|
Реферат: Электроснабжение промышленных предприятий (Технология)
Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации
Иркутский Государственный технический университет
Пояснительная записка
к курсовому проекту по курсам
Системы внешнего электроснабжения
и Производство электроэнергии
Выполнил:
студент группы ЭП-95-1
Сапрыкин Д.Р.
Принял:
Старостина Э.Б.
Иркутск 1999
Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации
Иркутский Государственный технический университет
Пояснительная записка
к курсовому проекту по курсам
Системы внешнего электроснабжения
и Производство электроэнергии
Выполнил:
студент группы ЭП-95-1
Сапрыкин Д.Р.
Принял:
Акишина А.Г.
Иркутск 1999
Содержание
Предварительный расчет: 3
Баланс реактивной мощности 3
Расчет первого варианта схемы соединения нагрузки 4
Расчет второго варианта схемы соединения нагрузки 7
Расчет третьего варианта схемы соединения нагрузки 9
Технико-экономическое сравнение вариантов 12
Вариант первый 12
Вариант второй 14
Сопротивления трансформаторов 20
Расчет уровней напряжения в узлах, ведя вычисления с начала сети (РЭС) к ее
концу 21
Регулирование напряжения 22
Расчет токов короткого замыкания 24
Выбор оборудования в РУ низкого напряжения подстанции № 1 26
Выбор разъединителей 26
Выбор выключателей 26
Выбор трансформаторов тока 28
Выбор трансформаторов напряжения 29
Выбор токопроводов и сборных шин 30
Технико-экономический расчет 30
Список используемой литературы 32
Предварительный расчет:
Напряжение сети
[pic]
Баланс реактивной мощности
Суммарная реактивная требуемая мощность генераторов
[pic]
[pic] [pic]
Потери активной мощности от генераторов до шин
[pic]
Суммарная активная требуемая мощность генераторов
[pic]
Суммарная вырабатываемая реактивная мощность
Для Uном=110кВ QcS=?QлS
[pic]
Сумма реактивной мощности нагрузки
[pic]
[pic] [pic]
Суммарная потребляемая реактивная мощность
[pic]
Потери реактивной мощности в трансформаторах = 10% от мощности
[pic]
Суммарная реактивная мощность компенсирующих устройств
[pic]
[pic]
[pic]
Компенсируемая реактивная мощность в узлах
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Находим нагрузки каждого узла
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Расчет первого варианта схемы соединения нагрузки
Расстояние между узлами сети
От РЭС до подстанции 1=150км
От подстанции 1 до 3=96км
От подстанции 3 до 5=75км
От РЭС до подстанции 2=165км
От подстанции 2до 4=75км
От подстанции 4 до 5=60км
От подстанции 3 до 4=96км
Находим мощности на участках
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Выбираем номинальное напряжение на участках
[pic]
[pic] принимаем UНОМ=220
[pic] принимаем UНОМ=110
[pic] принимаем UНОМ=110
[pic] принимаем UНОМ=220
[pic] принимаем UНОМ=110
Находим ток для каждого участка
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Выбор сечения по значению jэк
jэк=1,3А/мм2, Тнб=6400ч
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Выбор сечения и расчет активного и индуктивного сопротивления линии
[pic] , [pic]
|Участок |Сечение |r0, Ом/км |R, Ом |х0, Ом/км |Х, Ом |
|Р-1 |АС-240 |0,124 |9,3 |0,405 |30,38 |
|1-3 |АС-95 |0,306 |14,69 |0,434 |20,83 |
|3-5 |АС-70 |0,428 |32,1 |0,444 |33 |
|Р-2 |АС-240 |0,124 |10,23 |0,405 |33,4 |
|2-4 |АС-70 |0,428 |16,05 |0,444 |16,65 |
Потери напряжения
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic], [pic],
при [pic], [pic]
[pic]
Расчет второго варианта схемы соединения нагрузки
Расстояние между узлами сети
От РЭС до подстанции 1=150км
От подстанции 1 до 3=96км
От подстанции 3 до 5=75км
От РЭС до подстанции 2=165км
От подстанции 2до 4=75км
От подстанции 4 до 5=60км
От подстанции 3 до 4=96км
Находим мощности на участках
