Nghiên cứu phân tích hệ thống phát điện từ thủy động lực với chu trình kết hợp

Cuối cùng chúng ta đề cập đến năng lượng hạt nhân đang được xây dựng ở Ninh Thuận, đó là nguồn năng lượng phù hợp cho Việt Nam trong vài năm tới với chi phí sản xuất điện thấp và nguồn n

Trang 1

LVTN Mục lục

GVHD: TS Lê Chí Kiên Trang vii HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong

M C L C

Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan iii

Lời cảm ơn iv

Tóm tắt v

Mục lục vii

Danh sách các chữ viết tắt x

Danh sách các bảng xii

Danh sách các hình xiii

Chư ng 1 Tổng quan 01

1.1 Đặt vấn đề 01

1.2 Tổng quan về MHD và các kết quả đã nghiên cứu 02

1.3 Mục đích của đề tài 09

1.4 Nhiệm vụ của đề tài……….09

1.5 Phương pháp nghiên cứu 09

1.6 Giới hạn của đề tài 09

1.7 Điểm mới của đề tài 10

1.8 Giá trị thực tiễn 10

1.9 Bố cục của đề tài 10

Ch ư ng 2: C s lý thuyết 12

2.1 Nguyên lý phát điện của máy phát MHD……… 12

2.1.1 Định luật Ohm 13

2.1.2 Các phương trình cơ bản 14

2.1.3 Hiệu suất của máy phát……… 15

2.1.4 Mối quan hệ giữa ηgvà ηp……….15

Trang 2

GVHD: TS Lê Chí Kiên Trang viii HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong

2.1.5 Hiệu suất điện……… 16

2.1.6 Quan hệ giữa ηe và ηp……….16

2.2 Nguyên lý làm việc của chu trình tuabin khí……… 17

2.2.1 Máy nén 18

2.2.2 Thiết bị trao đổi nhiệt 19

2.2.3 Tuabin khí………20

2.2.4 Hiệu suất của chu trình tuabin khí……… 20

Chư ng 3: Phân tích chu trình 22

3.1 Xây Dựng Chu Trình MHD – Tuabin Khí 22

3.2 Các ký hiệu trong chu trình 23

3.3 Phân tích các khối trong chu trình 24

3.3.1 Phân tích máy phát MHD……….24

3.3.2 Phân tích thiết bị trao đổi nhiệt 25

3.3.3 Phân tích thiết bị làm lạnh……….25

3.3.4 Phân tích máy nén……….25

3.3.5 Phân tích tuabin khí……… 27

3.3.6 Phân tích nhiệt lượng……….28

3.3.7 Tính entropy……… 30

Chư ng 4: Tính toán vƠ mô ph ng các thông số của chu trình 32

4.1 Bài toán 1 32

4.1.1 Dữ liệu tính toán………32

4.1.2 Kết quả tính toán 33

4.1.3 So sánh kết quả……… 35

4.1.4 Kết quả tính toán khi thay T3 = 20000K………36

4.1.5 Kết quả phân tích nếu T3 = 24000K……… 38

4.1.6 So sánh kết quả……….40

4.2 Bài toán 2 41

4.2.1 Dữ liệu tính toán……… 42

4.2.2 Kết quả tính toán 42

Trang 3

GVHD: TS Lê Chí Kiên Trang ix HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong

4.2.3 Kết quả phân tích khi thay đổi T6 = 4000K 44

4.2.4 Nhận xét 46

4.3 Nhận xét kết quả tính toán của hai bài toán……….47

Chư ng 5: Kết luận vƠ hư ng phát triển 49

5.1 Kết Luận 49

5.2 Hướng phát triển của đề tài 49

TÀI LI U THAM KH O 51

PH L C 53

Trang 4

- M:khối lượng lưu chất

- W: năng lượng (điện năng)

- K: hệ số tải ( K = E/uB)

- ηe:hiệu suất điện

- ηg:hiệu suất máy phát

- ηp: hiệu suất polytropic

- v: vectơ vận tốc

- Qi: Nhiệt lượng tại nút thứ i (MW)

- Ti: Nhiệt độ tại nút thứ i (0

K)

Trang 5

LVTN Danh sách các chữ viết tắt

GVHD: TS Lê Chí Kiên Trang xi HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong

- Pi: Áp suất tại nút thứ i ( at)

- CP: Nhiệt dung riêng của chất khí ( J/KgK)

- Πt: Tỉ số áp suất ra – vào tuabin

- حt: Tỉ số nhiệt độ ra – vào tuabin

- G: Lưu lượng của chất khí qua máy phát MHD

- PMHD:Điện năng ra khỏi MHD

- PC: Năng lượng máy nén cần

- Pion: Năng lượng cần thiết để ion hóa chất khí

- W1: Điện năng lên lưới sau chu trình MHD

- W2: Điện năng lên lưới sau chu trình Brayton( tuabin khí)

- Tref: Nhiệt độ lấy mẫu(0

K)

- Pref: Áp suất lấy mẫu( at)

- Si: Entropy

Trang 6

LVTN Lời cảm ơn

GVHD: TS Lê Chí Kiên Trang iv HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong

L I C M N

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Lê Chí Kiên đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn

thành luận văn này

Chân thành cảm ơn quí thầy cô Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã giảng dạy tôi trong suốt hai năm học

Và cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên tôi trong suốt quá trình học tập

Trang 7

LVTN Danh sách các hình

GVHD: TS Lê Chí Kiên Trang xiii HVTH:Đỗ Huỳnh Thanh Phong

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 : Cấu tạo máy phát MHD……….3

Hình 1.2: Chu trình phát điện MHD sử dụng LNG……….4

Hình 1.3: Chu trình phát điện MHD sử dụng than……… 5

Hình 1.4: Chu trình phát điện dùng đĩa MHD kết hợp với năng lượng hạt nhân

(NFR/CCMHD)……… 8

H ì n h 2 1 : Máy nén ly tâm 18

Hình 2.2: Máy nén dọc trục 19

Hình 2.3: Quá trình biến đổi trạng thái chất khí trong chu trình Brayton 20

Hình 3.1: Chu trình kết hợp MHD – tuabin khí 23

Hình 3.2: Đồ thị T – s của quá trình nén.………26

Hình 3.3: Đồ thị T – s của tuabin khí 28

Hình 4.1: Kết quả phân tích chu trình MHD – tuabin khí với T3 = 18000K 34

Hình 4.2: Đồ thị T –S với T3 = 18000K 34

Hình 4.3: Kết quả phân tích chu trình MHD dạng đơn [12]……… 35

Hình 4.5: Đồ thị T –S với T3 = 20000K……… 37

Hình 4.7: Đồ thị T –S với T3 = 24000K 40

Hình 4.8: Kết quả phân tích chu trình MHD – tuabin khí [6] 41

Hình 4.9 :Kết quả phân tích chu trình MHD – tuabin khí với T6 = 3500K ………43

Hình 4.11: Kết quả phân tích chu trình MHD – tuabin khí với T6 = 4000K…… 45

Hình 4.13: Đồ thị T –S với T6lần lượt được thay đổi 3000

K, 3500K và 4000K…46

Trang 8

LVTN Danh sách các hình

GVHD: TS Lê Chí Kiên Trang xiv HVTH:Đỗ Huỳnh Thanh Phong

Hình 4.14: Biểu đồ biểu thị mối quan hệ giữa hiệu suất của chu trình và nhiệt độ

Trang 9

để có thể rút ngắn khoảng cách cung – cầu của năng lượng điện trong vài năm tới

để thực hiện điều này chúng ta có rất nhiều giải pháp, ta thử phân tích các nguồn điện để tìm giải pháp thích hợp nhất

Khi nói đến nhà máy điện của việt nam thì trước tiên phải kể đến thủy điện, chúng ta đã khai thác thủy điện rất triệt để và rõ ràng nguồn tài nguyên này không phải là vô tận, các nhà máy thủy điện lớn khoảng 1000MW không còn khả năng xây dựng nữa mà chỉ có thể xây dựng những nhà máy nhỏ khoảng 300 MW nhưng xây dựng thủy điện quá nhiều sẽ ảnh hưởng lớn đến môi trường sinh thái đó là chưa

kể đến hàng loạt sự cố xảy ra đối với thủy điện trong thời gian qua đi ví dụ như thủy điện Sông Tranh Do đó có thể kết luận thủy điện không phải là lựa chọn thích hợp đối với nước ta

Thứ hai là nhiệt điện, nhiệt điện thì dựa vào than và dầu nhưng dầu cũng không phải là vô tận, nếu không nói là sẽ cạn kiệt trong vài chục năm nữa Mặt khác, nguyên liệu dầu mỏ càng ngày càng trở nên quý hiếm đối với nhiều ngành công nghiệp nên việc đốt dầu thành điện là một sự lãng phí đáng tiếc Vì lẽ đó, nhiệt điện chủ yếu phải dựa vào than Tuy nhiên hàng năm chúng ta cũng phải nhập khẩu một lượng than rất lớn và nếu như thế thì ô nhiễm môi trường là không thể tránh khỏi vì bụi than và khí thải khi đốt than Như vậy nhiệt điện cũng chưa phải

là sự lựa chọn thích hợp cho ngành năng lượng điện của việt nam

Trang 10

LVTN Chương 1: Tổng quan

GVHD: TS Lê Chí Kiên Trang 2 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong

Thứ ba là nguồn năng lượng sạch: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh học… Các nguồn năng lượng này đang được nghiên cứu và đầu

tư ứng dụng ở nhiều quốc gia phát triển và trong tương lai xa đó chính là nguồn năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch nhưng do giá thành cao nên trong vòng vài năm tới nó chưa phải là lựa chọn hợp lý nhất của nước ta

Thứ tư là giải pháp nhập khẩu điện năng của các nước láng giềng, giải pháp này chúng ta đã và đang thực hiện và nó cũng đáng quan tâm vì giúp giải quyết thiếu hụt năng lượng trước mắt nhưng cũng cần lưu ý nhập khẩu có hạn vì ảnh hưởng an ninh năng lượng quốc gia

