Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА II. Локальный анализ мгд-генератора с Т-слоем 27
I. Постановка задачи и вывод основных уравнений 29
1. Переход к безразмерным параметрам 35
2. Степень преобразования тепловой энергии в электрическую для МГД-генератора с Т-слоем 38
2. Адиабатическое формирование структуры Т-слоя 40
3. Влияние диссипации энергии в Т-слое на работу МГД-генератора 44
4. Результаты применения локального анализа 49
ГЛАВА III. Формирование устойчивого самоподдершиващегося токового слоя в канале МГД-генератора 55
I. Алгоритм численного решения системы уравнений, описывающей динамику распределения параметров в токовом слое 55
2. Формирование стабилизированной структуры Т-слоя из начальной плазменной неоднородности в потоке непроводящего газа 63
1. Стабилизированная структура Т-слоя в продуктах воздушной газификации угля без легкоионизирующейся присадки 63
2. Стабилизированная структура Т-слоя в воздухе 68
3. Краткие выводы 70
ГЛАВА ІV. Концевой эффект в мгд-генераторе с Т-слоем 73
I. Математическая формулировка задачи 73
2. Алгоритм численного решения системы уравнений магнитной газодинамики 75
1. Группа уравнений газовой динамики 76
2. Уравнение, определяющее распределение электрического поля 80
3. Совместное решение уравнений газовой динамики с уравнением, описывающим распределение электрического поля 83
3. Результаты численного расчета задачи о концевом эффекте в МГД-генераторе с Т-слоем 86
Заключение по диссертации 89
Литература
- Степень преобразования тепловой энергии в электрическую для МГД-генератора с Т-слоем
- Формирование стабилизированной структуры Т-слоя из начальной плазменной неоднородности в потоке непроводящего газа
- Стабилизированная структура Т-слоя в воздухе
- Уравнение, определяющее распределение электрического поля
Введение к работе
Повышение цен на топливо как на международном рынке, так и в нашей стране, стимулировало исследования по созданию новых энергетических систем, где дополнительные капитальные затраты оправданы повышением коэффициента полезного действия (КПД),т.е. экономией топлива.
На тепловых электростанциях (ТХ) в настоящее время вырабатывается до 90 % электроэнергии и достигнуто практически предельное значение КПД (около 40 %) / I /. Ограничение по росту КПД становится понятным, если его записать в виде V ~ ^7 * V ^где ?^ "" показатель совершенства данной машины, 7? =/Т _ 7~ > ) / Т -КПД
Ск ('пах г nun// I mQx w цикла Карно), и посмотреть какими могут быть максимальные значения 7? , 7? .
Основа ТЭС - паротурбинная установка доводилась до современного уровня примерно 100 лет. В начале века для получения на ней I КВт/ч сжигалось более I килограмма угля, сейчас же сжигается 330 граммов. За этот срок Ъ для установки довели почти до 0,6 , и дальнейшее ее совершенствование практически достигло предела. Поэтому, для того, чтобы повышать У , нужно идти по пути увеличения Yx » т*е* повышать температуру рабочего тела.
Максимальная температура пара в паровой турбине достигает около 900 К и соответствующий КПД цикла Карно составляет величину примерно 0,66. Температуру рабочего тела можно увеличить, применяя газовую турбину в сочетании с паровой турбиной,но в этом случае также существует ограничение по следующей причине. В движущихся частях газовой турбины действуют значительные динамические напряжения, поэтому их термостойкость не превышает 1100 К (jp~43 %), и дальнейшее повышение температуры воз- -б-можно лишь для систем, в которых динамических напряжений нет. Такими системами могут быть только магнитогидродинамические генераторы (МГДГ). Они могут работать с предельной температурой, которая достигается при окислении химического топлива. В перспективе КПД магнитогидродинамических электростанций (МГД ЭС) может быть доведен до 55 - 60%. В итоге это приведет к уменьшению расхода топлива на единицу вырабатываемой энергии на 30 - 33%.
Исследования, проводимые на установках У - 02, У - 25 / 2 , 3 /, позволили приступить к созданию МГД ЭС открытого цикла. На первом этапе в СССР предусматривается ввод в эксплуатацию в 1985 году головного МГД-энергоблока на природном газе мощностью 500 МВт на площадке Рязанской ГРЭС /4 / с последующим сооружением в Европейской части страны нескольких аналогичных энергоблоков на газомазутном топливе. К 1990 году планируется создать МГД-энергоблок на угле мощностью 1000 МВт.
