(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chu trình kết hợp tuabin hơi nâng cao hiệu suất nhà máy điện MHD

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2015

Trần Hữu Nhật

ii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành với sự trân trọng và lòng biết ơn
sâu sắc đến các quý lãnh đạo nhà trường. Đặc biệt, em xin cám ơn Thầy TS. LÊ CHÍ
KIÊN, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp . HCM, đã tận tình hướng dẫn để em có
thể hoàn thành luận văn này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể q Thầy Cơ khoa Điện

–

Điê ̣n tử trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp . HCM đã tận tình , hết lịng giúp đỡ và tạo
mọi điều kiện cho em trong thời gian học tập và thực hiện luận văn .
Xin cảm ơn gia đình , bạn bè đã luôn động viên , ủng hộ và giúp đỡ trong suốt
thời gian học tập và hoàn thành luận văn này.
Một lần nữa, em xin kính chúc quý thầy cơ, bạn bè và gia đình ln hạnh phúc
và tràn đầy sức khỏe./.

Học viên thực hiện

Trần Hữu Nhật

iii


TÓM TẮT
Việt nam là một quốc gia đang phát triển về kinh tế nên nhu cầu năng lƣợng
cũng ngày càng phát triển theo trong đó phải kể đến năng lƣợng điện. Nguồn nhiên liệu
hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Các nguồn năng lƣợng sạch nhƣ: năng lƣợng gió, năng
lƣợng mặt trời, năng lƣợng địa nhiệt,… Các nguồn năng lƣợng này đang đƣợc nghiên
cứu và đầu tƣ ứng dụng trên nhiều nƣớc trên thế giới và ở nƣớc ta. Trong tƣơng lai nó
có thể thay thế hồn tồn cho nguồn năng lƣợng hóa thạch. Để có thể đáp ứng đƣợc
nhu cầu điện năng, đồi hỏi ngƣời ta phải tìm cách nâng cao hiệu suất các nhà máy điện
và tận dụng các nguồn năng lƣợng mới. Một trong những phƣơng pháp nhằm nâng cao
hiệu suất nhà máy điện là dùng chu trình kết hợp thay thế cho chu trình đơn đã đƣợc
phân tích và báo cáo rất nhiều tại các hội thảo. Nhiệm vụ luận văn này là phân tích chu
trình kết hợp gồm máy phát điện từ thủy động lực (MHD) dạng đĩa và phát ra điện
năng W1, nguồn nhiệt năng còn lại sau ra khỏi máy phát MHD kết hợp với nguồn nhiệt
mặt trời đƣợc đƣa vào chu trình tuabin khí và phát ra điện năng W2, nguồn nhiệt sau
khi ra khỏi tuabin khí vẫn cịn rất cao đƣợc đƣa vào chu trình tuabin hơi và phát ra điện
năng W3. Các kết quả tính tốn mơ phỏng trong luận văn này cho thấy rằng hiệu suất
chu trình kết hợp đƣợc nâng lên đáng kể so với chu trình kết hợp khác hoặc chu trình
đơn đã đƣợc nghiên cứu trƣớc đây.

iii


ABSTRACT
Vietnam is a developing country where it demands the growth of the economy
energy which includes electrical energy. Fossil fuels are running out. Clean energy
sources such as wind energy, solar energy, geothermal energy, etc. The source of this
energy is being invested in research and applications in many countries and in our

country. In the future, it can completely replace fossil energy sources. In order to meet
electricity demand, which requires people to find ways to improve the efficiency of
power plants and make use of new energy sources. One of the methods to improve
power plant efficiency is to use combined cycle alternative with single cycle. This
method was analyzed and reported a lot in the seminar. The task of this essay is to
analyze the combined cycle generator consists of magnetohydrodynamic (MHD) disc
and emits power W1, remaining heat source after MHD generator combined with solar
heat source is included in the gas turbine cycle and emits power W2, after the heat
source from the gas turbine is still highly used, it is put into the steam turbine cycle and
emits power W3. The results of the simulation calculations in this thesis shows that
combined cycle performance is improved substantially compared with other combined
cycle or single cycle has been studied previously.

v


MỤC LỤC
Trang
LÝ LỊCH KHOA HỌC ........................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... iii
TÓM TẮT .......................................................................................................................... iv
ABSTRACT .........................................................................................................................v
MỤC LỤC .......................................................................................................................... vi
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHƢ̃ VIẾT TẮT ...................................................... vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH .............................................................................................. viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ............................................................................................... ix

Chƣơng 1. TỒNGQUAN ...................................................................................................3
1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ..................................................................................3

