什么是磁流体发电?

什么是磁流体发电?,第1张

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。

基本原理

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。

系统构成

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。

装置类型

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。

进展

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。

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