Hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lƣợng nhiệt

Nội dung text: Hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lƣợng nhiệt

1. HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TUABIN KẾT HỢP VỚI NĂNG LƢỢNG NHIỆT HẠCHCOMBINATION OF GAS/STEAM TURBINE POWER CYCLE AND FUSION ENERGY Lê Chí Kiên, Lê Kim Long Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh Tóm tắt:Điện năng được sản xuất ra từ các nhà máy điện sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí đốt ) hoặc năng lượng mới: năng lượng tái tạo (gió, mặt trời, sinh khối, sóng biển ), năng lượng nguyên tử.Các nhà máy điện tuabin khí, tuabin hơi sử dụng nhiên liệu hóa thạch là những loại được sử dụng chủ yếu trên thế giới với những nhược điểm: ô nhiễm môi trường, giá nhiên liệu cao và đang dần cạn kiệt .Do đó, có rất nhiều nghiên cứu được đưa ra nhằm khắc phục những nhược điểm trên. Trong bài báo này, tác giả sẽ đề cập về “Hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch” có hiệu suất cao, giảm ô nhiễm môi trường, chi phí thấp, hạn chế sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Abstract: Electrical power is produced from power plants which uses fossil fuels (coal, oil, gas etc.) or new energies such as wind, solar, biomass, nuclear energy etc. Gas turbine, stream turbine power plants which use fossil fuels, are very popular and they have some disadvantages: CO2 emissions, high fuel cost and exhaustion etc. So, many studies are proposed to improve cons. This paper will present a combination of gas/steam turbine power cycle and fusion energy, which has high efficiency, low CO2 emissions, low fuel cost and save fossil fuels. I. GIỚI THIỆU - Tại lò phản ứng nhiệt hạch, hạt Các thành phần chính của hệ thống được gia nhiệt và được nén đến nhiệt độ phát điện tuabin kết hợp với năng lượng bốc cháy và sau đó các phản ứng nhiệt nhiệt hạch gồm: Bộ điều chỉnh năng lượng, hạch xảy ra. lò phản ứng nhiệt hạch, hệ thống biến đổi - Năng lượng hạt nhân (năng lượng điện năng (hệ thống tuabin khí – hơi) [5] nhiệt hạch) thu được từ các phản ứng được được biểu diễn như hình 1. chuyển tới hệ thống phát điện để tạo ra Chu trình vận hành có thể được mô tả điện. như sau [3,5]: - Một phần điện năng được tạo ra sẽ - Chùm tia laze hay chùm tia ion từ được cấp ngược trở về bộ điều chỉnh năng bộ điều chỉnh năng lượng được bắn vào lượng để tiếp tục chu kỳ vận hành, phần trong lò phản ứng. năng lượng dư sẽ được thải ra ngoài. 1
2. lớp bên trong có thể là graphit (nhiệt độ nóng chảy khoảng 3500 K) hay BeO 1.2. Bộ điều chỉnh năng lƣợng Bộ điều chỉnh năng lượng có chức năng kiểm soát, vận hành và điều khiển lò phản ứng nhiệt hạch một cách hiệu quả. Bộ điều khiển này không những liên kết vời lò Hình 1: Chu trình phát điện của hệ thống phản ứng mà còn kết nối với đầu ra máy tuabin khí – hơi – nhiệt hạch phát, hệ thống cấp nhiên liệu cho buồng 1.1. Lò phản ứng nhiệt hạch đốt tuabin. Khi có tín hiệu hồi về cần thay Phản ứng nhiệt hạch chúng ta xét ở đổi công suất máy phát hay cần thay đổi đây là phản ứng D–T [5]. 