Hệ thống phát điện đồng phát từ thủy động và tua bin hơi

Đặt vấn đề

Việt Nam, một quốc gia đang phát triển kinh tế, cần ưu tiên phát triển ngành năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện, để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng Các chuyên gia cảnh báo rằng thế giới sẽ đối mặt với tình trạng thiếu năng lượng trong những năm tới do cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch Dự báo đến năm 2015, Việt Nam sẽ thiếu khoảng 46,3 tỉ KWh điện, con số này có thể tăng lên 159 tỉ KWh vào năm 2020 Điều này đặt ra thách thức cho ngành điện trong việc thay đổi cấu trúc cung – cầu năng lượng Mặc dù thủy điện đã được khai thác triệt để, nguồn tài nguyên này không vô tận và việc xây dựng các nhà máy thủy điện lớn đã không còn khả thi Các nhà máy nhỏ hơn, khoảng 300 MW, cũng có thể gây ảnh hưởng lớn đến môi trường sinh thái Hơn nữa, các sự cố liên quan đến thủy điện, như sự cố tại thủy điện Sông Tranh, cho thấy rằng thủy điện không phải là giải pháp bền vững cho Việt Nam.

Nhiệt điện chủ yếu dựa vào than và dầu, nhưng nguồn dầu không bền vững và có thể cạn kiệt trong vài thập kỷ tới Việc sử dụng dầu mỏ để sản xuất điện trở thành lãng phí do sự khan hiếm của nó trong nhiều ngành công nghiệp Do đó, nhiệt điện phải phụ thuộc vào than, tuy nhiên, chúng ta vẫn phải nhập khẩu một lượng lớn than hàng năm, dẫn đến ô nhiễm môi trường từ bụi than và khí thải.

Nhiệt điện, mặc dù phổ biến, vẫn chưa phải là lựa chọn tối ưu cho ngành năng lượng điện tại Việt Nam do vấn đề ô nhiễm từ khí thải khi đốt than.

Các dạng năng lượng mới như năng lượng gió, thủy triều, mặt trời, địa nhiệt và sinh khối đang ngày càng được chú trọng Tuy nhiên, chúng vẫn gặp phải một số thách thức cần khắc phục, bao gồm giá thành cao, chi phí lớn và sự phụ thuộc vào nhiều yếu tố thiên nhiên cũng như độ biến đổi của nguồn năng lượng.

Đề tài này tập trung vào việc nâng cao hiệu suất hệ thống phát điện, trong đó một phương pháp tiềm năng là sử dụng hệ thống phát điện dựa trên nguyên lý Từ thủy động MHD (MagnetoHydroDynamic) Hệ thống này hoạt động trực tiếp với nguồn nhiệt ở nhiệt độ cao, có thể lên tới 2000K, hứa hẹn mang lại hiệu suất vượt trội so với các hệ thống phát điện truyền thống.

Tổng quan về thủy từ động lực và các đề tài đã nghien cứu

1.2.1 Giới thiệu về thủy từ động lực

Máy phát điện từ thuỷ động lực (MHD) là công nghệ chuyển đổi nhiệt năng hoặc động năng thành điện năng dựa trên nguyên lý từ thủy động học Hệ thống MHD hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao và không yêu cầu các bộ phận bôi trơn, giúp giảm thiểu sự phức tạp trong cơ chế hoạt động.

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

1.2.1.1 Lịch sử phát triển và hướng nghiên cứu trên thế giới

Máy phát MHD đầu tiên được nghiên cứu vào năm 1938 tại Mỹ 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 này

HVTH: Lưu Quốc Toản Trang 14 đến năm 1962 hội nghị quốc tế đầu tiên về máy phát MHD đã được tổ chức tại

Newcastle (Vương Quốc Anh) do Tiến sĩ Brian C Lindley nghiên cứu và tổ chức [4]

Vào năm 1964, hội nghị lần thứ hai được tổ chức tại Paris, Pháp, với sự tham gia của cơ quan năng lượng hạt nhân Châu Âu Tiếp theo, vào tháng 7 năm 1966, hội nghị lần thứ ba đã diễn ra tại Salzburg, Áo, dưới sự tài trợ của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế.

Trong thập niên 1960, J Rosa đã nghiên cứu tính thực tiễn của máy phát MHD cho hệ thống nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên, vào cuối những năm 1960, sự phát triển của điện hạt nhân đã làm giảm sự quan tâm đến MHD Đến cuối những năm 1970, khi mối quan tâm đối với điện hạt nhân giảm sút, xu hướng quay trở lại với MHD lại xuất hiện.

Năm 1975, UNESCO khuyến cáo nghiên cứu MHD (Magnetohydrodynamics) như một phương pháp hiệu quả để khai thác dự trữ than đá toàn cầu, đồng thời trở thành nhà tài trợ chính cho ILGHMD.

Vài nét phát triển của máy phát MHD trên thế giới:

Vào đầu thập niên 1980, Bộ Năng lượng Mỹ khởi động chương trình phát triển mạnh mẽ công nghệ MHD, với cột mốc quan trọng là máy phát 50MW chạy bằng nhiên liệu than đá vào năm 1992 Chương trình này được xây dựng dựa trên sự kết hợp của bốn phần chính.