1.2 CÁC VẤN ĐỀ ĐÃ ĐƢỢC NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT ĐỀ TÀI ...........................4
1.3 NHIÊM
̣ VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ...................................................................5
1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU .............................................................................................6
1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CƢ́U ..................................................................................6
1.6 CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH.............................................................................................6
1.7 ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI ..............................................................................................6
1.8 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................7
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................................8
2.1 KHÁI NIỆM VỀ TỪ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC...........................................................8
2.2 MÁY PHÁT TƢ̀ THỦY ĐỘNG LƢ̣C HỌC .................................................................9
2.3 CÁC LOẠI MÁY PHÁT .............................................................................................10
2.3.1 Máy phát Faraday ..........................................................................................10
2.3.2 Máy phát Hall ..............................................................................................11
2.3.3 Máy phát dạng đĩa .......................................................................................12
2.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT MHD ............................................12
2.5 HỆ THỐNG MHD DÙNG THAN .............................................................................14
vi


2.6 HIỆU SUẤT ĐIỆN ......................................................................................................15
2.7 HIỆU SUẤT CỦA MÁY PHÁT .................................................................................17
2.8 MÁY NÉN ...................................................................................................................17
2.9 CHU TRÌNH MHD ......................................................................................................18
2.10 HỆ THỐNG NHIỆT MẶT TRỜI ..............................................................................19
2.10.1 Nhà máy điện thu nhiệt mặt trời dạng máng parabol ...............................19
2.10.2 Nhà máy điện thu nhiệt mặt trời dạng tháp ..............................................23
2.10.3 Nhà máy điện thu nhiệt mặt trời dạng đĩa ................................................27
2.10.4 Nhà máy điện thu nhiệt mặt trời dạng ống khói.......................................28
Chƣơng 3. PHÂN TÍCH CHU TRÌNH ..........................................................................31

3.1 HỆ THỐNG MHD DỰA TRÊN CHU TRÌNH KẾT HỢP ........................................31
3.2 CHU TRÌNH RANKINE .............................................................................................33
3.3 XÂY DỰNG CHU TRÌNH MHD - TUABIN HƠI .....................................................34
3.4 PHÂN TÍCH CÁC KHỐI TRONG CHU TRÌNH .......................................................37
3.4.1 Phân tích máy phát điện MHD ....................................................................37
3.4.2 Phân tích bộ gia nhiệt từ mặt trời ................................................................39
3.4.3 Phân tích thiết bị làm lạnh ...........................................................................40
3.4.4 Phân tích máy nén .......................................................................................40
3.4.5 Phân tích tuabin khí .....................................................................................42
3.4.6 Phân tích chu trình hơi ................................................................................43
3.5 TÍNH ENTROPY .........................................................................................................45
Chƣơng 4. TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG CÁC THƠNG SỐ CHU TRÌNH ...........47
4.1 BÀI TỐN 1 ................................................................................................................47
4.1.1 Dữ liệu ban đầu ...........................................................................................47
4.1.2 Kết quả tính tốn .........................................................................................48
4.1.3 Hiệu suất chu trình ......................................................................................49
4.1.4 So sánh kết quả ............................................................................................50
4.1.5 Kết quả tính tốn khi T3=2100°K................................................................50
4.1.6 Kết quả tính tốn khi T3=2400°K................................................................52
4.1.7 So sánh kết quả ............................................................................................53
4.2 BÀI TOÁN 2 ................................................................................................................55
4.2.1 Dữ liệu ban đầu ...........................................................................................55
4.2.2 Kết quả tính tốn T6=350°K .......................................................................56
4.2.3 Kết quả tính tốn T6=400°K ........................................................................58
4.2.4 Nhận xét kết quả đạt đƣợc bài toán 2 ..........................................................59
4.3 NHẬN XÉT HAI BÀI TOÁN .....................................................................................61
vi


Chƣơng 5. KẾT LUẬN ....................................................................................................62

5.1 KẾT LUẬN ..................................................................................................................62
5.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .......................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................64
PHỤ LỤC ..........................................................................................................................66

vi


DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
MHD: magnetohydrodynamic
u: thành phần vận tốc
E: điện trƣờng
B: từ trƣờng (T)
U: nội năng chất khí
J: mật độ dịng điện

 : điện dẫn suất
 :tổng điện trƣờng và suất điện động của từ trƣờng quay
w: tần số cyclotron
pe: áp suất electron
Te: nhiệt độ electron

 : khối lƣợng riêng
d: đạo hàm
R: hằng số chất khí (R=k/m)

 : độ nhớt
h: enthalpy
A: tiết diện
M: khối lƣợng lƣu chất

W: điện năng
K: hệ số tải(K=E/uB)

 e : hiệu suất điện
 g : hiệu suất máy phát

 p : hiệu suất polytropic

vii


v: vectơ vận tốc
Qi: nhiệt lƣợng tại nút thứ i (MW)
Ti: nhiệt độ tại nút thứ i (oK)
Pi : Áp suất tại nút thứ i (at).
Cp : Nhiệt dung riêng của chất khí (J/KgK).
 : Hệ số nhiệt của chất khí.

