В Рязани началось сооружение первого в мире промышленного магнитогидродинамического блока мощностью 500 мегаватт. Пуск уникальной электростанции намечен на конец одиннадцатой пятилетки. И в ряд привычных нам сокращенных названий ГЭС, ГРЭС, АЭС войдет новое — МГДЭС
Как ни богата событиями история мировой энергетики, но равных по значению пуску первой МГД-злектростанции и в ней найдется немного. Специалисты считают, что это будет качественный скачок, подобный переходу от пара к электричеству. Расчеты показывают: МГД-электростанции в сравнении с лучшими из современных тепловых электростанций увеличат КПД использования топлива на 20—25%. При нынешнем уровне выработки электроэнергии каждый из этих процентов ежегодно сэкономил бы больше трех миллионов тонн топлива! МГДЭС требуют в два раза меньше воды, резко сокращают выбросы тепла и загрязнение атмосферы. На них вполне реально достичь мощности в тысячу мегаватт. Это мощность двух довоенных Днепрогэсов!
Сама идея МГД-преобразова-ния энергии на удивление проста. Своеобразное сердце генератора — магнитный канал. Формой он напоминает расширяющееся сопло ракеты. Только сечение у него не круглое, а прямоугольное. Канал окружен обмоткой, по которой течет ток, создавая внутри канала сильное магнитное поле. В вертикальные стенки канала вмонтированы электроды. Если по каналу пропускать электропроводную плазму, получающуюся, например, при сжигании топлива, то на отрицательных электродах появится избыток электронов, на положительных — положительно заряженные частицы. Если к такому генератору подсоединить потребителей, к ним потечет электрический ток.
Но к первой МГДЭС советские ученые и инженеры шли почти четверть 'века. Согласитесь, срок немалый, когда на дворе, как говорится, вторая половина XX века, когда сами за себя говорят достоинства новой станции и ясен принцип их воплощения. Почему же так долго шли по такому на первый взгляд короткому и прямому пути? Напомним, что предстояло сделать за это время советским специалистам — лидерам в новом направлении энергетики.
С самых первых экспериментов МГД-канал представлялся сгустком противоречивейших требований, где выполнение одного, казалось бы, начисто отвергало даже возможность учета другого. Словно герои известной басни Крылова, эти противоречия упрямо тянули «воз» каждое в свою сторону. Например, плазма в канале должна быть заключена в совершенный теплоизоляционный чехол, иначе ее жар будет бесполезно растрачен. Но вдоль вертикальных стенок канала к плазме обращен частокол из электродов, подобно заборчику из штакета. Естественно, они должны отлично проводить ток и быть при этом хорошими теплоизоляторами. Ни один из известных технике материалов этих достоинств в себе не сочетает. Вспомним, лучшие проводники тока — серебро, медь, алюминий — столь же прекрасно проводят тепло. Годы экспериментов и испытаний ушли на решение этого противоречия, пока не появилась надежная конструкция уникального электрода. Он состоит из медного корпуса, охлаждаемого изнутри строго рассчитанным количеством дистиллированной воды, дабы не снижать температуру самой плазмы. На обращенную в канал поверхность электрода наносят особую замазку из окислов редкоземельных элементов —только они, как выяснилось на испытаниях, могут сотни часов устоять против жара плазмы и хорошо проводить электричество. Но плазма — это не только огнедышащее пекло. Она проносится через канал со скоростью вчетверо большей, чем у реактивного самолета! Не зря МГД-канал сравнивают с ракетой, положенной на бок. В нем возникают огромные механические напряжения. Их также должны выдерживать электроды. В канале их необходимо еще и изолировать друг от друга. Чем? Каким материалом? Ответ вроде бы ясен: конечно же, материалом-диэлектриком с высокой механической и температурной стойкостью... Но такой материал нужно было изобрести, получить, испытать. И точно так же, как тугоплавкую, прочнейшую керамику для изоляторов, впервые пришлось разрабатывать уникальный инвертор — преобразователь постоянного тока, снимаемого с электродов и превращаемого в нужный промышленности переменный ток. Здесь главная сложность в том, что электроды дают неодинаковые токи — плазма не может быть везде однородной, иметь в разных точках одинаковую электропроводность. Чтобы справиться с этой задачей, разработали инвертор, в котором тиристорами — полупроводниковыми вентилями — управляет ЭВМ.
Каким должен быть магнит для МГД-электростанции мощностью в сотни мегаватт? Расчет показывал: его стальной сердечник должен иметь массу около тридцати тысяч тонн! По суше такую махину даже перевезти невозможно. Для питания такого магнита нужно почти столько же электроэнергии, сколько производит сам МГД-генератор, а для охлаждения его обмоток надо пропускать через них целую реку... Всего этого можно избежать, используя в магните явление сверхпроводимости. При температуре всего на несколько градусов выше абсолютного нуля обмотка магнита, выполненная из особого сплава, становится сверхпроводящей. Постоянный ток, протекающий в ней, практически не встречает сопротивления — магнит работает почти без потребления электроэнергии. (Уточним, немного энергии все-таки расходуется, чтобы поддерживать в жидком состоянии гелий, в который погружена обмотка.)