Máy phát MHD hiệu ứng Hall, được cung cấp nhiệt từ than đá nghiền thành bột và hạt ion hóa Kali, đóng vai trò quan trọng trong chu trình tích hợp này dưới sự giám sát của AVCO.

TRW đã phát triển hai cơ sở để tạo ra các hạt ion hóa Phương pháp này bao gồm việc tách Kali Cacbonat từ Sunfat trong tro, sau đó thu hồi Cacbonat và để lại Kali.

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

HVTH: Lưu Quốc Toản Trang 15

Westinghouse Electric, phối hợp với công ty điện lực Montana, đã nghiên cứu 4 phương pháp tích hợp MHD từ nhà máy than Chương trình thử nghiệm này đã kết thúc vào năm 1993, với tổng cộng hơn 4000 giờ hoạt động.

Vào cuối những năm 1980, Nhật Bản đã tập trung vào phát điện MHD có chu trình kín, phù hợp với điều kiện của đất nước với công suất nhỏ hơn 100MW và thiết kế nhỏ gọn không gây ô nhiễm môi trường Máy phát đầu tiên, Fuji-1, được chế tạo bởi Viện Công nghệ Tokyo, là một máy phát dạng đĩa sử dụng helium, khí argon và hạt ion hóa kali Kết quả thí nghiệm cho thấy mật độ điện đạt gần 100MW/m³ và hiệu suất EE lên đến 30,2%.

Dự án Fuji-2, được xây dựng vào năm 1994, là phiên bản nâng cấp của Fuji-1, sử dụng khí trơ qua máy phát dạng đĩa để khai thác Enthapy 35% và đạt hiệu suất 60%.

Vào năm 1986, giáo sư Hugokal Mersserle tại Đại học Sydney đã tiến hành nghiên cứu về công nghệ MHD sử dụng nhiên liệu than, dẫn đến việc nhiều nhà máy điện được xây dựng và hoạt động ở khu vực ngoại ô 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

3 Đưa MHD vượt qua lò hơi trở thành máy phát 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 [4]

Trong những năm đầu thế kỷ XXI, chu trình MHD kín (MHD plasma) đã được nghiên cứu và phát triển đáng kể Nghiên cứu của Nob Harada, Le Chi Kien và Hishikawa tại Đại học Nagaoka Niigata, Nhật Bản, đã báo cáo tổng hiệu suất dự kiến đạt 55,2%.

Hình 1 1: Cấu tạo máy phát thủy từ động lực

MHD đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của nhà máy điện nhiên liệu hóa thạch Chất dẫn điện trong hệ thống MHD có thể là kim loại lỏng hoặc khí, hoạt động ở nhiệt độ cực cao lên đến 3000 K, trong khi máy phát điện tuabin hơi thông thường chỉ hoạt động ở khoảng 1000 K Hiệu suất của máy phát MHD cũng vượt trội hơn, với khả năng nâng hiệu suất từ 40% của tuabin hơi lên đến 60%.

Máy phát MHD, mặc dù có nhiều ưu điểm, vẫn chưa được áp dụng rộng rãi trong sản xuất điện năng quy mô lớn do những vấn đề kỹ thuật và sự chênh lệch giá thành với các tuabin khí ngày càng cải tiến Thiết bị này thường hoạt động theo chu trình hở, sử dụng nhiên liệu hóa thạch và kết hợp với tuabin hơi, đã được nghiên cứu từ những năm 1960.

Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam, với nền kinh tế đang phát triển, đang chứng kiến sự gia tăng nhu cầu về năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện Để đáp ứng nhu cầu này, cần có các giải pháp hiệu quả nhằm phát triển nguồn cung điện bền vững.

Chính phủ Việt Nam đã đặt ra mục tiêu cụ thể cho ngành điện nhằm đáp ứng nhu cầu điện năng trong giai đoạn 2010-2020 và tầm nhìn đến năm 2030, với sản lượng sản xuất và nhập khẩu dự kiến đạt 194-210 tỉ kWh vào năm 2015, 330-362 tỉ kWh vào năm 2020 và 695-834 tỉ kWh vào năm 2030 Để đảm bảo hầu hết hộ dân nông thôn có điện vào năm 2020, chương trình điện khí hóa nông thôn miền núi sẽ được đẩy nhanh Đồng thời, cần đa dạng hóa các nguồn sản xuất điện trong nước, bao gồm cả nguồn điện truyền thống như than và khí, cũng như năng lượng tái tạo và điện nguyên tử Việc phát triển cân đối công suất nguồn trên các miền Bắc, Trung và Nam sẽ giúp đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, giảm tổn thất truyền tải, và khai thác hiệu quả các nhà máy thủy điện Ngoài ra, cần đổi mới công nghệ cho các nhà máy đang hoạt động và đa dạng hóa hình thức đầu tư phát triển nguồn điện nhằm nâng cao cạnh tranh và hiệu quả kinh tế.

