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(dǎo)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，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即由熱能直接轉(zhuǎn)換成電流，由于無(wú)需經(jīng)過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，所以稱之為直接發(fā)電，其燃料利用率得到顯著提高，這種技術(shù)也稱為等離子體發(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(yùn)用領(lǐng)域 | 電力工程 |
| 拼音 | cí liú tǐ fā diàn |
簡(jiǎn)介
磁流體發(fā)電
發(fā)電技術(shù)
燃煤磁流體發(fā)電技術(shù)--亦稱為等離子體發(fā)電，就是磁流體發(fā)電的典型應(yīng)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(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，氣體中的電子受磁力作用，沿著與磁力線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(xù)燃燒成蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，組成高效的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，總的熱效率可達(dá)50%～60%，是目前正在開發(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(tǒng)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(dá)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(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)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(jī)中，運(yùn)行的是溫度在三、四千度的導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)這種含有金屬離子的氣流，高速通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)中的發(fā)電通道，達(dá)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(jī)面臨的最大難題。另外，磁流體發(fā)電機(jī)需要一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，人們都認(rèn)為，真正用于生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)電機(jī)必須使用超導(dǎo)磁體來(lái)產(chǎn)生高強(qiáng)度的磁場(chǎng)，這當(dāng)然也帶來(lái)技術(shù)和設(shè)備上的難題。最近幾年，科學(xué)家在導(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)實(shí)的。隨著新的導(dǎo)電流體的應(yīng)用，技術(shù)難題逐步解決，磁流體發(fā)電的前景還是樂觀的。在美國(guó)，磁流體發(fā)電機(jī)的容量已超過(guò)32000千瓦；日本、西德、波蘭等許多國(guó)家都在研制碘流體發(fā)電機(jī)。我國(guó)也已研制出幾臺(tái)不同形式的磁流體發(fā)電機(jī)。
原理
基本原理
磁流體發(fā)電按工質(zhì)的循環(huán)方式分為開式循環(huán)系統(tǒng)、閉式循環(huán)系統(tǒng)和液態(tài)金屬循環(huán)系統(tǒng)。最簡(jiǎn)單的開式磁流發(fā)電機(jī)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?xì)庵?，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(dá)3000℃、速度達(dá)1000米／秒的高溫高速導(dǎo)電氣體（部分等離子體），導(dǎo)電氣體穿越置于強(qiáng)磁場(chǎng)中的發(fā)電通道，作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，感生出電流。磁流體發(fā)電機(jī)沒有運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)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(dá)2000℃，可通入鍋爐產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)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(jí)發(fā)電，比現(xiàn)有火力發(fā)電站的熱效率高10－20%，節(jié)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(jì)50年代末，被認(rèn)為是最現(xiàn)實(shí)可行、最有競(jìng)爭(zhēng)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(dǎo)技術(shù)和熱物理等領(lǐng)域，是一項(xiàng)大型工程性課題。許多先進(jìn)國(guó)家都把它列為國(guó)家重點(diǎn)科研項(xiàng)目，有的建立國(guó)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(dǎo)電流體一般是導(dǎo)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(dǎo)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(yù)熱到1400K，也只能使空氣達(dá)到3000K的溫度，這時(shí)氣體的導(dǎo)電率還不能達(dá)到所需的值，而且即使再提高溫度，導(dǎo)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(dǎo)電，并有較高的導(dǎo)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(dá)到所要求的導(dǎo)電率。當(dāng)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(xiàn)具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的磁流體發(fā)電。
熱能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為電能，省略了由熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程，因此，這種發(fā)電方法效率較高，可達(dá)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(jī)只能發(fā)出3000千瓦時(shí)電。對(duì)環(huán)境的污染也小。磁流體發(fā)電中，導(dǎo)電流體單位體積的輸出功率We為We=σv2B2k(1-k)式中σ為導(dǎo)電流體的電導(dǎo)率，v為流體的運(yùn)動(dòng)速度，B為磁場(chǎng)的磁通密度，k為電負(fù)載系數(shù)。典型的數(shù)據(jù)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(jù)海水切割地球磁場(chǎng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的想法，測(cè)量泰晤士河兩岸間的電位差，希望測(cè)出流速，但因河水電阻大、地球磁場(chǎng)弱和測(cè)量技術(shù)差，未達(dá)到目的。1937年哈特曼根據(jù)法拉第的想法，對(duì)水銀在磁場(chǎng)中的流動(dòng)進(jìn)行了定量實(shí)驗(yàn)，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(jì)算方法。
