ПРОЕКТНЫЕ РЕШЕНИЯ

Обеспечение технологического процесса криогенным холодом, в большинстве случаев, является индивидуальной задачей, которая во многом зависит от особенностей потребителя холода, их режимов работы, удаленности от источника холода, штатных и аварийных теплопритоков.

При создании систем криообеспечения (СКО) для научных и исследовательских задач, особое внимание уделяется измерительным системам, которые позволяют фиксировать режимы работы опытных образцов и/или целых систем в процессе их испытаний и опытной эксплуатации. Это особенно важный аспект при работе с температурами 77 К и ниже.

Не менее важным является алгоритм работы криогенной установки в совокупности со всеми потребителями холода. К сожалению, данному аспекту уделяется мало внимания. Однако, если посмотреть на циклограммы всех узлов входящих в состав системы (СКО + потребители холода), то количество вариаций событий может достигать 5-ти значных цифр, и это при условии, что все параметры процесса находятся в штатных диапазонах. При работе с новым оборудованием (разработанным в рамках НИОКР), вероятность выхода за рабочие параметры является обычным делом и может привести к существенным рискам нестабильной работы системы или даже поломкам оборудования.

Именно поэтому специалисты ООО «Криоэнергосистемы» при разработке принципиальных схем будущих СКО уделяют особое внимание созданию алгоритмов работы системы (СКО + потребители холода), формированию исчерпывающих требований к измерительным системам, анализу циклограмм и автоматизации.
Выбор же основного оборудования строится на решении оптимизационной задачи, которая учитывает технические особенности проекта, размер капиталовложений (CAPEX), а также операционные затраты (OPEX) на всем жизненном цикле проекта.


При разработке СКО компания выделяет 5 сегментов, в которых обеспечение криогенного холода происходит при следующих температурах:

• Сегмент сжиженного природного газа (СПГ) — 100−120K
• Сегмент воздухоразделительных установок — 80К
• Сегмент жидкого азота (LN 2) — 65−77K
• Сегмент жидкого водорода (LH 2) — 20K
• Сегмент жидкого гелия (LHe) — 4,5K

Сегмент СПГ
В данном сегменте компания предлагает 2 технологии:
Сжижение ПГ с использованием смесевых хладагентов
Сжижение ПГ с использованием внешнего азотного цикла
Одним из наиболее востребованных применений данной технологии в энергетике являются системы резервного топлива тепловых электростанций.
Сжиженный природный газ также активно применяется для общественного транспорта и сельскохозяйственной техники.

Сегмент воздухоразделительных установок
В этом сегменте компания предлагает технологию с рециркуляцией воздуха среднего давления. Применение таких установок, в основном, направлено на получение сжиженного кислорода, азота и аргона. Для крупных криогенных систем такие установки могут выступать как вспомогательное оборудование, а именно как источник жидкого азота для подпитки криогенных систем. Дополнительно, воздухоразделительные установки используются как «сырьевая база» для получения редких газов.

Сегмент жидкого азота LN2
В данном сегменте компания предлагает СКО на гелиевом цикле с LN2 хладоносителем. Такие установки хорошо себя зарекомендовали в работе с системами выдачи мощности на базе высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) кабелей, с ВТСП токоограничителями, а также в научно-исследовательских установках, использующих сверхпроводящие магниты.
​
Сегмент жидкого водорода LH 2
В данном сегменте компания предлагает СКО c гелиевым рефрижератором для ожижения водорода. Такие установки имеют широкий диапазон применения, начиная от небольших лабораторных систем и заканчивая промышленными установками для получения LH 2 в рамках государственной программы «Водородная энергетика».

Сегмент жидкого гелия LHe
В данном сегменте компания предлагает гелиевый ожижитель с каскадным детандированием (и дросселированием на последней ступени каскада). Такие установки имеют широкий диапазон температур (от 65К до 4,5К) и конструируются под конкретные задачи с учетом требуемых тепловых нагрузок в соответствующих диапазонах температур. Данные установки, в основном, применяются для решения исследовательских задач, в том числе и на опытно промышленных образцах экспериментальных энергоблоков.