Năng lượng sạch như năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng địa nhiệt đang được nghiên cứu và đầu tư ứng dụng trên toàn thế giới, bao gồm cả Việt Nam Trong tương lai, các nguồn năng lượng này có khả năng thay thế hoàn toàn năng lượng hóa thạch Tuy nhiên, do giá thành còn cao, năng lượng hóa thạch vẫn giữ vị thế ưu thế tại Việt Nam hiện nay.

Cơ cấu nguồn điện giai đoạn 2010-2020 với tầm nhìn đến năm 2030 cho thấy than và nhiệt điện vẫn là nguồn năng lượng chủ yếu Tuy nhiên, nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, vì vậy việc tối ưu hóa sử dụng năng lượng nhiệt để nâng cao hiệu suất nhà máy điện là rất quan trọng Do đó, nghiên cứu về “Hệ thống đồng phát MHD (Magnetohydrodynamics) và tua bin hơi” sẽ được thực hiện nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng này.

Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu nguyên lý phát điện của từ thủy động lực học

- Nghiên cứu những thành phần trong hệ thống đồng phát MHD và tua bin hơi

- Phân tích quá trình truyền nhiệt của chu trình, tính toán, mô phỏng từ đó tính hiệu suất của nhà máy điện MHD-tuabin hơi

Đề tài này chủ yếu tập trung vào việc phân tích, tính toán và mô phỏng trên mô hình số, không có điều kiện thực nghiệm Nội dung chính là phân tích quá trình truyền nhiệt, trong khi cấu tạo MHD không được xem xét.

Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập, đọc hiểu những tài liệu, những bài báo trong nước và quốc tế, những tài liệu từ internet liên quan

- Nghiên cứu từ chuyên gia ở đây là giáo viên hướng dẫn

Các bước tiến hành

- Thu thập, chọn lọc, đọc hiểu những tài liệu liên quan

- Nghiên cứu, phân tích những dạng chu trình, những thành phần chu trình

- Xây dựng chu trình, phân tích, tính toán và mô phỏng thông số chu trình.

Điểm mới của đề tài

- Phân tích những thành phần ảnh hưởng đến chu trình làm việc

- Tính toán hiệu suất chu trình tuabin hơi từ đó đề xuất giải pháp nâng cao hiệu suất nhà máy.

Bố cục của đề tài

Luận văn bao gồm 5 chương cụ thể như sau

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Phân tích chu trình

Chương 4 : Tính toán và mô phỏng chu trình

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

Nguyên lý phát điện của mày phát MHD

MHD hoạt động dựa trên nguyên lý từ trường, cho phép cảm ứng các dòng điện từ lưu chất dẫn điện đang chuyển động, trong khi lực tác động lên lưu chất có thể làm thay đổi từ trường của chính nó Các phương trình mô tả MHD bao gồm sự kết hợp của phương trình liên tục, phương trình động lực, các phương trình Maxwell và định luật Ohm Máy phát MHD chu trình kín thường sử dụng nhiên liệu từ lò phản ứng hạt nhân hoặc nhiên liệu hóa thạch, với chất dẫn điện có thể là khí hoặc kim loại lỏng, hoạt động ở nhiệt độ khoảng 3000 K Do không có bộ phận chuyển động quay, máy phát MHD có thể đạt nhiệt độ cao, dẫn đến hiệu suất tương đối cao Hiệu suất của chu trình kết hợp có thể được biểu diễn một cách chính xác.

Hiệu suất tổng thể của hệ thống phát điện MHD được xác định bởi công thức η_net = η_1 + η_2 - η_1η_2, trong đó η_1 là hiệu suất của máy phát MHD và η_2 là hiệu suất của tuabin khí Quá trình phát điện sử dụng từ trường mạnh để tạo ra điện trường, cho phép dòng lưu chất dẫn điện chảy qua một kênh, từ đó tạo ra dòng điện với mật độ dòng J Các điện cực đối diện trong lò MHD tiếp xúc với lưu chất dẫn điện và được kết nối với mạch điện bên ngoài Các electron di chuyển từ lưu chất qua điện cực tới tải bên ngoài, rồi quay trở lại khối lưu chất, tạo thành dòng điện kín Nhờ đó, hai điện cực cung cấp cho tải bên ngoài dòng điện một chiều, có thể được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều thông qua bộ nghịch lưu trước khi đưa lên lưới điện.

Máy phát điện từ thủy động lực học có khả năng chuyển đổi nhiệt năng từ lò phản ứng hạt nhân thành điện năng nhờ khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao Việc kết hợp máy phát điện này với hệ thống tái chế có thể tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.

HVTH: Lưu Quốc Toản Trang 26 cho biết rằng việc sử dụng nhiệt năng từ khí thải thông qua máy phát nhiệt điện truyền thống, như tuabin khí, có thể nâng cao hiệu suất của toàn bộ hệ thống lên trên 60%.