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Выбираем Номинальное напряжение на участках
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
принимаем UНОМ=110кВ
Находим ток для каждого участка
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Выбор сечения по значению jэк
jэк=1,3А/мм2, Тнб=7300ч
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Выбор сечения и расчет активного и индуктивного сопротивления линии
[pic] , [pic]
|Участок |Сечение |r0, Ом/км |R, Ом |х0, Ом/км |Х, Ом |
|Р-1 |АС-240 |0,124 |9,3 |0,405 |30,38 |
|1-3 |АС-70 |0,428 |20,5 |0,444 |21,31 |
|4-5 |АС-70 |0,428 |12,84 |0,444 |13,32 |
|Р-2 |АС-240 |0,124 |10,32 |0,405 |33,4 |
|2-4 |АС-95 |0,306 |11,48 |0,434 |16,28 |
Потери напряжения
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic], [pic],
при [pic], [pic]
[pic]
Расчет третьего варианта схемы соединения нагрузки
5
Расстояние между узлами сети
От РЭС до подстанции 1=150км
От подстанции 1 до 3=96км
От подстанции 3 до 5=75км
От РЭС до подстанции 2=165км
От подстанции 2до 4=75км
От подстанции 4 до 5=60км
От подстанции 3 до 4=96км
Находим нагрузки на участках
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Выбираем номинальное напряжение на участках
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
принимаем UНОМ=110кВ
Находим ток на каждом участке
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Выбор сечения по значению jэк
jэк=1,3А/мм2, Тнб=6400ч,
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Выбор сечения и расчет активного и индуктивного сопротивления линии
[pic] , [pic]
|Участок |Сечение |r0, Ом/км |R, Ом |х0, Ом/км |Х, Ом |
|Р-1 |АС-240 |0,124 |18,6 |0,405 |60,75 |
|1-3 |АС-120 |0,249 |23,9 |0,427 |40,99 |
|3-5 |АС-70 |0,428 |32,1 |0,444 |33,3 |
|4-3 |АС-70 |0,428 |41,09 |0,444 |42,62 |
|2-4 |АС-120 |0,249 |18,68 |0,427 |32,03 |
|Р-2 |АС-240 |0,124 |20,46 |0,405 |66,83 |
Потери напряжения
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Данная схема не проходит по потерям напряжения в аварийном режиме,
поэтому мы исключаем ее из дальнейших расчетов.
В дальнейшем, чтобы окончательно выбрать конфигурацию, необходимо
провести технико-экономический расчет и сравнить оставшиеся два варианта
схем.
Технико-экономическое сравнение вариантов
Вариант первый
Определим потери на участках
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Определим величину времени максимальных потерь
[pic]
Потери электроэнергии в течении года
[pic]
Стоимость сооружений ВЛ
|Участ|Кол-во |Вид |Марка |длина,|Напряжение,|стоимость 1|полная |
|ок |цепей |опоры |провода |км |кВ |км |стоимость |
|Р-1 |2 |сталь |АС-240 |150 |220 |34,4 |5160 |
|1-3 |2 |сталь |АС-95 |96 |110 |22,1 |2121,6 |
|3-5 |1 |сталь |АС-70 |75 |110 |21,6 |1620 |
|Р-2 |2 |сталь |АС-240 |165 |220 |34,4 |5676 |
|2-4 |2 |сталь |АС-70 |75 |110 |21,6 |1620 |
Капитальные затраты на сооружение ЛЭП
[pic]
Капитальные затраты на оборудование ЛЭП
[pic]
Число и стоимость выключателей и трансформаторов в обеих схемах
одинаковы.
Выбираем трансформаторы
Находим необходимую мощность
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
|№ |Тип |Uобмотки |?Рхх|?РКЗ, кВт |UК, |Iхх, |цена |
| |трансформатор| |кВт | |% |% | |
| |а | | | | | | |
| | |ВН |НН |СН | |вн-сн |вн-нн |сн-нн | | | |
|1 |АТДЦТН-63000/|230 |11 |121 |37 |200 |200 |200 |35 |0,45 |159 |
| |220/110 |230 |11 | |37 |200 |200 |200 |35 |0,45 |159 |
|2 |АТДЦТН-63000/|115 |11 |121 |18 |85 |85 |85 |10,5 |0,7 |48 |
| |220/110 |115 |11 | |18 |85 |85 |85 |10,5 |0,7 |48 |
|3 |ТДН-16000/110|115 |11 | |14 |58 |58 |58 |10,5 |0,9 |40 |
|4 | | | | | | | | | | | |
|5 |ТДН-16000/110| | | | | | | | | | |
| | | | | | | | | | | | |
| |ТДН-10000/110| | | | | | | | | | |
Полные капиталовложения
КS=КЛЭП =16197,6 т.р.
