НА ПОДСТУПАХ К МГД-ЭКЕРГЕТИКЕ
В. Кириллин, академик, А. Шейдлин, член-корреспондент Академии наук СССР, С. Пищиков, кандидат технических наук, Ю. Волков, кандидат физико-математических наук
Развитие энергетики, увеличение производства электроэнергии - одна из основ роста экономики, ускорения научно-технического прогресса, повышения производительности труда. Наши народнохозяйственные планы всегда предусматривали и предусматривают высокие темпы наращивания энергетических мощностей. Например, за годы девятой пятилетки будут введены в действие электростанции суммарной мощностью 65 - 67 миллионов киловатт, а общая их мощность к концу 1975 года достигнет примерно 230 миллионов киловатт.
Потребность в электрической энергии постоянно растет и обычно более чем удваивается за десятилетие. Около 80 процентов электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях, сжигающих ежегодно много миллионов тонн угля, многие миллиарды кубометров газа. Повышение эффективности использования топлива при производстве электроэнергии - задача большой важности. Достаточно сказать, что увеличение КПД тепловых электростанций лишь на 1 процент в масштабах нашей страны при сегодняшнем уровне производства электроэнергии позволило бы сэкономить за год около 3 миллионов тонн топлива в пересчете на условное, либо при том же его расходе дополнительно выработать около 10 миллиардов квт.ч. электроэнергии.
За последние годы немало сделано для улучшения технико-экономических показателей работы электростанций. Но возможности здесь не безграничны. Для традиционных тепловых электростанций мы уже близки к предельному значению КПД - 40 - 41 процент.
Естественно, что усилия ученых, инженеров направлены не только на совершенствование оборудования и процессов традиционной энергетики, но, и на разработку новых, более эффективных способов получения электроэнергии. В этом отношении перспективен для большой энергетики метод прямого преобразования тепла в электрическую энергию на основе использования магнитогидродинамического (МГД) принципа. Хотя идея МГД-генерирования является старой и по своей сути проста, ее практическая реализация оказалась столь сложной задачей, что реальные возможности ее решения появились лишь в последние годы.
Создание МГД-установок позволит повысить КПД электростанций примерно до 50, а в перспективе и до 60 процентов. Кроме того, МГД-генераторы нужны атомной энергетике.
У нас в стране работы по созданию МГД-генераторов ведутся широким фронтом. Это относится, в частности, к работам, проводимым Министерством энергетики и электрификации СССР под научным руководством Института высоких температур Академии наук СССР. Большие и важные для ядерной энергетики исследования ведут ученые Института атомной энергии имени И. В. Курчатова.
Сейчас советские исследователи приступили к завершению важного этапа программы овладения методом МГД-генерирования переход от экспериментальных установок к опытно-промышленным.
Академик В. КИРИЛЛИН.
ЗА «КРУГЛЫМ СТОЛОМ» В РЕДАКЦИИ:
Директор Института высоких температур АН СССР, член-корреспондент Академии наук СССР Александр Ефимович ШЕЙНДЛИН, заместитель директора Института высоких температур АН СССР, начальник установки У-25, кандидат технических наук Сергей Илларионович ПИЩИКОВ, заведующий лабораторией Института атомной энергии имени И. В. Курчатова, кандидат физико-математических наук Юрий Михайлович ВОЛКОВ.
ВВЕДЕНИЕ
А. Шейндлин. Мы собрались в редакции, как это принято называть, за «круглым столом», чтобы рассказать о последних успехах в решении проблемы использования для большой энергетики магнитогидродинамического (МГД) метода преобразования энергии.
О методе МГД-генерирования ваш журнал подробно рассказывал. Писали, и о создании в Советском Союзе первой в мире комплексной экспериментальной энергетической МГД-установки У-02. И хотя времени прошло с той поры не так уж много, а дорога на финише иногда оказывалась круче, чем предполагалось, наши ученые, инженеры настойчиво и небезуспешно продвигаются по ней вперед. Думаю, что нам, собравшимся здесь и представляющим коллективы ученых, работающих над созданием МГД-установок для большой энергетики, стоит рассказать о той ситуации, которая сложилась в настоящее время.
Ю. Волков. Да, конечно. Но, очевидно, имеет смысл, чтобы Александр Ефимович сделал некоторое «вхождение» в проблему, напомнил читателям ее суть.