Расширение топливной базы, применение в качестве рабочего тела угля, является важнейшим направлением в разработке МГД ЭС открытого цикла / б , б /. Изучение проблем, связанных с этим направлением, ведется в ИВТ АН СССР, на опытно-промышленной МГД-установке, созданной Энергетическим институтом имени Г.М.Кржижановского и Эстонглавэнерго / 7 /. В Космическом институте Тен-несийского университета (США) работает МГД-генератор на продуктах сгорания угля / 8 , & / также в США осуществлен пуск МГД-генератора Марк-УІ в режимах, подобных условиям работы на продуктах сгорания угля / 3 , fO/. В Индии создается установка 7-05, которая в перспективе будет использовать в качестве топлива угли с зольностью 20 - 45% ////.
Несмотря на этот широкий фронт научных исследований, трудности по созданию МГД ЭС на угле преодолены далеко не все. Даже если считать, что вопрос работы МГДГ на газе решен, и в качестве топлива можно применять продукты газификации угля, тогда возникают трудности с газификацией. Автономная газификация имеет низкий КЕД, и в итоге общий КПД МГД ЭС ниже значений КПД для ТХ. Применение внутрииикловой газификации наталкивается на трудности из-за наличия в продуктах сгорания легкоионизирующейся присадки. Ее эффективно можно удалить из рабочего тела, предварительно охладив его до температуры конденсации присадки. Снижение температуры рабочего тела, в свою очередь, приводит к понижению общего КПД МГД ЭС.
Помимо газификации существует еще один путь: это прямое сжигание угля. На этом пути также встречаются трудности. Хотя для сжигания планируется применять двухступенчатые камеры сгорания /12, 13 /, все равно через МГД-канал пойдет двухфазный поток, в котором будут содержаться частицы жидкого шлака. Введение в такой поток присадки приводит к тому, что присадка химически связывается с серой, содержащейся в шлаке, и вновь возникает проблема последующей регенерации присадки.
Из вышесказанного следует, что легкоионизирующая присадка является основным слабым звеном в общепринятой схеме МГД-генера-торов. Отказ от ее использования позволит разрешить, по крайней мере, перечисленные проблемы.
Существует альтернатива общепринятой схеме: это МГД-генера-тор кондукционного типа, использующий в качестве рабочего тела слоистый поток / 14 /. Слоистость потока создается за счет хорошо известного магнитогидродинамического явления перегревной неустойчивости, развитие которой в нелинейной фазе приводит к образованию в потоке самоподдерживающегося токового слоя (Т-слоя) / 15, 16 /. Физические условия в Т-слое таковы, что высокая электропроводность в нем обеспечивается высокой температурой га- за ~Ю4 К и поэтому нет необходимости применять присадку.
В настоящее время вопросы, связанные с взаимодействием Т-слоя с неэлектропроводным потоком, недостаточно изучены, а именно от характера взаимодействия зависит распределение газодинамических и электродинамических параметров в МГД-канале и значения интегральных характеристик генератора. Изучение же этих вопросов, как правило, проводится на основе численных решений полной системы уравнений магнитной газовой динамики. Существуют расчеты единичных режимов работы МГД-генератора с Т-слоем и отсутствует какая-либо обобщающая теория. В связи с этим возникает необходимость разработки математической модели, опираясь на которую, можно будет выбрать из всей совокупности режимов работы генератора наиболее оптимальные.
Целью диссертационной работы является: разработка математической модели взаимодействия Т-слоя с потоком неэлектропроводного газа в МГД-канале, определение зависимости эффективности работы МГД-генератора с Т-слоем от начальных параметров Т-слоя, параметров камеры сгорания и МГД-канала, характеристик рабочего тела, внешней магнитной системы и электрической цепи, на которую нагружен генератор (локальный анализ МГДГ с Т-слоем), проведение локального анализа для генератора, использующего в качестве рабочего тела продукты сгорания твердого топлива без легкоионизи-рующей присадки, определение структуры Т-слоя в условиях его устойчивой работы в МГД-канале, изучение влияния концевых эффектов на процессы формирования структуры Т-слоя.
