磁流體發(fā)電（用于電力工程領(lǐng)域的發(fā)電方式）
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磁流體發(fā)電
用于電力工程領(lǐng)域的發(fā)電方式
磁流體發(fā)電，就是用燃料（石油、天然氣、燃煤、核能等）直接加熱成易于電離的氣體，使之在2000℃的高溫下電離成導電的離子流，然后讓其在磁場(chǎng)中高速流動(dòng)時(shí)，切割磁力線(xiàn)，產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，即由熱能直接轉換成電流，由于無(wú)需經(jīng)過(guò)機械轉換環(huán)節，所以稱(chēng)之為直接發(fā)電，其燃料利用率得到顯著(zhù)提高，這種技術(shù)也稱(chēng)為等離子體發(fā)電技術(shù)。
基本信息
| 中文名 | 磁流體發(fā)電 |
| 外文名 | MHD power generation |
| 運用領(lǐng)域 | 電力工程 |
| 拼音 | cí liú tǐ fā diàn |
簡(jiǎn)介
發(fā)電技術(shù)
燃煤磁流體發(fā)電技術(shù)--亦稱(chēng)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(guò)強磁場(chǎng)時(shí)，氣體中的電子受磁力作用，沿著(zhù)與磁力線(xiàn)垂直的方向流向電極，發(fā)出直流電，經(jīng)直流逆變?yōu)榻涣魉腿虢涣麟娋W(wǎng)。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燃燒成蒸汽，驅動(dòng)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(kāi)發(fā)中的高效發(fā)電技術(shù)中最高的。同樣，它可有效地脫硫，有效地控制NOx的產(chǎn)生，也是一種低污染的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)。
發(fā)電流程
在磁流體發(fā)電技術(shù)中，高溫陶瓷不僅關(guān)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)電系統能否正常工作的關(guān)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(cháng)一段時(shí)間內它的研制進(jìn)展不快，其原因在于伴隨它的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生了一大堆技術(shù)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(jìn)行有效的電力生產(chǎn)，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(guò)強磁場(chǎng)中的發(fā)電通道，達到電極時(shí)，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(gè)強大的磁場(chǎng)，人們都認為，真正用于生產(chǎn)規模的發(fā)電機必須使用超導磁體來(lái)產(chǎn)生高強度的磁場(chǎng)，這當然也帶來(lái)技術(shù)和設備上的難題。最近幾年，科學(xué)家在導電流體的選用上有了新的進(jìn)展，發(fā)明了用低熔點(diǎn)的金屬（如鈉、鉀等）作導電流體，在液態(tài)金屬中加進(jìn)易揮發(fā)的流體（如甲苯、乙烷等）來(lái)推動(dòng)液態(tài)金屬的流動(dòng)，巧妙地避開(kāi)了工程技術(shù)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(jìn)展。但想一下子省錢(qián)省力地解決磁流體發(fā)電中技術(shù)、材料等方面的所有難題是不現實(shí)的。隨著(zhù)新的導電流體的應用，技術(shù)難題逐步解決，磁流體發(fā)電的前景還是樂(lè )觀(guān)的。在美國，磁流體發(fā)電機的容量已超過(guò)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(zhì)的循環(huán)方式分為開(kāi)式循環(huán)系統、閉式循環(huán)系統和液態(tài)金屬循環(huán)系統。最簡(jiǎn)單的開(kāi)式磁流發(fā)電機由燃燒室、發(fā)電通道和磁體組成。工作過(guò)程是：在燃料燃燒后產(chǎn)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(jīng)噴管加速，產(chǎn)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(chǎng)中的發(fā)電通道，作切割磁力線(xiàn)的運動(dòng)，感生出電流。磁流體發(fā)電機沒(méi)有運動(dòng)部件，結構緊湊，起動(dòng)迅速，環(huán)境污染小，有很多優(yōu)點(diǎn)。特別是它的排氣溫度高達2000℃，可通入鍋爐產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機組發(fā)電。這種磁流體－蒸汽動(dòng)力聯(lián)合循環(huán)電站，一次燃燒兩級發(fā)電，比現有火力發(fā)電站的熱效率高10－20%，節省燃料30%，是火力發(fā)電技術(shù)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，被認為是最現實(shí)可行、最有競爭力的直接發(fā)電方式。它涉及到磁流體動(dòng)力學(xué)、等離子物理、高溫技術(shù)及材料、低溫超導技術(shù)和熱物理等領(lǐng)域，是一項大型工程性課題。許多先進(jìn)國家都把它列為國家重點(diǎn)科研項目，有的建立國際間協(xié)作關(guān)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(shí)，即使把空氣預熱到1400K，也只能使空氣達到3000K的溫度，這時(shí)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(lái)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(shí)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(zhì)，如鉀、銫等堿金屬化合物。這種堿金屬化合物被稱(chēng)為“種子”。在氣體中加入這種低電離電位物質(zhì)的量一般以氣體重量的1%為佳。這樣氣體溫度在3000K左右時(shí)，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(guò)磁場(chǎng)時(shí)，就可以實(shí)現具有工業(yè)應用價(jià)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(guò)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(shí)，而汽輪發(fā)電機只能發(fā)出3000千瓦時(shí)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(dòng)速度，B為磁場(chǎng)的磁通密度，k為電負載系數。典型的數據是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(shù)最先進(jìn)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(kāi)環(huán)裝置，額定功率為20.5兆瓦。
歷史
概念的提出
