Luận văn Tiết kiệm chi phí hệ thống phát điện chu trình kín sử dụng từ động lực học (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Tiết kiệm chi phí hệ thống phát điện chu trình kín sử dụng từ động lực học (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ Kim Thị Nguyệt Nhung TIẾT KIỆM CHI PHÍ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHU TRÌNH KÍN SỬ DỤNG TỪ ĐỘNG LỰC HỌC NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN - 60520202 S K C0 0 4 8 9 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016
2. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: KIM THỊ NGUYỆT NHUNG Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 24/07/1987 Nơi sinh: Vĩnh Long Quê quán: Vĩnh Long Dân tộc: Khmer Địa chỉ liên lạc: Ấp cần súc, xã loan mỹ, huyện Tam Bình, Tp.Vĩnh Long. Điện thoại cơ quan: Điện thoại riêng: 0906488164 E-mail: Kimnguyetnhung@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2006 đến 1/2011 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh Ngành học: Điện công nghiệp 2. Cao học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2014 đến 02/2016 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Điện Tên Luận văn tốt nghiệp: Tiết kiệm chi phí hệ thống phát điện chu trình kín sử dụng Từ thủy động lực học. Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Chí Kiên III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 01/2012 Khu công nghệ cao Q9 Kỹ thuật viên đến nay i
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. HCM, ngày 24 tháng 04 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Kim Thị Nguyệt Nhung ii
4. LỜI CẢM TẠ Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho chúng tôi được tham gia khóa học này. Xin chân thành cảm ơn quý Thầy / Cô của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. Cảm ơn PGS.TS Quyền Huy Ánh và PGS.TS Trương Việt Anh đã tận tình giảng dạy, tư vấn, tạo điều kiện cho chúng tôi trong suốt thời gian học tập cho đến lúc hoàn thành luận văn. Đặc biệt, tôi xin cảm ơn đến Thầy PGS.TS Lê Chí Kiên đã tận tình hướng dẫn, dành nhiều thời gian để hướng dẫn chúng tôi hoàn thành đề tài tốt nghiệp kịp tiến độ. Cảm ơn các bạn cùng lớp đã đoàn kết và giúp đỡ nhau trong suốt thời gian học tập. Cuối cùng, xin kính chúc Ban Giám Hiệu, quí thầy cô, cán bộ công nhân viên nhà trường dồi dào sức khỏe, đạt nhiều thành tích mới trong công tác. Xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016 Học viên thực hiện Kim Thị Nguyệt Nhung iii
5. TÓM TẮT Hiện nay, ngành điện nước ta đang đối mặt với nhiệm vụ hết sức khó khăn là phải đáp ứng được nhu cầu điện ngày càng cao của khách hàng. Mặc dù đã thực hiện các biện pháp có thể nhưng mức chênh lệch giữa cung và cầu vẫn còn khá lớn. Trong khi chưa tìm được một nguồn điện năng nào có thể đóng vai trò cứu cánh thì giải pháp tiết kiệm điện năng hay sử dụng điện năng một cách hiệu quả là giải pháp chung. Tuy nhiên, có một phương pháp phát điện đã được phát minh và đã được nhiều nước đầu tư nghiên cứu trong môi trường thí nghiệm, đó là phương pháp phát điện từ thủy động lực học (MHD). Đề tài “Tiết kiệm chi phí hệ thống phát điện chu trình kín sử dụng Từ thủy động lực học.” được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu các thông số đầu vào để nâng cao hiệu suất nhà máy nhiệt điện, bằng cách lập mô hình mô phỏng hệ thống sử dụng phần mềm Matlab nhằm tối ưu các thông số đó. Nội dung chính của đề tài có thể được tóm tắt như sau: Trình