磁流体发电

历史

　　1832年法拉第首次提出有关磁流体力学问题。他根据海水切割地球磁场产生电动势的想法，测量泰晤士河两岸间的电位差，希望测出流速，但因河水电阻大、地球磁场弱和测量技术差，未达到目的。1937年哈特曼根据法拉第的想法，对水银在磁场中的流动进行了定量实验，并成功地提出粘性不可压缩磁流体力学流动（即哈特曼流动）的理论计算方法。

　　1940～1948年阿尔文提出带电单粒子在磁场中运动轨道的“引导中心”理论、磁冻结定理、磁流体动力学波（即阿尔文波）和太阳黑子理论，1949年他在《宇宙动力学》一书中集中讨论了他的主要工作，推动了磁流体力学的发展。1950年伦德奎斯特首次探讨了利用磁场来保存等离子体的所谓磁约束问题，即磁流体静力学问题。受控热核反应中的磁约束，就是利用这个原理来约束温度高达一亿度量级的等离子体。

　　然而，磁约束不易稳定，所以研究磁流体力学稳定性成为极重要的问题。1951年，伦德奎斯特给出一个稳定性判据，这个课题的研究至今仍很活跃。

　　美国是世界上研究磁流体发电最早的国家，1959年，美国就研制成功了11.5千瓦磁流体发电的试验装置。60年代中期以后，美国将它应用在军事上，建成了作为激光武器脉冲电源和风洞试验电源用的磁流体发电装置。

　　日本和前苏联都把磁流体发电列入国家重点能源攻关项目，并取得了引人注目的成果。前苏联已将磁流体发电用在地震预报和地质勘探等方面。前苏联在1971年建造了一座磁流体——蒸汽联合循环试验电站，装机容量为7.5万千瓦，其中磁流体电机容量为2.5万千瓦。1986年，前苏联开始兴建世界上座50万千瓦的磁流体和蒸汽联合电站，这座电站使用的燃料是天然气，它既可供电，又能供热，与一般的火力发电站相比，它可节省燃料20％。

　　磁流体发电为高效率利用煤炭资源提供了一条新途径，所以世界各国都在积极研究燃煤磁流体发电。目前，世界上有17个国家在研究磁流体发电，而其中有13个国家研究的是燃煤磁流体发电，包括中国、印度、美国、波兰、法国、澳大利亚、前苏联等。

　　我国于本世纪60年代初期开始研究磁流体发电，先后在北京、上海、南京等地建成了试验基地。根据我国煤炭资源丰富的特点，我国将重点研究燃煤磁流体发电，并将它作为“863”计划中能源领域的两个研究主题之一，争取在短时间内赶上世界先进水平。

　　作为一种高技术，磁流体发电推动着工程电磁流体力学这门新兴学科和高温燃烧、氧化剂预热、高温材料、超导磁体、大功率变流技术、高温诊断和降低工业动力装置有害排放物的先进方法等一系列新技术的发展。这些科学成果和技术成就可以得到其他方面的应用，并有着美好的发展前景。

　　综上所述，从高效率、低污染、高技术的考虑，使得磁流体发电从其原理性实验成功开始，就迅速得到了全世界的重视，许多国家都给予了持续稳定的支持。

原理

　　磁流体发电是将热能直接转变为电能的一种发电方式，与普通发电相比，减少了转换成机械能这一阶段，但其工作原理与普通发电是基本相同的，都是利用电磁感应现象获得电能。

特点

　　1、效率高

　　磁流体发电机本身的热效率不很高，只能达到20~30%左右，但是因为其排气温度很高，达2000K左右，其所含的热量还可以充分利用。如果组成磁流体-蒸汽联合循环，就可使一次燃烧所产生的热量被两次利用。通常认为联合循环的总效率可达50%。

　　2、没有转动部分

　　磁流体发电机没有高速旋转部件，它本身是一个结构简单的静止机械。由于供高温导电气体流过的发电通道是静止的，完全可以采用冷却结构，使部件的工作温度比气体低很多。从而发电通道仍可用现有的材料制造。

　　3、机组容量越大越好

　　磁流体发电过程是导电流体高速流过磁场时与磁场相互作用的过程。因此产生的电功率与流体的体积有关。另外磁流体发电机的热损主要取决于发电通道的壁面积。当体积与表面积之比值增加使，即磁流体发电机组的容量增大时性能得到改善。

　　4、起动快

　　由于磁流体发电是将热能直接转化成电能，所以起动很快。理论上讲，起动时间基本上是由导电流体在所要求的速度下充满发电通道所需的时间。实际起动时间还受到热源、材料和控制系统等的限制。目前磁流体发电机一般在几秒内达到额定负荷，这是其它发电方式无法比拟的。

　　5、环境污染少

　　磁流体-蒸汽联合循环时基本上不存在水的热污染问题。在磁流体发电中为了提高气体的导电性能，通常在气体中加入一些电离电位较低的钾、铯等碱金属化合物作为种子。它们极易与气体中的硫结合生成硫化物。为提高运行的经济性，必须对种子进行回收。因此回收种子的过程也具有自动脱硫的作用。所以磁流体发电中即使使用含硫高的燃料其尾气中也几乎没有氧化硫。另一方面，由于磁流体发电机中燃烧温度比普通发电方式高很多，生成的氮氧化合物也多。这时必须对尾气加以控制。

