Современные энерготермические установки –
МГД-генераторы
Карпизенков А.В. (КЭЛ-062), Сиволап Е.Ю. (КЭЛ-061)
Научный руководитель – Юдин Н.Г.
Камышинский технологический институт (филиал) ВолгГТУ
Тел. (84457) 9-54-29, Факс: (84457) 9-43-62, E-mail: kti@kti.ru
История. В один из дней 1832 г. лондонцы, оказавшиеся на мосту Ватерлоо, были заинтересованы необычным зрелищем. Группа людей, среди которых можно было увидеть знаменитого физика Фарадея, занималась тем, что погружала в воду Темзы два медных листа, подключенных проводами к гальванометру. Прибор стоял на столике посреди моста, а возле него находился сам ученый, отдававший распоряжения своим помощникам. Фарадей считал, что если воды реки, текущей с запада на восток, пересекают, хотя бы частично, магнитное поле Земли, то они подобны проводникам, пересекающим магнитное поле магнита. А в этом случае, как доказал сам Фарадей, в проводнике возникает электрический ток. Медные листы, между которыми, как между металлическими берегами, текла вода Темзы, должны были соединить эти водяные проводники с гальванометром, и передать на него возникающий ток.
Однако, увы, опыт не удался. Тем не менее 1832г., когда Фарадей задумал и обосновал этот опыт, с полным основанием можно считать годом рождения магнитогидродинамического генератора. Название этого генератора состоит из трех слов – магнит, гидро (вода) и динамика (движение) – и означает получение электричества при движении воды в магнитном поле.
Первым экспериментальный МГД-генератор был построен 1959 в году в США. В нашей стране усилия специалистов были направлены главным образом на создание комплексных энергетических установок с МГД-генератором. Первая опытно-промышленная электростанция У-25 с МГД-генератором была запущена в нашей стране в 1971 году под руководством академиков В.А. Кириллина и А.Е. Шейндлина. Мощность установки составляла 25 млн. ватт [1].
Характеристика МГД-генератора. МГД-генератор – это новый тип электрической машины без вращающихся частей. Если заменить ротор струей раскаленных газов, плазменной струей, содержащей много электронов и ионов, и пропустить такую струю между полюсами сильного магнита, то по закону Ампера, электроны и ионы будут расходиться к соответствующим электродам, на которых будут накапливаться заряды. Электроды, с помощью которых должен выводиться ток из раскаленной струи, могут быть неподвижными. Такой тип электрической машины получил название магнитогидродинамического генератора.
Схема устройства. Простейший МГД-генератор состоит из камеры сгорания (рис. 1) жидкого или газообразного топлива, канала, по которому движется рабочее тело (плазма), электромагнитной системы для создания магнитного поля и устройств для отвода электроэнергии (электродов) с включенной нагрузкой.
Рис. 1. Схема устройства
Принцип работы. Магнитогидродинамический генератор – это электрическая установка, в которой энергия рабочего тела (жидкой или газообразной электропроводящей среды), движущегося в магнитном поле, преобразуется в энергию электрическую [2]. Движение таких сред описывается магнитной гидродинамикой. Если в качестве рабочего тела применяется электропроводная жидкость, то генератор – гидродинамический, а если электропроводный газ – газодинамический. Прямое (непосредственное) преобразование составляет главную особенность МГД–генератора, отличающую его от электромашинного генератора. Процесс генерирования электрического тока основан на явлении электромагнитной индукции, т. е. на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В магнитогазодинамическом генераторе рабочим телом служит газообразный проводник – плазма, носителями зарядов которого являются в основном свободные электроны и положительные ионы, отклоняющиеся в магнитном поле от траектории, по которой газ двигался бы в отсутствие поля.
МГД-генераторы имеют ряд преимуществ перед электромашинными генераторами. В МГД-генераторе сильно нагрета только плазма и отсутствуют движущиеся детали, подвергаемые, подобно лопаткам турбин, одновременному воздействию больших механических напряжений и высоких температур. Возможность использования огнеупорных материалов и применение охлаждения неподвижных металлических деталей, соприкасающихся с плазмой, позволяют повысить температуру рабочего тела, а значит и КПД установки. Если температура на входе T1 = 2500 К, а на выходе T2 = 300 К, теоретическое значение КПД составляет 88 % вычисленное по циклу Карно:
 ,
но в реальных условиях температура отработанных газов на выходе больше 300 К. Если отработанные и уже не ионизированные продукты сгорания использовать для получения пара и приведения в действие турбины обычного электромашинного генератора, то реальный КПД такой установки будет 50-60 % [1].Это почти вдвое превышает реальные КПД тепловых электростанций. Следовательно, с помощью МГД–генератора можно получить вдвое больше электроэнергии, что очень важно в условиях энергетического кризиса.
Существуют три основных направления возможного промышленного применения МГД-генераторов:
ТЭС (тепловые электростанции) с МГД-генераторами на продуктах сгорания топлива. Эти установки просты по своему принципу и имеют ближайшую перспективу промышленного применения.
Атомные электростанции с МГД-генератором на инертном газе, нагреваемом в ядерном реакторе. Перспективность этого направления зависит от развития ядерных реакторов с температурой рабочего тела свыше 2000 К.
Циклы МГД-генератора на жидком металле, которые перспективны для атомной энергетики и специальных энергетических установок сравнительно небольшой мощности.
Главное достоинство МГД-генераторов состоит в том, что они, повышая на 10-20% коэффициент полезного действия по сравнению с тепловыми электростанциями, могут в настоящее время вырабатывать электроэнергию в промышленных масштабах.
Температура газа, отработанного в МГД-генераторе, составляет 2000К. Используя его по обычной схеме, турбина вырабатывает еще примерно столько же электроэнергии, сколько производит МГД-генератор. Поэтому сравнительно высокий коэффициент полезного действия всей установки (50-60%) достигается с помощью двухступенчатого процесса.
Чем же так привлекательны МГД генераторы? Оказывается, высоким коэффициентом полезного действия. Повышение КПД тепловых электростанций хотя бы на 1 % – это целое событие. Для более экономичной работы тепловых машин нужно в первую очередь повышать температуру рабочего тела: в современных тепловых электростанциях им является пар. Но она и так уже велика – около 700 °C, и каждый лишний градус дается отчаянным трудом. Еще бы – лопатки и диски паровых турбин, готовых разорваться от собственного вращения, нагревают до 700 °C. От этого их прочность отнюдь не увеличивается. А создание еще более жаропрочных материалов очень и очень сложно. Поэтому максимальный КПД тепловых электростанций сейчас всего 45-47 %. Повышение же температуры рабочего тела (газа) до 2500-3000 °C обеспечит рост КПД не менее чем на 20 %. Это революция в энергетике! Есть за что бороться, ради чего создавать жаростойкие материалы для стенок сопла и электродов!
Список литературы
Уильям Джексон, МГД-генератор, «Наука и человечество», 1971-1972г., 367с
Болотов А.В., Шепель Т.А., Электротехнологические установки. М.: Высшая школа 1988 – 336 с.
Установки индукционного нагрева, под редакцией А.Е. Слухотского, Энергоатмиздат.
|