Ежегодные издержки на эксплуатацию сети
И=ИЛЭП +?И
?Л%=2,8%
[pic]
?И=В?W=1,5*19481,3=292,2 т.р.
в=1,5 коп. стоимость 1кВт ч
И=ИЛЭП +?И=453,5+292,2=745,7 т.р.
Расчетные затраты
З=?КS+И=0,12*16197,6+745,7=2689,4 т.р.
?=0,12 нормативный коэффициент срока окупаемости
Вариант второй
Определим потери на участках
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Определим величину времени максимальных потерь
[pic]
Потери электроэнергии в течении года
[pic]
Стоимость сооружений ВЛ
|Участо|Кол-во |Вид |Марка |Длина,|Напряжение|Стоимость 1|Полная |
|к |цепей |опоры |провода |км |, кВ |км |стоимость |
|Р-1 |2 |сталь |АС-240 |150 |220 |34,4 |5160 |
|1-3 |2 |сталь |АС-70 |96 |110 |21,6 |2073,6 |
|Р-2 |2 |сталь |АС-240 |165 |220 |34,4 |5676 |
|2-4 |2 |сталь |АС-95 |75 |110 |22,1 |1657,5 |
|4-5 |1 |сталь |АС-70 |60 |110 |21,6 |1296 |
Капитальные затраты на сооружение ЛЭП
[pic]
Капитальные затраты на оборудование ЛЭП
[pic]
Кап. затраты на выключатели и трансформаторы не учитываем т.к. в обоих
вариантах их количество и стоимость равные.
Выбираем трансформаторы
Находим необходимую мощность
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Полные капиталовложения
КS=КЛЭП =15863,1 т.р.
Ежегодные издержки на эксплуатацию сети
?Л%=2,8%
[pic]
?И=в?W=1,5*18100,7=271,5 т.р.
в=1,5 коп. стоимость 1кВт ч
Ежегодные издержки на эксплуатацию сети
И=ИЛЭП +?И=444,17+271,5=715,7 т.р.
Расчетные затраты
З=?КS+И=0,12*15863,1+715,7=2619,3 т.р.
?=0,12 нормативный коэффициент срока окупаемости
Сравнивая два варианта приходим к выводу, что затраты для второго
варианта схемы меньше чем для первого, поэтому для дальнейшего расчета
выгоднее взять второй вариант схемы.
Уточненный баланс реактивной мощности
Потери реактивной мощности на участках ЛЭП
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Зарядная мощность линии
[pic], [pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Расчет потерь в стали и меди трансформаторов
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Сопротивления трансформаторов
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic](-4,21)
[pic]
[pic]
[pic](-4,21)
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Расчет уровней напряжения в узлах, ведя вычисления с начала сети (РЭС) к
ее концу
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic][pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic][pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic][pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Регулирование напряжения
На третьей подстанции
[pic]
[pic]
Желаемое напряжение ответвления
[pic]
Число ответвлений
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
На четвертой подстанции
[pic]
[pic]
Желаемое напряжение ответвления
[pic]
Число ответвлений
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
На пятой подстанции
[pic]
[pic]
Желаемое напряжение ответвления
[pic]
Число ответвлений
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Расчет токов короткого замыкания
Смотри приложение
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Примем значение ЭДС [pic]
[pic]
Ударный коэффициент
[pic]
Ударный ток
[pic]
Ток короткого замыкания
[pic]
где [pic]
Термическое действие токов короткого замыкания
[pic]
[pic]
[pic]
Выбор оборудования в РУ низкого напряжения подстанции № 1
Выбор разъединителей
1. По напряжению установки
[pic]
[pic]
[pic]
2. По току
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Выбираем разъединитель типа РВ-10/1000 У3
3. На электродинамическую стойкость
[pic], [pic], [pic]
4. По термической стойкости
[pic]
[pic]
[pic], [pic]
[pic]
Выбор выключателей
1. По напряжению установки
[pic]
[pic]
[pic]
2. По длительному току
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
3. Ном. симметричный ток отключения
[pic]
[pic]
[pic]
Выбираем выключатель типа ВМПЭ-10-1000-31,5 У3
4. Возможность отключения апериодической составляющей тока короткого
замыкания
[pic]
[pic]
[pic]
т.к. [pic] допускается проверка по отключающей способности
[pic]
[pic]
[pic]
5. На электродинамическую стойкость
[pic], [pic], [pic]
6. По термической стойкости
[pic]
[pic]
[pic], [pic]
[pic]
Выбор трансформаторов тока
