Мы вышли на мировой уровень - «Новости - Энергетики»

За разработку первой в мире системы криообеспечения сверхпроводящего кабеля Эдуарду Волкову, генеральному директору ОАО «Энергетический институт им. Кржижановского», и ряду других ученых, участвовавших в работе, была присвоена премия Правительства РФ в области науки и техники. В эксклюзивном интервью нашему журналу Эдуард Петрович Волков, действительный член РАН, рассказал о том, как сегодня работает ЭНИН и как была разработана и осуществлена на практике идея создания сверхпроводящего кабеля.

– В этом году вашему институту, который носит имя Глеба Кржижановского, ученого-энергетика, академика и вице-президента АН СССР, исполняется 80 лет. В этом году все поздравляют вас с правительственной премией, которую вы получили абсолютно заслуженно. Мы присоединяемся к поздравлениям в ваш адрес и по случаю 80-летия института.

– Спасибо. Институт организован и по инициативе, и при участии Глеба Максимиллиановича Кржижановского, вместе с его ближайшими сотрудниками и сподвижниками по плану ГОЭЛРО, по комиссии ГОЭЛРО. Это Круг, Рамзин, Шателен, Александров. На базе отдела энергетики Комиссии по изучению естественных производительных сил России (КЕПС, г. Санкт-Петербург).

1 октября 1930 года был создан Энергетический институт АН СССР (ЭИН).
Кржижановский в газете «Известия» в марте 1932 года опубликовал декларацию о том, что начинает работать энергетический институт, который должен стать высшим органом научной энергетической мысли Советского Союза, «звеном, завершающим большой ряд организаций и учреждений по теоретической и практической энергетике, работающих в СССР». Кржижановский поставил ЭНИН во главе всех энергетических организаций, главным образом научных. И в 34-м году Академия наук санкционировала перевод института из Ленинграда в Москву, тогда же и аббревиатура института была изменена на ЭНИН. Весь цвет энергетической науки, все ученые, работавшие в комиссии ГОЭЛРО, пришли на работу в институт. Плюс к этому – и в этом, конечно, заслуга Кржижановского – была поставлена задача о разработке научных основ электроэнергетики и энергетики в СССР. В целом и фундаментальная научная школа, и прикладная школа в электроэнергетике были созданы сотрудниками Энергетического института имени Кржижановского. Единая электроэнергетическая система СССР, высокие и сверхвысокие параметры пара и воды (переход на эти параметры мы осуществили первыми в мире), линии электропередачи с высоким и сверхвысоким напряжением: все крупные идеи и их реализация – работа сотрудников института.

– Времена были разные, но научная школа сохранилась?

– Времена в жизни института действительно были разные, а что касается научной школы института, то научных школ было много. Какие-то школы сохранились, какие-то по разным причинам (и естественное развитие заканчивается, и лидеры уходят из жизни, и нет людей, которые могут продолжить то, что было наработано за эти годы) ушли. Но главные направления живы. Направление развития электроэнергетики сохранилось, оно, вне всякого сомнения, развивается. Далее я скажу несколько слов о школе использования низкосортных топлив. Это специальные новые технологии переработки твердых топлив (угля, сланца). Вот эта школа тоже сохранилась, работает.
Есть электротехническая школа – оборудование, различные установки, особенно с использованием сильноточной электроники. Она также работает до сих пор. По этим школам и сейчас есть результаты, и сейчас институт известен в стране и мире. У нас была сильная теплофизическая школа, велись фундаментальные исследования в области теплофизики. Эта школа жива до сих пор, есть люди, хранящие традиции, сохраняется база, а самое главное, есть результаты реальных научных исследований.
Всегда нужны личности, которые могли бы сделать так, чтобы институт развивался устойчиво, чтобы была осознанная политика, которая выстраивает все направления, в связи с чем и возникает такое явление, как синергия, когда появляются прорывные идеи. Вот одним из таких людей был Дмитрий Георгиевич Жимерин. В институт он пришел в тяжелое время.
Стараниями Хрущева он был уволен из Министерства энергетики и «трудоустроен» в ЭНИН. Но Дмитрий Георгиевич был очень сильной личностью – умел не только организовать производственный процесс, но и смог консолидировать работников института. Под его руководством (он руководил институтом в течение семи лет) появились очень хорошие научные работы, впервые было создано направление по сверхпроводимости.
И в то время мы сделали одновременно с американцами сверхпроводящий 100-метровый кабель на гелиевых температурах! Тогда же очень сильно продвинулись вперед работы по переработке твердых топлив. Эти технологии и теорию разрабатывал член-корреспондент АН СССР Зиновий Федорович Чуханов. Идея переработки сланцев с помощью твердого теплоносителя принадлежит Израилю Соломоновичу Голынкеру, а реализовывал ее Борис Иванович Тягунов, не имеющий больших научных званий, но настоящий ученый, беззаветно преданный своему делу. Кроме этих разработок стали быстро развиваться работы по гелиоэнергетике под руководством академика В. А. Баума. Академики М. В. Кирпичев и М. А. Михеев создавали научный фундамент теплоэнергетики.