Диссертация состоит из четырех глав. В первой главе на основе краткого обзора литературы дается очерк основных этапов развития проблемы создания МГДГ с Т-слоем. Во второй и третьей излагаются результаты расчетно-теоретических исследований, посвященных изучению работы МГДГ с Т-слоем и его эффективности. Из- ложение начинается с общей физической и математической формулировки задачи. В качестве первого решения поставленной задачи приводится аналитическое решение, иллюстрирующее характерные особенности процессов в МГД-канале, и определяется область устойчивой работы Т-слоя. На основе этого решения проводится локальный анализ МГДТ с Т-слоем, который показывает, что существуют оптимальные значения параметра нагрузки, числа Маха, величины индукции магнитного поля и характеристик рабочего тела в камере сгорания, при которых достигается максимальное преобразование энтальпии в электрическую энергию. В третьей главе строится конечно-разностный алгоритм, который применяется для исследования процессов в МГДТ с учетом реальных свойств рабочего тела. Глава завершается рассмотрением задачи развития структуры Т-слоя из начального температурного возмущения в потоке непроводящего газа. В четвертой главе приводятся результаты численного эксперимента, моделирующего концевой эффект в МГДГ с Т-слоем. В начале главы на основе известных сем строится алгоритм расчета двумерных нестационарных задач магнитной газовой динамики. Из анализа расчетов набора тестовых задач показана применимость предложенного алгоритма к моделированию двумерных нестационарных течений в канале МГДГ.
Научная новизна. Разработана математическая модель Т-слоя, взаимодействующего с потоком неэлектропроводного газа в МГД-канале. Показано существование оптимальных характеристик МГД-ге-нератора с Т-слоем, при которых достигается максимальная степень преобразования тепловой энергии в электрическую. Разработана методика определения стабилизированной структуры Т-слоя в МГД-канале. Найдена стабилизированная структура Т-слоя в продуктах сгорания твердого топлива и в воздухе, не содержащих легкоиони-зирующейся присадки. Изучен концевой двумерный эффект в МГД-ге- нераторе с Т-слоем в канале фарадеевского типа. Из результатов численного интегрирования нестационарных двумерных уравнений магнитной газовой динамики показано, что в области практически значимых параметров МГДГ концевые двумерные эффекты не влияют на процессы формирования структуры Т-слоя.
В диссертации защищаются следующие основные положения:
Постановка и обоснование задачи исследования взаимодействия высокотемпературного самоподдерживающегося токового слоя с потоком неэлектропроводного газа в МГД-канале, в которой учитывается самосогласованная структура течения как в неэлектропроводном потоке, так и в области Т-слоя, разработка математической модели, аналитические решения и численные алгоритмы.
Результаты теоретического и численного исследований по определению оптимальных значений параметров МГД-генератора с Т-слоем, при которых достигается максимальная степень преобразования тепловой энергии в электрическую.
Результаты численного исследования по определению стабилизированной структуры Т-слоя, сформированного в продуктах сгорания твердого топлива и в воздухе не содержащих легкоионизирующей присадки.
Результаты численного расчета двумерных нестационарных задач магнитной газовой динамики и возможность выбора рабочих режимов МГДГ с Т-слоем, в которых концевой двумерный эффект не приводит к разрушению структуры Т-слоя.
Степень преобразования тепловой энергии в электрическую для МГД-генератора с Т-слоем
Таким образом, соотношения (2.18 - 2.20, 2.43, 2.44) в неявном виде связывают безразмерную скорость Д. и величину,характеризующую перепад давления на Т-слое, Л с определяющим набором параметров. Решение можно найти,например,методом деления отрезка пополам / 77 /. Известно, что безразмерная скорость /I определена на интервале [0,Мо] Найдя л » можно определить функции j(J{ /vl LusJs.
Эти решения получены для характерного времени, когда дис-зипативными эффектами в Т-слое можно пренебречь. Однако, после того, как под действием электродинамической силы сформируется распределение температуры в Т-слое, дальнейшее изменение профиля гемпературы происходит под действием энергетического механизма. В зависимости от знака в правой части уравнения энергии имеет тесто возрастание температуры или её падение. Естественно, падение температуры приводит к падению электропроводности и, как следствие, к уменьшению взаимодействия Т-слоя с магнитным полем. Такие режимы работы МГД-генератора будут неустойчивыми. Для отделения устойчивых режимов от неустойчивых рассмотрим вопрос э влиянии диссипативных эффектов на работу МГД-генератора.