70% năng lượng lượng nhiên liệu cấp vào, bộ điều khiển từ phản ứng này được tạo ra bởi động năng năng lượng này sẽ gửi tín hiệu đến lò phản của các nơtron và được lớp ngoài hấp thu, ứng để kích hoạt quá trình phản ứng nhiệt 30% còn lại là do tia X và các hạt tích hạch xảy ra nhiều hay ít sao cho phù hợp điệntạo ravà được lớp trong hấp thu (xem với sự thay đổi về công suất hay nhiên liệu hình 2 bên dưới). mà hệ thống cần cung cấp. Kết quả là có hai vùngnhiệt độ rõ rệt được hình thành, một vùng có nhiệt độ khoảng 1300 độ K ~ 1700 độ K phát ra từ lớp vỏ ngoài, một vùng khác có nhiệt độ từ 2000 độ K ~ 2400 độ K ở lớp trong [5]và được biểu diễn như hình3. Như vậy, từ lớp bên ngoài ta nhận Hình 2: Năng lượng từ phản ứng nhiệt được khí nóng có nhiệt độ từ 1300 ~ 1700 hạch được chứa ở lớp trong và lớp ngoài độ K, sau đó khí nóng được đưa vào trong lò phản ứng và ngay tại lớp trong thì khí sẽ được gianhiệt thêm lần nữavà cuối cùng ta thu được khí nóng có lượng nhiệt hơn2000 độ K (được biểu diễn như hình 4). Do đó, các vật liệu cấu tạo nên lớp ngoài chủ yếu là Li2O hay LiAlO2 (các hợp chất Li này có nhiệt độ nóng chảy Hình 3: Hai vùng nhiệt độ phát ra từ lớp khoảng 1900 K) và các vật liệu cấu tạo nên trong và lớp ngoài 2
3. Hình 4: Sự gia nhiệt khí bởi nhiệt độ của lớp trong và lớp ngoài để có nhiệt độ ra cao 1.3. Hệ thống phát điện tuabin khí – hơi kết hợp với năng lƣợng nhiệt hạch Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được biểu diễn như hình 5. Hình 6: Đồ thị T – s của chu trình khí – hơi – nhiệt hạch Với 1-2: Quá trình nén khí của tuabin khí ; 2-5: Quá trình khí nén nhận nhiệt đẳng áp từ nhiệt hạch ở bộ trao đổi nhiệt b ; 5-3: Quá trình cấp nhiệt đẳng áp từ quá trình cháy của nhiên liệu ; 3-4: Quá trình giãn nở đoạn nhiệt sinh công trong tuabin khí để quay máy phát ; 4-4’: Quá trình tuabin khí nhả nhiệt đẳng áp để gia nhiệt nước cấp cho tuabin hơi ; 4’-1: Quá trình tuabin khí nhả nhiệt đẳng áp ra môi Hình 5: Sơ đồ nguyên lý chu trình tuabin trường ; 6-7: Quá trình giãn nở đoạn nhiệt khí – hơi kết hợp năng lượng nhiệt hạch để làm quay máy phát tuabin hơi ; 7-7’: Với a: Lò phản ứng nhiệt hạch ; b: Quá trình ngưng hơi hoàn toàn ở bình Bộ trao đổi nhiệt (từ nhiệt hạch sang khí ngưng ; 7’-8: Quá trình nén nước đoạn nén) ; c: Bơm tuần hoàn ; d: Máy nén khí ; nhiệt ; 8-9-10-6: Quá trình nhận nhiệt đẳng e: Buồng đốt tuabin khí ; f: Tuabin khí ; g áp của nước từ quá trình nhả nhiệt của và i: Máy phát điện ; k: Bộ trao đổi nhiệt tuabin khí. giữa khí thải và nước ; h: Tuabin hơi ; j: II. NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG Bình ngưng ; l: Bơm nước. TUABIN KHÍ – HƠI – NHIỆT HẠCH Đồ thị T – s của chu trình được Theo hình 6, nguyên lý của hệ biểu diễn như hình 6 thống như sau: Không khí sau khi nén đến 3
