磁流体发电-蒸气联合循环的总效率可达50%~60%,而当前燃煤电站的发电效率最高仅36%,相对我国燃煤电站平均仅为29%来说,无疑将是一个重大革新性进展。近年来,使用干净燃料(油、气)的燃气-蒸气联合循环取得了最高效率近50%的良好进展。各种燃煤的燃气-蒸气联合循环也在积极进行试验,期望能达到40%~70%的热效率。磁流体发电可用控制燃烧的方法来有效地控制NOx的产生,作为添加剂所用的钾盐可有效地脱硫,所以磁流体发电伺时又是一低污染燃煤发电的良好方法。有关资料表明,燃煤磁流体发电的SO2与NOx的排放量低于标准要求3—7倍,而烟尘排放量也明显低于标准。
作为一种高技术,磁流体发电推动着工程电磁流体力学这门新兴学科和高温燃烧、氧化剂预热、高温材料、超导磁体、大功率变流技术、高温诊断和降低工业动力装置有害排放物的先进方法等一系列新技术的发展。这些科学成果和技术成就可以得到其他方面的应用,并有着美好的发展前景。
综上所述,从高效率、低污染、高技术的考虑,使得磁流体发电从其原理性实验成功开始,就迅速得到了全世界的重视,许多国家都给予了持续稳定的支持。
各国的政策与各自的一次能源和电力发展的情况有着紧密的联系。按照1988~2050年我国电力发展的估计和我国发电能源构成的情况,可以明显看出,我国的特点是:第一,从当前直至2050年,我国燃煤发电量将占全国总电量的75%左右,是世界各国中比重最高的。第二,我国属于电力超速发展的国家,当前电站总装机容量的增长已达每年1300万千瓦,2000~2020年间将达2000万千瓦,2020~2050年间估计将达3000万~4000万千瓦,主要靠煤电解决。第三,我国的煤电技术落后,当前全国燃煤电站平均效率为29%,比发达国家低3.5%~7%。这些特点决定着我国必须对燃煤磁流体发电给予特别的重视。
世界磁流体发电技术的开发研究阶段取得重大进展
1959年美国首次磁流体发电原理实验成功后,立即引起了全世界的注意。前苏联、美、日等国在20世纪60年代初开始组织研究队伍,投入可观的经费,积极认真地开展了实验室的研究发展工作,至20世纪80年代初取得了多方面的显著进展。表中列出了按时间顺序有代表性的重大进展情况。
前苏联科学院高温所是磁流体发电研究与开展的主要单位,在世界磁流体发电研究发展中也有着重要地位。工作由1962年开始,至20世纪80年代初先后建成了Y-02、Y-25与Y-25.6三个装置,进行了大量试验。
表20世纪50年代未至80年代初开环磁流体发电的重大进展年份内容实验室国别1959Ar-K磁流体发电首次成功AVCO美国1960燃烧产物磁流体发电首次成功Westinghouse美国1962首次提出斜连接发电通道概念法国1963水冷组块型绝缘壁长时间试验AVCO美国1965短时间(≈1分)3.2万千瓦发电成功AVCOMKV美国1966短时间(≈1分)1.8万千瓦发电成功AEDCLORHO美国1971U-25装置建成高温所前苏联1975U-25发电2.04万千瓦,≈1小时成功高温所前苏联1975具有4.2万高斯超志磁体在2.5万千瓦(热输入)下发电482千瓦,3小时ETLMKV日本1977U-25发电1.17万千瓦,持续250小时高温所前苏联19782.0万千瓦(热),发电500千瓦持续时间250小时AVCOMKVI美国19795万高斯鞍形超导磁体,3万千瓦(热),发电1500千瓦,10小时高温所U-25B美苏合作1980CDIF装置建成上游基地美国1981CFFF装置建成UTSI美国19811.5万千瓦(热)100千瓦连续430小时,电量40800千瓦小时ETLMKVI.II日本19822万千瓦(热),发电55千瓦,1000小时HVCOMKV.II美国1982白金护帽电极试验1300小时AVCO美国1980HDDE装置,燃甲烷+富氧,3.55万千瓦,10秒AEDC美国除高温所外,前苏联科学院动力所,乌克兰科学院节能所等单位也开展了一定规模的研究发展工作。
