Магнитогидродинамический генератор - устройство для преобразования кинетической энергии жидкой или электропроводящей среды, движущейся в магнитном поле, в электрическую энергию.

Основан на явлении электромагнитной индукции, т. е. возникновении тока в проводнике, пересекающем магнитные силовые линии; в качестве движущегося в магнитном поле проводника используется плазма или проводящая жидкость (электролиты и жидкие металлы). На возможность использования проводящих жидкостей, движущихся в магнитном поле, для генерации электрических токов указал ещё физик М. Фарадей в 1831. Однако предпринятые им же попытки экспериментально проверить эту идею были безуспешны. Основные принципы устройства современных Магнитогидродинамических генераторах были сформулированы в 1907 – 22 гг., однако практическая реализация их оказалась возможной только в конце. 50-х гг. в связи с развитием магнитной гидродинамики, физики плазмы и т. д.

Основной принцип устройства магнитогидродинамического генератора состоит с следуюшем. По каналу, например, прямоугольного сечения вдоль оси Оx пропускается электропроводная жидкость со скоростью U в магнитном поле B, направленном вдоль оси Oz, перпендикулярной плоскости чертежа (рис.1). Тогда, в силу обобщенного закона Ома, перпендикулярно скорости течения и магнитному полю вдоль оси Oy потечет электрический ток. Если бы стенки канала 1,2 были диэлектриками, то возникло бы электрическое поле Е, которое привело бы к запиранию тока. Однако если 1,2 являются электродами, то по показанной на рис.1 замкнутой электрической цепи потечет ток, который может быть измерен амперметром А. На таком принципе и устроены магнитогидродинамические генераторы. При этом массовая сила в уравнении движения направлена противоположно скорости и будет тормозить поток.

Магнитогидродинамический генератор состоит (рис.2) из генератора (нагревателя, источника) рабочего тела, в котором рабочее тело нагревается до необходимой температуры (твердое топливо переходит в газ и ионизуется) и разгоняется до требуемых скоростей; МГД-канала, в котором движется рабочее тело (плазма или проводящая жидкость) и происходит отвод генерируемой электроэнергии контактным (с помощью электродов) или индукционным (вторичные обмотки) способами; магнитной системы, в магнитном поле которой происходит пондеромоторное торможение рабочего тела.

По типу используемого рабочего тела магнитогидродинамические генераторы подразделяются на плазменные и жидкометаллические. В плазменных магнитогидродинамических генераторах может использоваться равновесная или неравновесная плазма. Системы с магнитогидродинамическим генератором могут работать по открытому и замкнутому циклам. В первом случае использованные газы выбрасываются в атмосферу. В магнитогидродинамических генераторах замкнутого цикла рабочее тело, пройдя магнитогидродинамический генератор, возвращается в МГД-канал через компрессор или насос. Как и в любом генераторе, основанном на принципе электромагнитной индукции, в проводящем потоке (с электропроводностью а), движущемся в МГД-канале магнитогидродинамический генератор со скоростью v поперёк магнитного поля В, возникает индукционное поле напряжённостью E=vXB. Под действием этого поля в объёме потока и во внеш. цепи возбуждается электрический ток. Взаимодействие генерируемого тока с магнитным полем приводит к появлению тормозящей пондеромоторной силы, работа которой на длине канала магнитогидродинамического генератора определяет удельную мощность и эффективность магнитогидродинамического генератора. Она тратится на работу во внешней цепи, на джоулев нагрев рабочего тела и на работу, связанную с токами утечки. Для жидкометаллического магнитогидродинамического генератора существенной проблемой при получении больших мощностей является разгон рабочего тела до высоких скоростей. В современных схемах разгона парогазовой смеси с конденсацией перед МГД-каналом происходят большие потери кинетической энергии, а при работе с гетерогенным парогазовым рабочим телом – потери электропроводности. Эти потери и ряд других эффектов ограничивают КПД жидкометаллического магнитогидродинамического генератора величинами равны 3–6%; агрегатные мощности магнитогидродинамического генератора – около 0,5–1,0 МВт. Значительно более высокие показатели имеют плазменные магнитогидродинамические генераторы. Во-первых, в них рабочее тело можно разгонять до больших скоростей (2000–2500 м/с), во-вторых, введение в газы небольших количеств легко ионизующихся добавок (например, паров щелочных металлов К, Cs) позволило снизить температуру ионизации и получить приемлемые электропроводности плазмы уже при температурах 2300–3000 К и атмосферных давлениях. Использование перегрева электронной компоненты плазмы относительно ионной и атомный компонент также значительно увеличивает электропроводность такой неравновесной плазмы. При типичных значениях магнитной индукции В = 3Т можно получать КПД плазменных магнитогидродинамических генераторов до 20%, а мощность с единицы объёма рабочего тела равной 10³ МВт/м³. При использовании плазмы в качестве рабочего тела нужно учитывать особенности работы магнитогидродинамического генератора, связанные с плазменными эффектами и сжимаемостью газа. Так, в сильных магнитных полях или в разреженном газе, когда частота соударений электронов уменьшается и становится сравнимой с циклотронной частотой вращения электронов, они успевают за время между соударениями пройти заметную дугу по ларморовской окружности. Благодаря этому направление тока в плазме не совпадает с направлением напряжённости электрического поля (Холла эффект).

