Магнитогидродинамический генератор: принцип работы и перспективы применения.

Введение

Магнитогидродинамический преобразователь, преобразующий тепловую и кинетическую энергию в электричество.

Магнитогидродинамический генератор (MHD-генератор) – это магнитогидродинамический преобразователь, преобразующий тепловую энергию и кинетическую энергию непосредственно в электричество. MHD-генератор, как и обычный генератор, основан на перемещении проводника в магнитном поле для генерации электрического тока. В MHD-генераторе в качестве движущегося проводника используется горячий проводящий ионизированный газ (плазма). В отличие от этого, механические динамо используют движение механических устройств для достижения этой цели. MHD-генераторы отличаются от традиционных электрогенераторов тем, что работают без движущихся частей (например, турбины), что позволяет избежать ограничений, связанных с максимальной температурой. Таким образом, они обладают самой высокой известной теоретической термодинамической эффективностью среди всех методов генерации электроэнергии. MHD широко разрабатывался как цикл предварительного нагрева для повышения эффективности производства электроэнергии, особенно при сжигании угля или природного газа. Горячие выхлопные газы от MHD-генератора могут нагревать котлы паровой электростанции, увеличивая общую эффективность. Практические MHD-генераторы были разработаны для ископаемого топлива, но их вытеснили более дешевые комбинированные циклы, в которых выхлопные газы газовой турбины или топливного элемента на расплавленных карбонатах нагревают пар для привода паровой турбины. Динамо MHD дополняют ускорители MHD, которые применяются для перекачки жидких металлов, морской воды и плазмы. Естественные динамо MHD являются активной областью исследований в физике плазмы и представляют большой интерес для геофизического и астрофизического сообществ, поскольку магнитные поля Земли и Солнца генерируются этими естественными динамо.

Производство электроэнергии

Как правило, для того чтобы крупная электростанция достигла эксплуатационной эффективности, предсказанной компьютерными моделями, необходимо предпринять шаги по увеличению электрической проводимости проводящего вещества. Этого можно добиться, нагревая газ до состояния плазмы или добавляя другие легко ионизируемые вещества, такие как соли щелочных металлов. На практике при реализации МГД-генератора необходимо учитывать ряд вопросов: эффективность генератора, экономическую целесообразность и образование токсичных побочных продуктов. На эти вопросы влияет выбор одной из трех конструкций МГД-генератора: генератора Фарадея, генератора Холла и дискового генератора.

Генератор Фарадея

Генератор Фарадея назван в честь экспериментов Майкла Фарадея по движению заряженных частиц в реке Темза. Простой генератор Фарадея состоит из клинообразной трубы или трубки, изготовленной из некоторого непроводящего материала. Когда электрически проводящая жидкость протекает через трубку в присутствии значительного перпендикулярного магнитного поля, в жидкости индуцируется напряжение, которое можно использовать как электрическую энергию, разместив электроды по бокам под углом 90 градусов к магнитному полю. Существуют ограничения на плотность и тип используемого магнитного поля. Количество извлекаемой мощности пропорционально площади поперечного сечения трубки и скорости проводящего потока. В этом процессе проводящее вещество также охлаждается и замедляется. Генераторы МГД обычно снижают температуру проводящего вещества с температуры плазмы до немного более 1000 °C. Основная практическая проблема генератора Фарадея заключается в том, что разностные напряжения и токи в жидкости замыкаются через электроды, расположенные по бокам канала. Наибольшие потери связаны с током эффекта Холла. Это делает каналы Фарадея очень неэффективными. Большинство последующих усовершенствований генераторов МГД были направлены на решение этой проблемы. Оптимальное магнитное поле для генераторов МГД в форме канала имеет форму седла. Для создания такого поля большому генератору требуется чрезвычайно мощный магнит. Многие исследовательские группы пытались адаптировать сверхпроводящие магниты для этой цели с переменным успехом. (Подробности см. в разделе об эффективности генератора ниже.)

