CN104578682B - 一种可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法及其循环发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法及其循环发电系统。高温高压的超临界工质经超音速膨胀通道进行绝热膨胀，在这一过程中伴随着气体团簇方式的凝结，凝结潜热释放，进一步转化为流体的动能，最终获得高速的流体，进入等离子体发生段形成导电流体，从而切割磁感线产生感应电动势用于发电，发电后的流体经冷凝器冷凝回收，由高压泵加压再经过加热器加热后重新达到高温高压的超临界状态，进入下一个循环。本发明与传统发电系统相比，将汽轮机用超音速膨胀通道和磁流体发电通道取代，克服了传统发电系统中由于汽轮机中蒸汽凝结造成的叶片汽蚀而不得不采用较高的排汽温度的问题，从而可以进一步降低冷源温度，提高循环热效率。

Description

一种可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法及其循环发电系统

技术领域

本发明涉及一种可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法及其循环发电系统，尤其指一种基于超音速喷管中膨胀产生凝结，释放汽化潜热获得高速流体以推动磁流体发电装置运作的方法及其循环发电系统。

背景技术

本发明涉及的背景技术主要有两个方面，一个是伴随凝结的可压缩流动，另一个是磁流体发电技术。

关于伴随凝结的可压缩流动的研究，最早起源于两个工业背景，一个是汽轮机中水蒸气凝结，另一个是风洞气流中的水分凝结。在这一过程中，气流的流动可近似看作等熵绝热过程，当某处流体的温度降低至该处压力对应的饱和温度时，凝结开始发生并释放汽化潜热。从能量守恒的角度看，该过程是流体压力能和潜热向动能的转化过程并伴随着凝结现象。目前传统发电系统中正是利用高温高压的水蒸气在汽轮机中膨胀推动转子转动用以发电，汽轮机入口初压越高，背压越低，汽轮机所能利用的蒸汽能量越多，循环热效率也越高。然而由于在膨胀过程中有凝结产生，并且背压越低，凝结量越大，凝结产生的水滴以高速冲击汽轮机叶片造成叶片损坏，即汽蚀，因此通常汽轮机排气压力和温度不能太低，否则蒸汽湿度过大影响汽轮机叶片寿命及工作可靠性，一般不低于36℃。

另一个背景是磁流体发电技术。磁流体发电基于电磁感应定律，当磁流体横切穿过磁场时，磁力线将切割其产生电动势，如果在磁流体流经的通道上安装电极与外部负载连接，则可用以发电。与传统的火力发电相比，磁流体发电具有效率高、环境污染小、节约用水、机组启动快等特点。由于传统的磁流体发电技术是从平衡态的角度考虑的，进行磁流体发电的导电流体是在很高的温度水平下获得的，导致这项技术的研究遇到了瓶颈，东南大学王心亮从非平衡的角度来寻找合适的可以进行磁流体发电的导电流体。本发明正是基于非平衡态磁流体发电原理。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种装置简单，没有再热回热系统，机组启停快，循环效率高的先进的可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法及其循环发电系统。

本发明的技术方案如下：

一种可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法，包括步骤：

第一步，加温加压：液态工质经过加压加热，达到超临界状态；

第二步，形成高速流体：第一步得到的超临界状态的工质在超音速膨胀通道中绝热膨胀，形成高速流体；在膨胀过程中，温度压力沿流动方向降低，当某处流体的温度降低至该处压力对应的饱和温度时，流体中的气体分子形成团簇，产生凝结，释放汽化潜热，转化为流体的动能，在到达超音速膨胀通道出口时，出口流速达到设定马赫数的超音速状态；

第三步，得到非平衡态等离子体：第二步形成的高速流体进入频率为10～15MHz的放电电场的流动通道，在高频放电电场的作用下，将高速流体电离，得到非平衡态等离子体；

第四步，磁流体发电：第三步得到的非平衡态等离子体在垂直于流体流动方向、设定磁场强度的磁场内流动，产生用于发电的电动势。

所述设定马赫数、设定磁场强度以及设定温度根据不同的工质采取不同的数值范围。

所述工质为水或者二氧化碳。

所述第三步中在高速流体中掺入电离种子Ar，以提高电离率。

一种可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法中使用的循环发电系统，包括截面积先收缩后扩张的、用于实现绝热膨胀的超音速膨胀通道；施加了10～15MHz放电电场的等离子体放电通道；施加了垂直于流体流动方向的设定强度的磁场的磁流体发电通道；冷凝装置；加压装置以及加热装置；

所述超音速喷膨胀通道出口往后依次连接电感耦合等离子体放电通道、磁流体发电通道、冷凝装置、加压装置以及加热装置，加热装置再与超音速膨胀通道入口相连，构成一个闭合回路。