ЗАМАНЧИВАЯ ПРОСТОТА
А. Шейндлин. Открыв в 1831 году явление электромагнитной индукции, Фарадей создал все предпосылки для изобретения электрогенератора. И действительно, скоро такая машина была создана. В ней обмотка ротора при вращении пересекала магнитное поле статора, индуцируя электродвижущую силу (ЭДС). Но из законов электромагнитной индукции следовало, что можно создать и иного типа генератор, куда более привлекательный.
Если твердый вращающийся проводник заменить потоком, например, электропроводящего газа, пересекающего при своем движении магнитное поле, то в этом газе тоже будет индуцироваться электродвижущая сила. Значит, если соответствующим образом расположить в канале электроды, которые будут омываться газом и соединить их с внешней нагрузкой, то ЭДС создаст электрический ток в замкнутом контуре, включающем электропроводящий газ и нагрузку. В результате взаимодействия электрического тока с магнитным полем на газ будет действовать тормозящая сила. Газ совершает работу против нее и происходит непосредственное преобразование кинетической энергии движущегося газа в электрическую энергию.
Простота конструкции такого генератора очень заманчива в нем нет никаких движущихся частей.
Но прошло более ста лет, а идея такого, как его теперь называют, магнитогидродинамического, или сокращенно МГД-генератора, оставалась нереализованной. Первая и главная причина этого связана с необходимостью иметь хорошо электропроводящий газ. А для этого надо было создать условия, позволяющие превратить обычный газ в плазму при достижимых высоких температурах - примерно 2 500 - 3 000°С. Напомню, что в традиционной топке парового котла температура пламени лишь около 1 600 - 1 800° С. Естественно, что нужны и материалы, способные работать при столь высоких температурах.
Надежды на преодоление этих главных (но далеко не единственных) трудностей стали реальными лишь совсем недавно - благодаря успехам науки, новой техники и прежде всего ракетостроения.
Разбираясь в поведении плазмы, ученые заметили, что если к продуктам сгорания добавить калий или цезий, то есть вещества с низким потенциалом ионизации, то концентрация свободных электронов в газе оказывается довольно большой и он становится заметно электропроводным при температурах около 3 000° С, то есть при температурах, которые можно получить в камерах сгорания реактивных двигателей. Естественно, что, как только удалось получить такую плазму, ученые вспомнили всю историю проблемы если иметь электропроводный газ, движущийся с большой скоростью, то можно создать преобразователь энергии нового типа.
В 1960 году за эту проблему взялись советские ученые - в том числе коллективы исследователей из Института атомной энергии и Института высоких температур.
ИЛЛЮЗИИ, ПОРОДИВШИЕ БУМ
Число организаций, занявшихся созданием МГД-генератора, росло, как грибы. Почему так получилось?
Сразу стало ясно, что раз мы забираемся в область высоких температур (по сравнению с традиционными методами преобразования энергии), то здесь с позиций термодинамики открыт путь к созданию энергетических установок с высоким КПД 55 - 60 процентов (а многие уж очень увлекающиеся ученые говорили чуть ли не о 70 процентах). Это значило примерно в полтора раза увеличить то предельное значение КПД, которое имеют лучшие паротурбинные установки современных тепловых электростанций. Ясно, что такая перспектива была не просто заманчивой, а грандиозной.
Но, как это нередко бывает при создании новой техники, возникли иллюзии, что проблему можно решить запросто, одним ударом. Все это было довольно соблазнительно. Образовалось очень много групп исследователей. Но они либо весьма быстро растаяли, либо объединили свои усилия.
Такой бум вокруг проблемы создания МГД-генератора царил во всем мире. Но продолжался он не так долго - примерно до 1965 года.
После проведения первых исследований сам принцип производства электроэнергии МГД-генератором подсказал, что, по-видимому, можно создать три вида таких энергетических установок. Первый - это тот, с которого начали ученые, так называемые МГД-установки открытого цикла; в них рабочим телом служат продукты сгорания органического топлива, которые, пройдя через канал МГД-генератора и другие теплообменные аппараты, выбрасываются наружу. Второй вид - установки замкнутого цикла; в них тоже работает плазма, но каждый раз после прохождения канала и других элементов установки охладившийся газ снова возвращается в устройство, где он опять нагревается до требуемой температуры. В качестве источника тепла заманчивым представляется использование атомного реактора. И, наконец, третий вид установок - жидкометаллические МГД-генераторы; здесь рабочим веществом служит расплавленный металл.