1. По напряжению установки
[pic]
[pic]
[pic]
2. По длительному току
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Выбираем измерительный трансформатор ток типа ТПОЛ-10 У3Т3
3. Класс точности = 0,5
4. По электродинамической стойкости
[pic], [pic], [pic]
[pic]
[pic]
5. По термической стойкости
[pic]
[pic]
[pic]
[pic], [pic]
6. По вторичной нагрузке
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
|Ваттметр |Д-335 |1ВА |
|Варметр |Д-335 |0,5ВА |
|Счетчик активной энергии |U-680 |2,5ВА |
[pic]
[pic]
принимаем q = 3 тогда rпр=0,1
0,1+0,16+0,1‹0,4
Выбор трансформаторов напряжения
1. По напряжению установки
[pic]
[pic]
[pic]
2. Класс точности 0,5
Выбираем измерительный трансформатор напряжения типа ЗНОЛ.09-10Т2
3. По вторичной нагрузке
[pic]
[pic]
[pic]
|название |марка |мощность 1 |число |Соs |Sin |число |Р, |q |
| | |катушки |катушек | | |пр. |Вт | |
|Ваттметр |Д-335 |1,5 |2 |1 |0 |1 |3 |- |
|Варметр |Д-335 |1,5 |2 |1 |0 |1 |3 |- |
|Счетчик акт | | | | | | | | |
|мощности |U-680 |2 |2 |0,38 |0,925 |1 |4 |9,7 |
|Вольтметр |Э-335 |2 |1 |1 |0 |2 |2 |- |
Выбранный трансформатор имеет номинальную мощность 75ВА в классе
точности 0,5 необходимом для присоединения счетчиков мощностью 75ВА т.о.
трансформатор будет работать в выбранном классе точности.
Выбор токопроводов и сборных шин
[pic]
Выбираем АС-70/11
q=70мм2 d= 11,4 Iдоп=265А r0=5,7мм
Iмах 500 кДж/кг)
имеют серно-натриевые АБ, но их ресурс составляет 100 - 200 циклов "заряд -
разряд". Дальнейшее повышение W* теоретически до значений 103 кДж/кг
возможно в литиевых АБ, но их недостаток - малый ресурс вследствие высокой
корозионной активности Li.
Запас энергии в химической АБ принято характеризовать зарядной емкостью
(в Ач или Кл), необходимое значение которой зависит от мощности и времени
работы потребителей электроэнергии. Химические АБ получили широкое
распространение на транспорте, в системах электростартерного запуска
авиационных и автомобильных двигателей, в судовых установках, на
электромобилях, во внутризаводском электротранспорте, на электропогрузчиках
и т.д.
В условиях КЛА всегда реализуется параллельная работа химической АБ с
ФЭП. Последние производят подзарядку АБ в "дневные" часы. Для автономных
установок, в том числе на КЛА, целесообразно также сочетание ФЭП с системой
"электролизер - ЭХГ". Часть энергии ФЭП в "дневные" часы затрачивается на
разложение воды, а в "ночные" часы полученные H2 и O2 обеспечивают работу
ЭХГ.
3. Физико - химические процессы в ЭХГ
Как и в реакции горения (активируемого, например, зажиганием), стадии
токообразующей электрохимической реакции также протекают одновременно, но
локализованы в различных областях внутреннего пространства ТЭ. Основные
данные некоторых применяемых на практике ТЭ приведены в табл. 1. В качестве
типового приметра рассмотрим работу водород - кислородного ТЭ.
Стехиометрическое уравнение суммарной реакции:
[pic]
имеет такой же вид, как при горении. Поясним устройство и принцип действия
ТЭ, в котором электрохимическая реакция происходит на стыках трех фаз
состояния веществ: газообразной (восстановителя H2 и окислителя O2),
жидкостной (щелочного электролита - раствора KOH) и твердой (пористых
металлокерамических электродов). Схема ТЭ показана на рис. 1а. Электроды
анод 1 и катод 2 выполнены из композитного материала
Таблица 1: Теоретические значения удельных показателей ТЭ для
разработанных ЭХГ.
|Химические|Напря-жени| | | |Энергия на|
| |е |Расход на единицу генерируемой | | |единицу |
|реагенты |элемента, |энергии, г/МДж | | |массы |
| |В | | | |топлива, |
| | | | | |кДж/кг |
| | |горючего |окислителя|топлива | |
| H2 - O2 | 0.9 | 10.6 | 91.6 | 102.2 | 9750 |
| C3H8 - O2| 0.8 | 27 | 91.6 | 118.6 | 8460 |
| NH3 - O2 | 0.7 | 83.4 | 116.6 | 200 | 5000 |
| N2H4 - O2| 0.9 | 91.6 | 91.6 | 183.2 | 5450 |
|N2H4-H2O2 | 0.9 | 91.6 | 197.4 | 289 | 3470 |
Примечание: С учетом влияния необратимых электрохимических процессов в
реальных ТЭ удельный расход топлива возрастает в 1.5 - 2
раза, а его удельная энергия снижается в 1.5 - 2 раза по сравнению
с соответствующими теоретическими показателями, приведенными в
таблице.
