Mô phỏng hệ thống phát điện dùng từ thuỷ động lực trong nhà máy nhiệt điện

Mô phỏng hệ thống phát điện dùng từ thuỷ động lực trong nhà máy nhiệt điện Mô phỏng hệ thống phát điện dùng từ thuỷ động lực trong nhà máy nhiệt điện Mô phỏng hệ thống phát điện dùng từ thuỷ động lực trong nhà máy nhiệt điện Mô phỏng hệ thống phát điện dùng từ thuỷ động lực trong nhà máy nhiệt điện Mô phỏng hệ thống phát điện dùng từ thuỷ động lực trong nhà máy nhiệt điện

TÓM TẮT

Hiện nay, ngành điện nước ta đang đối mặt với nhiệm vụ rất khó khăn đó là cung ứng nhu cầu ngày càng cao của khách hàng Bên cạnh đó vấn đề ô nhiễm môi trường, khủng hoảng về cung cầu năng lượng đang diễn ra hết sức gay gắt không những ở Việt Nam mà còn xuất hiện tại nhiều các quốc gia trên thế giới Nhận thức được điều này, các quốc gia trên thế giới đang nghiên cứu đưa vào các nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo Bao gồm năng lượng mặt trời, năng lượng gió, địa nhiệt, khí sinh học…Tuy nhiên, có một giải pháp đang được nhiều nước nghiên cứu

dù đang trong mô hình thí nghiệm nhưng tương lai nó sẽ phát triển mạnh mẽ, đó là phương pháp phát điện từ thủy động lực học (MHD)

Công nghệ phát điện của máy phát MHD có những bước phát triển mới Nó đã được ứng dụng rộng rãi trong các chu trình phát điện hỗn hợp để nâng cao hiệu suất của các nhà máy điện Đề tài: "Mô phỏng hệ thống phát điện dùng từ thủy động lực trong nhà máy nhiệt điện" được nghiên cứu với mục tiêu kết hợp máy phát điện MHD vào nhà máy nhiệt điện truyền thống nhằm nâng cao hiệu suất phát của nhà máy nhiệt điện Các kết quả mô phỏng và tính toán trong luận văn cho thấy hiệu suất khi có máy phát MHD tham gia thì hiệu suất được cải thiện tốt hơn so với các mô hình nhiệt điện truyền thống Đề tài còn là định hướng nghiên cứu đề xây dựng nhà máy nhiệt điện hiệu suất cao phù hợp với nền kinh tế và kỹ thuật của đất nước

ABSTRACT

Currently, power industry in our country is facing a very difficult task that is

to supply increasing demands of customers In addition, the problem of environmental pollution, the crisis of energy supply and demand are taking place very seriously not only in Vietnam but also in many countries around the world Aware of this, countries around the world are working on introducing new and renewable energy sources Including solar power, wind power, geothermal, biogas However, there is a solution that is being studied by many countries, although it is in the experimental model, but in the future it will develop strongly, that is the method of hydrodynamic generation (MHD)

The power generation technology of MHD generators has got new developments It has been widely used in mixed generation cycles to improve the efficiency of power plants Topic: "Simulation of power generation systems using hydrodynamics in thermal power plants" has been studied with the goal of combining MHD generators into traditional thermal power plants in order to improve generation efficiency of thermal power plants The simulation results and calculations in the thesis show that the performance when the MHD generator is involved, the performance is improved better than traditional thermal models The topic is also a research orientation to build a high-performance thermal power plant suitable to the economy and technology of the country

MỤC LỤC

TRANG

Trang tựa

Lý lịch khoa học vii

Lời cam đoan ix

Cảm tạ x

Tóm tắt xi

Abstract xii

Mục lục xiii

Danh sách các chữ viết tắt xvi

Danh sách các bảng xviii

Danh sách các hình xix

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Đặt vấn đề 5

1.2 Giới thiệu về máy phát điện MHD và các nghiên cứu về MHD: 5

1.3 Nhiệm vụ và mục tiêu của đề tài 7

1.4 Phạm vi nghiên cứu 7

1.5 Phương pháp nghiên cứu 7

1.6 Giới hạn của đề tài 8

1.7 Bố cục của đề tài 8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Nhà máy nhiệt điện 9

2.1.1 Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện 9

2.1.2 Các loại nhà máy nhiệt điện 9

2.1.3 Tiềm năng nhiệt điện ở Việt Nam 15

2.2 Máy phát điện từ thủy động lực 16

2.2.1 Tổng quát về MHD 16

2.2.2 Nguyên lý máy phát điện MHD 18

2.2.3 Các loại máy phát từ thủy động lực 21

2.2.4 Lưu chất cho máy phát điện MHD hoạt động 29

2.2.5 Nguyên lý làm việc của chu trình tuabin khí 33

2.2.5.1 Chu trình Brayton 33

2.2.5.2 Nguyên lý làm việc của chu trình tuabin khí 34

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH CHU TRÌNH 39

3.1 Xây dựng chu trình máy phát MHD kết hợp Tuabin khí trong nhà máy nhiệt điện 39

3.2 Các ký hiệu trong chu trình. 40

3.3 Phân tích các khối trong chu trình. 41

3.3.1 Phân tích máy phát MHD 41

3.3.2 Phân tích thiết bị trao đổi nhiệt 42

3.3.3 Phân tích thiết bị làm lạnh 42

3.3.4 Phân tích máy nén 42

3.3.5 Phân tích tuabin khí 44

3.3.6 Phân tích nhiệt lượng 45

3.3.7 Tính entropy 47

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 49

4.1 Bài Toán 1. 49

4.1.1 Dữ liệu tính toán 49

4.1.2 Kết quả tính toán 50

4.1.3 So sánh kết quả 51

4.1.4 Kết quả tính toán khi thay T3 = 20000K 53

4.1.5 Kết quả phân tích nếu T3 = 24000K 54

4.1.6 So sánh kết quả 55

4.2 Bài toán 2 56

4.2.1 Dữ liệu tính toán 56

4.2.3 Kết quả phân tích khi thay đổi T6 = 400 K 58

4.2.4 Nhận xét 59

4.3 Nhận xét kết quả tính toán của hai bài toán 61

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 63

5.1 Kết luận ……… 63

5.2 Hướng phát triển của đề tài ……… 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC ……… 66

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

- MHD: Magneto Hydro Dynamic

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 4.2: Kết quả tính toán thông số với T3 = 18000K 50

