什么是磁流体发电?

[拼音]：ciliuti fadian

[外文]：magnetohydrodynamic power generation

利用热离子气体或液态金属等导电流体与磁场相互作用，把热能直接转换成为电能的发电方式。提高热效率是热能利用的基本技术要求。常规火力发电需将燃料的热能通过汽轮机先转换成机械能，然后再带动发电机发出电能。磁流体发电可以直接将热能转换为电能，这样就允许采用更高的入口温度（1000～3000K），提高了热效率，同时又免去了高温高速旋转运动的汽轮机装置。磁流体发电还可以与常规火力发电组成联合循环的运行方式，使综合热效率提高到50～60％，为能源利用带来巨大经济效益。磁流体发电还能减少大气污染，节省冷却用水，因而成为许多国家积极研究的一种发电方式。

当导电流体垂直横越磁场B时，在垂直于磁场和电流运动的方向上将出现电场 E。此电场构成电动势，连接负载就可以引出电流而获得电功率。法拉第电磁感应定律仍是磁流体发电的基本原理，只是在磁场中运动的固体导体为导电流体所代替。

热离子体或液态金属等导电流体都属于等离子体，其特性由等离子体物理学来描述。导电流体与磁场的相互作用规律，则由磁流体力学(MHD)方程来表达。磁流体发电中，导电流体单位体积的功率输出We可由下式表示：

We=συ2B2K(1-K)

式中σ为导电流体即等离子体的电导率，υ为等离子体的运动速度，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姆／米，B＝5～6特，υ=600～1000米／秒，K＝0.7～0.8，We在25～150兆瓦／米3的范围内。

磁流体发电装置由下列4个基本部分构成（见图）。

（1）燃烧室：通过矿物燃料与氧气或压缩预热空气的燃烧产生高温等离子体，达到磁流体发电所要求的温度。

（2）通道：在此通道内等离子体以高速穿过磁场，感应出电动势，再由镶在通道两侧壁上的电极引出直流电流。

（3）磁场：用高性能的磁铁或超导磁体产生，作用在等离子体上。

（4）工质：即工作气体。通常使用矿物燃料（煤、石油、天然气）的燃烧气体、惰性气体或碱金属蒸气。当使用燃烧气体时，为了获得足够的电离度，需掺入少量添加剂，又称为“种子”。一般采用碳酸钾作添加剂。添加量约为总质量流的1％，这样会使气体温度在3000K以下即可获得足够的电导率。对于单原子气体，用铯作添加剂可以使运行温度降低到 1500K。液态金属流体是在蒸汽或流体流中射入液态金属而形成的液相工质。

按照工质在装置中一次使用还是循环连续使用，磁流体发电装置分为开环和闭环两种类型。

（1）开环装置：工质（包括种子）在燃烧室中燃烧产生高温等离子体，通过排气喷嘴高速释放，在磁场作用下经过通道感应出电动势，然后排出。

磁流体开环发电装置可以作为一级前置装置，与火力发电机组联合循环运行。将磁流体发电排出的余气供给辅助蒸汽发生器产生高温蒸汽，用它驱动汽轮发电机组，使热能得到充分的利用。

经过二级开发以后的排气，再由净化装置将种子回收，还利用其中的硫和氮制成硫酸和硝酸，最后排放到大气中。

（2）闭环装置：基本工作过程与开环装置类似，只是工质不被排放，而是在系统中反复循环使用。这类装置宜于用原子裂变反应堆作热源，其工质可以是惰性气体或液态金属-蒸气的混合物。闭环装置设计温度较低，使用液态金属工质时设计温度可以更低（1500～2000℃），主要应用于军事和空间技术。金属（锂）蒸气的闭环磁流体发电已在航天工程中使用。

燃烧矿物燃料的开环磁流体发电是主要研究方向，许多试验装置已经给出了磁流体发电过程的工程数据，技术上最先进的磁流体发电装置是苏联莫斯科北郊的U-25装置。它是一个用天然气作燃料的开环装置，已经发出20.5兆瓦的额定功率，并且送入莫斯科电网。苏联正在建造 75兆瓦磁流体-蒸汽联合循环发电的试验电站，还计划建造580兆瓦的磁流体发电站。美国成功地验证了直接燃煤的磁流体发电装置。由阿夫柯·埃夫勒特研究所研制的18兆瓦磁流体发电机已经为空军阿诺德试验中心的风洞提供电力。日本一台具有 5特磁场的超导磁体试验性磁流体发电装置已在运行。英国、法国、中国等国也都开展了研究工作。中国与美国合作，1984年成功地进行了一座小型磁流体－蒸汽动力联合循环模拟电站的试验。

磁流体发电要达到工业应用的阶段，还需解决许多技术问题，例如更经济适用的工质，可在高温下持续工作的通道和电极，以及性能良好、造价低廉的超导磁体等，以提高可靠性和经济性。