– Эдуард Петрович, как давно вы занимаете пост директора института?
– После Дмитрия Георгиевича Жимерина, который был директором с 1964 по 1971 год, сменилось несколько директоров, каждый из которых работал от нескольких месяцев до четырех-пяти лет. А с 1986 года этот пост занимаю я, ваш покорный слуга. Много было, конечно, и плохого, и хорошего. С 91-го года полностью прекратилось финансирование, буквально ноль государственных и ноль коммерческих средств. Нужно было каким-то образом выходить из положения. Спасли, как всегда, наработки предшественников. С их помощью мы заключили несколько серьезных договоров. Выиграли в Израиле тендер по переработке сланцев несмотря на то, что на участие в конкурсе было заявлено 53 компании со всех стран мира. Только американских компаний было представлено пять или шесть. Были АВВ, «Энрон», «Шелл» и др., а когда открыли конверт, то победителем оказался ЭНИН.
Затем у нас появились договора по геотермальным источникам с США. Эти работы помогли сохранить и сам институт, и коллектив. А с 1997 года наступила эпоха Чубайса, РАО «ЕЭС». Когда Чубайс ликвидировал бартер в расчетах за научные работы, тогда были спасены все научные подразделения энергетики. Нам стали платить. Конечно, для ЭНИН, который создавался и длительное время работал как академический институт, была неудобна жесткая конкуренция, потому что РАО ставило практические задачи и требовало, чтобы отдача была реальной, дающей пользу в практике функционирования РАО. Но мы смогли перестроиться и, самое главное, выдать необходимые результаты.
И вот начиная с 97-го года началась эпоха возрождения института, работ, технологий и т.д. Многое удалось. Нам удалось создать за это время порядка пяти технологий, которые превышают мировой уровень. Одна из этих технологий уникальна – установка УТТ-3000 по переработке сланцев в высококачественное жидкое и газообразное топливо. Мы смогли закончить дело предшественников, и я хочу сказать спасибо Анатолию Ивановичу Майорцу, который был министром энергетики и электрификации СССР с 1985 по 1989 год и благодаря помощи которого мы доработали и освоили установку по переработке сланцев УТТ-3000. Установка до сих пор лучшая в мире по технической эффективности, по экономике, по всем параметрам.
– Чем газ, полученный от переработки сланцев, отличается от газа, получаемого традиционным путем?

– Это высококалорийный газ, его калорийность в полтора раза выше, чем калорийность натурального газа. Но наша установка дает, кроме газа, жидкое топливо и золу, которую мы тоже научились использовать.

И кстати говоря, эта зола позже привела нас к еще одной технологии – сухое золоудаление на обычных станциях и использование этой золы. Мы сейчас как раз работаем над тем, чтобы эта технология заработала на блоке 300 МВт и стала промышленной технологией. Далее, конечно, стоит сказать о сильноточной электронике.
Мы разработали фазоповоротное устройство для управления потоками электроэнергии и сейчас вышли на последнюю стадию изготовления первого в России промышленного устройства, которое скорее всего будет установлено на стыке энергосистем «Сибирь» и «Дальний Восток», чтобы эти системы связать и управлять ими. Вновь появились в институте вещи, о которых мы в годовых отчетах пишем «впервые в России». А несколько раз – и «первое, лучшее в мире».

Криорефрижератор для ВТСП силового кабеля на базе турбодетандера


Вот, например, сверхпроводящий кабель – тоже первый в России, самый длинный в Европе. А система криообеспечения – первая в мире. Конечно, это коллективный труд. В нем участвовали сотрудники Всероссийского научно-исследовательского института кабельной промышленности, Московского авиационного института, нашего института и некоторых специальных организаций, включая такие знаменитые, как Энергомаш им. В. П. Глушко. Нельзя сказать, что все это родилось в недрах нашего института. Но под руководством ЭНИН, с участием и с разработкой идей и доведением, с полной ответственностью, от начала разработок до промышленного внедрения.
И в этот юбилейный для института год мы занимаемся тем, что вместе с соисполнителями проводим ресурсные испытания кабеля и системы криообеспечения, чтобы подготовить первую в России кабельную сверхпроводящую линию к работе в промышленной эксплуатации.

