Магнитогидродинамический генератор
Магнитогидродинами́ческий генера́тор (МГД-генератор), электроэнергетическое устройство, в котором происходит прямое преобразование тепловой энергии рабочего тела (жидкой или газообразной электропроводящей среды), движущегося в магнитном поле, в электрическую энергию постоянного или переменного тока. Движение таких сред описывается уравнениями магнитной гидродинамики, что и дало наименование устройству. Прямое преобразование энергии – главная особенность МГД-генератора, отличающая его от электромашинных генераторов, преобразующих механическую энергию вращения, получаемую от первичного двигателя (обычно паровые, газовые турбины или гидротурбины, двигатели внутреннего сгорания и др.), в электрическую. Процесс генерирования электрического тока в МГД-генераторе основан на явлении электромагнитной индукции, т. е. на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля; отличие МГД-генератора в том, что в нём проводником является само рабочее тело, в котором при движении поперёк вектора напряжённости магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов разноимённых знаков.
Устройство магнитогидродинамического генератора
Рабочим телом МГД-генератора могут служить электропроводящие жидкости (электролиты), жидкие металлы, плазма. Состав и свойства рабочих тел оказывают определяющее влияние на тип и характеристики МГД-генератора. В первых МГД-генераторах использовались в качестве рабочего тела электролиты, жидкие металлы. В большинстве МГД-генераторов применяют плазму, в которой носителями зарядов являются в основном свободные электроны и положительные ионы, отклоняющиеся под действием силы Лоренца в магнитном поле от траектории, по которой газ двигался бы при отсутствии поля. В сильных магнитных полях заряженные частицы успевают между соударениями сместиться относительно друг друга (в плоскости, перпендикулярной магнитному полю); такое направленное смещение заряженных частиц в МГД-генераторе приводит к тому, что появляется дополнительное электрическое поле, т. н. поле Холла (или эффект Холла), направленное параллельно потоку газа, и, следовательно, дрейф заряженных частиц в скрещённых электрическом и магнитном полях.
МГД-генератор состоит из источника тепловой энергии и рабочего тела (могут быть совмещены), которое подаётся со скоростью v через разгонное устройство (т. н. сопло) в МГД-канал, магнитной системы (т. н. электромагнит) для создания магнитного поля с индукцией B, электродов, предназначенных для отвода генерируемой электрической энергии в нагрузку, и диффузора (выхлопной участок). В потоке рабочего тела (с удельной электрической проводимостью σ), движущегося в МГД-канале в направлении, перпендикулярном силовым линиям магнитного поля с индукцией B, индуцируется локальная электродвижущая сила (ЭДС) vB, возникает электрический ток в проводящем теле и нагрузке (т. н. электрической сети). Плотность мощности МГД-генератора P ≈ 0,25σv2B2 (Вт/м3).
МГД-канал является основным и технически наиболее сложным элементом и определяет характеристики МГД-генератора в целом. Конструкции канала зависят от типа, назначения и режима работы; они должны обеспечивать прежде всего максимальный ресурс работы и минимальные тепловые, гидравлические, электрические потери и др. Магнитная система предназначена для создания максимально возможной величины индукции и её распределения в рабочем объёме канала; она определяет энергетические, массовые и габаритные характеристики МГД-генератора.
Для МГД-генератора, в котором в качестве рабочего тела используется жидкий металл, существенной проблемой для получения достаточной эффективности (кпд) является разгон рабочего тела до высоких скоростей. Большие потери кинетической энергии, тепловые потери и ряд других факторов ограничивают кпд таких энергетических установок до нескольких процентов. Значительно более высокие показатели имеют плазменные МГД-генераторы. Для создания плазмы однородного газа его необходимо нагреть до температуры термической ионизации (около 10 000 ºК); для работы при меньших температурах в газы добавляют (вводят) пары́ щелочных металлов (т. н. присадка), что позволяет снизить температуру смеси до 2200–3000 ºК и разогнать плазму до больших скоростей (2000–3000 м/с).
