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

Luận văn này phân tích chu trình kết hợp gồm máy phát điện từ thủy động lực dạng đĩa MHD phát ra điện năng w1, nguồn nhiệt năng còn lại sau máy phát MHD được sử dụng đưa vào chu trình tu

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐỖ HUỲNH THANH PHONG

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S 0 9

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH HỆ THỐNG

PHÁT ĐIỆN TỪ THỦY ĐỘNG LỰC VỚI

CHU TRÌNH KẾT HỢP

S KC 0 0 3 9 7 5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2013

ĐỖ HUỲNH THANH PHONG

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TỪ THỦY ĐỘNG LỰC VỚI CHU TRÌNH KẾT HỢP

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

Hướng dẫn khoa học:

TS LÊ CHÍ KIÊN

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 08 Hiền Vương Phường Phú Thạnh Quận Tân Phú Thành Phố Hồ Chí Minh

Điện thoại: 093 7 365 910 E-mail:thanhphong20082008@yahoo.com.vn

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

2.1 Hệ đại học

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, Quận Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh

Ngành học: Điê ̣n khí hóa - Cung cấp điê ̣n

2.2 Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2010 đến 10/2012 Nơi học (trường, thành phố): ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM

Ngành học: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Tên luận văn: Nghiên Cứu Phân Tích Hệ Thống Phát Điện Từ Thủy Động Lực Với Chu Trình Kết Hợp

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Tháng 04 năm 2013, ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM

Người hướng dẫn: TS LÊ CHÍ KIÊN

2.3 Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Tiếng Anh trình độ B1 2.4 Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: Bằng Kỹ Sư Điện và Chứng chỉ sư phạm bậc 2, cấp tại ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

09/2008 - nay Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Lý Tự

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013

Người cam đoan

Đỗ Huỳnh Thanh Phong

LỜI CẢM ƠN

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

TÓM TẮT

Nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt dần vì thế trong những năm gần đây bên cạnh việc nghiên cứu nguồn năng lượng mới để sản xuất điện năng như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh khối… Người ta còn tìm cách nâng cao hiệu suất nhà máy điện Một trong những phương pháp nâng cao hiệu suất nhà máy điện đó là dùng chu trình kết hợp thay cho chu trình đơn đã được phân tích

và báo cáo rất nhiều tại các hội thảo Luận văn này phân tích chu trình kết hợp gồm máy phát điện từ thủy động lực dạng đĩa (MHD) phát ra điện năng w1, nguồn nhiệt năng còn lại sau máy phát MHD được sử dụng đưa vào chu trình tuabin khí và phát ra điện năng w2 Các kết quả mô phỏng, tính toán trong luận văn cho thấy hiệu suất chu trình kết hợp được nâng lên đáng kể so với chu trình đơn, không những thế nó còn lớn hơn cả hiệu suất của chu trình kết hợp khác đã được nghiên cứu trước đây

ABSTRACT

Fossil fuel sources are depleting increasingly in recent years, so in addition to research new energy sources to produce electricity such as solar energy, wind energy, biomass energy, etc We also find methods to improve the performance of power plants One of the methods to improve power plant performance is to use combined cycle instead of single cycle were analyzed and reported at the conference This thesis presents analyzes the combined cycle consists of hydrodynamic generator from disk (MHD) power emitted w1, the remaining heat after MHD generator was put into use cycle gas turbine and generate electricity w2 The simulation results, calculated in the thesis shows combined cycle performance is improved significantly compared to the single cycle, not only that it is larger than the other combined cycle performance have been studied ago

MỤC LỤC

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

Chương 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

Chương 2: Cở sở 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 ηg và ηp……….15

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

Chương 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

Chương 4: Tính toán và mô phỏng 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

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

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển 49

5.1 Kết Luận 49

5.2 Hướng phát triển của đề tài 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHỤ LỤC 53

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

- 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 (0K)

- 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(0K)

