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  • 磁流体发电

    磁流体发电(magnetohydrodynamic power generation)过流动的导电流体与磁场相互作用而产生电能。磁流体发电技术就是用燃料(石油、天然气、燃煤、核能等)直接加热成易于电离的气体,使之在2000℃的高温下电离成导电的离子流,然后让其在磁场中高速流动时,切割磁力线,产生感应电动势,即由热能直接转换成电流,由于无需经过机械转换环节,所以称之为"直接发电",其燃料利用率得到显著提高,这种技术也称为"等离子体发电技术"。

    编辑摘要

    目录

    概述/磁流体发电 编辑

    定义

    磁流体发电是一种新型的高效发电方式,其定义为当带有

    等离子状态,是指物质原子内的电子在高温下脱离原子核的吸引,使物质呈为正负带电粒子状态存在。

    磁流体的等离子体横切穿过磁场时,按电磁感应定律,等离子体的正负粒子在磁场的作用下分离,而聚集在与磁力线平等的两个面上,由于电荷的聚集,从而产生电势。在磁流体流经的通道上安装电极和外部负荷连接时,则可发电。

    为使高温气体有足够的电导率,需在高温和高速下,加入总量1%左右的易电离物质——“种子”,一般为碳酸钾,以利用非平衡电离原理来提高电离度。用裂变反应堆作热源时,工作介质大多是惰性气体(例如氦),并以铯作为种子物质。由于受到反应堆固体元件材料的限制,工作介质的温度远不能使其达到电离状态。为了提高电导率,通常采取非平衡电离效应(例如用高频电场促使电离,这时电子的温度高于离子和中性粒子的温度)。此外,工作介质也可为液态金属和气体或液态金属和其蒸气的混合物。

    发电技术

    燃煤磁流体发电技术--亦称为等离子体发电,就是磁流体发电的典型应用,燃烧煤而得到的2.6×106℃以上的高温等离子气体并以高速流过强磁场时,气体中的电子受磁力作用,沿着与磁力线垂直的方向流向电极,发出直流电,经直流逆变为交流送入交流电网。

    磁流体发电本身的效率仅20%左右,但由于其排烟温度很高,从磁流体排出的气体可送往一般锅炉继续燃烧成蒸汽,驱动汽轮机发电,组成高效的联合循环发电,总的热效率可达50%~60%,是目前正在开发中的高效发电技术中最高的。同样,它可有效地脱硫,有效地控制NOx的产生,也是一种低污染的煤气化联合循环发电技术。

    发电流程

    在磁流体发电技术中,高温陶瓷不仅关系到在2000~3000K磁流体温度能否正常工作,且涉及通道的寿命,亦即燃煤磁流体发电系统能否正常工作的关键,目前高温陶瓷的耐受温度最高已可达到3090K。

    磁流体发电比一般的火力发电效率高得多,但在相当长一段时间内它的研制进展不快,其原因在于伴随它的优点而产生了一大堆技术难题。磁流体发电机中,运行的是温度在三、四千度的导电流体,它们是高温下电离的气体。为进行有效的电力生产,电离了的气体导电性能还不够,因此,还要在其中加入钾、铯等金属离子。但是,当这种含有金属离子的气流,高速通过强磁场中的发电通道,达到电极时,电极也随之遭到腐蚀。电极的迅速腐蚀是磁流体发电机面临的最大难题。另外,磁流体发电机需要一个强大的磁场,人们都认为,真正用于生产规模的发电机必须使用超导磁体来产生高强度的磁场,这当然也带来技术和设备上的难题。最近几年,科学家在导电流体的选用上有了新的进展,发明了用低熔点的金属(如钠、钾等)作导电流体,在液态金属中加进易挥发的流体(如甲苯、乙烷等)来推动液态金属的流动,巧妙地避开了工程技术上一些难题,制造电极的材料和燃料的研制方面也有了新进展。但想一下子省钱省力地解决磁流体发电中技术、材料等方面的所有难题是不现实的。随着新的导电流体的应用,技术难题逐步解决,磁流体发电的前景还是乐观的。在美国,磁流体发电机的容量已超过32000千瓦;日本、德国、波兰等许多国家都在研制碘流体发电机。我国也已研制出几台不同形式的磁流体发电机。

