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  如歌岁月

“863”国家高技术计划第一期主题项目燃煤磁流体发电的研究历程/ 居滋象
作者:居滋象  日期:2007-08-07  信息来源:离退休   【背景色 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色) 】  【字体:
 

 
1986年王淦昌、王大衍、杨嘉墀、陈芳允四位着名科学家上书邓小平同志建议中国应该紧跟国际高科技的迅猛发展形势,尽快拟定自己的高科技计划。邓小平同志很快做出批示,并于19863月提出要像当年搞“两弹一星”的精神一样大力发展中国高科技,制订国家的高技术计划。于是就有了“863高技术计划出台。当时,国家决定从19862000年投资100亿人民币,全面开展高技术研究,最初进入该计划的有生物、自动化、信息、能源、材料和航天六个领域。后来又有超导海洋科学等项目增补进入,根据当时国家综合科技水平,提出以跟踪国际科技前沿为目标,当时还没有提出创新的要求。
能源领域是“863”计划民用高技术研究五个领域中的一个,最初列入该领域的只有先进核反应堆一个主题项目,但是在专家论证过程中大家认为,煤是我国主要能源燃料,以煤为燃料的发电量占我国发电总量百分之七十左右。因此有必要进行先进的燃煤发电方式研究。在专家讨论过程中,两位原中央副部长周宣城、张定一极力推荐磁流体发电项目,认为这种发电方式既能提高效率、节省能源,又能减少污染,是一种有希望有前途的发电方式。当时美苏两国均将其列入大型国家计划,日本、意大利、澳大利亚、印度等国也都在积极开展这方面研究。
于是国家科委将燃煤磁流体发电补充列入国家“863”项目和先进核反应堆一起同时成为能源领域两个主题,并追加1.2亿元作燃煤磁流体发电的研究经费(从19862000年)。当时国内有中科院电工研究所、机械工业部上海成套发电设备设计研究所和东南大学(即南京工学院)正在从事这方面研究。1986年夏,在国家海洋局,由国家科学领导小组出面召集上述三单位领导开会,一方面正式落实该项目,总计划要求在2000年在我国建成一个燃煤磁流体发电——蒸汽联合循环中试电站,另一方面确定我所为该项目主持单位,我所前所长杨昌琪研究员为“863”能源领域专家委员会委员兼13主题即燃煤磁流体发电研究主题组组长(杨所长逝世后,严陆光所长担任能源领域专家委员会委员,并在分工主管磁流体发电项目,居滋象任燃煤磁流体发电主题组组长)。
19873月在清华大学核能院昌平基地,召开了上述三个单位组长以上干部会议。会议上确定了该主题下分八个课题,即燃烧室、发电通道、逆变系统、超导磁体、预热锅炉、种子回收、种子再生和中试电站的概念设计。并确定了上述八个课题的承担单位。我所承担发电通道、超导磁体和电站概念设计三项任务。会议确定了各课题19881992五年间任务和经费分配、会议还确定将我所原有的热功率75兆瓦油氧燃烧磁流体发电机组改建成燃煤磁流体发电上游基地,原上海成套所磁流体发电机组改建成燃煤磁流体发电下游基地。从1988年开始,科委正式下达“863科研经费,从此磁流体发电作为“863高科技项目,正式启动。
1:周光召视察电工所前排左一为周光召,右一为居滋象
作为燃煤磁流体发电项目的主持单位,电工所领导对该项目研究给予高度的重视,所的各级职能部门也给予大力协助。原一室全体同志、四室的有关同志全力以赴投入到该项目的研究工作,在十年左右的时间,取得喜人的进展,分述如下:
在接受“863”任务之初,一室就很快在原热功率75兆瓦机组上完成了2000KW的燃油发电试验,达到了原定的设计指标任务,并在该机组上开展了由中科院和美国NSF(国家科学基金会)支持的中科院电工所与田纳西大学空间研究所的合作研究。该项研究受到国际同行的赞扬。同时2000KW发电试验的成功,为改造该机组成为燃煤磁流体发电上游基地打下了良好基础。
