磁流體發電廠是指通過磁流體發電技術進行發電的電廠。磁流體發電技術是一種新型的高效發電方式，由於無需經過機械轉換環節，所也稱之為直接發電，燃料利用效率顯著提高，用燃料（石油、天然氣、燃煤、核能）直接加熱成易於電離的氣體，使之在2000℃高溫下電離成導電的離子流，然後讓其在磁場中高速流動切割磁力線，產生感應電動勢即由熱能直接轉換成電能，這種技術也稱為電漿發電。
基本介紹
- 中文名：磁流體發電廠
- 外文名：Magnetic fluid power plant
- 套用：發電
- 學科：物理學
- 特點：效率高、污染小
- 類型：直線型和盤式型
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磁流體發電
磁流體發電技術是一種新型的高效發電方式，由於無需經過機械轉換環節，所也稱之為直接發電，燃料利用效率顯著提高，用燃料（石油、天然氣、燃煤、核能）直接加熱成易於電離的氣體，使之在2000℃高溫下電離成導電的離子流，然後讓其在磁場中高速流動切割磁力線，產生感應電動勢即由熱能直接轉換成電能，這種技術也稱為電漿發電。
為了磁流體的離子化橫切穿過磁場時，按電磁感應定律，電漿的正負粒子在磁場作用下分離，而聚集在與磁力線平等的兩個面上，由於電荷的聚集從而產生電。 本技術難點在於需要鉀、銫等微量鹼金屬的惰性氣體如氦、氬等作為工質，所以氣體大規模且可接受成本的氣體合成技術為一難關；另一方面，磁流體高溫陶瓷通道需長期在2000-3000K溫度工作，而電極在高溫惰性氣體下工作也容易腐蝕，因而材料加工術為另一大難關。
原理
磁流體發電的原理如圖所示。通過熱離子氣體(或液態金屬)等導電流體與磁場相互作用，把熱能直接轉換成電能。由於這種轉換形式可以採用更高的進口溫度，並且除去了高速轉動的汽輪機裝置，使熱效率得到了提高。雖然磁流體發電設備本身的熱效率僅為20%左右，但由於其排煙溫度高，排出的氣體可供給輔助蒸汽發生器產生高溫蒸汽，驅動汽輪發電機組，組成高效的聯合循環發電系統，總的熱效率可達50%～60%，為目前已開發的發電技術中最高的。
從循環類型的角度磁流體發電可分為開環磁流體發電和閉環磁流體發電，如圖所示。開環磁流體發電為工質在燃燒室中燃燒產生高溫電漿，通過排氣噴嘴高速釋放，工質穿過磁場發電，再通過輔助裝置驅動汽輪發電機組，然後由淨化裝置將種子回收。閉環磁流體發電為使用液態金屬為工質或使用He、Ar等惰性氣體為工質並加入銫或別的金屬為種子，通過換熱器將工質加熱後再穿過磁場發電。目前火力發電在世界大部分國家仍占主導地位，在發電過程中消耗大量的化石燃料，給環境造成嚴重的污染，尤其是燃煤電站。
類型
直線型磁流體發電機
直線型磁流體發電機（見圖）是過去幾十年地面磁流體發電研究的重點。在這種發電機中，高溫的導電流體流過發電通道，會在垂直於流速方向和磁場方向產生橫向的電場；通過放置在相對位置處的電極就可以輸出電能。其導電流體的流通路徑設計為直線型，典型的發電機流通截面為矩形，並且從入口到出口是逐漸擴張的。直線型磁流體發電機本身結構簡單，原理清楚，效率和性能比較好。不過，它要使用鞍形超導磁體，而這種磁體製造工藝複雜。
根據利用霍爾電場形式的不同，直線型磁流體發電機可分為連續電極型、分段法拉第型、霍爾型和對角線型（斜聯型）。
- 連續電極型磁流體發電機的優點是負載和結構簡單，缺點是通道性能較差，因而不常採用。
- 在直線型磁流體發電機中，軸向的霍爾電流造成發電機的電能損失。分段法拉第型磁流體發電機在連續電極型發電通道的基礎上，將電極分成許多小段，在氣流方向互相絕緣，完全靠法拉第電場輸出電功率，以抑制霍爾電流。分段法拉第型磁流體發電機的原理清楚，效率較高，運行調節靈活，但實際使用時要配套許多負載。
- 針對分段法拉第型磁流體發電機多負載的缺點，後來提出了串接發電機的概念，也就是霍爾型磁流體發電機。該發電機利用法拉第電場和霍爾電場合成的電場，把分段法拉第型磁流體發電機中上、下電位相同的電極互相串接起來，發電機負載則接於首末兩端的電極上，這樣就可以使用單一的負載或較少的負載，但其電極處存在比較嚴重的電流集中，會造成一定程度的電能損失。
- 在霍爾型磁流體發電機之後，美國又提出了對角線型磁流體發電機，將發電機的電極和側壁設計成一體。這種發電機結構簡單，對乾淨燃料磁流體發電機的發展起到積極推動作用。
盤式磁流體發電機
盤式磁流體發電機的結構布局是為利用霍爾效應發電而設計的。其中，工質沿徑向流動，磁場沿軸向。在工質流動方向放置的一對電極將徑向電流（霍爾電流）引出，周向的電流分量（法拉第電流）自身完全短路，與工質流動方向和磁場方向垂直，如圖所示。可見，盤式磁流體發電機完全依靠霍爾效應發電。盤式磁流體發電機具有目前最高的發電效率紀錄，與直線型磁流體發電機相比，具有以下優勢：