Эти три направления по созданию МГД-генераторов в начале казались равноценными по своей значимости.
НАСТУПИЛ ТРЕЗВЫЙ ПОДХОД
Известный спад, который произошел в середине шестидесятых годов, определился несколькими обстоятельствами.
Прежде всего тем, что исследователи столкнулись с серьезными трудностями в основном технологического плана пришлось конструировать установки, которые должны достаточно долго работать при очень высоких температурах с мощными тепловыми потоками, при больших электрических токах, значительных электрических напряжениях, и т. д. А такие конструкции не удавалось создать сразу и тут многие потерпели неудачу.
Ю. Волков. Следует подчеркнуть, что МГД-установки должны быть большими. На маленьких установках очень трудно получить, какие-то заметные эффекты, так, как велик относительный уровень потерь. Необходимость создания крупных экспериментальных установок существенно усложняла и без того крайне трудную задачу. Для многих ученых это стало причиной некоторого пессимизма. Вообще для решения такой сложнейшей проблемы требовался комплексный подход сочетание высокого научного потенциала, высокого технологического уровня и, конечно, высокого организационного уровня.
А. Шейндлин. Юрий Михайлович абсолютно прав. И я только дополню его высказывание, касающееся того обстоятельства, что МГД-установка для энергетики экономически целесообразна лишь тогда, когда она очень мощная.
Строить плазменную МГД-установку, скажем, на 1 тысячу киловатт, даже на 10 тысяч киловатт экономически бессмысленно - она не только не будет иметь преимуществ по сравнению с традиционной, а даже будет уступать ей. А вот если создать МГД-установку мощностью, например, 500 тысяч или - еще лучше - в один-два миллиона киловатт, то тогда выявятся все ее достоинства, в первую очередь высокий КПД, а также относительно низкие капитальные затраты. Это действительно будет высокоэффективная новая крупная энергетика - МГД-энергетика.
С. Пищиков. Родился даже такой технический афоризм, который очень точно передает суть трудностей «Уменьшенная модель МГД-генератора - это увеличенная модель его недостатков»
СОЕДИНИВ УСИЛИЯ
А. Шейндлин. Итак, бум кончился. Трудности оказались такими, что надежда справиться с ними была лишь у немногих научных организаций.
Следует сказать еще об одном важном обстоятельстве. В ряде стран, в частности в США, увлечение политиков, экономистов, инженеров ядерной энергией стало причиной того, что в те годы почти общепризнанным было мнение о необходимости заниматься лишь атомной энергетикой. Такое положение было особенно характерно для Англии, Франции и для некоторых других стран Европы. Тем самым работы по всем другим новым направлениям стали свертываться.
А так, как из МГД-установок наиболее реальными для большой энергетики оказались установки открытого цикла, а не установки с замкнутым циклом, то это привело к тому, что во многих странах произошел спад исследований по МГД-генераторам. Следует, однако, отметить, что за последние несколько лет интерес к этой проблеме в ряде стран снова сильно вырос. Прежде всего в США.
У нас таких «шатаний», к счастью, не было в нашей стране работы велись по четкой программе и успешно развивались по всем трем направлениям МГД-преобразования энергии (хотя, как и в любой области науки и техники, мировая конъюнктура в чем-то влияла и на наши работы).
Сейчас есть все основания утверждать, что наша позиция по этой проблеме оказалась правильной и это обеспечило нам ведущее положение по сравнению с другими странами.
И у нас, и у американских ученых накоплен немалый опыт по проблеме МГД-пре-образования. Правда, опыт разный. У нас он связан с созданием крупных комплексных установок для выяснения целого ряда специфических проблем, возникающих при совместной работе всех элементов такой МГД-установки - фактически модели электростанции. Такого опыта у американских специалистов мало и они в нем нуждаются. С другой стороны, у них есть полезный для нас опыт работы с отдельными элементами установок в очень напряженных условиях.
Вот почему одной из главных тем в программу совместных исследований с США в области энергетики включен пункт о работах по МГД-преобразованию энергии.
Мы начинаем серьезные совместные исследования с американскими учеными в этой области в основном по установкам открытого цикла. Предусматривается проведение совещаний, совместных научно-исследовательских работ на отечественных экспериментальных установках и на американских установках, а также различный обмен информацией. И, наконец, как возможный итог этой деятельности - совместная разработка проектов крупных МГД-электростанций.