 : Hiệu suất.

Q : Tổn thất nhiệt lƣợng.
C :

Tỉ số nén của máy nén.

 S : Tỉ số nén của tầng nén.

N : Tầng số nén.
To: Tỉ số nhiệt độ ra- vào máy nén.
Ts: Tỉ số nhiệt độ ra- vào tầng nén.

Tt: Tỉ số nhiệt độ ra- vào tuabin.
Tts: Tỉ số nhiệt độ ra- vào tuabin hơi.
 t : Tỉ số áp suất ra- vào tuabin.
 tS :

Tỉ số áp suất ra- vào tuabin hơi.

G : Lƣu lƣợng của chất khí qua máy phát MHD.
T : Độ chênh lệch nhiệt độ.
PMHD : Điện năng ra khỏi máy phát MHD.
PC : Năng lƣợng máy nén cần.
Pion : Năng lƣợng cần thiết để ion hóa chất khí.
W1 : Điện năng lên lƣới sau chu trình MHD.
W2 : Điện năng lên lƣới sau chu trình Brayton (tuabin khí).
W3 : Điện năng lên lƣới sau chu trình Rankine (tuabin hơi).
Tref : Nhiệt độ lấy mẫu (°K).
Pref : Áp suất lấy mẫu (at).
Si : Entropy.

vii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống phát điện MHD chu trình kín. .........................................4
Hình 1.2: Hệ thống phát điện MHD kết hợp tuabin khí. ..............................................5
Hình 2.1: Cấ u ta ̣o máy phát điê ̣n MHD .......................................................................8
Hình 2.2: Nguyên lý cơ bản của máy phát MHD...................................................10
Hình 2.3: Máy phát Faraday. ....................................................................................11
Hình 2.4: Máy phát Hall.........................................................................................11

Hình 2.5: Máy phát dạng đĩa ..................................................................................12
Hình 2.6: Sơ đồ mạch của nhà máy MHD. ............................................................15
Hình 2.7: Máy nén ly tâm.......................................................................................17
Hình 2.8: Máy nén dịng chảy dọc trục ..................................................................18
Hình 2.9: Cấu tạo nhà máy điện dạng hình máng parabol. ....................................19
Hình 2.10: Bộ thu ánh sáng năng lƣợng mặt trời. ......................................................20
Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động ............................................................................21
Hình 2.12: Nhà máy điện đảm bảo cung cấp điện cả ngày với sự hỗ trợ của bồn
nhiệt ........................................................................................................................22
Hình 2.13: Loại bình chứa khơng áp suất. .............................................................24
Hình 2.14: Nhà máy điện với bình chứa áp suất. ...................................................25
Hình 2.15: Năng lƣợng mặt trời dạng tháp kết hợp chu trình Brayton-Rankine ...25
Hình 2.16: Nhà máy điện ở Almeria, Tây Ban Nha...............................................26
Hình 2.17: Nhà máy 10 kW ở Almeria Tây Ban Nha ............................................28
Hình 2.18: Nhà máy điện thu nhiệt mặt trời dạng ống khói ..................................30
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống MHD dựa trên chu trình kết hợp. .................................31
Hình 3.2: Chu trình rankine.. .................................................................................33

vii


Hình 3.3: Đồ trị T-S của chu trình Rankine. ..........................................................33
Hình 3.4: Hệ thống MHD kết hợp tuabin hơi.. ......................................................35
Hình 4.1: Đồ thị T-S với T3=1800°K .....................................................................49
Hình 4.2: Đồ thị T-S với T3=2100°K. ....................................................................51
Hình 4.3: Đồ thị T và S với T3=2400°K ................................................................53
Hình 4.4: Biểu đồ thể hiện quan hệ giữa hiệu suất chu trình và nhiệt độ vào máy
phát MHD (T3) .......................................................................................................54
Hình 4.5: Đồ thị T-S với T6=350°K . .....................................................................57
Hình 4.6: Đồ thị T-S với T6=400°K. ......................................................................59

Hình 4.7: Đồ thị T-S của chu trình với T6=300°K(xanh dƣơng), 350°K
(xanh lục), 400°K(đỏ) .............................................................................................60
Hình 4.8: Biểu đồ thể hiện quan hệ giữa hiệu suất chu trình và nhiệt độ vào máy
nén (T6)....................................................................................................................60

vii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 4.1: Dữ liệu ban đầu bài tốn 1. ....................................................................47
Bảng 4.2: Kết quả tính tốn với T3=1800°K. .........................................................48
Bảng 4.3: Kết quả tính tốn với T3=2100°K. .......................................................50
Bảng 4.4: Kết quả tính tốn với T3=2100°K. .........................................................52
Bảng 4.5: Dữ liệu ban đầu bài tốn 2. ....................................................................55
Bảng 4.6: Kết quả tính tốn với T6=350°K ............................................................56
Bảng 4.7: Kết quả tính tốn với T6=400°K ............................................................58