Влияние диссипации энергии в Т-слое на работу МГД-генератора Как уже отмечалось, основную роль в энергетике Т-слоя играют джоулева диссипация и потери энергии на излучение.
Для определения объемных потерь энергии на излучение воспользуемся простейшей моделью излучающего однородного слоя, для кото Рго п_ 46с-вТ4 т п Г) С2-45)
Здесь S ( h ri О J - излучательная способность полусферических объемов газа. В литературе отсутствуют данные по радиационным свойствам продуктов сгорания в плазменном состоянии, поэтому для выполненных в настоящей работе оценочных расчетов взяты значения из монографии /78 / для газовой смеси 90% ( + I0%/K . Коэффициент "4й появляется при пересчете полусферы к кубу, излучающему по всем граням/7cf/. Объемное выделение энергии в Т-слое обусловлено джоулевой диссипацией электрических токов
На рис. 2.4 изображено распределение температуры в Т-слое, сформированное адиабатическим воздействием электродинамических сил, при /V =1,6, пто = I, Мф = 1,6, Q = 1,2, Л = 0,5, 7 = 10 К При таких параметрах наблюдается существенная деформация начального однородного профиля. Так, температура в волне сжатия возрасла до величины 13,3 10 К, в волне разрежения упала до 7 10 К. Между этими значениями профиль температуры имеет монотонный характер. Также на рисунке в соответствии с этим показано распределение потерь энергии на излучение и приток за.счет джоулевой диссипации. Из рисунка видно, что при 0 S SL приток энергии за счет джоулевой диссипации ниже потерь на излучение. Очевидно, температура газа в этой области Т-слоя будет падать. Для Т 3V si энергии Заносится излучением меньше, чем поступает за счет джоулевой диссипации, и температура должна расти. Динамику процесса можно представить, анализируя рис.2.5. На нем изображены объемные потери на излучение и объемное выделение энергии в зависимости от температуры газа в Т-елое. Считается, что Рс =0,1 МПа, /=270м/с, В0 = 2 Т, К =0,5, о0- 0 25 м. Точки пересечения графиков при температуре Tj и Т имеют важный физический смысл. При T Tj, у yj/6- температура Т-слоя падает. Если Tj Т Т2, тогда (f- J/б и температура повышается до значения Tg, выше которого - Л/ / Если Т =Tj, Т-слой находится в неустойчивом рав-новесии. При Т=Т - температура газа не меняется, и в Т-слое обеспечивается устойчивое равновесие. Следовательно, можно предположить, что профиль температуры, изображенный на рис.2.4,будет изменяться следующим образом. В области О S S# температура падает, в области 5 5 / растет до некоторого распределения температуры Т($ ). Это распределение в каждой точке Т-слоя соответствует устойчивому состоянию, в котором объемные потери энергии на излучение уравновешиваются притоком энергии за счет джоулевой диссипации.
Вместе с тем, существуют режимы, в которых объемные потери на излучение выше джоулевой диссипации во всей области Т-слоя. Такой режим продемонстрирован на рис.2.6. Здесь набор определяющих безразмерных параметров имеет значения /к=1,6,л =1, М0=1,5, =1,2, К=1,5, Тс = 8 103 К. Этот режим отличается от режима, изображенного на рис. 2.4 безразмерным параметром у . Параметр /.ос характеризует лучистые потери и входит в уравнение энергии (2.23). Поэтому вполне естественно исследовать устойчивость Т-слоя относительно этого параметра.