Máy phát MHD dạng đĩa hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, trong đó dòng điện chạy giữa điện cực gần tâm và điện cực ở rìa đĩa Hiệu ứng Hall xảy ra khi từ trường vuông góc tác động lên một vật liệu dẫn điện, tạo ra hiệu điện thế giữa hai mặt đối diện của tấm kim loại hoặc chất bán dẫn Hiện tượng này được giải thích bởi sự chuyển động của các hạt mang điện trong dòng điện, khi chúng chịu tác động của lực Lorentz từ từ trường, dẫn đến việc tích tụ điện tích ở một phía và gây ra hiệu ứng Hall.

Trong bất kỳ dây dẫn mang điện, luôn tồn tại lực điện trường, từ trường và các ion Khi lưu chất chuyển động với tốc độ u qua một từ trường B, lực điện động xuất hiện với giá trị u x B Đồng thời, thành phần điện trường E cũng được tạo ra với công thức E = ± w x B Định luật Ohm tổng quát cho tất cả các lực này được biểu diễn qua công thức j = σ ε − 𝜔𝜏.

Trong đó ε là tổng của u x B và 𝑝 𝑒 là áp suất của các electron

Phương trình (3.1) có thể được viết lại như sau khi dùng trong máy phát MHD do dòng plasma tạo ra j = σ ε − 𝜔𝜏

2.1.2 Các phương trình cơ bản

HVTH: Lưu Quốc Toản Trang 27 trong đó U là nội năng của chất khí

Thông thường, trong giai đoạn đầu, từ trường bên trong máy phát MHD thường bị bỏ qua Do đó, từ các phương trình đã nêu, công suất điện đầu ra được xác định là: 𝛻 ( 𝐸𝑋𝐵 ).

𝜇 ) = −j E Sau khi rút gọn các phương trình trên ta được kết quả như sau: ρ u 𝑑𝑢

Từ phương trình (2.4) ta có: ρ u 𝑑(

Phương trình (2.5) được rút gọn thành: ρ u A = constant (2.8)

Với công thức h = U + RT, enthalpy được xác định và A là diện tích mặt cắt mà dòng khí chảy qua Nếu tốc độ lưu chất giữ hằng số, phương trình momen có thể được viết lại một cách đơn giản hơn.

Phương trình năng lượng trở thành: ρ u 𝑑ℎ

Để tính toán chi tiết máy phát MHD dạng đĩa, chúng ta áp dụng các phương trình cơ bản Phương trình 𝑑𝑥 = 𝑗 𝐸 và ρ u A = constant cho phép xác định các yếu tố quan trọng trong quá trình hoạt động của máy phát Các phương trình này cung cấp nền tảng cho việc phân tích và thiết kế hiệu quả hệ thống MHD.

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 =

Trong đó, hi đại diện cho enthalpy ban đầu và hf cho enthalpy cuối, với giả định rằng áp suất được giữ hằng số trong cả hai trường hợp thực tế và trường hợp đẳng entropy.

Trong quá trình thiết kế và nghiên cứu nhà máy điện, ngoài hiệu suất ηg, chúng ta cũng cần chú ý đến hiệu suất ηp Hiệu suất ηp được định nghĩa là ηp = 𝑑ℎ 0 (𝑡ℎự𝑐).

2.1.4 Mối quan hệ giữa η g và η p

Từ định luật thứ nhất nhiệt động lực học ta có dh0(đẳng entropy) = dQ + 𝑑𝑝 0

Nếu như Q là một hằng số thì ta có dh0( đẳng entropy) = 𝑑𝑝 0

𝜌 0 Áp dụng phương trình( 2.16) ta có ηp = 𝜌 0 𝑑ℎ 0

Giả sử ηp và 𝛾 là hằng số thì khi đó

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

Hiệu suất điện của máy phát là tỉ số giữa điện năng lấy ra và năng lượng bơm vào máy phát: ηe = 𝑗.𝐸

Sau đó áp dụng phương trình (2.1) của định luật Ohm ta được j.j = σ[j.(u x B) + j.E] - 𝜔𝜏

Khi xem xét mối quan hệ giữa dòng điện j và từ trường B, nếu -ωτ/B j.(j x B) = 0, ta có thể rút ra kết quả j2 / σ = -u (j x B) + j E Hiệu suất ηe của các loại máy phát MHD khác nhau sẽ khác nhau, nhưng nhìn chung, nó phụ thuộc vào thông số tải K, với ηe = K.

Phương trình 2.17) có thể được viết lại như sau: ηp = 𝑝 0

Kết hợp các phương trình (2.7), (2.10) và mối quan hệ khi đẳng entropy

Ta sẽ được phương trình

𝑑𝑥) Thay dh = CpdT và p = Ρrt ta có

Kết hợp phương trình năng lượng, phương trình momen và phương trình (3.22) ta có: ρu 𝑅𝑇 0

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 = 𝑇0 𝜂 𝑒

Nguyên lý làm việc của chu trình tuabin khí

Chu trình tuabin khí hoạt động theo nguyên lý chu trình Brayton, một chu trình nhiệt động lực học phổ biến trong đời sống với hiệu suất cao Nguyên lý này dựa trên các quy luật nhiệt động lực học, cho phép tuabin khí hoạt động hiệu quả trong việc chuyển đổi năng lượng.