　　6、结构简单，发电成本低

　　磁流体发电机的主要组成部件是静止的，因而结构简单，制造方便，相应的发电成本也比较低廉。

　　7、涉及科学技术面很广

　　磁流体发电的原理是高温高速的导电流体与强磁场的相互作用，因此它除以电磁流体力学为基础外还涉及很多学科，如等离子体物理、燃烧理论、超导技术、低温物理、热物理、电工学等，这给磁流体发电的发展带来了一定的不利，但对其他学科也起到了促进作用。

应用范围

　　其应用范围大致可分为下列两个方面：

　　一是充分利用其工作温度高这一特点，把磁流体发电和其他发电方式联合组成效率高的大型发电站。这种电站通常作为满负荷运行的基本负荷电站。

　　二是利用磁流体发电机结构紧凑、系统简单、体积小、造价低、起动快、单位功率大等特点将它单独使用在某种特殊要求的情况下。

发展趋势

　　1831年法拉弟发现电磁感应原理后，相继出现了三大发明：励磁电机、电灯、电话，从而引起电力技术革命。1882年座较正规的发电厂建成，容量671.5 kW，到1996年末全世界电力装机容量2.773 TW，发电量达11 601 TWh；我国1882年在上海建成个12 kW发电厂，到1998年装机容量277 GW，发电量1167 TWh。一个世纪以来，电力得到如此迅速的发展，是由于它在使用上的高效、清洁和方便，电不但给家庭带来光明、舒适，更是一个国家现代化、工业化的标志之一。

　　1959年，美国的阿夫柯1号磁流体发电机发出11.4kＷ的电力，点亮了228盏50Ｗ的灯泡，运行了10S，世界上台能够发出实际有用电功率的磁流体发电机宣告研制成功。1966年，美国空军研制成功一台实际输出电功率18MＷ的磁流体发电机，每天大约运行3次，每次1miN。这是世界上台作实际应用的磁流体发电机。1977年美国建成300MＷ磁流体发电示范站。20世纪90年代，独联体建造了一个燃烧天然气的磁流体－蒸汽联合电站，总输出功率582MＷ。该电站采用超导磁体，磁感应强度为6T。

　　自从1959年美国阿英柯公司试验燃煤磁流体发电技术成功后，世界上对磁流体发电的研究，以美、日、前苏联为代表，进展较快，目前巳有近20个国家正在从事这项发电技术的研究和开发工作，其中有13个国家重点研究燃煤磁流体发电技术，大部分正在进入实验电站研究阶段。

　　20世纪60年代我国就开始磁流体发电的开发研制工作。1964年，中科院电工所建成台小型模拟磁流体发电试验机组，燃烧汽油和纯氧，发电功率为80Ｗ，运行1miN。1978年南京工学院（现东南大学）研制成功我国台民用长时磁流体发电机组，电功率为12kＷ，累计运行1000H。“七五”期间，我国研制的磁流体发电机组的发电功率为2200kＷ。我国巳把这项技术作为"863计划"重点项目之一，千千瓦级磁流体发电机组已完成试验任务，输出功率为2200千瓦，到2000年的目标是建造一座万千瓦级燃煤磁流体--蒸汽联合循环中试电站。

　　最近几年，科学家在导电流体的选用上有了新的进展，发明了用低熔点的金属（如钠、钾等）作导电流体，在液态金属中加进易挥发的流体（如甲苯、乙烷等）来推动液态金属的流动，巧妙地避开了工程技术上一些难题，制造电极的材料和燃料的研制方面也有了新进展。但想一下子省钱省力地解决磁流体发电中技术、材料等方面的所有难题是不现实的。随着新的导电流体的应用，技术难题逐步解决，磁流体发电的前景还是乐观的。在美国，磁流体发电机的容量已超过32000千瓦；日本、西德、波兰等许多国家都在研制碘流体发电机。我国也已研制出几台不同形式的磁流体发电机。

　　燃煤开环磁流体发电，目前已有示范工程，预计在2010内可局部商业化，其将对节能和减少CO2排放实现电力行业的绿色生产做出重大贡献。非平衡电离式闭环磁流体发电，由于工作温度较低，又适合于100～300MW中型机组和配合发展以煤为燃料的燃气发电行业具有巨大的潜力。液体金属式闭环磁流体发电，从工作温度范围和能源种类的适应性大及高导电率看，可适用于小型发电装置，发展前途广阔，但各国尚在基础研究阶段。

　　由此可见，对磁流体发电的研究与探索已由实验阶段发展到在军事、民用的实际应用阶段，作为一种新的能源开发途径，世界各国越来越受到普遍关注。

　　专家们预测，目前磁流体发电在技术上已日趋成熟，随着超导技术的发展，可望在21世纪初，磁流体发电将广泛应用在矿物燃料发电站中，这对整个能原发展，促进经济兴旺，必将产生重大影响。

　　在经济发展、社会进步的同时，人们认识到了一个严峻的现实：几亿年形成的矿物质燃料储量是有限的，地球自净化的环境容量也不是无限的，在经济高速发展进程中，人类过度消耗能源的同时，严重地污染了自己赖以生存的地球和空间，能源与环境是进入21世纪必须考虑的四大难题之首--能源、环境、人口和粮食。节约能源，抑制化石燃料的过度消耗；保护环境，净化人类生存的有限空间；开发与利用再生能源与新能源，带来在环境及价格上均有竞争能力的能源革命。既满足人类当前发展的需要，又不对后代人满足其需求的能力构成危害，这一“持续发展”已成为人类当前和未来共同遵循的迫切问题。