В отличие от МГД-генераторов с жидким рабочим телом, где генерирование электроэнергии идёт только за счёт преобразования части кинетической или потенциальной энергии потока при постоянной температуре, в МГД-генераторах с газовым рабочим телом принципиально возможны 3 режима:
с сохранением температуры и уменьшением кинетической энергии;
с сохранением кинетической энергии и уменьшением температуры;
со снижением и температуры, и кинетической энергии.
Основные характеристики МГД-генератора подразделяют на интегральные, локальные и удельные. Эти величины характеризуют разнородные параметры (энергетические, электрические, массогабаритные и др.) конкретного МГД-генератора как в целом (интегральные), так и параметры процессов в нём, относящиеся к определённому месту (локальные), и его универсальные показатели (удельные), не связанные с масштабом и типом МГД-генератора.
Главные преимущества МГД-генератора как мощного устройства генерирования электроэнергии:
отсутствие в нём движущихся узлов или деталей, непосредственно участвующих в преобразовании тепловой энергии в электрическую (это позволяет существенно увеличить начальную температуру рабочего тела и, следовательно, кпд энергетической установки);
простота МГД-цикла преобразования энергии, в котором не требуется сложный агрегат «паровой котёл – паровая турбина».
МГД-генератор отличает от паро- или газотурбинных установок быстрый выход на рабочий режим (малая инерционность), возможность находиться в постоянной готовности к работе в течение длительного времени, что важно для пиковых и аварийных электростанций, лучшая экологичность.
Классификация магнитогидродинамических генераторов
МГД-генераторы подразделяются по источнику теплоты:
камеры сгорания химических топлив, в том числе реактивных двигателей;
ядерные и термоядерные реакторы;
теплообменные устройства.
МГД-генераторы различают по рабочему телу, основными типами которого являются:
различные плазмообразующие среды;
жидкие металлы;
электролиты;
двухфазные электропроводящие среды.
Наибольшее развитие получили плазменные МГД-генераторы, рабочими телами которых служат продукты сгорания химических топлив или одно- и/или двухкомпонентные смеси газов (например, инертные газы, водород и др.).
По способу отвода электроэнергии МГД-генераторы делятся на 2 основные группы:
кондукционные (постоянного и переменного тока), в которых генерируемый в плазме ток поступает на токосъёмные электроды МГД-канала и далее в нагрузку;
индукционные, генерирующие только переменный ток; в них отсутствуют токосъёмные электроды, а наведённые в движущейся электропроводящей среде токи индуктивно связаны с внешней обмоткой (требуют создания бегущего вдоль канала магнитного поля).
По геометрической форме и типу конструкции МГД-каналы бывают:
линейные;
дисковые и коаксиальные холловские;
радиальные;
электродные;
безэлектродные (индукционные);
охлаждаемые и неохлаждаемые и др.
По типу магнитной системы различают:
электромагниты с ферромагнитным («железным») магнитопроводом – для создания магнитных полей с индукцией до 2 Тл в стационарном режиме работы;
безжелезные резистивные – для работы в импульсном, кратковременном или стационарном режиме (изготовляются охлаждаемыми и неохлаждаемыми и создают магнитное поле до 5 Тл);
безжелезные криорезистивные – для работы в стационарном режиме (материал проводника обмотки – сверхчистый алюминий);
сверхпроводящие, обеспечивающие магнитное поле до 10 Тл [материал проводника обмотки – низкотемпературные сверхпроводники II рода (NbTi, NbZr, Nb3Sn)].
Проводятся экспериментальные исследования стационарных магнитных систем небольшого объёма на основе высокотемпературных сверхпроводников (керамики, интерметаллиды).
По типу рабочего цикла энергетической установки с МГД-генератором (термодинамической схеме) различают:
МГД-генераторы открытого цикла или контура с применением в качестве рабочего тела продуктов сгорания химических топлив, когда отработанные газы после удаления из них присадки щелочных металлов выбрасываются в атмосферу;
с замкнутым циклом, где тепловая энергия, полученная в источнике энергии, передаётся рабочему телу, которое затем, пройдя МГД-генератор, возвращается через компрессор, замыкая цикл.
Установки открытого цикла с МГД-генератором рассматриваются как высокотемпературная надстройка к обычному энергетическому циклу и позволяют повысить его кпд до 60 %, а также в качестве мощных источников электрической энергии кратковременного действия.