Các tuabin khí tạo ra năng lượng lớn thông qua dòng khí di chuyển trong chu trình cố định với nhiệt độ và áp suất cao từ 4 đến 10 bar Để duy trì chu trình này, cần có máy nén Lưu lượng và tốc độ của môi chất rất lớn, do đó máy nén phải được gắn đồng trục với trục của tuabin.

Các nhà máy điện tuabin khí trong ngành năng lượng được chia thành hai loại: chu trình hở và chu trình kín Trong khuôn khổ bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào nhà máy tuabin khí chu trình kín kết hợp với máy phát MHD.

Nhà máy điện tuabin khí chu trình kín, được phát triển lần đầu tại Thụy Sĩ vào năm 1935 và hoàn thành vào năm 1944, đã mở đường cho sự xây dựng các nhà máy điện tuabin khí 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 helium có kích thước nhỏ hơn nhiều so với các nhà máy tuabin khí thông thường nhờ vào tính chất nhiệt động lực học ưu việt của helium Trong tương lai, việc kết hợp lò phản ứng hạt nhân với tuabin khí hứa hẹn sẽ mang lại giải pháp sản xuất điện hiệu quả, với chi phí nhiên liệu thấp và đầu tư giảm đáng kể Để phân tích nhiệt động lực học của chu trình, cần áp dụng nguyên lý thứ nhất và thứ hai của 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 ΔU = A + Q

Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học khẳng định rằng trong một hệ vĩ mô cô lập, quá trình nhiệt luôn diễn ra theo chiều tăng của mức độ phân bố đồng đều, hay còn gọi là entropy Điều này có nghĩa là hệ thống sẽ tự động chuyển từ trạng thái có mức độ trật tự cao sang trạng thái có mức độ trật tự thấp hơn, dẫn đến sự gia tăng entropy theo thời gian.

Máy nén là thiết bị có chức năng nâng cao áp suất của môi chất từ mức thấp lên mức cao trong quá trình hoạt động Tỉ số nén của máy nén được xác định bằng áp suất đầu vào P6 và áp suất đầu ra P1.

Nếu máy nén có N tầng thì ta có mối quan hệ giữa tỉ số nén của máy nén và tỉ số nén của các tầng nén là:

(2.26) Nhiệt độ qua các tầng nén được xác địn bởi:

Tỉ số nhiệt độ ra – vào máy nén là :

(2.28) Theo công thức (2.28) thì nhiệt độ chất khí sau khi nén là:

Nhiệt lượng ra khỏi máy nén:

Hiệu suất  của máy nén là tỉ số cũa biến đổi enthalpy lý tưởng và enthalpy thực tế

Thay h T i  h T 6  C p (T i  T ) 6 và h T 1 h T 6 C P (T 1 T ) 6 ta xác định được công thức tính hiệu suất :

Trong đó T Ci có quan hệ  C ta có

  Vậy hiệu suất của máy nén được xác định bởi công thức sau:

T T dh dT e  dh  dT và

  và công thức (2.31) ta có thể viết lại như sau:

Tương tự như phân tích ở trên ta có áp suất ra khỏi bộ trao đổi nhiệt để vào tuabin là:

Nhiệt độ của chất khí vào tuabin sau khi qua bộ trao đổi nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ khi vào bộ gia nhiệt ở cả hai phía (sau MHD và sau máy nén) Bên cạnh đó, nó còn bị ảnh hưởng bởi các thông số bên trong bộ gia nhiệt như  T TDN và  TDN.

Nhiệt lượng ra khỏi bộ gia nhiệt để vào tuabin khí:

Nếu không tính đến tổn thất áp suất, áp suất trước khi vào máy phát từ thủy động lực sẽ tương đương với áp suất ra khỏi tuabin (P3=P2A) Do đó, tỉ số áp suất giữa đầu vào và đầu ra của tuabin khí được xác định như sau.

Tỉ số nhiệt độ ra – vào tuabin được tính như sau :

Từ hiệu suất t t t ti ti dh dT e  dh  dT chúng ta có

 với e t là một hằng số

Nhiệt độ chất khí ra khỏi tuabin là :

Nhiệt lượng ra khỏi tuabin khí:

Hiệu suất của tuabin là tỉ số của biến đổi enthalpy thực tế và enthalpy lý tưởng được xác định bởi :

 (2.39) Điện năng đưa lên lưới sau chu trình tuabin khí được xác định là:

Hiệu suất của máy phát tuabin khí:

2.2.3 Phân tích chu trình hơi

Lò hơi duy trì áp suất ổn định, trong khi quá trình truyền nhiệt chịu ảnh hưởng từ khí nóng phát ra từ tuabin khí Nhiệt độ của khí vào lò hơi, sau khi đi qua tuabin khí, phụ thuộc vào nhiệt độ ban đầu của nó khi vào lò hơi (T2A1).