    磁流体发电的原理/磁流体发电 编辑

    基本原理

    根据电磁感应原理,用导电流体(气体或液体)与磁场相对运动而发电。

    导电流体在通道中横越磁场 B流过时,由于电磁感应而在垂直于磁场和流速的方向上感生出一个电场 E,如把导电流体与外负载相接,导电流体中的能量就可直接转换成电能,向外输出(图1)。这样能省去普通发电机组中某些能量转换的中间过程,因此这种发电又称磁流体直接发电,在这种发电装置中主要部件是发电通道、电极和磁场。

    图1  磁流体发电装置示意图 图1 磁流体发电装置示意图

    装置类型 按照电流由导电流体中引出的方式,发 电装置可分为传导式和感应式两种。在传导式发电器中,电流是通过发电通道两侧的电极引出的;在感应式发电器中,没有电极,电流直接由磁场绕组输出。按照输出 电流的类别,发电装置可分为交流和直流两种。根据工作介质在装置中是一次使用还是在系统中循环使用,发电装置可分为开式和闭式两种。根据发电通道几何形状的不同,发电装置可分为直线型、涡旋型和径向外流型等几种。下面介绍两种装置:

    ①开式循环直线型磁流体发电装置这种发电装置中的工作介质是温度2500~3500开的高温电离气体,即等离子体。在连续电极的直线型发电装置中(图2a),如果平均电子碰撞频率比电子在磁场中的回旋频率大得多,则当等离子体横越磁场时,就感生出一个同磁场和流速相垂宜的电场,但当等离子体密度较低,电子在磁场中的回旋频率相当于或甚至大于平均电子碰撞频率时,电子在磁场中就沿曲线运动。这一现象称为霍耳效应,由此产生的垂直于电场的电流称为霍耳电流。电子回旋频率ω与平均电子碰撞频率1/t之比ωt称为霍耳系数,它表征霍耳效应的大小,在物理意义上相当于存在磁场时一个电子在两次碰撞间转过的弧度,也相当于沿等离子体流动方向的霍耳电流与平行于电场方向的电流之比。在连续电极发电装置中,由于出现霍耳电流(损耗电流),平行于电场的电流要降低为原值的。为了减小霍耳电流,通常采用分段电极(图2b),也可直接利用霍耳电流来代替平行于电场的电流,从而成为霍耳发电装置(图2c)。近年来又在此基础上发展出斜框式通道的发电装置。使用开式循环磁流体发电装置可减少环境污染,特别对含硫较高的矿物燃料,由于在燃烧室中“种子” 碳酸钾几乎完全离解,在发电装置的通道下游,通过化学反应复合成硫酸钾,从而显著降低二氧化硫的排放量。

    图2  磁流体发电装置的电极连接图 图2 磁流体发电装置的电极连接图

    ②闭式循环磁流体发电装置采取封闭回路,工作介质可反复使用。通常选用惰性气体(如氦)作为介质,以铯作种子物质,利用非平衡电离效应来提高电导率,或用液态金属及其蒸气的混合物作为介质。这类装置通常以裂变反应堆作热源,其工作原理与开式循环装置相同。

    磁流体发电机没有运动部件,结构紧凑,起动迅速,环境污染小,有很多优点。特别是它的排气温度高达2000℃,可通入锅炉产生蒸汽,推动汽轮发电机组发电。这种磁流体-蒸汽动力联合循环电站,一次燃烧两级发电,比现有火力发电站的热效率高10-20%,节省燃料30%,是火力发电技术改造的重要方向。磁流体发电的研究始于20世纪50年代末,被认为是最现实可行、最有竞争力的直接发电方式。它涉及到磁流体动力学、等离子物理、高温技术及材料、低温超导技术和热物理等领域,是一项大型工程性课题。许多先进国家都把它列为国家重点科研项目,有的建立国际间协作关系,以期早日突破。

    从发电的机理上看,磁流体发电与普通发电一样,都是根据法拉第电磁感应定律获得电能。所不同的是,磁流体发电是以高温的导电流体(在工程技术上常用等离子体)高速通过磁场,以导电的流体切割磁感线产生电动势。这时,导电的流体起到了金属导线的作用。