Это приводит к возникновению дополнительного электрического поля, т. н. поля Холла, направленного навстречу потоку газа. В результате а уменьшается в направлении индуцированного поля и становится анизотропной. Для уменьшения вредных последствий эффекта Холла предпочтительны режимы работы с давлениями, близкими атмосферным. Кроме того, можно разделить электроды на секции (чтобы уменьшить циркуляцию тока вдоль канала), причём каждая пара электродов должна иметь свою нагрузку (рис.3а), что усложняет конструкцию магнитогидродинамического генератора. Если же в идеально секционированном канале электроды коротко замкнуты (рис.3б, 3в), то поле Холла значительно больше индукционного и этот эффект используется для получения высоких (10–20 кВ) напряжений. Сжимаемость газа приводит к появлению градиентов давления и температуры вдоль канала. Эти эффекты частично компенсируют расширением проточной части канала. Трение газа о стенки канала приводит к образованию холодных пограничных слоев, где теряется часть генерируемого напряжения; в результате трения может также происходить зажигание дуг, разрушающих электроды. При сильных пондеромоторных торможениях рабочего тела может произойти отрыв пограничного слоя и в потоке плазмы возникнут резкие возмущения, поток расслаивается, резко уменьшается индуцированное поле в выходных зонах, генерация срывается. Отсос пограничного слоя частично компенсирует этот эффект. В канале магнитогидродинамического генератора может возникать также ряд плазменных неустойчивостей, обусловленных локальными перегревами, неоднородностью ионизации и т. п.

 

Отсутствие движущихся деталей (основное преимущество магнитогидродинамических генераторов) и принципиально высокая рабочая температура позволяют создавать магнитогидродинамические генераторы с высокими КПД и большими агрегатными мощностями. В комбинированных ТЭС можно применять магнитогидродинамический генератор как высокотемпературные ступени перед обычными машинными генераторами, что должно повысить КПД станции в целом на 10–15%. Быстрота выхода на режим позволяет на базе магнитогидродинамических генераторов создавать пиковые и аварийные электростанции, а также мощные импульсные МГД-установки. Используя принцип самовозбуждения магнитной системы, можно создавать автономные импульсные МГД-установки. Малое количество вредных примесей в выхлопных газах магнитогидродинамических генераторов, работающих на природных ископаемых топливах, обеспечивает лучшие условия защиты окружающей среды от теплового и химического загрязнений. Созданы экспериментальные МГД-генераторы, генерирующие до 10–20 МВт в течение сотен часов. В народном хозяйстве используются мощные импульсные магнитогидродинамические генераторы открытого цикла, работающие на продуктах сгорания специальных твёрдых топлив. Разработаны МГД-установки для прогнозирования землетрясений методом периодических глубинных зондирований земной коры, для геофизических нефтепоисковых работ и т. д.

Электростанции с магнитогидродинамическим генератором – это один из видов электростанций, для получения электроэнергии, в которых, используется МГД-генератор.

Практическая же, данная идея, была реализована лишь в конце 50-х годов прошлого века, когда удалось создать наиболее эффективные, в работе электростанции с магнитогидродинамическим генератором, рабочие тела.

Первая подобная электростанция была построена в 1959 году, в США. Первоначально мощность электростанций с магнитогидродинамическим генератором была невелика. Однако исследования и перспективные разработки не стояли на месте, и в настоящее время электростанции с магнитогидродинамическим генератором способны вырабатывать электроэнергию довольно большой мощности. К примеру, уже в конце 60-ых годов прошлого века, мощность электростанций такого типа достигала 32 МВт.