Bảng 4.3: Kết quả tính toán thông số với T3 = 20000K 53

Bảng 4.4: Kết quả tính toán thông số với T3 = 24000K 54

Bảng 4.6: Kết quả tính toán thông số với T6 = 3500K 56

Bảng 4.7: Kết quả tính toán thông số với T6 = 4000K 58

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Sơ đồ khối nhà máy nhiệt điện sử dụng nguyên liệu hóa thạch 9

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý nhà máy nhiệt điện dùng than 10

Hình 2.3b: Sơ đồ nguyên lý nhiệt điện dùng turbin khí chu trình kết hợp 13

Hình 2.6: Kênh phát điện MHD với dòng chảy chất lỏng hướng y

xuyên qua từ trường hướng z và tạo dòng điện theo hướng x 18

Hình 2.9: So sánh hoạt động máy phát điện từ thủy động lực học (B)

Hình 2.10- (a): Máy phát Faraday điện cực phân đoạn 22

Hình 2.10 -(b): Máy phát Faraday điện cực liên tục 22

Hình 2.11: Máy phát Faraday điện cực phân đoạn với tải riêng lẻ 22

Hình 2.14: So sánh hiệu suất điện giữa máy phát Hall và Faraday 27

Hình 2.18: Cấu hình hệ thống phát điện LMMHD EC OMACON 32

Hình 4.8: Đồ thị T –S với T6 lần lượt được thay đổi 3000K, 3500K và 4000K 59

Hình 4.9: Biểu đồ biểu thị mối quan hệ giữa hiệu suất của chu trình

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Hiện Việt Nam có khoảng 45.000MW nguồn điện, trong khi đó, đến năm 2025 nhu cầu sẽ là gấp đôi hiện nay, năm 2030 nhu cầu là khoảng 130.000MW Tại Việt Nam, nguồn điện chính gồm thủy điện và nhiệt điện, trong khi đó nguồn thủy điện chỉ có thể đáp ứng được hơn 30% nhu cầu và cơ bản đã khai thác hết

Tuy nhiên, trong những năm gần đây cùng với sự tăng trưởng về kinh tế, nhu cầu về năng lượng cũng tăng rất đáng kể trong khi nguồn tài nguyên năng lượng đang

sử dụng ngày càng cạn kiệt Trước hoàn cảnh đó, các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu và đưa ra nhiều giải pháp nhằm nâng cao chất lượng điện năng như: nâng cấp các nhà máy phát điện cũ, nâng cao khả năng truyền tải, giảm tổn thất điện năng,… và đặc biệt chú trọng đến vấn đề tìm nguồn năng lượng tái tạo mới, trong đó

có một phương pháp phát điện đã phát minh và đang nghiên cứu để hoàn thiện được nhiều nước đặc biệt chú ý, đó là phương pháp phát điện từ thủy động lực (MHD) Khác với các loại máy phát điện theo nguyên lý cũ, máy phát điện (MHD) có thể vận hành ở nhiệt độ cao và không có bộ phận chuyển động MHD được phát triển mạnh

mẽ bởi vì nhiệt thoát ra từ máy phát điện MHD vẫn có thể gia nhiệt cho lò hơi của các nhà máy nhiệt điện

Hiện nay, các nhà máy nhiệt điện ở nước ta đang rất phát triển cả về số lượng

và chất lượng, vì vậy đề tài này được thực hiện nhằm nghiên cứu kết hợp hệ thống phát điện từ thủy động lực và nhiệt điện để có thể tăng công suất phát điện cho các nhà máy nhiệt điện

1.2 Giới thiệu về máy phát điện MHD và các nghiên cứu về MHD

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

cơ học) Khí thải của hệ thống MHD thường là các dạng Plasma nóng và có thể được

tái sử dụng cung cấp cho các hệ thống nhiệt điện truyền thống (tuabin khí và tuabin hơi nước) Ngoài ra MHD còn có thể hoạt động ở nguồn nhiệt cấp thấp khi sử dụng kim loại lỏng phát điện

Công nghệ MHD hiện nay phát triển rất mạnh ở Nhật, Mỹ, Pháp Những nơi này có nền khoa học kỹ thuật phát triển trình độ cao đủ sức chế tạo thử nghiệm Bên cạnh đó các nhà máy điện hạt nhân cũng phát triển ở các quốc gia này phù hợp để áp dụng công nghệ phát điện mới này

Ở Việt Nam các nghiên cứu máy phát MHD còn rất sơ khai, chủ yếu dựa trên mặt lý thuyết là chính cũng có nhiều nghiên cứu kết hợp máy phát MHD với các chu trình nhà máy điện để nâng cao hiệu suất máy phát MHD Có nhiều công trình mang tính kỹ thuật có giá trị như: Nâng cao hiệu suất MHD trong nhà máy nhiệt điện, kết hợp MHD với năng lượng mặt trời, nghiên cứu MHD là động cơ đẩy tàu thuyền, bơm

Các nghiên cứu về MHD hiện nay trên thế giới:

- Máy phát MHD với lưu chất là muối kim loại nóng chảy

- Máy phát MHD với nhiên liệu hóa thạch, sử dụng chu trình kết hợp với turbine hơi để nâng cao hiệu suất phát điện

- Ứng dụng máy phát MHD sử dụng kim loại lỏng cho tàu ngầm để giảm tiếng

ồn cơ khí

- Sử dụng vật liệu siêu dẫn để tạo từ trường mạnh cho kênh dẫn

- Máy gia tốc sử dụng nguyên lý MHD (MHD accelerator)

- Mô phỏng về vận tốc và áp suất của vật dẫn, chất lỏng không nén

- Phản ứng của máy phát dạng đĩa chu trình kín kết nối với hệ thống điện

Các nghiên cứu về MHD hiện nay tại Việt Nam:

- Ảnh hưởng của vận tốc, mật độ từ trường, thông số Hall lên thông số đầu ra của MHD

- Khảo sát tính kinh tế ở máy phát từ thủy động lực ở Việt Nam

- Mô phỏng một số thông số của các loại máy phát điện từ thủy động lực

- Phân tích các thông số vào- ra và tính toán tỉ suất enthalpy của máy phát điện

từ thủy động lực

1.3 Nhiệm vụ và mục tiêu của đề tài

Phương pháp phát điện từ thuỷ động lực (MHD) là một trong những hướng nghiên cứu mới hiện đã được xây dựng dưới dạng mô hình thí nghiệm và sẽ được đưa vào sử dụng trong một tương lai gần do hiệu suất phát điện cao Dựa vào phần đặt vấn đề nêu trên, nhiệm vụ trọng tâm của đề tài là nghiên cứu kết hợp phương pháp phát điện từ thủy động lực học và nhiệt điện, chủ yếu gồm các vấn đề sau:

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

- Tìm hiểu các mô hình phát điện từ thủy động lực học

- Xây dựng mô hình mô phỏng phát điện dùng từ thủy động lực vào nhà máy nhiệt điện truyền thống

1.4 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về MHD

- Nghiên cứu chu trình làm việc của nhà máy nhiệt điện

- Nghiên cứu mô hình phát điện dùng từ thủy động lực học kết hợp nhiệt điện

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Đọc, nghiên cứu các tài liệu

- Nghiên cứu qua Internet

- Nghiên cứu cấu trúc, mô phỏng hệ thống dựa trên nguyên lý dựa trên các mô hình toán học sau đó rút ra kết luận

- Sử dụng phần mềm MATLAB và các phần mềm khác để mô phỏng và biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số trong sơ đồ phân tích.

