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磁流体发电
更新时间:2018-05-13 发布:www.1024sj.com

【内容摘要】本文凭据高温高速燃料气畅通流畅过磁场,气体由于高温电离酿成等离子导电流体,切割磁力线而发生感应电势,使热能就直接转酿成电能的原理。研究开发燃煤磁流体发电技术及其装备,又对若何年夜幅度提高热能转换效率;提高煤炭资本哄骗率;燃用我国丰硕的中等热值煤和高硫煤;削减燃煤发电带来的煤炭运输和污染等问题进行了研究。最后,对此领域研究工作的工程意义及从此的研究展看进行的论述。【关头词】磁流体发电高新技术情况庇护原理运用【abstract】Thistextresearchanddevelopcoal-firedmagneticfluidgenerateelectricitytechnologyhowaboutraisestheconversionefficiencyofheatenergybyalargemargin;Improvethecoalresourceutilizationratio;Useabundantmedium-sizedcalorificvaluecoalinourcountryandhighsulphurcoal;Questionofreducingandgeneratingelectricitywithcoalthecoalbroughtandtransportingandpollutingetc..Finally,tothisfieldprojectmeaningandstudyingexpositiongoneontoexpectinthefutureofresearchwork.【keywords】magnetichydrodynamicgenerationNewandhightechnologyEnvironmentalprotectionPrincipleApplication能源问题是21世纪世界面临的重年夜问题之一。能源的开发哄骗不仅为人类带来了文明和繁荣,也为人类的糊口生涯情况带来了庞大的灾难,所酿成的温室效应、酸雨、臭氧层空洞、生态失衡和核燃料污染等问题严重威胁着人类的糊口生涯。是以,为实现可延续成长,开发新的能源种类、研究节能新技术、探讨能源与情况的关系已成为世界注视的课题。“物理学——研究物资、能量和它们的相互作用的学科——是一项国际事业,它对人类未来的前进起着关头的作用。有专家展望,21世纪将是一个以磁力(磁能)作为能源代表的时代。高温超导体磁场特征的发现和哄骗,使胡想中的新能源——受控热核聚变、磁流体发电、太阳能卫星电站——慢慢成为现实。哄骗磁能作为驱动力的超导磁悬浮列车和超导磁动力船已向我们驰来。我国今朝采用的燃煤发电方式要向年夜气排放年夜量SO2、NOx和黑烟,对年夜气情况造成严重污染。是以,成长洁净煤发电技术,削减污染物排放,提高燃煤发电效率是一项重要的战略使命。火力发电为什么会造成能量使用效率低,最重要的缘由是能量转换进程中环节过量,这就必然消耗很多能量,如能根除这些由热能转换成机械能的中心环节,则可以使燃料能量哄骗率年夜幅度提高,这对能源使用的意义是何等庞大,而磁流体发电方式正是朝这个标的目的起劲的一种十分有用的测验考试。哄骗热等离子气体或液态金属等导电流体与磁场相互作用,把热能直接转换成电能的发电方式。常规火力发电需将燃料的热能经由过程汽轮机先转换成机械能,带动发机电发出电能,比磁流体发电多一个环节,效率自然较低。磁流体发电不仅少一个转换环节,而且允许采用更高的进口温度(1000~3000K,火力发电所用超临界汽轮机,允许采用的进口温度约为873K),因而,它的热效率高。若是与常规火力发机电组联合轮回运行,其综合热效率可达50%~60%(20世纪80年月,世界最好的火电厂,热效率也仅为40%)。磁流体发电装配没有高温、高速的旋转运动部件,能削减年夜气污染,节省冷却用水,是一种很有成长前途的发电方式。
凭据电磁感应原理,用导电流体(气体或液体)与磁场相对运动而发电。
  磁流体发电按工质的轮回方式分为开式轮回系统、闭式轮回系统和液态金属轮回系统。最简单的开式磁流发机电由燃烧室、发电通道和磁体组成。工作进程是:在燃料燃烧后发生的高温燃气中,加进易电离的钾盐或钠盐,使其部门电离,经喷管加速,发生温度达3000℃、速度达1000米/秒的高温高速导电气体(部门等离子体),导电气体穿越置于强磁场中的发电通道,作切割磁力线的运动,感生出电流。
  磁流体发机电没有运动部件,结构紧凑,起动迅速,情况污染小,有很多优点。出格是它的排气温度高达2000℃,可通进汽锅发生蒸汽,推动汽轮发机电组发电。这类磁流体-蒸汽动力联合轮回电站,一次燃烧两级发电,比现有火力发电站的热效率高10-20,节省燃料30,是火力发电技术改造的重要标的目的。
  磁流体发电的研究始于20世纪50年月末,被认为是最现实可行、最有竞争力的直接发电方式。它触及到磁流体动力学、等离子物理、高温技术及材料、低温超导技术和热物理等领域,是一项年夜型工程性课题。许多进步前辈国家都把它列为国家重点科研项目,有的建立国际间协作关系,以期早日突破。第1章磁硫体发电的由来及成长趋向1831年法拉弟发现电磁感应原理后,相继泛起了三年夜发现:励磁机电、电灯、电话,从而引发电力技术革命。1882年世界第一座较正规的发电厂建成,容量671.5kW,到1996年末全球电力装机容量2.773TW,发电量达11601TWh;我国1882年在上海建成第一个12kW发电厂,到1998年装机容量277GW,发电量1167TWh。一个世纪以来,电力获得如斯迅速的成长,是由于它在使用上的高效、清洁和利便,电不单给家庭带来光明、舒适,更是一个国家现代化、工业化的标志之一。1959年,美国的阿夫柯1号磁流体发机电发出11.4kW的电力,点亮了228盏50W的灯泡,运行了10S,世界上第一台能够发出现实有用电功率的磁流体发机电宣告研制成功。1966年,美国空军研制成功一台现实输出电功率18MW的磁流体发机电,天天年夜约运行3次,每次1miN。这是世界上第一台作现实运用的磁流体发机电。1977年美国建成300MW磁流体发电示范站。20世纪90年月,独联体建造了一个燃烧自然气的磁流体-蒸汽联合电站,总输出功率582MW。该电站采用超导磁体,磁感应强度为6T。自从1959年美国阿英柯公司实验燃煤磁流体发电技术成功后,世界上对磁流体发电的研究,以美、日、前苏联为代表,进展较快,今朝巳有近20个国家正在从事这项发电技术的研究和开发工作,其中有13个国家重点研究燃煤磁流体发电技术,年夜部门正在进进实验电站研究阶段。20世纪60年月我国就起头磁流体发电的开发研制工作。1964年,中科院电工所建成第一台小型模拟磁流体发电实验机组,燃烧汽油和纯氧,发电功率为80W,运行1miN。1978年南京工学院(现东南年夜学)研制成功我国第一台平易近用长时磁流体发机电组,电功率为12kW,累计运行1000H。“七五”时代,我国研制的磁流体发机电组的最多发电功率为2200kW。我国巳把这项技术作为"863计划"重点项目之一,千千瓦级磁流体发机电组已完成实验使命,最高输出功率为2200千瓦,到2000年的方针是建造一座万千瓦级燃煤磁流体--蒸汽联合轮回中试电站。比来几年,科学家在导电流体的选用上有了新的进展,发现了用低熔点的金属(如钠、钾等)作导电流体,在液态金属中加进易挥发的流体(如甲苯、乙烷等)来推动液态金属的流动,巧妙地避开了工程技术上一些难题,制造电极的材料和燃料的研制方面也有了新进展。但想一会儿省钱省力地解决磁流体发电中技术、材料等方面的所有难题是不现实的。随着新的导电流体的运用,技术难题慢慢解决,磁流体发电的前景仍是乐观的。在美国,磁流体发机电的容量已跨越32000千瓦;日本、西德、波兰等许多国家都在研制碘流体发机电。我国也已研制出几台分歧形式的磁流体发机电。燃煤开环磁流体发电,今朝已有示范工程,预计在2010内可局部商业化,其将对节能和削减CO2排放实现电力行业的绿色生产做出重年夜进献。非平衡电离式闭环磁流体发电,由于工作温度较低,又适合于100~300MW中型机组和配合成长以煤为燃料的燃气发电行业具有庞大的潜力。液体金属式闭环磁流体发电,从工作温度范围和能源种类的顺应性年夜及高导电率看,可适用于小型发电装配,成长前途广漠,但列国尚在根蒂根基研究阶段。因而可知,对磁流体发电的研究与索求已由实验阶段成长到在军事、平易近用的现实运用阶段,作为一种新的能源开发途径,世界列国越来越遭到普遍关注。专家们展望,今朝磁流体发电在技术上已日益成熟,随着超导技术的成长,可看在21世纪初,磁流体发电将普遍运用在矿物燃料发电站中,这对整个能原成长,促进经济兴旺,势必发生重年夜影响。在经济成长、社会前进的同时,人们熟悉到了一个严肃的现实:几亿年形成的矿物资燃料储量是有限的,地球自净化的情况容量也不是无限的,在经济高速成长进程中,人类过度消耗能源的同时,严重地污染了自己赖以糊口生涯的地球和空间,能源与情况是进进21世纪必需斟酌的四年夜难题之首--能源、情况、生齿和食粮。勤俭能源,抑制化石燃料的过度消耗;庇护情况,净化人类糊口生涯的有限空间;开发与哄骗再生能源与新能源,带来在情况及价格上均有竞争能力的能源革命。既知足人类当前成长的需要,又不合错误儿女人知足其需求的能力组成风险,这一“延续成长”已成为人类当前和未来配合遵循的迫切问题。第2章我国的能源形势及电力工业概况第2.1节能源与我国现代化我国是一次能源储量丰硕的国家,但从可延续成长概念看,存在着十分严重的能源问题。
2.1.1、人均能源不足,人均能耗低而单元产值能耗高我国人均煤炭探明储量为世界均值的51.3%,石油仅为11.3%,自然气只有3.78%。1996年,人均商品能源消费量为世界平均值的55%,为蓬勃国家平均值的1/6;家庭人均用电量只有美国的2.4%;单元国平易近生产总值能耗(能源消耗强度)高于蓬勃国家和成长中国家平均值。
