 |
Лабораторная работа №8 Изучение конструкций и исследование параметров магнитогидродинамических электростанций
|
|
|
|
Цель работы:
Познакомить студентов с технологическим оборудованием современных магнитогидродинамических электростанций. Изучить их технологическую схему, конструктивные особенности. Дать информацию о схемах и принципе действия магнитогидрогенератора.
1 Теоретические сведения
Магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы) относятся к прямым преобразователям тепловой энергии (в общем случае, движущегося рабочего тела) в электрическую, т. е. они позволяют миновать промежуточную стадию превращения тепла в механическую работу. Это, как нетрудно себе представить, дает возможность прежде всего уменьшить различные потери при использовании подведенной энергии и тем самым повысить к. п. д. установки по сравнению с классическим тепловым агрегатом: котел — турбина — генератор.
Принцип действия МГД-генератора основан на использовании закона Фарадея об электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущимся в магнитном поле, индуцируется ЭДС. В качестве проводника (рабочего тела) в МГД-генераторе может быть использован нагретый до температуры 2500—3000 °С ионизированный газ (плазма). В качестве основы плазмы могут также применяться газовые продукты сгорания органических топлив.
В простейшем случае МГД-генератор состоит из постоянного магнита 1 (рис. 1), поле которого пересекает канал прямоугольного сечения 4. Верхняя и нижняя стенки канала являются электродами, соприкасающимися своими внутренними сторонами с движущейся по каналу со скоростью около 1000 м/с плазмой 2. Боковые стенки, расположенные перпендикулярно магнитному полю 3, служат электрическими изоляторами. К электродам подключается внешняя нагрузка 5.
|
|
|
В результате пересечения потоком плазмы магнитного поля между электродами возникает ЭДС, которая пропорциональна скорости плазмы, магнитной индукции и длине проводника, т. е. ширине (высоте) струи плазмы. Присоединенная к электродам нагрузка вместе с токопроводящей плазмой образует замкнутую цепь, по которой протекает постоянный ток, преобразуемый при надобности в переменный промышленной частоты. В реальном МГД-генераторе плазма подается в канал через сопло, в котором ее тепловая энергия преобразуется в кинетическую, а самому каналу придается форма диффузора или он завершается им.
Электропроводность плазмы в значительной степени определяет эффективность и конструкцию МГД-генератора.
Чем выше электропроводимость, тем лучшими техническими и экономическими показателями обладают МГД-генераторы.
Однако электропроводность плазмы примерно пропорциональна ее температуре в четырнадцатой степени. В силу ряда причин повышать температуру плазмы пока можно лишь до известного предела. Поэтому в целях дальнейшего увеличения электропроводности в плазму добавляют пары легко ионизирующихся
Рис. 1 - Принципиальная схема МГД-генератора
щелочных металлов (присадку). Так, в поток продуктов сгорания органических топлив добавляют калий, кальций, натрий, а к инертным газам — гелию, неону или аргону — более дорогой металл — цезий, обладающий наименьшим потенциалом ионизации. Однако присадка должна быть по возможности дешевой, технологичной, не должна оказывать вредного воздействия на окружающую среду и элементы конструкции МГД-генератора.
Необходимое для работы МГД-генератора сильное магнитное поле создается электромагнитом, по обмоткам которого пропускаются огромные токи. Во избежание перегрева обмоток и потерь энергии в них сопротивление проводников должно быть очень незначительным, поэтому ведутся интенсивные работы по использованию для них сверхпроводящих материалов.
|
|
|
Электропроводность плазмы быстро убывает по мере снижения ее температуры при прохождении по каналу, вместе с этим уменьшается и магнитогидродинамическое взаимодействие плазмы с магнитным полем. Этим определяется необходимость ограничения минимальной температуры выходящих из канала отработавших газов, что неизбежно приводит к потере энергии.