Генератор Холла

Типичным решением, исторически, было использование эффекта Холла для создания тока, текущего вместе с жидкостью. (Смотрите иллюстрацию.) Эта конструкция предусматривает массивы коротких, сегментированных электродов на боковых стенках канала. Первый и последний электроды в канале питают нагрузку. Каждый из остальных электродов закорочен на электрод на противоположной стороне канала. Эти закорочения тока Фарадея индуцируют мощное магнитное поле внутри жидкости, но по хорде окружности, перпендикулярной току Фарадея. Это вторичное, наведенное поле заставляет ток течь дугой между первым и последним электродами. Потери мощности меньше, чем у генератора Фарадея, а напряжения выше, поскольку происходит меньшее замыкание наведенного тока. Однако эта конструкция имеет недостатки, поскольку скорость потока материала требует смещения средних электродов для перехвата токов Фарадея. При изменении нагрузки изменяется скорость потока жидкости, что приводит к рассогласованию тока Фарадея с его предназначенными электродами и делает эффективность генератора крайне чувствительной к нагрузке.

Дисковый генератор

Третьей и на данный момент наиболее эффективной конструкцией является дисковый генератор на эффекте Холла. В настоящее время эта конструкция удерживает рекорды по эффективности и энергетической плотности для MHD-генерации. В дисковом генераторе жидкость течет между центром диска и каналом, опоясывающим край. (Каналы не показаны.) Магнитное поле возбуждения создается парой круговых катушек Гельмгольца, расположенных над и под диском. (Катушки не показаны.) Токи Фарадея протекают по идеальному короткому замыканию по периферии диска. Токи Холла протекают между кольцевыми электродами вблизи центрального канала и кольцевыми электродами вблизи периферийного канала. Широкий плоский поток газа уменьшает расстояние, а следовательно, и сопротивление движущейся жидкости. Это повышает эффективность. Еще одним значительным преимуществом этой конструкции является более высокая эффективность магнитов. Во-первых, они создают простые параллельные линии поля. Во-вторых, поскольку жидкость обрабатывается в диске, магнит может быть расположен ближе к жидкости, и в этой магнитной геометрии напряженность магнитного поля возрастает в седьмой степени от расстояния. И, наконец, генератор компактен по отношению к своей мощности, поэтому и магнит получается меньше. В результате магнит потребляет значительно меньший процент от генерируемой мощности.