bày nguyên lý phát điện MHD, các loại máy phát MHD, ứng dụng của máy phát điện MHD và chu trình hệ thống phát điện MHD. Phân tích chi phí phát điện của nhà máy nhiệt điện và nhà máy nhiệt điện có kết hợp từ thủy động lực. Tính toán chi phí phát điện, lợi nhuận của nhà máy nhiệt điện Yên Thế. Từ đó đưa ra chi phí đầu tư thêm máy phát MHD và các mức lợi nhuận mà nó mang lại. Với những kết quả đạt được, đề tài tin rằng sẽ giúp ích cho việc mở rộng phương pháp đầu tư phù hợp với các điều kiện về kinh tế - kỹ thuật và nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt của nước ta hiện nay. iv
6. ABSTRACT Electricity is now facing with a difficult mission that is to meet the increasingly high demand of using electric. Although we made efforts to solve this issue, there still has a big gap between the supply and demand.Economizing onelectric or using it more effectively is now the best solution until we can find other alternative energy resources. However, a method of generating electric known as magnetohydrodymanic power generation was created and invested in experiment environment in many countries.The research of “ Economizing on costs of closed cycle magnetohydrodynamic power generation system” is implemented with the hope of studyinginput parameters in order to enhance the efficiency of thermoelectricity plants. By making a simulation modeling using Matlab software, we can optimize those parameters. The main contents of the topic can summarized as follows: Presenting the generation principles of MHD, types of MHD generators, the applications of MHD generators and the cycleof MHD generation systems. Comparing the costs of generation between thermal power plant and thermal power plant combining the MHD system. Calculating the generation costs, profits of Yen The thermal power plant. From that, we can estimate investment costs when combining MHD system and profits from them. From the gained results, I believes that the research will help to expand investment methods which are suitable with current economic-technical conditions, and the rapid exhaustion of our energy resources. v
7. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách các ký hiệu ix Danh sách các hình x Danh sách các bảng xii Chƣơng 1.TỔNG QUAN 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Tình hình nghiên cứu và tính cấp thiết 2 1.2.1 Các nghiên cứu về MHD hiện nay trên thế giới 2 1.2.2 Các nghiên cứu về MHD hiện nay tại Việt Nam 2 1.3 Nhiệm vụ và mục tiêu của đề tài 3 1.4 Phạm vi nghiên cứu 3 1.4.1 Giới hạn đề tài 3 1.5 Phương pháp nghiên cứu 3 1.6 Kết quả dự kiến và giá trị thực tiễn 4 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 2.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện MHD 5 2.2 Các loại máy phát điện MHD 7 2.3 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống MHD 9 2.3.1 Ưu điểm 9 2.3.2 Nhược điểm 10 2.4 Nguyên lý làm việc của chu trình tuabin khí 10 vi
