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磁流體發(fā)電
用于電力工程領域的發(fā)電方式
基本信息
| 中文名 | 磁流體發(fā)電 |
| 外文名 | MHD power generation |
| 運用領域 | 電力工程 |
| 拼音 | cí liú tǐ fā diàn |
簡介
發(fā)電技術
燃煤磁流體發(fā)電技術--亦稱為等離子體發(fā)電，就是磁流體發(fā)電的典型應用，燃燒煤而得到的2.6×106℃以上的高溫等離子氣體并以高速流過強磁場時，氣體中的電子受磁力作用，沿著與磁力線垂直的方向流向電極，發(fā)出直流電，經直流逆變?yōu)榻涣魉腿虢涣麟娋W。磁流體發(fā)電本身的效率僅20%左右，但由于其排煙溫度很高，從磁流體排出的氣體可送往一般鍋爐繼續(xù)燃燒成蒸汽，驅動汽輪機發(fā)電，組成高效的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，總的熱效率可達50%～60%，是目前正在開發(fā)中的高效發(fā)電技術中最高的。同樣，它可有效地脫硫，有效地控制NOx的產生，也是一種低污染的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術。
發(fā)電流程
在磁流體發(fā)電技術中，高溫陶瓷不僅關系到在2000～3000K磁流體溫度能否正常工作，且涉及通道的壽命，亦即燃煤磁流體發(fā)電系統(tǒng)能否正常工作的關鍵，目前高溫陶瓷的耐受溫度最高已可達到3090K。磁流體發(fā)電比一般的火力發(fā)電效率高得多，但在相當長一段時間內它的研制進展不快，其原因在于伴隨它的優(yōu)點而產生了一大堆技術難題。磁流體發(fā)電機中，運行的是溫度在三、四千度的導電流體，它們是高溫下電離的氣體。為進行有效的電力生產，電離了的氣體導電性能還不夠，因此，還要在其中加入鉀、銫等金屬離子。但是，當這種含有金屬離子的氣流，高速通過強磁場中的發(fā)電通道，達到電極時，電極也隨之遭到腐蝕。電極的迅速腐蝕是磁流體發(fā)電機面臨的最大難題。另外，磁流體發(fā)電機需要一個強大的磁場，人們都認為，真正用于生產規(guī)模的發(fā)電機必須使用超導磁體來產生高強度的磁場，這當然也帶來技術和設備上的難題。最近幾年，科學家在導電流體的選用上有了新的進展，發(fā)明了用低熔點的金屬（如鈉、鉀等）作導電流體，在液態(tài)金屬中加進易揮發(fā)的流體（如甲苯、乙烷等）來推動液態(tài)金屬的流動，巧妙地避開了工程技術上一些難題，制造電極的材料和燃料的研制方面也有了新進展。但想一下子省錢省力地解決磁流體發(fā)電中技術、材料等方面的所有難題是不現(xiàn)實的。隨著新的導電流體的應用，技術難題逐步解決，磁流體發(fā)電的前景還是樂觀的。在美國，磁流體發(fā)電機的容量已超過32000千瓦；日本、西德、波蘭等許多國家都在研制碘流體發(fā)電機。我國也已研制出幾臺不同形式的磁流體發(fā)電機。
原理
基本原理
磁流體發(fā)電按工質的循環(huán)方式分為開式循環(huán)系統(tǒng)、閉式循環(huán)系統(tǒng)和液態(tài)金屬循環(huán)系統(tǒng)。最簡單的開式磁流發(fā)電機由燃燒室、發(fā)電通道和磁體組成。工作過程是：在燃料燃燒后產生的高溫燃氣中，加入易電離的鉀鹽或鈉鹽，使其部分電離，經噴管加速，產生溫度達3000℃、速度達1000米／秒的高溫高速導電氣體（部分等離子體），導電氣體穿越置于強磁場中的發(fā)電通道，作切割磁力線的運動，感生出電流。磁流體發(fā)電機沒有運動部件，結構緊湊，起動迅速，環(huán)境污染小，有很多優(yōu)點。特別是它的排氣溫度高達2000℃，可通入鍋爐產生蒸汽，推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。這種磁流體－蒸汽動力聯(lián)合循環(huán)電站，一次燃燒兩級發(fā)電，比現(xiàn)有火力發(fā)電站的熱效率高10－20%，節(jié)省燃料30%，是火力發(fā)電技術改造的重要方向。磁流體發(fā)電的研究始于20世紀50年代末，被認為是最現(xiàn)實可行、最有競爭力的直接發(fā)電方式。它涉及到磁流體動力學、等離子物理、高溫技術及材料、低溫超導技術和熱物理等領域，是一項大型工程性課題。許多先進國家都把它列為國家重點科研項目，有的建立國際間協(xié)作關系，以期早日突破。
