(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu hệ thống phát điện từ thủy động lực (mhd) sử dụng năng lượng địa nhiệt với chu trình kết hợp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÂM HỮU DŨNG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ÐIỆN TỪ THỦY ÐỘNG LỰC
(MHD) SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG ÐỊA NHIỆT
VỚI CHU TRÌNH KẾT HỢP

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 5 9 5 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2018

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÂM HỮU DŨNG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TỪ THỦY ĐỘNG LỰC
(MHD) SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT
VỚI CHU TRÌNH KẾT HỢP

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2018

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÂM HỮU DŨNG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TỪ THỦY ĐỘNG LỰC
(MHD) SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT
VỚI CHU TRÌNH KẾT HỢP

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS LÊ CHÍ KIÊN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2018

Luan van


Luan van

Luận Văn

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ và tên: Lâm Hữu Dũng
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 20 – 07 – 1979
Nơi sinh: Quảng Nam
Quê quán: Quảng Nam
Dân tộc: Kinh
Chổ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 1500/15B, Đơng Thành, Tân Đơng Hiệp, Dĩ
An, Bình Dương
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại riêng: 0909196793
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: VLVH
Thời gian đào tạo từ 10/2006 đến 05/2010
Nơi học: Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh
Ngành học: Điện cơng nghiệp
Năm tốt nghiệp: 2010
2. Cao học:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 10/2016 đến 4/2018
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: Nghiên Cứu Hệ Thống phát điện Từ Thủy Động

Lực (MHD) Sử Dụng Năng Lượng địa nhiệt với chu trình kết hợp.
Thời gian & nơi bảo vệ Luận văn: Tháng 4 năm 2018, tại Đại Học Sư Phạm
Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Chí Kiên

HVTH: Lâm Hữu Dũng

i

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

09/2010

Công Ty Lưới Điện Cao Thế

Điều hành viên trạm biến

đến nay

HVTH: Lâm Hữu Dũng

TPHCM

ii

Luan van

áp 220KV

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

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 chưa từng được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 02 năm 2018
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lâm Hữu Dũng

HVTH: Lâm Hữu Dũng

iii

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy
PGS.TS. Lê Chí Kiên, học viên đã hồn thành luận văn đúng thời hạn và mục tiêu
đề ra ban đầu. Học viên xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS.
Lê Chí Kiên vì những kiến thức quý báu và các phương pháp nghiên cứu mà thầy
đã truyền đạt.
Học viên xin gửi lòng tri ân đến quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
Tp. Hồ Chí Minh đã trang bị cho học viên một lượng kiến thức rất bổ ích, đặc biệt
xin chân thành cảm ơn q thầy cơ Khoa Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện thuận lợi
và hỗ trợ cho học viên rất nhiều trong quá trình học tập cũng như trong thời gian
làm luận văn này.
Cuối cùng học viên xin gửi lời cám ơn đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã
giúp đỡ học viên và hỗ trợ học viên về mặt tinh thần để học viên hoàn thành luận
văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 02 năm 2018
Học viên thực hiện

Lâm Hữu Dũng

HVTH: Lâm Hữu Dũng

iv

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

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, địa nhiệt, sinh khối,…), 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. Bởi vậy, nguồn năng lượng tái tạo đang là xu hướng thiết thực và gần như vô
tận đang được xem là giải pháp tốt nhất ở thời điểm này. Trong đó địa nhiệt là
nguồn năng lượng vơ tận ít chịu ảnh hưởng của thời tiết đã được con người sử dụng
từ lâu chủ yếu là sưởi ấm. Với công nghệ hiện nay con người có thể sử dụng nguồn
nhiệt từ các giếng địa nhiệt để tạo ra điện bằng cách sử dụng hơi nóng làm quay
tuabin của máy phát. Nhưng hiệu suất các máy phát điện đó khơng cao do bị tổn
thất bởi các thành phần cơ khí chuyển động.
Cơng nghệ phát điện từ thủy động đã hình thành từ khá lâu, đã được nghiên cứu,
thử nghiệm và đưa vào sử dụng ở các quốc gia phát triển trên thế giới. Nó có ưu
điểm là phát điện trực tiếp từ năng lượng nhiệt của plasma (khí ion hóa) hoặc kim
loại lỏng có tính dẫn điện cao như Nak,…khi đi xuyên qua từ trường mạnh mà
không cần đến các thành phần cơ khí chuyển động. Đây là một phương pháp có
hiệu quả cao và độc đáo để phát điện. Nó được ứng dụng rộng rãi trong các chu
trình phát điện hỗn hợp để nâng cao hiệu suất của nhà máy điện.
Đề tài “Nghiên cứu hệ thống phát điện từ thủy động lực sử dụng năng lượng địa
nhiệt với chu trình kết hợp” đề xuất mơ hình hệ thống phát điện LMMHD kết hợp
năng lượng địa nhiệt sẽ tạo ra hiệu suất phát điện cao hơn các mơ hình địa nhiệt

