается путем охлаждения ВТСП обмоток криокулерами через теплообменный газ (обычно гелий). Появление доступных ВТСП материалов 2-го поколения позволит создать в ближайшем будущем трансформаторы с рабочей температурой 77 К и соответственно, с более простой криогеникой.
ВТСП электрические машины – В силу резкой полевой зависимости критических свойств ВТСП проводов на основе Вi-2223, обмотки электрических машин мощностью выше 1 МВт обычно работают при температуре 20-30 К, охлаждение ВТСП обмоток осуществляется криокулерами через теплообменный газ: в разработках Siemens неон, у AMSC гелий. Несмотря на дороговизну, охлаждение неоном имеет несомненный плюс: температура кипения жидкого неона составляет 27 К, что позволяет организовать циркуляцию неона по принципу пар-лифта без использования криогенного насоса.
Рис. 5. ВТСП генератор Siemens мощностью 4 МВт и один из его криогенных модулей.
На рис. 5. изображен один из криогенных модулей ВТСП генератора мощностью 4 МВт, разработанного компанией CryoZone по заказу Siemens. Криогенный модуль состоит из охлаждаемого криокулером неонового реконденсатора с буферным танком, и коаксиального криогенного трубопровода, проходящего сквозь вал генератора внутрь ротора. Жидкий неон подается по криогенному трубопроводу непосредственно в центр ротора, охлаждая ВТСП обмотки, затем газообразный неон возвращается в реконденсатор. Уплотнение на основе ферромагнитной жидкости обеспечивает герметичность между вращающимся валом и неподвижным трубопроводом. Статор ВТСП генератора охлаждается еще двумя криогенными модулями аналогичной конструкции.
СПИНЭ – В обозримом будущем СПИНЭ с запасенной энергией большей нескольких сот кДж, могут быть изготовлены только из низкотемпературных сверхпроводников (обычно NbTi), охлаждаемых до температуры жидкого гелия. Для СПИНЭ с запасенной энергией до 20 МДж еще возможно охлаждение от криокулеров, тогда как более крупные установки потребуют собственного гелиевого ожижителя.