По электрической схеме соединения электродов в линейных МГД-каналах различают:
канал со сплошными или секционированными электродами;
холловский канал, в котором расположенные друг против друга электроды короткозамкнуты, а напряжение возникает вдоль канала за счёт поля Холла;
канал с диагональным (сериесный, рамочный) соединением электродов.
Секционирование электродов в канале МГД-генератора делается для того, чтобы уменьшить циркуляцию тока вдоль канала и по сплошным электродам и тем самым направить носители зарядов перпендикулярно оси канала на электроды и в нагрузку; чем значительнее эффект Холла, тем на большее число секций необходимо разделить электроды, причём каждая пара электродов должна иметь свою нагрузку, что весьма усложняет конструкцию установки и уменьшает её ресурс. Применение схемы холловского канала наиболее выгодно при больших значениях параметра Холла. За счёт наличия продольного электрического поля в канале МГД-генератора с диагональным соединением электродов можно получить значительное напряжение на выходе генератора. Наибольшее распространение с 1970-х гг. получили кондукционные линейные МГД-генераторы на продуктах сгорания топлив с присадками щелочных металлов, работающие по открытому циклу.
Историческая справка
Идея возможной замены твёрдого проводника жидким, для генерирования электрической энергии, была выдвинута М. Фарадеем. Однако его попытка экспериментально подтвердить эту идею в 1832 г. окончилась неудачей, и лишь в 1851 г. английский учёный У. Х. Волластон практически подтвердил предположение Фарадея, измерив ЭДС, индуцированную приливными течениями в Ла-Манше. Позднее были предложены и запатентованы различные типы МГД-преобразователей энергии. Первые эксперименты по получению электроэнергии с помощью МГД-генераторов на неравновесной плазме (1938, 1956) и на продуктах сгорания (1942) были проведены в США. В 1959 г. в США создан МГД-генератор Mark-I электрической мощностью 11,5 кВт, в начале 1960-х гг. – сверхзвуковой МГД-генератор Mark-II на продуктах сгорания толуола в кислороде с присадкой калия (мощность до 200 кВт). В 1965 г. построен фарадеевский МГД-генератор Mark-V (мощность 32 МВт), в 1966 г. – холловский МГД-генератор Lorho (18 МВт) кратковременного действия (минуты). С этого времени во многих странах начались работы по созданию МГД-генераторов открытого цикла на продуктах сгорания топлив для МГД-электростанций: сначала в СССР и в США, а затем в Японии, Китае, Италии и других странах.
В СССР в Институте высоких температур с 1961 г. осуществляются исследования по созданию МГД-генераторов на продуктах сгорания природного топлива для промышленных тепловых МГД-электростанций. В 1965 г. создана модельная МГД-установка У-02 с линейным фарадеевским каналом мощностью до 0,2 МВт, которая генерировала электрическую энергию 1 месяц. В 1971 г. создана опытно-промышленная установка У-25 с магнитами различного типа; в 1975 г. электрическая мощность установки доведена до 20,4 МВт, время непрерывной работы составило 250 ч.
В США национальная программа была направлена на создание МГД-электростанций на угле. Разработаны и экспериментально исследованы основные узлы МГД-установки на продуктах сгорания угля в обогащённом кислородом воздухе. Созданы модельная установка CFFF (1972) и демонстрационная CDIF (1980), на которых отрабатывались в основном технологические режимы работы и ресурсные характеристики. В 1981 г. создан МГД-генератор на продуктах сгорания угля тепловой мощностью 250 МВт.
С 1961 г. начали проводиться исследования по созданию МГД-генераторов на неравновесной плазме с целью их использования в стационарных энергетических установках с замкнутым циклом. Наибольшие успехи в создании стационарных МГД-генераторов на неравновесной плазме получены в Японии. Построены установки FUJI-I электрической мощностью до 0,7 МВт, разработан проект FUJI-II мощностью до 10 МВт.