2.1.2、一次能源散布不均煤炭探明储量中,山西、内蒙古及陕西占65.2%;可开发水能资本中,近67.8%集中在西南地域;松辽、渤海湾、塔里木和准噶尔盆地的石油资本占全国的52.6%;自然气总储量中,2/3散布在中西部,而经济蓬勃的东南沿海地域则缺少能源。
2.1.3、我国是世界上少数几个以煤为主要一次能源的国家,是世界最年夜煤炭生产国与消费国。煤炭提供了70%的工业燃料和动力、60%的化工原料。80%平易近用商品能源。由于煤炭耗量年夜,而烟气净化装配又不完善和低效,使得情况污染成为我国经济成长的一年夜拦路虎。
2.1.4、发电用能源占一次能源比重低电是优质、高效、靠得住、清洁的二次能源,世界列国电力增加速度始终高于经济增加速度,发电用能源占一次能源比重逐年增年夜。1992年统计,这一比重为:加拿年夜60.8%、法国53.6%、英国36.3%、日本51.2%、德国36.9%、意年夜利32.2%、美国40.8%;但我国今朝只有28.8%左右。
2.1.5、能源哄骗效率低初步分析讲明,到2050年我国煤炭供给能力的极限为1857Mtce、石油143Mtce、自然气239Mtce;经济可开发水能全数开发哄骗为260GW,年发电相当于229Mtce;再加上核电装机200GW,年发电量相当于360Mtce;可再生能源370Mtce,因而一次能源总供给能力约3200Mtce。但若是按今朝年夜量增加能源消耗来支持经济的增加,则2050年一次能源需求约为6000Mtce。显然,这是不成能的,也是不应当的,必需靠勤俭能源这“第六能源”和新能源来解决可延续成长对能源的要求。
我国能源系统效率很低,以1992年为例:能源系统的总效率=32%(开采效率)*70%加工、贮运、转换效率)*41%(终端哄骗效率)=9,2%,不到蓬勃国家的1/2。为此必需依靠科学技术年夜力提高能源哄骗效率。能源是国平易近经济成长的重要物资根蒂根基,并与现代化休戚相关。首先是由于能源是现代生产的主要动力来历。现代化生产是建立在机械化、电气化、自动化根蒂根基上的高效生产,所有这些进程都要消耗年夜量能源,而且现代化水平越高,对能源质量和数目的要求也就越高。现代农业的机械化、水利化、化学化和电气化,也要消耗年夜量能源。从某种意义上说,人们的一切生活和生产勾当都是用能源换取来的。社会经济成长的历史证实,能源消费的增加与国平易近经济成长,有一定比例关系。而且可以用能源消费弹性系数来定量暗示:上述公式中的能源消费指的是能源的总消费量,它包括商品能源和非商品能源。工业蓬勃国家中非商品能源所占比重甚小,而成长中国家的非商品能源所占比重很年夜。例如,我国1979年非商品能源消费量在全国能源总消费量中占32%。然而,我们凡是所分析的能源消费弹性系数,主要是指国平易近经济成长与商品能源之间的关系。公式中的国平易近经济成长指标,在资本主义国家里,一般指国平易近生产总值。东欧一些国家,一直是指国平易近经济总产值,两者有一定差异。在我国历年的统计中,缺国平易近经济总产值的指标,一直以工农业总产值来暗示国平易近经济的成长。我国1954~1980年的历年能源消费弹性系数列于表4-1。从表可以看出,我国1977年之前的23年中,有16个年头的能源消费弹性系数年夜于1.0,6个年头小于1.0;1968年接近0。1963~1966年是年夜跃进以后的经济调全年份,年夜批能耗年夜的小土群下马能源生产和消费都年夜幅度下降,工农业总产值也年夜幅度削减,造成能源消费弹性系数远小于1.0。1977年以后的四年里,由于提高了对能源问题的熟悉,并调整了工业结构,使能源消费弹性系数小于1.0。我国从1980~2000年,预计工农业生产总值要翻两番,可是由于受资金、技术等身分的限制,能源只可能翻一番。这样,20年间能源消费年平均弹性系数只能为0.5。要实现这一国平易近经济成长方针,节能便成了举世注视的年夜事。国外的能源消费弹性系数,在1973年能源危机发生之前,除市场萧条、经济成长障碍的年份外,年夜大都工业蓬勃国家的能源消费弹性系数一般也都在1.0以上。例如,1962~1972年间,美国平均能源消费弹性系数为1.10,日本1.14,意年夜利1.76,加拿年夜1.20,前联邦德国和法国均为1.02,经济合作与成长组织列国平均为1.13。只有英国经济成长速度较低,同期能源消费年平均弹性系数为0.79。能源危机以后,工业蓬勃国家的能源消费弹性系数都年夜幅度下降。1972~1977年间,美国平均为0.12,前联邦德国0.05,法国0.23,加拿年夜0.38,日本0.41,意年夜利0.50。英国还泛起了负值(-0.75),即在能源消费下降0.9%的情况下,经济成长速度平均增加1.2%。但能源危机后,能源消费弹性系数其实不是每一年都小于1.0的。例如,1976年石油供给情况好转,石油价格趋于稳定的情况下,美国、前联邦德国、法国等的能源弹性系数都年夜于1.0。若是从成长中的变化来观察能源消费与经济增加的关系,最好是用能源消费(或生产)对于国平易近收进的弹性系数来暗示,即年平均能源消费增加率比上年平均国平易近收进增加率。分析历史资料以后可以看出,在工业化时代,年平均能源消费增加速度往往跨越年平均国平易近收进增加速度,即能源消费弹性系数年夜于1.0。在经济成长进进成熟期以后,生产向高精尖产物成长,能源消费增加不年夜,但产值增加很年夜,因而能源的弹性系数逐渐削减。不外,在一些蓬勃国家里,由于生活用能迅速增加(例如私人小汽车猛增、空和谐各类家用电器的普及),即使进进了经济成熟期,能源消费弹性系数也可能年夜于1.0。综上所述,不管从国内外经济成长与能源增加关系纪律看,仍是从我国能源成长潜力分析,以能源翻一番保工农业总产值翻两番的难度是很年夜的。能源在我国从此经济成长进程中,将是一个很重要的制约身分。第2.2节我国电力工业概况我国电力工业,开国五十年来取得了举世注视的伟年夜成就(表1)。项目年月194919891998200520102015电力装机GW1.85126.6277350~355436540世界顺位212  发电量TWh4.3584.611671614 世界顺位252   可是与国外电力工业相比有很年夜差距。
2.2.1、电气化水平很低1998年我国人均装机0.222kW,人均发电量只有927kWh,为世界平均值的1/3,为蓬勃国家的1/6~1/10,还有6000万人左右没有用上电;电能在终端能源消耗中的比例低,发电用煤炭消耗占煤类产量的比例远低于蓬勃国家。
2.2.2、单机容量小,供电煤耗高我国200Mw以下机组占火电装机的58%,1997年全国平均供电煤耗408g/kWh,比世界进步前辈水平高70~80g/kWh;
2.2.3、电网亏弱,供电靠得住性差
持久以来,投资结构不合理(表2),使主网尤其城网、农网亏弱,输配电容载比低、线路“瓶颈”处多;陈旧低效装备多,仅64、73型高耗能变压器全国有20GVA待更换;线损高,比进步前辈国家高2~3个百分点。1995年全国电网线损率为8.77%,其中110kV及以下配网损失占60%;供电靠得住性与国际水平差距年夜(表3)。
表2主要国家发、输、配电工程投资比国家北美、英、日法国EDF中国“八五”时代投资比例1:(0.43~0.47):
(0.6~0.8)1:0.67:1.61:0.23:0.2表3各主要城市供电靠得住性比力国家(城市)巴黎、伦敦东京英国中国年夜连、烟台供电靠得住性99.989~99.9999.99799.9799.72499.85年平均停电时间分钟50~581015714517882.2.4、实现可延续成长情况问题压力年夜我国是世界上少有的几个以煤炭为主要一次能源的国家,动力煤灰份高(28~30),含硫量年夜于)1%的煤炭占40%,发电能源组成中,煤电比例年夜,1995年为76.0%,由于经济、技术及情况尺度等多方面缘由,烟气除尘效率低,SO2排放处失控状态,我国酸雨面积已占河山面积的1/3。1997年统计,6MW及以上火电厂SO2排放约6.83Mt约占全国工业排放量的30%。是以接纳政策、技术、经管各方面的措施,实现防治连系、综合治理、提高能效、控制污染的方针,成为电力工业可延续成长的关头问题。
电力是通往强国富平易近、可延续成长的桥梁,虽然近几年,由于全国经济结构的调整,使电力供需矛盾得以缓和,但这是用电低水平下的暂时缓和,进进21世纪后,为知足新世纪国平易近经济成长的需要,电力工业势必较快成长。
江泽平易近同志在《准确处置社会主义现代化建设中的若干重年夜关系》1995.9.28)中指出:“在现代化建设中,必需把实现可延续成长作为一个重年夜战略。要把控制生齿、节能资本、庇护情况放到重要位置,使生齿增加与社会生产力的成长相顺应,使经济建设与资本、情况相协调,实现良性轮回。”为实现这个方针,年夜力成长高效、洁净的“绿色电力”,必需成为下世纪我国电力工业成长的主旋律。第3章磁硫体发电的基来源根基理第3.1节什么是磁流体发电当前,世界列国的电力主要来历仿照照旧是火力发电,可是,这类发电方式的热效率很低,最高只有40%,浪费了年夜量的燃料,而且发生的废气、废渣污染情况。是以,人们要追求和研制各类新型的发电方式,而磁流体发电经实践证实是一种靠得住的新发电技术,可以将燃料热能直接酿成电能。本世纪50年月末期,人们发现若是将高温、高速流动的气体经由过程一个很强的磁场时,就能发生电流。后来,在此根蒂根基上就成长成为一种发电新技术,这就是引人注目的“磁流体发电”。所谓"磁流体发电技术",就是用燃料(石油、自然气、燃煤、核能等)直接加热成易于电离的气体,使之在2000℃的高温下电离成导电的离子流,然后让其在磁场中高速流动时,切割磁力线,发生感应电动势,即由热能直接转换成电流,由于无需经过机械转换环节,所以称之为"直接发电",其燃料哄骗率获得显著提高,这类技术也称为"等离子体发电技术"。