所述冷凝装置为冷凝器。

所述加压装置为高压泵。

所述加热装置为燃煤燃油锅炉、高温烟气或者高炉排气。

所述冷凝器在以水作为循环工质时，为水冷或者风冷；在以二氧化碳作为工质时，则需要提供额外的制冷系统进行工质的冷凝回收。

有益效果

本发明利用非平衡态磁流体发电方法，克服了传统发电方式中汽轮机叶片由于蒸汽湿度过大造成的汽蚀问题。在磁流体发电技术中，不存在转子，蒸汽湿度不会对设备运行产生影响，从而可以进一步膨胀，降低冷源温度，减少冷源损失，提高循环的热效率。本发明所提出的循环发电系统，装置简单，没有再热回热系统，机组启停快。

附图说明

图1为本发明实施例的发电系统构成示意图，图中1、2、3、4、5点分别对应于图2中的状态点；

图2为本发明实施例的热力循环过程温熵图。

具体实施方案

下面结合附图和具体实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详述。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1，本发明的一种可利用汽化潜热闭环磁流体循环发电系统，包括六个组成部分：超音速膨胀段，非平衡态等离子体发生段，射流MHD作用段，冷凝器，高压泵以及加热器。

超音速膨胀段，即超音速膨胀凝结通道，超音速膨胀通道为一截面积先收缩后扩张的流动通道，最常见的是拉伐尔喷管，其目的是为了获得高速的流体。工质在超音速膨胀通道中流动过程中，产生凝结，释放汽化潜热，潜热的释放进一步转化为流体的动能，出口流体为湿蒸汽状态的超音速流体。

非平衡态等离子体发生段，即施加了高频强放电电场的电感耦合等离子体放电通道(ICP放电通道)，利用高频电场使得流过通道的工质电离，形成具有导电性的非平衡态低温等离子体。等离子体中电子温度很高，而大部分中性粒子的温度依旧很低，整体对外呈现出低温的特性。

射流MHD作用段，即磁流体发电通道，所述磁流体发电通道为施加了垂直于流动方向的磁场的流动通道，其目的是利用法拉第电磁感应定律进行发电。根据法拉第电磁感应定律，流体在流动时做切割磁感线运动，因而在上下极板间产生感应电动势。在进入磁流体发电通道之前的工质流速很高，为超音速流，具有很高的动能，而离开磁流体发电通道后流速降至亚音速，这一过程即是动能向电能的转化。

冷凝器，高压泵，加热器分别用于工质的冷凝回收，加压以及加热，从而形成循环。

超音速喷膨胀通道出口往后依次连接电感耦合等离子体放电通道、磁流体发电通道、冷凝器、高压泵以及加热器，加热器再与超音速膨胀通道入口相连，构成一个闭合回路。

本发明以水或者二氧化碳为循环工质，循环工质的选择取决于高低温热源的选择。以下结合说明书附图1，分别给出在使用水以及二氧化碳作为工质时在附图1、2中各个点的状态参数，如表1、表2所示：

表1

表2

在本发明中，冷凝器在以水作为循环工质时，为水冷或者风冷，考虑到冷凝器的工作温度，工质冷端温度不宜过低；在以二氧化碳作为工质时，则需要提供额外的制冷系统进行工质的冷凝回收。加热器为燃煤燃油锅炉、高温烟气或者高炉排气等，可以调整热力循环高温段的参数以适应不同的加热器，达到能源综合利用及低品位热源的利用。

本发明所提出的循环发电系统，以水作为循环工质，在入口参数30MPa，625℃和出口参数2340Pa，20℃的条件下，循环热效率为48.6％，高于传统的超超临界蒸汽动力循环系统的热效率。以二氧化碳作为循环工质，由于二氧化碳的临界温度较低，约31℃，可以作为低品位热源的一种利用方式，能够有效提高能源的综合利用率。

以下步骤以水作为循环工质对本发明的可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法作具体说明。

具体实施步骤为：

第一步，加温加压：液态工质经过高压泵增压和加热器加热，达到超临界状态，所述状态参数如表1所示。在本发明具体实施例中，达到的状态为30MPa，625℃。

第二步，形成高速流体：超临界状态的工质经管道流入超音速膨胀通道，在其中实现绝热膨胀，形成高速流体，如图2中1-2过程所示。在膨胀过程中，温度压力沿流动方向降低，当温度降至该处压力所对应的饱和温度时，凝结开始产生，释放汽化潜热，进一步转化为高速流体的动能，为磁流体发电提供较高的气体流速，在到达喷管出口时，出口流速达到超音速状态，马赫数达到2～6。为了尽可能提高循环的热效率，出口参数应尽可能低，同时考虑到冷凝器的工作温度，将出口参数定为2340Pa，20℃，此时约有28％的质量分数的水蒸气凝结，湿蒸汽的流速为1700m/s～1900m/s。

第三步，得到非平衡态等离子体：高速流体进入非平衡态等离子体发生段，经过ICP(电感耦合等离子体)放电通道，在频率高达10～15MHz左右的驱动电感线圈的作用下，将高速流体电离，形成具有一定导电性的等离子体，得到非平衡态等离子体。由于对于湿蒸汽的电离比较困难，此时需要掺入电离种子Ar以提高蒸汽的电离率。因为Ar的电离比水容易的多，且Ar作为惰性气体不会与工质发生反应。Ar掺入量必须远远小于工质的量，应该在1‰～1％之间，以确定电离种子的掺入不会影响工质循环的宏观热力学特性。