Cuối cùng chúng ta đề cập đến năng lượng hạt nhân đang được xây dựng ở Ninh Thuận, đó là nguồn năng lượng phù hợp cho Việt Nam trong vài năm tới với chi phí sản xuất điện thấp và nguồn nhiệt tỏa ra rất lớn nếu chúng ta kết hợp nguồn nhiệt tỏa ra với chu trình kết hợp MHD – tuabin khí thì khi đó ta sẽ có được chu trình sản xuất điện năng khép kín với hiệu suất phát điện được nâng lên đáng kể, đó

là nội dung nghiên cứu của đề tài này

1.2 Tổng quan về MHD vƠ các kết qu đã nghiên cứu

Máy phát điện từ thuỷ động lực (MHD) là hệ thống chuyển nhiệt năng hay động năng trực tiếp thành điện năng dựa trên nguyên lý từ thủy động học MHD có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao và không cần phải có các chi tiết cần được bôi

trơn (chuyển động cơ học)

Khí thải của hệ thống MHD thường là các dòng phasma nóng và chúng có thể tái sử dụng để cung cấp nhiệt cho các hệ thống nhiệt điện truyền thống (turbin hơi nước hay tuabin khí).Về mặt nhiệt động lực học các máy phát điện từ thủy động lực thường hoạt động theo chu kỳ Brayton và có hiệu suất tương đương với chu trình Carnot trong điều kiện lý tưởng Hiệu suất của MHD phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh

Trang 11

Hình 1.1 : Cấu tạo máy phát MHD

MHD có một vai trò to lớn trong việc nâng cao hiệu suất của một nhà máy điện nhiên liệu hóa thạch, chất dẫn điện trong MHD có thể là kim loại lỏng hoặc khí làm việc ở nhiệt độ rất cao lên đến 30000K trong khi với máy phát điện thông thường tuabin hơi chỉ làm việc với nhiệt độ khoảng 1000oK Về mặt hiệu suất cũng vậy nếu máy phát điện tuabin hơi thường có hiệu suất khoảng 40% thì máy phát MHD nâng hiệu suất đó lên đến 60%

Máy phát MHD tuy có những ưu điểm như vậy nhưng nó chưa được ứng dụng cho sản xuất điện năng với quy mô lớn do có những vấn đề về kỹ thuật cũng như về sự chênh lệch giá thành so với các tuabin khí ngày càng phát triển Máy phát MHD chu trình hở thường vận hành với nhiên liệu hóa thạch sau đó kết hợp với tuabin hơi và được nghiên cứu vào những năm đầu của thập nhiên 60

Máy phát MHD chu trình kín thường vận hành với nhiên liệu từ lò phản ứng hạt nhân Vì có khả năng làm việc ở nhiệt độ rất cao nên MHD được phát triển như một chu trình đứng đầu để nâng cao hiệu quả của nhà máy điện tuabin khí đặc biệt

là khi đốt than hay nhà máy điện hạt nhân vì vậy MHD nên được sử dụng với chu trình kết hợp

Trang 12

M

inverter

Điện năng lên lưới 2400K

0.6 MPa

LNG

Hình 1.2: Chu trình phát điện MHD sử dụng LNG Trên thực tế máy phát điện MHD sử dụng nhiên liệu hóa thạch thì vượt qua các công nghệ khác ít tốn kém hơn chẳng hạng như chu trình kết hợp tuabin khí hoặc co2 nhiên liệu nóng chảy xả hơi nóng cho tuabin hơi nước Các nhà máy sẽ thu hồi nhiệt thảy từ MHD để oxi hóa làm nóng nước và phát điện kết hợp chu trình hơi nước Một nghiên cứu khả thi đã được Bộ Năng Lượng Mỹ (DOE) tài trợ được công bố trong tháng 6 năm 1989 cho thấy hiệu suất năng lượng mà chu trình kết hợp mang lại là 60% nó vượt qua công nghệ than đá thông thường, tuy nhiên không có máy phát MHD lớn nào được thử nghiệm vì không có đủ tự tin cho việc thiết kế một MHD sử dụng trong thương mại dùng nhiên liệu là than

Trang 13

MHD

Điện năng

CO + H2

C H2O

CO2 + H2O

Đốt than

Gia nhiệt

CO +H2

seed

Hình 1.3: Chu trình phát điện MHD sử dụng than Máy phát MHD với chu trình kết hợp làm giảm lượng khí thải của than nhiên liệu, có thể làm tăng hiệu suất của nhà máy điện Trong các nhà máy sử dụng than làm nguyên liệu cho MHD các quá trình nghiên cứu để hướng đến thương mại hóa đã được cấp bằng sáng chế „ ECONOSEED‟ do Hoa Kỳ phát triển và tái chế hạt ion hóa kali từ tro bay ra Tuy nhiên nếu dùng kim loại kiềm làm chất lỏng trong MHD thì chúng có khả năng phản ứng mãnh liệt với nước và tạo ra các sản phẩm phụ từ đó có thể sản sinh ra các môi trường độc hại