为什么叫"磁流体"呢?这要追溯到160年前,1831年,英国著名物理学家法拉第发现的电磁感应现象,人们就是凭据这一现象,哄骗导电固体(金属)在磁场里高速运动发生的电动势,制成了发机电,这就是常规的发电方式。若是经由过程磁场的导体是气体或液体(叫导电流体),哄骗这类导电流体和磁场相互作用而发电,就叫"磁流体发电"了。磁流体(又称磁性液体、铁磁流体或磁液),是由强磁性粒子、基液(也叫媒体)和界面活性剂三者夹杂而成的一种稳定的胶状溶液。该流体在静态时无磁性吸引力,当外加磁场作用时,才浮现出磁性。磁流体发电是一种新型的高效发电方式,其界说为当带有磁流体的等离子体横切穿过磁场时,按电磁感应定律,由磁力线切割发生电;在磁流体流经的通道上安装电极和外部负荷毗连时,则可发电。那末,高温、高速流动的气体经由过程磁场时,为什么会发生电流呢?原来,这些气体在高温下发生电离,泛起了一些自由电子,就使它酿成了能够导电的高温等离子气体。凭据法拉第的电磁感应定律,当高温等离子气体以高速流过一个强磁场时,就切割了磁力线,因而就发生了感应电流。为了使磁流体具有足够的电导率,需在高温文高速下,加上钾、铯等碱金属和加进微量碱金属的惰性气体(如氦、氩等)作为工质,以哄骗非平衡电离原理来提高电离度。前者直接哄骗燃烧气体穿过磁场的方式叫开环磁流体发电,后者经由过程换热器将工质加热后再穿过磁场的叫闭环磁流体发电。燃煤磁流体发电技术--亦称为等离子体发电,就是磁流体发电的典型运用,燃烧煤而获得的2.6×106℃以上的高温等离子气体并以高速流过强磁场时,气体中的电子受磁力作用,沿着与磁力线垂直的标的目的流向电极,发出直流电,经直流逆变为交流送进交流电网。磁流体发电自己的效率仅20左右,但由于其排烟温度很高,从磁流体排出的气体可送往一般汽锅继续燃烧成蒸汽,驱动汽轮机发电,组成高效的联合轮回发电,总的热效率可达50~60,是今朝正在开发中的高效发电技术中最高的。一样,它可有用地脱硫,有用地控制NOx的发生,也是一种低污染的煤气化联合轮回发电技术。在磁流体发电技术中,高温陶瓷不仅关系到在2000~3000K磁流体温度能否正常工作,且触及通道的寿命,亦即燃煤磁流体发电系统能否正常工作的关头,今朝高温陶瓷的耐受温度最高已可到达3090K。第3.2节磁流体发电基来源根基理及实现3.2.1、磁流体发电的原理凭据电磁感应原理,用导电流体(气体或液体)与磁场相对运动而发电。磁流体发电按工质的轮回方式分为开式轮回系统、闭式轮回系统和液态金属轮回系统。最简单的开式磁流发机电由燃烧室、发电通道和磁体组成。工作进程是:在燃料燃烧后发生的高温燃气中,加进易电离的钾盐或钠盐,使其部门电离,经喷管加速,发生温度达3000℃、速度达1000米/秒的高温高速导电气体(部门等离子体),导电气体穿越置于强磁场中的发电通道,作切割磁力线的运动,感生出电流。磁流体发机电没有运动部件,结构紧凑,起动迅速,情况污染小,有很多优点。出格是它的排气温度高达2000℃,可通进汽锅发生蒸汽,推动汽轮发机电组发电。这类磁流体-蒸汽动力联合轮回电站,一次燃烧两级发电,比现有火力发电站的热效率高10-20,节省燃料30,是火力发电技术改造的重要标的目的。磁流体发电的研究始于20世纪50年月末,被认为是最现实可行、最有竞争力的直接发电方式。它触及到磁流体动力学、等离子物理、高温技术及材料、低温超导技术和热物理等领域,是一项年夜型工程性课题。许多进步前辈国家都把它列为国家重点科研项目,有的建立国际间协作关系,以期早日突破。从发电的机理上看,磁流体发电与普通发电一样,都是凭据法拉第电磁感应定律获得电能。所分歧的是,磁流体发电是以高温的导电流体(在工程技术上经常使用等离子体)高速经由过程磁场,以导电的流体切割磁感线发生电动势。这时候,导电的流体起到了金属导线的作用。磁流体发电中所采用的导电流体通常为导电的气体,也能够是液态金属。我们知道,常温下的气体是尽缘体,只有在很高的温度下,例如6000K以上,才能电离,才有较年夜的导电率。而磁流体发电通常为采用煤、石油或自然气作燃料,燃料在空气中燃烧时,即使把空气预热到1400K,也只能使空气到达3000K的温度,这时候气体的导电率还不能到达所需的值,而且即使再提高温度,导电率也提高不了几多,却给工程带来很年夜坚苦。那末若何使气体在较低的温度下就能导电,并有较高的导电率?现实中采用的法子是在高温燃烧的气体中添加一定比例的、容易电离的低电离电位的物资,如钾、铯等碱金属化合物。这类碱金属化合物被称为“种子”。在气体中加进这类低电离电位物资的量一般以气体重量的1为佳。这样气体温度在3000K左右时,就能到达所要求的导电率。当这类气体以约1000m/S的速度经由过程磁场时,就能够实现具有工业运用价值的磁流体发电。磁流体发电是一种新型的发电方式。它把燃料的热能直接转化为电能,省略了由热能转化为机械能的进程,是以,这类发电方式效率较高,可到达60%以上。一样烧一吨煤,它能发电4500千瓦时,而汽轮发机电只能发出3000千瓦时电。对情况的污染也小磁流体发电中,导电流体单元体积的输出功率We
We=σv2B2k(1-k)式中σ为导电流体的电导率,v为流体的运动速度,B为磁场的磁通密度k为电负载系数。典型的数据是σ=10~20西/米,B=5~6特,v=600~1000米/秒,k=0.7~0.8,We在25~150兆瓦/米3。80年月后期,世界上技术最早进的磁流体发电装配是莫斯科北郊U-25装配。它是以自然气作燃料的开环装配,额定功率为20.5兆瓦。3.2.2、磁硫体发机电的实现磁流体发机电由燃烧室、发电通道和磁体等部门组成。燃料在燃烧室中燃烧,发生出温度很高(约3000K)的等离子体,在燃烧室的结尾装有加速喷管,使高温等离子体以约1000米/秒的速度喷出,并穿越发电通道。在发电通道的水平标的目的上放置一对磁极,在竖直标的目的放置一对电极。由于高速运动的等离子体垂直地穿过磁场,作切割磁感线运动。在洛伦兹力的作用下,带正电的离子移向正电极,而电子移向负电极,因而在南北极上就形成了很高的电势差。当与外电路接通时,负载上就有电畅通流畅过。可见,在磁流体发机电中,等离子体作为导电流体,在磁场的作用下,实现了热能直接转化为电能,可输出壮大电流。磁流体发机电所依据的基来源根基理就是霍耳效应。当处于高温高速的等离子气体经由过程导电管时,若是在垂直于气流的标的目的上加有磁场,则气体中的正负离子,由于遭到洛伦兹力的作用,将沿着既垂直于磁场标的目的又垂直于流速标的目的,划分朝着两侧反相偏移,成效在导电管两侧的电极上建立起电势差,从而可由电极上获得接连输出的电能。带电粒子在磁场中运动是遭到磁场的作用力称为洛伦慈力,洛伦磁力的标的目的可用佛莱明左手定章来判定。新型的磁流体发机电就是凭据洛伦慈力发生磁偏转的原理制成的。将高温等离子体喷射进磁场,在洛伦慈力的作用下,等离子体中带正电和带负电的粒子将向相反标的目的运动,聚集在磁场中的两个电极上,使两电极之间发生电势差,从而将等离子体的内能直接转化为电能如图二所示。等离子体是在高温下电离的气体,由离子,电子和未经电离的中性粒子组成。由于正负电荷密度几近相等,所以从整体上看显现电中性。在磁流体发机电中,气流的温度高达2~3×103oC,气流喷射的速度可达800米/秒~1000米/秒。气流中还混有约1的侵蚀性极强的电离剂(钾离子)。这就要求电极材料既要能耐高温,经得起高速离子的不竭冲击,还要能抗钾离子的侵蚀。另外,磁流体发机电启动速度快,以焚烧启动到满负载工作只需几十秒钟。这要求电极材料能承受骤冷骤热的急剧变化。陶瓷是新兴工业材料之一,它能抗侵蚀、耐高温、硬度高、能承受冷热骤然变化,尽缘性能也很好.若是能使陶瓷在不改变其它优良性能的同时成为电的良导体,那末,这类能导电的陶瓷作为磁流体发机电的电极材料就很是理想了.经过量年的起劲,这类导电陶瓷已被研制成功了.氧化锆陶瓷是一种具有陶瓷各类优秀性能的工业材料,在氧化锆陶瓷中加进10的氧化钇,制成一种耐高温、抗氧化的复合氧化物陶瓷,这类复合氧化物陶瓷具有优秀的导电性能,它能像金属一样把电能转变为热能、光能,能耐2000oC以上的高温,且寿命在1000小时以上。导电陶瓷的研制成功使磁流体发机电的研究工作前进了一年夜步。近几年,一位以色列科学家发现了液态金属磁流体发机电。它巧妙地避开了难以克服的“高温坚苦”。这项新技术的特点是抛却带来许多工程坚苦的高温等离子体而以低熔点液态金属(如钠和钾、锡、水银等)为导电液体。由于液态金属粘滞性较年夜,故在液态金属中掺进易挥发的流体(如甲苯、乙烷、水蒸气等)这些液体一旦加进液态金属中,马上沸腾成气泡,膨胀的气泡向多级活塞泵一样推动液态金属快速流过发电管道。这类低温磁流体发机电不仅连结了等离子体磁流体发机电的优点,而且可以使用低热源发电。同时,由于低熔点金属、易挥发液体种类较多,选择余地打,价格也不回。从实验装配运行的情况估算,成本比今朝商业用电还略低,若在工业生产中哄骗工场废热发电,则成本可进一步下降。磁流体发机电由燃烧室、发电通道和磁体三个主要部件组成。如图2所示的是最简单的磁流体发机电的结构示意图。燃烧室是燃料燃烧的地方,燃烧所发生的高温气体经喷管提高流动速度,以高温高速进进发电通道,切割磁感线发生电磁感应。这类燃烧室与一般工业用燃烧室相比,具有温度高、体积小、热效率高等特点。但由于加进了低电离电位物资,这就要求燃烧室能耐碱金属的侵蚀。发电通道是磁流体发机电的焦点部件。发电通道由尽缘壁和电极组成。当高温导电气体经由过程发电通道时,切割磁感线,电极壁的南北极就形成电动势,把电离气体的热能转换成电能输出。用以发生磁场的磁体由铁芯、电磁铁或超导线圈组成。在现实发电中,一般磁感应强度要求到达6~8T。若是采用空心铜导电磁体,当磁感应强度跨越1.5T时,励磁功率就随磁场的增年夜而急剧增加,净输出功率反而减小。现在高温临界温度超导体的研究给磁流体发电带来了新的希看。由于只有采用几近不需要消耗励磁功率的超导体,磁流体发电才能有高效率。磁流体发电是20世纪50年月末起头进行实验研究的一项新技术。磁流体发机电的电动势是等离子体经由过程磁场时,其中正、负带电粒子在磁场作用下相互分手而发生的。在普通发机电中,电动势是由线圈在磁场中转动发生。