Магнитогидродинамическое преобразование энергии

Поиск способов повышения эффективности преобразования первичных топливно-энергетических ресурсов привел ученых-энергетиков и физиков к идее магнитогидродинамического преобразования энергии.

Магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) непосредственно преобразует тепловую энергию в электрическую и тем самым позволяет существенно повысить эффективность использования топливных ресурсов. Работы по созданию МГД-генераторов были впервые начаты в СССР и наибольших масштабов они достигли в 60–80-е годы.

Рис. 5.4. Схемы преобразования энергии:

а – паросиловое, б – магнитогидродинамическое

В паросиловых установках тепло, получаемое при сжигании топлива, превращается во внутреннюю энергию пара, температура и давление которого при этом повышаются. Затем в паровых турбинах энергия пара превращается в механическую, и только после этого в электрических генераторах механическая энергия преобразуется в электрическую. Эти многократные преобразования сопровождаются неизбежными потерями, снижающими эффективность всего цикла. В магнитогидродинамическом цикле (рис. 5.4, б) цепочка преобразований энергии значительно короче. Но не только в этом состоит преимущество МГД-преобразования энергии. КПД идеального теплового цикла Карно зависит от максимальной и минимальной температур рабочего тела.

В современных топках парогенераторов температура превышает 2000°С, а нагрев лопаток паровых турбин из-за ограниченной теплостойкости материала не должен превышать 750 °С, что ограничивает КПД до 60 %.

В реальных условиях из-за несовершенства паросилового цикла КПД не удается повысить более чем до 40 %. В МГД-генераторах статические условия работы позволяют использовать материалы, на поверхности которых температура может достигать 2700–3000°С. Это открывает широкие перспективы повышения КПД преобразования энергии.

В качестве проводящего вещества в МГД-генераторах используются ионизированные газы. Чтобы обеспечить необходимую электропроводность газов, следует их температуру поддерживать не ниже 2000°С. Это обстоятельство не позволяет использовать МГД-преобразование во всем диапазоне температур от 3000 до 300 К. Поэтому МГД-генераторы целесообразно дополнять паротурбинными преобразователями, полезно использующими тепло газов, выходящих из каналов МГД-преобразователей.

Сочетание МГД-генераторов с паротурбинными преобразователями энергии позволит поднять КПД всей установки до 50–60 %, что означает экономию десятков миллионов тонн топливных ресурсов в год. Стационарные МГД-установки наиболее приспособлены для преобразования энергии в широких масштабах. Повышение КПД установок с МГД-генераторами позволит снизить топливные составляющие стоимости электроэнергии и уменьшить капитальные затраты на сооружение станций.

Принцип работы МГД-генератора. Закон электромагнитной индукции утверждает, что в проводнике (твердом, жидком или газообразном), движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС.

Принципиальная схема действия МГД-генератора показана на рис. 5.5. Между металлическими пластинами 1, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа, обладающего кинетической энергией направленного движения частиц. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи. Поток ионизированного газа – плазмы – тормозится под действием электродинамических сил, возникающих при взаимодействии протекающего в плазме тока и магнитного потока.

Рис. 5.5. Принцип работы МГД-генератора

Можно провести аналогию между этими возникающими силами и силами торможения, действующими со стороны рабочих лопаток паровых и газовых турбин на частички пара или газа. Преобразование энергии и происходит путем совершения работы по преодолению сил торможения. Если какой-либо газ нагреть до высокой температуры, увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электропроводящее вещество, то при последующем расширении газа в рабочих каналах МГД-генератора будет происходить прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

Трудности использования ионизированных газов состоят в том, что при такой высокой температуре происходит быстрое разрушение камеры сгорания, каналов и сопла, по которым происходит движение газового потока.

Добавление некоторых легко ионизирующихся щелочных металлов таких, как калий, натрий, в десятки тысяч раз увеличивает электропроводность газа. При этом можно ограничиться температурой 2500÷2700°С. Однако в этом случае возникают трудности, связанные с обеспечением необходимой коррозионной прочности материалов из-за повышения химической агрессивности среды, в которой должны работать эти конструкционные материалы.

Принципиальная схема МГД-генератора с паросиловой установкой показана на рис. 5.6. В камере сгорания производится сжигание органического топлива; получаемые при этом продукты в плазменном состоянии с добавлением присадок направляются в расширяющийся канал МГД-генератора. Сильное магнитное поле создается мощными электромагнитами.

Рис. 5.6. Принципиальная схема МГД-генератора с паросиловой установкой:

1 – камера сгорания; 2 – теплообменник; 3 – МГД-генератор;

4 – обмотка электромагнита, 5 – парогенератор, 6 – турбина, 7 – генератор, 8 – конденсатор, 9 – насос

Тепло отработанных в МГД-генераторе газов вначале используется для подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания топлива, и повышения тем самым эффективности процесса его сжигания. Затем это тепло в паросиловой установке расходуется на образование пара и доведение его параметров до необходимых величин. Выходящие из канала МГД-генератора газы имеют температуру примерно 2000°С, а современные теплообменники, к сожалению, могут работать при температурах, не превышающих 800 °С, поэтому при охлаждении газов часть тепла теряется.

Трудности в создании МГД-генераторов состоят в обеспечении конструкций материалами необходимой прочности. Несмотря на статические условия работы, к материалам предъявляют высокие требования, так как они должны длительно работать в агрессивных средах при высоких температурах.

В настоящее время созданы материалы, которые могут работать длительно при температуре 2200÷2500°С (графит и композиционные материалы на основе графитовых нитей, окись магния, нитриды (в частности, нитрид бора), материалы на основе нанопорошков и др.). Несмотря на достигнутые успехи, задача создания материалов для МГД-генератора полностью пока не решена. Тоже относится и к газам, из которых создается плазма. Например, гелий с небольшой добавкой цезия при температуре 2000°С имеет одинаковую проводимость с продуктами сгорания минерального топлива при температуре 2500 °С. Разработан проект МГД-генератора, работающего по замкнутому циклу, в котором гелий непрерывно циркулирует в системе.

Для работы МГД-генератора необходимо создавать сильное магнитное поле, которое может быть получено пропусканием огромных токов по обмоткам. Во избежание сильного нагрева обмоток и потерь энергии в них сопротивление проводников должно быть по возможности наименьшим. Поэтому необходимо проработать вариант проекта МГД-генератора, в котором в качестве таких проводников использовались бы сверхпроводящие материалы.

Вслед за СССР вопросам создания промышленных МГД-установок уделяется большое внимание во многих индустриально развитых странах. Повышение КПД установок с МГД-генераторами улучшает технико-экономические показатели работы и способствует уменьшению загрязнения окружающей среды вследствие более полного использования вовлеченных в энергетическое производство природных ресурсов. Высокая стоимость МГД-генераторов, их низкая надежность и малый ресурс работы вследствие нерешенности ряда проблем, прежде всего материаловедческих, затормозили дальнейший прогресс в этом направлении. За рубежом сократились масштабы этих работ, а в России в девяностые годы эти работы полностью приостановлены.