ix


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS Lê Chí Kiên

Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Việt nam là một quốc gia đang phát triển về kinh tế nên nhu cầu năng lƣợng cũng

ngày càng phát triển theo trong đó phải kể đến năng lƣợng điện. Để có thể đáp ứng đƣợc nhu
cầu điện năng, Chính phủ Việt Nam đã đề ra mục tiêu cụ thể về sản xuất và nhập khẩu cho
ngành điện. Trong giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030 các mục tiêu bao gồm: Sản xuất và
nhập khẩu tổng cộng 194-210 tỉ kWh đến năm 2015, 330-362 tỉ kWh năm 2020, và 695-834
tỉ kWh năm 2030. Đẩy nhanh chƣơng trình điện khí hố nơng thơn miền núi đảm bảo đến
năm 2020 hầu hết số hộ dân nơng thơn có điện. Đa dạng hoá các nguồn sản xuất điện nội địa
bao gồm các nguồn điện truyền thống (nhƣ than và ga) và các nguồn điện mới (nhƣ Năng
lƣợng tái tạo và điện nguyên tử), phát triển cân đối công suất nguồn trên từng miền: Bắc
Trung và Nam, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện trên từng hệ thống điện miền nhằm giảm
tổn thất truyền tải, chia sẻ công suất nguồn dự trữ và khai thác hiệu quả các nhà máy thuỷ
điện trong các mùa, phát triển nguồn điện mới đi đôi với đổi mới công nghệ các nhà máy
đang vận hành, đa dạng hố các hình thức đầu tƣ phát triển nguồn điện nhằm tăng cƣờng
cạnh tranh nâng cao hiệu quả kinh tế.
Các nguồn năng lƣợng sạch nhƣ: năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng địa
nhiệt,… Các nguồn năng lƣợng này đang đƣợc nghiên cứu và đầu tƣ ứng dụng trên nhiều
nƣớc trên thế giới và ở nƣớc ta, và trong tƣơng lai nó có thể thay thế hồn tồn cho nguồn
năng lƣợng hóa thạch nhƣng giá thành cịn cao nên năng lƣợng hóa thạch vẫn là nguồn năng
lƣợng chiếm thế mạnh ở nƣớc ta.
Cơ cấu các nguồn điện cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030, Nguồn điện quan
trọng nhất vẫn là than và nhiệt điện. Nguồn năng lƣợng hóa thạch, món quà cực kỳ quý báu
của thiên nhiên ban tặng cho con ngƣời đang ngày một cạn kiệt. Do đó việc sử dụng tốt
nguồn nhiệt là vô cùng quan trọng để nâng cao hiệu suất nhà máy điện. Từ đó đề tài này sẽ

HVTH: Trầ n Hƣ̃u Nhâ ̣t

3


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS Lê Chí Kiên

nghiên cứu chu trình kết hợp tuabin hơi nâng cao hiệu suất nhà máy điện MHD
(Magnetohydrodynamics).
1.2 CÁC VẤN ĐỀ ĐÃ ĐƢỢC NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT ĐỀ TÀI
Trong các nghiên cứu về hệ thống phát điện MHD thì có rất nhiều nghiên cứu đã
đƣợc cơng bố, trong đó có nghiên cứu [1] 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 đƣợc 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 lị phản ứng hạt nhân với nhiệt độ cao và không gây ô nhiễm môi
trƣờng.

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống phát điện MHD chu trình kín.
Tất cả các hệ thống phát điện MHD có thể đƣợc nghiên cứu phát triển để đạt hiệu quả
cao hơn trong sản xuất điện năng với ƣu điểm hiệu suất đƣợc nâng cao lên, không ô nhiễm
môi trƣờng, cơng suất điện lên lƣới cao hơn. Điển hình là nghiên cứu [3] của Đỗ huỳnh

HVTH: Trầ n Hƣ̃u Nhâ ̣t

4


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS Lê Chí Kiên

thanh phong đã đƣợc báo cáo tại trƣờng đại học sƣ 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.

Qin

Nguồn
nhiệt

ION

3

Điện lên
lưới

4

W1

MHD
Điều phối
2A

Trao
đổi
nhiệt

2

Điện lên
lưới

W2

5

1

Làm lạnh

Máy nén
Máy
phát

6
tuabin khí

Động
cơ

Hình 1.2: Hệ thống phát điện MHD kết hợp tuabin khí.