Đối với nhà máy than thì như vậy còn đối với các nhà máy điện hạt nhân cung cấp nhiệt độ cao và plasma cho máy phát từ thủy động lực dạng đĩa thì có khả năng giảm đáng kể ô nhiễm môi trường vì hiệu quả tổng thể cao mà không thảy ra

CO2

Trang 14

Lịch sử phát triển vƠ hư ng nghiên cứu trên thế gi i

Máy phát MHD đầu tiên được nghiên cứu vào năm 1938 tại Hoa Kỳ và được cấp bằng sáng chế số 2210918 “ Quy trình chuyển đổi năng lượng” vào ngày

13 tháng 8 năm 1940

Chiến tranh thế giới lần thứ II đã làm gián đoạn sự phát triển của máy phát

từ thủy động lực mãi đến năm 1962 hội nghị quốc tế đầu tiên về máy phát điện MHD đã được tổ chức tại Newcastle ( Vương Quốc Anh) do tiến sĩ Brian C Lindley nghiên cứu và tổ chức

Năm 1964 hội nghị lần thứ hai đã được tổ chức ở Paris ( Pháp) với sự tham

gia của cơ quan năng lượng hạt nhân Châu Âu.Tháng 7 năm 1966 hội nghị lần thứ

ba với sự tài trợ của cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế đã được tổ chức tại Salzburg ( Áo)

Thực tế trong những năm của thập niên 1960 tính thực tiễn của máy phát điện MHD cho hệ thống nhiên liệu hóa thạch đã được nghiên cứu bởi R ROSA.Đến cuối những năm 1960 sự quan tâm đến máy phát MHD đã bị từ chối do sự phát triển phổ biến của điện hạt nhân nguyên tử Vào những năm cuối thập niên

1970 khi sự quan tâm đến điện hạt nhân bị giảm xuống thì người ta lại có xu hướng quay trở lại quan tâm đến MHD

Năm 1975 UNESCO khuyến cáo nên nghiên cứu MHD và coi đó như là một phương pháp hiệu quả nhất để sử dụng trữ lượng than đá trên thế giới và UNESCO

đã trở thành nhà tài trợ chính cho ILGMHD

& VƠi nét về máy phát từ thủy động lực các quốc gia trên thế gi i:

 Tại Hoa Kỳ: trong những năm đầu của thập niên 1980 bộ năng lượng mỹ bắt

đầu chương trình phát triển mạnh mẽ mhd mà đỉnh cao là máy phát 50MW(năm 1992) dùng chu trình hở (chu trình đốt than)

Chương trình phát triển này là sự kết hợp của 4 phần với các đơn vị khác nhau:

Trang 15

1 Đứng đầu của chu trình tích hợp này là máy phát điện hiệu ứng Hall đun nóng bằng than đá nghiền thành bột cùng với một loại hạt giống như ion hóa của Kali với sự giám sát và phát triển của AVCO

2 Cơ sở để tạo ra các hạt ion hóa được phát triển bởi TRW Theo phương pháp này kali cacbonat được tách ra từ sunfat trong tro, cacbonat được lấy ra và để lại kali

3 Phần cuối của chu trình được nghiên cứu và phát triển bởi CDIF

4 Phương pháp tích hợp MHD từ nhà máy than được Westinghouse Electric nghiên cứu cùng với sự kết hợp của công ty điện lực Montana

Chương trình thử nghiệm này đã kết thúc vào năm 1993 với hơn 4000 giờ hoạt động liên tục

 Tại Nhật Bản : vào cuối những năm 1980 tại Nhật người ta tập trung vào

máy phát điện MHD có chu trình kín Việc nghiên cứu đó phù hợp với điều kiện của Nhật Bản với công suất của nhà máy nhỏ hơn 100 MW khi đó có ưu thế là thiết

bị nhỏ gọn không gây ô nhiễm môi trường còn chu trình hở chạy bằng than chỉ vận hành kinh tế nếu công suất trên 200MW Tại Nhật Bản đầu tiên chúng ta phải kể đến công trình FUJI – 1 được viện công nghệ Tokyo nghiên cứu Hệ thống này là một máy phát dạng đĩa với helium , khí argon và hạt ion hóa kali Kết quả của thí nghiệm cho mật độ điện gần 100MW/m3 và hiệu suất EE lên đến 30,2%

Năm 1994 kế hoạch FUJI – 2 được xây dựng dựa trên FUJI – 1 hệ thống này

sử dụng khí trơ thông qua máy phát dạng đĩa với mục đích là khai thác enthapy 35% và hiệu suất phải đạt được là 60% tiến tới trang bị thêm 300MW cho nhà máy điện sử dụng khí thiên nhiên

 Tại Australia: năm 1986 giáo sư Hugokal Mersserle tại đại học Sydney đã

nghiên cứu MHD dùng nhiên liệu là than đốt kết quả là hàng loạt nhà máy điện đã

đi vào hoạt động bên ngoài Sydney

 Tại Italia: vào năm 1989 Italia bắt đầu nghiên cứu MHD theo 3 lĩnh vực

chính

1 Nghiên cứu mô hình MHD

Trang 16

2 Phát triển nam châm siêu dẫn với mục tiêu là vào năm 1994 có một nhà máy điện MHD công suất lớn

3 Đưa MHD vượt qua lò hơi và trở thành nhà máy điện chính

 Tại Nga: năm 1994 Nga đã phát triển và điều hành cơ sở than U – 25 tại

Viện hàn lâm khoa học Nga ở Moscow và quan tâm đến MHD dạng đĩa dùng nhiên liệu than