为此必需先把低级能源(化学燃料或核燃料)燃烧放出的热能经过汽锅、热机等酿成机械能,然后再酿成电能。在磁流体发机电中,是哄骗热能加热等离子体,然后使等离子体经由过程磁场发生电动势而直接获得电能,不经过热能到机械能的转变,从而可以提高热能哄骗的效率。这是磁流体发电的特点,也是人们对它感乐趣的主要缘由。在燃烧室中哄骗燃料燃烧的热能加热气体使之成为等离子体(为了加速等离子体的形成,往往在气体中加一定量的容易电离的碱金属,如钾元素作“种子”),温度约为3000K。然后使等离子体进进发电通道,发电通道的两侧有磁极以发生磁场,其上、下两面安有电极。等离子体经由过程通道时,两电极间就有电动势发生。脱离通道的气体成为废气,它的温度依然很高,可达2300K。这废气可以导进普通发电厂的汽锅,以便进一步加以哄骗。废气不再收受接管的磁流体发机电称为开环系统。在哄骗核能的磁流体发机电内,气体—等离子体是在闭合管道中轮回流动频频使用的,这样的发机电称为闭环系统。磁流体发机电发生电动势,输出电功率的原理以下。如图2所示,设磁场沿–y标的目的,而等离子体以速度v沿–x标的目的流动。带电粒子在运动中要遭到洛伦兹力而上、下分手,此力的年夜小为f=qvb 这是一种非静电力,相当于一个非静电场强Ene的作用,而以l暗示两电极之间的距离。由于洛伦兹力的作用,正、负电荷将在上、下两电极堆集,因而在等离子体内又形成一静电场Es。以s暗示等离子体的电导率,以S暗示电极的面积 式中Esl为发机电南北极的端电压,V=Sl为电极间整体积。 此式当K=1/2时有最年夜值。是以,磁流体发机电的输出功率的最年夜值由下式决议:1959年,美国阿夫柯公司建造了第一台磁流体发机电,功率为115kW。尔后列国均有研究制造,美苏联合研制的磁流体发机电U-25B在1978年8月进行了第四次实验,气体-等离子体流量为2~4kg/s,温度为2950K,磁场为5T,输出功率1300kW,共运行了50小时。今朝许多国家正在研制百万千瓦的哄骗超导磁体的磁流体发机电。现在磁流体发机电制造中的主要问题是发电通道效率低,今朝只有10。通道和电极的材料都要求耐高温、耐碱侵蚀、耐化学烧蚀等,今朝所用材料的寿命都比力短,因而磁流体发机电不能长时间运行。第4章磁流体发电的有关问题第4.1节发电的效率问题若是高温的导电气体只用作磁流体发电,它的效率是比力低的。这是由于进进发电通道的导电气体温度一般要求在2800~3000K,导电气体切割磁感线后温度就下降。当温度降至2000K时,这些气体就几近不导电了,从而不能再用于磁流体发电。一般磁流体发电的进气温度为3000K,排气温度为2000K,这样其热效率最多能到达20。若何提多发电的效率?现实中,凡是将燃烧型磁流体发机电作为热轮回系统的第一级,与普通的蒸汽电厂组合起来,采用磁流体-蒸汽联合电站方式发电。即用磁流体发机电中温度高达2000K的排放气体发生蒸汽,按普通火力发电的形式再次发电。这样,总的热效率可到达50,理论值达60。而今朝火力电厂的热效率只有30~40。图3所示是开式磁流体-蒸汽动力轮回系统的示意图。第4.2节情况污染问题火力发电对情况的污染主要浮现为热污染和年夜气污染。热污染指的是火力电站运行中排出年夜量的冷却水,造成局部水域温度升高,从而致使水中生物的死亡,破坏生态平衡。年夜气污染指排烟中含有年夜量二氧化硫、氧化氮和尘埃酿成的空气污染。磁流体-蒸汽联合电站由于热效率高,由冷却水排出的热量比普通火力电站少30~50,是以削减了热污染。又由于在燃烧中加进了一些电离电位低的钾、铯等碱金属化合物,它与燃气中的硫经化学反应形成硫酸钾,在收受接管进程中被吸收,可起到脱硫作用,排气中能做到几近没有二氧化硫。至于排气中的氧化氮,可以经由过程低氧燃烧控制到允许值以下。可以说,磁流体-蒸汽联合电站发电的情况污染远小于火力发电。磁流体发电比一般的火力发电效率高得多,但在相当长一段时间内它的研制进展不快,其缘由在于陪伴它的优点而发生了一年夜堆技术难题。磁流体发机电中,运行的是温度在3、四千度的导电流体,它们是高温下电离的气体。为进行有用的电力生产,电离了的气体导电性能还不够,是以,还要在其中加进钾、铯等金属离子。可是,当这类含有金属离子的气流,高速经由过程强磁场中的发电通道,到达电极时,电极也随之遭到侵蚀。电极的迅速侵蚀是磁流体发机电面临的最年夜难题。另外,磁流体发机电需要一个壮大的磁场,人们都认为,真正用于生产规模的发机电必需使用超导磁体来发生高强度的磁场,这固然也带来技术和装备上的难题。第4.3节燃煤发电厂风机叶轮的耐磨工程陶瓷庇护技术问题排粉机和引风机的磨损,是持久困扰燃煤发电厂经营者和技术人员的棘手问题,并直接影响到了发电厂的平安运行和经济效益。传统的和现在普遍采用的:加焊防磨护板;堆焊各类耐磨材料;对叶片或护板进行渗碳、渗硼、多元共渗等概况改性处置;粘涂分歧的耐磨涂料;运用热喷涂的多项技术对叶片进行喷涂、喷焊强化处置等叶轮防磨技术,在风机运行的实践中起到了一定的作用。但因耐磨性欠安;叶轮几何尺寸、叶片型线得不到保证,运行效率有所下降;叶轮焊缝和母材中发生裂纹倾向不容易避免;叶轮中的残余应力不容易获得消除、给风机的运行带来重年夜平安隐患;实施条件受限,防磨质量难以保证;现场维护未便等多身分影响,其最终效果均不十分理想。由于工程陶瓷风机具有卓着的耐磨损性能,运行平安靠得住,效率高、能耗低,现场施工、维护利便,性能价格比高、运行费用低等优点,早在上世纪八十年月日本、美国、英国等西方工业蓬勃国家就前后成功地运用在了燃煤发电厂中,并正慢慢地取代采用传统防磨技术建造的耐磨风机。4.3.1、氧化铝陶瓷的性能据1997年世界列国对特种陶瓷需求的统计,氧化铝陶瓷(主要是哄骗所具有的高耐磨性、高硬度、高耐蚀性、高尽缘性和高强度性能)已占据了世界特种陶瓷市场份额的36左右。特种陶瓷与以粘土、长石、石英为主的自然原料,经破坏、成型、烧结工艺而制成的传统陶瓷存在本质的区分。具有机械、热、声、电、磁、光、超导等功能,由各类金属、非金属与氧、氮、碳经人工合成的无机非金属材料称为特种陶瓷。其中以力学、热学和化学性能为主的特种陶瓷称为工程陶瓷,以电、磁、光等功能为主的特种陶瓷称为功能陶瓷。随着现代科学技术的日新成长,陶瓷材料、金属材料和高份子材料已组成工程材料的三年夜支柱。从工程陶瓷的性价比等诸多身分综合斟酌,今朝运用在电厂风机叶轮上的陶瓷材料,在国内几近全数选用,其主晶相为α-Al2O3,Al2O3含量一般在90-95(Wt)范围的氧化铝陶瓷。α-Al2O3亦称为刚玉型结构,是氧化铝结晶型态中最稳定者。这类结构具有六方最密聚积的氧原子层,氧原子间的八面体配位的2/3空地空闲是由金属原子所填充。α-Al2O3为铝离子与氧离子形成离子连系键。离子键以正负离子间的静电作用力(库仑力)为连系力,没有标的目的性,只要求正负离子间排列尽量慎密地聚积而形成离子晶体。这类排列的最稳定能量状态使得异号离子间吸引力到达最年夜,而同号间离子间相互斥力为最小。由于铝离子的离子半径为M2O3中最小者(M:三价的金属元素),在与氧离子慎密连系时,便成为硬度最高的三价的金属氧化物。是以,氧化铝陶瓷与其他几种非氧化物陶瓷被称作超耐磨陶瓷。氧化铝陶瓷与金属材料比力,有以下主要的性能特点:硬度相当高,在10级莫氏硬度中为9级,仅次于金刚石。体积密度低,一般情况下只有钢的1/2左右。耐磨性、耐氧化性、耐侵蚀性和耐热性相当好。热膨胀系数和热导率较低。耐热冲击能力和延性差,几近不发生塑性变形。氧化铝的主要性能指标见表1。表1:氧化铝陶瓷Al2O395(Wt)的主要性能指标体积密度g/cm3硬度抗压强度MPa抗弯强度MPa热膨胀系数╳10-6mm/℃气孔率莫氏

HRA

3.6-3.79≥8624503306-8<0.14.3.2、氧化铝陶瓷的磨损实验哄骗氧化铝陶瓷的超耐磨性能强化庇护风机叶轮,其自己的硬度值不能周全地反映现实耐磨性,由于硬度究竟结果只是一个静态的力学参量,而且风机叶轮在交变运行中所承受的磨损则是一个动态进程。显然用静态参量不成能准确地描写出动态变化进程的本质纪律。从下面氧化铝陶瓷(Al2O395)与几种经常使用耐磨材料的比力磨损实验成效可以看出,材料的耐磨性与硬度有关,但硬度其实不是唯一的指标,只有耐磨性才是衡量材料耐磨损性能优劣的最终指标。4.3.3、往复磨粒磨损实验(1)试样简况:上试样A:氧化铝陶瓷87HRA上试样B:FeO5堆焊合金60HRC下试样C:SiC(GC240#)92HRA(2)实验主要参数:干态磨擦状态;每种上试样每次实验时间t=30min/次,每隔15min更换一次下试样工作概况;往复运动单程长度L=60mm,每种上试样累积行程L=288M;实验固定载荷P=19.8N。(3)实验成效:试样编号试样材料磨损失重量(mg)相对耐磨性A氧化铝陶瓷2.251.0BFeO5堆焊合金23.1210.34.3.4、喷射型冲蚀磨损实验(1)试样简况:试样A:氧化铝陶瓷87HRA试样D:Q345钢155HB试样E:Deloro50耐磨合金52HRC(2)实验主要参数:气体压力P=0.5-0.6Mpa;喷射距离S=100mm;喷嘴直径φ=8mm;喷射时间t=1min;磨料为20-60目的棕刚玉;冲蚀角θ=20º。(3)实验成效:试样编号试样材料冲蚀率(mg/g)相对耐磨性A氧化铝陶瓷1.781.0DQ345钢65.1236.6EDeloro50耐磨合金26.2514.84.3.5、干砂橡胶轮式磨粒磨损实验(1)试样简况:试样A:氧化铝陶瓷87HRA试样D:Q345钢155HB试样F:火焰喷焊Ni60WC25合金62HRC(2)实验主要参数:试样装机均预磨t=2min;实验磨损时间t=10min;胶轮转速n=200r/min;实验载荷P=170N;棕刚玉粒度50-70目。(3)实验成效:试样编号试样材料磨损量平均值(g)相对耐磨性A氧化铝陶瓷0.0381.0DQ345钢2.83474.6

F

Ni60WC25喷焊层