(например, из графитовой керамики с платиновым катализатором). Электроды 1
и 2 отделены слоем электролита - раствора щелочи KOH, который не пропускает
нейтральные молекулы или атомы газов водорода и кислорода. Ионизированные
газы, например, ионы H+, могут дрейфовать сквозь электролит. Корпус ТЭ
выполняется из титанового сплава 4, химически не взаимодействующего с KOH.
Внешняя цепь ТЭ замкнута сопротивлением Rн нагрузки, которое подключено к
металлическим наплавкам на электродах.
Газообразные компоненты химического топлива - отдающий свои электроны
восстановитель H2 и присоединяющий электроны окислитель O2 - - непрерывно
подводятся под избыточным давлением к порам анода и катода (рис. 1а) из
резервуаров с запасом реагентов.
1. На поверхностях анода, смоченных р-ром KOH, в электролите
растворяется газообразный водород и абсорбируется на стенках пор электрода.
В растворе гидроксид калия находится в диссоциированном состоянии:
[pic]
Водород в присутствии ионов OH- он легко отдает электроны (окисляется),
образуя воду:
[pic]
[pic]
а)
б)
Рис . 1. Схемы водородно-кислородных топливных элементов:
а - с жидким электролитом (раствором КОН); б - с ионообменной мембраной
2. На поверхности катода аналогичные явления приводят к реакции
восстановления кислорода, который в присутствии воды отбирает у этого
электрода образовавшиеся свободные электроны:
[pic]
В итоге этих первой и второй стадий "холодного горения" на аноде
образуется избыток электронов, а в примыкающем растворе - недостаток ионов
гидроксила OH-. На катоде же имеется недостаток электронов, а в окружающем
его электролите - избыток ионов H+. Вследствие этого протекают следующие
две стадии реакции.
3. По внешнему участку цепи от анода к катоду через сопротивление Rн
проходят электроны 4e-, совершая полезную электрическую работу (направление
тока I противоположно перемещению электронов).
4. В электролите происходит диффузия ионов 4OH- с катода на анод и
посредством ионного тока замыкается электрическая цепь (согласно уравнению
непрерывности полного тока div J = 0).
Если сложить реакции для первой и второй стадии, получится
результирующее уравнение реакции [pic], конечным продуктом которой является
вода. Избыточное количество паров воды 2H2O удаляют из ТЭ, например, с
помощью продувки с последующей сепарацией или выпариванием. Очищенная от
паров электролита, вода может направляться для дальнейшей утилизации (рис.
1а).
Сбалансированный ход реакций на указанных стадиях у поверхностей
электродов определяется равновесием давлений газовой и жидкостной фаз:
pr = pэ + pк ;
здесь pr - внешнее давление газообразных реагентов ( водорода или
кислорода ); pэ - гидростатическое давление электролита; pк =(s cosq)/d -
его капиллярное давление в порах электродов; s - поверхностное натяжение
(H/м); q - угол смачиваемости; d - диаметр поры.
В изготовляемых двухслойными электродах ЭХГ поры выполняются с
различными значениями d.Слой, который обращен к газовой среде(Н2 или О2) и
содержит измельченный катализатор ( например, Pt), имеет толщину d»0.5 ё
0.6 мми поры с d»30 ё 50 мкм. В обращенном к KOH слое с мм поры имеют d
мкм. Давление pз меньше на [pic]
чем давление [pic] которое препятствует вытеканию электролита. Нейтральные
молекулы или атомы газообразных компонентов при этом значении pr также не
могут проникнуть в электролит, преодолев капилярные силы. На поверхности
электродов обеспечивается равновесие фаз, поэтому через KOH возможно только
ионов, образовавшихся в результате реакций.
Наряду с KOH в ТЭ возможно использование кислотного электролита -
раствора H2SO4.