1.6 Giới hạn của đề tài

- Không phân tích sâu cấu tạo máy phát MHD

- Không phân tích sâu hệ thống nhiệt điện

- Không phân tích lưu chất làm việc của MHD

- Không phân tích về phần điện sau máy phát

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày cơ sở lý thuyết về nhà máy nhiệt điện, nguyên lý hoạt động máy phát MHD, LMMHD và phân tích động học của chu trình phát điện tuabin khí

Chương 3: Phân tích chu trình

Trên cơ sở mô hình nhiệt điện, xây dựng và phân tích mô hình hệ thống phát điện dùng từ thủy động lực kết hợp nhiệt điện

Chương 4: Tính toán và mô phỏng

Tính toán mô hình mô hình hệ thống phát điện dùng từ thủy động lực kết hợp nhiệt điện ra các thông số cụ thể, mô phỏng thông số của các khối

Chương 5: Kết luận

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

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Nhà máy nhiệt điện

2.1.1 Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện

Nguyên lý chung của các nhà máy nhiệt điện: nhiên liệu hóa thạch (than, dầu hoặc khí) được đưa vào buồng đốt Nhiệt tỏa ra do phản ứng đốt cháy nhiên liệu sẽ được cấp cho lò hơi Khí thải từ quá trình đốt được kiểm soát về sự ô nhiễm Hơi được ngưng tụ và bơm tuần hoàn trở lại lò hơi [1]

Tốc độ turbine hơi được điều chỉnh bằng van hơi Động năng của turbine hơi sẽ kéo máy phát điện

Hình 2.1: Sơ đồ khối nhà máy nhiệt điện sử dụng nguyên liệu hóa thạch 2.1.2 Các loại nhà máy nhiệt điện

2.1.2.1 Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi

Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi (hình 2.2) chỉ làm nhiệm vụ sản xuất điện năng, nghĩa là toàn bộ năng lượng nhiệt có được từ quá trình đốt nhiên liệu chỉ dùng để sản xuất điện Đây là dạng nhà máy nhiệt điện phổ biến nhất đang sử dụng[1]

Nhiên liệu khí tự nhiên mang lại hiệu quả kinh tế cao do giảm khoảng 20% chi phí xây dựng nhà máy vì các khâu cung cấp và xử lý nhiên liệu đồng thời vận hành

cũng đơn giản hơn Hiệu suất của nhiệt điện khí cũng cao hơn so với nhiệt điện than khoảng 4 đến 5% do giảm được tổn thất nhiệt

Nhiệt điện khí ít ô nhiễm môi trường hơn nhiệt điện than và dễ vận chuyển hơn

do sử dụng đường ống dẫn khí

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý nhà máy nhiệt điện dùng than [1]

Than từ kho chứa nhiên liệu (1) qua hệ thống vận chuyển nhiên liệu (2) để vào

bộ sấy (3) sau đó đưa vào lò hơi (4) Trong lò hơi (4) xảy ra phản ứng cháy, năng lượng chuyển hóa thành nhiệt năng của hơi nước Khói từ lò hơi qua bộ hâm nước (14), bộ sấy không khí (15) quạt khói (16) đẩy khói vào ống khói thải ra ngoài Nước

từ bình khử khí (11) được bơm qua bơm (12) bơm qua bình gia nhiệt cao áp (13), bộ

hâm nước (14) vào lò hơi (4) Trong lò hơi, nước nhận nhiệt từ phản ứng cháy biến thành hơi áp suất cao (p=130 atm đến 240 atm; t=5500C đến 6500C) Hơi nước ra khỏi lò được đưa vào turbin hơi 5 Tại turbin, nhiệt năng của hơi nước biến thành cơ năng quay turbin Sau đó áp suất và nhiệt độ hơi giảm xuống

Hơi sau khi qua khỏi turbin có áp suất và nhiệt độ thấp (p=0,03 atm đến 0,04 atm; t=300C đến 400C) được đưa vào bình ngưng hơi (7) Nước từ bình ngưng (7) được bơm qua bơm (9) trở lại bình khử khí (11) qua bình gia nhiệt hạ áp (10)

Một phần hơi nước trích từ turbin để cung cấp cho bình gia nhiệt cao áp (13), bình khử khí (11) và bình gia nhiệt hạ áp (10)

Nhiệt điện ngưng hơi có các đặc điểm quan trọng sau:

- Công suất lớn, thường được xây dựng gần nguồn nhiên liệu

- Điện năng sản xuất ra chủ yếu tải lên mạng truyền tải

- Có thể làm việc với dải phụ tải rộng

- Thời gian khởi động lâu (3 đến 10h) Nhà máy dùng khí có thời gian khởi động nhỏ nhất kế đến là dầu và than

- Hiệu suất nhà máy nhiệt điện ngưng hơi thấp, thông thường 30 đến 35% Một

số nhà máy hiện đại có thể đạt đến 42%

- Lượng điện tự dùng nhà máy lớn (3 đến 15%)

- Vốn xây dựng nhỏ hơn thủy điện và thời gian xây dựng nhỏ hơn

- Gây ô nhiễm môi trường xung quanh

Để tăng hiệu suất người ta cố gắng tăng thông số hơi nước và công suất các tổ máy Hiện nay thường sử dụng phổ biến các tổ máy 300, 500 và 800MW có nơi tổ máy đạt đến 1200MW

2.1.2.2 Nhà máy nhiệt điện trích hơi

Nhà máy nhiệt điện trích hơi vừa sản xuất điện năng vừa cung cấp nhiệt cho các phụ tải nhiệt xung quanh