0.57215.1从三种磨损实验成效,可以看出:在往复磨粒磨损实验条件下,氧化铝陶瓷的耐磨性能是FeO5堆焊合金的10倍。在喷射型冲蚀磨损实验中,冲蚀角θ=20º条件下氧化铝陶瓷的耐磨性是叶轮经常使用钢Q345的36倍以上;是Deloro50耐磨合金的近15倍。在干砂橡胶轮式磨粒磨损实验条件下,氧化铝陶瓷的耐磨性是Q345钢的约75倍;是采用氧乙炔焰喷焊Ni60WC25自熔合金喷焊层的15倍。必需强调的是,燃煤发电厂的引风机、排粉机叶轮的磨损通常为冲蚀磨损和磨粒磨损联合作用的成效。(这里不斟酌侵蚀所发生的影响)。这类联合形式的磨损是一个很复杂的进程,遭到介质速度、温度、介质种类和浓度、介质粒度和外形、巧合件材料的性质、冲蚀角度、叶轮几何结构等诸多身分影响。各身分之间相互制约,因而给有关的实验研究和分析判断带来了许多坚苦。而以上几种耐磨材料和氧化铝陶瓷的磨损实验成效及相对耐磨性的关系,只是凭据在实验室里单一的一种磨损类型条件下得出的,其实不能证实这些耐磨材料在电厂风机叶轮运用中所代表的其最终耐磨性。由于风机叶轮的现实磨损机理比理论上和假设的磨损机理复杂得多,显然,即使在很是传神,且可以切确控制的实验室条件下,也不成能准确地到达同叶轮磨损的现实工况完全一致的条件和成效。是以,任何一种耐磨材料在电厂风机叶轮上的最终现实业绩,才是有说服力的最好验证。而上面三个磨损实验成效,仅仅是一个重要的提醒:氧化铝陶瓷在电厂风机叶轮运行工况下的耐磨性,应当比其它几种经常使用耐磨材料的要高出很多倍。4.3.6、工程陶瓷叶轮的关头技术由于工程陶瓷与金属两者的原子键结构有本质上的差异,加上工程陶瓷自己特殊的物理化学性能,把具有优良耐磨性的工程陶瓷与金属毗连起来存在着很多的坚苦,尤其是对于高转速、年夜直径、重载荷、承受一定的温度和振动、承受持久磨损的电厂风机叶轮与工程陶瓷的毗连,迥然有别于电子工业中,工程陶瓷与金属的毗连——“封接”技术。今朝,工程陶瓷与风机叶轮的毗连主要是两种形式。4.3.7、镶焊法和焊接法镶焊法现实上是将工程陶瓷与叶轮,采用焊接,机械和粘接复合型毗连的一种方式。镶焊有工程陶瓷的叶轮,工作温度可达数百度。这方面的有关技术资料几近未见报道。但从电厂现实运行中搜集到的一些信息来看:这类毗连形式,决议了工程陶瓷块的厚度一般年夜于6mm,加上钢制毗连附件,一台风机叶轮所增加的重量几近与采用δ=6mm的钢护板相当。因镶焊结构形式和工程陶瓷块最小厚度的限制,陶瓷块在一定温度和叶轮的高速转动中,易发生开裂和脱落的现象,见附页图1所示,甚至造成叶轮振动值超标等晦气影响。对于离心式的排粉机叶轮,由于前后盘间距小,叶片狭长的缘由,对整体叶轮在现场条件下基本没法实施防磨处置,维护也很坚苦。镶焊工艺较复杂,工期较长,防磨成本也高。至于焊接法,工程陶瓷与金属可以采用钎焊法,固相法来进行毗连。有资料讲明,采用焊接来建造工程陶瓷耐磨叶轮工艺极为复杂,成本很昂贵,其性能价格比无什么优势可言,在国内电厂生产现实中,迄今还未见实物运行业绩的相关报道。4.3.8、粘接法由于无机胶粘剂韧性指标不足,且接头的形式遭到一定的限制,虽然它可以承受数百度以上的高温,但今朝国内几近都是采用有机胶粘剂来对工程陶瓷与承受动载的风机叶轮进行毗连。无机胶粘剂用于工程陶瓷与非动载金属构件的毗连则屡见不鲜。采用有机胶粘剂在风机叶轮上粘接工程陶瓷的年夜致工序为:新叶轮(旧叶轮:状态检查,补焊修复和打磨矫形)——焊缝外观处置——防磨区概况预处置——防磨区涂布胶粘剂——工程陶瓷涂布胶粘剂——工程陶瓷粘贴、挤压、固定——保温(加热)固化——粘接质量检查——耐磨陶瓷叶轮。显然,粘接法远比镶焊法和焊接法的工艺简捷、利便及灵活,因而防磨成底细对较低,且完全可以进进现场进行施工。4.3.9、粘接法的技术难点和关头技术氧化铝陶瓷的热膨胀系数是风机叶轮经常使用钢Q345热膨胀系数的60左右(α=6.6×10-6-1、α=10.99×10-6-1、T=20℃--200℃)。在一般正常的工况条件下,排粉机的工作温度<100℃,引风机的工作温度<150℃。按150℃的温度变化的范围计较,一个10mm×10mm×1.5mm的氧化铝陶瓷元件与Q345叶片间的最年夜位移量仅为6.585×10-3mm(约6.6μm)。以一台中型排粉机叶轮为例,一片叶片约需粘贴1.2×105mm2的氧化铝陶瓷,而此时两者之间的位移量或应力是必需应当斟酌息争决的问题。而怎样保证高速旋转叶轮上粘贴的氧化铝陶瓷在很年夜的离心力和一定强度的振动作用下,不发生脱落。若何避免氧化铝陶瓷这类脆性材料在冲蚀角900四周,其抗冲蚀磨损性能的下降,也是难题。经由过程不竭提高胶粘剂中主体聚合物的性能,改善辅助组合(如固化剂、促化剂、偶联剂、防老化剂和增塑剂)与主体粘料间的最好互溶性之配比,出格是在确保胶粘剂具有足够的拉伸强度和拉伸剪切强度的条件下,成功地依靠进步前辈的活化韧性因子技术,并凭据《胶粘剂拉伸剪切强度测定方式》(GB7124—86),《胶粘剂对接接头拉伸强度的测定》(GB/T6329—1996),和参照《胶粘剂剪切冲击强度实验方式》(GB/T6328—1999),在各类温度条件下,进行了无数次的胶粘剂的力学性能检验,附图2为实验人员正在对含有活化韧性因子胶粘剂的拉伸剪切强度试样做力学性能测定。经太长达七年多时间在50MW—300MW机组的现实运行和业绩验证,成功研制的高强度、高韧性航空级MD—Ⅲ型胶粘剂,其粘接强度指标完全可以胜任风机叶轮的工况要求。其独有的高韧性足以吸收两种材料在一定温度变化时所发生的位移量或减缓由此引发的应力峰值。此外减小和阻隔位移量或应力,则又是经由过程最好量化设计氧化铝陶瓷元件的几何尺寸来进一步实现的。而叶轮上耐磨层若干氧化铝陶瓷元件间的裂缝的存在,尽不会影响防磨效果,实践证实它的存在是必需。经由过程观察和分析,可以看到各类风机的叶片,仅限于在叶片进气边的端部才遭到θ=90O左右的气固两相流冲蚀磨损的情况。为此特制的加厚流线型氧化铝陶瓷元件,既成功地将叶片进气边端部的冲蚀角度年夜年夜减小,使得该处抗冲蚀磨损能力年夜幅度提高,又巧妙地哄骗了叶轮旋转时离心力的作用以避免它的脱落,而且有用地涣散了高速粒子流的冲击能量。综上所述,氧化铝陶瓷粘接法是提高燃煤电厂风机叶轮耐磨寿命的一项平安靠得住和效果十分显著的防磨技术,而具有高性能的航空级MD—Ⅲ型胶粘剂则是该技术中的焦点内容。4.3.10、工程陶瓷叶轮的抗磨损性能在燃煤电厂的风机叶轮上,不管是堆焊各类耐磨焊道(层)和硬质合金防磨层,粘涂各类耐磨涂料,仍是对其渗碳、渗硼和多元共渗处置,喷涂高硬度的丝材和合金粉末,喷焊镍基碳化钨自熔合金,叶轮的耐磨寿命都远不及采用了超耐磨陶瓷庇护的叶轮寿命。迄今为止,在所有实施的风机叶轮防磨方案中,不争的事实与业绩均清晰地证实,最好的方案,非耐磨工程陶瓷庇护技术莫属。这在以上的磨损比力实验成效,和以下一组采用超耐磨陶瓷庇护叶轮的运行业绩实物图片中,足可佐证:图3:300MW机组,Φ=2150mm排粉机叶轮,采用氧化铝陶瓷进行防磨处置,运行2年2个月后,停机检修时,维护人员仅对其中一片叶片靠近后盘角焊缝50mm×10mm的小范围进行了现场修复性补助后,叶轮又可以立即投进运行。(图中叶片与后盘角焊缝中段颜色较深部位为修复处)图4:300MW机组,SAF28—16—1轴流式引风机,采用氧化铝陶瓷强化庇护处置的动叶片,经过2年4个月运行,叶片压力面(工作面)磨损甚微,预计还可继续运行约一个年夜修期(叶轮最高工作温度Tmax<175℃)。图5:125MW机组,Φ=2520mm的离心式引风机叶轮,经过3年8个月的运行,其中叶片工作面上的氧化铝陶瓷基本无缺无损(叶轮最高工作温度Tmax<175℃)。图6:200MW机组,Φ=2020mm,n=1500r/min的排粉机叶轮,运行3年4个月后,叶片工作面及角焊缝上氧化铝陶瓷的磨损描摹第4.4节工程陶瓷叶轮的平安靠得住水平4.4.1、无热应力和裂缝发生风机叶轮传统采用的电弧和碳弧堆焊及火焰喷焊等均属“热态”防磨技术。如电弧弧柱区温度高达4500℃——7800℃,焊条熔滴的平均温度为1800℃——2400℃,氧乙炔中性焰温度有2700℃——3200℃,而最低的镍基自熔合金粉末的熔点也在1000℃以上。在实施防磨的进程中,叶轮防磨区域瞬间高温受热,到达或接近融化状态,随后快速冷却结晶,形成耐磨焊道、焊层和喷焊层,同时也必然在叶轮中发生了应力或变形,而应力是形成各类裂纹的主要身分之一。在金相组织状态,拘束度和温度等条件的相互作用下,应力值到达一按时,便会发生裂缝。而当存在的应力与叶轮的工作应力叠加时,便增加了叶轮所承受的应力水平,下降了叶轮的强度平安裕量和叶轮的承载能力。这类情况对采用上述技术在电厂现场对叶轮进行防磨后,又不成能有条件进行整体消除应力退火处置时,浮现最为突出。若是在整体叶轮叶片的护板上进行堆焊或喷焊,护板与叶轮部件间的联系焊缝上发生的宏观裂纹略加注重一般都容易被发现。若是在护板内侧,叶片与前、后盘的工作焊缝或机翼型叶片内部各筋板的焊缝中泛起宏观裂纹,则几近是不会被发现的,而由此所引发的风机运行平安事故屡有发生。采用氧化铝陶瓷“冷态”防磨技术来强化庇护风机叶轮,尽不成能发生由任何热应力所诱发的裂纹,从基本上避免了热应力带来的一切风险。4.4.2、几近不影响叶轮平衡,平安靠得住某电厂3×200MW机组的排粉机叶轮,Φ=2170mm,加焊δ=8mm的Q345钢护板,并在护板上堆焊耐磨层。一片叶片上的防磨区域为1963.5cm2,每片叶片的护板重量约12.3Kg(未计护板上的耐磨层及护板与叶片毗连焊缝的重量)。3#炉乙侧叶轮的叶片与护板进口端部的毗连焊缝,在叶轮运行2个半月后便完全被磨损失落,并形成了危险性的启齿状空地空闲。而1#炉乙侧叶轮,除叶片和护板进口端部毗连焊缝被磨失落外,护板与叶片和后盘的角焊缝磨损也十分严重,因未能实时停炉检查和补焊,不到2个半月,便致使运行中叶轮的一块年夜于1/2防磨护板突然被撕裂并脱落,叶轮失往平衡,振动急剧增年夜,若不是紧急停机,险些造成重年夜的平安事故。图7是残留在叶片上的防磨护板情况。