Для эффективного использования энергии уходящих из МГД-генератора газов целесообразно использовать его совместно с паротурбинной или парогазовой установками. В этом случае за счет повышения начальной температуры пара повышается термический к. п. д. ТЭС и при добавлении ее мощности к мощности МГД-генератора получают к. п. д. комбинированной электростанции до 50—60 %. На таких электростанциях по экономическим и санитарным соображениям предусматривается очистка выходящих из МГД-генератора отработавших газов от ионизирующей присадки.
Претворение принципа действия рассмотренного МГД-генератора в реальную установку требует применения огнеупорных, жаростойких и термостойких материалов. К таким материалам относятся керамика, нитриды, карбиды, окислы металлов, некоторые чистые металлы (вольфрам, тантал, ниобий, молибден и др. ). Однако, несмотря на достигнутые успехи, задача создания необходимых материалов для МГД-генератора полностью еще не решена.
По принципу использования в качестве рабочего тела (теплоносителя) различных веществ МГД-генераторы могут быть выполнены по двум основным схемам (циклам) — открытой и закрытой (замкнутой).
В открытой схеме отработавшие газы выбрасываются в атмосферу. Поэтому плазма в такой схеме должна быть дешевая, а выбрасываемые в атмосферу газы нетоксичные. Это достигается путем сжигания органического топлива в воздухе, предварительно подогретом и обогащенном кислородом, и очистки выходящих газов от ионизирующих присадок.
На рис. 2 представлена схема такой комбинированной установки. В ней в качестве топлива используется природный газ, плазма образуется из продуктов его сгорания, обогащенных для повышения электропроводности окислами цезия. Для повышения начальной температуры продуктов сгорания до 2500— 2600 °С с помощью компрессора в камеру сгорания подается воздух, обогащенный кислородом и подогретый регенеративным подогревателем до 1000—1200 °С.
|
|
|
Отработавшие в МГД-генераторе газы с температурой 1800—2000 °С служат как для подогрева воздуха, так и для выработки электроэнергии в паротурбинной части комбинированной установки. В ней примерно до 40 % мощности получается в МГД-генераторе, а 60 % — в паротурбинной установке. При суммарной мощности более 50 МВт общий к. п. д. такой установки может составить 55—60 %.
Большинство спроектированных и действующих в настоящее время МГД-установок (электростанций) открытого цикла работает на газомазутном топливе при к. п. д., достигающем 50 %, что в 1, 25 раза выше к. п. д. тепловой электростанции обычного типа. Расход топлива на ту же электрическую мощность в этом случае на 20 % меньше, а тепловое загрязнение окружающей среды в 1, 5 раза меньше, чем для обычной ТЭС. Этим во многом объясняется то, что электростанции с МГД-генераторами, выполненные по открытой схеме, представляются наиболее перспективными на ближайшее время.
В Советском Союзе в 1971 г. была введена в эксплуатацию опытно-промышленная МГД-установка У-25, выполненная по открытой схеме и разработанная в Институте высоких температур АН СССР. В 1975 г. на этой установке была достигнута проектная мощность (20, 4 МВт), а проведенные позднее на ней исследования значительно продвинули вперед проблему создания МГД-генератора. Аналогичные установки исследуются и за рубежом.
Достигнутые успехи позволили начать разработку более мощной МГД-установки. Такая установка включающая в себя МГД-генератор мощностью 250 МВт и паротурбинный блок мощностью 300 МВт, внедрена на Рязанской ГРЭС. В качестве основного топлива используется природный газ. По закрытой схеме осуществляется замкнутая циркуляция газового теплоносителя и его потери практически отсутствуют. В качестве теплоносителя используются газы (гелий, неон, аргон) или пары металлов. Поскольку эти газы обладают электропроводностью, значительно большей, чем продукты сгорания органического топлива, нужный уровень электропроводности можно достичь при относительно низких температурах.
|
|
|
Кроме МГД-генераторов, работающих на газообразном, жидком и твердом органическом топливе, ведутся исследования ядерного горючего. На рис. 3 представлена тепловая схема комбинированной установки на ядерном горючем, в которой в качестве теплоносителя МГД-генератора используется гелий, обогащенный цезием.
