书城科普读物求知文库-能源的形势与现状
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第21章 目前面临能源的新形式〖MZ)〗(3)

总的来说,经过20年的持续努力,进展是十分显著与可喜的,主要表现在:第一,在多个实验室内已达到最高发电万千瓦、持续时间最长几百小时的良好结果。第二,建成了Y-25,CDIF,CFFF三个大型试验基地,积累了一定的工程经验。第三,在各主要国家中均锻炼形成了具有相当经验的研制队伍。在这样的条件下,整个磁流体发电界带着各种建造试验电站的计划进入了20世纪80年代。

80年代世界上着重研制试验电站

在实验室研究发展取得前述重大进展基础上,大家比较一致地认识到,下一阶段主要任务应是研制与建造试验电站,进而可以期望在本世纪末、本世纪初实现商业化。20世纪80年代初各主要国家都提出了自己的计划。

走在最前面的是前苏联,国家在80年代初就批准了设计、研制、建造梁赞电站的Y-500装置计划。Y-500的技术经济方案比较工作开始于1978年,至1988年对Y-500的建设进行了重新审议决定:

暂缓磁流体发电部分的工程建设;完善Y-25装置(Y-25M),继续进行有关研究;加强超导磁体与电极材料的技术研究。

在Y-500装置暂缓建设后,1987年高温所在前苏联科学院支持下,决定充分利用已有工程系统,将Y-25装置改成完整的工作试验电站,称Y-25M,为梁赞电站的继续建造打下可靠基础。

美国于1984年提出,决定在建造试验电站以前,充分利用已有条件,进行集成分系统的长时间试验,1987年批准了POC(Proof-of-Concept)概念经验计划。其目的是为企业界推进磁流体工艺向商业化发展做出判断经济与技术效益和风险所需的工程数据(下表)。该计划于1987年开始执行,于1993年完成,年经费为3500-4000万美元,参加工作的人员有300多人,取得了良好进展(见下表)。目前两种煤4000小时的下游试验已接近完成,上游累计1000小时的试验。

2.1984年燃煤燃烧室调试,燃烧时间33小时43分。

3.1985年8月开始燃煤发电试验。装备已到现场,开始了试验,1994年初完成。

日本在进行国家第二阶段磁流体发电计划同时,还进行了电站系统研究和拟定进一步计划,提出了建造连续运行的、磁流体-蒸气联合发电的MarkⅦ试验机组,它有超导磁体,各种空气预热器和锅炉。工业技术院1984-1988年共投资4亿日元转入支持小规模的燃煤磁流体发电基础研究。而文部省仍然继续支持有关大学的研究,一些企业与电力部门,仍给予一定支持,使全日本的研究发展工作仍以年总经费2-3百万美元、30-40名工作人员的规模持续进行,工作重心转为东京工业大学的闭环磁流体研究,几年来也做出了优异的成绩。

总体来说,20世纪80年代以来,全世界的磁流体发电界都在积极推进试验电站计划,向产业化的方向迈进。实际上遇到的困难比设想的大,这是因为试验电站的建设与产业化需要得到电力部门的有力支持,而电力部门由于其电力生产的严格要求对此采取了比较谨慎的态度,主要的担心是从一次能源看应考虑燃煤发电,而实验室的研究工作用天然气和油的较多,直接燃煤的还不够多,另方面感到对部件与系统的长时间考验还不够。前苏联采用燃天然气,企图先冲上去,没有能够成功。美国则安排了燃煤的长时间试验工作,作为设计、研制试验电站的可靠准备,却取得了稳步的进展。这十年的经验与教训是值得重视的。

世界磁流体发电产业化展望

当前,美国正在筹划POC计划完成的下一步计划,提出了建造比林斯(Bilings)燃煤磁流体发电示范电站的建议,该电站热输入功率25万千瓦,发电8万千瓦,磁流体部分发电2.8万千瓦,总投资6.5亿美元,美国能源部由洁净煤计划中支持2.2亿美元,蒙大拿州支援0.25亿美元,其他靠集资与贷款。已于1995年6月开始建造,1997年6月建成并开始试验,2000年完成示范试验并投入运行。商业电站目前估计要有50-100万千瓦发电功率的规模,美国已经提出了商业化的框架设想(见下表),则可望在2010-2020年间实现产业化。

日本在坚持开环研究的同时,正在积极争取批准富士-2(Fuji-2)闭环磁流体发电装置的计划。该装置考虑前期暂做缓冲式试验,在10万千瓦热输入功率下,发出3万千瓦的磁流体发电功率,持续时间1分钟。然后转入闭环磁流体发电长期运行,在热输入功率1万千瓦下,发电0.2万千瓦,持续100小时,在富士-2计划成功实现的基础上,可在本世纪初建造试验电站,进而在2020-2030年间实现产业化。应该说明,日本的已有工作基础和产业实力,在美国示范电站成功基础上,也能迅速组织起来,在2010-2020年间实现开环磁流体发电的商用电站。