磁流體發(fā)電
磁流體發(fā)電中所采用的導電流體一般是導電的氣體，也可以是液態(tài)金屬。我們知道，常溫下的氣體是絕緣體，只有在很高的溫度下，例如6000K以上，才能電離，才有較大的導電率。而磁流體發(fā)電一般是采用煤、石油或天然氣作燃料，燃料在空氣中燃燒時，即使把空氣預熱到1400K，也只能使空氣達到3000K的溫度，這時氣體的導電率還不能達到所需的值，而且即使再提高溫度，導電率也提高不了多少，卻給工程帶來很大困難。那么如何使氣體在較低的溫度下就能導電，并有較高的導電率？實際中采用的辦法是在高溫燃燒的氣體中添加一定比例的、容易電離的低電離電位的物質，如鉀、銫等堿金屬化合物。這種堿金屬化合物被稱為“種子”。在氣體中加入這種低電離電位物質的量一般以氣體重量的1%為佳。這樣氣體溫度在3000K左右時，就能達到所要求的導電率。當這種氣體以約1000m/S的速度通過磁場時，就可以實現(xiàn)具有工業(yè)應用價值的磁流體發(fā)電。
熱能轉化為電能
磁流體發(fā)電是一種新型的發(fā)電方法。它把燃料的熱能直接轉化為電能，省略了由熱能轉化為機械能的過程，因此，這種發(fā)電方法效率較高，可達到60％以上。同樣燒一噸煤，它能發(fā)電4500千瓦時，而汽輪發(fā)電機只能發(fā)出3000千瓦時電。對環(huán)境的污染也小。磁流體發(fā)電中，導電流體單位體積的輸出功率We為We=σv2B2k(1-k)式中σ為導電流體的電導率，v為流體的運動速度，B為磁場的磁通密度，k為電負載系數(shù)。典型的數(shù)據(jù)是σ=10～20西/米，B=5～6特，v=600～1000米/秒，k=0.7～0.8,We在25～150兆瓦/米3。80年代后期，世界上技術最先進的磁流體發(fā)電裝置是莫斯科北郊U-25裝置。它是以天然氣作燃料的開環(huán)裝置，額定功率為20.5兆瓦。
歷史
引導中心理論提出
1940～1948年阿爾文提出帶電單粒子在磁場中運動軌道的“引導中心”理論、磁凍結定理、磁流體動力學波(即阿爾文波)和太陽黑子理論，1949年他在《宇宙動力學》一書中集中討論了他的主要工作，推動了磁流體力學的發(fā)展。1950年倫德奎斯特首次探討了利用磁場來保存等離子體的所謂磁約束問題，即磁流體靜力學問題。受控熱核反應中的磁約束，就是利用這個原理來約束溫度高達一億度量級的等離子體。然而，磁約束不易穩(wěn)定，所以研究磁流體力學穩(wěn)定性成為極重要的問題。1951年，倫德奎斯特給出一個穩(wěn)定性判據(jù)，這個課題的研究至今仍很活躍。
美國是世界上研究磁流體發(fā)電最早的國家，1959年，美國就研制成功了11.5千瓦磁流體發(fā)電的試驗裝置。60年代中期以后，美國將它應用在軍事上，建成了作為激光武器脈沖電源和風洞試驗電源用的磁流體發(fā)電裝置。
日本和前蘇聯(lián)都把磁流體發(fā)電列入國家重點能源攻關項目，并取得了引人注目的成果。前蘇聯(lián)已將磁流體發(fā)電用在地震預報和地質勘探等方面。前蘇聯(lián)在1971年建造了一座磁流體——蒸汽聯(lián)合循環(huán)試驗電站，裝機容量為7.5萬千瓦，其中磁流體電機容量為2.5萬千瓦。1986年，前蘇聯(lián)開始興建世界上第一座50萬千瓦的磁流體和蒸汽聯(lián)合電站，這座電站使用的燃料是天然氣，它既可供電，又能供熱，與一般的火力發(fā)電站相比，它可節(jié)省燃料20％。
用于發(fā)電
磁流體發(fā)電為高效率利用煤炭資源提供了一條新途徑，所以世界各國都在積極研究燃煤磁流體發(fā)電。目前，世界上有17個國家在研究磁流體發(fā)電，而其中有13個國家研究的是燃煤磁流體發(fā)電，包括中國、印度、美國、波蘭、法國、澳大利亞、前蘇聯(lián)等。
國內情況
我國于本世紀60年代初期開始研究磁流體發(fā)電，先后在北京、上海、南京等地建成了試驗基地。根據(jù)我國煤炭資源豐富的特點，我國將重點研究燃煤磁流體發(fā)電，并將它作為“863”計劃中能源領域的兩個研究主題之一，爭取在短時間內趕上世界先進水平。作為一種高技術，磁流體發(fā)電推動著工程電磁流體力學這門新興學科和高溫燃燒、氧化劑預熱、高溫材料、超導磁體、大功率變流技術、高溫診斷和降低工業(yè)動力裝置有害排放物的先進方法等一系列新技術的發(fā)展。這些科學成果和技術成就可以得到其他方面的應用，并有著美好的發(fā)展前景。