Требующееся испарение воды из элементов с жидкостным электролитом,
работающих при давлении 5Ч105 Па и более, определяет эксплуатацию ТЭ на
среднетемпературном ( 373 - 523 К ) или высокотемпературном ( боле 523 К )
уровне, что обусловливает необходимость наличия в составе ЭХГ ряда
технически сложных вспомогательных устройств. Для преодоления таких
затруднений применительно к АЭУ разработаны водород - кислородные ТЭ с
ионообменными мембранами (ИОМ) в виде квазитвердых веществ (гелей),
разделяющих разнополярные электроды в ТЭ. Изготовляют ИОМ из
фтороуглеродистого аналога тефлона. На полимерной сетке - матрице
закреплены ионы, они могут обмениваться на другие ионы, присутствующие в
межэлектронной среде. На практике для ТЭ применяют ИОМ с сульфатными
катионами, например,
[pic]По своим функциям ИОМ подобна электролиту, она способна противостоять
воздеймтвию нейтральных молекул и атомов H2 и O2. Схема ТЭ с ИОМ приведена
на рис. 1б. Пористые керамические электроды 1 и 2 прижаты к мембране 3.
Контактирующие с ИОМ поверхности анода и катода покрыты каталитическими
слоями металла. Принцип работы ТЭ с ИОМ состоит в следующем.
На аноде подводимый газообразный водород ионизируется по реакции:
[pic].
Ионы водорода под влиянием градиента их концентрации и соответствующего
электрического поля перемещаются сквозь ИОМ к катоду, на котором протекает
реакция:
[pic]
Электроны 4e- через Rн поступают к катоду. Полученная вода (H2O)n под
действием градиента ее концентрации возвращается к аноду. Две молекулы воды
(2H2O), образующиеся в элементарном акте реакции, необходимо отводить из
зоны реакции, например, дренажным устройством. При работе ТЭ гель в ИОМ
набухает и находится, как указывалось, в квазитвердом состоянии.
Кроме ИОМ в ТЭ применяются также капилярные мембраны типа волокнистых
материалов, пропитанных щелочным электролитом (например, асбест). Принцип
действия ТЭ с капилярными мембранами такой же, как ТЭ с жидкостным
электролитом.
В отдельных установках возможно использование ЭХГ с ТЭ, работающими на
других компонентах топлива, кроме H2 - O2. Итоговая электрохимическая
реакция окисления восстановителя Red и восстановителя Ox имеет в общем
случае вид
[pic]
В ТЭ имеет место встречное движение разнополярных ионов внутри
электролита и переход электронов от анода к катоду по сопротивлению Rн,
замыкающему внешнюю цепь. При этом осуществляется прямое преобразование
энергии химических связей Red и Ox в электрическую энергию. Конкретизацию
общей формы записи токообразующих реакций рассмотрим примере окисления
гидразина N2H4. Реакция окисления гидразина имеет место в ЭХГ малой
мощности.
Анодное окисление гидразина:
[pic]
Катодное восстановление кислорода:
[pic]
Суммарное стехиометрическое уравнение реакции:
[pic]
График зависимости U от I
[pic]
а)
б)
Рис. 2: Характеристики водородно - кислородного ЭХГ:
а - общая форма характеристикии и зависимость полезной
мощности от тока;
б - аналоги внешней характеристики - зависимости напряжения от
плотности тока для ТЭ различного исполнения (1-с раствором
электролита; 2-с капилярной мембраной; 3-с ИОМ при Т=355 К; 4-с ИОМ
при Т=313 К).
Внешняя характеристика U=f(I).
Отклонение от состояния равновесия при работе ТЭ практически приводит к
уменьшению напряжения и снижению КПД по сравнению с их термодинамическими
значениями вследствие изменения потенциала катода и анода при прохождении
тока в цепи ТЭ. Совокупность этих явлений называют поляризацией. При
совершении работы выхода (активации) из металла электрода в раствор
электролита электрон преодолевает потенциальный барьер, образованный
двойным слоем разноименных зарядов. На границе "электрод - электролит"
наблюдается различие концентраций ионизированных реагентов. Электролит и
электроды имеют собственное внутреннее сопротивление. Упрощенно, совместное
влияние перечисленных эффектов можно учесть с помощью падения напряжения на
нелинейном внутреннем сопротивлении ТЭ Rвн. При этом уравнение внешней
характеристики приближенно записывается в виде
U = Eн - IRвн.
где Eн - ЭДС при нагрузке, учитывающая активационную и концентрационную
поляризацию; сопротивление электролита Rэл практически равно Rвн и
учитывает "омическую" поляризацию.