8. 2.5 Chu trình phát điện MHD và chất lỏng hoạt động 11 2.5.1 Hệ thống phát điện MHD chu trình hở 11 2.5.2 Hệ thống phát điện MHD chu trình kín 12 2.6 Máy nén 13 2.7 Chu trình phát điện MHD sử dụng than 14 2.8 Phân tích chu trình MHD với tuabin khí 15 2.9 Phân tích chu trình MHD với tuabin hơi 16 Chƣơng 3.CƠ SỞ LÝ THUYẾT TIẾT KIỆM CHI PHÍ 19 3.1 Chi phí hệ thống phát điện thông thường 19 3.1.1 Chi phí đầu tư 19 3.1.2 Chi phí nguyên liệu 20 3.1.3 Phân tích chi phí 20 3.2 Chi phí phát điện của MHD 21 3.3 Chi phí tạo hơi trong hệ thống chu trình kín MHD-Tuabin hơi 22 3.4 Enthalpy rút ra từ hơi nước 24 3.5 Quá trình nhiệt 26 3.6 Phân tích máy phát điện chu trình kín sử dụng MHD – Turbine hơi 27 3.7 Thiết lập phương trình tính toán lợi nhuận nhà máy nhiệt điện tạo ra khi không có MHD và MHD 28 Chƣơng 4. TIẾT KIỆM CHI PHÍ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHU TRÌNH KÍN CÓ KẾT HỢP TỪ THỦY ĐỘNG LỰC 29 4.1 Tính toán các thông số nhà máy nhiệt điện Yên Thế 29 4.2 Tính toán lợi nhuận do sản lượng điện do nhà máy phát ra 33 4.2.1 Lợi nhuận do nhà máy nhiệt điện Yên Thế tạo ra khi không có từ thủy động lực 33 4.2.2 Lợi nhuận do nhà máy nhiệt điện Yên Thế tạo ra khi có từ thủy động lực.35 4.2.2.1 Tính toán thông số nhà máy nhiệt điện Yên Thế có trang bị hệ thống từ thủy động lực (MHD) 35 4.2.2.2 Tính toán lợi nhuận thu được khi có hệ thống từ thủy động lực 36 vii
9. 4.3 Tính toán lợi nhuận thu được trên thanh góp 38 4.3.1 Lợi nhuận thu được thực tế trên thanh góp khi không có MHD 38 4.3.2 Lợi nhuận thu được thực tế trên thanh góp khi có MHD 40 4.4 Lợi nhuận nhà máy nhiệt điện khi có sự thay đổi về giá nhiên liệu 42 Chƣơng 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 5.1 Kết luận 48 5.2 Hạn chế 49 5.3 Kiến nghị 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 PHỤ LỤC CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 52 viii
10. DANH SÁCH KÝ HIỆU KÝ HIỆU LATIN KÝ HI ỆU HY LẠP B: từ trường β: thông số Hall Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp  : hệ số tỉ nhiệt ce: vận tốc nhiệt của electron  : hiệu suất E: điện trường θ: góc e: điện tích electron  : độ linh động F: lực : điện trở suất h: enthalpy  : điện dẫn suất J: mật độ dòng τ: thời gian trung bình K: thông số tải giữa các lần va chạm m : khối lượng electron e  : tần số cyclotron ne: số lượng electron p: áp suất P: công suất q: điện tích R: hằng số khí T: nhiệt độ U: nội năng u: thành phần vận tốc trên trục x ix
11. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Lực Lorentz 5 Hình 2.2: Nguyên lý của máy phát MHD 6 Hình 2.3: Các loại máy phát điện MHD với (a) là loại Faraday điện cực liên tục, (b) là loại Faraday điện cực phân đoạn, (c) là loại Hall và (d) là loại điện cực chéo 8 Hình 2.4: Chu trình hở máy phát MHD 12 Hình 2.5: Hệ thống máy phát MHD chu trình kín 13 Hình 2.6: Máy nén ly tâm 13 Hình 2.7: Máy nén dọc trục 14 Hình 2.8: Chu trình phát điện MHD sử dụng than 15 Hình 2.9: Chu trình kết hợp MHD – Tuabin Khí 16 Hình 2.10: Hệ thống chu trình kín MHD kết hợp tuabin hơi 18 Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động chu trình kín máy phát MHD và turbine hơi 23 Hình 3.2: Biểu đồ Mollier tổng quát 24 Hình 3.3: Hiêụ suất đoaṇ nhiêṭ của turbine hơi 25 Hình 3.4: Hê ̣thống dùng van giảm áp và dùng turbine hơi 26 Hình 4.1: Đồ thị thể hiện lợi nhuận của nhà máy nhiệt điện Yên Thế 34 Hình 4.2: Đồ thị lợi nhuận nhà máy khi kết hợp từ thủy động lực 37 Hình 4.3: Đồ thị thể hiện lợi nhuận trên thanh góp nhà máy nhiệt điện Yên Thế 39 Hình 4.4: Đồ thị thể hiện lợi nhuận trên thanh góp có kết hợp MHD 41 Hình 4.5: Đồ thị lợi nhuận nhà máy không có MHD khi chi phí nhiên liệu tăng 43 Hình 4.6: Đồ thị lợi nhuận nhà máy có MHD với giá nhiên liệu tăng từ 10% đến 70% khi chi phi đầu tư tăng 10% 44 x
12. Hình 4.7: Đồ thị lợi nhuận nhà máy có MHD với giá nhiên liệu tăng từ 10% đến 70% khi chi phi đầu tư tăng 50% 45 Hình 4.8: Đồ thị lợi nhuận nhà máy có MHD với giá nhiên liệu tăng từ 10% đến 70% khi chi phi đầu tư tăng 70% 46 Hình 4.9: Đồ thị lợi nhuận nhà máy có MHD với giá nhiên liệu tăng từ 10% đến 70% khi chi phi đầu tư tăng 100% 47 xi
13. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1: Chi phí cố định dầu tư nhiệt điện 20 Bảng 3.2: Chi phí nguyên liệu nhiệt điện 20 Bảng 3.3: Chi phí vốn trên mỗi kWh nhiệt điện 21 Bảng 3.4: Tổng chi phí trên mỗi kWh nhiệt điện 21 Bảng 4.1: Các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế chính của nhà máy nhiệt điện Yên Thế 29 Bảng 4.2 :Lợi nhuận của nhà máy nhiệt điện Yên Thế khi chưa có MHD 34 Bảng 4.3: Lợi nhuận nhà máy nhiệt điện Yên Thế khi có MHD 37 Bảng 4.4: Lợi nhuận trên thanh góp nhà máy nhiệt điện Yên Thế 39 Bảng 4.5: Lợi nhuận sau 25 năm trên thanh góp khi kết hợp MHD 41 Bảng 4.6: Lợi nhuận nhà máy không có MHD khi chi phí nhiên liệu tăng 43 Bảng 4.7: lợi nhuận nhà máy có MHD với giá nhiên liệu tăng từ 10% đến 70% khi chi phi đầu tư tăng 10% 45 Bảng 4.8: Lợi nhuận nhà máy có MHD với giá nhiên liệu tăng từ 10% đến 70% khi chi phi đầu tư tăng 50% 46 Bảng 4.9: lợi nhuận nhà máy có MHD với giá nhiên liệu tăng từ 10% đến 70% khi chi phi đầu tư tăng 70% 47 Bảng 4.10: Lợi nhuận nhà máy có MHD với giá nhiên liệu tăng từ 10% đến 70% khi chi phi đầu tư tăng 100% 48 xii
14. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 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 chạy đua trong lĩnh vực giải quyết các vấn đề về năng lượng trong đó có hai xu hướng chính đang được nghiên cứu và tập trung. Xu hướng thứ nhất là tìm kiếm và sử dụng nguồn năng lượng mới nhằm thay thế các nguồn năng lượng hiện tại như dầu mỏ, khí đốt, than, nhiên liệu hóa thạch và xu hướng thứ hai là tiết kiệm chi phí các hệ thống năng lượng hiện nay. Ở xu hướng thứ nhất, các dạng năng lượng mới có thể kể đến như: năng lượng gió, thủy triều, mặt trời, địa nhiệt, sinh khối. Tuy nhiên, các dạng năng lượng này vẫn còn một số vấn đề cần nghiên cứu và hoàn thiện hơn như giá thành cao, chi phí lớn, phụ thuộc vào nhiều yếu tố thiên nhiên hoặc độ biến đổi của nguồn năng lượng lớn. Do vậy, đề tài này chọn xu hướng thứ hai là tiết kiệm chi phí hệ thống máy phát và một trong những phương pháp tiết kiệm chi phí đó là dùng hệ thống máy phát sử dụng nguyên lý Từ thủy động lực MHD (MagnetoHydroDynamic). Đây là một dạng phát điện trực tiếp với nguồn nhiệt sử dụng ở nhiệt độ cao trên 2000°퐾 được kỳ vọng cho hiệu suất lớn hơn nhiều so với các hệ thống phát điện kiểu truyền thống trước giờ. 1.2 Tình hình nghiên cứu và tính cấp thiết 1.2.1 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. HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 1
15. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên - 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. 1.2.2 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. Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài “Tiết kiệm chi phí hệ thống phát điện chu trình kín sử dụng Từ thủy động lực học” nhằm đi sâu vào nghiên cứu tính toán lợi nhuận đạt được của nhà máy từ chi phí lắp đặt đến chi phí nhiên liệu,từ đó giảm chi phí nhiên liệu, hạ giá thành sản xuất điện, bằng cách lập mô hình mô phỏng hệ thống sử dụng phần mềm Matlab nhằm tối ưu các thông số đó. Với những kết quả đạt được tin rằng sẽ cung cấp một công cụ tính toán và mô phỏng hữu ích cho sự phát triển các nguồn điện phục vụ cho mục tiêu Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa đất nước, đồng thời cũng giúp ích cho nhà nghiên cứu, cán bộ kỹ thuật, sinh viên nghiên cứu vấn đề máy phát từ thủy động lực tại Việt Nam. 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 và tìm hiểu về tính kinh tế của phương pháp phát điện Từ thủy động lực học, chủ yếu gồm các vấn đề sau: - Tìm hiểu nguyên lý phát điện Từ thủy động lực học. - Khảo sát chu trình phát điện Từ thủy động lực học. - Phân tích đặc tính kinh tế-kỹ thuật của phát điện Từ thủy động lực. HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 2
16. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên - Xây dựng các phương pháp tính toán tiết kiệm chi phí của nhà máy nhiệt điện có kết hợp từ thủy động lực, dựa trên các chi phí đầu tư, vận hành, bảo trì, sửa chữa, đưa ra chi phí phát điện. 1.4 Phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu các nguyên lý hoạt động (MHD) và chu trình phát điện (MHD) kết hợp tuabin khí và tuabin hơi. - Tìm hiểu cách tính chi phí phát điện hiện nay trên thế giới. - Thiết lập quan hệ chi phí năng lượng đầu ra theo chi phí năng lượng nhiên liệu vào của máy phát từ thủy động lực. - Tính toán tiết kiệm chi phí đầu tư và lợi nhuận của nhà máy nhiệt điện có kết hợp từ thủy động lực theo giá thành phát điện của nhà máy nhiệt điện cụ thể. - Nhận xét và kết luận. 1.4.1 Giới hạn đề tài - Nghiên cứ u nguyên lý phát điện của từ thủy động lực học. - Nghiên cứ u Chu trình phát điện từ thủy động lực học và chất lỏng hoạt động. - Phân tích chu trình từ thủy động lực học . - Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống từ thủy động lực học. - Quan hệ chi phí đầu tư, vận hành, chi phí nhiên liệu đầu vào với giá thành năng lượng đầu ra của nhà máy nhiệt điện có kết hợp từ thủy động lực. - Nhiên liệu sử dụng là than đá. - Chưa đi sâu nghiên cứu công nghệ hiệu ứng lò của MHD và giá thành tương ứng với 10MW đến 50MW. - Chưa phân tích giá trị tiền tệ theo thời gian của vốn đầu tư, thay đổi giá điện đầu ra, khâu hao của nhà máy, phân tích lợi nhuận sau thuế. - Lợi nhuận được phân tích dựa trên sự biến thiên của các biến được xét riêng lẻ mà không xem đến sự biến thiên đồng thời của các biến. HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 3
17. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. - Nghiên cứu về máy phát từ thủy động lực và các phương pháp tính toán tiết kiệm chi phí điện năng. - Do lĩnh vực này ở nước ta còn rất mới nên người thực hiện luận văn không có điều kiện thực nghiệm mà chỉ khảo sát trên mô hình toán, từ đó phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị. - Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị. - Đánh giá tổng quát toàn bộ bản đề tài. Đề nghị hướng phát triển của đề tài. 1.6 Kết quả dự kiến và giá trị thực tiễn - Phân tích được ưu khuyết điểm về kinh tế - kỹ thuật của các phương pháp phát điện Từ thủy động lực. - Xác định chi phí cho từng phương pháp phát điện từ thủy động lực trong từng trường hợp cụ thể. - Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc ba loại máy phát điện trong cùng một nhà máy, nâng cao hiệu suất phát điện và tiết kiệm chi phí điện năng. - Giúp các nhà hoạch định chiến lược về nguồn năng lượng quốc gia có thêm một hướng mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai. - Sử dụng làm tài liệu giảng dạy. HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 4
18. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên lý làm việc của 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 có thể tái sử dụng để cung cấp nhiệt cho hệ thống nhiệt điện truyền thống. 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: Đặt bàn tay trái duỗi thẳng để các đường cảm ứng từ xuyên vào lòng bàn tay,chiều từ cổ tay đến ngón tay trùng với chiều vận tóc của hạt, khi đó ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của lực Lorentz nếucc hạt mang điện tích dương, và chỉ chiều ngược lại hạt mang điện tích âm. Hình 2.1: Lực Lorentz 퐹퐿 = 푞 . 푣. . 푠𝑖푛 . 푣 Trong đó: 퐹퐿 là lực Lorentz (N); 푞 là độ lớn điện tích (C); v là vận tốc hạt mang điện (m/s); B là cảm ứng từ (T). 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 từ chuyển động trong lưu chất dẫn điện đến các điện cực đặt ở vị trí thích hợp trong dòng chảy nằm trong từ HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 5
19. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên trường và các điện cực sẽ tạo ra điện năng. Một máy phát điện MHD hoạt động theo nguyên lý cơ bản: Định luật Faraday và quy tắc bàn tay phải. Hình 2.2: Nguyên lý của máy phát MHD Máy phát từ thủy động lực học chu trình mở vận hành với nhiên liệu hóa thạch đốt cho qua hệ thống MHD sau đó kết hợp với tuabin hơi được vận hành thử nghiệm vào khoảng năm 1965. Máy phát MHD chu trình kín thường thường sử dụng nhiên liệu từ lò 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 trong khi đối với tuabin hơi nhiệt độ giới hạn khoảng 8500K và với các máy phát tuabin hơi hiệu suất đạt dưới 42%. Đối với các máy phát MHD không có bộ phận chuyển động quay nên có thể nâng nhiệt độ lên cao nên cho hiệu suất cao hơn. Hiệu suất của chu trình kết hợp có thể được xác định bởi biểu thức (2.1): 휂푛푒푡 = 휂1 + 휂2 1 − 휂1 (2.1) Trong đó: 휂1 là hiệu suất của máy phát MHD và 휂2 là hiệu suất của turbin hơi. Quá trình thực hiện là sử dụng từ trường mạnh để tạo ra điện trường với luồng chất lỏng dẫn điện đi xuyên qua một 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 chất lỏng dẫn điện được nối với mạch điện bên ngoài. Các electron từ HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 6
20. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên chất lỏng theo điện cực từ một phía vách lò đến tải bên ngoài và đến điện cực phía đối điện trở về khối chất lỏng tạo thành dòng điện kín. Như vậy, nhận thấy hai điện cực cung cấp cho tải bên ngoài dòng điện một chiều, có thể nối với bộ nghịch lưu để trở thành dòng điện xoay chiều. 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 . Các phương trình cơ bản của máy phát MHD: Phương trình động lực học: 𝜌 + + 퐽 = 0 (2.2) Phương trình năng lượng: 1 𝜌 ℎ + 2 + 퐽 = 0 (2.3) 2 Phương trình tính liên tục: 𝜌 = = 표푛푠푡 푛푡 (2.4) Mật độ dòng được đưa ra bởi định luật Ohm khi áp dụng cho một máy phát MHD: J= 𝜎 − + / 2 (2.5) Trong đó: u là vận tốc, ρ là mật độ dòng khí, p là áp suất, h là chiều cao, E là cường độ điện trường. 2.2 Các loại máy phát điện MHD Dựa vào nguyên lý Từ thủy động lực, người ta có thể chia máy phát điện MHD ra thành nhiều loại khác nhau tùy theo dạng điện cực như hình 2.3. Trong loại máy phát điện Faraday, từ trường được đặt vuông góc với dòng chảy của chất lỏng dẫn điện. Dưới tác động của lực Lorentz, các điện tích sẽ được tích tụ trên các thành ống dẫn, vuông góc với từ trường và chiều dòng chảy. Tại thành ống, có thể đặt các điện cực để thu những điện tích này. Công suất của máy phát tỷ lệ với thiết diện ống dẫn và tốc độ chảy. Khi điện năng được gặt hái, dòng chảy sẽ chảy chậm lại và nguội đi. HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 7
21. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Thông thường nhiệt độ của dòng chảy sau khi đi qua máy phát điện sẽ bị giảm từ nhiệt độ plasma xuống khoảng 1000K. Nhược điểm của máy phát điện loại Faraday là hiệu suất không cao, do thất thoát điện năng trên các điện cực, đặc biệt là thất thoát do hiệu ứng Hall. Do đó người ta chế tạo ra máy phát điện loại Hall. Hình 2.3: Các loại máy phát điện MHD với (a) là loại Faraday điện cực liên tục, (b) là loại Faraday điện cực phân đoạn, (c) là loại Hall và (d) là loại điện cực chéo Máy phát điện loại Hall sử dụng hiệu ứng Hall để tạo ra dòng điện cùng chiều với dòng khí chảy. Các dãy điện cực ngắn được đặt vuông góc với dòng chảy và với từ trường ngoài, dọc 2 bên dòng chảy. Điện cực ở đầu nguồn và điện cực ở cuối dòng chảy sẽ được nối ra mạch điện ngoài để cung cấp điện năng. Mỗi điện cực còn lại được nối với một điện cực đối diện dọc theo dòng chảy, và dòng điện cảm ứng (theo nguyên lý của máy phát Faraday nêu trên, gọi là dòng điện Faraday) sẽ chạy trên các đoạn nối này, tạo nên từ trường rất mạnh trong dòng chảy, uốn dòng chảy chạy theo đường cong dọc theo ống. Thiết kế này có hiệu suất cao hơn máy phát Faraday, nhưng hiệu suất phụ thuộc nhiều vào tải bên ngoài. Máy phát loại điện cực chéo là loại kết hợp đặc tính của cả loại Faraday và loại Hall nên có thể cho hiệu suất cao và điện áp ra cao, tuy nhiên đặc tính này cũng còn tùy thuộc các thông số của chất khí đầu vào. Do vậy, khi thiết kế tối ưu hóa HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 8
22. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên máy phát MHD, tùy thuộc thông số và đặc tính chất khí mà chọn loại máy phát cũng như thông số cho loại máy phát đó. Với các loại máy phát điện MHD trên, nguyên lý Từ thủy động lực học có thể được ứng dụng 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 (2000°K trở lên). Bằng cách kết hợp sử dụng máy phát điện Từ thủy động lực học với hệ thống tái sử dụng nhiệt năng của khí thải (thông qua máy phát nhiệt điện truyền thống như máy phát tuabin hơi nước, tuabin khí), hiệu suất của toàn bộ hệ thống có thể đạt được trên 60%. Tuy nhiên, hiện nay các máy phát điện Từ thủy động lực học chưa được ứng dụng cho sản xuất điện quy mô lớn và đưa vào thương mại do còn nhiều vấn đề kỹ thuật, công nghệ và do sự cạnh tranh về giá thành từ các mẫu tuabin khí hiện đại (cũng có khí thải tái sử dụng được bởi các máy hơi nước). 2.3 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của hệ thống MHD 2.3.1 Ƣu điểm - Có thể dùng nhiều loại năng lượng để cung cấp cho máy phát như: than, dầu, khí, năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời - Do không có cơ cấu chuyển động quay nên độ bền cơ học rất cao, do đó chi phí bảo trì, bảo dưỡng thấp. - Ô nhiễm do khí thải thấp hơn 4 lần so với các nhà máy nhiệt điện. - Nếu kết hợp với phát điện turbin khí và turbin hơi thì hiệu suất rất cao. - Khả năng đáp ứng công suất theo thời gian cao. Có thể phát ra công suất cực đại từ 0.3 đến 0.5s, phù hợp cung cấp công suất cho tải đỉnh trong hệ thống. - Kết cấu gọn nhẹ so với các máy phát khác. Các nghiên cứu về MHD còn là cơ sở để chế tạo ra các sản phẩm khác có tính chất đặc biệt như: - Động cơ phản lực có tốc độ cao mà động cơ bình thường không đáp ứng được. - Động cơ tàu thủy. HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 9
23. S K L 0 0 2 1 5 4