Nghiên cứu chu trình kết hợp tuabin hơi nâng cao hiệu suất nhà máy điện MHD

Nội dung text: Nghiên cứu chu trình kết hợp tuabin hơi nâng cao hiệu suất nhà máy điện MHD

1. NGHIÊN CỨU CHU TRÌNH KẾT HỢP TUABIN HƠI NÂNG CAO HIỆU SUẤT NHÀ MÁY ĐIỆN MHD Trần Hữu Nhật TÓM TẮT: Việt nam là một quốc gia đang phát triển nên nhu cầu năng lượng điện cũng ngày càng phát triển và phải tận dụng các nguồn năng lượng tự nhiên như mặt trời, gió, Bài báo này phân tích tính toán chu trình kết hợp gồm máy phát điện từ thủy động lực (MHD) dạng đĩa, kết hợp với nguồn nhiệt mặt trời được đưa vào chu trình tuabin khí, chu trình tuabin hơi và phát ra điện năng. Kết quả tính toán mô phỏng trong bài báo này cho thấy rằng hiệu suất chu trình kết hợp được nâng lên đáng kể so với chu trình kết hợp khác hoặc chu trình đơn. Từ khóa: Chu trình kết hợp tuabin hơi, Hiệu suất nhà máy điện MHD. ABSTRACT: Vietnam is a developing country where it demands the growth of the electrical energy and to take advantage of natural energy sources such as solar, wind, etc. This paper analyzed the combined cycle consists of magnetohydrodynamic (MHD) disc, combined with solar thermal power is put into the cycle gas turbine, steam turbine cycle and generate electricity. Simulation calculation results in this paper shows that combined cycle efficiency is improved considerably compared with other combined cycle or single cycle. Key words: Combined cycle steam turbine, power plant efficiency MHD. 1. Giớ i thiêụ Những nguồn năng lượng điện cần tận dụng tối đa để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ của con người. Do đó, việc nâng cao hiệu suất nhà máy điện là hết sức cần thiết trong tương lai. Để có giải pháp nâng cao hiệu suất nhà máy điện thì viêc̣ áp dụng phương pháp cải tiến hiệu suất nhà máy điện MHD là cần thiết trên cơ sở phương pháp tính toán chu trình kết hợp tuabin hơi. Dưới đây sẽ phân tích , tính toán chu trình kết hợp tuabin hơi để cải thiện hiệu suất của toàn nhà máy. 2. Cơ sở lý thuyết Máy phát điện từ thủy động lực học (hay máy phát từ thủy động học) 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 (như máy phát điện hơi nước)[1]. 1
2. Quá trình phát MHD dựa trên định luật cảm ứng điện từ của Faraday. Như vậy, máy phát điện từ thủy động lực tạo ra nhiệt năng hoặc động năng của một chất lỏng chuyển thành năng lượng điện trực tiếp. Ví dụ về các loại chất lỏng đó như khí bị oxy hóa, plasma, kim loại lỏng và nước biển. Máy phát điện MHD khác với máy phát điện thông thường ở chỗ chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao mà không có bộ phận truyền động[2]. Máy phát MHD hoạt động theo định luật cảm ứng của Faraday, khi một vật dẫn điện được di chuyển để cắt các đường cảm ứng từ, các hạt điện tích trong vật dẫn gặp một lực theo một hướng vuông góc với các trường từ B và vận tốc của vật dẫn. Các điện tích âm có xu hướng di chuyển theo một hướng và các điện tích dương theo hướng ngược lại. Điều này tạo ra điện trường hoặc suất điện động cung cấp cơ sở cho việc chuyển cơ năng thành điện năng[3]. Hình 2.1: Nguyên lý cơ bản của máy phát MHD. Với nhà máy điện tháp mặt trời, hàng trăm hay thậm chí hàng nghìn các tấm gương được lắp đặt xung quanh một tháp. Được gọi là các kính định nhật, những tấm gương này được điều khiển riêng biệt bởi máy tính để dõi theo sự di chuyển của mặt trời đồng thời hướng đến đỉnh tháp. Chúng phải được hướng với độ chính xác vài phần trăm của một độ để có thể phản chiếu ánh sáng đến điểm trung tâm (tâm điểm). Một bình chứa sẽ được đặt ở đó với thiết bị thu, cái mà dưới tác dụng của ánh sáng tập trung sẽ được nung nóng lên đến nhiệt độ trên 1000 độ C. Không khí hay các muối nóng chảy vận chuyển nhiệt. Tuabin khí hay hơi sẽ điều khiển máy phát để biến đổi nhiệt thành năng lượng điện[4]. 2