1988年开始,一室就对原油氧燃烧机组进行全面的改造,以达到燃煤磁流体发电研究的要求。为此,我们建立了煤粉储存和输运系统,液氧贮存和汽化系统,研制了燃煤燃烧室(由东南大学主持),研制了燃煤磁流体发电通道、扩压器和上述部件的测量控制系统。在此基础上,进行了十余次部件和整体发电试验,达到了最大发电功率130kW和最长发电时间2小时的两项主要指标。
考虑到发电通道电极材料和电极性能是磁流体发电的关键技术,因此在另一个电极试验机组上进行了长时间电极寿命和性能试验,这项工作得到材料研究单位,特别是钢铁研究总院的大力协助和密切配合,最终完成了电极材料的256小时试验,为筛选电极材料和电极结构创造了条件。
四室同志为磁流体发电研制了一台大型超导磁体,这是迄今为止中国研制的尺寸最大低温超导磁体,场强为4万高斯,圆形室温空间直径为440mm,总重量为13.6吨,总长为1。绕制这样大的超导磁体线圈,国内完全没有这方面经验。四室同志克服了种种困难,创造性地制定了绕制方案,最终完成了线圈的绕制和总体封装,圆满完成了研制任务,达到了设计指标。此外还为这台磁体从俄国引进了两台每小时150液氦装置,满足了磁体的液氦供应,它们同时也能为四室低温超导的其他研制工作,提供充足的液氦供应。
由电工所一室牵头,联合上海成套所、东南大学如期完成了磁流体发电中试电站的概念设计。这项工作是电工所与美国田纳西大学空间研究所合作进行的。在这以前美国已经完成了中试电站的概念设计,因此有丰富的经验和可以借鉴利用的软件。我国利用中美合作的有利条件,如期圆满完成了这项任务。
在完成上述研制工作中,取得一系列科研成果,计有:
1、磁流体发电数据采集系统                 中科院科技进步三等奖  1987
2、千千瓦级磁流体发电机组(KDD-2)的研制        中科院科技进步二等奖  1988
3、燃煤磁流体发电通道电极单元模拟试验装置         中科院科技进步三等奖  1990
4、磁流体发电机的理论分析和基础研究            中科院自然科学二等奖  1991
5、燃煤磁流体——蒸汽联合循环中试电站系统分析和设计研究  中科院重要成果     1992
6、磁流体发电用鞍形超导磁体                中科院科技进步二等奖  1994
7、热功率25兆瓦燃煤磁流体发电机实验装备         中科院重要成果     1998
8、超导螺旋式电磁流体推进试验船              中科院科技进步二等奖  2000
2:千千瓦级磁流体发电机组(KDD2)的研制获1988年度中科院科技进步二等奖
国家第一期“863”高技术计划的总要求是跟踪国际先进水平,因此我们在从事燃煤磁流体发电研究过程中,非常重视国际交流与国际合作。我国是国际磁流体发电联络小组成员,并积极参加该小组组织的各项活动,如历届磁流体发电国际会议,我们还于1992年、1999年在北京先后举办了磁流体国际会议,取得了很好的效果,我们还定期参加美国磁流体发电工程年会(SEAM)和日本能量转换和新发电方式年会,我们还组织到美苏日等国磁流体发电研究基地进行考察。在执行“863”计划过程中,我们积极开展国际合作,先后与美国能源部、前苏联科学院高温研究所签订了磁流体发电合作协议。前面已经提到我们先后与美国田纳西大学空间研究所进行的“磁流体发电流体力学研究(美国NSF组织支持)”和“磁流体中试电站概念设计”两项合作,取得了很好的效果。中试电站概念设计完成后,我们还组织国际同行专家对此设计进行讨论,听取他们的意见和建议,随后我们还组团到前苏联进行考察,详细了解苏联中试装置U25的设计和运行中的经验和教训。