Формирование стабилизированной структуры Т-слоя из начальной плазменной неоднородности в потоке непроводящего газа
Для анализа динамики процесса формирования структуры самоподдерживающегося токового слоя выбраны режимы со следующими параметрами. Рабочее тело - продукты воздушной газификации угля без легкоионизирующейся присадки, показатель адиабаты Q S,2 , температура и давление торможения в камере сгорания - 3 10 К, I МПа. Индукция внешнего магнитного поля BQ = 2 Т. Сечение канала выбрано таким, чтобы обеспечить сверхзвуковое течение неэлектропроводного газа с А/о б Зависимости О(ТР) » 6(І, г О) вводились в расчетную программу в виде таблиц, со -64 ответствующих данным / 76, 7$ /. Начальные размеры плазменного сгустка и его температура выбирались So =0,25М Т = Ю К. Величины в наборе безразмерных параметров соответственно равны /V-J6 $/no f Параметр нагрузки в расчетных вариантах пробегает ряд значений: 0,8; 0,6; 0,4; 0,2.
На рис. 3.2 - 3.5 изображены профили температуры и давления в Т-слое в различные моменты времени и для разных К. На них цифрой I помечены начальные температура и давление, 2 - распределение их при формировании адиабатическим воздействием силы Лоренца, 3, 4, 5 - распределения в моменты времени = 0,9-КГ3 с, 3,6.КГ3 с, 1,3.10" с.
Рис. 3.2 соответствует режиму со значением параметра нагрузки К = 0,8. Из рисунка видно, что этот режим является неустойчивым. Температура газа в плазменной неоднородности с течением времени падает практически до температуры непроводящего газа (см. рис. 3.2, кривые 3, 4, 5). Соответственно, перепад давления на плазменной неоднородности стремится к нулю.
Режимы с параметрами нагрузки К = 0,6; 0,4; 0,2 являются устойчивыми. На рис. 3.3 - 3.5 показана динамика процесса формирования стабилизированной структуры токового слоя. Можно наблюдать общую закономерность - первоначальное распределение температуры, сформированное в результате установления силового баланса, имеет максимум на левой границе Т-слоя, где газ сжат в ударной волне, затем монотонное падение температуры до минимального значения на правой границе, параметры на которой определяются волной разрежения. Последующая эволюция профиля приобретает несколько неожиданный характер: вместо того чтобы продолжить рост максимума температуры, что было бы естественно, учитывая свойство плазмы (О О /и Т)р & » происходит падение температуры на левой границе и, в режимах с К 4 0,6, рост температуры на правой границе. Объяснение этому факту можно дать, если учесть, что в плотной плазме в условиях выхода излучения без ре р абсорбции мощность лучистых потери энергии Р , т.е. растет за счет увеличения излучающих атомов в единице объема и за счет уширения спектральных линий. Подтверждение этому можно наблюдать на рис. .4, на котором нанесены распределения мощности излучения и джоулевой диссипации по плазменной неоднородности, температурный профиль которой сформирован адиабатическим воздействием пондеромоторной силы Лоренца. Из рисунка видно, что в области сжатия $4S S# лучистые потери энергии выше джоулевой диссипации.
Изменение распределения температуры и давления в плазменной неоднородности приводит к изменению её средних параметров и & и ц. , что, в свою очередь, сказывается на скорости Т-слоя А , на перепаде давления на нем Л и степени преобразования энтальпии рабочего тела в электрическую энергию, выделяющуюся во внешней цепи V . На рис. 3.6 - 3.8 изображена динамика процесса перестройки характеристик МГДТ - J , j , , при различных параметрах нагрузки. В неустойчивом режиме при К = 0,8, Д с течением времени. стремится к единице, Ji - к значению г/о, а степень преобразования 7} резко падает. В устойчивых режимах эти характеристики стремятся к некоторым ассимптотическим значениям. Причем, ассимптотические значения степени преобразования слабо отличаются от значений, которые получаются для 3? после адиабатического установления баланса сил. Выход на ассимпто-тику значений Л - V объясняется тем, что распределение температуры и давления в плазменной неоднородности, начиная с некоторого момента времени, практически не меняются, т.е. устанавливается стабилизированная структура (см. рис. 3.3 - 3.5) За время tf L 3б 4@ & в области сжатия происходит значительное падение температуры, что приводит к снижению электропроводности плазмы практически до нуля. За это же время у правой границы газ значительно разогревается, электропроводность возрастает и взаимодействие плазмы с магнитным полем концентрируется целиком в этой зоне. В результате область повышенного давления проникает еще глубже в плазменную неоднородность, газ там сжимается, что приводит к уменьшению размеров всего изначально разогретого слоя (см. рис. 3.3 - 3.5). Далее, с течением времени с "3,6 КГ с, профили температуры практически не меняются и имеют характерный пик у правой границы.