Общая форма внешней характеристики ЭХГ показана на рис. 2а. Большая
крутизна | dU / dI | при малых и повышенных значениях тока обусловлена
соответственно поляризацией активации электродов (участок 1) и приграничной
поляризацией концентрации (участок 3). Линейный участок 2 с относительно
малой крутизной | dU / dI | отражает влияние в основном "омической"
поляризации. На рис. 2б. приведены аналоги внешних характеристик U = U(J)
для конкретных
[pic]
Рис. 3: Схемы ЭХГ:
а - последовательно-параллельное соединение топливных
элементов;
б - упрощенная электрическая схема замещения.
ТЭ. Геометрическая плотность тока J (на единицу кажущейся поверхности
электрода) может при кратковременных режимах достигать 0.1 - 0.2 А/см2.
Электрическая схема ЭХГ, построенная по матричному принципу, дана на
рис. 3а; (Iэ, Uэ - ток и напряжение ТЭ). Упрощенная схема замещения ТЭ
представленна на рис. 3б. сли при T = const рассматривать ТЭ как линейный
элемент с постоянными эквивалентными параметрами
[pic] [pic]
где Rн, Lн - сопротивление и индуктивность нагрузки; Lэ,т - индуктивность
электродови токоотводов, то процесс разряда ТЭ описывается уравнением:
[pic] [pic]
Здесь [pic] установившийся ток нагрузки;
[pic] эквивалентная постоянная времени.
Электроэнергетические установки на базе электрохимических генераторов.
ЭХГ в целом кроме батареи ТЭ и вспомогательного оборудования включает
ряд блоков, снабженных взаимными прямыми и обратными связями для
обеспечения функционирования в заданном режиме. Можно классифицировать ЭХГ
как техническую систему, состоящую из соответствующих подсистем.
Укрупненная схема ЭХГ (рис. 4.) в качестве главной подсистемы содержит
батарею топливных элементов БТЭ, а также подсистемы: хранения горючего ПХГ
и окислителя ПХО; обработки горючего ПОГ и окислителя ПОО; подачи горючего
ППГ и окислителя ППО. Наряду с ними имеются подсистемы отводов продуктов
реакции ПОПР, теплоотвода ПТО и подсистема контроля и автоматики ПКА,
которая соединена двусторонними связями с подсистемами подачи и отвода. К
подсистеме потребления и регулирования электроэнергии ППРЭ подключена БТЭ.
Применительно к водород - кислородному ЭХГ в ПХГ, ПХО осуществляется
криогенное хранение сжиженных компонентов топлива, в ПОГ, ПОО производится
нагрев H2 и O2 , которые в газообразном состоянии подводятся к ППГ, ППО.
Эти подсистемы производят дозированную подачу реагентов при заданных
параметрах (давлении, температуре) в БТЭ, где происходит реакция
электрохимического окисления. Удаление паров воды в ЭХГ выполняет ПОПР. Для
ЭХГ, применяемых на КЛА, важное значение имеет ПТО, содержащая холодильник
- излучатель, к которому тепло доставляется с помощью циркуляционных
устройств с жидкостным теплоносителем.
Для КЛА многоразового использования "Спейс Шаттл" фирма "Дженерал
Электрик" (США) выполнила ЭХГ с водород - кислородными ТЭ, имеющими
позолоченные электроды с платиновыми катализаторами. Электроды разделены
ИОМ, во избежание высушивания которых организован отвод тепла от анода,
что создает движущий градиент концентрации для возвращения H2O к аноду.
Отвод воды - продукта реакции - реализован с помощью автоматически
действующей схемы с микропористым сепаратором и волокнистыми фитилями,
выступающими из сборки ТЭ. На рис. 5. дана упрощенная функциональная схема
подобного ЭХГ, в составе которого находится батарея топливных элементов БТЭ
из 76 ТЭ с ИОМ.
[pic]
Рис. 4. Функциональная схема ЭХГ с ТЭ на ИОМ ( 1 - теплообменник; 2 -
сепаратор воды; 3 - блок увлажнения реагентов и регулирования давления
воды; 4 - компенсатор давления электролита; 5, 6 насосы; 7 - излучатель
тепла; 8 - тракт продувки кислорода; 9 - тракт отвода Н2О в сборный бак)
Две секции БТЭ, имеющие по 38 ТЭ, соединены параллельно и генерируют
электрическую мощность 5 кВт. Батарея размещена в цилиндрическом контейнере
диаметром 0,33 м и габаритной длиной 0,94 м. Удельная масса БТЭ без
заправки равна 11 кг/кВт. Эксперименты показали, что сборка ТЭ способна
работать более 5000 ч без деградации ИОМ при температуре до 455 К.