凭据多年的实践经验,只要有关人员认真按工艺要求操作,严酷执行MD—Ⅲ型胶粘的配比量,精心施工,叶轮在正常情况下运行,氧化铝陶瓷元件就不成能发生脱落。但不破除在异常情况下个体氧化铝陶瓷元件脱落的现象。若是一片叶片的防磨区域仍是1963.5cm2,陶瓷元件的厚度为1.5mm,则每片叶片上仅增加重量为1963.5cm2×0.15cm×3.68g/cm3=1.08kg。若一片叶片上意外地脱落10块氧化铝陶瓷元件,这也只有5.5g的重量对叶轮的平衡发生影响。由于氧化铝陶瓷元件最小单元的面积只有1cm2,质量只有0.55g,所以说,这项技术在防磨性能上具有优越性和接连性,在预防剥离和脱落方面又有隔离性。叶轮在运行中万一发生几块陶瓷元件脱落,对叶轮平衡影响的水平可以疏忽不计。第4.5节工程陶瓷叶轮的效率和能耗4.5.1、不发生任何变形、保证风机效率风机叶轮粘贴超耐磨陶瓷元件属于“冷态”防磨技术。若是叶轮未受损坏或磨损甚微,可以若干次地对其进行防磨处置。这类“冷态”防磨技术的最年夜特点就是:经过防磨处置后的叶轮几何尺寸,出格是叶片的原始型线不会由此而发生任何变形,从而保证了风机原来的流体力学特征和高效率始终如一。在叶轮容易磨损的区域(一般需作适当的扩年夜处置),牢牢地贴合了很薄的氧化铝陶瓷元件(一般厚度为1.5mm),这比起加焊较厚的防磨钢护板(一般厚度≥8mm),或采用镶焊法贴合较厚的陶瓷元件及金属附件来(一般总厚度为7—10mm),前者基本上不会改变叶轮中狭窄的流道尺寸,保证了流道中的气固两相流的流动通顺。也不会发生由于在叶片或护板上堆焊有一定高度的各类型线的耐磨焊道,凹凸不服的合金堆焊层,在流体经由过程时形成的气流分手损失现象,避免了流动损失和改善了流动效率。4.5.2、增重少、能耗低仍以上述的排粉机叶轮为例,15片叶片上若加焊δ=8mm的护板,则一台叶轮的自重要增加1963.5cm2×0.8cm×7.85g/cm3×15=185kg。显而易见,采用加焊防磨护板来解决叶轮的磨损问题的另外一个弊端,会使得叶轮的转动惯量增年夜,也响应地增加了风机的轴功率及耗电量。而统一台叶轮采用粘贴氧化铝陶瓷防磨,所增加的重量仅仅只有1.08Kg/×15片=16.2Kg,还不及前者的十分之一。第4.6节工程陶瓷叶轮的现场施工和维护4.6.1、现场施工质量有保证如前所述,在现场对叶轮整体进行电弧和碳弧堆焊或火焰喷焊防磨后,叶轮必然会发生热应力和变形。热应力可以对叶轮整体进行消除应力退火予以解决,但现场的条件往往不具有。叶轮的变形,尤其是叶片型线的改变在没有工装夹具、压力装备及胎模具的条件下,几近是没法矫正的。这样势必会对风机的运行带来平安隐患和晦气影响。固然如采用高速电弧、超音速电弧和超音速火焰喷涂对叶轮作防磨处置其发生的热应力和变形甚微,但引风机叶轮尤其是排粉机叶轮的耐磨效果仍不较着。须指出的是对于各类类型的年夜中型引风机叶轮,不管是运用堆焊、喷焊技术、仍是运用丝材、粉末喷涂技术,在一般情况下,电焊钳、喷枪与叶片间的距离,角度的空间位置不受什么限制,防磨工艺可正常实施。可是对于小型的离心式引风机叶轮,出格是排粉机叶轮,叶片之间的距离太小,叶片狭长,流道过窄,在后向型叶片工作面进口相当长的一段范围,形成了一个视觉盲区,任何一种“热态”防磨技术都无能为力。要末因焊条、碳棒的长度和运条角度受限,没法施焊,要末因喷嘴与叶片的距离、角度缘由,没法上粉和进行重熔,加上操作者也没法进行观察,致使该范围的防磨不成能实施或基本不能保证防磨的质量要求,采用氧化铝陶瓷庇护技术,几近不受叶片间距,贴粘角度条件的局限。只要在操作者手臂可以接触和到达的范围,即可实现陶瓷元件的粘贴,并能确保施工质量。在这一点上,它比任何一种“热态”防磨技术都具有优势。显然对于磨损最严重,空间位置狭窄的排粉机叶轮实施防磨,氧化铝陶瓷庇护技术简直有着独到的地方。4.6.2、现场施工、维护利便运用氧化铝陶瓷庇护技术对风机叶轮进行防磨,无须年夜型和复杂的机电装备,只需一个高约800mm略小于叶轮直径的巩固平台或铁框架放置叶轮,在有电源的地方即可,几近不受现场条件的限制。该项技术十分便于在现场施工。在机组停炉检修时若发现有问题维护起来也很利便,如图3及所述。而图8系一台300WM机组的轴流式引风机,姑且停机检修时,发现叶轮的动叶片由于未经任何防磨处置,已有轻细磨损痕迹。应电厂之邀,服务人员赶赴现场,仅用2天多时间,便对全套动叶片进行了氧化铝陶瓷的粘贴,实时地解决了用户的燃眉之急。图为其中几片动叶片压力面粘贴好氧化铝陶瓷元件后的原始耐磨层概况情况。4.6.3、工程陶瓷叶轮的最高工作温度限制凭据燃煤电厂风机叶轮运行的特点和温度条件,在一般正常的工况下,排粉机叶轮的工作温度T=70℃—80℃,引风机叶轮的工作温度T=130℃—150℃。是以在研制和推行运用超耐磨氧化陶瓷庇护技术的进程中,必需周全和准确地评价MD—Ⅲ型胶粘剂的各项技术指标,除要评定其各项性能,如粘合性能、韧性强度、耐年夜气老化、耐介质性能和工艺性能之外,MD—Ⅲ型胶粘剂的耐热性则是一项相当重要的考核指标。该胶粘剂的耐热性是经充实固化后自己的热机械性能(脆化温度Tb,玻璃化温度Tg,及粘接温度Tf)和在空气中的热氧化稳定性(材料的分化温度Td)这两种身分配合决议的。依据MD—Ⅲ型胶粘剂的各项实验成效,经由过程对本项技术运用在发电厂风机叶轮中的持久跟踪考查和现实运行业绩验证,斟酌到一定的平安系数,最终的结论:MD—Ⅲ型胶粘剂最高的工作温度Tmax≤175℃。显然这个最高工作温度对于发电厂的排粉机而言,绰绰有余。而对引风机来说,则几近处于临界状态。提高MD—型Ⅲ型胶粘剂的最高工作温度,使之能更靠得住、更普遍地在燃煤发电厂、冶金、水泥、建材等行业获得运用,无疑将是下一阶段起劲奋斗的方针。第5章高温空气燃烧技术与磁流体力学第5.1节高温空气燃烧技术5.1.1、高温空气燃烧技术的由来1982年英国Hotwork公司和BritishGas公司合作,首次研制出了紧凑型的陶瓷球蓄热系统RCB(RegenerativeCeramicBurner)。系统采用陶瓷球作为蓄热体,比概况积可达240m2/m3,是以蓄热能力年夜年夜增强、蓄热体体积显著缩小、换向时间降至1~3min,温度效率较着提高(一般年夜于80%),而预热温度波动一般小于15℃。在随后几年里,对该蓄热系统又进行了年夜量的实验研究并作了试用。在不锈钢退火炉、步进梁式炉上的运用均到达了预期的效果,取得了显著的经济效益。日本在1985年前后具体考查了RCB的运用技术和现实使用情况后,起头进一步研制。20世纪90年月初,日本钢管股份有限公司(NKK)和日本工业炉股份有限公司(NFK)联合开发了一种新型蓄热器,称为高效陶瓷蓄热系统HRS(High-cycleRegenerativeCombustionSystem)。在蓄热体拔取上,采用压力损失小、比概况积更年夜的陶瓷蜂窝体,以削减蓄热体的体积和重量。为了实现低NOx排放,蓄热体和烧嘴组成一体联合工作,采用两段燃烧法和烟气自身再轮回法来控制进气,效果很好。NKK进行了屡次实验,对测得的数据进行了分析。成效发现,预加热落后进燃烧器的空气温度已接近废气排放温度。数据显示,空气预热温度达1300℃、炉内O2含量为11时NOx排放量是40kg/m3[1]。HRS的开发,不仅实现了烟气余热极限收受接管及NOx排放量的年夜幅度下降,而且这类新型燃烧器还引发发生了一种新的燃烧技术——高温空气燃烧技术HTAC(HighTemperatureAirCombustion)。HTAC技术在燃烧条件、反应机理、火焰特征等方面均浮现得与传统的燃烧技术分歧。它是预热空气温度到达800~1000℃以上,燃料在含氧较低(可低至2)的高温情况中燃烧。由于是在高温条件下,可燃范围扩年夜,在含氧年夜于2时,就可保证稳定燃烧。燃烧进程类似于一种扩散控制式反应,不再存在局部高温区,NOx在这类情况下生成遭到抑制。同时,在这类低氧情况下,燃烧火焰具有与传统燃烧截然分歧的特征:火焰体积较着增年夜,甚至可扩年夜到整个燃烧室空间;火焰外形不划定规矩,无火焰界面;常见的白炽火焰消失,火焰显现薄雾状;辐射强度增加,火焰的高度辐射削减。整个燃烧空间形如一个温度相对平均的高温强辐射黑体,再加上反应速度快,炉膛传热效率显著提高,而NOx排放量年夜年夜削减[2]。高温燃烧技术在冶金、机械、建材等部门所用的许多工业燃烧炉中,排出的废气温度高达600~1100℃。为充实有用地把这部门热量加以哄骗,许多研究人员在这方面做了年夜量研究工作。其中哄骗热收受接管装配收受接管烟气带走的余热,加热助燃用空气和燃气,再回送到炉子燃烧室,是一项有用且收益较年夜的措施。早期的收受接管余热用于空气预热的热收受接管装配主要是间壁式换热器和蓄热式换热器。间壁式换热器气体流向不变,工作状态稳定,但其预热温度不跨越700℃,且寿命较短,热收受接管率低,排放的烟气仍有较高温度。蓄热式换热器预热温度可达1200℃,而排烟温度较低,可接近300℃,且寿命较长,热收受接管率最高可达70%。但早期这类蓄热式换热器的蓄热体采用格子砖材料,综合传热系数较低,蓄热体体积庞年夜、换向时间长、预热温度波动较年夜。同时,烟气的排出温度仍有300~600℃,换热装备要求既耐热、又气密,使结构复杂、操作不灵活。综合斟酌换热器的经济性、材料性能、热效率等身分,今朝性能较好的间壁式换热器的受热温度可达1000℃左右,获得的最高预热空气温度达700℃。若再提高预热温度,会泛起高NOx问题及因换热器传热面积扩年夜引发的装备费用增加和换热器自己的寿命问题。而蓄热式换热器因高效节能的特征和材料工业的成长而又展现出新的活力。5.1.2、HTAC技术的工作原理及特点HTAC的技术关头是采用高效蓄热式燃烧系统[3]。该系统由燃烧室、2组结构不异的蓄热式燃烧器和1个四通阀组成。燃烧器可对称安插,亦可集中安插。图1为2组燃烧器对称安插时的原理图。当烧嘴A工作时,加热工件后的高温废气经由烧嘴B排出,以辐射和对流方式迅速将热量传递给蓄热体。烟气放热后温度降至200℃以下,经四通阀排出。经过一按时间距离后,切换阀使助燃空气流经蓄热体B,蓄热体再将热量迅速传给空气,空气被预热至800℃以上,经由过程烧嘴B完成燃烧进程。同时,烧嘴A和蓄热体A转换为排烟和蓄热装配。经由过程这类交替运行方式,可以实现烟气余热极限收受接管和助燃空气的预热。新型的陶瓷蜂窝状蓄热体可以到达排气温度与被预热空气温度之间相差50~150℃。