Многие энергоемкие технологические процессы в промышленности и ЖКХ связаны с естественным или вынужденным отводом большого количества тепловой энергии в окружающую среду. К первым можно отнести тепло уходящих дымовых газов в котельных и тепловых электростанциях, ко вторым — охлаждение продуктов или полуфабрикатов, получаемых в результате термообработки, химических реакций, отвод тепла, образующегося в результате потерь в электропреобразовательных устройствах и т. д.
Помимо того, что в таких процессах нерационально используются энергетические ресурсы и происходит тепловое загрязнение окружающей среды, сам отвод тепла требует затрат энергии на работу соответствующих механизмов — насосов, вентиляторов и т. п.
В тоже время, по крайней мере часть отводимой тепловой энергии может быть полезно использована на промышленных предприятиях и объектах ЖКХ. Условно различают три уровня потенциала тепла, связанных с температурой:

• Низкопотенциальное тепло ~ до +100 о С;
• Среднепотенциальное тепло ~ до +200…300 о С;
• Высокопотенциальное тепло — свыше +300 о С;

Для каждого уровня температуры, а также с учетом характеристик потребителей тепла, возможны различные способы утилизации «выбрасываемой» тепловой энергии.

Низкопотенциальное тепло
Утилизация низкопотенциального тепла, возможна, как правило, двумя способами — непосредственный теплообмен в теплообменных аппаратах, в том числе с применением промежуточных контуров, или с использованием специальных устройств — тепловых насосов, повышающих уровень температуры передаваемой тепловой энергии от +10…30 о С у источника до +50…80 о С у потребителя. Специалисты ООО «Криоэнергосистемы»
обладают большим опытом конструирования узлов утилизации низкопотенциального
тепла и проектированием систем на их основе. В сфере электроэнергетики было реализовано большое количество проектов, в которых тепло силовых трансформаторов использовалось для отопления зданий электрических подстанций.

Среднепотенциальное тепло
Тепловая энергия средней температуры легко утилизируется непосредственным путем и
основное внимание уделяется разработке технологических схем, подбору
соответствующих теплообменных аппаратов и конструированию узлов на их основе с соответствующими циркуляционными контурами. В компании разработана собственная линейка модулей теплообмена для широкого диапазона возможных применений.

Высокопотенциальное тепло
Высокая температура источника тепла позволяет не только получать тепловую энергию в широком диапазоне температур, но осуществлять выработку электрической энергии с нетто-кпд порядка 20%. Для этого применяются установки, работающие по органическому циклу Ренкина (ORC — Organic Rankin Cycle). Термодинамический цикл такой установки во многом похож на цикл работы паротурбинной установки тепловой электростанции.

Отличие заключается в использовании органических жидкостей (углеводородов) вместо воды. При определенных температурах в качестве рабочего тела могут применяться различные фреоны. Внедрение ORC-установок требует проработки контура передачи тепла от источника к испарителю рабочей жидкости (аналог котла на тепловой электростанции) и разработки системы охлаждения, в первую очередь для конденсатора турбины. В таких проектах важное значение имеет рациональное использование существующей инфраструктуры, что позволяет снизить капитальные затраты.

Практически все научные исследования с применением экспериментальных установок сталкиваются с задачами по отводу тепла, тепло/крио стабилизации, рекуперации и утилизации тепла. Разработка таких проектных решений требует обеспечивать не только заданный уровень температур и точность его поддержания, но и решать задачи по выбору оптимальных технических решений как с точки зрения капиталовложений, так и операционных затрат, связанных с эксплуатацией системы.
Сами системы охлаждения, применяемые в инновационных и исследовательских проектах, могут значительно отличаться друг от друга как по величине отводимой мощности (от десятков Вт до десятков МВт), диапазонов температур (от 4К, до миллионов К), так и способов охлаждения (от иммерсионного до криогенных систем глубокого холода), используемых хладоагентов и материалов.

Условно, компания выделяет три сегмента проектных решений систем охлаждения:

• Охлаждение исследовательского оборудования
• Охлаждение силового оборудования
• Комплексные системы охлаждение

Системы охлаждения исследовательского оборудования
Такие системы отличаются высокой точностью термо /крио-статирования, широкой
номенклатурой хладоагентов, невысокой мощностью, спецификой тепло-гидравлических
характеристик самого исследовательского оборудования.
В качестве дополнительных условий могут возникать требования по точному поддержанию температуры и влажности воздуха, окружающего исследовательское оборудование. К такому исследовательскому оборудованию можно отнести широкую номенклатуру электромагнитных систем, включая сверхпроводниковые магниты, ВЧ генераторы и резонаторы, системы разогрева плазмы и прочее.