Lƣợng nhiệt sau khi qua tuabin khí vẫn cịn 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 đƣợc nghiên cứu để nâng cao sản xuất điện năng lên lƣới và
hiệu suất toàn nhà máy.
1.3 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
 Nghiên cƣ́u nguyên lý phát điện của từ thủy động lực học .
 Nghiên cƣ́u nhƣ̃ng thành phầ n trong chu trình phát điện MHD kết hợp tuabin

HVTH: Trầ n Hƣ̃u Nhâ ̣t

hơi.

5


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS Lê Chí Kiên

 Phân tích q trình truyền nhiệt của chu trình, tính tốn, mơ phỏng từ đó tính hiệu
suất của nhà máy điện MHD-tuabin hơi.
 Đề tài chỉ phân tích, tính tốn và mơ phỏng trên mơ hình số, khơng có đủ điều kiện
để thực nghiệm, chủ yếu là phân tích q trình truyền nhiệt, khơng phân tích về cấu
tạo MHD.
1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU
 Nghiên cƣ́u nguyên lý phát điện của từ thủy động lực học , nhƣ̃ng thành phầ n trong
chu trình phát điện MHD kết hợp tuabin hơi, phân tích quá trình truyền nhiệt của
chu trình, tính tốn, mơ phỏng từ đó tính hiệu suất của nhà máy điện MHD.
1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CƢ́U


Thu thâ ̣p, đo ̣c hiể u nhƣ̃ng tài liệu , nhƣ̃ng bài báo trong nƣớc và quố c tế , nhƣ̃ng
tài liệu từ internet liên quan.



Phân tích, tổ ng hơ ̣p.

1.6 CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH
 Thu thâ ̣p, chọn lọc, đo ̣c hiể u nhƣ̃ng tài liê ̣u liên quan.

 Nghiên cƣ́u, phân tích nhƣ̃ng da ̣ng chu trình, nhƣ̃ng thành phầ n chu trình.
 Xây dƣ̣ng chu trình, phân tích, tính tốn và mơ phỏng thơng số chu trình.
1.7 ĐIỂM MỚI CỦ A ĐỀ TÀ I
 Phân tić h nhƣ̃ng thành phần ảnh hƣởng đế n chu trình làm việc.
 Tính tốn hiệu suất chu trình tuabin hơi từ đó đề xuất giải pháp nâng cao hiệu
suất nhà máy.

HVTH: Trầ n Hƣ̃u Nhâ ̣t

6


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS Lê Chí Kiên

1.8 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
 Kế t quả đề tài nghiên cƣ́u có thể áp du ̣ng cho công tác nghiên cƣ́u

nâng cao

hiệu suất nhà máy điện MHD - tuabin hơi.
 Tài liệu và kết quả nghiên cứu có thể đƣợc phục vụ nghiên cứu ở mức độ cao
hơn.

HVTH: Trầ n Hƣ̃u Nhâ ̣t

7

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS Lê Chí Kiên

Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 KHÁI NIỆM VỀ TỪ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC
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 thƣờng có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao và khơng cần có các chi tiết
phải bơi trơn. Khí thải của các hệ thống nhƣ vậy thƣờng là các plasma nóng có thể tái sử
dụng để cung cấp nhiệt cho hệ thống nhiệt điện truyền thống (nhƣ máy phát điện hơi
nƣớc).
Trong các máy phát điện từ thủy động học, chuyển động của dòng chất dẫn điện
hoặc plasma đƣợc sử dụng để tạo ra dòng điện. Mặc dù đã đƣợc phát triển để sử dụng cho
các nguồn nhiên liệu hóa thạch thơng dụng để cung cấp nhiệt năng cho hoạt động, những
phƣơng pháp phát điện truyền thống hiện vẫn chiếm ƣu thế do công nghệ rẻ hơn[13].
Về mă ̣t nhiê ̣t đô ̣ng lƣ̣c ho ̣c các máy phát điê ̣n tƣ̀ thủy đô ̣ng lƣ̣c thƣờng hoa ̣t đô ̣ng
theo chu kỳ Brayton và có hiê ̣u suấ t tƣơng đƣơng với chu trin
̀ h carnot trong điề u kiê ̣n lý
tƣởng. Hiê ̣u suấ t của MHD phu ̣ thuộc vào chênh lê ̣ch nhiê ̣t đô ̣ giƣ̃a nguồ n nóng và nguồ n
lạnh.

Hình 2.1: Cấu tạo máy phát điện MHD.