- 相同距離下沿徑向的電壓要比直線型發電通道中的高，這樣就提高了輸出的總電能和單位體積輸出的電能，發電機結構可以很緊湊；
- 使用簡單的環形電極，電壓壓降小，均勻的電漿可以持續在發電通道中旋轉流動，而直線型涉及複雜的電極分段問題；
- 簡潔緊湊的結構布局使得對應的磁體系統設計簡單，磁場由一對放置於圓盤上下兩面的亥姆霍茲線圈提供，可以產生平行的磁力線，使用超導磁體時，磁體可以做得很小，而直線型的要使用鞍形超導磁體，製造難度大。
因此，在空間套用中，考慮發電系統整體結構、技術難度、閉環使用等因素，盤式磁流體發電機更具優勢。
特點
磁流體發電作為一種新型的發電方式，主要具有以下特點。
效率高
效率高不是指磁流體發電設備本身的效率，是指含有磁流體發電設備的系統總效率。因為磁流體發電設備的出口溫度很高(2200K以上)，可以利用其尾氣組成聯合發電循環，進而提高聯合循環的總效率。這種聯合循環的總效率為η=ηMHD+ηst(1-ηMHD)式中:ηMHD為磁流體發電設備效率，一般為20%左右，普通蒸汽循環效率ηst約40%，總的循環效率η約52%，明顯高於目前火力發電站的循環效率。
污染小
目前，環境污染問題已經日益受到人們的重視，常規的火力發電站不僅排煙中氧化硫和氧化氮造成大氣污染，而且其大量排放冷卻水還會造成所謂的熱污染。為此不得不投入大量資金，甚至以降低電站的效率為代價，附加淨化裝置和脫硫裝置。磁流體發電(開環)由於其技術本身要求燃氣中加一定重量百分比的鉀鹽作為種子，鉀與硫具有很強的化學親和力逐漸形成硫酸鉀，最後為種子回收裝置所收集。這樣，就可以起到脫硫的作用，減少對大氣的污染。
啟動快
磁流體發電設備中沒有高速大轉動慣量的轉子，不僅其裝置穩定性好，而且其啟動和停車速度也非常迅速。正因這一特性可使其具有某些特殊場合的套用價值，如軍事設備的啟動電源和調峰電站的尖峰負荷電源。
節約水資源
由於磁流體發電設備的冷卻水可在蒸汽部分重複使用，可節約用水量1/3左右。
發展狀況
前蘇聯是世界上對磁流體發電研究投入最多的國家，研究以科學院高溫研究所為中心，按照長期研究開發定製工作計畫。1971年建成了燒天然氣的半工業性試驗電站U-25，最高發電功率20.4MW。1983年開始設計建設功率500MW，燒天然氣的大型工業磁流體-蒸汽聯合電站Y-500，設計淨效率為48.3%。但由於經濟困難，整個電站建設暫緩。蘇聯解體後俄羅斯在Y-500基礎上於1993年建成Y-25G磁流體發電裝置，主要用於燃煤發電試驗研究，重點作大型盤式磁流體的發電試驗和理論研究。此外，前蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所還研製了可持續數秒鐘的自激脈衝磁流體發電裝置。最早進行磁流體發電技術研究的是美國，但美國早期以研究短時間軍用磁流體發電為主。20世紀60年代以發展軍用短時間發電，研製成電功率分別為18MW和32MW、工作時間約1min的機組，證實了大功率發電的可行性。由於石油危機及環境污染的日趨嚴重，考慮到磁流體發電的高轉換效率和低環境污染，並可燃燒高硫煤，美國確定了以煤為燃料的商用磁流體發電為主攻方向，並制定了國家研究發展規劃。
自1988年起又開始實施POC(ProofofConcept)計畫，並希望能早日建成燃煤磁流體-蒸汽聯合循環示範電站。日本的磁流體發電試驗始於20世紀60年代，東芝公司燒煤油的磁流體發電裝置功率為100kW。工業技術院列入大型試驗研究計畫，共進行了兩期研究，建成了3套試驗裝置。1976年石油危機後開始轉向燃煤磁流體發電的試驗，重點研究燒油煤漿的磁流體發電試驗。燃煤試驗由於試驗經費及風險問題，從1988年起列入月光計畫中的先行技術基礎項目，重點進行單項技術的研究，工業性開發試驗工程停止。另外，在閉環磁流體研究方面，日本東京工業大學進行了很多工作。
80年代日本東京工業大學繼承荷蘭埃因霍溫工業大學進行了利用天然氣為熱源的短時間吹出試驗。我國開始磁流體發電研究始於1962年，主要從事燃油磁流體發電的研究。由於煤是中國的主要能源，1982年開始轉向燃煤磁流體發電的研究。整個工作分8個方面進行:高溫燃煤燃燒室、磁流體發電通道、餘熱鍋爐、逆變系統、超導磁體、電離種子回收、電離種子再生、已有電站磁流體發電改造的概念設計。工作主要在中科院電工研究所、東南大學、上海發電設備成套設計研究所3家單位進行。中科院電工研究所和東南大學負責上游循環19試驗裝置，上海發電設備成套設計研究所負責下游循環試驗裝置。