    磁流体发电中所采用的导电流体一般是导电的气体,也可以是液态金属。我们知道,常温下的气体是绝缘体,只有在很高的温度下,例如6000K以上,才能电离,才有较大的导电率。而磁流体发电一般是采用煤、石油或天然气作燃料,燃料在空气中燃烧时,即使把空气预热到1400K,也只能使空气达到3000K的温度,这时气体的导电率还不能达到所需的值,而且即使再提高温度,导电率也提高不了多少,却给工程带来很大困难。那么如何使气体在较低的温度下就能导电,并有较高的导电率。实际中采用的办法是在高温燃烧的气体中添加一定比例的、容易电离的低电离电位的物质,如钾、铯等碱金属化合物。这种碱金属化合物被称为“种子”。在气体中加入这种低电离电位物质的量一般以气体重量的1%为佳。这样气体温度在3000K左右时,就能达到所要求的导电率。当这种气体以约1000m/S的速度通过磁场时,就可以实现具有工业应用价值的磁流体发电。

    热能转化为电能

    磁流体发电是一种新型的发电方法。它把燃料的热能直接转化为电能,省略了由热能转化为机械能的过程,因此,这种发电方法效率较高,可达到60%以上。同样烧一吨煤,它能发电4500千瓦时,而汽轮发电机只能发出3000千瓦时电。对环境的污染也小

    磁流体发电中,导电流体单位体积的输出功率We为

    We=σv 2B 2k(1-k)式中σ为导电流体的电导率,v为流体的运动速度,B为磁场的磁通密度,k为电负载系数。典型的数据是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,世界上技术最先进的磁流体发电装置是莫斯科北郊U-25装置。它是以天然气作燃料的开环装置,额定功率为20.5兆瓦。

    磁流体发电的历史/磁流体发电 编辑

    磁流体力学概念的提出

    1832年法拉第首次提出有关磁流体力学问题。他根据海水切割地球磁场产生电动势的想法,测量泰晤士河两岸间的电位差,希望测出流速,但因河水电阻大、地球磁场弱和测量技术差,未达到目的。1937年哈特曼根据法拉第的想法,对水银在磁场中的流动进行了定量实验,并成功地提出粘性不可压缩磁流体力学流动(即哈特曼流动)的理论计算方法。

    引导中心理论的提出

    1940~1948年阿尔文提出带电单粒子在磁场中运动轨道的“引导中心”理论、磁冻结定理、磁流体动力学波(即阿尔文波)和太阳黑子理论,1949年他在《宇宙动力学》一书中集中讨论了他的主要工作,推动了磁流体力学的发展。1950年伦德奎斯特首次探讨了利用磁场来保存等离子体的所谓磁约束问题,即磁流体静力学问题。受控热核反应中的磁约束,就是利用这个原理来约束温度高达一亿度量级的等离子体。

    然而,磁约束不易稳定,所以研究磁流体力学稳定性成为极重要的问题。1951年,伦德奎斯特给出一个稳定性判据,这个课题的研究至今仍很活跃。

    20世纪初就有人取得磁流体发电的专利,但直到50年代,在火箭技术发展的推动下,磁流体发电获得了具有实际意义的进展,1959年首次出现磁流体发电和汽轮发电组合,其效率约为50%左右,如果进一步改善预计可达60%。磁流体发电装置优点是没有机械运动不见,同汽轮发电机组合联合运行,效率可大为提高。美国是世界上研究磁流体发电最早的国家, 1959年,美国就研制成功了11.5千瓦磁流体发电的试验装置,。60年代中期以后,美国将它应用在军事上,建成了作为激光武器脉冲电源和风洞试验电源用的磁流体发电装置。

    日本和前苏联都把磁流体发电列入国家重点能源攻关项目,并取得了引人注目的成果。前苏联已将磁流体发电用在地震预报和地质勘探等方面。前苏联在1971年建造了一座磁流体——蒸汽联合循环试验电站,装机容量为7.5万千瓦,其中磁流体电机容量为2.5万千瓦。1986年,前苏联开始兴建世界上第一座50万千瓦的磁流体和蒸汽联合电站,这座电站使用的燃料是天然气,它既可供电,又能供热,与一般的火力发电站相比,它可节省燃料20%。