Theo hội nghị được tổ chức tại Munich (Đức) với sự tham gia của cơ quan năng lượng hạt nhân Châu Âu; Bộ Giáo Dục và Khoa học Đức thì chu trình MHD

mở coi như đã đạt đến giai đoạn nguyên mẫu trong khi có những tiến bộ đáng kể được thực hiện trong hệ thống MHD khép kín nó là mối quan tâm đặc biệt trong việc kết nối với lò phản ứng hạt nhân tiên tiến

Trong những năm đầu của thế kỉ XXI chu trình MHD kín (MHD phasma) đã

có những nghiên cứu và phát triển Các nghiên cứu của Nob Harada, Le Chi Kien , Hishikawa tại đại học Nagaoka Niigata Nhật Bản về vấn đề MHD kín đã được báo cáo với tổng hiệu suất dự kiến đạt 55,2% Nghiên cứu này cho thấy MHD kín phù hợp với lò phản ứng hạt nhân nhiệt độ cao, không gây ô nhiễm môi trường

Hình 1.4: Chu trình phát điện dùng đĩa MHD kết hợp với năng lượng hạt nhân

(NFR/CCMHD)

Trang 17

Tất cả các hệ thống phát điện MHD có thể được phát triển để đạt hiệu quả cao trong sản xuất điện năng với ưu điểm như giảm tiêu thụ nhiên liệu, không gây ô nhiễm không khí, hiệu suất cao

1.3 M c đích của đề tƠi

 Phân tích cấu trúc và hiệu quả của chu trình phát điện dùng MHD kết hợp với tuabin khí

 Phân tích, tính toán các thông số tại các nút trong chu trình kết hợp từ

đó đưa ra giải pháp nâng cao hiệu suất của chu trình phát điện trong nhà máy nhiệt điện

1.4 Nhi m v của đề tƠi

Nhiệm vụ trọng tâm của đề tài là phân tích nguyên lý làm việc, tính toán mô phỏng các thông số của các khối và hiệu suất chu trình kết hợp Đề tài gồm các vấn

đề sau:

 Tìm hiểu nguyên lý phát điện từ thủy động lực học

 Nghiên cứu cấu trúc chu trình phát điện MHD kết hợp tuabin khí

 Tính toán, mô phỏng, phân tích quá trình nhiệt động trong chu trình kết hợp từ đó tính hiệu suất của chu trình

1.5 Phư ng pháp nghiên cứu

Do ở nước ta vấn đề nghiên cứu hệ thống phát điện còn sơ khai, mới được tiến hành trong vài năm gần đây nên chưa có đủ điều kiện để thực nghiệm vì vậy tác giả đề tài chọn phương pháp nghiên cứu cấu trúc, mô phỏng, phân tích quá trình cân bằng nhiệt của chu trình dựa trên các nguyên lý, quá trình nhiệt động lực học của chất khí sau đó rút ra nhận xét kết luận

1.6 G i i h n của đề tƠi

 Không phân tích cấu tạo của đĩa MHD

 Không có điều kiện để thực nghiệm nên chủ yếu là phân tích quá trình nhiệt động lực học

Trang 18

1.7 Điểm m i của đề tƠi

Phân tích T-S để tìm năng lượng vào ra các khối trong chu trình nhằm tính toán chính xác hiệu suất chu trình từ đó đề ra giải pháp nâng cao hiệu suất nhà máy

Với kết quả nghiên cứu thì đề tài có thể:

 ng dụng trong hệ thống phát điện hạt nhân – MHD – tuabin khí

 Sử dụng làm tài liệu cho các nghiên cứu nâng cao hiệu suất nhà máy điện

2 Chư ng 2: C s lý thuyết

Trình bày cơ sở, đặc tính, nguyên lý phát điện từ thủy động lực (MHD) và phân tích động học chu trình phát điện tuabin khí

3 Chư ng 3: Phân tích chu trình

Xây dựng chu trình phát điện, phân tích nhiệt động học của từng khối trong chu trình ( P, T,S,Q) từ đó tính toán các thông số của chu trình cũng như hiệu suất của chu trình phát điện kết hợp

4 Chư ng 4: Tính toán và mô ph ng các thông số của chu trình

Trình bày bài toán ứng dụng tính toán chu trình với các thông số cụ thể, mô phỏng thông số ra của các khối, đồ thị biểu diễn mối quan hệ của các thông số đầu

ra khi thay đổi dữ liệu đầu vào, trình bày kết quả nghiên cứu và so sánh kết quả với các kết quả nghiên cứu khác đã được công bố

Trang 19

5 Chư ng 5: Kết luận vƠ hư ng phát triển của đề tƠi

Đánh giá kết quả và trình bày hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài

Trang 20

LVTNChương 2: Cơ sở lý thuyết

Chư ng 2

C S Lụ THUÝT

2.1 Nguyên lý phát đi n của máy phát MHD

MHD dựa vào nguyên lý từ trường có thể cảm ứng các dòng điện từ một lưu chất dẫn điện chuyển động, lực tác dụng lên lưu chất có thể thay đổi từ trường của chính nó Tập hợp các phương trình mô tả MHD là sự kết hợp của các phương trình liên tục,phương trình động lực, các phương trình Maxwell (của điện từ) và định luật Ohm

Máy phát MHD chu trình kín thường sử dụng nhiên liệu từ lò phản ứng hạt nhân, nhưng có khi cũng dùng nhiên liệu hóa thạch Chất dẫn điện trong MHD có thể là khí hoặc kim loại lỏng có nhiệt độ làm việc thông thường khoảng 30000

K Đối với các máy phát MHD không có bộ phận chuyển động quay nên có thể nâng nhiệt độ lên cao và do đó có hiệu suất tương đối cao Hiệu suất của chu trình kết hợp có thể được biểu diễn như sau:

net

    

Trong đó 1là hiệu suất của máy phát MHD và 2là hiệu suất của tuabin khí

Quá trình phát điện được thực hiện bằng cách sử dụng từ trường mạnh để tạo

ra điện trường với luồng lưu chất dẫn điện đi xuyên qua 1 kênh và dòng electron gây ra bởi điện trường tạo ra dòng điện có vector mật độ dòng J Các điện cực phía đối diện thành lò MHD tiếp xúc với lưu chấtdẫn điện được nối với mạch điện bên ngoài Các electron từ lưu chất theo điện cực từ một phía vách lò đến tải bên ngoài

và đến điện cực phía đối diện sau đó trở về khối lưu chất tạo thành dòng điện kín Như vậy ta thấy hai điện cực cung cấp cho tải bên ngoài dòng điện một chiều và chúng ta có thể nối với bộ nghịch lưu để trở thành dòng điện xoay chiều rồi đưa lên lưới điện

Trang 21

Máy phát điện từ thủy động lực học có thể được dùng để chuyển nhiệt năng cung cấp bởi một lò phản ứng hạt nhân thành điện năng, vì chúng có thể hoạt động

ở nhiệt độ rất cao Bằng cách kết hợp sử dụng máy phát điện từ thủy động lực với

hệ thống tái sử dụng nhiệt năng của khí thải (thông qua máy phát nhiệt điện truyền thống, như tuabin khí), hiệu suất của toàn bộ hệ thống có thể lớn hơn 60%

Máy phát MHD dạng đĩa có dòng điện của hiệu ứng Hall chạy bên trong giữa điện cực gần tâm đĩa và điện cực phần rìa của đĩa Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý sinh ra khi từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay một chất bán dẫn đang có dòng điện chạy qua khi đó ta nhận được một hiệu điện thế sinh ra tại hai mặt đối diện nhau của tấm kim loại Hiệu ứng này được giải thích là

do bản chất của dòng điện chạy trong vật dẫn điện dòng điện này chính là sự chuyển động của các hạt mang điện khi chạy qua từ trường các điện tích chịu tác dụng của lực loren nên bị đẩy về một trong hai phía của tấm kim loại, sự tập trung điện tích

về một phía tạo nên sự tích điện trái dấu và gây hiệu ứng Hall

2.1.1 Định luật Ohm

Chúng ta đã biết trong bất kỳ dây dẫn mang điện luôn có lực điện trường, từ

trường và các ion Nếu tốc độ chuyển động của lưu chất là u xuyên qua một từ trường Bkết quả là xuất hiện một lực điện động u x B Bên cạnh đó thì cũng xuất hiện thành phần điện trường E = ± w x B và định luật Ohm tổng quát cho tất cả các

lực này là :

j = σ.ε - �� (j x B) + �

Trong đó ε là tổng của u x Bvà là áp suất của các electron

Phương trình (2.1) có thể được viết lại như sau khi dùng trong máy phát MHD

do dòng plasma tạo ra

j = σ.ε - �� (j x B) (2.2)

Trang 22

- Phương trình liên tục

Thông thường lúc đầu từ trường bên trong máy phát MHD thường được bỏ qua

do đó từ các phương trình bên trên ta có công suất điện ngỏ ra là

Trang 23

Áp dụng ba phương trình trên vào việc tính toán chi tiết máy phát MHD dạng đĩa ta có các phương trình cụ thể như sau:

2.1.3 Hi u suất của máy phát

Hiệu suất toàn phần của máy phát MHD thì cũng giống như của tuabin được xác định như sau:

Trang 24

Thay (2.18) vào (2.15) ta có mối quan hệ giữa ηgvà ηp được biểu diễn như sau:

2.1.6 Quan h giữa η e vƠ η p

Phương trình (2.17) có thể được viết lại như sau:

Trang 25

Sau đó thay phương trình (2.24), phương trình (2.7) và (2.10) vào phương trình (2.21) ta có phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa ηe và ηp