Nhiệt lượng cấp vào chu trình hơi:

Nhiệt lượng do một kg hơi nước thải ra ngoài tại bình ngưng là:

Công tiêu hao trong quá trình nén của bơm WP:

WP = I10-I9 = V.(P10-P9) = V.(P7-P8) (2.44) Công sinh ra của tuabin hơi:

Công sinh ra của chu trình hơi(KJ/kg):

Hiệu suất chu trình hơi:

Tổng hiệu suất cho cả chu trình:

Xây dựng chu trình đồng phát MHD và tuabin hơi

Chu trình đồng phát MHD và tua bin hơi là chu trình hở hoạt động dựa trên chu trình Rankine bao gồm:

- Nguồn nhiệt: cung cấp nhiệt lượng cho chu trình hoạt động với nhiệt độ của chất khí từ 1800°K đến 2400°K (Qin)

- Máy phát MHD: dạng đĩa Tạo ra điện DC, sử dụng biến tần để tạo ra điện năng AC (W1)

Thiết bị gia nhiệt từ mặt trời tận dụng nhiệt lượng dư thừa của máy phát MHD, kết hợp với nguồn nhiệt từ mặt trời, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của máy phát điện khí Nhiệt độ cao từ các nguồn này có ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động và hiệu quả của hệ thống.

- Động cơ: có nhiệm vụ kéo máy nén và tuabin hoạt động, nhận năng lượng từ bộ điều phối

Thiết bị làm lạnh có vai trò quan trọng trong việc làm lạnh môi chất trước khi đưa vào máy nén, giúp tăng áp suất lên cao hơn Nhiệt độ của chất khí sau khi được làm lạnh có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của chu trình làm việc.

- Tuabin khí: nhận năng lượng nhiệt với áp suất cao, từ đó biến nhiệt năng thành điện năng và phát điện lên lưới (W2)

Tuabin hơi là thiết bị chuyển đổi năng lượng nhiệt từ hơi nước có áp suất cao thành chuyển động quay, từ đó làm quay máy phát điện để sản xuất điện năng cung cấp cho lưới điện.

- Máy phát điện hơi : tạo ra điện năng phát lên lưới (W3)hiệu suất máy phát từ 20% đến 30%

- Lò hơi: có nhiệm vụ nhận nhiệt năng thải ra của tuabin khí và tạo hơi cấp cho tuabin hơi

- Bình ngưng: làm nhiệm vụ cấp nước cho lò hơi và thải hơi nóng ra ngoài

- Nguồn nhiệt mặt trời: cung cấp nhiệt lượng cho chu trình hoạt động với nhiệt độ khoảng 400 0 K

Từ các thiết bị trên ta xây dựng chu trình đồng phát như sau:

Hình 3 1: Chu trình đồng phát MHD và tuabin hơi

Phân tích chu trình

Tính đến năm 1994, các bản ghi hiệu suất của máy phát điện MHD dạng đĩa đạt 22%, trong khi máy phát điện MHD hall dùng than chỉ đạt khoảng 17% Hiệu suất của MHD chưa đủ hấp dẫn so với các nhà máy điện chu trình Rankine thông thường có thể đạt tới 40% Tuy nhiên, khí thải từ máy phát MHD đốt nhiên liệu hóa thạch gần như có nhiệt độ tương đương với ngọn lửa của lò hơi thông thường Bằng cách chuyển khí thải vào nồi hơi để tạo hơi nước, MHD và chu trình Rankine có thể nâng cao hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu hóa thạch thành điện lên tới 60%, so với 40% của nhà máy than điển hình Hiệu suất có thể đạt từ 65-70% nếu áp dụng chu trình bộ ba, bao gồm máy phát MHD, tuabin khí và tuabin hơi.

Sự phong phú của nguồn dự trữ than toàn cầu đã thúc đẩy sự phát triển của hệ thống MHD đốt than trong sản xuất điện Than có thể cháy ở nhiệt độ cao, cung cấp ion hóa nhiệt, nhưng độ dẫn điện giảm khi nhiệt độ giảm Quá trình sản xuất điện với ion hóa nhiệt chủ yếu kết thúc khi nhiệt độ xuống khoảng 2500°K Để cạnh tranh về mặt kinh tế, nhà máy điện đốt than cần kết hợp máy phát MHD với nhà máy hơi thông thường trong một chu trình đôi, nơi khí nóng được truyền qua máy phát MHD trước khi vào tuabin của nhà máy hơi.

Khi phân tích máy phát điện MHD, chu trình Brayton thường được áp dụng Tỉ lệ áp suất vào (P3) và áp suất ra (P4) của máy phát điện MHD rất quan trọng trong quá trình này.

Và nhiệt độ chất khí ra khỏi máy phát MHD được xác định bởi:

Lưu lượng khí qua máy phát MHD trong một giây phụ thuộc vào nhiệt lượng bơm vào từ nguồn nhiệt giả định là hằng số (Qin), cùng với nhiệt dung riêng đẳng áp và nhiệt độ của khí.

Nhiệt lượng tại từng nút trong chu trình là yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất của quá trình phát điện, ảnh hưởng bởi ba yếu tố chính: lưu lượng, nhiệt dung riêng và nhiệt độ của lưu chất Phân tích nhiệt lượng giúp đảm bảo sự cân bằng nhiệt của chu trình.