- Pref: Áp suất lấy mẫu( at)

- Si: Entropy

LỜI CẢM ƠN

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

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

Hình 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 4.4: Kết quả phân tích chu trình MHD – tuabin khí với T3 = 20000K 37

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

Hình 4.6: Kết quả phân tích chu trình MHD – tuabin khí với T3 = 24000K 39

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 4.10: Đồ thị T –S với T6 = 3500K……… 43

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

Hình 4.12: Đồ thị T –S với T6 = 4000K……… 45

Hình 4.13: Đồ thị T –S với T6 lần lượt được thay đổi 3000K, 3500K và 4000K…46

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

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Việt nam là một quốc gia đang phát triển kinh tế, muốn phát triển kinh tế thì ngành năng lượng phải đi trước một bước trong đó phải kể đến năng lượng điện Theo các chuyên gia cả thế giới sẽ phải đối mặt với tình trạng thiếu năng lượng trong vài năm tới khi tốc độ cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch đang tăng nhanh Dự báo đến năm 2015 nếu sử dụng điện ở mức thấp nhất thì nước ta thiếu khoảng 46,3 tỉ KWh và đến năm 2020 thì con số này tăng lên đến 159 tỉ KWh Như vậy vấn đề đặt ra cho ngành điện là cần thay đổi cấu trúc các thành phần điện năng

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

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 và các kết quả 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)

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

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

Không khí

Gia nhiệt

Máy phát MHD

M

inverter

Điện năng lên lưới

MHD

Điện năng

CO + H2

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

Lịch sử phát triển và hướng nghiên cứu trên thế giới

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

& Vài nét về máy phát từ thủy động lực ở các quốc gia trên thế giới:

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:

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

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

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

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

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)

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 Mục đích của đề tài

 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 Nhiệm vụ của đề tài

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 Phương 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 Giới hạn của đề tài

 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

1.7 Điểm mới của đề tài

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:

 Ứng 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 Chương 2: Cơ sở 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 Chương 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 Chương 4: Tính toán và mô phỏng 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

5 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

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

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Nguyên lý phát điện 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 30000K

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  là hiệu suất của tuabin khí 2

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

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

Trong đó ε là tổng của u x Bvà 𝑝𝑒là 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 - 𝜔𝜏

𝐵 (j x B) (2.2)

- Phương trình liên tục

ρ.(𝜎

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

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 Hiệu suất của máy phát

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

ηg =

𝑕 𝑖− 𝑕 𝑓 ( 𝑡𝑕ự𝑐)

𝑕 𝑖− 𝑕 𝑓(đẳ𝑛𝑔 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝𝑦 )

(2.15) Trong đó hi là enthalpy ban đầu và hf là enthalpy cuối với giả thiết là hằng số áp suất giống nhau cho cả hai trường hợp thực tế và trường hợp đẳng entropy

Mặc dù trong nhà máy điện người ta chỉ quan tâm đến ηg nhưng khi nghiên cứu để tính toán thiết kế còn có hai hiệu suất khác mà chúng ta cũng phải để ý dến một trong chúng chính là ηp và nó được định nghĩa như sau:

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

2.1.5 Hiệu suất điện

Hiệu suất điện của máy phát là tỉ số giữa điện năng lấy ra và năng lượng bơm vào máy phát

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 = 𝜂𝑒

𝑇0

𝑇 − 𝑇0𝑇−1 𝜂 𝑒

(2.24)

2.2 Nguyên lý làm việc 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

 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%

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 Thiết bị trao đổi nhiệt

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%

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 Hiệu 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:

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

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

Trong đó Cp là nhiệt dung riên đẳng áp

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

Thay T1 và T4 vào phương trình (2.25) ta có

(2.26)

Chương 3 PHÂN TÍCH CHU TRÌNH

3.1Xây 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 25000K

 Máy phát MHD: sử dụng máy phát dạng đĩa có hiệu suất 𝜂𝐸𝐸 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: