[科普中国]-磁流体发电厂

磁流体发电

磁流体发电技术是一种新型的高效发电方式，由于无需经过机械转换环节，所也称之为直接发电，燃料利用效率显著提高，用燃料（石油、天然气、燃煤、核能）直接加热成易于电离的气体，使之在2000℃高温下电离成导电的离子流，然后让其在磁场中高速流动切割磁力线，产生感应电动势即由热能直接转换成电能，这种技术也称为等离子体发电。

为了磁流体的离子化横切穿过磁场时，按电磁感应定律，等离子体的正负粒子在磁场作用下分离，而聚集在与磁力线平等的两个面上，由于电荷的聚集从而产生电。 本技术难点在于需要钾、铯等微量碱金属的惰性气体如氦、氩等作为工质，所以气体大规模且可接受成本的气体合成技术为一难关；另一方面，磁流体高温陶瓷通道需长期在2000-3000K温度工作，而电极在高温惰性气体下工作也容易腐蚀，因而材料加工术为另一大难关。

原理磁流体发电的原理如图所示。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1。

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。目前火力发电在世界大部分国家仍占主导地位，在发电过程中消耗大量的化石燃料，给环境造成严重的污染，尤其是燃煤电站。

类型直线型磁流体发电机直线型磁流体发电机（见图）是过去几十年地面磁流体发电研究的重点。在这种发电机中，高温的导电流体流过发电通道，会在垂直于流速方向和磁场方向产生横向的电场；通过放置在相对位置处的电极就可以输出电能。其导电流体的流通路径设计为直线型，典型的发电机流通截面为矩形，并且从入口到出口是逐渐扩张的。直线型磁流体发电机本身结构简单，原理清楚，效率和性能比较好。不过，它要使用鞍形超导磁体，而这种磁体制造工艺复杂2。

根据利用霍尔电场形式的不同，直线型磁流体发电机可分为连续电极型、分段法拉第型、霍尔型和对角线型（斜联型）。

连续电极型磁流体发电机的优点是负载和结构简单，缺点是通道性能较差，因而不常采用。

在直线型磁流体发电机中，轴向的霍尔电流造成发电机的电能损失。分段法拉第型磁流体发电机在连续电极型发电通道的基础上，将电极分成许多小段，在气流方向互相绝缘，完全靠法拉第电场输出电功率，以抑制霍尔电流。分段法拉第型磁流体发电机的原理清楚，效率较高，运行调节灵活，但实际使用时要配套许多负载。

针对分段法拉第型磁流体发电机多负载的缺点，后来提出了串接发电机的概念，也就是霍尔型磁流体发电机。该发电机利用法拉第电场和霍尔电场合成的电场，把分段法拉第型磁流体发电机中上、下电位相同的电极互相串接起来，发电机负载则接于首末两端的电极上，这样就可以使用单一的负载或较少的负载，但其电极处存在比较严重的电流集中，会造成一定程度的电能损失。

在霍尔型磁流体发电机之后，美国又提出了对角线型磁流体发电机，将发电机的电极和侧壁设计成一体。这种发电机结构简单，对干净燃料磁流体发电机的发展起到积极推动作用。

盘式磁流体发电机盘式磁流体发电机的结构布局是为利用霍尔效应发电而设计的。其中，工质沿径向流动，磁场沿轴向。在工质流动方向放置的一对电极将径向电流（霍尔电流）引出，周向的电流分量（法拉第电流）自身完全短路，与工质流动方向和磁场方向垂直，如图所示。可见，盘式磁流体发电机完全依靠霍尔效应发电。盘式磁流体发电机具有目前最高的发电效率纪录，与直线型磁流体发电机相比，具有以下优势：

相同距离下沿径向的电压要比直线型发电通道中的高，这样就提高了输出的总电能和单位体积输出的电能，发电机结构可以很紧凑；

使用简单的环形电极，电压压降小，均匀的等离子体可以持续在发电通道中旋转流动，而直线型涉及复杂的电极分段问题；

简洁紧凑的结构布局使得对应的磁体系统设计简单，磁场由一对放置于圆盘上下两面的亥姆霍兹线圈提供，可以产生平行的磁力线，使用超导磁体时，磁体可以做得很小，而直线型的要使用鞍形超导磁体，制造难度大。

因此，在空间应用中，考虑发电系统整体结构、技术难度、闭环使用等因素，盘式磁流体发电机更具优势。

特点磁流体发电作为一种新型的发电方式，主要具有以下特点1。

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(2200K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。

污染小目前，环境污染问题已经日益受到人们的重视，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。为此不得不投入大量资金，甚至以降低电站的效率为代价，附加净化装置和脱硫装置。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。

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。

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。

发展状况前苏联是世界上对磁流体发电研究投入最多的国家，研究以科学院高温研究所为中心，按照长期研究开发定制工作计划。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20.4MW。1983年开始设计建设功率500MW，烧天然气的大型工业磁流体-蒸汽联合电站Y-500，设计净效率为48.3%。但由于经济困难，整个电站建设暂缓。苏联解体后俄罗斯在Y-500基础上于1993年建成Y-25G磁流体发电装置，主要用于燃煤发电试验研究，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研制了可持续数秒钟的自激脉冲磁流体发电装置。最早进行磁流体发电技术研究的是美国，但美国早期以研究短时间军用磁流体发电为主。20世纪60年代以发展军用短时间发电，研制成电功率分别为18MW和32MW、工作时间约1min的机组，证实了大功率发电的可行性。由于石油危机及环境污染的日趋严重，考虑到磁流体发电的高转换效率和低环境污染，并可燃烧高硫煤，美国确定了以煤为燃料的商用磁流体发电为主攻方向，并制定了国家研究发展规划。

自1988年起又开始实施POC(ProofofConcept)计划，并希望能早日建成燃煤磁流体-蒸汽联合循环示范电站。日本的磁流体发电试验始于20世纪60年代，东芝公司烧煤油的磁流体发电装置功率为100kW。工业技术院列入大型试验研究计划，共进行了两期研究，建成了3套试验装置。1976年石油危机后开始转向燃煤磁流体发电的试验，重点研究烧油煤浆的磁流体发电试验。燃煤试验由于试验经费及风险问题，从1988年起列入月光计划中的先行技术基础项目，重点进行单项技术的研究，工业性开发试验工程停止。另外，在闭环磁流体研究方面，日本东京工业大学进行了很多工作。

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。我国开始磁流体发电研究始于1962年，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个方面进行: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19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1。