HVTH: Trầ n Hƣ̃u Nhâ ̣t

8

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS Lê Chí Kiên

MHD có mô ̣t vai trò to lớn trong viê ̣c nâng cao hiê ̣u suấ t của mô ̣t nhà máy điê ̣n
nhiên liê ̣u hóa tha ̣ch , chấ t bán dẫn trong MHD có thể là kim loa ̣i lỏng hoă ̣c khí làm viê ̣c ở
nhiê ̣t đô ̣ rấ t cao lên đế n 30000K trong khi với máy phát điê ̣n th ông thƣờng tuabin hơi chỉ
làm việc với nhiệt độ khoảng

10000K. Về mặt hiệu suất cũng vậy nếu máy phát điện

tuabin hơi thƣờng có hiê ̣u suấ t khoảng 40% thì khi kết hợp máy phát MHD nâng hiệu suất
đó lên đế n 60%.
2.2 MÁY PHÁT TƢ̀ THỦ Y ĐỘNG LƢ̣C HỌC
Máy phát điện từ thủy động lực học (MHD) là một thiết bị sử dụng các nguyên tắc
từ thủy động lực học để tạo ra điện năng trực tiếp từ khí. Trong máy phát điện, khí nóng
đƣợc đƣa qua một từ trƣờng mạnh, một cặp tấm thu electron từ khí bị ion hóa.
Q trình phát MHD dựa trên định luật cảm ứng điện từ của Faraday. Nhƣ vậy,
máy phát điện từ thủy động lực tạo ra nhiệt năng hoặc động năng của một chất lỏng
chuyển thành năng lƣợng điện trực tiếp. Ví dụ về các loại chất lỏng đó nhƣ khí bị oxy hóa,
plasma, kim loại lỏng và nƣớc biển. Máy phát điện MHD khác với máy phát điện thơng
thƣờng ở chỗ chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao mà khơng có bộ phận truyền
động[14].
Từ năm 1970, một số nƣớc đã thực hiện chƣơng trình nghiên cứu MHD với sự nhấn
mạnh đặc biệt vào việc sử dụng than làm nhiên liệu. Nhà máy điện MHD cung cấp điện
năng cho phát điện quy mô lớn với giảm tác động về môi trƣờng. Máy phát điện MHD
cũng rất thu hút cho việc sản xuất các xung năng lƣợng điện lớn.
Phù hợp với chất lỏng làm việc và nguồn nhiệt đƣợc mong đợi, máy phát MHD thì
đặc biệt với: chu trình hở máy phát MHD hoạt động trên sản phẩm đốt cháy của nhiên liệu

hóa thạch khác; chu trình kín máy phát điện MHD làm việc trên khí hiếm, và máy phát
điện MHD kim loại lỏng và chất lỏng làm việc trên các nguồn tái sinh. Các loại chính của
các hệ thống MHD là hệ thống MHD đốt than, khí đốt tự nhiên nhƣ một nguồn nhiên liệu
hóa thạch. Lị phản ứng hạt nhân thơng thƣờng có thể sử dụng hydrogen, hoặc khí trơ nhƣ

HVTH: Trầ n Hƣ̃u Nhâ ̣t

9


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS Lê Chí Kiên

argon hoặc helium, nhƣ là chất lỏng làm việc, nhƣng chúng hoạt động ở nhiệt độ quá thấp
để sản xuất nhiệt ion hóa dùng trong máy phát MHD.

Hình 2.2: Nguyên lý cơ bản của máy phát MHD.
2.3 CÁC LOẠI MÁY PHÁT
2.3.1 Máy Faraday
Trong máy Faraday, từ trƣờng đƣợc đặt vng góc với dịng chảy của chất lỏng
dẫn điện. Dƣới tác động của lực Lorentz, các điện tích sẽ đƣợc tích tụ trên các thành ống
dẫn, vng góc với từ trƣờng và chiều dịng chảy. Tại thành ống, có thể đặt các điện cực
để thu những điện tích này. Cơng suất của máy phát tỷ lệ với tiết diện ống dẫn và tốc độ
dòng chảy. Khi điện năng đƣợc thu, dòng chảy sẽ chảy chậm lại và nguội đi. Thơng
thƣờng nhiệt độ của dịng chảy sau khi đi qua máy phát sẽ bị giảm từ nhiệt độ plasma
xuống khoảng 1000°C.
Nhƣợc điểm của máy Faraday là hiệu suất khơng cao, do thất thốt điện năng trên
các điện cực, đặc biệt là thất thoát do hiệu ứng Hall [2,10].

HVTH: Trầ n Hƣ̃u Nhâ ̣t

10


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS Lê Chí Kiên

Hình 2.3: Máy phát Faraday.

2.3.2 Máy hall
Máy Hall sử dụng hiệu ứng Hall để tạo ra dòng điện chạy cùng với dòng chảy. Các
dãy điện cực ngắn đƣợc đặt vng góc với dịng chảy và từ trƣờng ngồi, dọc hai bên dịng
chảy. Điện cực ở đầu nguồn và điện cực ở cuối dòng chảy sẽ đƣợc nối ra mạch điện ngoài
để cung cấp điện năng. Mỗi điện cực còn lại đƣợc nối với một điện cực đối diện dọc theo
dòng chảy, và dòng điện cảm ứng (theo nguyên lý của máy Faraday nêu trên, gọi là dòng
điện Faraday) sẽ chạy trên các đoạn nối này, tạo nên từ trƣờng rất mạnh trong dòng chảy,
dòng chảy chạy theo đƣờng uốn cong dọc theo ống.
Thiết kế này có hiệu suất cao hơn máy Faraday, nhƣng hiệu suất phụ thuộc nhiều
vào tải bên ngoài. Hiệu suất trung bình của các loại máy này vào cỡ 17% (chƣa tính đến
việc tái sử dụng nhiệt năng của khí thải)[2,10].