– Японцы уже пустили сверхпроводящий кабель в дело, американцы тоже не просто говорят о нем как о научном открытии, а начали применять в технике. И длина кабеля у американцев уже почти километр.

– По сверхпроводимости до начала той работы, которую мы делали, мы от мира отставали лет на 15–20. У них были уже кабели 30 м, 100 м, 150, 300 и 350. Американцы и японцы делали кабель вместе, а устанавливали его и в Японии, и в США. Сверхпроводящий кабель начала делать Южная Корея.
Одним словом, разработки стали проводиться во многих странах. Самая большая длина кабеля – это проект «Липа», запущен он в Америке, длина кабеля 600 м. Он запущен был в эксплуатацию, если я не ошибаюсь, в 2008 году. Причем американцы сильно мучились с токовводами. Кстати говоря, мы мучились тоже, но они около года, а мы все-таки 3,5 месяца и сделали токовводы, которые по параметрам лучше, чем американские (у нас потери почти в два раза ниже, чем в американских токовводах). Да, мы отставали, но за эти 2,5 года мы не только догнали американских разработчиков, но и создали принципиально новую систему криообеспечения. Раньше в ее основе был поршневой двигатель Стирлинга, а это означает регламентные работы, которые нужно делать через 5–6 тыс. часов. А мы гарантируем 30 тыс. часов работы системы без регламентов.
– Но и у вас стоит двигатель.

– У нас радиальные машины. Компрессоры и турбодетандер. Они могут надежно работать без проведения частых регламентных работ. Но кроме того, мы сделали такую распределенную промежуточную систему охлаждения, которая позволяет иметь расстояния между станциями охлаждения более 5 км. А американцы больше 1 км не могут делать расстояния между станциями охлаждения.

– За счет чего вы смогли добиться такого впечатляющего результата?

– За счет более мощного криорефрижератора, который использует неон в качестве рабочего тела, и эжекторного устройства и распределенной системы отвода тепла. Там такие есть хитрые вещи: мы уменьшаем давление в дополнительной полости криостата, которая накладывается на основной цилиндрический канал течения жидкого азота, используемого для охлаждения сверхпроводящих проводов кабеля. И за счет разности давлений в основном канале и дополнительной полости в соответствии с законами термодинамики образуются разные температуры конденсации и тем самым охлаждения основного потока азота.
У нас получается, что тепло от более горячего основного азота переходит к более холодному азоту в дополнительной полости, а мы это холодное состояние создаем и удерживаем с помощью эжектора, откачивая из дополнительного канала образующиеся при нагреве пары азота и поддерживая в нем низкое давление.
И поэтому мы можем не ставить новую систему криоснабжения (источник холода), а искусственно поддерживать в требуемых диапазонах температуру на большом расстоянии, охлаждая основной азот с помощью распределенного теплообменника где-то на 10 градусов, скажем, с 77 до 67 °К. Вообще диапазон работы криосистемы – от 65 до 77 °К. Выше этой температуры основного азота уже могут быть варианты, когда появляются пузырьки пара из азота и происходит расслоение потока, и тогда охлаждение кабеля может быть нарушено. С нашей системой охлаждения мы технически и научно готовы уже сегодня делать кабель длиной 1,5 км и больше с одной системой криообеспечения.
– А нужна ли такая линия? Она же не только сверхпроводящая, она же и сверхдорогая.