3. Hình 2.2: Năng lượng mặt trời dạng tháp kết hợp chu trình Brayton-Rankine. Trong các nghiên cứu về hệ thống phát điện MHD thì có rất nhiều nghiên cứu đã được công bố, trong đó có nghiên cứu [5] của Lê Chí Kiên, Hishikawa, Nob Harada tại đại học Nagaoka Niigata nhật bản về vấn đề hệ thống phát điện MHD chu trình kín đã được báo cáo với hiệu suất dự kiến là 55,2%. Nghiên cứu này cho thấy hệ thống phát điện MHD chu trình kín phù hợp với lò phản ứng hạt nhân với nhiệt độ cao và không gây ô nhiễm môi trường. Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống phát điện MHD chu trình kín. Tất cả các hệ thống phát điện MHD có thể được nghiên cứu phát triển để đạt hiệu quả cao hơn trong sản xuất điện năng với ưu điểm hiệu suất được nâng cao lên, không ô nhiễm môi trường, công suất điện lên lưới cao hơn. Điển hình là nghiên cứu [6] của Đỗ huỳnh thanh phong đã được báo cáo tại trường đại học sư phạm kỹ thuật ở thành phố Hồ Chí Minh về vấn đề hệ thống phát điện MHD kết hợp tuabin khí. Nghiên cứu này dựa trên cơ sở nghiên cứu về hệ thống phát điện MHD chu trình kín của Lê Chí Kiên, Hishikawa, Nob Harada tại đại học Nagaoka Niigata nhật bản. Nghiên cứu này đã nâng cao hiệu suất hơn khi kết hợp với tuabin khí. 3
4. Qin Nguồn 3 ION nhiệt Điện lên lưới 4 W1 MHD Điều phối 2A Trao 2 đổi nhiệt Điện lên 1 5 lưới W2 Làm lạnh Máy nén 6 Máy tuabin khí phát Động cơ Hình 2.4: Hệ thống phát điện MHD kết hợp tuabin khí. Lượng nhiệt sau khi qua tuabin khí vẫn còn rất cao nên đề xuất cần phải tận dụng tối đa nguồn nhiệt để nâng cao sản xuất điện năng. Từ đó mà đề tài nghiên cứu về hệ thống phát điện MHD kết hợp tuabin hơi được nghiên cứu để nâng cao sản xuất điện năng lên lưới và hiệu suất toàn nhà máy. 3. Phương phá p cải tiến nhà máy điện MHD Phương pháp cải tiến nhà máy điện MHD đươc̣ xây dưṇ g trên cơ sở phương pháp tính toán mô phỏng đề xuất bởi chu trình kết hợp tuabin hơi từ các hệ số như nhiệt độ, áp suất, nhiệt lượng. Phương pháp cải tiến đươc̣ trình bày cu ̣thể trong hình, quy trình đánh giá rủi ro trình bày trong Hình 3.1. Chu trình phát điện kết hợp máy phát từ thủy động lực (MHD) và tuabin 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: nhận nhiệt lượng còn lại của máy phát MHD với nhiệt độ cao và nguồn nhiệt từ mặt trời, nhiệt độ này có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của máy phát điện khí.  Động cơ : có nhiệm vụ kéo máy nén và tuabin hoạt động, nhận năng lượng từ bộ điều phối. 4
5.  Thiết bị làm lạnh : có nhiệm vụ làm lạnh môi chất trước khi vào máy nén để nén lên áp suất cao hơn. Nhiệt độ chất khí sau khi làm lạnh ảnh hưởng rất lớn đến chu trình.  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 nhận năng lượng nhiệt từ hơi có áp suất cao và tạo ra chuyển động quay làm quay máy phát điện hơi tạo ra điện năng phát lên lưới (W3).  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 4000K. Nhiệt lượng tại từng nút trong chu trình là đại lượng được phân tích vì nó yếu tố quang trọng trong sự cân bằng nhiệt của chu trình và từ đó quyết định hiệu suất của chu trình phát điện, đại lượng này chịu của ba yếu tố là lưu lượng, nhiệt dung riêng và nhiệt độ của lưu chất. Tóm lại nhiệt tại các nút thứ i được xác định như sau: QCTGi P i (3.1) Cp : Nhiệt dung riêng của chất khí (J/KgK) G : Lưu lượng của chất khí qua máy phát MHD Qi : Nhiệt lượng tại nút thứ i (MW) Hiệu suất của máy phát: W  (3.2) Qin Qin : Nhiệt lượng đầu vào W : Điện năng lên lưới 5