АЛЬТЕРНАТИВЫ НЕТ
Интересующиеся проблемой создания МГД-генераторов для большой энергетики нередко задают следующий вопрос.
Если бы мы могли, «перешагнув» все трудности, построить МГД-установки требуемой мощности, работающие по замкнутому и открытому циклу, то, какому бы из них отдали предпочтение?
Вообще вопрос об оптимальных областях применения МГД-установок замкнутого и открытого типа сводится фактически к проблеме соотношения атомных и тепловых электростанций, работающих на органическом топливе, к оценке перспектив их развития.
Понятно, что такое рассмотрение следует вести, исходя из допущения, что представляется возможным создать высокотемпературный газоохлаждаемый атомный реактор с уровнем рабочих температур не ниже 1 500 - 1 700°С. (Надо заметить, что это исключительно трудная задача). Газ с такой температурой уже можно было бы использовать в качестве рабочего тела МГД-генератора.
Говоря о замкнутых циклах с жидкометаллическим рабочим телом, необходимо отметить, что вряд ли такого рода МГД-установки найдут применение в крупной энергетике.
Ю. Волков. Деление установок на открытые и замкнутые - это классификация, ну, если хотите, теплофизическая, то есть она фактически говорит о способе нагрева рабочего тела. Конечно, такая терминология фактически отражает, и «геометрию» установки (замкнутая система или открытая). Но с позиций электрофизического подхода более естественна классификация установок по состоянию рабочего тела с неравновесной плазмой, с равновесной плазмой, с жидкометаллическим проводником.
В замкнутых циклах мы имеем дело с неравновесной плазмой и поэтому получается, что названия «неравновесная плазма», и «замкнутый цикл» означают одно и то же; такое «совпадение» относится, и к открытому циклу, для которого «синонимом» будет «равновесная плазма»
Напомню, что газ, проходящий через канал МГД-генератора, должен быть достаточно электропроводен. Для этого его нагревают до высокой температуры (около 2 500°С). С повышением температуры газа растет кинетическая энергия его частиц. При достаточно сильном нагреве электрон способен, сталкиваясь с молекулой, атомом, ионизовать их. В результате таких столкновений рождаются новые электроны. Растет проводимость газа. Таков механизм термической ионизации, происходящей, например, в камере сгорания МГД-установки. Степень термической, или, иначе говоря, равновесной, ионизации целиком определяется температурой нагрева газа.
Но можно создать и неравновесную ионизацию. В этом случае при данной температуре нейтральных частиц газа степень ионизации будет выше, чем в равновесной плазме с той же температурой. Это значит, что есть относительно холодный атомный (или молекулярный) газ, в котором движутся горячие электроны.
Основное преимущество неравновесной плазмы состоит в том, что она имеет температуру более низкую, чем ее горячие электроны. (Классический пример такой плазмы - рекламные неоновые трубки. Светящуюся трубку спокойно можно держать в руке - она холодная, а электроны, оторванные от атомов неона, очень горячие - 20 000 – 40 000 К - у них большие скорости движения, которые определяются энергией, затраченной на ионизацию.)
Следовательно, в МГД-генераторе на неравновесной плазме вместо примерно 2 500°С, необходимых для обеспечения требуемой электропроводности плазмы при термической ее ионизации, можно бы иметь плазму с температурой атомов и ионов более низкой - менее 2 000°С.
Эффективность ионизационных процессов и процессов переноса в плазме определяется главным образом температурой электронов. Значит, если бы удалось найти приемлемый способ нагрева электронов до очень высокой температуры, то мы имели бы уникальное рабочее тело благодаря наличию горячих электронов оно отличалось бы хорошими плазменными свойствами и в то же время являлось бы относительно холодным газом с температурой, которую сравнительно несложно получить в ядерном реакторе.
МГД-генератор, работающий с такой неравновесной плазмой, представлял бы очень большой практический интерес.
СИТУАЦИЯ ТРУДНАЯ, НО НЕ БЕЗНАДЕЖНАЯ
Почему же в установках открытого цикла не используют неравновесную плазму? Казалось бы, это реальный путь уменьшения возникающих конструктивных и технологических трудностей.