При работе с криогенными температурами, как правило возникает необходимость построения многоуровневой системы контроля параметров криогенных жидкостей/газов и прочих хладоагентов, которая является гарантом работоспособности криогенной технологии и незаменимой основой для построения системы автоматического управления. Такой подход позволяет найти полное соответствие между требованиями по охлаждению (криостатированию) исследовательского оборудования и мощностными характеристиками криогенной системы, где каждый кВт мощности последней может стоить сотни миллионов рублей.

Системы охлаждения силового оборудования
Как правило такие системы отличаются высокой тепловой мощностью, узкой номенклатурой хладоагентов, не требуют прецизионной точности регулирования. Однако работа с силовым оборудованием высоких напряжений (220кВ и выше) требует дополнительных систем, обеспечивающих низкий уровень электропроводности хладоагентов.

Такие системы, как правило, работают в купе с системами утилизации тепла и/или фрикулинга, что позволяет получать дополнительный эффект, связанный с экономией электроэнергии и снижении потребления ряда ресурсов (тепло, вода и.т.д.). Безусловно, такие системы в полной мере учитывают сезонность как внешних условий (температура и влажность воздуха, солнечная активность в регионе эксплуатации оборудования), так и нагрузочные характеристики самого силового оборудования в течении календарного года.

Наиболее яркими примерами проектных решений, связанных с применением таких систем являются системы охлаждения силовых трансформаторов, реакторов, генераторов, средств компенсации на основе силовой электроники.
Большинство таких систем оборудованы узлами утилизации тепла с тепловыми насосами, которые позволяют дать вторую жизнь низкопотенциальному теплу, превратив его в источник энергии для инженерных систем объекта.

Комплексные системы охлаждения
Комплексные системы, пожалуй, являются наиболее разветвленными системами с точки зрения диапазона используемых температур, номенклатуры хладоагентов, используемых материалов, дополнительных систем и автоматизации.

Разработка таких систем требует полного понимания режимов работы
технологического/производственного оборудования, особенностей его эксплуатации и целого ряда экономических и отраслевых параметров. Такие системы, как правило требуют высокого уровня резервирования, специальных исполнений, учитывающих жесткие внешние условия (климат, радиация, электромагнитное излучение и т. д.).

Зачастую, ненадежная работа системы охлаждения может привести к частичной или полной остановке технологического/ производственного процесса, следствием которого могут быть значительные потери как экономического, так и репутационного характера. В таких системах, помимо их надежности, существует ещё один очень важный фактор — время восстановления работоспособности. Ряд технологических процессов допускает временную или частичную потерю работоспособности системы охлаждения, однако время её восстановления является жестким фактором, определяющим, в конечном итоге, полное отключение технологического/производственного процесса.

Ярким примером таких систем являются системы криогенного обеспечения. Как правило, они имеют определенный резервную ёмкость с хладагентом, который может быть использован для продолжения функционирования технологии.

Однако данный резерв, как правило, позволяет работать в течении нескольких десятков часов, после чего технологический процесс вынужденно останавливается и наступает ситуация, при которой требуется «расхолаживание» всей системы криообеспечения. Повторный запуск технологии, как правило, является достаточно затратным и требует времени.

Системы охлаждения, хотя и являются вспомогательными для основных технологических процессов, зачастую существенно влияют на их эффективность и производительность. Примеров такого влияния более, чем достаточно. Так, повышение температуры охлаждающей воды в конденсаторе турбины тепловой электростанции приводит к снижению вырабатываемой электрической мощности и повышению удельного расхода топлива. Недостаточно эффективная работа аппаратов воздушного охлаждения на производстве аммиака может привести к радикальному снижению объемов выпускаемой продукции. Повышение температуры при недостаточном охлаждении электролита в электролизерах цветных металлов может кратно снизить объем их производства.
Применение новых и адаптация хорошо известных технологий охлаждения в комбинации с утилизации тепла позволяет не только повысить энергетическую эффективность, но и производительность технологических процессов в промышленности.