Эффективность генератора

Эффективность прямого преобразования энергии в генерации электроэнергии с помощью МГД увеличивается с ростом напряженности магнитного поля и проводимости плазмы, которая напрямую зависит от температуры плазмы, а точнее – от температуры электронов. Поскольку очень горячие плазмы можно использовать только в импульсных генераторах МГД (например, с использованием ударных труб) из-за быстрой термической эрозии материалов, предполагалось использовать нетермические плазмы в качестве рабочей жидкости в стационарных генераторах МГД, где сильно нагреваются только свободные электроны (10 000–20 000 кельвинов), а основной газ (нейтральные атомы и ионы) остается при гораздо более низкой температуре, обычно 2500 кельвинов. Целью было обеспечить сохранность материалов генератора (стен и электродов), одновременно повысив ограниченную проводимость таких плохих проводников до уровня, сравнимого с проводимостью плазмы, находящейся в термодинамическом равновесии, то есть полностью нагретой до температуры выше 10 000 кельвинов – температуры, которую ни один материал не выдержит. Однако Евгений Велихов впервые теоретически в 1962 году и экспериментально в 1963 году обнаружил, что в любом МГД-преобразователе, использующем намагниченную нетермическую плазму с горячими электронами, быстро развивается ионизационная нестабильность, впоследствии названная нестабильностью Велихова или электротермической нестабильностью, при достижении критического параметра Холла, что зависит от степени ионизации и напряженности магнитного поля. Эта нестабильность существенно ухудшает характеристики неравновесных генераторов МГД. Перспективы этой технологии, изначально предсказывавшие впечатляющую эффективность, затормозили программы по МГД во всем мире, поскольку в то время не было найдено решения для смягчения этой нестабильности. Следовательно, без внедрения решений для подавления электротермической нестабильности, практические генераторы МГД вынуждены были ограничивать параметр Холла или использовать умеренно нагретую тепловую плазму вместо холодной плазмы с горячими электронами, что значительно снижает эффективность. По состоянию на 1994 год рекорд эффективности в 22% для дисковых МГД-генераторов с замкнутым циклом принадлежал Токийскому техническому институту. Пиковая отводимая энтальпия в этих экспериментах достигла 30,2%. Типичные открытые МГД-генераторы Hall & duct coal имеют более низкий КПД – около 17%. Эти показатели эффективности делают МГД невыгодным для производства электроэнергии как такового, поскольку традиционные электростанции, работающие по циклу Ранкина, легко достигают 40%. Однако выхлопные газы МГД-генератора, сжигающего ископаемое топливо, почти так же горячи, как пламя. Направляя эти выхлопные газы в теплообменник для турбины цикла Брейтона или парогенератора цикла Ранкина, МГД может преобразовывать ископаемое топливо в электроэнергию с расчетной эффективностью до 60%, по сравнению с 40% типичной угольной электростанции. Магнитогидродинамический генератор также может быть первой ступенью газового ядерного реактора.

The efficiency of the direct energy conversion in MHD power generation increases with the magnetic field strength and the plasma conductivity, which depends directly on the plasma temperature, and more precisely on the electron temperature. As very hot plasmas can only be used in pulsed MHD generators (for example using shock tubes) due to the fast thermal material erosion, it was envisaged to use nonthermal plasmas as working fluids in steady MHD generators, where only free electrons are heated a lot (10,000–20,000 kelvins) while the main gas (neutral atoms and ions) remains at a much lower temperature, typically 2500 kelvins. The goal was to preserve the materials of the generator (walls and electrodes) while improving the limited conductivity of such poor conductors to the same level as a plasma in thermodynamic equilibrium; i. e. completely heated to more than 10,000 kelvins, a temperature that no material could stand. But Evgeny Velikhov first discovered theoretically in 1962 and experimentally in 1963 that an ionization instability, later called the Velikhov instability or electrothermal instability, quickly arises in any MHD converter using magnetized nonthermal plasmas with hot electrons, when a critical Hall parameter is reached, hence depending on the degree of ionization and the magnetic field. Such an instability greatly degrades the performance of nonequilibrium MHD generators. The prospects about this technology, which initially predicted awesome efficiencies, crippled MHD programs all over the world as no solution to mitigate the instability was found at that time. Consequently, without implementing solutions to master the electrothermal instability, practical MHD generators had to limit the Hall parameter or use moderately heated thermal plasmas instead of cold plasmas with hot electrons, which severely lowers efficiency. As of 1994, the 22% efficiency record for closed cycle disc MHD generators was held by Tokyo Technical Institute. The peak enthalpy extraction in these experiments reached 30.2%. Typical open cycle Hall & duct coal MHD generators are lower, near 17%. These efficiencies make MHD unattractive, by itself, for utility power generation, since conventional Rankine cycle power plants easily reach 40%. However, the exhaust of an MHD generator burning fossil fuel is almost as hot as a flame. By routing its exhaust gases into a heat exchanger for a turbine Brayton cycle or steam generator Rankine cycle, MHD can convert fossil fuels into electricity with an estimated efficiency of up to 60 percent, compared to the 40 percent of a typical coal plant. A magnetohydrodynamic generator might also be the first stage of a gas core reactor.