Рис. 2 - Схема МГД-установки открытого типа
1 — камера сгорания; 2 —рабочий канал МГД-генератора; 3 —электромагнит; 4 —регенеративный подогреватель; 5 — парогенератор; 6 — пароперегреватель; 7 — промежуточный пароперегреватель; 8 — компрессор; 9—11 — турбины соответственно низкого, высокого и среднего давления; 12 — генератор; 13 — конденсатор; 14, 17 — конденсатный и питательный насосы; 15, 18 — подогреватели соответственно низкого и высокого давления; 16 — деаэратор; 19 — преобразователь постоянного тока в переменный; 20 — охладитель.
Из канала МГД-генератора отработавшие газы поступают в подогреватель цезия, а затем в подогреватель гелия. Далее газы направляются в подогреватель питательной воды котла паросиловой части установки, после чего в холодильник цезия для его конденсации. Жидкий цезий из холодильника подается через фильтр с помощью электромагнитного насоса в подогреватель. Очищенный от цезия гелий направляется в компрессор и с помощью его — в подогреватель. Таким образом осуществляется замкнутый контур циркуляции теплоносителя. Воздух в камеру сгорания топлива через воздухоподогреватель подается воздуходувкой. В камере сгорания устанавливается радиационный пароперегреватель паросиловой части установки, состоящий из подогревателей питательной воды, испарительных поверхностей нагрева, размещенных в канале МГД-генератора, радиационного пароперегревателя, турбогенератора с системой регенеративных подогревателей питательной воды и питательных насосов. Начальные параметры пара 23, 6 МПа, 560 °С.
Расчетный к. п. д. всей установки при соответствующей температуре гелиево-цезиевой смеси на входе в МГД-генератор и на выходе из него может превышать 55 %.
Предложена схема МГД-генератора с камерным реактором (рис. 4).
Рис. 3 - Схема МГД-установки закрытого типа с ядерным реактором и гелием
1 — реактор; 2 — рабочий канал МГД-генератора; 3 — электромагнит; 4 — регенеративный подогреватель; 5 — парогенератор; 6 — пароперегреватель; 7 — компрессор; 8 — паровая турбина; 9 — генератор; 10 — конденсатор; 11, 13— конденсатный и питательный насосы; 12 — деаэратор; 14 — отделитель цезия; 15 — линия регенерации цезия; I6 — преобразователь постоянного тока в переменный; 17 — охладитель.
|
|
|
Принцип действия такой установки сводится к следующему. Смесь гелия и радиоактивного урана под давлением 12, 2 МПа подается в камеру реактора. Там происходит разогрев плазмы до температуры 5500 °С, которая далее используется по обычной схеме МГД-генератора. Предполагается, что мощность такого МГД-генератора может достичь 10000 МВт при таких же массе и габаритах, как и паротурбинной установки мощностью 100 МВт.
Рис. 4 - Принципиальная схема МГД-генератора с камерным реактором
1 — камера сгорания; 2 — замедлитель; 3— сопло; 4 — электроды, отводящие ток; 5 — электромагнит.
Представляет интерес использование высоких электропроводных свойств жидких металлов (электропроводность их выше, чем ионизированных газов, примерно в 106 раз). Рассматривается возможность использовать эти свойства на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах. Есть ряд других схем МГД-генераторов, которые интенсивно прорабатываются как в России, так и за рубежом.
2 Порядок выполнения работы
1. Изучить схему МГД-установки открытого типа.
2. Познакомиться с принципиальной схемой МГД-генератора.
3. Познакомиться со схемой МГД-установки закрытого типа с ядерным реактором и гелием.
4. Изучить принципиальную схему МГД-генератора с камерным реактором.
5. Составить отчет по лабораторной работе.
3 Содержание отчета
1. Отчет должен содержать краткое описание изучаемого технологического оборудования и установок.
2. Описания работы технологических установок и схем.
3. Чертежи технологических схем и оборудования.
|
|
|