为了下降NOx生成量,采用两段燃烧法和烟气自身再轮回法。图2是蓄热式燃烧器烧嘴的原理图。烧嘴中心是空气流道,喉部周围切线标的目的上供给一次燃料,喉部出口处和空气流道平行标的目的上供给二次燃料。一次燃料(比二次燃料少得多)的燃烧属于富氧燃烧,在高温条件下会很快完成。燃烧后的烟气在流经优化设计的喷口后,形成高速气体射流和周围卷吸回流运动,渗混后炉内含氧浓度可到达5~15。年夜量燃料经由过程二次燃气通道平行喷进炉内,与炉内含氧浓度较低的烟气夹杂、燃烧。此时,炉内不再存在局部灼热高温区,形成温度散布比力平均的火焰。是以,NOx排放量年夜年夜下降。HTAC技术主要是经由过程高效蜂窝式蓄热系统来实现,其特点以下:(1)蓄热体传热速度快,蓄热能力强,切换时间短,动态换热好,压力损失少。(2)进进炉内的空气和燃气气流速度快,炉内燃料裂解、自燃等燃烧进程加速进行,化学反应速度和燃烧效率提高。(3)火焰不是在燃烧器中而是在炉膛空间内才起头逐渐燃烧,燃烧噪音低。(4)在高温条件下,只要燃料夹杂物进进可燃范围,就可保证炉内稳定燃烧。5)在高温低氧情况中燃烧发生年夜量裂解,形成年夜量C2,从而引发强烈的热辐射效应,辐射力增强。(6)炉膛温度散布平均,燃烧时最高温度下降,平均温度年夜年夜提高,传热效率较着增年夜。(7)NOx
和二恶英的生成受抑制,排放量年夜年夜削减。(8)除蓄热式燃烧器和炉体外,其他装备都在低温端运行。5.1.3、HTAC技术的运用效果(1)结构紧凑,初投资少HRS系统的蓄热体和炉体部门均因换热能力年夜年夜增强,使体积可年夜幅度缩小。从蓄热体排出的废气(温度只有200℃左右)经由过程引风机抽出,往除需耐火材料内衬的较长烟道和烟囱。简化了装备,且用地面积减小,从而使初投资较少。除建造新炉外,HTAC技术也适合于旧炉改造。蓄热式燃烧器是采用蓄热体与烧嘴相连系的机关,它可之外挂蓄热式烧嘴的形式与旧炉炉型相连系进行改造。只需在炉子原有根蒂根基上,对炉体略加改动即可。(2)温差小,加热质量好运用HTAC技术后,燃烧炉内温度散布平均,温差达±5℃,加上炉内较低的含氧情况,对加热工件极为有益。既提高了加热速度和加热质量,又削减了工件氧化烧损率,年夜年夜提高了炉子产量。此外,经由过程调理流量,可利便而切确地对炉温进行调理和控制,到达平衡的炉膛温度,以知足分歧的加热要求。(3)安插灵活,操作利便HRS系统结构紧凑,体积小,安插比力灵活。它可凭据工艺要求和炉体外形肯定烧嘴的位置和数目。烧嘴的位置可设在侧面、顶面和轴向(需要炉鼻段)。成对烧嘴可自力换向,也可多对烧嘴分段集中换向,控制比力灵活[4]。四通阀和控制系统均处于低温端,是以,操作利便且平安、靠得住性高。(4)节能效果显著采用蜂窝式陶瓷蓄热体实现了烟气余热的极限收受接管,烟气的余热收受接管率可达85以上。同时,在较高空气预热温度及夹杂平均的低氧情况下,燃料与O2份子一经接触,便能迅速燃烧。是以,实现完全燃烧的过剩空气系数可接近1,年夜年夜削减炉子进出流量及排烟损失,进一步提高了燃料勤俭率。现实运用情况讲明,燃料勤俭率可达55以上。(5)污染物排放少HTAC技术的运用,对情况庇护的积极作用有:(1)HTAC燃烧器的高效节能和燃烧进程的充实性年夜年夜削减了烟气中CO、CO2和其他温室气体的排放;(2)高温低氧的燃烧情况和烟气回流的掺混作用,年夜年夜抑制了NOx的生成,使NOx排放量下降到100mg/m3以下;(3)高温情况抑制了二恶英的生成,排放废气迅速冷却,有用阻止了二恶英的再合成,故二恶英的排放年夜年夜削减;(4)火焰在整个炉膛内逐渐扩散燃烧,燃烧噪音低。(6)工业炉燃料范围扩年夜HTAC技术的开发,年夜年夜扩大了工业炉燃料的适用范围。它可以很好地燃用低热值燃料而不存在焚烧坚苦和脱火问题,而且燃料品种也不局限于气体或液体。随着高温空气相关技术的成长,煤、工业垃圾等固体燃料也能够使用。今朝,日本已开发出高温空气燃气化的多段焓提取技术,它能处置多种热值的原料,包括各类烧毁物和生物资可燃物。固体燃料的使用凡是是先用高温空气气化成燃气,净化处置后,再用于高温空气燃烧。(7)适用性强,运用范围广HTAC技术优良的特征使它的适用范围较宽,它能用于多种分歧工艺要求的工业炉。今朝可以使用该技术的炉型有年夜中型推钢式及步进式轧钢加热炉、均热炉、罩式热处置炉、辐射管气体渗碳炉、钢包烘烤炉、玻璃融化炉、熔铝炉、铸造炉等等。范围触及冶金、金属加工、化工、陶瓷和纺织等行业。此外,HTAC技术也适用于生产不稳定、产量波动较年夜的企业。5.1.4、HTAC技术在我国的运用前景我国是世界燃料消耗年夜国。从我国能源现状来看,HTAC技术在我国将有广漠的运用前景。我国工业炉是能耗年夜户。“七五”时代,窑炉能耗占全国工业总能耗的1/4,占工业能耗的40。而工业炉平均热效率较低,只有20左右。产物平均单耗比蓬勃国家高出40。据统计,窑炉年夜部门能量回结为排烟损失,估量全国每一年这部门能量相当于跨越5000万t的尺度煤。针对这类情况,提高我国工业炉燃料哄骗率及烟气余热收受接管率从而到达节能的潜力是很年夜的。持久以来,年夜气有害物超标排状态在我国相当严重。世界10个年夜气情况污染最严重的城市,我国就占了7个。为下降年夜气污染物排放量,首先要下降能耗,其次是控制排放量。而这2点正好合适HTAC的技术特征,即高效、节能和低污染。是以,HTAC技术在我国的运用势在必行。从我国能源结构来看,煤等固体燃料占的比重较年夜,液体和气体燃料比重较小。但进进20世纪80年月后,总的成长趋向是燃煤和燃油的窑炉比例下降,而燃气的窑炉比例年夜幅度上升。虽然今朝HTAC技术还仅适合于直接燃用气体及部门液体燃料,但随着我国能源结构的调整、“西气东输”工程的实施、四川、内蒙等地不竭发现自然气新资本和HTAC技术的进一步开发,可以预计,HTAC技术在我国的运用将会有迅速的成长。
HTAC技术具有高效、节能和低污染等特征,自从面世以来,就遭到世界工业界和企业界的普遍关注。它完全打破了传统燃烧的模式,进进到新的未知领域——高温低氧燃烧领域。它是一项既节能又利于环保且极具活力的技术,值得年夜力推行和开发。对于企业界来说,它可以年夜幅度下降能耗和生产成本,提高其运行的经济性和市场竞争力。
HTAC技术被认为是具有缔造性、实用性和增加潜力的新的战略技术。我国能源状态不容乐观,高能耗、高污染、低效率相当严重。随着经济的不竭成长,将面临能源严重的严肃考验。是以,年夜力推行HTAC技术在我国的运用,将为我国快速成长带来一次历史机遇。第5.2节磁流体力学磁流体力学是连系经典流体力学和电动力学的方式,研究导电流体和磁场相互作用的学科,它包括磁流体静力学和磁流体动力学两个分支。磁流体静力学研究导电流体在磁场力作用于静平衡的问题;磁流体动力学研究导电流体与磁场相互作用的动力学或运动纪律。磁流体力学凡是指磁流体动力学,而磁流体静力学被看做磁流体动力学的特殊情形。导电流体有等离子体和液态金属等。等离子体是电中性电离气体,含有足够多的自由带电粒子,所以它的动力学行为受电磁力支配。宇宙中的物资几近全都是等离子体,但对地球来说,除年夜气上层的电离层和辐射带是等离子体外,地球概况四周(除闪电和极光外)一般不存在自然等离子体,但可经由过程气体放电、燃烧、电磁激波管、相对论电子束和激光等方式发生人工等离子体。能运用磁流体力学处置的等离子体温度范围颇宽,从磁流体发电的几千度到受控热核反应的几亿怀抱级(还没有包括固体等离子体)。是以,磁流体力学同物理学的许多分支和核能、化学、冶金、航天等技术科学都有联系。磁流体力学成长简史1832年法拉第首次提出有关磁流体力学问题。他凭据海水切割地球磁场发生电动势的想法,丈量泰晤士河两岸间的电位差,希看测出流速,但因河水电阻年夜、地球磁场弱和丈量技术差,未到达目的。1937年哈特曼凭据法拉第的想法,对水银在磁场中的流动进行了定量实验,并成功地提出粘性不成压缩磁流体力学流动(即哈特曼流动)的理论计较方式。1940~1948年阿尔文提出带电单粒子在磁场中运动轨道的“指导中心”理论、磁冻结定理、磁流体动力学波(即阿尔文波)和太阳黑子理论,1949年他在《宇宙动力学》一书中集中计议了他的主要工作,推动了磁流体力学的成长。1950年伦德奎斯特首次探讨了哄骗磁场来保留等离子体的所谓磁约束问题,即磁流体静力学问题。受控热核反应中的磁约束,就是哄骗这个原理来约束温度高达一亿怀抱级的等离子体。然而,磁约束不容易稳定,所以研究磁流体力学稳定性成为极重要的问题。1951年,伦德奎斯特给出一个稳定性判据,这个课题的研究至今仍很活跃。5.2.1、磁流体力学的内容研究磁流体问题,首先是建立磁流体力学基本方程组,其次是用这个方程组来解决各类问题。磁流体力学主要用来研究解决的有:理想导电流体运动对磁场影响的问题;或流体静止时,流体电阻对磁场影响的问题,其中包括磁冻结和磁扩散。经由过程磁场力来考查磁场对静止导电流体或理想导电流体的约束机制。这个问题是磁流体静力学的研究范围,对受控热核反应十分重要。磁流体静力学在天体物理中,例如在研究太阳黑子的平衡、日珥的支持、星际间无作用力场等问题的解决中也很重要。研究磁场力对导电流体定常运动的影响。方程的非线性使磁流体动力学流动的数学分析复杂化,凡是要用近似方式或数值法求解。它们虽然是简化情况的解,然而清晰地说明了基本的流动纪律,哄骗这些纪律至少可以定性地计议更复杂的磁流体动力学流动。研究磁流体动力学波,包括小扰动波、有限振幅波和激波。领会等离子体中波的传布纪律,可以探测等离子体的某些性质。此外,激波理论在电磁激波管、天体物理和地球物理上都有重要的运用。等离子体的密度范围很宽。对于极为稀薄的等离子体,粒子间的碰撞和集体效应可以疏忽,可采用单粒子轨事理论研究等离子体在磁场中的运动。