    现状和展望/磁流体发电 编辑

    作为一种高技术,磁流体发电推动着工程电磁流体力学这门新兴学科和高温燃烧、氧化剂预热、高温材料、超导磁体、大功率变流技术、高温诊断和降低工业动力装置有害排放物的先进方法等一系列新技术的发展。这些科学成果和技术成就可以得到其他方面的应用,并有着美好的发展前景。从高效率、低污染、高技术的考虑,磁流体发电为高效率利用煤炭资源提供了一条新途径,使得磁流体发电从其原理性实验成功开始,就迅速得到了全世界的重视,许多国家都给予了持续稳定的支持并积极研究燃煤磁流体发电。

    目前,世界上有17个国家在研究磁流体发电,而其中有13个国家研究的是燃煤磁流体发电,包括中国、印度、美国、波兰、法国、澳大利亚、前苏联等。当前的研究工作主要集中于燃烧矿物燃料的开式循环磁流体发电。苏联、美国、日本和中国等国都建立了一系列磁流体发电装置。技术最先进的是苏联的Y-25型装置。这种装置由以天然气作燃料的开式循环磁流体发电装置和汽轮发电机联合组成,头部的磁流体发电装置的设计功率是25兆瓦。美国在以煤作燃料的磁流体发电装置方面也取得成就,MarkV曾作为电弧风洞的电源投入使用。日本一座场强为5万高斯(即5特斯拉)超导磁场的磁流体发电装置已投入运转。我国于上世纪60年代初期开始研究磁流体发电,先后在北京、上海、南京等地建成了试验基地。根据我国煤炭资源丰富的特点,我国将重点研究燃煤磁流体发电,并将它作为“863”计划中能源领域的两个研究主题之一,争取在短时间内赶上世界先进水平。

    以液态金属作为工质的闭式循环磁流体发电装置,由于没有转动部件双,比较牢固,而且能够发出交流电,故一般将它作为空间动力的备用装置进行研究。近年来,美国、苏联、以色列还把这种磁流体发电与太阳能源结含起来进行研究。以裂变反应堆为热源、采用非平衡电离效应的闭式循环磁流体发电装置的研究工作尚未取得重大突破。这是因为有磁场时,非平衡电离的实验结果同理论预计相差较远。此外,由于电导率随等离子体密度的增加而下降,所以要求工质处于低气压状态,而这一要求同反应堆的合理设计有矛盾。近年来的研究表明,当等离子体密度足够高时,粒子的平均动能已不再比粒子间的相互作用能大很多,等离子体变成非理想的。这时等离子体的电导率随密度增大而上升,接近金属的电导率。这一性质对磁流体发电以及作为反应堆中携带热量的工质都是十分有利的。

    随着受控热核反应研究的进展,聚变反应雄-磁流体发电装置有可能成为21世纪中央电站的主要形式。

    等离子体横越磁场流动的稳定性问题是磁流体发电装置研究的主要问题之一。在低气压闭式循环磁流体发电装置中,由于工质处于非平衡状态,出现的不稳定性较多。除了在等离子体中经常出现的由于局部温度提高而引起电流集中、温度反复上升和电子急剧加速的过热不稳定性和离子声波不稳定性以外,电离不稳定性成为重点研究对象。电离不稳定性出现后,荷电粒子的密度、电流和电场都随空间和时间而迅速变化,从而降低有效电导率,使发电装置的性能明显恶化。有人提出用交替改变平均电流方向(其周期比不稳定发展的特征时间,即振幅增长e倍所需的时间更短)来抑制电离不稳定性的方法。在开式循环磁流体发电装置中,等离子体是处于局部热力学平衡的,不产生电离不稳定性,其他不稳定性也不明显。徂在大型工业装置中,等离子体与磁场的相互作用较强,不稳定性也可能出现。

    设计通道起初大多采用一维流动模型,随着发电装置功率的增大,需要对通道进行细致的理论研究。超声速发电通道的理论和实验是当前重点研究的项目之一。制造能长时间有效工作的通道和电极材料是当前主要技术困难的所在,而制造能提供高场强的超导磁体是磁流体发电装置能否进入实用阶段的关键问题。 [1]

    参考书目/磁流体发电 编辑

    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.

    相关文献

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    参考资料
    [1]^引用日期:2019-07-10

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