Первая электростанция с магнитогидродинамическим генератором была построена в СССР в 1965 году. Это был скорее пробный образец, на работе которого оттачивались технологии и проводились дополнительные исследования. Первой же действительно мощной электростанцией с магнитогидродинамическим генератором явилась, построенная в 1971 году установка, вырабатывавшая мощность в 25 МВт.

В настоящее время разработано несколько систем магнитогидродинамического генератора. Они могут строится по открытому или замкнутому принципу.

Магнитогидродинамические генераторы открытого цикла, работают по следующему принципу: рабочими телами являются продукты горения топлива. Отработанные газы, в этом случае, выбрасываются в атмосферу.

В генераторах замкнутого цикла, тепловая энергия, полученная в результате сгорания топлива, утилизируется в специальном теплообменнике.

Также, электростанции с магнитогидродинамическим генератором различаются по способу отвода электроэнергии. Это могут быть кондукционные или индукционные генераторы. В первом случае – генерируется постоянный или переменный ток, в во втором – исключительно переменный.

Основным преимуществом электростанций с магнитогидродинамическим генератором является полное отсутствие в нем движущихся деталей. Это позволяет значительно поднять КПД работы генератора. Вместе с турбоагрегатом, расположенном после магнитогидродинамического генератора, суммарный КПД, такой станции, может достигать 60%.

Кроме того, электростанции подобного типа позволяют вырабатывать электроэнергию значительной мощности, при использовании всего одного агрегата. К примеру, расчетная мощность современных электростанций с магнитогидродинамическим генератором достигает 1000 МВт.

Все эти качества делают электростанции с магнитогидродинамическим генератором довольно привлекательными для их использования в самых различных отраслях народного хозяйства. Кроме того, небольшие электростанции подобного типа вполне подойдут как источники резервного электроснабжения.

Существуют три основных направления возможного промышленного применения МГД-генератора: 1) ТЭС с Магнитогидродинамический генератор (рис. 1) на продуктах сгорания топлива (открытый цикл); эти установки наиболее просты по своему принципу и имеют ближайшую перспективу промышленного применения; 2) атомные электростанции с МГД-генератором на инертном газе, нагреваемом в ядерном реакторе (закрытый цикл); перспективность этого направления зависит от развития ядерных реакторов с температурой рабочего тела свыше 2000 K; 3) циклы с МГД-генератором на жидком металле, которые весьма перспективны для атомной энергетики и для специальных энергетических установок сравнительно небольшой мощности.

Созданная в СССР опытно-промышленная установка «У-25» — прототип ТЭС с МГД-генератором. Она работает на продуктах сгорания природного газа с добавкой K₂CO₃ в качестве ионизирующейся присадки, позволяющей при относительно невысоких температурах (около 3000 К) сделать продукты сгорания электропроводными. «У-25» имеет два контура: первичный, разомкнутый, в котором преобразование тепла продуктов сгорания в электрическую энергию происходит в МГД-генераторе, и вторичный, замкнутый — паросиловой контур, использующий тепло продуктов сгорания вне канала МГД-генератора.

Установка работает по следующей тепловой схеме. Атмосферный воздух, обогащенный кислородом, сжимается в компрессоре и подаётся в воздухоподогреватели, откуда воздушно-кислородная смесь, нагретая до нужной температуры, направляется в камеру сгорания. Перед камерой сгорания в воздушный поток впрыскивается водный раствор легкоионизирующейся присадки. Ионизированные продукты сгорания разгоняются в сопле и поступают в канал МГД-генератора. Канал МГД-генератора размещен в рабочем зазоре магнитной системы с индукцией 2 тл. Из канала МГД-генератора продукты сгорания поступают в парогенератор и отдают своё тепло паросиловому циклу, затем при температуре 420—450 K они направляются в систему удаления присадки и после очистки выбрасываются в атмосферу. Электрическое оборудование «У-25» состоит из МГД-генератора и инверторной установки, собранной на ртутных игнитронах. Устойчивость совместной работы МГД-генератора и многоэлементной инверторной установки обеспечивается системой автоматического регулирования. «У-25» обеспечена телеметрической системой управления и контроля.