Из продуктов сгорания создать подходящую неравновесную плазму практически нельзя. Потеря электроном энергии при столкновении с атомом определяется соотношением соударяющихся масс. Так, как масса электрона во много раз меньше массы атома, то при упругом столкновении электрона с атомами он теряет очень мало энергии. Иначе обстоит дело, когда электрон сталкивается с молекулами. В этом случае есть еще потери (неупругие), связанные с возбуждением колебаний молекул, вращением их, и др. Поскольку, например, вращательные уровни типичных молекул соответствуют очень маленьким температурам (приблизительно комнатной),
то при соударении с ними электрон почти сразу же отдает свою энергию и становится «холодным». Таким образом, чтобы в молекулярном газе продуктов сгорания получить неравновесную ионизацию, пришлось бы затратить неоправданно большое количество энергии. Ясно, что экономически это невыгодно.
В замкнутом цикле можно использовать теоретически любой газ и, в частности, такой, у атомов которого легко оторвать валентные электроны и который допускает существование свободных электронов с энергиями много большими, чем энергия тяжелых частиц.
Повысить температуру электронов можно разными способами (например, облучая газ частицами, фотонами, короткими сильными импульсами электромагнитного поля). Но, конечно, нужен такой способ создания неравновесной ионизации, который был бы связан с минимальной затратой энергии.
Так вот МГД-генератор - идеальное устройство с точки зрения создания и поддержания неравновесной ионизации. При движении плазмы в магнитном поле канала МГД-генератора возникает разность потенциалов, то есть электрическое поле, которое и отрывает от атомов электроны и нагревает их - разгоняет до скоростей, соответствующих более высоким температурам, чем средняя температура всей плазмы. Получается, что внутри рабочего объема канала не только индуцируется электрический ток, то есть то, ради чего создается МГД-установка, но, и работает механизм образования и поддержания неравновесной плазмы.
В Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова под руководством члена-корреспондента АН СССР Евгения Павловича Велихова примерно с 1960 года начались обширные теоретические и экспериментальные исследования процессов в неравновесной плазме, причем на первом этапе без взаимодействия с магнитным полем, а затем в магнитном поле.
Оказалось, что такая низкотемпературная плазма имеет много общего с термоядерной плазмой, с которой мы привыкли иметь дело. Например, в неравновесной плазме в магнитном поле возникают различного рода неустойчивости, которые могут существенно влиять на характеристики установок с замкнутым циклом. Это одна из серьезных трудностей, вставшая пока преградой на пути реализации заманчивой идеи создания МГД-установок замкнутого цикла.
В частности, было замечено явление ионизационной неустойчивости. Оно приводит к тому, что ток в плазме течет не однородно в пространстве, а в виде отдельных ручейков, которые обтекают «холмики», и «долины» в плазме, существующие в ней в связи с флуктуациями концентрации ионов. Изменяется эффективное сопротивление плазменного промежутка, что, естественно, сказывается на работе МГД-генератора.
Обнаружен и ряд других особенностей, связанных с неравновесной плазмой, например, наблюдалась ионизационная волна, аналогичная волне горения. Что это значит? Неравновесная плазма - по существу, такое состояние, когда в, каком-то месте пространства находится холодный газ, а рядом образовалась область с горячими электронами. Они уходят из этого участка пространства туда, где находится холодный газ, ионизируют его, и, таким образом, плазменное состояние распространяется по неионизированному объему с определенной скоростью. Сравните с волной горения в газе его где-то подожгли, появился фронт пламени и он распространяется, оставляя за собою продукты сгорания. Изучение явления ионизационной волны оказалось важным для создания неравновесной плазмы на входе канала МГД-генератора.
Я рассказал лишь о немногих наших исследованиях в этой области. Аналогичные работы проводились также в ряде отечественных и зарубежных институтов.
А. Шейндлин. Надо подчеркнуть, что все направления взаимосвязаны и, в частности, результаты исследований того, что происходит в плазме при ее движении по каналу МГД-генератора замкнутого цикла, часто могут быть с успехом использованы и для МГД-установок открытого цикла. Вообще исследования физических явлений в канале МГД-генератора имеют чрезвычайно большое значение, ибо экономика всей установки в конечном счете зависит от эффективности преобразования энергии в канале МГД-генератора.
