ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 425, № 4, с. 484-486
= ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.362:537.84
АЛЮМОВОДОРОДНЫЕ МГД-ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
© 2009 г. Академик А. Е. Шейндлин, В. А. Битюрин, А. 3. Жук, В. И. Залкинд, П. П. Иванов, В. И. Мирошниченко
Поступило 20.10.2008 г.
Физико-технические принципы и технологические основы крупномасштабного производства электроэнергии с помощью магнитогидродинами-ческого (МГД) метода преобразования тепловой энергии высокотемпературного потока газообразного рабочего тела разработаны в ходе интенсивных комплексных исследований, проведенных в 1960-1980-е годы в ведущих индустриальных державах мира. В Советском Союзе одной из наиболее успешных была программа исследования и разработки МГД-генераторов на продуктах сгорания ископаемых топлив для базовой энергетики [1, 2] и всех сопутствующих систем возможных электростанций, работающих по циклам, часто теперь называемым циклами парогазовых установок, где вместо МГД-генератора используется газовая турбина. Эти работы проводились в основном в Институте высоких температур АН, где была создана серия экспериментальных комплексных энергетических МГД-установок (У-02, У-25, У-25Б), на которых экспериментально продемонстрирована работа МГД-генератора с пиковой мощностью ~20 МВт, в номинальном режиме на мощности до 10 МВт в течение до 1 ч и в стационарном режиме до 10 сут, что позволило приступить к созданию промышленной МГД-элек-тростанции мощностью 500 МВт. Успешной была и программа создания короткоимпульсных МГД-генераторов на продуктах сгорания адаптированных твердых ракетных топлив [3].
Основная проблема МГД-метода производства электроэнергии на продуктах сгорания ископаемых топлив состоит в обеспечении приемлемого уровня электропроводности рабочего тела, которая для продуктов сгорания даже при использовании легко ионизируемой присадки не превышала 10 См/м. Плотность мощности, как известно, пропорциональна электропроводности а, квадрату скорости потока и и квадрату индукции внешнего магнитного поля В:
N -а и2 В2, (1)
Объединенный институт высоких температур Российской Академии наук, Москва
при этом максимум комплекса аи2 при заданной энтальпии рабочего тела достигается при числах Маха М ~ 1 и, следовательно, единственный шанс компенсации низкого уровня электропроводности состоит тогда в увеличении индукции магнитного поля, что, во-первых, наталкивается на серьезные технологические проблемы использования крупномасштабных сверхпроводящих систем и, во-вторых, нежелательно по чисто физическим причинам из-за необходимости ограничить эффект Холла. Представляется, что перспектива практического внедрения МГД-метода в энергетику в значительной степени зависит от достижимости ключевых характеристк рабочего тела, в первую очередь, от уровня электропроводности при минимально возможной молекулярной массе.
В этой связи большой интерес представляет водород, который рассматривается в настоящее время как энергетическое топливо будущего. Одним из возможных вариантов производства рабочего тела для МГД-генераторов является реакция окисления алюминия водой и/или паром с выходом высокотемпературного водорода:
2А1 + 3(Н20)пар ^ (А120з)конд + 3Н2 +
+ 17598 кДж/ кг А1, (2)
2А1 + 3( Н20 ) жид ^ ( А1203 )конд + 3Н2 +
+ 15152 кДж/кг А1. (2')
Для условий применения продуктов этой реакции в качестве рабочего тела МГД-генератора электропроводность (с 2%-ной присадкой калия) в несколько раз превышает уровень проводимости продуктов сгорания ископаемых топлив (рис. 1), что позволяет значительно понизить требования к магнитной системе. Дополнительные и весьма существенные преимущества могут быть обеспечены удалением конденсированной фазы (жидкого корунда) из потока рабочего тела перед разгонным соплом МГД-генератора. Оценка характеристик МГД-генератора для этого последнего случая дает значение коэффициента преобразования полной энтальпии потока в электрическую
АЛЮМОВОДОРОДНЫЕ МГД-ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
485
а, См/м
45 г
N
N0
-, 0.0004
0.0003
- 0.0002
^ 0.0001
1.3 1.4
Н2О/Н2О стех
Рис. 1. Зависимость электропроводимости а и мольной доли от избытка отношения Н2О/Н2Остех при Т = 3320 К и р = 8 атм.