1832年法拉第首次提出有關(guān)磁流體力學(xué)問(wèn)題。他根據海水切割地球磁場(chǎng)產(chǎn)生電動(dòng)勢的想法，測量泰晤士河兩岸間的電位差，希望測出流速，但因河水電阻大、地球磁場(chǎng)弱和測量技術(shù)差，未達到目的。1937年哈特曼根據法拉第的想法，對水銀在磁場(chǎng)中的流動(dòng)進(jìn)行了定量實(shí)驗，并成功地提出粘性不可壓縮磁流體力學(xué)流動(dòng)(即哈特曼流動(dòng))的理論計算方法。
引導中心理論提出
1940～1948年阿爾文提出帶電單粒子在磁場(chǎng)中運動(dòng)軌道的“引導中心”理論、磁凍結定理、磁流體動(dòng)力學(xué)波(即阿爾文波)和太陽(yáng)黑子理論，1949年他在《宇宙動(dòng)力學(xué)》一書(shū)中集中討論了他的主要工作，推動(dòng)了磁流體力學(xué)的發(fā)展。1950年倫德奎斯特首次探討了利用磁場(chǎng)來(lái)保存等離子體的所謂磁約束問(wèn)題，即磁流體靜力學(xué)問(wèn)題。受控熱核反應中的磁約束，就是利用這個(gè)原理來(lái)約束溫度高達一億度量級的等離子體。然而，磁約束不易穩定，所以研究磁流體力學(xué)穩定性成為極重要的問(wèn)題。1951年，倫德奎斯特給出一個(gè)穩定性判據，這個(gè)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(fēng)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(diǎn)能源攻關(guān)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(zhì)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(wàn)千瓦，其中磁流體電機容量為2.5萬(wàn)千瓦。1986年，前蘇聯(lián)開(kāi)始興建世界上第一座50萬(wàn)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(gè)國家在研究磁流體發(fā)電，而其中有13個(gè)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(kāi)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。根據我國煤炭資源豐富的特點(diǎn)，我國將重點(diǎn)研究燃煤磁流體發(fā)電，并將它作為“863”計劃中能源領(lǐng)域的兩個(gè)研究主題之一，爭取在短時(shí)間內趕上世界先進(jìn)水平。作為一種高技術(shù)，磁流體發(fā)電推動(dòng)著(zhù)工程電磁流體力學(xué)這門(mén)新興學(xué)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(shù)、高溫診斷和降低工業(yè)動(dòng)力裝置有害排放物的先進(jìn)方法等一系列新技術(shù)的發(fā)展。這些科學(xué)成果和技術(shù)成就可以得到其他方面的應用，并有著(zhù)美好的發(fā)展前景。
綜上所述，從高效率、低污染、高技術(shù)的考慮，使得磁流體發(fā)電從其原理性實(shí)驗成功開(kāi)始，就迅速得到了全世界的重視，許多國家都給予了持續穩定的支持。
磁流體發(fā)電
現狀和展望
從高效率、低污染、高技術(shù)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(shí)驗成功開(kāi)始，就迅速得到了全世界的重視，許多國家都給予了持續穩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(kāi)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(shù)最先進(jìn)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(kāi)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(fēng)洞的電源投入使用。日本一座場(chǎng)強為5萬(wàn)高斯（即5特斯拉）超導磁場(chǎng)的磁流體發(fā)電裝置已投入運轉。
以液態(tài)金屬作為工質(zhì)的閉式循環(huán)磁流體發(fā)電裝置，由于沒(méi)有轉動(dòng)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(dòng)力的備用裝置進(jìn)行研究。近年來(lái)，美國、蘇聯(lián)、以色列還把這種磁流體發(fā)電與太陽(yáng)能源結含起來(lái)進(jìn)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(chǎng)時(shí)，非平衡電離的實(shí)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(zhì)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(lái)的研究表明，當等離子體密度足夠高時(shí)，粒子的平均動(dòng)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(shí)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(zhì)對磁流體發(fā)電以及作為反應堆中攜帶熱量的工質(zhì)都是十分有利的。
等離子體橫越磁場(chǎng)流動(dòng)的穩定性問(wèn)題是磁流體發(fā)電裝置研究的主要問(wèn)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(zhì)處于非平衡狀態(tài)，出現的不穩定性較多。除了在等離子體中經(jīng)常出現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(guò)熱不穩定性和離子聲波不穩定性以外，電離不穩定性成為重點(diǎn)研究對象。電離不穩定性出現后，荷電粒子的密度、電流和電場(chǎng)都隨空間和時(shí)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（其周期比不穩定發(fā)展的特征時(shí)間，即振幅增長(cháng)e倍所需的時(shí)間更短）來(lái)抑制電離不穩定性的方法。在開(kāi)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(xué)平衡的，不產(chǎn)生電離不穩定性，其他不穩定性也不明顯。徂在大型工業(yè)裝置中，等離子體與磁場(chǎng)的相互作用較強，不穩定性也可能出現。
設計通道起初大多采用一維流動(dòng)模型，隨著(zhù)發(fā)電裝置功率的增大，需要對通道進(jìn)行細致的理論研究。超聲速發(fā)電通道的理論和實(shí)驗是當前重點(diǎn)研究的項目之一。制造能長(cháng)時(shí)間有效工作的通道和電極材料是當前主要技術(shù)困難的所在，而制造能提供高場(chǎng)強的超導磁體是磁流體發(fā)電裝置能否進(jìn)入實(shí)用階段的關(guān)鍵問(wèn)題。
參考書(shū)目
G. W. Sutton and A. Sherman, Engineering Magneto-hydrodynamics, McGrav-Hill, New York, 1965.
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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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