第四步，磁流体发电：第三步得到的非平衡态等离子体进入磁流体发电段，根据电磁感应定律，当磁流体横切穿过磁场时，将切割磁感线产生电动势，从而用以发电。这一过程中，流体的速度降低，动能被转化为电能，在足够长的空间里，流体的速度能降至声速以下，到达图2中状态点3。

从2点进入等离子体段的流体进行电离和磁流体发电过程，这一过程中流体始终处于湿蒸汽状态，即温度压力处于饱和状态。在磁流体发电过程中，工质的状态过程是比较复杂的，根据磁流体发电工况的不同，温度和压力有不同变化，但总体上这一过程是动能与电能的转化，可认为内能变化不大，即状态点2和状态点3十分接近，因此图2中进行热效率分析时，将状态点2和3看做同一个状态点。

第五步，经过磁流体发电后的工质流速降低，进入冷凝器在20℃的工作温度下等温凝结，如图2中3-4过程。图中4点在饱和水线上，然而通常在实际过程中，冷凝器出口需要有一定的过冷度。冷凝后的水经高压泵升压至30MPa，这一过程中，高压泵做功，会使冷凝水温度升高，如图2中4-5过程。上一步中冷凝水的过冷度正是为了保证在高压泵工作时不至于因温升导致一小部分水蒸发从而影响高压泵的运行。高压的液态水经过加热器加热至625℃，达到超临界状态，如图2中5-1过程，随后再重复以上步骤，形成一个完整的闭环动力循环系统。

在本发明中，只设计了水和二氧化碳两种工质的参数，因为这两种工质比较容易获得，并且无毒无污染，尤其是水，现有的所有的火电及核电都是以水作为循环工质的。但本发明并不止于此，同样可以采用其他适合的工质作为工质。本发明具体的温度压力参数范围，也是依据各工质的热物理性质进行确定的。从循环热效率讲，工质在入口处的参数越高，排气参数越低，循环效率越高，在实际循环中，高压高温侧的参数主要取决于材料的性能以及优质材料的代价；而排气温度和压力则需考虑冷凝器的工作温度，如果冷凝器是采用水冷的话，排气温度通常要高于环境温度，如果温度低于环境温度，则需要制冷系统来进行工质的冷凝回收。因此在这里并没有温度压力范围的限制，不同的温度压力只是循环热效率不同而已，对于本发明的原理及运行方式没有影响。同样，不同的工质，在不同条件下获得的状态参数，如温度、压力以及速度等均会有不同的数值。

本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (10)

1.一种可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法，其特征在于，包括步骤：

第一步，加温加压：液态工质经过加压加热，达到超临界状态；

第二步，形成高速流体：第一步得到的超临界状态的工质在超音速膨胀通道中绝热膨胀，形成高速流体；在膨胀过程中，温度压力沿流动方向降低，当某处流体的温度降低至该处压力对应的饱和温度时，流体中的气体分子形成团簇，产生凝结，释放汽化潜热，转化为流体的动能，在到达超音速膨胀通道出口时，出口流速达到设定马赫数的超音速状态；

第三步，得到非平衡态等离子体：第二步形成的高速流体进入频率为10～15MHz的放电电场的流动通道，在高频放电电场的作用下，将高速流体电离，得到非平衡态等离子体；

第四步，磁流体发电：第三步得到的非平衡态等离子体在垂直于流体流动方向、设定磁场强度的磁场内流动，产生用于发电的电动势。

2.根据权利要求1所述的可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法，其特征在于，所述设定马赫数、设定磁场强度以及设定温度根据不同的工质采取不同的数值范围。

3.根据权利要求1所述的可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法，其特征在于，所述工质为水或者二氧化碳。

4.根据权利要求1所述的可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法，其特征在于，所述第三步中在高速流体中掺入电离种子Ar。

5.一种如权利要求1中所述的可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法中使用的循环发电系统，其特征在于，包括截面积先收缩后扩张的、用于实现绝热膨胀的超音速膨胀通道；施加了10～15MHz放电电场的等离子体放电通道；施加了垂直于流体流动方向的设定强度的磁场的磁流体发电通道；冷凝装置；加压装置以及加热装置；

所述超音速膨胀通道出口往后依次连接电感耦合等离子体放电通道、磁流体发电通道、冷凝装置、加压装置以及加热装置，加热装置再与超音速膨胀通道入口相连，构成一个闭合回路。

6.根据权利要求5所述的循环发电系统，其特征在于，所述超音速膨胀通道为拉伐尔喷管。

7.根据权利要求5所述的循环发电系统，其特征在于，所述冷凝装置为冷凝器。

8.根据权利要求5所述的循环发电系统，其特征在于，所述加压装置为高压泵。

9.根据权利要求5所述的循环发电系统，其特征在于，所述加热装置为燃煤燃油锅炉、高温烟气或者高炉排气。

10.根据权利要求7所述的循环发电系统，其特征在于，所述冷凝器在以水作为循环工质时，为水冷或者风冷；在以二氧化碳作为工质时，则需要提供额外的制冷系统进行工质的冷凝回收。