Nguyên lý làm việc của nhiệt điện trích hơi cơ bản cũng giống như nhiệt điện ngưng hơi (hình 2.2) nhưng có một phần hơi nước trích ra từ tầng trung áp và cao áp của turbin cấp cho bên ngoài Một phần hơi nước trích từ các tầng sau đến bộ hâm

nước (18) để đun nóng nước cung cấp nước nóng cho bên ngoài theo nhu cầu Nước sau khi sử dụng bên ngoài được đưa trở lại bộ hâm nước (18) qua bơm nước (20) Hơi nước trích từ turbin, sau khi đi qua bộ hâm nước (18) được đưa vào bình khử khí qua bơm (19)

Nhà máy nhiệt điện trích hơi có hiệu suất tổng cộng cao hơn nhiệt điện ngưng hơi do tận dụng phụ tải nhiệt Có khi hiệu suất đạt đến 70% trong trường hợp có nhiều phụ tải nhiệt xung quanh Các đặc điểm quan trọng của nhà máy nhiệt điện trích hơi là:

- Nhà máy thường được xây dựng gần hộ tiêu thụ nhiệt

- Nhà máy có công suất tùy thuộc vào nhu cầu phụ tải nhiệt và thông thường là không lớn và phổ biến là 300 đến 500MW

- Phần lớn điện năng phát ra cấp cho tải ở dạng điện áp phát và điện áp nhỏ nên máy phát thường sử dụng thanh góp

- Đồ thị phụ tải của nhà máy phụ thuộc vào phụ tải nhiệt

Hình 2.3b: Sơ đồ nguyên lý nhiệt điện dùng turbin khí chu trình kết hợp

Ở turbin khí chu trình đơn (hình 2.3 a) có một phần lớn là nơi chứa khí nén ở

áp suất cao nhiều tầng áp được đốt từ buồng đốt đưa ra ngay cánh turbin để quay máy phát điện Như vậy khí đốt trực tiếp đẩy trực tiếp vào cánh turbin thay vì phải truyền nhiệt qua nước hoặc hơi Các turbin thiết kế sau này có nhiệt độ đốt khoảng 15000 C

và hệ số áp suất là 30:1, cho hiệu suất nhiệt là 35% với các turbin đơn

Chu trình kết hợp bao gồm chu trình nhiệt động Rankine (turbin hơi) và Brayton (turbin khí) bằng cách sử dụng nồi thu hồi nhiệt để lấy năng lượng trong turbin khí

xả cấp cho turbin hơi (hình 2.3b)

Các nhà máy điện đốt nhiên liệu hóa thạch sử dụng hơi nước hoặc turbin khí cung cấp năng lượng cơ làm quay máy phát điện Nhiệt độ và áp suất cao của hơi nước hoặc khí đốt chuyển qua nhiều tầng quay của turbin làm quay turbin Turbin là dạng có nhiều cánh ghép lại nối mới máy phát điện

2.1.2.4 Điện nguyên tử

Thực chất nhà máy điện nguyên tử cũng là một nhà máy nhiệt điện (hình 2.4)

Có hai dạng nhà máy: một vòng tuần hoàn nước (hình 2.4 a) và hai vòng tuần hoàn nước (hình 2.4 b)

Trong đó lò hơi được thay thế bằng lò phản ứng hạt nhân và bộ trao đổi nhiệt (Containment building) Nguồn phát ra năng lượng điện vẫn là turbin hơi và máy phát điện turbin hơi

Trong quá trình làm việc, lò phản ứng hạt nhân phát ra các tia phóng xạ nguy hiểm với cơ thể người như gamma Để giảm bớt nguy hiểm thì lò phản ứng hạt nhân được bao bọc bởi các lớp đặc biệt: nước dày 1m, bê tông dày 3m và gang dày 0,25m Nước của mạch vòng đầu tiên chạy qua lò phản ứng sẽ nhiễm các chất phóng

xạ, nước mạch vòng thứ 2 hầu như không nhiễm phóng xạ và con người có thể tiếp xúc được

Hình 2.4: Sơ đồ khối nhà máy điện nguyên tử

Hình 2.5: Nhà máy điện nguyên tử tại Mỹ

Lượng nhiên liệu sử dụng trong nhà máy điện nguyên tử nhỏ hơn so với nhiệt điện rất nhiều Ví dụ để sản xuất 120MWh điện năng chỉ cần khoảng 30g uranium, nếu tính than thì cần 100 đến 110 tấn than Năng lượng của 1kg Uranium tương đương

2700 tấn than tiêu chuẩn

2.1.3 Tiềm năng nhiệt điện ở Việt Nam

Việt Nam nằm trong 5 nước ở Đông Nam Á (Indonesia, Thái Lan, Malaysia…) đang ở giai đoạn 2, tốc độ phát triển cao, nhu cầu điện năng rất lớn, tăng trưởng sản lượng điện trung bình hàng năm đều trên 2 con số Dự báo nhu cầu điện thương phẩm nước ta những năm tới (2020, 2025, 2030) tương ứng 235 tỷ kWh, 352 tỷ kWh, 506

tỷ kWh Trong khi đó tiềm năng năng lượng trong nước cho sản xuất điện, thủy điện vừa và lớn cơ bản đã khai thác hết, tổng công suất đưa vào cân đối khoảng 20.000

MW, điện sản xuất trên 70 tỷ kWh Các nguồn năng lượng khác tương đối hạn chế Tổng công suất nhiệt điện khí cũng khoảng trên 12.000 MW với sản lượng điện 63

tỷ kWh Các nguồn năng lượng tái tạo như thủy điện nhỏ, điện gió, điện mặt trời chiếm hơn 27.000 MW với tỷ trọng 21% vào năm 2030 Nước ta cũng đã dừng điện hạt nhân Chính vì vậy, nhiệt điện than (NĐT) đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh năng lượng Theo quy hoạch, đến 2020, tổng công suất nhiệt điện than khoảng 26.000 MW, chiếm 49% điện sản xuất; tương tự năm 2025 đạt khoảng 47.000

MW, chiếm 55%; năm 2030 đạt khoảng hơn 55.000 MW, chiếm 53% [2]