Ю. Волков. В нашем институте была создана довольно большая установка замкнутого цикла, на которой проводился ряд важных исследований и были получены очень интересные результаты. В частности, наши исследования последних лет показали, что ситуация, связанная с возникновением всякого рода неустойчивостей у неравновесной плазмы, не безнадежная. Существует ряд способов подавления этих неустойчивостей. Можно, например, полностью ионизировать атомы присадки.
Величины потенциала ионизации атомов основного газа, скажем, аргона и атомов присадки очень сильно отличаются. Поэтому, если полностью ионизировать присадку, то получается, что дальше уже ионизироваться, как бы нечему и тем самым можно выровнять концентрации в пространстве не будет тех «холмиков», и «долинок», о которых я говорил раньше. Сейчас исследуются и другие возможности подавления неустойчивостей.
А. Шейндлин. Проблема сооружения МГД-установок замкнутого цикла делится по крайней мере на две части. Первая - это создание самого МГД-генератора и получение в нем всех необходимых энергетических эффектов при сравнительно невысокой температуре плазмы - за счет неравновесной ионизации. Вторая часть проблемы - разработка атомного реактора, который бы позволил непрерывно нагревать рабочее тело, циркулирующее в контуре МГД-установки. Эта задача весьма специфическая и ее решением занимаются ученые, инженеры, работающие в области реакторостроения.
Ю. Волков. Следует отметить, что МГД-генератор на неравновесной плазме может быть достаточно эффективен (по КПД) только при условии, что газ будет не очень холодным. Теоретические оценки показали следующее. Чтобы электростанция с МГД-установкой, работающей на неравновесной плазме, имела КПД около 50 процентов, плазма на входе в канал должна иметь температуру около 1 700° С.
В настоящее время допустимая температура в атомном реакторе значительно меньше - около 1 200сС. И предстоит серьезная работа по созданию таких реакторов, в которых ядерное топливо и продукты деления выдерживали бы температуру, нужную для нагрева плазмы, циркулирующей в замкнутом контуре МГД-генератора.
Замечу, что во всем мире еще нет установок, работающих совместно с атомным реактором в качестве источника тепла. По состоянию проблемы пока в этом нет необходимости, ведь сегодня в основном исследуются процессы в канале МГД-генератора и нагреть плазму для этих целей можно более простым способом.
ПЕРСПЕКТИВЫ БЛИЗКИЕ И ДАЛЕКИЕ
А. Шейндлин. По-моему, сегодня перспектив на скорую реализацию ядерной энергетической установки, работающей по замкнутому плазменному циклу, нет. Физические проблемы МГД-генерирования энергии достаточно ясны и, в частности, благодаря работам Института атомной энергии имени И. В. Курчатова. Создание ядерного реактора, работающего при требуемой, довольно-таки высокой температуре, задача, которую, по-видимому, удастся решить позднее, чем хотелось бы всем нам. Поэтому установки с замкнутым циклом придут в технику не завтра и не послезавтра. Возможно, что это будут термоядерные МГД-установки.
Ю. Волков. Проблема освоения термоядерной энергии состоит из двух частей первая - осуществление управляемой термоядерной реакции, то есть получение большого количества тепловой энергии, а вторая - преобразование ее * в электроэнергию. И вот здесь одним из методов преобразования добытой тепловой энергии может быть ее МГД-преобразование в электрическую энергию.
А. Шейндлин. Что касается МГД-генераторов открытого цикла, то здесь ситуация совсем другая. Сейчас завершается важнейший этап в развитии МГД-установок для большой энергетики переход от физических установок к опытным и опытно-промышленным.
С. Пищиков. На многих установках, имеющихся, и у нас, и за рубежом, были исследованы основные принципы работы собственно МГД-генератора. Это важная часть всей проблемы МГД-генерирования электроэнергии. Важная, но лишь первая. Это был пролог к следующему, самому ответственному этапу.
Далеко не каждое электрогенерирующее устройство может стать электрической машиной, предназначенной - для эффективного использования на электростанции, для работы в энергетической системе.
А. Шейндлин. Институт высоких температур АН СССР сосредоточил усилия на создании комплексной энергетической установки со всеми элементами будущей МГД-электростанции. И вот в 1965 году впервые в мире была пущена комплексная модельная энергетическая установка с МГД-генератором (У-02). Ее электрическая мощность была хоть и мала - порядка сотни киловатт, но, повторяю, самое главное заключалось в том, что установка содержала все элементы электростанции.
С. Пищиков. Установка У-02 позволила экспериментально отработать конструкцию многих узлов. Если на физических установках источником плазмы обычно служит камера сгорания типа ракетного двигателя на жидком топливе, то на установке У-02 работала и совершенствовалась камера сгорания, близкая к традиционным энергетическим камерам. Сам МГД-генератор был рассчитан на длительную работу. Исследовался парогенератор, куда направлялась плазма из канала МГД-генератора. Отрабатывалась система ввода и вывода ионизирующей присадки. Совершенствовались конструкции высокотемпературного воздухонагревателя, инвертора и других узлов будущей электростанции.
ГЕНЕРАЛЬНАЯ РЕПЕТИЦИЯ
А. Шейндлин. Эти многотрудные работы и стали той экспериментальной основой, которая уже позволила перейти к проектированию и сооружению опытно-промышленной установки У-25.
Установка эта представляет собой электростанцию с двумя силовыми контурами. В первичном разомкнутом контуре основной элемент - МГД-генератор, через канал которого движется плазма - продукты сгорания природного газа с ионизирующейся присадкой; вторичный замкнутый контур - традиционная паротурбинная установка, которая служит для утилизации тепла продуктов сгорания, прошедших через МГД-генератор. Плазма, покидающая первичный контур, попадает в парогенератор, где ее достаточно высокий запас тепла используется для получения пара. Таким образом, плазма работает, как бы дважды в канале МГД-генератора из нее непосредственно «извлекают» электроэнергию, а затем она, несколько охладившись и превратившись в обычный неэлектропроводный газ, отдает оставшееся тепло пару, который вращает турбину обычного электрогенератора. Именно такое наиболее полное использование энергии горячих газов позволит достигнуть коэффициента полезного действия МГД-электростанции около 50 - 60 процентов.
При освоении опытно-промышленной установки мы преодолевали трудности, которые вообще могут обнаружиться только при комплексном подходе к решению проблемы. Преодоление их должно сделать реальным развитие большой МГД-энергетики.
С. Пищиков. Конечно, подробный рассказ обо всем этом занял бы слишком много места. Приведу лишь несколько примеров.
При сооружении установки У-25 мы впервые отказались от нагрузочных омических сопротивлений и выдаем электроэнергию через инверторы прямо в Московскую энергетическую систему. Когда к шинам генератора подключается омическое сопротивление (например, ток пропускается через проволоку с высоким омическим сопротивлением и греет ее), которое и заменяет в физическом эксперименте реального потребителя, то мы имеем дело с пассивной нагрузкой - генератор лишь посылает ей ток. Энергетическая же система через инвертор начинает влиять на режим работы МГД-генератора - появляется обратная связь.
Регулирование ведут с помощью инвертора - устройства, преобразующего постоянный электрический ток в переменный. Он сделан так, что может плавно регулировать количество преобразуемой энергии. Его можно, скажем, «запереть», и тогда он не будет пропускать электрический ток от МГД-генератора, который в этом случае будет работать на холостом ходу. Если инвертор постепенно отпирать, то он начнет пропускать все больший и больший ток от МГД-генератора, который будет соответственно все больше нагружаться. А раз растет нагрузка, значит, надо повышать мощность генератора. На тепловых электростанциях в таких случаях увеличивают подачу пара к турбинам, на ГЭС увеличивают пропуск воды через турбины. А что делать на МГД-электростанции? Естественно, надо увеличить расход плазмы. Но размеры канала остаются неизменными, поэтому увеличить расход плазмы можно только за счет повышения ее скорости. Это приводит к росту напряжения на зажимах генератора (оно пропорционально величине индукции, ширине канала и скорости плазмы; первые два параметра не меняются, а скорость растет, поэтому увеличивается и напряжение).
МГД-генератор оказывается интересной и принципиально новой электрической машиной с ростом нагрузки у него не понижается напряжение, а повышается, то есть мы имеем машину с восходящей регулировочной характеристикой при увеличении нагрузки. Подчеркиваю еще раз - это принципиально новая машина.
Этим, в частности и объясняется, почему нельзя было взять стандартный инвертор, а пришлось создавать другой, специально приспособленный для работы с МГД-генератором.
Изучение совместной работы МГД-генератора и инвертора - пример новой и чрезвычайно сложной задачи.