在磁流体发电用超导磁体的研制过程中,全面吸收美国在研制同类磁体中经验,聘请美国有关专家进行指导。磁体绕制完成后,又在俄国高温研究所的大型杜瓦容器(我国没有同类设备)中进行低温通电和测场强的试验,取得了圆满的结果,为磁体最后封装创造了条件。从俄国低价引进的两套液氦设备为此磁体的运行和其他超导磁体的试验提供液氦的保障。总之,十多年的国际交流和国际合作为我们取得一定的研究成果创造了非常有利的条件。
1986年制订“863”计划时,专家委员会对磁流体项目没有经过充分的讨论,因此给该主题制订的总目标是在2000年前建成万千瓦级磁流体——蒸汽联合中试电站。这总目标与当时我国磁流体发电研究水平并不相适应,也没有充分估计磁流体发电研究中的困难。提供给这中试电站的经费也是与实际要求相差甚远。在执行该项目过程中,原电工所所长严陆光院士非常及时提出了修改该总目标的建议,主张缩小中试电站的规模。经过专家充分论证,认为这建议是完全正确的,后呈报科委,并得到科委核准。最后,我们决定利用已研制成的磁流体发电用超导磁体,在电工所东大院内建设一座磁流体——蒸汽发电中试装置,针对这个方案,电工所一、四室和职能部门进行了大量的先期准备工作,进行厂房设计,建立氧气系统,并请核能院二院进行了系统的初步设计。
到了九十年代中期,磁流体发电国内外形势发生了一些变化,使上述中试装置的工作被迫停止,磁流体发电也不再列入国家21世纪“863”计划。首先,在国际上,磁流体发电原先被列入美苏的国家计划,但90年代初苏联解体,国家已无力承担一系列重大科研项目,决定取消一大部分国家科研项目,其中包括磁流体发电。美国在蒙大拿州和田纳西州的两台装置基本完成其科研任务之后,本应建设一个8万千瓦磁流体——蒸汽联合循环中试电站,能源部亦已组织专家为这中试电站完成了初步设计。但是按照美国国家规定,中试电站具有半商业性,因此国家只能负担其中一半建设经费,另一半必须由民间电业机构出资。但是由于后一半经费得不到落实,因此不得不终止这一计划。当时,美国电力供应过剩,因此民间机构对这种带风险的新型电站没有兴趣,导致美国能源部终止了磁流体发电计划。我国“863”第一期计划的总目标是跟踪国际高技术的发展,因此美俄等国终止磁流体发电计划必然对我国科委的决策起到很大影响。另一方面,在执行总的“863”计划过程中,大家也普通觉得原定总经费100亿人民币(民用50亿)是不够使用的。能源领域在执行过程中,也大大超出原分配给该领域7亿人民币的经费。于是科委决定集中优势,保证一些项目的顺利进行,具体地说要保证高温核反应堆项目进行。因此势必要撤消一些项目,将它们未使用经费转移到高温核反应堆专题,这也是科委决定终止磁流体发电中试装置建设的一个重要原因。

31994年路甬祥院长视察电工所时参观磁流体发电试验室左一路甬祥,右一居滋象
磁流体发电既能提高效率节省能源,又能减少污染,当然是一种理想的发电方式,应该有美好的前景。但是,与此同时,其技术难度也是很大的。首先磁流体发电工质初始温度在25003000℃范围内,比常规火力电站和其他先进发电方式工质初始温度高得多。一般电站工质的循环起点大概在600℃以下。即使目前最先进的超超临界电站,工质的循环起点也不超过600℃,最先进的燃气蒸汽联合循环起点温度也在1300℃以下。磁流体发电这样高的起始温度给选材带来很大困难;其次,磁流体发电工质的流动速度也比其他形式发电高一倍左右;再次,燃煤磁流体发电通道电极附近物理化学过程非常复杂,也是其他类型发电方式从未遇到的。此外,大型低温超导磁体制造也是非常困难的。凡此种种,使磁流体发电研发工作离实用化还有相当的距离,还有待高温材料和超导技术进一步发展。也许这项技术首先会被用于军事和特种用途,因为它们往往只需要短时间运行,然后推广到民用领域。我们仍期待着这种技术得到应用的这一天。
 
2007年元月


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