Для МГД-электростанции в Рязани создан самый большой в мире сверхпроводящий магнит. И опять-таки ученым и инженерам пришлось решать проблему парадоксального соседства: жара раскаленной плазмы и космического мороза в криостате с жидким гелием. 2800° С и —269° С, а между ними лишь стенка МГД-канала!
Топливом для станции выбрали природный газ. Его можно превратить в плазму в камере сгорания, нагнетая туда воздух. Но чтобы получить необходимую температуру плазмы, воздух должен быть нагрет до 2000° С... Такого воздухоподогревателя техника не знала. При такой температуре даже металлы начинают вскипать. Уникальный воздухоподогреватель был создан и испытан.
Из камеры сгорания в магнитный канал стала вырываться струя плазмы со скоростью один километр в секунду и с температурой около трех тысяч градусов!.. Но, увы, амперметры показывали слишком слабые токи, снимаемые с электродов. Другими словами, электропроводность плазмы оставалась очень низкой. Нашли выход: в камере сгорания стали распылять особые присадки — соли калия, которые доводили электропроводность плазмы до нужного уровня. Возникла новая проблема — как улавливать небезвредные присадки за каналом. Памятуя о будущем — о промышленной станции, задачу ставили еще шире: не только улавливать присадки, но и возвращать их в камеру сгорания, чтобы станция была еще более экономичной. Для этого сконструировали и испытали особое фильтрационное устройство, способное в огромном объеме раскаленного газа выделять ничтожные количества этих веществ. Так создавались и испытывались на экспериментальной установке У-02 и опытно-промышленной У-25 уникальные материалы и конструкции. В середине 70-х годов У-25 вышла на проектную мощность в 20 мегаватт.
Она проработала уже свыше 10 тыс. ч, давая неоднократно ток в Единую энергетическую систему СССР. Причем время непрерывной работы доходило до 250 ч.
Здесь уместно, пожалуй, небольшое отступление от главной темы. Известно, к каким качественным изменениям в науке и производстве привела необходимость создания космической и атомной техники, когда понадобились совершенно новые материалы, иные конструктивные решения. МГДЭС — это тоже своего рода прорыв на новый технологический и конструкторский уровень. Многое из того уникального, что создавалось специально для первенца МГД-энергетики, в скором времени подхватят и другие области производства. Например, уникальный воздухоподогреватель, о котором мы рассказывали, уже строят на Череповецком металлургическом комбинате для доменной печи, намечено создание такого аппарата на Новолипецком металлургическом комбинате. Им заинтересовались химики. Все большее распространение получает плазменная технология создания новых материалов. Она также сможет опираться на результаты, полученные при разработке МГДЭС.
На рисунке приведена подробная схема первой рязанской станции. Вот как она будет работать. Природный газ и подогретый воздух поступают в камеру сгорания, в которой также распыляют ионизирующую присадку. Затем струя плазмы проносится через МГД-канал, электроды которого снимают электрический ток. Инвертор преобразует его в ток промышленной частоты и подает в энергосистему. МГД-канал может работать непрерывно несколько сот часов. Он установлен на поворотной платформе, что позволяет быстро заменить его новым — на то время, пока восстанавливают первый. Плазма, покинувшая МГД-канал, еще содержит много тепловой энергии. В парогенераторе раскаленный газ нагреет воду, превратит ее в пар, который будет вращать обычный для тепловой электростанции турбогенератор, то есть «на хвосте» МГД-генератора работает еще и обыкновенная тепловая станция. Суммарная мощность такого блока — 500 МВт, а КПД — около 50%.
Для пятидесяти крупных заводов хватит энергии, которую даст первая МГДЭС! Но этим ее значение,. далеко не исчерпывается. Она станет еще и первым промышленным полигоном МГД-энергетики, каким стала в свое время первая в мире Обнинская АЭС. Бок о бок с рабочими здесь будут трудиться ученые, чтобы на месте анализировать ее работу, чтобы совершеннее стали последующие станции. Как полагают специалисты, уже МГДЭС первого поколения смогут работать и на угле. Та первая экспериментальная установка У-02, с которой практически и начиналась Рязанская станция, уже переведена на угольное топливо. В лабораториях и конструкторских бюро зреют идеи МГДЭС и второго поколения, которые будут стыковаться с атомными и термоядерными реакторами. О проблемах их создания мы еще обязательно расскажем. А пока все ближе день рождения промышленной МГД-энергетики, которым станет день пуска Рязанской станции.
Ф. ПАТРУНОВ, кандидат технических наук