Tóm lại nhiệt tại các nút thứ i được xác định như sau: i P i

Nhiệt lượng đầu vào máy phát MHD:

Năng lượng điện từ máy phát điện MHD được sinh ra từ nhiệt năng cung cấp vào máy phát, với hiệu suất điện phụ thuộc vào loại máy phát và nhiệt đầu vào Điện năng phát ra được điều phối để cung cấp cho động cơ kéo máy nén và chu trình tuabin khí, đồng thời một phần được sử dụng để ion hóa chất khí trong máy phát điện MHD.

Nhiệt lượng ra khỏi MHD không những phụ thuộc vào nhiệt lượng đầu vào MHD mà nó còn phụ thuộc vào thông số máy phát MHD

Nhiệt lượng đầu ra của máy phát MHD được xác định bởi:

Năng lượng cho máy nén được cung cấp từ năng lượng sinh ra của máy phát MHD, và phụ thuộc vào nhiệt độ đầu vào và đầu ra của máy nén, số tầng nén, cũng như các thông số của chất khí hoạt động trong máy.

Năng lượng cần thiết để ion hóa chất khí là : ion ion ion

(3.9) Điện năng đưa lên lưới sau chu trình MHD được xác định bởi:

Hiệu suất của máy phát MHD:

3.2.2 Bộ gia nhiệt mặt trời

Nhiệt lượng từ mặt trời cung cấp vào bộ gia nhiệt:

Bộ gia nhiệt từ mặt trời có chức năng trao đổi nhiệt cho chất khí trong chu trình Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra ở áp suất không đổi, tuy nhiên, do có tổn thất trong thực tế, áp suất khi ra khỏi bộ gia nhiệt sẽ bị giảm.

Và nhiệt độ chất khí ra khỏi bộ gia nhiệt được xác định bởi:

Nhiệt lượng ra khỏi bộ gia nhiệt để làm lạnh:

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:

Nhiệt lượng ra khỏi bộ làm lạnh:

Máy nén là thiết bị quan trọng trong quá trình nén khí, chuyển đổi môi chất từ áp suất thấp (P6) lên áp suất cao (P1) Tỉ số nén của máy nén được xác định bằng áp suất đầu vào và đầu ra, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.

Nếu máy nén có N tầng thì ta có mối quan hệ giữa tỉ số nén của máy nén và tỉ số nén của các tầng nén là:

Nhiệt độ qua các tầng nén được xác địn bởi:

Tỉ số nhiệt độ ra – vào máy nén là :

Theo công thức (3.21) thì nhiệt độ chất khí sau khi nén là:

Nhiệt lượng ra khỏi máy nén:

Hiệu suất  của máy nén là tỉ số cũa biến đổi enthalpy lý tưởng và enthalpy thực tế

T i T p i h  h  C  và h T 1 h T 6 C P (T 1 T ) 6 ta xác định được công thức tính hiệu suất : 6

Trong đó T Ci có quan hệ  C ta có T Ci C 1

Vậy hiệu suất của máy nén được xác định bởi công thức sau:

T T dh dT e  dh  dT và

  và công thức (3.24) ta có thể viết lại như sau:

Tương tự như phân tích ở trên ta có áp suất ra khỏi bộ trao đổi nhiệt để vào tuabin là:

Nhiệt độ của chất khí vào tuabin sau khi qua bộ trao đổi nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ đầu vào của nó tại bộ gia nhiệt ở cả hai phía (sau MHD và sau máy nén) Bên cạnh đó, nhiệt độ này còn bị ảnh hưởng bởi các thông số bên trong bộ gia nhiệt, cụ thể là T TDN và  TDN.

Nhiệt lượng ra khỏi bộ gia nhiệt để vào tuabin khí:

Nếu không tính đến tổn thất áp suất, áp suất trước khi vào máy phát từ thủy động lực sẽ bằng áp suất ra khỏi tuabin (P3 = P2A) Do đó, tỉ số áp suất ra và vào tuabin khí có thể được xác định.

Tỉ số nhiệt độ ra – vào tuabin được tính như sau :

Từ hiệu suất t t t ti ti dh dT e dh dT chúng ta có ti 1 t t t dT dP

 với e t là một hằng số

Nhiệt độ chất khí ra khỏi tuabin là :

Nhiệt lượng ra khỏi tuabin khí:

Hiệu suất của tuabin là tỉ số của biến đổi enthalpy thực tế và enthalpy lý tưởng được xác định bởi :

 (3.32) Điện năng đưa lên lưới sau chu trình tuabin khí được xác định là:

Hiệu suất của máy phát tuabin khí:

Tuabin hơi còn gọi là máy chuyển đổi thế năng của hơi ban đầu thành cơ năng quay máy phát điện Hiệu suất chu trình như sau

Entropy, ký hiệu S, là một hàm trạng thái liên quan đến tất cả các hệ nhiệt động học Sự biến thiên của entropy không phụ thuộc vào quá trình chuyển hóa, mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng của hệ.