6. Qin Nguồn 3 ION nhiệt Điện lên lưới 4 W1 MHD 4' Điều phối Gia nhiệt 2 từ mặt trời 2A 1 5 Điện lên Làm lạnh lưới Máy nén W2 6 Máy tuabin khí phát Động cơ 2A1 bơm Lò hơi 10 9 7 W Điện lên 3 Máy Bình Tua bin hơi lưới phát ngưng 8 Hình 3.1: Hệ thống MHD kết hợp tuabin hơi. 4. Kết quả tính toán mô phỏng nhà máy điện MHD Tính toán các thông số tại các nút của chu trình kết hợp tuabin hơi dựa trên các công thức, phương trình đã phân tích, sử dụng Matlab để tính toán mô phỏng hai trường hợp: ban đầu sẽ tiến hành tính toán với nhiệt độ vào máy phát MHD được giả định là T3= 1800°K và các dữ liệu đầu vào sau đó sẽ thay đổi T3 rồi xem xét hiệu suất chu trình thay đổi như thế nào. Hiệu suất (%) 75.03% 68.68% 69.2% 63.52% 62.33% 55.2% 1800 2100 2400 Nhiệt độ (K) Hình 4.1: Biểu đồ thể hiện quan hệ giữa hiệu suất và nhiệt độ vào máy phát MHD (T3) Trong trường hợp còn lại tác giả sẽ giữ nguyên nhiệt độ vào máy phát MHD ở nhiệt độ T3=2400°K, ta lần lượt thay đổi nhiệt độ vào máy nén T6=350°K, T6=400°K và giữ nguyên các thông số còn lại như nêu trong trường hợp đầu và được kết quả như sau: 6
7. Hình 4.2: Đồ thị T-S của chu trình với T6=300°K(xanh dương), 350°K(xanh lục), 400°K(đỏ). Hiệu suất(%) 75.03% 73.04% 71.05% 69.2% 64.98% 60.76% 300 350 400 Nhiệt độ (K) Hình 4.3: Biểu đồ thể hiện quan hệ giữa hiệu suất và nhiệt độ vào máy nén (T6). 5. Kết luận Bài báo đa ̃ tính toán phân tích hiệu suất nhà máy điện MHD theo phương pháp cải tiến trên cơ sở phương pháp tính toán mô phỏng chu trình kết hợp tuabin hơi. Kết quả tính toán mô phỏng hiệu suất nhà máy điện MHD kết hợp tuabin hơi khi thay đổi nhiệt độ đầu vào thì cao hơn từ 5.1 đến 7.1 phần trăm so với chu trình kết hợp 7
8. tuabin khí. Khi tăng nhiệt độ đầu vào máy nén thì hiệu suất nhà máy điện MHD sẽ giảm dần theo. Từ phân tích mô phỏng và tính toán cả hai trường hợp ở trên ta thấy rằng hiệu suất của chu trình kết hợp tuabin hơi và khí cao hơn chu trình kết hợp tuabin khí hoặc chu trình đơn (không kết hợp tuabin). Ta thấy Hiệu suất của cả chu trình không những phụ thuộc vào nhiệt độ của môi chất đưa vào máy phát MHD mà nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ khi đưa vào máy nén. Vì vậy khi tính toán thiết kế chu trình thì người thiết kế cần quan tâm đến quan hệ nhiệt độ và entropy khi qua các thiết bị, và tính chất vật lý của môi chất từ đó giúp người thiết kế có thể tính toán chính xác hiệu suất của cả chu trình nhằm góp phần giải quyết các bài toán năng lượng cần thiết trong thời gian tới. Khi môi chất được làm lạnh càng cao đến mức có thể và nhiệt độ môi trường tốt thì hiệu suất chu trình càng được tăng cao đến mức tối đa. Tài liệu tham khảo [1] Bilal Masood, Malik Husnain Riaz and M. Yasir. Magnetohydrodynamics (MHD) Power Generating Technology. [2] Bilal Masood, Malik Husnain Riaz and M. Yasir. Integration of Magnetohydrodynamics (MHD) Power Generating Technology with Thermal Power Plants for Efficiency Improvement. World Applied Sciences Journal 32 (7): 1356-1363, 2014. [3] Khalil Raza, Analysis and operation of Magneto Hydro Dynamic (MHD) Generators, Graduate Project December 12th, 2012. [4] Hischier I, Leumann P, Steinfeld A, Development of a pressurized receiver for solar- driven gas turbines. ASME Journal of Solar Energy Engineering, Vol. 134, 021003, pp. 1- 8, 2012. [5] Harada N, Kien LC, Hishikawa M. Basic Studies on Closed Cycle MHD Power Generation System for Space Application. 35th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference 28 June-1 July 2004. Portland,Oregon. [6] Đỗ Huỳnh Thanh Phong. Nghiên cứu phân tích hệ thống phát điện từ thủy động lực với chu trình kết hợp. Báo cáo tháng 4/2013 tại trường đại học sư phạm kỹ thuật Tp.HCM. 8
9. 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.