总体来说,当前估计,世界上第一个商用磁流体发电站将在21世纪前期出现,该技术将成为21世纪前、中期燃煤电站新建与改造的重要的高效、低污染方法。

我国磁流体发电技术研究开发情况及其发展战略我国中科院电工所于1962年,上海发电设备成套所于1966年,东南大学热能所于1969年分别开始了磁流体发电研究,先后建造了10台试验装置(下表),成为继前苏联、美国、日本后,世界上第四个从事较大规模研究试验工作的国家。最初主要从事短时间发电的研究,取得了油氧燃烧发电近600千瓦的良好成绩。20世纪70年代前期开始油与高温(1400℃)预热空气燃烧的长时间发电试验,至80年代初,达到了几十千瓦输出,持续时间长达200小时的水平。80年代初开始,由于我国能源资源的特点又转而进行燃煤发电的研究,达到了持续5小时,输出16千瓦的水平。

1986年燃煤磁流体发电技术,作为一个主题被列入国家高技术研究发展计划(即八六三计划),使我国的磁流体发电研究有了统一的国家计划。该计划根据我国以煤电为主的能源结构,以往的工作基础和“有限目标,突出重点,立足于21世纪上半叶”的精神,选定了燃煤磁流体-蒸气联合循环电站作为研究目标。

1988年,在八六三计划燃煤磁流体发电项目主题开始执行时,整个工作分为八个方面进行研究,即高温燃煤燃烧室,磁流体发电通道,余热锅炉,逆变系统,超导磁体,电离种子回收,电离种子再生和磁流体发电改造已有电站的概念设计。在中科院电工所,建立热输入功率2.5万千瓦的上游循环装置。在上海成套所,建立输入功率5000千瓦的下游循环装置。按照计划,对全国磁流体发电工作进行了合理的安排与分工,积极开展了工作,向着研制试验电站的方向取得了稳步的进展。

在认真分析研究磁流体发电的国际进展、主要的经验与教训,以及我国的实际情况基础上,经多次讨论,建议我国燃煤磁流体发电本世纪的战略目标为:

在本世纪建成热输入功率2.5万千瓦的燃煤磁流体-蒸气联合循环试验站,并完成累计1000小时的长时间试验。该站的主要部件有:高温燃煤燃烧室、加速喷管、发电通道、超导磁体、扩压器、直流/交流变换装置、锅炉、种子回收、测控系统和工程支撑系统。建设该试验站的目的是:

验证磁流体-蒸气联合循环的工程技术可行性和现实性;进行磁流体-蒸气循环各部件和系统的长时间综合试验;掌握磁流体发电各重要部件总体的工程设计和建造技术,为示范电站做好准备;培养我国磁流体发电电站工程技术和操作人员。

在上述目的达到之后,将在电力部门支持下,争取在2010-2020年与世界先进国家大体同步进入商业化,为我国电力工业现代化作出贡献。

鉴于燃煤磁流体发电具有高效、低污染的明显优越性和我国燃煤发电在全国电力生产中的重大比重,为了大幅度提高电站效率,节省煤炭资源,燃用我国丰产的中等热值煤和高硫煤,减少燃煤发电带来的运输和污染问题,坚持以实现产业化为目标的研究发展工作有着特别重要的意义。燃煤磁流体发电,作为一种新兴的高技术,产业化的实现是一个相当艰难的任务,需要长期持续的分阶段的努力和大量的资金投入,从而制定正确的战略显得特别重要。

在总结国际30年研究发展工作经验和教训基础上,根据我国的实际情况,经过反复的论证、讨论和可行性研究,提出我国在本世纪初建成热输入功率2.5万千瓦的磁流体-蒸气联合循环试验站并完成长时间的部件与系统试验,在本世纪初可建设示范电站,并与世界大体同步地进入商业化,是一种正确和可行的抉择。

表我国磁流体发电装置简况

单位名称热输入(兆瓦)流量(公斤/升)燃烧/氧化剂磁场(万高期)量大电力输出(千瓦)最长发电时间工作年代(年)备注电工所原理试验装置1.00.11汽油/氧1.20.33分1962-1965短时间装置303.3汽油/氧2.25952分26秒1969-1974共试验48次KDC-1(燃煤)61.4轻柴油/1450℃预热空气1.533.530时1977-1981累计发电500小时KDM-1(燃煤)61.4煤/氧+1420℃空气1.51.675时30分1983-1984共试验10余次KDD-2708.0柴油/氧2.222201分40秒1984-1986累计发电60小时上游试验装置244.0煤/富氧空气1.93330分1992-共试验6次成套所SM2273.0柴油/氧1.85803分1971-1972自激式SM38.51.11柴油/氧1021时1974霍耳式SM451.2柴油/1450℃预热空气1.7518.3200时1975-19861980年改为磁流体-蒸气联合循环发电系统东南大学JS-1407-08柴油/1450℃预热空气1.911-16136时1970-1979JS-241.1煤/氧+1450℃空气1.91.345分1981-1982