На КЛА многоразового использования "Буран" установлены четыре ЭХГ
мощностью по 10 кВт ( суммарная мощность 40 кВт ) серии "Фотон" на водород
- кислородном топливе H2 - О2. Напряжение одного генератора, состоящего из
128 топливных элементов, составляет 29,2 В ( схема генератора
содержитчетыре параллельные ветви, в каждой из которых включено
последовательно по 32 элемента). Масса ЭХГ составляет 145 кг, масса его
блока автоматики - 15 кг ( удельная масса 14,5 кг/кВт, а с учетом блока
автоматики - 16 кг/кВт ). Ресурс ЭХГ равен 2000 ч, его КПД 62%
Для длительной эксплуатации в АЭУ перспективны установки, в которых ЭХГ
работает совместно с регенератором компонентов топлива, разлагающим воду
на водород и кислород. Электролиз воды требует подведения извне энергии для
разрыва валентной химической связи
Н - О - Н. При мощностях менее 1 кВт целесообразно интегральное исполнение
ЭХГ и электролизера воды (ЭВ). При более высоких электрических мощностях
ЭХГ и электролизер воды в раздельном исполнении имеют лучшие технико-
экономические показатели, чем у интегрального устройства. В зависимости от
вида подводимой к регенератору Р энергии принципиально возможны различные
способы разложения воды. Высоким КПД отличается электролиз при пропускании
через Н2О электрического тока: отношение теплоты сгорания полученного
топлива к энергозатратам на выделение Н2 и О2 достигает 70 - 80%. В
особенности электролиз эффективен для АЭУ на КЛА при использовании Солнца в
качестве источника первичной энергии с последующим ее преобразованием в
ФЭП.
Разложение воды на Н2 и О2 можно реализовать непосредственно в ТЭ при
пропускании тока в обратном направлении по отношению к току генераторного
режима, используя принцип обратимости ТЭ, который выполняет роль
электролизной ячейки. При таком способе регенерации компонентов топлива
ресурс регенеративного ТЭ ограничен объемом резервуаров для хранения Н2 и
О2. Известны регенеративные ТЭ, в которых полученные газы Н2 и О2 хранятся
в пористых или губчатых устройствах внутри ТЭ. Данный тип ТЭ по принципу
дествия формально аналогичегн химической АБ, причем электрическая емкость
регенеративного ТЭ определяется количеством адсорбированных газов. Как и
ТЭ, возможно выполнение электролизной ячейки с электролитом, ИОМ или
капиллярной мембраной. Прикладываемое к электролизной ячейке при
электролизе напряжение на 30 - 80% должно превосходить напряжение,
генерируемое ТЭ, поскольку поляризационные эффекты в электролизной ячейке
проявляются сильнее, чем в ТЭ.
Регенеративная электроэнергетическая установка (РЭУ) космической
долговременной технологической базы включает восемь идентичных модулей
данного типа, средняя энергетическая мощность каждого из которых составляет
12,5 кВт. Газовые баллоны рассчитаны на запас реагентов 9-11 кг, рабочее
давление в баллонах поддерживается в диапазоне (6.9 ё 27.6) 105 Па. За один
цикл разрядного режима расходуется 3.03 кг реагентов (условная степень
разрядки 33%). Регулятор постоянного тока, компенсирующий падение
напряжения на выходе ЭХГ, позволяет вдвое повысить ресурс ТЭ, который может
доходить до 10 лет.
Список сокращений:
ЭХП - электрохимический преобразователь;
ЭХГ - электрохимический генератор;
ТЭ - топливный элемент;
КЛА - космический летательный аппарат;
АБ - аккумуляторная батарея;
АЭУ - автономная энергетическая установка;
ФЭП - фотоэлектрические преобразователи;
ИОМ - ионообменная мембрана;
БТЭ - батарея топливных элементов;
ПХГ - подсистема хранения горючего;
ПХО - ==||== ==||== окислителя;
ПОГ - ==||== обработки Г.;
ПОО - ==||== ==||== O.;
ППГ - ==||== подачи Г.;
ППО - ==||== ==||== О.;
ПОПР - ==||== отвода продуктов реакции;
ПТО - ==||== теплоотвода;
ПКА - ==||== контроля и автоматики;
ППРЭ - ==||== потребления и регулирования электроэнергии;
РЭУ - регенеративная электроэнергетическая установка.
Литература: Алиевский Б.Л. Специальные электрические машины.
М.:Энергоатомиздат, 1993.
| |