引導(dǎo)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(yùn)動(dòng)軌道的“引導(dǎo)中心”理論、磁凍結(jié)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?zé)岷朔磻?yīng)中的磁約束，就是利用這個(gè)原理來(lái)約束溫度高達(dá)一億度量級(jí)的等離子體。然而，磁約束不易穩(wěn)定，所以研究磁流體力學(xué)穩(wěn)定性成為極重要的問(wèn)題。1951年，倫德奎斯特給出一個(gè)穩(wěn)定性判據(jù)，這個(gè)課題的研究至今仍很活躍。
美國(guó)是世界上研究磁流體發(fā)電最早的國(guó)家，1959年，美國(guó)就研制成功了11.5千瓦磁流體發(fā)電的試驗(yàn)裝置。60年代中期以后，美國(guó)將它應(yīng)用在軍事上，建成了作為激光武器脈沖電源和風(fēng)洞試驗(yàn)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(guó)家重點(diǎn)能源攻關(guān)項(xiàng)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(yù)報(bào)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(yàn)電站，裝機(jī)容量為7.5萬(wàn)千瓦，其中磁流體電機(jī)容量為2.5萬(wàn)千瓦。1986年，前蘇聯(lián)開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(jié)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(guó)都在積極研究燃煤磁流體發(fā)電。目前，世界上有17個(gè)國(guó)家在研究磁流體發(fā)電，而其中有13個(gè)國(guó)家研究的是燃煤磁流體發(fā)電，包括中國(guó)、印度、美國(guó)、波蘭、法國(guó)、澳大利亞、前蘇聯(lián)等。
國(guó)內(nèi)情況
我國(guó)于本世紀(jì)60年代初期開始研究磁流體發(fā)電，先后在北京、上海、南京等地建成了試驗(yàn)基地。根據(jù)我國(guó)煤炭資源豐富的特點(diǎn)，我國(guó)將重點(diǎn)研究燃煤磁流體發(fā)電，并將它作為“863”計(jì)劃中能源領(lǐng)域的兩個(gè)研究主題之一，爭(zhēng)取在短時(shí)間內(nèi)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)著工程電磁流體力學(xué)這門新興學(xué)科和高溫燃燒、氧化劑預(yù)熱、高溫材料、超導(dǎo)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(yīng)用，并有著美好的發(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(yàn)成功開始，就迅速得到了全世界的重視，許多國(guó)家都給予了持續(xù)穩(wěn)定的支持。
磁流體發(fā)電
現(xiàn)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(yàn)成功開始，就迅速得到了全世界的重視，許多國(guó)家都給予了持續(xù)穩(wěn)定的支持并積極研究燃煤磁流體發(fā)電。
當(dāng)前的研究工作主要集中于燃燒礦物燃料的開式循環(huán)磁流體發(fā)電。蘇聯(lián)、美國(guó)、日本和中國(guó)等國(guó)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式循環(huán)磁流體發(fā)電裝置和汽輪發(fā)電機(jī)聯(lián)合組成，頭部的磁流體發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)功率是25兆瓦。美國(guó)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(qiáng)為5萬(wàn)高斯（即5特斯拉）超導(dǎo)磁場(chǎng)的磁流體發(fā)電裝置已投入運(yùn)轉(zhuǎn)。
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，由于沒有轉(zhuǎn)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(guó)、蘇聯(lián)、以色列還把這種磁流體發(fā)電與太陽(yáng)能源結(jié)含起來(lái)進(jìn)行研究。以裂變反應(yīng)堆為熱源、采用非平衡電離效應(yīng)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?yàn)橛写艌?chǎng)時(shí)，非平衡電離的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同理論預(yù)計(jì)相差較遠(yuǎn)。此外，由于電導(dǎo)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(yīng)堆的合理設(shè)計(jì)有矛盾。近年來(lái)的研究表明，當(dāng)?shù)入x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(dǎo)率隨密度增大而上升，接近金屬的電導(dǎo)率。這一性質(zhì)對(duì)磁流體發(fā)電以及作為反應(yīng)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(wěn)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(xiàn)的不穩(wěn)定性較多。除了在等離子體中經(jīng)常出現(xiàn)的由于局部溫度提高而引起電流集中、溫度反復(fù)上升和電子急劇加速的過(guò)熱不穩(wěn)定性和離子聲波不穩(wěn)定性以外，電離不穩(wěn)定性成為重點(diǎn)研究對(duì)象。電離不穩(wěn)定性出現(xiàn)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(dǎo)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(wěn)定發(fā)展的特征時(shí)間，即振幅增長(zhǎng)e倍所需的時(shí)間更短）來(lái)抑制電離不穩(wěn)定性的方法。在開式循環(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(wěn)定性，其他不穩(wěn)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(qiáng)，不穩(wěn)定性也可能出現(xiàn)。
設(shè)計(jì)通道起初大多采用一維流動(dòng)模型，隨著發(fā)電裝置功率的增大，需要對(duì)通道進(jìn)行細(xì)致的理論研究。超聲速發(fā)電通道的理論和實(shí)驗(yàn)是當(dāng)前重點(diǎn)研究的項(xiàng)目之一。制造能長(zhǎng)時(shí)間有效工作的通道和電極材料是當(dāng)前主要技術(shù)困難的所在，而制造能提供高場(chǎng)強(qiáng)的超導(dǎo)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。
參考書目
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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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