Стабилизированная структура Т-слоя в воздухе
Для решения нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих динамику формирования Т-слоя в канале МГД-генератора, построена разностная схема. Показано, что схема аппроксимирует исходные уравнения с порядком 0fen h ) . Применение итерационного метода Ньютона позволило нелинейные сеточные уравнения свести к линейным. С помощью использования принципа максимума доказана сходимость итераций к точному решению.
Построенный алгоритм расчета применен для изучения процессов формирования Т-слоя в МГДГ» в котором в качестве рабочего тела применяются продукты воздушной газификации угля, а также воздух без легкоионизирующейся присадки. Опираясь на результаты расчетов, показано, что если в потоке непроводящего газа находится плазменная неоднородность, то в ней возможно возникновение самоподдерживающегося токового слоя. Параметры возникшего Т-слоя (его размер, температура и давление в нем) не зависят от размера начальной плазменной неоднородности, а зависят от состава рабочего тела и значений величин в наборе безразмерных определяющих параметров. Поэтому для уменьшения затрат энергии на инициирование плазменной неоднородности необходимо, чтобы её размер был сравним с размером возникающего из нее Т-слоя.
При сравнении результатов расчета с результатами локального анализа показано, что степень преобразования энтальпии потока в электрическую энергию при устойчивой работе МГД-генератора отличается незначительно, область же устойчивости практически совпадает, совпадение нарушается при значениях параметра нагрузки, близких к единице. Такое совпадение позволяет экстраполировать характеристики, получаемые из локального анализа, на МГД-генератор, в котором работает сформировавшийся стабилизированный токовый слой.
Вместе с тем, из рис.2.17 видно, что предельное значение 2?М),18 при М0=3 не реализуется, т.к. процесс формирования Т-слоя неустойчив. Хотя линейный анализ на устойчивость давал обратный результат. Хорошее совпадение областей устойчивости наблюдается для значения V =0,12 (см. рис. 2.15). Такое значение 7} лежит в пределах области 0,7 К 0,9; 0,5 / 1,5. Средние значения определяющих параметров имеют величины К=0,8,//у =1. Поэтому для достижения степени преобразования энтальпии в электрическую энергию, выделяющуюся во внешней цепи, 7) 0,12 следует выбирать режим МГДГ, который характеризуется следующими безразмерными параметрами: MQ= 2уЩто-1% пто- » К = 0,8. Пользуясь этими значениями, найдем размерные характеристики такого МГД-генератора. Значение параметра при известном давлении в камере сгорания PQ0 = І Ша определяет величину индукции внешнего магнитного поля BQ 1,5 Т.
Задавая расход рабочего тела через сопло &=1 кг/с, вычислим площадь критического сечения сопла из соотношения При U =826 м/с, Ох =0,62 кг/м3 значение /посоставляет 1,95 10 м . Площадь сечения МГД-канала определим, пользуясь соотношением (2,9). Сечение равно А= 3,74 КГ"3 м. Скорость невозмущенного потока в канале, давление и температура в нем составят:Ц0 = 1,7 I03 м/с, Р0 = 0,13 МПа, Т0=2,14-Ю3 К. Ско -72 рость движения Т-слоя по каналу имеет величину 824 м/с. Давление за фронтом ударной волны, отходящей от Т-слоя, Pj=0,4MQa, в волне разрежения % = 0,032 Ша. Электрическая мощность, выделяющаяся во внешней нагрузке, составляет 0,23 МВт.
Таким образом видно, что если создать экспериментальную установку с расходом рабочего тела I кг/с, то в ней можно реализовать параметры эффективного МГД-генератора с Т-слоем.
Уравнение, определяющее распределение электрического поля
Устойчивость расчета по разностной схеме определяется, прежде всего, возможностью выбора шага по времени Я1п и шага по массовой координате и таких, при которых сходимость к решению будет безусловной. Дня аргументированного выбора шагов необходимо показать, что при таких и /? расчет по методу прогонки будет проходить устойчиво, к тому же достигается сходимость итераций по методу Ньютона к точному решению. Поэтому для выбора и и используем ограничения, которые необходимо выполнить для обеспечения устойчивости метода прогонки и сходимости итераций.