綜上所述，從高效率、低污染、高技術的考慮，使得磁流體發(fā)電從其原理性實驗成功開始，就迅速得到了全世界的重視，許多國家都給予了持續(xù)穩(wěn)定的支持。
磁流體發(fā)電
現(xiàn)狀和展望
從高效率、低污染、高技術的考慮，磁流體發(fā)電為高效率利用煤炭資源提供了一條新途徑，使得磁流體發(fā)電從其原理性實驗成功開始，就迅速得到了全世界的重視，許多國家都給予了持續(xù)穩(wěn)定的支持并積極研究燃煤磁流體發(fā)電。
當前的研究工作主要集中于燃燒礦物燃料的開式循環(huán)磁流體發(fā)電。蘇聯(lián)、美國、日本和中國等國都建立了一系列磁流體發(fā)電裝置。技術最先進的是蘇聯(lián)的Y-25型裝置。這種裝置由以天然氣作燃料的開式循環(huán)磁流體發(fā)電裝置和汽輪發(fā)電機聯(lián)合組成，頭部的磁流體發(fā)電裝置的設計功率是25兆瓦。美國在以煤作燃料的磁流體發(fā)電裝置方面也取得成就，MarkV曾作為電弧風洞的電源投入使用。日本一座場強為5萬高斯（即5特斯拉）超導磁場的磁流體發(fā)電裝置已投入運轉。
以液態(tài)金屬作為工質的閉式循環(huán)磁流體發(fā)電裝置，由于沒有轉動部件雙，比較牢固，而且能夠發(fā)出交流電，故一般將它作為空間動力的備用裝置進行研究。近年來，美國、蘇聯(lián)、以色列還把這種磁流體發(fā)電與太陽能源結含起來進行研究。以裂變反應堆為熱源、采用非平衡電離效應的閉式循環(huán)磁流體發(fā)電裝置的研究工作尚未取得重大突破。這是因為有磁場時，非平衡電離的實驗結果同理論預計相差較遠。此外，由于電導率隨等離子體密度的增加而下降，所以要求工質處于低氣壓狀態(tài)，而這一要求同反應堆的合理設計有矛盾。近年來的研究表明，當?shù)入x子體密度足夠高時，粒子的平均動能已不再比粒子間的相互作用能大很多，等離子體變成非理想的。這時等離子體的電導率隨密度增大而上升，接近金屬的電導率。這一性質對磁流體發(fā)電以及作為反應堆中攜帶熱量的工質都是十分有利的。
等離子體橫越磁場流動的穩(wěn)定性問題是磁流體發(fā)電裝置研究的主要問題之一。在低氣壓閉式循環(huán)磁流體發(fā)電裝置中，由于工質處于非平衡狀態(tài)，出現(xiàn)的不穩(wěn)定性較多。除了在等離子體中經常出現(xiàn)的由于局部溫度提高而引起電流集中、溫度反復上升和電子急劇加速的過熱不穩(wěn)定性和離子聲波不穩(wěn)定性以外，電離不穩(wěn)定性成為重點研究對象。電離不穩(wěn)定性出現(xiàn)后，荷電粒子的密度、電流和電場都隨空間和時間而迅速變化，從而降低有效電導率，使發(fā)電裝置的性能明顯惡化。有人提出用交替改變平均電流方向（其周期比不穩(wěn)定發(fā)展的特征時間，即振幅增長e倍所需的時間更短）來抑制電離不穩(wěn)定性的方法。在開式循環(huán)磁流體發(fā)電裝置中，等離子體是處于局部熱力學平衡的，不產生電離不穩(wěn)定性，其他不穩(wěn)定性也不明顯。徂在大型工業(yè)裝置中，等離子體與磁場的相互作用較強，不穩(wěn)定性也可能出現(xiàn)。
設計通道起初大多采用一維流動模型，隨著發(fā)電裝置功率的增大，需要對通道進行細致的理論研究。超聲速發(fā)電通道的理論和實驗是當前重點研究的項目之一。制造能長時間有效工作的通道和電極材料是當前主要技術困難的所在，而制造能提供高場強的超導磁體是磁流體發(fā)電裝置能否進入實用階段的關鍵問題。
參考書目
G. W. Sutton and A. Sherman, Engineering Magneto-hydrodynamics, McGrav-Hill, New York, 1965.
L. P. Harris and J. D. Cobine, The Significance of the Hall Effect for Three MHD Generator Configuration, Trans. ASME, Ser. A, 83A, pp. 392?396, 1961.
L. M. Biberman, et al., Physics of MHD Energy Conversion, Proceedings of the XIII International Conf. on Phenomena in Ionized Gases, Physical Society of the GDR, Berlin, 1977.
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