– Это верно применительно к сверхпроводящим кабелям с использованием гелиевых температур (около 4 °К). В этом случае и сами проводники, и система охлаждения дорогие. Как только мы переходим на уровень высокотемпературной (азотной) сверхпроводимости (около 70 °К), стоимость кабеля с системой криообеспечения падает на порядки. А далее надо сравнивать сверхпроводящую кабельную линию с обычными кабельными. Скажем, сейчас в городах-миллионниках нам нужны так называемые глубокие вводы, нужно ввести в город, особенно в его центральную часть, большие потоки энергии.
Но если вы заходите в город обычными линиями, то вы обязаны энергию и распределить, то есть понизить напряжение, поставив трансформаторные подстанции, которые должны находиться в том числе и в центре города. А городская земля очень дорого стоит. Плюс ко всему к отдельным потребителям вы должны ввести мощность 200, 300 и более мегаватт. Значит, это уже ряд обычных кабелей.
А что такое сверхпроводимость? Мы берем электроэнергию от станции на генераторном напряжении, никаких трансформаторов не нужно. Скажем, напряжение 20 кВ. И по кабелю 20 кВ мы можем одним кабелем передать до 100 МВт мощности. А диаметр этого кабеля всего-навсего 15–20 см.
Очевидная экономия с точки зрения стоимости туннеля, куда помещается кабель, стоимости его прокладки и плюс ко всему отсутствие подстанций и, соответственно, экономия земли. Поэтому в крупных городах это выгодно с экономической точки зрения уже сегодня.
Американцы сделали шестисотметровый кабель, а сейчас они делают на Лонг-Айленде на Манхэттене целую систему, малую электрическую систему из сверхпроводящих линий. Вот для таких частных задач это уже экономически выгодно и сегодня. А дальше это наработка новых сверхпроводящих материалов. Было первое поколение проводников при азотных температурах, сейчас второе поколение с лазерным напылением, цена этих проводников уменьшается.

Общий вид элементов ПГС рабочей емкости системы криостатирования:
1 – криогенный насос с ВТСП электроприводом; 2 – трубопроводы; 3 – запорный вентиль


Весь мир сегодня работает над тем, как сделать материалы, которые бы имели сверхпроводимость не при азотных, а более высоких температурах. В итоге всем, конечно, хочется добиться сверхпроводимости при атмосферных (комнатных) температурах, вот это будет действительно прорыв.
Если это будет сделано, тогда электроэнергетика принципиально изменится. Электроэнергия будет передаваться не на переменном токе, а на
постоянном. А там, где нужен переменный ток, будут ставиться специальные электронные устройства – преобразователи. То есть мы вернемся в эпоху до Доливо-Добровольского: простые электрические сети, нет проблем статической и динамической устойчивости, электромагнитных полей и т.д. Вот это и есть принципиальные изменения, над которыми стоит работать и осваивать эту технику.
Сегодня одна плеть сверхпроводящего кабеля может быть длиной полкилометра. Если нам нужен километр, мы берем соединительную муфту. Если говорить о 1,5 км, то это уже три плети по 500 м, потому что при транспортировке на одну катушку больше 500 м не помещается. Поэтому эту технику нужно осваивать и внедрять там, где она дает экономический эффект.
Опять скажу несколько слов об американцах. Они сейчас готовят удивительный проект: хотят соединить между собой три разные мощные энергетические системы сверхпроводящими кабелями длиной чуть больше 16 миль каждый. Хотят сделать треугольник и связать три системы в единую энергосистему. Их задача – сделать в конце концов единую энергетическую систему, аналог нашей, российской.

– И для ее создания они готовы применить сверхпроводящие кабели?

– Да, пока на азотных температурах. Так что это не просто задачки для так называемой высокой науки, это уже реальный проект, осуществление которого принесет настоящую выгоду. Поэтому мы так уверены, что нужно двигаться в этом направлении. К тому же мы можем сделать на сверхпроводящих материалах и токоограничители. Сейчас бич больших городов – такие высокие токи короткого замыкания, что мы не можем изготовить выключатели для разъединения электрических линий в случае аварийной ситуации.
А ведь можно сделать сверхпроводящий токоограничитель, где сверх-проводимость используется как реальное состояние. Если идет нормальный ток, сопротивление токо-ограничителя ничтожно. Если случилось короткое замыкание, ток резко возрос, температура поднялась, пропало явление сверхпроводимости – сопротивление мгновенно возросло, и величина тока ограничивается. Но нужно этот токоограничитель сделать так, чтобы он сначала потерял сверхпроводимость, а потом вернул ее, включился снова. Включение происходит быстро, примерно за 0,3 секунды. Поэтому его конструирование и разработка были очень сложными, но в ЭНИНе уже сделали опытный образец и готовы пустить его в промышленное производство.
Это, кстати говоря, будет работа, превышающая мировой уровень, – естественное токоограничение за очень короткое время с бесконечным количеством циклов. Мы не боимся, что он перегорит. Мы научились делать его так, что тепло, которое выделяется, грамотно отводится и не воздействует на провод, на его несущую и сверхпроводящую способность. Такие задачи, стоящие перед теми учеными-энергетиками, кто работает в области сверхпроводимости, уже сейчас могут быть решены.
Беседовал Алексей Иванов