При использовании метода прогонки предполагается, что параметры сформулированной задачи удовлетворяют неравенствам
Повышение цен на топливо как на международном рынке, так и в нашей стране, стимулировало исследования по созданию новых энергетических систем, где дополнительные капитальные затраты оправданы повышением коэффициента полезного действия (КПД),т.е. экономией топлива.
На тепловых электростанциях (ТХ) в настоящее время вырабатывается до 90 % электроэнергии и достигнуто практически предельное значение КПД (около 40 %) / I /. Ограничение по росту КПД становится понятным, если его записать в виде V 7 V где "" показатель совершенства данной машины, 7? =/Т _ 7 ) / Т -КПД Ск ( пах г nun// I mQx w цикла Карно), и посмотреть какими могут быть максимальные значения 7? , 7? .
Основа ТЭС - паротурбинная установка доводилась до современного уровня примерно 100 лет. В начале века для получения на ней I КВт/ч сжигалось более I килограмма угля, сейчас же сжигается 330 граммов. За этот срок Ъ для установки довели почти до 0,6 , и дальнейшее ее совершенствование практически достигло предела. Поэтому, для того, чтобы повышать У , нужно идти по пути увеличения Yx » т е повышать температуру рабочего тела.
Максимальная температура пара в паровой турбине достигает около 900 К и соответствующий КПД цикла Карно составляет величину примерно 0,66. Температуру рабочего тела можно увеличить, применяя газовую турбину в сочетании с паровой турбиной,но в этом случае также существует ограничение по следующей причине. В движущихся частях газовой турбины действуют значительные динамические напряжения, поэтому их термостойкость не превышает 1100 К (jp 43 %), и дальнейшее повышение температуры воз -б-можно лишь для систем, в которых динамических напряжений нет. Такими системами могут быть только магнитогидродинамические генераторы (МГДГ). Они могут работать с предельной температурой, которая достигается при окислении химического топлива. В перспективе КПД магнитогидродинамических электростанций (МГД ЭС) может быть доведен до 55 - 60%. В итоге это приведет к уменьшению расхода топлива на единицу вырабатываемой энергии на 30 - 33%.
Исследования, проводимые на установках У - 02, У - 25 / 2 , 3 /, позволили приступить к созданию МГД ЭС открытого цикла. На первом этапе в СССР предусматривается ввод в эксплуатацию в 1985 году головного МГД-энергоблока на природном газе мощностью 500 МВт на площадке Рязанской ГРЭС /4 / с последующим сооружением в Европейской части страны нескольких аналогичных энергоблоков на газомазутном топливе. К 1990 году планируется создать МГД-энергоблок на угле мощностью 1000 МВт.
Расширение топливной базы, применение в качестве рабочего тела угля, является важнейшим направлением в разработке МГД ЭС открытого цикла / б , б /. Изучение проблем, связанных с этим направлением, ведется в ИВТ АН СССР, на опытно-промышленной МГД-установке, созданной Энергетическим институтом имени Г.М.Кржижановского и Эстонглавэнерго / 7 /. В Космическом институте Тен-несийского университета (США) работает МГД-генератор на продуктах сгорания угля / 8 , & / также в США осуществлен пуск МГД-генератора Марк-УІ в режимах, подобных условиям работы на продуктах сгорания угля / 3 , fO/. В Индии создается установка которая в перспективе будет использовать в качестве топлива угли с зольностью 20 - 45%
Несмотря на этот широкий фронт научных исследований, трудности по созданию МГД ЭС на угле преодолены далеко не все. Даже если -в считать, что вопрос работы МГДГ на газе решен, и в качестве топлива можно применять продукты газификации угля, тогда возникают трудности с газификацией. Автономная газификация имеет низкий КЕД, и в итоге общий КПД МГД ЭС ниже значений КПД для ТХ. Применение внутрииикловой газификации наталкивается на трудности из-за наличия в продуктах сгорания легкоионизирующейся присадки. Ее эффективно можно удалить из рабочего тела, предварительно охладив его до температуры конденсации присадки. Снижение температуры рабочего тела, в свою очередь, приводит к понижению общего КПД МГД ЭС.