Материалы и дизайн

У генераторов МГД существуют серьезные проблемы, связанные с материалами, как для стенок, так и для электродов. Материалы не должны плавиться или подвергаться коррозии при очень высоких температурах. Для этих целей были разработаны специальные керамические материалы, которые необходимо подбирать с учетом совместимости с топливом и веществом, обеспечивающим ионизацию. Эти специальные материалы и сложные методы изготовления обуславливают высокую стоимость генераторов МГД. Кроме того, МГД работают эффективнее при использовании более сильных магнитных полей. Наиболее успешными оказались сверхпроводящие магниты, расположенные в непосредственной близости от канала. Основная трудность заключалась в охлаждении этих магнитов при одновременной изоляции от канала. Проблема усугубляется тем, что магниты работают лучше при более близком расположении к каналу. Существует также значительный риск повреждения горячей и хрупкой керамики из-за неравномерного термического растрескивания. Магниты обычно охлаждаются почти до абсолютного нуля, в то время как температура в канале достигает нескольких тысяч градусов. Для МГД было установлено, что в качестве изоляционных стенок могут использоваться оксид алюминия (Al2O3) и пероксид магния (MgO2). Пероксид магния разлагается при воздействии влаги. Оксид алюминия устойчив к воде и может быть изготовлен достаточно прочным, поэтому на практике для изоляционных стенок в большинстве МГД используется оксид алюминия. Для электродов МГД, работающих на чистом топливе (например, природном газе), хорошим материалом является смесь, состоящая из 80% CeO2, 18% ZrO2 и 2% Ta2O5. МГД, работающие на угле, характеризуются сильно коррозионной средой, содержащей шлак. Шлак одновременно защищает и вызывает коррозию материалов МГД. В частности, миграция кислорода через шлак ускоряет коррозию металлических анодов. Тем не менее, хорошие результаты были получены при использовании электродов из нержавеющей стали при температуре 900K. Другой, возможно, более предпочтительный вариант – шпинельный керамический материал FeAl2O4 – Fe3O4. Сообщалось, что шпинель обладает электронной проводимостью и не образует резистивного реакционного слоя, хотя наблюдается некоторая диффузия железа в оксид алюминия. Диффузию железа можно контролировать с помощью тонкого слоя высокоплотного оксида алюминия и водяного охлаждения как электродов, так и изоляторов из оксида алюминия. Присоединение высокотемпературных электродов к обычным медным шинам также представляет собой сложную задачу. Обычно для этого используются методы, создающие химически пассивный слой и охлаждающие шину водой.

MHD generators have difficult problems in regard to materials, both for the walls and the electrodes. Materials must not melt or corrode at very high temperatures. Exotic ceramics were developed for this purpose and must be selected to be compatible with the fuel and ionization seed. The exotic materials and the difficult fabrication methods contribute to the high cost of MHD generators. Also, MHDs work better with stronger magnetic fields. The most successful magnets have been superconducting, and very close to the channel. A major difficulty was refrigerating these magnets while insulating them from the channel. The problem is worse because the magnets work better when they are closer to the channel. There are also severe risks of damage to the hot, brittle ceramics from differential thermal cracking. The magnets are usually near absolute zero, while the channel is several thousand degrees. For MHDs, both alumina (Al2O3) and magnesium peroxide (MgO2) were reported to work for the insulating walls. Magnesium peroxide degrades near moisture. Alumina is water resistant and can be fabricated to be quite strong, so in practice, most MHDs have used alumina for the insulating walls. For the electrodes of clean MHDs (i. e. burning natural gas), one good material was a mix of 80% CeO2, 18% ZrO2, and 2% Ta2O5. Coal burning MHDs have intensely corrosive environments with slag. The slag both protects and corrodes MHD materials. In particular, migration of oxygen through the slag accelerates corrosion of metallic anodes. Nonetheless, very good results have been reported with stainless steel electrodes at 900K. Another, perhaps superior option is a spinel ceramic, FeAl2O4 Fe3O4. The spinel was reported to have electronic conductivity, absence of a resistive reaction layer but with some diffusion of iron into the alumina. The diffusion of iron could be controlled with a thin layer of very dense alumina, and water cooling in both the electrodes and alumina insulators. Attaching the high temperature electrodes to conventional copper bus bars is also challenging. The usual methods establish a chemical passivation layer, and cool the busbar with water.