Hình 2.4: Máy phát Hall.

HVTH: Trầ n Hƣ̃u Nhâ ̣t

11

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS Lê Chí Kiên

2.3.3 Máy phát dạng đĩa
Trong máy dạng đĩa, dòng chảy của chất lƣu dẫn điện chảy ra từ tâm một chiếc đĩa,
theo đƣờng bán kính của đĩa, đến vành ngồi của đĩa, nơi có các ống dẫn đi. Từ trƣờng
đƣợc tạo ra bởi các cuộn Helmholtz nằm phía trên và phía dƣới đĩa. Dịng điện Faraday
chạy theo chiều vịng quanh rìa của đĩa. Dòng điện của hiệu ứng Hall chạy giữa vòng điện
cực nằm ở gần tâm đĩa và vòng điện cực nằm ở ngồi rìa đĩa.
Máy dạng đĩa có hiệu suất rất cao, và máy có thể đƣợc thiết kế nhỏ gọn. Năm 1994,
Viện kỹ thuật Tokyo đã chế tạo đƣợc máy dùng đĩa có hiệu suất 22%[2].

Hình 2.5: Máy phát dạng đĩa.
2.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT MHD
Theo định luật cảm ứng của Faraday, khi một vật dẫn điện đƣợc di chuyển để cắt
các đƣờng cảm ứng từ, các hạt điện tích trong vật dẫn gặp một lực theo một hƣớng vng
góc với các trƣờng từ B và vận tốc của vật dẫn. Các điện tích âm có xu hƣớng di chuyển
theo một hƣớng và các điện tích dƣơng theo hƣớng ngƣợc lại. Điều này tạo ra điện trƣờng
hoặc suất điện động cung cấp cơ sở cho việc chuyển cơ năng thành điện năng. Trong một
máy phát điện MHD khí nóng hoặc chất lỏng đƣợc tăng tốc bởi một vòi phun và bơm vào
kênh. Một từ trƣờng mạnh đƣợc thiết lập trên tồn các kênh. Vì vậy, theo định luật cảm
ứng của Faraday, một điện trƣờng đƣợc thành lập rằng hoạt động theo một hƣớng vuông

HVTH: Trầ n Hƣ̃u Nhâ ̣t

12


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS Lê Chí Kiên

góc với các lƣu lƣợng khí và từ trƣờng. Các bức tƣờng của các kênh song song với từ
trƣờng dùng nhƣ các điện cực và cho phép máy phát điện cung cấp một dịng điện tới
mạch bên ngồi, đƣợc thể hiện trong hình 2.2[10,11].
Đối với máy phát từ thủy động lực học, vật dẫn rắn của một máy phát điện truyền
thống đƣợc thay thế bằng một vật dẫn lỏng. Các chất lỏng có thể là một kim loại lỏng hoặc
khí hiếm,… Trong một chu kỳ hở máy phát MHD, một loại nhiên liệu hóa thạch, đốt cháy
trong oxi hoặc khí nén đƣợc làm nóng trƣớc, đƣợc sinh ra với một phần tử của ion hóa
thấp (chẳng hạn nhƣ kali hoặc canxi). Sự tƣơng tác giữa chất lỏng thực hiện chuyển động
và đƣợc áp dụng các chất từ trƣờng mạnh qua nó tạo ra một suất điện động trên nguyên tắc
Faraday.
Sản lƣợng điện của một máy phát MHD cho mỗi mét khối thể tích kênh của nó là tỷ
lệ thuận với sản phẩm của độ dẫn điện khí, bình phƣơng của vận tốc khí, và bình phƣơng
của cƣờng độ từ trƣờng thơng qua các khí đi qua. Đối với máy phát điện MHD để hoạt
động cạnh tranh với hiệu suất tốt và kích thƣớc vật lí hợp lý, tính dẫn điện của plasma phải
ở trong một phạm vi nhiệt độ trên khoảng 18000K. Các cánh tuabin của một hệ thống điện
tuabin khí thì khơng thể hoạt động ở nhiệt độ này. Một giá trị thích hợp của độ dẫn điện từ
10 đến 50 Siemens mỗi mét có thể đạt đƣợc nếu thêm chất phụ gia, thông thƣờng khoảng
một phần trăm theo khối lƣợng, đƣợc bơm vào chất khí nóng. Phụ gia này là chất kiềm ion
hóa, nhƣ là cesium, kali cacbonat, hoặc natri. Sản lƣợng điện mỗi đơn vị thể tích chất lỏng
(W) đƣợc cho bởi:
W   Ku 2 B2

Trong đó :

σ = Độ dẫn điện
u = Tốc độ của chất lỏng
Β = mật độ từ thông

K là một hằng số.