С 1965 г. в СССР начаты работы по созданию импульсных (длительность импульса 3–10 с) МГД-генераторов на различных рабочих телах. В 1970 г. создан опытный образец самовозбуждающегося МГД-генератора «Памир-1» на твёрдом (пороховом) топливе мощностью около 10 МВт. В дальнейшем было налажено опытное производство и изготовлена (с использованием блочного принципа) серия таких МГД-генераторов мощностью от 10 до 600 МВт, которые применялись в качестве автономных мощных источников тока. В США аналогичные работы, но в меньшем масштабе, проводились с 1968 г.: созданы и исследованы импульсные МГД-генераторы на пороховом топливе с различными типами каналов мощностью в несколько мегаватт. В 1984 г. в США построен мобильный импульсный (длительность импульса до 30 с) МГД-генератор мощностью до 5 МВт.
С 1963 г. в СССР и США исследуются МГД-генераторы, работающие на продуктах детонации ВВ, с каналами различных форм и мощностей, в том числе со сверхпроводящими магнитами. В начале 21 в. получены следующие параметры таких (взрывных) МГД-генераторов: длительность импульса 0,1–1 мс, мощность в импульсе – до 300 МВт, ток – сотни килоампер, энергия – десятки мегаджоулей, индукция магнитного поля – до 6,5 Тл; экспериментально и теоретически изучены основные процессы, определены закономерности их протекания, рассчитаны и/или оценены возможности и характеристики МГД-генераторов различных типов и назначений.
Область применения магнитогидродинамических генераторов
Разработка и изучение возможностей применения МГД-генераторов различных типов проводится для областей электроэнергетики, в которых они оказываются наиболее конкурентоспособными или не имеют аналогов среди существующих источников тока. К началу 21 в. разработаны, спроектированы, экспериментально исследованы и доведены до опытно-промышленного изготовления различные типы МГД-генераторов. Стационарные МГД-генераторы рассматриваются в качестве «надстройки» в бинарных и тройных открытых и замкнутых циклах Ранкина для промышленных МГД-электростанций (МГДЭС). Расчётный кпд МГДЭС открытого цикла на продуктах сгорания ископаемых топлив (до 3000 К) достигает 52–54 и 58–60 %. К 1990 г. электрическая мощность опытных МГД-генераторов на продуктах сгорания достигла 21 МВт, время непрерывной работы – 1000 ч. Разработаны проекты опытно-промышленных МГДЭС на природном газе (СССР) мощностью 500 МВт (доля МГД-генераторов – 200 МВт) и на угле (США) мощностью 300 МВт. Применение МГД-генераторов на неравновесной плазме инертных газов в составе бинарных и тройных замкнутых циклов МГДЭС может обеспечить кпд 50–70 % в зависимости от начальной (верхней) температуры цикла в диапазоне 2300–2800 К.
МГД-генераторы возможно использовать в составе пиковых энергетических установок открытого цикла (мощность 50–200 МВт, время работы 1–3 ч/сут). МГД-генераторы большой мощности могут применяться в аэрокосмических и транспортных (судовых) энергетических установках. В качестве таких МГД-генераторов, в зависимости от целевого назначения, рассматриваются импульсные МГД-генераторы на пороховых и гибридных топливах (длительность импульса до 100 с, мощность до 1000 МВт); МГД-генераторы кратковременного действия на углеводородных и специальных химических топливах (время работы до часа, мощность до 100 МВт); плазменные МГД-генераторы в комбинации с гетерогенными ядерными реакторами открытого цикла (время работы несколько часов, мощность 10–100 МВт); стационарные жидкометаллические МГД-генераторы в замкнутом цикле с ядерным реактором.
МГД-генераторы кратковременного действия, импульсные и взрывные рассматриваются в качестве мощных (до ≈ 1 ГВт) автономных источников электрического питания для систем оборонного назначения, аварийного и резервного электропитания стратегически важных объектов, крупных экспериментальных установок, электромагнитного мониторинга, специальных технологий и др.
Главным сдерживающим фактором создания и промышленного внедрения мощных МГД-генераторов является недостаточный уровень достигнутых характеристик (кпд, ограниченный уровень высокотемпературных узлов, например МГД-каналов, высокая стоимость полученной электрической энергии и др.).