Перейду к другому примеру. Представьте себе такую картину МГД-генератор, включенный в энергосистему, несет полную нагрузку - 25 мегаватт. Что это значит, например, для установки У-25? На входе в канал генератора давление плазмы будет 3 атмосферы; в парогенераторе - 1 атмосфера. Две атмосферы тратятся на преодоление тормозящих сил, возникающих при взаимодействии магнитного поля с электропроводным газом. Так, как генератор - электрическая машина, то приходится считаться с возможностью короткого замыкания (на подстанции, в сети). При такой аварии генератор, естественно, сразу отключается. Значит, мгновенно исчезают и тормозящие силы. И тогда МГД-генератор превращается просто в некий диффузор - расширяющуюся трубу. С установкой кратковременного действия и без «хвоста», то есть без всех элементов электростанции, ничего особенного в этом случае не произойдет - плазма продолжает вылетать наружу. А если это случится с МГД-электростанцией? Плазма начнет ускоряться в канале генератора, что может привести к возникновению скачка уплотнения - поток превратится из дозвукового в сверхзвуковой и не исключено, что такой поток «навалится» на парогенератор. Ясно, что надо отработать такую систему регулирования станции, которая обеспечит при всех режимах эксплуатации ее безаварийную работу. Но это еще не все.
В комплексной установке все взаимосвязано, изменение одних параметров сказывается на других. Например, ток и напряжение - функции температуры плазмы и ее давления. Меняется нагрузка, то есть ток и напряжение и это обязательно сказывается на температуре и давлении в потоке плазмы. Происходят изменения термодинамических параметров плазмы и тут же начинают «плыть» электрические параметры.
Со всеми этими проблемами ученые, исследователи сталкиваются только при работе на комплексной установке и сталкиваются впервые.
Эти примеры показывают, что при создании МГД-установки приходится решать именно системные вопросы, то есть вопросы, связанные с работой всей электростанции.
Немало проблем связано, и с самим каналом МГД-генератора. Работает канал в крайне сложных условиях. Все время через него движется горячий агрессивный, окислительный поток с ионизированными частицами присадки. И при этом необходимо, чтобы две стенки канала - верхняя и нижняя - были отличными изоляторами, а две другие боковые, электродные прекрасными проводниками. Очень сложно подобрать для таких условий материалы и еще сложнее создать столь «противоречивую» конструкцию.
И последнее, о чем стоит сказать, - о приобретении обслуживающим персоналом опыта эксплуатации качественно нового типа электростанций.
Возьмем, к примеру, камеру сгорания. Плазма из канала поступает в парогенератор и тем самым выход из канала оказывается через плазму замкнутым на землю. А раз так, то надо, чтобы вход в канал был тщательнейшим образом заизолирован от земли. Высокотемпературная камера сгорания, соединенная с входом в канал, оказывается под высоким напряжением, например, для установки У-25 это несколько киловольт. Для эксплуатационников это очень необычный момент даже персоналу, обслуживающему камеру сгорания, трудно осознать, что от нее можно ждать не только «тепловых неприятностей», , но, и электрических. В камеру надо подать топливо, окислитель, воду для охлаждения и при этом все коммуникации должны быть надежно заизолированы, иначе произойдет замыкание МГД-генератора на землю. Пришлось не только создавать весьма сложную тепловую машину, но, и дополнительно решать вопросы ее надежной электрической изоляции.
Не удивительно, что в процессе освоения комплексных установок создается школа специалистов, способных эксплуатировать новое, действительно пионерское энергетическое оборудование.
А. Шейндлин. Освоение опытно-промышленной установки У-25 проходит несколько этапов. Первый уже успешно закончен получена устойчивая электрическая мощность во многие тысячи киловатт; все системы установки доведены до параметров, близких к расчетным. Следующие этапы освоения связаны с применением различных материалов для электродов, с испытанием новых конструкций МГД-генераторов, на, что уйдет, вероятно, несколько лет. Лишь после этого можно будет окончательно во всех деталях представить перспективы применения таких установок в крупной энергетике.
Но так, как эти перспективы уже в значительной степени ясны и не вызывают особых сомнений, то в настоящее время проводятся поисковые проектно-конструкторские разработки крупных МГД-установок базового назначения - для длительной работы в энергетической системе и установок для покрытия пиковых нагрузок, а также для маневренных электростанций.
Очевидно, есть все основания считать, что в ближайшее десятилетие в нашей стране начнут работать крупные МГД-электростанции.
Беседу записал С. КИПНИС.
Читайте в любое время