对于浓密等离子体,粒子间的碰撞起主要作用,研究这类等离子体在磁场中的运动有两种方式。一是统计力学方式,即所谓等离子体动力论,它从微观动身,用统计方式研究等离子体在磁场中的宏观运动;二是接连介质力学方式即磁流体力学,把等离子体看成接连介质来研究它在磁场中的运动。磁流体力学是在非导电流体力学的根蒂根基上,研究导电流体中流场和磁场的相互作用。进行这类研究必需对经典流体力学加以批改,以便获得磁流体力学基本方程组。磁流体力学基本方程组具有非线性且包括方程个数又多,所以求解坚苦。但在现实问题中往往不需要求最一般形式的方程组的解,而只需求某一特殊问题的方程组的解。一般运用量纲分析和相似律求得表征一个物理问题的相似准数,并简化方程,即可获得有实用价值的解。磁流体力学相似准数有雷诺数、磁雷诺数、哈特曼数、马赫数、磁马赫数、磁力数、相互作用数等。求解简化后的方程组不外是分析法和数值法。哄骗计较机技术和计较流体力学方式可以求解较复杂的问题。磁流体力学的理论很难像普通流体力学理论那样获得充实的验证。由于在常温下可供选择的介质很少,同时需要很强的磁场才能观察到磁流体力学现象,故不容易进行模拟。模拟天体年夜尺度的磁流体力学问题更不容易在实验室中实现。所以磁流体力学的理论有的可以获得定量验证,有的只能获得定性或间接的验证。当前有关磁流体力学的实验是在各类等离子体发生器和受控热核反应装配中进行的。5.2.2、磁流体力学的运用磁流体力学主要运用于三个方面:天体物理、受控热核反应和工业。宇宙中恒星和星际气体都是等离子体,而且有磁场,故磁流体力学首先在天体物理、太阳物理和地球物理中获得成长和运用。当前,关于太阳的研究课题有:太阳磁场的性质和起源,磁场对日冕、黑子、耀斑的影响。此外还有:星际空间无作用力场存在的可能性,太阳风与地球磁场相互作用发生的弓形激波,新星、超新星的爆发,地球磁场的起源,等等。磁流体力学在受控核反应方面的运用,有可能使人类从海水中的氘获取庞大能源。对氘、氚夹杂气来说,要求温度到达5000万到1亿度,并对粒子密度和约束时间有较高的要求。而使用环形磁约整装置在受控热核反应的研究中显出较好的适用性和优越性。磁流体力学除与开发和哄骗核聚变能有关外,还与磁流体发电紧密亲密联系。磁流体发电的原理是用等离子体取代发机电转子,省往转动部件,这样可以把普通火力发电站或核电站的效率提高15~20,甚至更高,既可节省能源,又能减轻污染。飞翔器再进年夜气层时,激波、空气对飞翔器的磨擦,使飞翔器的概况空气受热而电离成为等离子体,是以哄骗磁场可以控制对飞翔器的传热和阻力。但由于磁场装配太重,这类设想还没有能实现。此外,电磁流量计、电磁制动、电磁轴承理论、电磁激波管等也是磁流体力学在工业运用上所取得的成就。第6章火电厂燃煤信息经管系统燃料经管信息系统是电厂体现经济效益的重要部门之一,它所触及的本能机能部门之间联系紧密亲密。第6.1节系统功能(1)对电厂来煤和煤场存煤情况进行综合经管,记实来煤的矿别、煤种、热值和寄存位置,并将其进行三维绘图,为混配煤提供科学上的数字依据,并凭据配煤指令提供配煤参考。(2)各个部门之间的报表和数据进行网上传输,避免数据的重复性输进和分歧部门之间的计较误差。(3)对发电成本和供电成本进行复杂的正平衡计较和反平衡计较,计较出煤耗率和煤耗量,为向导层的决议计划和竞价上网提供科学的数据依据。第6.2节系统特点6.2.1、进步前辈性:采用Oracle8i数据库和Sybase的PowerBulder8.0数据库前端开发工具,哄骗面向对象技术,分折与设计了顺应现代火电厂燃煤信息经管系统,并在Windows平台实现.该系统支持开放的编程接口,便于维护与移植,与其它系统协同工作。6.2.2、平安性:Intranet的使用使系统对数据库数据的平安性方面要求提高了,燃煤经管系统中的一些关头信息(如进场煤数目、登陆密码等)的平安是相当重要,为此该系统从网络通讯、操作系统、数据库经管系统、运用系统、计较机病毒的防治等五个方面提供平安保障。6.2.3、易操作性:采用直观的、对用户透明的、windows界面气概,使得用户在首次接触了这个软件后就觉得一目了然,不需要几多培训就能够利便地上手使用。第7章磁流体发电的意义及展看磁流体发电其实不是斥地新能源,而是一种新的能源转换方式,它的优点在于:一是热效率高、结构紧凑、体积小,单机容量年夜;二是发电启停动作快;三是节省资本且可用高硫煤发电,对情况污染较小,可以副产氮肥等等。由于它发电启停快,很适于知足"尖端负荷"及军事武器装备方面特殊电源使用。它能将热能直接转化成电能,从而年夜幅度提多发电效率,还削减了情况污染。磁流体发电作为一项发电新技术,它比一般的火力发电具有的优越性主要浮现在以下几个方面:第一,综合效率高。磁流体的热效率可以从火力发电的30~40%提高到50~60%,预计未来还会再提高。第二,启动快。在几秒钟的时间内,磁流体发电就能到达满功率运行,这是其他任何发电装配没法相比的,是以,磁流体发电不仅可作为年夜功率平易近用电源,而且还可以作为高峰负荷电源和特殊电源使用,如作为风洞实验电源、激光武器的脉冲电源等。第三,往硫利便,对情况污染少。磁流体发电虽然也使用煤炭、石油等燃料,但由于它使用的是细煤粉,而且高温气体还搀杂着少许的钾、钠和铯的化合物等,容易和硫发生化学反应,生成硫化物,在发电后收受接管这些金属的同时也将硫收受接管了。从这一点来说,磁流体发电可以充实哄骗含硫较多的劣质煤。另外,由于磁流体发电的热效率高,因而排放的废热也少,发生的污染物自然就少多了。第四,没有高速旋转的部件,噪音小,装备结构简单,体积和重量也年夜年夜减小。由于磁流体发电时的温度高,所以可将磁流体发电与其他发电方式联合组成效率高的年夜型发电站,作为经常满载运行的基本负荷电站。例如,将与一般火力发电组成磁流体——蒸汽联合轮回发电,即让从磁流体发机电排出的高温气体再进进余热汽锅生产蒸汽,往推动汽轮发机电发电,其热效率可达50~60%。前苏联在1971年建造了一座磁流体——蒸汽联合轮回实验电站,装机容量为7.5万千瓦,其中磁流体机电容量为2.5万千瓦。美国是世界上研究磁流体发电最早的国家,1959年,美国就研制成功了11.5千瓦磁流体发电的实验装配。60年月中期以后,美国将它运用在军事上,建成了作为激光武器脉冲电源和风洞实验电源用的磁流体发电装配。日本和前苏联都把磁流体发电列进国家重点能源攻关项目,并取得了引人注目的功效。前苏联已将磁流体发电用在地震预告和地质勘探等方面。1986年,前苏联起头兴修世界上第一座50万千瓦的磁流体和蒸汽联合电站,这座电站使用的燃料是自然气,它既可供电,又能供热,与一般的火力发电站相比,它可节省燃料20%。磁流体发电为高效率哄骗煤炭资本提供了一条新途径,所以世界列国都在积极研究燃煤磁流体发电。今朝,世界上有17个国家在研究磁流体发电,而其中有13个国家研究的是燃煤磁流体发电,包括中国、印度、美国、波兰、法国、澳年夜利亚、前苏联等。我国于本世纪60年月早期起头研究磁流体发电,前后在北京、上海、南京等地建成了实验基地。凭据我国煤炭资本丰硕的特点,我国将重点研究燃煤磁流体发电,并将它作为“863”计划中能源领域的两个研究主题之一,争取在短时间内遇上世界进步前辈水平。磁流体发电从起头研究到现在已有几十年的历史,今朝,短时间磁流体发电装配已获得运用,而燃烧自然气的长时间磁流体发电站和燃煤磁流体发电都已投进运行,从而使磁流体发电的研究进进到年夜规模工业实验阶段。开发磁流体发电技术是发电技术的重年夜革命磁流体发电的重年夜意义在于它提供了一种高效、低污染的热能直接发电方式,为电力工业的成长与更新改造斥地了重年夜刷新的道路,与此同时,它还有力地推动着工程电磁流体力学这门新兴的学科和一系列新技术的成长。磁流体发电-蒸汽联合轮回的总效率可达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,无疑将是一个重年夜刷新性进展。近年来,使用清洁燃料(油、气)的燃气-蒸汽联合轮回取得了最高效率近50%的优秀进展。各类燃煤的燃气-蒸汽联合轮回也在积极进行实验,期看能到达40%~45%的热效率。磁流体发电可用控制燃烧的方式来有用地控制NOx的发生,作为添加剂所用的钾盐可有用地脱硫,所以磁流体发电伺时又是一低污染燃煤发电的优秀方式。有关资料讲明,燃煤磁流体发电的SO2与NOx的排放量低于尺度要求3~7倍,而烟尘排放量也较着低于尺度。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、年夜功率变流技术、高温诊断和下降工业动力装配有害排放物的进步前辈方式等一系列新技术的成长。这些科学功效和技术成就能够获得其他方面的运用,并有着美好的成长前景。综上所述,从高效率、低污染、高技术的斟酌,使得磁流体发电从其原理性实验成功起头,就迅速获得了全球的重视,许多国家都给予了延续稳定的支持。第8章竣事语人类社会的高度成长和高度文明,对传统的电力工业提出了新的要求,为了人类的可延续成长,为了使煤炭酿成“绿色的”动力源,为了让有限的能源。资本为人类缔造更多更好的财富,年夜力成长高效洁净的“绿色电力”,是电力工作者的神圣使命。参考文献[1]YutakaSuzukawa.Regenerativeburnerheatingsystem.ProceedingofHighTemperatureAirCombustionSymposium.Beijing,Oct,1999:169~180.[2]周怀春.高温空气燃烧技术—21世纪关头技术之一.工业炉,1998,(1):19~27.[3]蒋绍坚.高温空气燃烧新型汽锅及特征分析.热能动力工程,2000,15(7):348~351.[4]朱敏之.日本高性能工业炉的开发战略与实施进展.工业加热,2001,(1):10~13.[5]马廷钧.现代物理技术及其运用[M].北京:国防工业出书社,2002.
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