磁流体发电技术

磁流体发电技术

Magneto Hydrodynamic Power Generation Technology

摘要：对磁流体发电技术的简单介绍，及应用前景的展望。

关键词：磁流体发电；发电技术

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"

自1959年美国对磁流体发电的原理性试验首次获得成功后,世界各国相继对磁流体发电技术开展了研究。由于磁流体发电技术研究周期较长,短期内难见成效,并且一些关键技术一直未能很好地解决,到20世纪末,各国均减少了试验工程项目的投入,仅保持部分基础研究工作。然而与其它一些新的发电技术相比,这种发电技术电能转换效率高、环境污染小的优越性仍是比较明显的。因此,各主要工业国目前仍没有放弃对这种高效发电技术的研究,技术人员不断地总结以往经验,正在利用新的技术手段从不同的角度改进和解决实际应用中遇到的问题。

1、基本原理及分类

磁流体发电的原理如图1所示。

通过热离子气体(或液态金属)等导电流体与磁场相互作用,把热能直接转换成电能。由于这种转换形式可以采用更高的进口温度,并且除去了高速转动的汽轮机装置,使热效率得到了提高。虽然磁流体发电设备本身的热效率仅为20%左右,但由于其排烟温度高,排出的气体可供给辅助蒸汽发生器产生高温蒸汽,驱动汽轮发电机组,组成高效的联合循环发电系统,总的热效率可达50%～60%,为目前已开发的发电技术中最高的。

从循环类型的角度磁流体发电可分为开环磁流体发电和闭环磁流体发电,如图2、图3所示。

开环磁流体发电为工质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,工质穿过磁场发电,再通过辅助装置驱动汽轮发电机组,然

后由净化装置将种子回收。闭环磁流体发电为使用液态金属为工质或使用He、Ar等惰性气体为工质并加入铯或别的金属为种子,通过换热器将工质加热后再穿过磁场发电。

2、磁流体发电特点

a.效率高

效率高不是指磁流体发电设备本身的效率,是指含有磁流体发电设备的系统总效率。因为磁流体发电设备的出口温度很高(2 200Ｋ以上),可以利用其尾气组成联合发电循环,进而提高联合循环的总效率。这种联合循环的总效率为:

η=ηMHD+ηST(1-ηMHD)

式中ηMHD为磁流体发电设备效率,一般为20%左右,普通蒸汽循环效率ηST约40%,总的循环效率η约52%,明显高于目前火力发电站的循环效率。

b.污染小

常规的火力发电站不仅排烟中氧化硫和氧化氮造成大气污染,而且其大量排放冷却水还会造成所谓的热污染。而磁流体发电(开环)由于其技术本身要求燃气中加一定重量百分比的钾盐作为种子,钾与硫具有很强的化学亲和力逐渐形成硫酸钾,最后为种子回收装置所收集。这样,就可以起到脱硫的作用,减少对大气的污染。

c.启动快

磁流体发电设备中没有高速大转动惯量的转子,不仅其装置稳定性好,而且其启动和停车速度也非常迅速。正因这一特性可使其具有某些特殊场合的应用价值,如军事设备的启动电源和调峰电站的尖峰负荷电源。

d.节约水资源

由于磁流体发电设备的冷却水可在蒸汽部分重复使用,可节约用水量1/3左右。

3、发展现状

在对磁流体发电技术的研究方面,前苏联、美国、日本、中国等国都进行了不少研究。1940年初,美国西屋电气公司制造了大型的霍尔型试验发电器,由于对电离气体的性质没有足够的了解,这一发电器未获成功。

进入20世纪70年代后,由于环境污染的日益严重,考虑到磁流体发电的高转换效率和低环境污染,美国曾确定以煤为燃料的商用磁流体发电为主攻方向。1971年建成了烧天然气的半工业性试验电站U-25,最高发电功率20.4 MW。1985年开始建设功率500 MW,烧天然气的大型工业磁流体-蒸汽联合电站U-500,设计净效率为48.3%。1993年建成Y-25G 的磁流体发电装置,主要用于燃煤发电试验研究,在原Y-25M机组上,重点作大型盘式磁流体的发电试验和理论研究。此外,前苏联库尔恰托夫原子能研究所还进行了可持续数秒钟的自激脉冲磁流体发电装置。

在20世纪80年代,日本东京工业大学继承荷兰埃因霍温工业大学进行了利用天然气为热源的短时间吹出试验。发电机为富士1号盘式磁流体发电机。输入为5 MW,利用天然气燃烧从顶部将氧化铝卵石床加热到

2 100 K。除净燃烧气体之后再从下方吹入氩气或氦气进行加热,在加热后

的惰性气体中加入10-4mol铯种子,在1 900 K下送入发电机,发电机中心磁场磁通密度为4.67 T。

中国是世界上开始磁流体发电研究较早的国家之一。研究于1962年开始,主要从事燃油磁流体发电的研究。由于煤是中国的主要能源,1982年开始转向燃煤磁流体发电的研究。整个工作分8方面进行研究:高温燃

煤燃烧室、磁流体发电通道、余热锅炉、逆变系统、超导磁体、电离种子回收、电离种子再生、已有电站磁流体发电改造的概念设计。工作主

要在中科院电工研究所、东南大学、上海发电设备成套设计研究所3家单位进行。中科院电工研究所和东南大学负责上游循环试验装置,上海发电设备成套设计研究所负责下游循环试验装置。

4、现阶段主要问题

随着各国对磁流体发电研究的深入,发现磁流体发电系统中还有一些关键技术问题并没有很好的解决。归纳起来有如下3方面的问题:

(1)高温问题:由于在磁流体发电中温度一般为2 000～3 300 K,这在

燃烧室、发电通道等的材料和制作方面都造成不少困难。

(2)超导磁体的制作问题:由于在磁流体发电中要求有较强的磁场,一

般由超导磁体产生的,而超导磁体的制作是其中的一个技术难题。

(3)排渣问题:由于燃煤磁流体发电的直接烧煤,通道中的排渣问题就

成了一个关键性的问题。如何获得高的排渣率,决定了燃煤磁流体发电能否商业化。美国Billings磁流体-蒸汽联合循环示范电厂的方案之所以没能进入美国能源部的净煤发展计划,很大一部分原因是因为排渣率仅仅在60%左右。

目前尽管磁流体发电进入市场还有不少的技术障碍,但其具有的独特技术优势,各主要工业国仍不肯放弃对它的开发。

参考文献

杨爱勇,王心亮,顾日番.磁流体发电技术的回顾与展望[A].煤气与热力.2003(23):58-60

孔庆毅,李淑英,李晓明.浅析磁流体发电技术[B].东北电力技术.2009(9):18-20