HVTH: Trầ n Hƣ̃u Nhâ ̣t

13


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS Lê Chí Kiên

Trong một chu trình kín của hệ thống MHD, chất lỏng đƣợc tái tuần hồn liên tục
thơng qua một máy nén. Theo các lợi ích của chu trình hỗn hợp, các số lƣợng và công suất
đầu ra của chu kỳ nhƣ vậy đã tăng gần đây. Chu kỳ kết hợp hiệu quả cao hơn so với chu
kỳ Brayton hoặc Rankine đã làm cho chúng khá hấp dẫn để sản xuất điện. Dựa trên những
ƣu điểm và ít khí thải, nhà máy điện chu trình hỗn hợp đã đƣợc sử dụng rộng rãi trên toàn
thế giới.
2.5 HỆ THỐNG MHD DÙNG THAN
Hầ u hế t các nhà máy điê ̣n cha ̣y bằ ng than đã xây dƣ̣ng với giá cụ thể khác nhau , dao
đô ̣ng tƣ̉ 1000 đến 1500 USD/kWe. Thời gian xây dƣ̣ng khoảng bố n năm cho hầ u hế t các
nhà máy điện . Giá nhiên liệu (than đá , than nâu hoă ̣c lignite ) dùng cho các nhà máy điện
đƣơ ̣c giả đinh
̣ bởi sƣ̣ phản hồ i ƣ́ng với thời kỳ kinh tế khác nhau tùy thuô ̣c vào các quố c
gia.
Với laĩ suấ t chiế t khấ u 5%. Chi phí phát điê ̣n khoảng 25 đến 50 USD/MWh cho hầ u
hế t các nhà máy điê ̣n than đá . Thông thƣờng, giá đầu tƣ ít hơn một phần ba tổng số , trong
khi đó giá vận hành và bảo dƣỡng chiế m 20% và giá nhiên liệu chiếm 50%.
Với laĩ suấ t chiế t khấ u 10%, các chi phí phát điện chuẩn của hầu hết các nhà máy
chạy than dao động khoảng từ 35 đến 60 USD/MWh. Giá đầ u tƣ kho ảng 50% trong hầ u
hế t các trƣờng hơ ̣p . Giá vận hành và bảo dƣỡng chiế m 15% tổ ng số và giá nhiên liê ̣u

chiế m 35%.
Trong than đốt đƣợc sử dụng đốt tinh khiết oxy và tái chế CO2 nhƣ một chất ơxi hóa.
Hầu hết CO2 tinh khiết ở nhiệt độ cao là thu đƣợc. Để tăng tính dẫn điện, khí đốt này đƣợc
tách bằng các phƣơng pháp của kali cacbonat. Sau đó nó giãn nở trong kênh MHD. Một
phần nhiệt của khí cịn lại trong kênh, đƣợc sử dụng để làm ấm lên những chất ôxy hóa
trong một bộ trao đổi nhiệt cao, sau đó khí đƣợc bơm vào nồi hơi và chuyển năng lƣợng
nhiệt còn lại đến một chu trình hơi thơng thƣờng. Nó cũng đƣợc gọi là nhà máy kết hợp.
Các nhà máy điện MHD - chu trình hơi có thể làm tăng hiệu suất lên đến 50-60%, trong đó

HVTH: Trầ n Hƣ̃u Nhâ ̣t

14


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS Lê Chí Kiên

sẽ cho kết quả tiết kiệm nhiên liệu khoảng 35%. Nếu các nhà máy điện than mới đƣợc xây
dựng và phát thải CO2 có thể đƣợc giảm thiểu thì đó là khả năng thiết lập nhà máy đốt than
MHD trong tƣơng lai gần[5].

Than
1

Seed

2

3

4

4
Mạch vịng
CO2

5

Chu trình
hơi
9

Oxygen

6
11
8

10

8

8

7

CO2 đã xử lý
Dung dịch CO2
12

Hình 2.6: Sơ đồ mạch của nhà máy MHD.
2.6 HIỆU SUẤT ĐIỆN
Định luật Ohm: j   (E vB)
trong đó:

 : Độ dẫn điện
E: Điện trƣờng
v: Vận tốc dòng
B: Từ trƣờng
j : Mật độ dòng điện ( A / m2 )

HVTH: Trầ n Hƣ̃u Nhâ ̣t

15