4. áp suất cần thiết (quá trình 1-2), được đưa cao hơn, giảm sự phụ thuộc vào năng vào bộ trao đổi nhiệt để thực hiện quá trình lượng hóa thạch, giảm đáng kể lượng CO2 nhận nhiệt đẳng áp từ nhiệt hạch (quá trình thải ra môi trường. 2-5). Khí nén sau đó tiếp tục đi vào buồng IV. BÀI TOÁN SO SÁNH GIỮA CHU đốt e để thực hiện quá trình cấp nhiệt đẳng TRÌNH TUABIN KHÍ – HƠI VÀ KHÍ – áp từ quá trình cháy của nhiên liệu. Sản HƠI – NHIỆT HẠCH phẩm cháy tiếp tục cho giãn nở sinh công 4.1. Một số giả thiết trong tính toán trong tuabin khí để làm quay máy phát. - Chất môi giới trao đổi nhiệt giữa nhiệt Quá trình thải lúc này do có nhiệt độ khá hạch và tuabin khí được xem là không khí. cao nên khí thải tiếp tục được đưa vào bộ - Nhiệt dung riêng là hằng số. trao đổi nhiệt k để nhả nhiệt cho nước (quá - Các quá trình trong chu trình là thuận trình 4-4’), sau đó số còn lại tiếp tục thải ra nghịch. môi trường (quá trình 4’-1). 4.2. Điều kiện cho trƣớc Thiết bị tuabin hơi sau khi nhận - Công suất nhà máy 500MW. nhiệt ở bộ trao đổi nhiệt k (quá trình 8-9- - Nhiệt độ và áp suất vào máy nén lần lượt 5 10-6). Hơi quá nhiệt lúc này cho giãn nở là : T1 = 300K, p1 = 10 pa. sinh công trong tuabin h để làm quay máy - Tỷ số tăng áp  10 . phát (quá trình 6-7), hơi sau đó được - Nhiệt độ vào tuabin khí – hơi là 1400K ngưng tụ hoàn toàn và bơm l đưa vào bộ còn với khí – hơi – nhiệt hạch là 1600K. trao đổi nhiệt k để nhận nhiệt của khí thải - Nhiệt độ ra khỏi bộ trao đổi nhiệt khí – tuabin khí. hơi T4' 480K III. HIỆU SUẤT NHIỆT CỦA CHU - Áp suất và nhiệt độ vào tuabin hơi lần TRÌNH lượt là 8 105 pa 80bar , 350o C Hiệu suất nhiệt của chu trình được - Áp suất ra khỏi tuabin là xác định như sau [1,2]: 0,5105 pa 0,5bar mc  T T mc  T T i i  p 3 4 p 2 1 6 7 (1) t 4.3. So sánh các giá trị giữa hai chu mc p  T5 T2 mc p  T3 T5 trình khí – hơi và khí – hơi – nhiệt hạch Với t là hiệu suất nhiệt của chu Sau khi tiến hành tính toán, ta có trình (%) ; i là enthalpy (kJ/kg) ; cp là nhiệt được kết quả tính toán giữa hai chu trình dung riêng khối lượng đẳng áp ; T là nhiệt như sau [1,2]: độ (K) ; m là hệ số tỷ lệ. So với chu trình khí – hơi thì chu trình khí – hơi – nhiệt hạch có hiệu suất 4
5. Bảng 1:So sánh kết quả giữa hai chu trình sử dụng nhiệt hạch và được xác định như Chu trình sau [1,4]: Chu khí – hơi Tên trình T T – nhiệt 5 2 khí – hơi  (2) hạch T3 T2 Q1hh (kW) Với T là nhiệt độ cuối quá trình (Nhiệt cấp cho 861229 836505 2 chu trình) nén trước khi vào bộ trao đổi nhiệt ; T5 là Gk (kg/s) nhiệt độ sau khi ra khỏi bộ trao đổi nhiệt (Lưu lượng 1049,03 819,3 khối lượng khí) với nhiệt hạch ; T3 là nhiệt độ cuối quá Gh (kg/s) trình cấp nhiệt. (Lưu lượng 97,22 97,5 khối lượng hơi) Nk (MW) (Công suất 415,416 403,1 tuabin khí) Nh (MW) (Công suất 84,581 96,9 tuabin hơi) q (kJ/kWh) (Suất tiêu hao 6327 6147 nhiệt) b (kg/kWh) (Suất tiêu hao 0,1376 0,1337 nhiên liệu) B (tấn/h) (Lượng nhiên Hình 7:Biểu đồ cột hệ số sử dụng nhiệt liệu tiêu hao 67,44 65,5 hạch trong 1giờ) thh % (Hiệu suất 58,06 59,77 nhiệt)  % 56,9 58,57 (Hiệu suất điện) 4.4. Tỷ lệ phụ thuộc nhiên liệu hóa thạch và phát thải CO2 khi sử dụng chu trình khí – hơi – nhiệt hạch Sự đóng góp nhiệt từ lò nhiệt hạch Hình 8: Tỷ lệ giữa năng lượng nhiệt hạch cho hệ thống nhiều hay ít phụ thuộc vào với lượng CO thải ra nhiệt độ của khí nóng sinh ra từ lò phản 2 Theo (2), ta tính hệ số sử dụng cho ứng. Để đánh giá lượng nhiệt tham gia vào bốn trường hợp ứng với nhiệt độ đầu ra quá trình cấp nhiệt, người ta gọi  là hệ số của lò phản ứng là 1000 K , 1100 K , 1200 K , 1300 K (độ chênh nhiệt độ trung 5