Японское развитие

Японская программа в конце 1980-х годов была сосредоточена на МГД с замкнутым циклом. Считалось, что это позволит достичь более высокой эффективности и уменьшить размеры оборудования, особенно для чистых, небольших и экономичных электростанций мощностью около 100 мегаватт (электрических), что соответствовало японским условиям. Открытые угольные электростанции, как правило, становятся экономически выгодными при мощности свыше 200 мегаватт. Первой крупной серией экспериментов стала система FUJI 1, работающая от ударной трубы в Токийском технологическом институте. В ходе этих экспериментов удавалось извлекать до 30,2% энтальпии и достигать плотности мощности около 100 мегаватт на кубический метр. Финансирование этого объекта осуществлялось Токийской энергетической компанией, другими японскими энергоснабжающими организациями и Министерством образования. По мнению некоторых специалистов, эта система представляла собой дисковый генератор с гелием и аргоном в качестве газа-носителя и семенами ионизации на основе калия. В 1994 году были разработаны подробные планы по строительству FUJI 2 – непрерывного объекта с замкнутым циклом мощностью 5 МВт, работающего на природном газе, с использованием опыта, полученного в ходе работы FUJI 1. Базовая конструкция МГД должна была представлять собой систему с инертными газами и дисковым генератором. Целью было извлечение 30% энтальпии и достижение тепловой эффективности МГД в 60%. После FUJI 2 планировалась модернизация существующей газовой электростанции мощностью 300 МВт.

Австралийское развитие

В 1986 году профессор Хьюго Карл Мессерле из Сиднейского университета исследовал магнитогидродинамические (МГД) установки, работающие на угле. Результатом стала надстройка мощностью 28 МВт, которая функционировала за пределами Сиднея. Мессерле также является автором одной из самых современных справочных работ по этой теме (см. ниже), подготовленной в рамках образовательной программы ЮНЕСКО. Подробный некролог о Хьюго можно найти на сайте Австралийской академии технологических наук и инженерии (ATSE).

Китайское развитие

Совместная национальная программа США и Китая завершилась в 1992 году после модернизации угольной электростанции №3 в Асбахе. В марте 1994 года была утверждена еще одна одиннадцатилетняя программа. В рамках этой программы были созданы исследовательские центры:

В Институте электротехники Китайской академии наук в Пекине, занимающемся проектированием генераторов МГД. В Шанхайском институте энергетических исследований, специализирующемся на исследованиях общей системы и сверхпроводящих магнитов. В Институте исследований теплоэнергетики Юго-Восточного университета в Нанкине, занимающемся дальнейшими разработками. Исследование 1994 года предложило генератор мощностью 10 МВт (электрической, 108 МВт тепловой) с МГД-установкой и установкой цикла дна, соединенными паропроводом, что позволяло бы каждой из них работать независимо.

Российские события

В 1971 году около Москвы была завершена газовая установка U-25 мощностью 25 мегаватт. К 1974 году она выдавала 6 мегаватт электроэнергии. К 1994 году в России была разработана и запущена угольная установка U-25 в Институте высоких температур Российской академии наук в Москве. Вторичный контур установки U-25 фактически эксплуатировался по контракту с московскими электросетями и поставлял электроэнергию в московскую энергосистему. В России проявлялся значительный интерес к разработке дискового генератора, работающего на угле. В 1986 году была построена первая промышленная электростанция с МГД-генератором, но в 1989 году проект был закрыт до запуска МГД, и эта электростанция впоследствии была присоединена к Рязанской ГРЭС в качестве 7-го энергоблока с традиционной конструкцией.