Sau thủy điện, nhiệt điện than cho giá thành thấp nhất (khoảng 7 cent Mỹ/kWh) Đặc biệt, vốn đầu tư không quá cao, tương đương 1.500 USD/kWh, thấp hơn thủy điện, điện mặt trời, điện gió, điện hạt nhân Trong khi khả năng huy động công suất lớn khoảng 6.500 giờ/năm, có thể tới 7.500 giờ/năm khi thiếu hụt, sản lượng điện phát ra lớn, đáp ứng nhu cầu điện năng trong giai đoạn phát triển kinh tế cao như hiện nay ở nước ta Địa điểm xây dựng nhà máy nhiệt điện than không quá lệ thuộc như thủy điện, chỉ cần đặt gần sông có lưu lượng lớn hoặc ven biển, cung cấp sản lượng điện cho đường dây 500 kV Bắc - Nam Thời gian xây dựng nhà máy này trong vòng

3 năm Với ưu điểm này, trong những năm gần đây ở phía Nam nước ta đã hình thành loại hình nhiệt điện than như các trung tâm nhiệt điện: Vĩnh Tân ở Bình Thuận, tổng công suất 6.264 MW, Duyên Hải (Trà Vinh), nhà máy điện Long Phú, Sông Hậu… Tuy nhiên nhược điểm: Các nhà máy nhiệt điện than dùng khối lượng lớn nhiên liệu

để sản xuất điện (chiếm 60% giá thành sản xuất điện); là nguồn phát thải lớn các chất thải ra môi trường, nhất là các chất thải rắn và khí; chi phí về đầu tư, vận hành, bảo dưỡng hệ thống xử lý môi trường tốn kém; chiếm nhiều diện tích làm địa điểm xây dựng nhà máy, làm bãi chứa tro xỉ; nhu cầu nước làm mát lớn

2.2 Máy phát điện từ thủy động lực

2.2.1 Tổng quát về MHD

Sự chuyển đổi năng lượng từ thủy động được biết với tên là MHD, nó là dạng chuyển đổi không theo truyền thống qua cơ năng Ở đây năng lượng chuyển đổi trực tiếp từ năng lượng của nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng điện

Phương pháp được phát hiện từ Faraday với nước làm chất lỏng dẫn điện, sau

đó đến Hall sử dụng khí đốt dẫn điện nhưng không cho hiệu suất cao do hạn chế bởi tính dẫn điện của khí đốt và hiểu biết thấp về Plasma thời gian này

Máy phát MHD chu trình mở vận hành với nhiên liệu hóa thạch đốt cho qua MHD sau đó kết hợp turbin hơi được vận hành thử nghiệm khoảng năm 1965 Máy phát MHD chu trình kín thường sử dụng với nhiệt từ lò hạt nhân nhưng đôi khi cũng dùng nhiên liệu hóa thạch Chất dẫn nhiệt trong MHD có thể là khí hoặc kim lọai lỏng

và nhiệt độ làm việc thông thường là khoảng 30000K trong khi với turbin hơi thì nhiệt

độ giới hạn khoảng 850 K và với các máy phát điện turbin hơi thì hiệu suất đạt khỏang dưới 42% Với các máy phát MHD không có bộ phận chuyển động quay nên có thể nâng nhiệt độ lên cao nên sẽ cho hiệu suất cao hơn[3]

Quá trình thực hiện là sử dụng từ trường mạnh để tạo ra điện trường với luồng chất lỏng dẫn điện đi xuyên qua trong một kênh và dòng electron gây ra bởi điện trường tạo ra dòng điện có vecto mật độ dòng là J Các điện cực phía đối diện thành

lò MHD tiếp xúc với chất lỏng dẫn điện đuợc nối với mạch điện bên ngòai (hình 2.6)

Các electron từ chất lỏng băng qua điện cực tại một phía vách lò MHD tới tải bên ngòai và tiếp tục đến điện cực phía đối diện và về lại chất lỏng tạo thành mạch kín Như vậy chất lỏng dẫn điện trong kênh MHD là nguồn trực tiếp cung cấp dòng điện một chiều tới tải bên ngòai hoặc có thể nối kết với độ nghịch lưu thành dòng điện xoay chiều

Đa số các khí thông thường không được ion hóa không đáng kể ở nhiệt độ đốt của các nhiên liệu hóa thạch Vì lý do này cần thiết phải thêm vào khí một lượng nhỏ kim lọai kiềm để tăng khả năng ion hóa Kết quả là các ion và elctron sinh ra trong khí nóng đủ dẫn điện để họat động trong từ trường

Hình 2.6: Kênh phát điện MHD với dòng chảy chất lỏng hướng y xuyên qua từ

trường hướng z và tạo dòng điện theo hướng x Động năng ion đo năng lượng cần thiết để giải phóng các electron khỏi nguyên

tử Các vật liệu như cesium và kiềm có động năng ion đủ thấp để nó có thể ion hóa ở nhiệt độ của phản ứng đốt cháy trong không khí Sự khôi phục lại vật liệu đã sử dụng

trong ngõ thóat của kênh MHD thường là cần thiết trong cả quan điểm môi trường lẫn kinh tế

2.2.2 Nguyên lý máy phát điện MHD

Máy phát điện từ thủy động lực (hay máy phát MHD) là hệ thống chuyển nhiệt năng hay động năng trực tiếp thành điện năng, dựa trên các nguyên lý từ thủy động học Chúng thường có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao và không cần có các chi tiết phải bôi trơn Khí thải của các hệ thống như vậy thường là các plasma nóng (như lửa),

có thể tái sử dụng để cung cấp nhiệt cho hệ thống nhiệt điện truyền thống (như máy phát điện hơi nước) [3]

Trong các máy phát điện MHD, chuyển động của dòng chất lỏng dẫn điện hoặc plasma được sử dụng để tạo ra dòng điện Máy phát điện MHD hoạt động theo định luật Lorentz[4]:

Theo quy tắc nhân có hướng các véctơ, F vuông góc với cả v và B, và tuân

theo quy tắc bàn tay phải Lực này sẽ dẫn hướng các điện tử chuyển động trong lưu

chất dẫn điện đến các điện cực đặt ở vị trí thích hợp trong dòng chảy nằm trong từ trường; và các điện cực sẽ gặt hái điện năng Một máy phát điện MHD hoạt động theo nguyên lý cơ bản: Định luật Faraday và quy tắc bàn tay phải

Hình 2.8: Nguyên lý của máy phát MHD

Điện tử đi từ lưu chất ở một vách của điện cực, đến tải mạch ngoài, đến điện cực ở vách đối diện, và sau đó trở lại lưu chất, nối kín mạch điện Vì thế dòng điện trong máy phát từ thủy động lực học là dòng một chiều, có thể cung cấp trực tiếp cho tải ngoài hoặc kết nối với biến tần để tạo ra dòng điện xoay chiều