мощность в диапазоне от 20 до 35% при использовании магнита со сравнительно малой индукцией от 2 до 3 Тл соответственно.
Столь высокие характеристики МГД-гене-ратора (отметим, что в проекте первой промышленной МГДЭС-500 расчетный уровень коэффициента полной энтальпии составлял около 25%) позволяет реализовывать высокоэффективные тепловые циклы энергоустановок на базе алюмоводородного реактора как первичного энергоисточника и МГД-генерато-ра как высокотемпературной надстройки. Простейший вариант теплового цикла представлен на рис. 2. Данная кофигурация может быть использована в качестве аварийной энергоустановки с временем работы до 30 мин.
Основные требования к форсированию энергоблоков и подключению специальных энергоустановок, которые должны применяться при ликвидации аварий на ТЭС и системных аварий в региональных энергосистемах, изложены в документе РАО ЕЭС [4]. Согласно выработанным требованиям, при восстановлении частоты сети, как правило, требуется форсирование мощности работающих энергоблоков и подключение дополнительных (аварийных) энергоустановок с увеличением суммарной мощности на величину до 12.5%. При характерных аварийных ситуациях в энергосистемах необходимая длительность такого увеличения мощности составляет 1520 мин.
Следует также отметить, что, согласно требованиям по весьма быстрому набору мощности, до 50% от необходимой дополнительной мощности должны достигаться в течение 10 с и 100% от 30 с до 2 мин. Это весьма жесткие временные рамки для "раскрутки" любых энергоагрегатов с вращающимися или движущимися элементами (ГТУ, дизельные и др.).
Отметим, что в Объединенном институте высоких температур РАН разработан способ получения водорода при взаимодействии с водой (паром) околокритических параметров частиц мелкодисперсного алюминия [5]. В частности, создана экспериментальная установка (^т ~ 60-70 кВт) гидротермального окисления алюминия ("Бемит") и отработана технология производства водорода, тепловой энергии и нанокристаллического гид-роксида алюминия.
Таким образом, использование алюминия в качестве первичного энергоносителя с последующим получением высокотемпературного водорода в реакциях гидротермального окисления позволяет построить высоэффективные теплосиловые циклы с МГД-генератором с реальной перспективой использования их в составе аварийных или остропиковых энергоустановок. Дальнейшая оптимизация циклов путем, например, включения внутренней регенерации тепла конденсированно-
=
Рис. 2. Принципиальная схема аварийной МГД-установки. ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 425 № 4 2009
486
ШЕЙНДЛИН и др.
го корунда А12О3 и (по крайней мере) частичной регенерации исходного алюминия может, по-видимому, значительно расширить область практического применения алюмоводородных МГД-блоков в базовой энергетике.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. МГД-генераторы открытого цикла / Под ред.
М. Петрика, Б.Я. Шумяцкого. М.: Наука, 1979.
583 с.
2. Магнитогидродинамическое преобразование энергии. Физико-технические аспекты / Под ред. В.А. Кириллина, А.Е. Шейндлина. М.: Наука, 1983. 367 с.
3. Бреев ВВ., Губарев A.B., Панченко В.П. Сверхзвуковые МГД-генераторы. М.: Энергоатомиздат, 1988. 239 с.
4. Стандарт СО-ЦДУ ЕЭС 001-2005. Нормы участия энергоблоков ТЭС в нормированном первичном и автоматическом вторичном регулировании частоты.
5. Алюмоводородная энергетика / Под ред. А.Е. Шейндлина. М.: ОИВТ РАН, 2007. 277 с.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 425 < 4 2009
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.