ηp = �0 �

2.2 N guyên lý lƠm vi c của chu trình tuabin khí

Chu trình tuabin khí hoạt động dựa trên nguyên lý của chu trình Brayton, một chu trình nhiệt động lực học được sử dụng rất phổ biến trong đời sống có hiệu suất tương đối cao hoạt động dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học

Các tuabin khí chứa năng lượng rất lớn, năng lượng này có được là do dòng chất khí di chuyển trong một chu trình cố định có nhiệt độ và áp suất cao từ 4 đến 10bar do đó trong chu trình đòi hỏi phải có máy nén Lưu lượng của môi chất cũng như tốc độ của nó là khá lớn do đó nó đòi hỏi máy nén gắn đồng trục với trục của tuabin

Các nhà máy điện tuabin khí sử dụng trong công nghiệp năng lượng điện được phân thành hai loại: nhà máy tuabin khí chu trình hở và nhà máy tuabin khí chu trình kín Trong giới hạn của đề tài này kết hợp với máy phát MHD nên chúng

ta sử dụng chu trình kín

Nhà máy điện tuabin khí chu trình kín được hình thành và phát triển tại Thụy

Sĩ lần đầu vào năm 1935 đến năm 1944 thì hoàn thành, sau đó các nhà máy điện tuabin khí được xây dựng trên toàn thế giới

So với chu trình hở thì chu trình kín có những ưu điểm đáng kể như:

 Có thể kiểm soát áp suất ngược một cách dể dàng hơn do đó kích thước máy nhỏ hơn và giá thành cũng thấp hơn

 Chu trình kín tránh được sự ăn mòn cánh tuabin vì thế có thể giúp nâng cao tuổi thọ của nhà máy điện

 Giải quyết được vấn đề nghiêm trọng mà chu trình hở gặp phải đó là lọc chất khí

 Trong chu trình kín nhiên liệu sử dụng tương đối kinh tế hơn chu trình hở vì

nó có thể sử dụng dầu kém phẩm chất

Trang 26

 Chu trình kín sử dụng được các khí helium, xenon,argon nâng cao hệ số nhiệt của chất khí từ 1,4 lên 1,67

Các nhà máy tuabin khí chu trình kín sử dụng heliumthì có kích thước nhỏ hơn nhiều so với nhà máy tuabin khí thông thường do helium có tính chất nhiệt động lực học tốt hơn không khí, dự kiến trong tương lai việc kết hợp lò phản ứng hạt nhân và tuabin khí sẽ cho giải pháp sản xuất điện rất tốt do chi phí nhiên liệu thấp và chi phí đầu tư được giảm đáng kể

Để tiến hành phân tích nhiệt động lực học của một chu trình trước hết chúng

ta phải sử dụng nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thứ hai nhiệt động học

 Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học: biến thiên nội năng của hệ nhiệt trong một quá trình bằng tổng công và nhiệt hệ nhận trong quá trình đó

Máy nén ly tâm bao gồm thành phần xoay và bộ khuếch tán khí, tỉ lệ nén của máy nén nằm trong khoảng 2 đến 3 đối với máy nén một tầng và tối đa là 20 đối với máy nén có nhiều tầng nén Hiệu suất của máy nén ly tâm nằm trong khoảng từ 80 đến 90%

Trang 27

Hình 2.1: Máy nén ly tâm

Máy nén dòng chảy dọc trục bao gồm các stator và các rotor, các cánh quạt được cố định trên trục, cánh quạt stator được cố định trên vỏ stator Hiệu suất đẳng entropy của máy nén nằm trong khoảng từ 90 đến 95%

Hình 2.2: Máy nén dọc trục

2.2.2 Thi ết bị trao đổi nhi t

Thiết bị trao đổi nhiệt gồm có hai phần chính, phần thứ nhất có nhiệm vụ làm giảm nhiệt độ của chất khí trước khi vào thiết bị làm lạnh và máy nén đồng thời giữ nhiệt lượng tại đó để truyền cho chất khí sau khi nó đi ra khỏi máy nén để vào tuabin Trong thiết bị trao đổi nhiệt tổn thất áp suất là rất nhỏ, hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt là rất lớn thường trên 90% và đôi khi đạt 100%

Trang 28

2.2.3 Tuabin khí

Loại tuabin đang được sử dụng phổ biến trong nhà máy điện là loại dòng chảy dọc truc, yêu cầu của các tuabin là nhẹ, hiệu suất cao,có độ tin cậy trong quá trình hoạt động, tuổi thọ làm việc lâu dài Các tuabin nhiều tầng thường được sử dụng trong nhà máy điện vì nó giúp giảm bớt cường độ làm việc quá cao của tuabin

từ đó tăng tuổi thọ của tuabin Trong nhà máy điện thường sử dụng tuabin nhiều tầng còn là vì trọng lượng của tuabin không phải là vấn đề đáng quan tâm Việc làm mát cánh tuabin là vấn đề cần thiết vì nó luôn làm việc với nhiệt độ cao của chất khí, có nhiều phương pháp làm mát khác nhau nhưng phổ biến nhất là phương pháp làm mát bằng không khí

2.2.4 Hi u suất của chu trình tuabin khí

Chu trình tuabin khí thường dùng là chu trình Brayton, chu trình này bao gồm hai quá trình đẳng áp và hai quá trình đoạn nhiệt được biểu diễn trên đồ thị:

Trang 29

Nhiệt lượng cung cấp cho hệ thống là CP.(T1 – T4)

Nhiệt lượng thu được từ hệ thống là CP.(T2 – T3)

Trong đó Cplà nhiệt dung riên đẳng áp

Hiệu suất của chu trình Brayton được xác định thông qua nhiệt dung riêng, nhiệt

Trang 30

LVTN Chương 3: Phân tích chu trình

GVHD: TS Lê Chí Kiên Trang 22HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong

Chư ng 3

PHÂN TÍCH CHU TRÌNH

3.1 Xơy Dựng Chu Trình MHD – Tuabin Khí

Chu trình phát điện kết hợp máy phát từ thủy động lực (MHD) và tuabin khí

là chu trình kín hoạt động dựa trên chu trình Brayton bao gồm:

 Nguồn nhiệt: cung cấp nhiệt lượng cho chu trình hoạt động (Qin) với nhiệt độ của chất khí từ 18000K đến 25000

K

 Máy phát MHD: sử dụng máy phát dạng đĩa có hiệu suất � từ 35% đến 46%

 Thiết bị trao đổi nhiệt: nhận nhiệt lượng còn lại sau máy phát MHD với nhiệt độ cao sau đó thực hiện quá trình trao đổi nhiệt cung cấp môi chất có nhiệt độ thấp trước khi vào thiết bị làm lạnh

 Thiết bị làm lạnh: làm lạnh môi chất trước khi vào máy nén để nén lên áp suất cao hơn Nhiệt độ chất khí sau khi làm lạnh có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của cả chu trình

 Máy nén khí: sử dụng máy nén đa tầng để nâng áp suất của chất khí trước khi vào tuabin khí phát ra điện năng, tỷ số nén của máy nén và số lượng tầng nén của máy nén là hai yếu tố cần lưu ý khi chọn máy nén

 Tuabin khí: nhận năng lượng vào với áp suất cao sau đó biến nhiệt năng thành điện năng và phát lên lưới điện w2

 Động cơ: nhận năng lượng từ bộ điều phối năng lượng có nhiệm vụ kéo máy nén

và tuabin hoạt động

Với các thiết bị trên ta có chu trình kết hợp được xây dựng như sau:

Trang 31

Q in

1 2 2A

- Pi: Áp suất tại nút thứ i ( at)

- CP: Nhiệt dung riêng của chất khí ( J/KgK)

Trang 32

- △T: Độ chênh lệch nhiệt độ

- t: Tỉ số áp suất ra – vào tuabin

- حt: Tỉ số nhiệt độ ra – vào tuabin

- G: Lưu lượng của chất khí qua máy phát MHD

- PMHD:Điện năng ra khỏi MHD

- PC: Năng lượng máy nén cần

- Pion: Năng lượng cần thiết để ion hóa chất khí

- W1: Điện năng lên lưới sau chu trình MHD

- W2: Điện năng lên lưới sau chu trình Brayton( tuabin khí)

- Tref: Nhiệt độ lấy mẫu(0

ngoài rìa đĩa

Máy dùng đĩa có hiệu suất cao, và máy có thể được thiết kế nhỏ gọn Năm

1994, Viện Kỹ thuật Tokyo đã chế tạo được máy phát đĩa MHD có hiệu suất 22%

và đến nay hiệu suất( � ) của máy phát có thể đạt đến 46%.Để phân tích máy phát dạng đĩa người ta dùng định luật Ohm, phương trình Maxwell và phương trình năng lượng, trong giới hạn nghiên cứu của đế tài này chúng ta không tính toán thiết kế đĩa MHD mà chỉ sử dụng kết quả hiệu suất � của máy phát là 35% đã được nghiên cứu trong [3] để phân tích nhiệt động học và tính toán chu trình

Trang 33

Hầu hết khi phân tích máy phát điện MHD chúng ta thường dùng chu trình Brayton Nếu áp suất vào máy phát là P3, áp suất ra khỏi máy phát là P4 thì

3.3.2 P hơn tích thiết bị trao đổi nhi t

Thiết bị trao đổi nhiệt làm nhiệm vụ thực hiện sự trao nhiệt của chất khí trong chu trình

Quá trình trao đổi nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt là quá trình đẳng áp nhưng thực tế có tổn thất nên áp suất ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt là:

P5 = P4( 1- △QTDN.�� ) (3.3)

Và nhiệt độ chất khí ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt được xác định bởi:

T5 = T4 - (�2− �1)

3.3.3 Phơn tích thiết bị lƠm l nh

Tương tự quá trình trao đổi nhiệt trong thiết bị làm lạnh cũng có tổn thất nên

áp suất ra khỏi thiết bị làm lạnh được xác định bởi:

Trang 34

Nhiệt độ qua các tầng nén được xác định bởi:

Trong đó � � có quan hệ với c ta có � �= � �−1�

Cuối cùng hiệu suất của máy nén được xác định bởi công thức sau

Định dạng
Số trang	69
Dung lượng	1,97 MB