Trong đó Tref và Pref là nhiệt độ và áp suất mẫu, thường đó là nhiệt độ môi trường và áp suất khí quyển

- Tính toán entropy tại các nút:

Dữ liệu tính toán

Xét chu trình kết hợp tuabin hơi như hình 3.1 với các dữ liệu ban đầu như sau:

MHD Thông số chất khí

CpQ96.5(J/Kg K) γ=1.6667 Seed=0.0001 ηion=0.5 ΔQTDN=0.

Bảng 4 1: Dữ liệu ban đầu bài toán

Dữ liệu ban đầu cho bài toán 1 được trình bày trong bảng 4.1, bao gồm áp suất khí quyển (Pref) và nhiệt độ môi trường (Tref) ở mức 25°C, cùng với các tham số ban đầu khác được tham khảo từ tài liệu [1] và [3].

Kết quả tính toán

Sau khi lập trình tính toán trong Matlab, chúng tôi đã thu được các thông số quan trọng cho các nút trong chu trình tuabin khí, bao gồm nhiệt độ, áp suất, năng lượng và entropy.

Nhiệt độ ( O K) Áp suất (Pa) Năng lượng (W) Entropy

Bảng 4 2: Kết quả tính toán ở nhiệt độ 1800 O K

Hình 4 1: Kết quả phân tích chu với T 3 00 0 K

Đồ thị T-S tại nhiệt độ 3000 K minh họa mối quan hệ giữa entropy và nhiệt độ Trong đồ thị, có hai giai đoạn mà nhiệt độ giảm nhưng entropy lại tăng, điều này tương ứng với quá trình phát điện năng diễn ra trong giai đoạn 3-4 và giai đoạn 2-2A.

Hiệu suất của chu trình

Sau khi mô phỏng chu trình khí, chúng ta thu thập nhiệt độ và áp suất sau khi ra khỏi tua bin khí để tính toán hiệu suất cho chu trình tuabin hơi, từ đó xác định hiệu suất tổng thể của chu trình Hiệu suất chu trình được xác định là tỷ lệ giữa năng lượng thu được trong quá trình phát điện và năng lượng cung cấp cho chu trình hoạt động (Qin) Việc tính toán hiệu suất này được thực hiện thông qua phân tích cân bằng nhiệt của toàn bộ chu trình, với kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất đạt giá trị η = 0.4075.

Kết luận

Luận văn "Hệ thống phát điện đồng phát từ thủy động và tua bin hơi" dựa trên các nguyên lý và phương trình nhiệt động lực học, cung cấp cái nhìn sâu sắc về ưu điểm và nhược điểm của hệ thống Thông qua các phương trình và công thức ở chương 3, cùng với việc tính toán và mô phỏng trên MATLAB ở chương 4, chúng ta có thể nhận diện rõ ràng những lợi ích vượt trội và những hạn chế cần khắc phục trong quá trình phát điện đồng phát.

Xây dựng được chu trình kết hợp tuabin hơi với các công thức, phương trình tính toán mô phỏng đơn giản và hiệu quả

Thay đổi thông số dễ dàng giúp rút ngắn thời gian thực thi chương trình, thuận lợi cho việc nghiên cứu

Kết quả tính toán và mô phỏng cho chu trình phát điện cho thấy hiệu suất tương đối cao, cho phép ứng dụng chu trình này trong các nhà máy nhiệt điện kết hợp với nhà máy điện mặt trời.

Tác giả đã nghiên cứu phân tích xây dựng và tính toán mô phỏng chưa đủ điều kiện thực nghiệm

Hiệu suất của chu trình phụ thuộc mạnh mẽ vào nhiệt độ của lưu chất trước khi vào máy nén và nhiệt độ của lưu chất vào máy phát MHD Ngoài ra, hiệu suất còn bị ảnh hưởng bởi tỷ số nén và số tầng nén trong máy nén.

Hướng phát triển của đề tài

Từ kết quả nghiên cứu của đề tài, tác giả nhận thấy cần tiếp tục phát triển và mở rộng phạm vi nghiên cứu như sau:

Nghiên cứu phân tích và mô phỏng trong đề tài này cung cấp tài liệu tham khảo quý giá cho việc thiết kế chi tiết máy phát MHD dạng đĩa Bên cạnh đó, kết quả cũng hỗ trợ trong việc tính toán lựa chọn tuabin khí, tuabin hơi, thiết bị gia nhiệt và máy nén.

- Ứng dụng trong chu trình kết hợp khác nhằm nâng cao hiệu suất nhà máy điện

- Tận dụng các nguồn nhiệt từ nguồn năng lượng mới khác và giải quyết bài toán năng lượng trong tương lai

Kết quả nghiên cứu từ đề tài này cung cấp định hướng quan trọng cho việc thương mại hóa máy phát MHD dạng đĩa kết hợp với tuabin khí và hơi, đồng thời thúc đẩy sự phát triển công nghệ kỹ thuật trong lĩnh vực này.

Định dạng
Số trang	59
Dung lượng	4,22 MB