Hiệu ứng nhiệt động lực học có thể được cung cấp với các điện tử của kim loại lỏng như Thủy ngân hoặc Na hoặc khí nóng chứa các ion và điện tử tự do Trong cả hai trường hợp, các điện tử có tính lưu động cao, và sự sẵn sàng di chuyển của các nguyên tử và các ion trong khi tổng lượng điện tích trung hòa được duy trì Điều đó

có được do lực tĩnh điện tạo nên sự cân bằng

Các máy phát điện này thường hoạt động theo chu trình Brayton, và có hiệu suất tương đương với chu trình Carnot trong điều kiện lý tưởng Hiệu suất này phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh, và các máy phát từ thủy động lực có thể hoạt động ở nhiệt độ nguồn nóng rất cao [5]

Hình 2.9: So sánh hoạt động máy phát điện từ thủy động lực học (B)

với máy phát điện tuabin truyền thống (A) [5]

Đối với một nhà máy điện quy mô lớn để hoạt động hiệu quả cần chú ý tăng tính dẫn điện của chất dẫn điện Nhiệt độ của một chất khí để trạng thái plasma của

nó hoặc việc bổ sung các chất dễ dàng ion hóa khác như các muối của các kim loại kiềm có thể thực hiện sự gia tăng này Trong thực tế, một số vấn đề phải được xem xét trong việc thực hiện một máy phát từ thủy động lực học: máy phát điện hiệu quả, kinh tế, và các sản phẩm phụ không độc hại Những vấn đề này đều bị ảnh hưởng bởi

sự lựa chọn của một trong bốn thiết kế máy phát điện: máy phát điện Faraday, máy phát điện Hall, máy phát điện cực chéo và các máy phát đĩa

Các phương trình cơ bản của máy phát MHD:

0 2

Mật độ dòng được đưa ra bởi định luật Ohm khi áp dụng cho một máy phát MHD:

2.2.3 Các loại máy phát từ thủy động lực

Trong các loại máy phát điện MHD, hiện nay đang được nghiên cứu cũng như được đưa vào sử dụng gồm các loại như:

 Máy phát Faraday điện cực phân đoạn

 Máy phát Faraday điện cực liên tục

 Máy phát Hall

 Máy phát điện cực nối chéo

 Máy phát dùng đĩa

Hình 2.10: (a) Máy phát Faraday điện cực phân đoạn

(b) Máy phát Faraday điện cực liên tục (c) Máy phát Hall

(d) Máy phát điện cực nối chéo (e) Máy phát dùng đĩa

2.2.3.1 Máy phát Faraday điện cực phân đoạn

Xét luồng khí một chiều chạy trong kênh MHD của mô hình 3 chiều đơn giản Các điện cực, đặt đối diện với vách kênh cách điện, được phân đoạn theo hướng dòng khí

Hình 2.11: Máy phát Faraday điện cực phân đoạn với tải riêng lẻ [5]

Khí được ion hóa chạy xuyên qua kênh điện cực phân đoạn theo hướng y với

tốc độ không đổi u Một từ trường đều theo hướng trục z xuyên qua khí trong kênh

MHD Một lực có giá trị quxB và vì vậy điện trường tương đương uxB tác động lên

dòng khí trong kênh dẫn Do đó các ion dương tiến tới theo chiều dương của trục x

và các electron hướng theo chiều âm của trục x về phía các điện cực Do tính di chuyển của nó lớn hơn nhiều so với các ion nên các electron là các hạt mang điện chủ yếu Các electron được thu lại tại các điện cực phía phải của dòng khí thông qua mạch điện bên ngoài trở về kênh MHD tại các điện cực phía bên trái

Khi kênh MHD có tải điện, vector mật độ dòng theo hướng x gây ra 1 lực trên chất lỏng theo chiều âm của trục y Như vậy thành phần trên trục x sinh ra bởi tác

dụng tương hỗ giữa J với từ trường sinh ra thành phần điện trường E y = - JB với trục theo hướng ngược với chiều tốc độ dòng khí u Để duy trì tốc độ trong ống không đổi, độ chênh lệch áp suất dòng khí dp/dy phải cân bằng với thành phần lực điện

trường theo trục này và lực tương hỗ Như vậy, bỏ đi điện trở tương hỗ thì thành phần lực theo trục của khí cho mỗi đơn vị thể tích là:

y = −| | = − = [N/m ] (2.17) Với dấu âm chỉ lực từ theo hướng ngược lại Khi kết quả dp/dy < 0 thì áp suất dòng khí giảm hay Fy tăng lên Áp lực cuối cùng theo chiều dương của trục y cân bằng với thành phần lực từ, lực tương hỗ và duy trì tốc độ dòng khí không đổi Do đó cần phải có máy nén để nén dòng khí, để chống lại sự giảm áp suất trường cảm ứng

và vì vậy duy trì được dòng khí ổn định trong kênh MHD

Với các điện cực phân đoạn thì không có dòng theo trục trong kênh (Jy=0) và như vậy thành phần mật độ dòng Jx = J là tương ứng với điện trường theo hướng x

= ( − ) [A/m ] (2.18) Điện trở kết hợp của dòng chảy trong kênh MHD và tải ngoài ảnh hưởng đến điện áp của các điện cực MHD Nếu mạch ngoài hở J = 0 thì phương trình (2.18) cho

thấy E x|open = uB Với 1 điện trở ngoài hữu hạn thì dòng và điện áp của điện cực MHD

giảm nhỏ hơn giá trị mạch hở Như vậy, khi mạch có tải thì điện áp kênh MHD giảm

xuống một phần nhỏ K so với điện áp mạch hở Chúng ta có thể viết E x = KuB gọi là

hệ số tải kênh (channel load factor) và 0 < K < 1 Mật độ dòng trở thành:

= (1 − ) [A/m ] (2.19) Công suất điện cung cấp cho tải với mỗi đơn vị thể tích của kênh MHD xác định như sau:

| = = (1 − ) [W/m ] (2.20)

Ta xem xét lại tương tác của dòng chất lỏng mang điện, ta viết dạng định luật thứ nhất nhiệt động dòng khí ổn định của khối điều khiển đoạn nhiệt, bao gồm công thực hiện đối với lực thể tích:

Với m là khối lượng dòng chảy qua kênh Ở đây công sinh ra dương do dòng chất lỏng qua kênh MHD phát sinh dòng điện qua tải Đối với tốc độ dòng chảy không đổi thì:

ℎ = ℎ – = ℎ – ( | )