6. bìnhđược chọn là Ttb 50K ). Và các hệ dựa vào nhiên liệu hóa thạch, vì thế nó ít số sử dụng nhiệt hạch này được biểu diễn gây ảnh hưởng tới môi trường. Đồng thời, như hình 7. qua kết quả tính toán so sánh ở trên thì hệ thống tuabin khí – hơi – nhiệt hạch đã cải Bảng 2: Tỷ lệ giữa năng lượng nhiệt hạch thiện được phần lớn những nhược điểm với lượng CO2 thải ra và lượng nhiên liệu của hệ thống tuabin khí – hơi (hiệu suất tiết kiệm cao hơn, giảm đáng kể lượng khí thải CO2, Nhiệt Hệ số Lƣợng Lƣợng độ ra từ sử dụng nhiên khí thải tiết kiệm nhiên liệu và chi phí, ). Tuy lò nhiệt nhiệt liệu tiết CO2 thấy được những ưu thế to lớn, tuyệt vời hạch hạch kiệm giảm còn (K) (%) (tấn) (tấn) của năng lượng hạt nhân nhưng hiện nay 1000 45 30,5 101,6 loại năng lượng này vẫn chưa được ứng 1100 57 38,7 79 1200 70 46,9 56,5 dụng rộng rãi, do đó trong tương lai cần 1300 82 55,1 33,9 nghiên cứu, tìm hiểu, đưa vào sử dụng Giả sử nhiên liệu sử dụng là khí năng lượng hạt nhân nhiều hơn nhằm khai mêtan (CH4) thì khi đốt cháy 1kg mêtan sẽ thác triệt để những lợi thế của nó đặc biệt thải ra môi trường 2,75kg CO2. Với chu là trong sản xuất điện. trình khí – hơi không có nhiệt hạch, lượng Những kết quả thu được ở trên sẽ là CO2 thải ra khi đốt cháy 67,44 tấn nhiên nền tảng cơ sở khá quan trọng và đồng thời liệu là: 2,75 67,44 185,5 (tấn CO2) [1]. cũng là một hướng đi mới cho các nghiên Như vậy, khi sử dụng chu trình khí – hơi – cứu tiếp theo về “Hệ thống phát điện nhiệt hạch ứng với các hệ số sử nhiệt hạch tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch” thì lượng CO thải ra môi trường lúc này sẽ 2 – một dạng phát điện với hiệu suất cao giảm dần và kết quả được thể hiện trong được kỳ vọng trong tương lai sẽ thay thế hình 8 và bảng 2. dần phát điện kiểu tuabin truyền thống V. KẾT LUẬN (hoàn toàn không sử dụng nhiên liệu hóa Năng lượng hạt nhân là một nguồn thạch). năng lượng vô cùng quan trọng, hầu như không thải CO2 khi sản xuất điện do không TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Thanh Kỳ, Nhà máy nhiệt điện, Đại học bách khoa TPHCM, Năm 1998. [2] Phạm Lê Dần, Bùi Hải, Nhiệt động kỹ thuật, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Năm 2000. 6
7. [3] J.P. Quintenz, D.D. Bloomquist, R.J. Leeper, T.A. Mehlhorn, C.L. Olson, R.E. Olson, R.R. Peterson, M.K. Matzen, D.L. Cook, Light ion driven inertial confinement fusion, Progress in Nuclear Energy, Vol.30, Iss.2, 183-242 (1996). [4] Y.H. Jeong, P. Saha, M.S. Kazimi, Attributes of a nuclear-assisted gas turbine power cycle, Nuclear energy and sustainability (NES) program, MIT-NES-TR-003, February 2005. [5] Lê Chí Kiên, T.Kikuchi, Nob.Harada, High Efficiency Closed Cycle MHD Power Generation System for D-T ICF Reactor, 33rd Plasmadynamics and Lasers Conference, Maui, Hawaii,Chapter DOI: 10.2514/6.2002-2259, May 2002. Liên hệ: Lê Kim Long Số 29 Đường 9B, Tổ 1, Khu phố 6, P.Phước Long B(Khu dân cư Gia Hòa), Q.9, TP. Hồ Chí Minh. Điện thoại: 0937175215, Email: kimlong1711@gmail.com 7
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.