Учет особенностей производства, изменений внешних, в первую очередь климатических, условий, взвешенная оценка возможностей существующей инфраструктуры позволяют специалистам ООО «Криоэнергосистемы» разрабатывать и предлагать технические решения, дающие максимальный экономический эффект для промышленного предприятия в целом. Использование комбинированных и инновационных технологий, таких как иммерсионное охлаждение, адиабатическое (мелкодисперсное) охлаждение воздуха распыленной водой, двух- и более ступенчатое охлаждение горячих потоков снижают капитальные затраты при неизменной производственной мощности.

Широкий кругозор и большой опыт проектирования позволяет специалистам компании успешно адаптировать и применять передовой опыт, подтвердивший свою эффективность в одних отраслях/технологиях в других. Так, иммерсионное охлаждение электронных компонентов в компьютерной технике и системах связи было успешно применено для охлаждения силовых полупроводниковых приборов, что позволило отказаться от ряда промежуточных контуров и вспомогательных систем. В промышленных системах можно выделить несколько способов охлаждения, отличающихся параметрами и применяемыми технологиями.

Водооборотные циклы
Водооборотные циклы широко распространены в тепловой и атомной энергетике, металлургии, химической промышленности. Ключевыми элементами таких систем являются градирни, которые могут быть «мокрые» (традиционные), сухие и комбинированные с различными способами орошения, а также насосные станции, обеспечивающие циркуляцию воды в цикле.
Учет характеристик теплообменного оборудования, трубопроводной системы, климатических условий и т. п. позволяет специалистам ООО «Криоэнергосистемы» разрабатывать эффективные технические решения для насосных станций / установок и собственно градирен.

Аппараты воздушного охлаждения (АВО)
При достаточно высоких температурах охлаждаемых сред (выше +50…70 о С) воздушное охлаждение является наиболее эффективным способом. АВО широко применяются в нефте- и газохимии, в составе газоперекачивающих агрегатов, в холодильных и климатических установках.
Существенное влияние на эффективную работу АВО оказывает вентиляторный узел. Специалисты компании обладают большим опытом подбора вентиляторных узлов различных размеров и конструкции, включая прямой и редукторный привод, ЕС-двигатели и т. п.

Промышленный холод
Если параметры технологического процесса требуют охлаждение до температур ниже +15…20 о С, то невозможно обойтись без соответствующих холодильных систем / установок. В таких случаях задача разбивается на две: собственно холодильная установка, обеспечивающая требуемые технологические параметры, и система охлаждения для конденсатора холодильной системы, которая, как правило, является одной из рассмотренных ранее.

Выбор конструкции компрессорного агрегата и хладагента, конструкции и параметров теплообменного оборудования, утилизация тепла компрессора и т. п. — все это позволяет сконструировать систему, обладающую высокими параметрами энергетической и экономической эффективности.

Научно-технический прогресс в энергетике носит многовекторный характер и затрагивает новые виды топлива, новые способы производства и передачи энергии. Можно выделить ряд активно развивающихся направлений:

• Водородная энергетика;
• Термоядерная энергетика;
• Сверхпроводящие линии электропередачи.

Нетрудно заметить, что все вышеуказанные направления имеют общую компоненту — криогенную систему, но у каждого из них есть своя, и при этом обширная, специфика.

Водородная энергетика
Помимо процессов получения водорода серьезными задачами являются разработки систем и установок по его сжижению, хранению, транспортировке и регазификации. Для первых трех систем требуются криогенные установки, обеспечивающие температуры ниже 20 К. Такие температуры достижимы лишь при использовании гелиевых криогенных рефрижераторов. Специалисты ООО «Криоэнергосистемы» имеют значительный опыт проектирования, конструирования, производства и наладки подобных устройств.

Термоядерная энергетика
В настоящее время в мире идет разработка и строительство опытных образцов реакторов для отработки технологий производства электроэнергии с использованием
термоядерного синтеза. В этих образцах, как и в будущих промышленных объектах, присутствуют мощные криогенные системы, причем, как правило, с двумя уровнями рабочих температур. Один — условно «азотный» контур, обеспечивает температуры порядка 65−80 К, а второй — «гелиевый», работает при 5 К. При этом, «производство холода" в гелиевом контуре является существенно более энергозатратным процессом, по сравнению с азотным.
Конструирование элементов термоядерной установки с учетом возможного варьирования температур позволяет перераспределить нагрузку между контурами так, чтобы теплопритоки в гелиевый контур были минимальными. Это позволяет снизить энергоемкость всей системы в целом.

Другой серьезной задачей является охлаждение элементов и систем термоядерного реактора, таких как тороидальная камера и диверторы, оборудование для нагрева плазмы, вспомогательное оборудование. В состав вышеупомянутых криогенных систем входят чиллеры, охлаждающие сжатые азот и гелий. Суммарная мощность охлаждения для экспериментального реактора может достигать нескольких десятков и даже сотни мегаватт.

При относительно невысоких температурах нагретой охлаждающей жидкости (вода,
антифриз) подобная система охлаждения представляет собой грандиозное сооружение.
При его проектировании необходимо учесть ряд важных факторов — конфигурация поверхности теплообмена с охлаждающим воздухом, количество и параметры вентиляторов, структурная схема насосного оборудования для множественных контуров охлаждения.

ООО «Криоэнергосистемы» обладает необходимыми компетенциями для оптимального решения подобных задач в широком диапазоне тепловых нагрузок и при различных параметрах окружающей среды, обеспечивая не только разработку технологической схемы, но и системы автоматизированного управления и мониторинга.

Сверхпроводящие линии электропередачи
Благодаря открытию высокотемпературных сверхпроводников второго поколения
(сверхпроводимость наступает при температурах 77−80 К) начались интенсивные
разработки экспериментальных и коммерческих сверхпроводящих линий электропередач. Для коротких расстояний чаще применяют линии переменного тока, для средних и больших постоянный ток является практически безальтернативным выбором.
Сверхпроводящая кабельная линия состоит из трех основных компонентов — собственно кабельной линии, представляющей из себя сверхпроводящий кабель, помещенный в криостат, системы криогенного обеспечения, служащей для криостатирования кабеля в криостате и преобразовательного комплекса, обеспечивающего необходимые для передачи уровень напряжения и род тока.

Специалисты ООО «Криоэнергосистемы» имеют большой опыт разработки и внедрения всех упомянутых компонентов сверхпроводящей линии и вспомогательных систем. При создании сверхпроводящего кабеля проектируется не только его конструкция, но и оснастка для производства. Кабель в криостате охлаждается циркулирующим жидким азотом, который, в свою очередь, охлаждается в гелиевом криогенном рефрижераторе.
Преобразовательный комплекс строится на базе мощных полупроводниковых приборов, которые также нуждаются в охлаждении.

Производство электроэнергии на тепловых и атомных электрических станциях сопровождается передачей огромного количества тепловой энергии. Энергия не только передается воде в котлах и парогенераторах для получения пара, но и отводится в окружающую среду в конденсаторах турбин. В эти процессы, помимо теплообменных аппаратов вовлечено большое количество мощных агрегатов — насосов, вентиляторов, дымососов и т. п. Их общее энергопотребление составляет от 5 до 12% от общей выработки электростанции.

Эффективная работа вспомогательного оборудования, а к нему относятся не только питательные и циркуляционные насосы, дутьевые вентиляторы и дымососы, но и насосы конденсата и систем охлаждения генераторов и турбинного масла, системы подготовки и подачи топлива и многие другие существенно влияет на общую экономическую и топливную эффективность электростанции.

Специалисты ООО «Криоэнергосистемы» имеют большой опыт проведения
обследований электростанций с целью определения потенциала снижения затрат электроэнергии на собственные нужды. Этот же опыт с успехом применяется и в теплоэнергетике — в магистральных и распределительных тепловых сетях, насосные станции которых имеют большой потенциал повышения эффективности.

Системы передачи электроэнергии также нуждаются в организации эффективного отвода тепла. Силовые трансформаторы и реакторы подстанций, а в современных системах и мощные полупроводниковые приборы, требуют интенсивное охлаждение. В ряде случаев, это тепло может быть рационально использовано для обогрева производственных и вспомогательных зданий подстанций.

У компании имеется большой опыт успешной реализации проектов как с непосредственным использованием тепла трансформаторного масла, так и с применением тепловых насосов, повышающих температуру теплоносителей до уровня, необходимого для традиционных систем отопления и вентиляции.