Với ρ là mật độ khí cung cấp cho tải ngoài làm giảm nhiệt năng của dòng khí Cần phải có máy nén để điều áp dòng khí trong kênh và nhiệt của dòng khí sẽ cấp enthanpy ngõ vào cao và công ở ngõ ra

Từ phương trình (2.17), (2.19) ta thấy lực điện cản dòng chảy:

= − (1 − ) [N/m ] (2.23)

Và năng lượng chất lỏng đẩy khí xuyên qua kênh mỗi đơn vị thể tích là:

| = | | = (1 − ) [W/m ] (2.24) Thành phần tổn thất thuần trở RI2 thì từ (2.19) ta có:

Hiệu suất của kênh được định nghĩa là tỉ số giữa công suất ra và công suất vào theo phương trình (2.20) và (2.24):

Như vậy hiệu suất của kênh MHD có điện cực phân đoạn bằng với hệ số tải của kênh Phương trình (2.20) cho thấy công suất ra triệt tiêu khi K = 0 và khi K =1 Vậy phải có một giá trị K để công suất ra lớn nhất Đạo hàm phương trình (2.20) theo K

ta có được công suất ra lớn nhất khi K = 0,5 Vậy vận hành tại vị trí mà 50% năng lượng vào chuyển đổi thành điện và phần còn lại tiêu tán trong dòng khí Năng lượng này không mất đi theo luồng nhưng không thể chuyển đổi điện và cần một tổn thất trong luồng để có thể làm việc được

2.2.3.2 Máy phát Faraday điện cực liên tục

Hình 2.12: Máy phát MHD điện cực liên tục [5]

Đối với máy phát Faraday điện cực liên tục, E x = 0 và dòng điện Hall là hữu hạn,

J x ≠ 0 Thành phần trên trục x của dòng (theo hướng của dòng chất lỏng) có mạch hoàn chỉnh qua các vách điện cực J y giảm do ảnh hưởng này:

2.2.3.3 Máy phát Hall

Hình 2.13: Cấu hình máy phát kiểu Hall [5]

Trong cấu hình máy phát Hall, các cặp cực đối diện được nối ngắn mạch (Ey=0)

và mạch của Jx được nối qua tải bên ngoài Trong trường hợp này, các thành phần của dòng là:

Hình 2.14: So sánh hiệu suất điện giữa máy phát Hall và Faraday

Ở máy phát Hall, muốn hiệu suất cao đòi hỏi  lớn và thông số tải nhỏ trong khi hiệu suất của máy phát Faraday không phụ thuộc vào  và nâng cao khi giá trị thông số tải cao

2.2.3.4 Máy phát điện cực nối chéo

Hình 2.15: Máy phát điện cực nối chéo [5]

Gần đây cấu hình của máy phát đã thiên về cách nối chéo các điện cực dọc theo các mặt đẳng thế với góc nghiêng  tan E y /E x, (-/2   0) so với vectơ uxB

Nếu cấu hình này là lý tưởng thì dòng điện Hall bằng 0 và điện áp giữa các cặp điện cực đối diện giống như của máy phát Faraday Với sự kết nối chéo, toàn bộ mạch là

sự kết nối nối tiếp của nhiều điện cực của máy phát Faraday Ngõ ra, ở điện áp cao tương đối, được lấy ở cực đầu tiên và cuối cùng của dãy nối tiếp

Đặc tính của máy phát nối chéo là trung gian giữa máy phát Hall và máy phát Faraday Nếu dòng điện Hall là xác định thì các thành phần dòng điện ở dạng tổng quát nhất là:

(1 )

y x

Hiệu suất điện:

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 dùng đĩa có hiệu suất 22%

Hình 2.16: Đĩa phát MHD [5]

2.2.4 Lưu chất cho máy phát điện MHD hoạt động

2.2.4.1 Khí ion hóa (Plasma)

Ion hóa là quá trình các nguyên tử hay phân tử trung hòa về điện nhận thêm hay mất đi electron để tạo thành các ion âm hoặc dương Ion dương được tạo thành khi chúng hấp thụ đủ năng lượng (năng lượng này phải lớn hơn hoặc bằng thế năng tương

tác của electron trong nguyên tử) để giải phóng electron, những electron được giải phóng này được gọi là những electron tự do[13]

Năng lượng cần thiết để xảy ra quá trình này gọi là năng lượng ion hóa Ion âm được tạo thành khi một electron tự do nào đó đập vào một nguyên tử mang điện trung hòa ngay lập tức bị tóm và thiết lập hàng rào thế năng với nguyên tử này, vì nó không còn đủ năng lượng để thoát khỏi nguyên tử này nữa nên hình thành ion âm Ở điều kiện bình thường không khí gồm những nguyên tử và phân tử trung hòa về điện nên được xem là chất điện môi Khi bị đốt nóng không khí trở nên dẫn điện do chứa nhiều hạt mang điện bao gồm ion dương, ion âm Như vậy năng lượng ion hóa không khí lúc này chính là nhiệt năng Nguồn nhiệt có thể lấy từ phản ứng hạt nhân, đốt than, tập trung ánh sáng mặt trời… Để tăng độ dẫn điện của không khí người ta thêm vào các loại khí Argon, Helium

2.2.4.2 Kim loại lỏng

Kim loại lỏng là tên của một loạt các hợp kim vô định hình được phát triển bởi một Viện Công nghệ California (Caltech) nhóm nghiên cứu và tiếp thị bởi công nghệ kim loại lỏng

Hình 2.17: Kim loại lỏng NaK ở nhiệt độ phòng [6]

Hợp kim kim loại lỏng kết hợp một số tính năng vật liệu mong muốn, bao gồm

cả sức mạnh liên kết cao, chống ăn mòn tuyệt vời, hệ số rất cao của khả năng phục hồi và đặc tính chống mài mòn tuyệt vời Nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: đồng hồ, điện thoại cảm ứng…

Trong máy phát điện MHD kim loại lỏng được sử dụng là NaK NaK, hoặc hợp kim natri-kali là hợp kim của kali (K) và Natri (Na), thường là chất lỏng ở nhiệt độ phòng Là loại hóa chất công nghiệp NaK phản ứng rất mãnh liệt với nước và có thể gây cháy khi tiếp xúc với không khí, vì vậy phải được xử lý với biện pháp phòng ngừa đặc biệt So với khí ion hóa thì kim loại lỏng có ưu điểm là tính dẫn điện cao hơn và hoạt động ở nhiệt độ cấp thấp hơn một chu trình MHD sử dụng khí ion hóa Khả năng kết hợp với năng lượng địa nhiệt để phát điện rất có tiềm năng