日本的磁流体发电研究开始于20世纪60年代初期,自1966年开始就由通产省支持实施了国家磁流体发电研究计划,由工业技术院的电子技术综合研究所负责。1966~1975年为第一阶段,总投资64亿日元,先后建立了6个实验装置(MarkI-MarkⅥ)进行了长期试验。一些试验装置的参数与性能见下表。
美国,是磁流体发电研究的发源地。20世纪60年代以发展军用短时间发电为主,研制成电功率为3.2万千瓦,工作时间约1分钟的机组,证实了大功率发电可行性。在油氧燃烧的长时间发电方面,阿芙柯实验室进行了长期、有成效的研究发展工作,先后建成了MKⅠ,MKⅡ,MKⅤ,MKⅥ,MKⅦ,LDTE,VIKING装置。1977年美国能源部将磁流体发电列为主要国家工艺计划之一,该计划支持建立两个主试验装置,即位于蒙大拿州的部件发展与集成上游试验装置CDIF及位于田纳西州的燃煤流动下游试验装置CFFF。
CDIF装置是美国磁流体发电的上游主试验装置,占地约300亩(20万米2),由MSE公司负责运行。装置于1976年开始建造,1980年建成,建造费5000万美元(1976年价),其中3200万美元用于土建及水、气系统;装置的热输入功率为5万千瓦。装置于1981年开始了油加灰燃烧试验,1985年开始了燃烧试验,发出约0.15万千瓦的电功率。1981—1987年的年运行经费约为900万美元。
表日本工业技术院磁流体发电计划试验装置的参数与性能参数名称热输入(MW)流量(kg/s)电输出(kW)发电时间磁场(T)备注ETLMARKI1.20.14210分2.2基础研究ETLMARKII25311801分3.5有1320℃空气预热器ETLMARKIII3.60.35~0.452140分1.9最长连续运行200小时ETLMARKIV20.190.0251分2世界首次用超导磁体的实验ETLMARKV2534823小时4.5具有超导磁体与液化器ETLMARKVI2.50.341合计470小时1.9有空气预热器及种子回收装置ETLMARKVII152100合计430小时2.5通道寿命显示CFFF装置是美国能源部投资的磁流体发电下游主试验装置,该所于1965年开始就从事燃煤磁流体发电研究,装置于1976年开始建造,1981年完成,投资1880万美元(1980年价)。热输入功率2.8万千瓦,有4.6吨/时的完善的煤粉制备与供应系统,不排渣燃烧室,油、水、气与液氧供应系统,可以连续运行250小时以上。总占地约14000米2,总建筑面积约为4000米2。为进行研究,装置配备了良好的气体分析(NO/NOx,SO2,O2,N2,H2,CO2,CO,CH4)及NOx、SO2、CO环境监测和数据处理系统,还有电子显微镜、化学与样品准备三个服务实验室。整个实验室有工作人员约130人,1976—1987年总经费由能源部提供约6000万美元(平均约500万美元/年)。
总的来说,经过20年的持续努力,进展是十分显著与可喜的,主要表现在:第一,在多个实验室内已达到最高发电万千瓦、持续时间最长几百小时的良好结果。第二,建成了Y-25,CDIF,CFFF三个大型试验基地,积累了一定的工程经验。第三,在各主要国家中均锻炼形成了具有相当经验的研制队伍。在这样的条件下,整个磁流体发电界带着各种建造试验电站的计划进入了80年代。
80年代世界上着重研制试验电站
在实验室研究发展取得前述重大进展基础上,大家比较一致地认识到,下一阶段主要任务应是研制与建造试验电站,进而可以期望在本世纪初实现商业化。20世纪80年代初,各主要国家都提出了自己的计划。
走在最前面的是前苏联,国家在20世纪80年代初就批准了设计、研制、建造梁赞电站的Y-装置计划。Y-500的技术经济方案比较工作开始于1978年,至1988年对Y-500的建设进行了重新审议决定:
暂缓磁流体发电部分的工程建设;完善Y-25装置(Y-25M),继续进行有关研究;加强超导磁体与电极材料的技术研究。
在Y-500装置暂缓建设后,1987年高温所在前苏联科学院支持下,决定充分利用已有工程系统,将Y-25装置改成完整的工作试验电站,称Y-25M,为梁赞电站的继续建造打下可靠基础。
美国于1984年提出,决定在建造试验电站以前,充分利用已有条件,进行集成分系统的长时间试验,1987年批准了POC(Proof-of-Concept)概念经验计划。其目的是为企业界推进磁流体工艺向商业化发展做出判断经济与技术效益和风险所需的工程数据。该计划于1987年开始执行,预期1993年完成,年经费为3500—4000万美元,参加工作的人员有300多人,取得了良好进展。目前两种煤4000小时的下游试验已接近完成,上游累计1000小时的试验说明:
3.1985年8月开始燃煤发电试验。装备已到现场,开始了试验,1994年初完成。
日本在进行国家第二阶段磁流体发电计划同时,还进行了电站系统研究和拟定进一步计划,提出了建造连续运行的、磁流体-蒸气联合发电的MarkⅦ试验机组,它有超导磁体,各种空气预热器和锅炉。工业技术院1984—1988年共投资4亿日元转入支持小规模的燃煤磁流体发电基础研究。而文部省仍然继续支持有关大学的研究,一些企业与电力部门,仍给予一定支持,使全日本的研究发展工作仍以年总经费2—3百万美元、30—40名工作人员的规模持续进行,工作重心转为东京工业大学的闭环磁流体研究,几年来也做出了优异的成绩。
总起来说,20世纪80年代以来,全世界的磁流体发电界都在积极推进试验电站计划,向产业化的方向迈进。实际上遇到的困难比设想的大,这是因为试验电站的建设与产业化需要得到电力部门的有力支持,而电力部门由于其电力生产的严格要求对此采取了比较谨慎的态度,主要的担心是从一次能源看,应考虑燃煤发电,而实验室的研究工作用天然气和油的较多,直接燃煤的还不够多,另一方面感到对部件与系统的长时间考验还不够。前苏联采用燃天然气,企图先冲上去,没有能够成功。美国则安排了燃煤的长时间试验工作,作为设计、研制试验电站的可靠准备,却取得了稳步的进展。这十年的经验与教训是值得重视的。
世界磁流体发电产业化展望
表MHD商业化框架(摘自1992年10月美国能源部发表的资料)序号商用化参数常规煤电站(基线)MHD0C后之技术水平第一个集成示范下一个示范系列进入市场商业化突破商业化成熟先进系统1市场对象公用事业-示范示范基本/中间负荷基本负荷基本负荷基本负荷2时间轮廓(年)现有技术-19982000~20052005~20101010~10202020~20302030以后3配置方式独立-改造/独立改造/独立独立独立独立独立4电站规模MWe100~1000270200300500300~1000300~10005性能效率(%)部件寿命(年)利用率(%)374085--33~40258537~42408540~45408545~50408555~58408555~6240856单位造价(美元/千瓦)每年投入台数1400~2000已商业化--4000~5000120001~217002140051400大于51250~14大于57加工制造基础已经成熟单件单件有限量生产成熟成熟成熟成熟*只有MHD上游,无下游循环。
日本在坚持开环研究的同时,正在积极争取批准富士-2(Fuji-2)闭环磁流体发电装置的计划。该装置考虑前期暂做缓冲式试验,在10万千瓦热输入功率下,发出3万千瓦的磁流体发电功率,持续时间1分钟。然后转入闭环磁流体发电长期运行,在热输入功率1万千瓦下,发电0.2万千瓦,持续100小时,在富士-2计划成功实现的基础上,可在本世纪初建造试验电站,进而在2020~2030年间实现产业化。应该说明,日本的已有工作基础和产业实力,在美国示范电站成功基础上,也能迅速组织起来,在2010~2020年间实现开环磁流体发电的商用电站。
总起来说,当前估计,世界上第一个商用磁流体发电站将在本世纪前期出现,该技术将成为本世纪前、中期燃煤电站新建与改造的重要的高效、低污染方法。