2.2.4.3 Máy phát MHD sử dung kim loại lỏng

Những nỗ lực cũng đã được thực hiện để thay thế nhiên liệu đốt khí của máy

phát điện MHD với một kim loại lỏng thích hợp Liquid Metal(LM) và chế độ này của

MHD được gọi là MHD kim loại lỏng (LMMHD) Chất lỏng không được nén, chẳng hạn như kim loại lỏng, có thể được sử dụng trong máy phát MHD với lợi thế là có độ dẫn điện cao hơn (khoảng 106 lần so với khí ion hóa) ở nhiệt độ thấp Vì vậy, một sản lượng điện năng hợp lý có thể thu được bằng cách sử dụng một kim loại lỏng thích hợp, do đó tránh được những vấn đề của việc phải có vận tốc khí ở nhiệt độ rất cao, áp suất và lưu lượng cho khí bị ion hóa được sử dụng trong sản xuất điện MHD [8]

Nghiên cứu và phát triển trên hệ thống chuyển đổi năng lượng LMMHD được bắt đầu vào đầu những năm 1960 và kể từ đó một số khái niệm về hệ thống như vậy

đã được phát triển và một số hệ thống đã thực sự được xây dựng và thử nghiệm Kim loại lỏng như một chất lỏng làm việc trong các máy phát điện LMMHD được làm nóng trực tiếp hoặc gián tiếp để làm cho nó chảy qua các kênh MHD[7]

Hình 2.18: Cấu hình hệ thống phát điện LMMHD EC OMACON [7]

Hệ thống LMMHD cơ bản bao gồm hai ống kết nối với nhau tạo thành hệ thống kín Một máy trộn nằm ở dưới cùng của ống dẫn lên và một máy phát điện MHD một chiều (năng lượng điện được sinh ra tại đây) đặt bên phía dưới ống dẫn xuống nơi tiết diện ống thu nhỏ lại Một chất lỏng hơi / khí hoặc dễ bay hơi (như chất lỏng làm việc

ở nhiệt đun sôi tiếp xúc trực tiếp với kim loại lỏng nóng) được đưa vào máy trộn

ở dưới cùng của ống dẫn lên ở nhiệt độ và áp suất thích hợp Một chất lỏng hai pha

có nồng độ thấp hơn được tạo ra Chất lỏng hai pha này tạo thành một dòng chảy và sau đó sẽ tách ra, khí trải qua quá trình giãn nở với áp lực cao trong máy trộn với

áp suất thấp trong thiết bị tách, thúc đẩy dòng chất lỏng chuyển động và đồng thời giảm nồng độ của nó Dòng khí (chất lỏng làm việc) được lấy ra ở thiết bị tách, do đó tạo ra một dòng chảy LM trở lại vào ống dẫn xuống Sự khác biệt giữa áp lực giữa hai ống dẫn (chênh lệch áp suất thủy tĩnh) và do sự khác biệt mật độ làm cho LM chuyển động trong hệ thống, dòng LM chảy qua máy phát điện MHD, một điện áp điện được sản sinh và hệ thống sẽ phát điện Tốc độ dòng chảy trong vòng lặp tự điều chỉnh để cân bằng sự khác biệt mật độ giữa ống dẫn lên và ống dẫn xuống với những tổn thất ma sát dòng chảy và khả năng tăng tốc và công suất của máy phát MHD[7]

Ngoài ra LMMHD còn có thể sử dụng nguồn nhiệt từ địa nhiệt và chất thải hạt nhân, để chuyển đổi nhiệt năng thành động năng của các LM làm phát sinh nhiều chu

kỳ làm việc liên quan đến một pha, cũng như hai pha dòng chảy chất lỏng

2.2.5 Nguyên lý làm việc của chu trình tuabin khí

2.2.5.1 Chu trình Brayton

Chu trình Brayton là một chu trình nhiệt động lực học, đặt tên theo George Brayton (1830-1892), một kỹ sư người Mỹ, người đã phát triển nó [4] Ngày nay, chu trình Brayton là nguyên lý hoạt động của động cơ tuốc bin khí Giống như với các động cơ đốt trong khác, chu trình Brayton là chu trình mở, dù cho trong nghiên cứu nhiệt động lực học, đôi khi có thể đặt giả thuyết rằng khí thải ra được dùng lại để

ở đầu vào, để hệ tương đương với chu trình kín Chu trình Brayton còn được biết đến với tên gọi chu trình Joule

Ngày nay chu trình Brayton được nhắc đến trong động cơ tuốc bin khí Động

cơ này cũng có ba phần:

 Buồng nén khí

 Buồng đốt

 Buồng giãn nở làm quay tuốc bin

Không khí được hút vào buồng nén, được làm tăng áp suất theo quá trình gần với đẳng entropy Khí đã nén chạy sang buống đốt, nơi nhiên liệu được phun vào và đốt nóng, làm tăng nhiệt độ khí trong một quá trình đẳng áp, do buồng đốt mở thông cho dòng khí chảy vào và ra Khí ở áp suất và nhiệt độ cao được giãn nở tại buồng giãn nở đẩy các cánh quạt của tuốc bin; theo quá trình giãn nở đẳng entropy Một phần công năng cung cấp cho tuốc bin được dùng vào việc nén khí ở buồng nén khí

Hình 2.19: Chu trình Brayton lý tưởng

Chu trình Brayton lý tưởng: P - áp suất; v - thể tích; q - nhiệt lượng; T - nhiệt

độ °K; s - entropy 1-2: Nén đẳng entropy tại máy nén; 2-3: gia nhiệt đẳng áp tại buồng đốt; 3-4: giãn nở sinh công đẳng entropy tại tuốc bin; 4-1: khép kín chu trình đẳng áp bên ngoài môi trường[14]

Trên thực tế, quá trình nén khí và giãn nở không thực sự đẳng entropy; và công năng bị hao hụt trong các quá trình này làm giảm hiệu suất nhiệt động lực học của động cơ Công có ích do động cơ sinh ra được thể hiện bằng diện tích hình khép kín

1 – 2 – 3 – 4 Diện tích này càng lớn thì công có ích và hiệu suất càng lớn, để tăng diện tích này thì phải tăng áp suất sau máy nén của điểm 2;3 (áp suất của điểm 4;1 là

áp suất môi trường không thể giảm xuống được) nên hiệu suất động cơ được quyết định bằng tỷ số nén Việc tăng tỷ số nén giúp cải thiện hiệu suất và công suất của hệ thống Brayton

Hiệu suất của chu trình Brayton là:

2.2.5.2 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