điện truyền thống sử dụng tuabin. Kết quả là mơ hình đề xuất có hiệu suất phát điện
là 34,81% cao hơn hệ thống địa nhiệt truyền thống là 9,01% và hệ thống địa nhiệt
tuabin 2 cấp là 6,79%.

HVTH: Lâm Hữu Dũng

v

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

ABSTRACT
Electrical power is produced from power plants which uses fossil fuels (coal, oil,
gas etc.) or new energies: renewable energy (wind, solar, geothermal, 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. Therefore, renewable energy sources are practical trend and are
inexhaustible energy source is being seen as the best solution at this point. In which
geothermal energy is inexhaustible less affected by the weather and it was long used
mainly heating. Now people can use heat from geothermal wells to generate
electricity by using steam that turns a turbine's generator. But the efficiency of the
turbine generator is not higher due to losses by the moving mechanical components.
Magnetohydrodynamic technology has formed a long time ago, has been
studied, tested and put into use in developing countries around the world. The
electricity is directly extracted from thermal energy of plasma (ionized gas) or
Highly conductive liquid metals such as Nak which is passing through the strong

magnetic field without resorting to the mechanical motion components. This is a
highly effective method and unique for power generation.
Topic: “Research magnetohydrodynamic (MHD) generator system using
geothermal energy with combined cycle” will create higher power generation
efficiency models traditional geothermal plants use turbines. The result is the
performance of the proposed model is 34,81% higher than traditional geothermal
systems is 9,01% and geothermal turbine 2 level system is 6.79%.

HVTH: Lâm Hữu Dũng

vi

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
LÝ LỊCH KHOA HỌC ................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ iv
TÓM TẮT ................................................................................................................... v
ABSTRACT ............................................................................................................... vi

DANH SÁCH CÁC BẢNG ........................................................................................ x
DANH SÁCH CÁC HÌNH ........................................................................................ xi
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU KHOA HỌC ....................... xiii
Chương 1 TỔNG QUAN .......................................................................................... 1
1.1. Tổng quan về hướng nghiên cứu ................................................................. 1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................. 4
1.3. Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ của đề tài............................................... 6
1.4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 6
1.5. Phạm vi và giới hạn của đề tài .................................................................... 7
1.6. Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 7
1.7. Kết quả nghiên cứu...................................................................................... 8
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 9
2.1. Năng lượng địa nhiệt ................................................................................... 9
2.1.1. Tổng quan ............................................................................................. 9
2.1.2. Nguồn gốc hình thành ......................................................................... 11
2.1.3. Năng lượng địa nhiệt ở Việt Nam [2] ................................................. 13
2.1.4. Nhà máy điện địa nhiệt ....................................................................... 15
2.1.4.1. Nhà máy địa nhiệt điện Dry steam ............................................... 15
2.1.4.2. Nhà máy địa nhiệt điện Flash steam ............................................. 16
2.1.4.3. Nhà máy địa nhiệt điện Binary Cycle. ......................................... 17

HVTH: Lâm Hữu Dũng

vii

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

Luận Văn

2.2. Chu trình hơi nước (Rankine) [18] ............................................................ 20
2.2.1. Mô tả ................................................................................................... 20
2.3. Máy phát điện từ thủy động lực (MHD) ................................................... 26
2.3.1. Tổng quan [10] .................................................................................... 26
2.3.2 Các ngun lý cơ bản và phương trình tốn học [10].......................... 27
2.3.3. Quy trình hoạt động [10]. ................................................................... 29
2.3.4. Các mẫu máy phát điện MHD ............................................................ 30
2.3.4.1. Máy phát điện Faraday [12]. ........................................................ 30
2.3.4.2. Máy phát điện Hall [12]. .............................................................. 30
2.3.4.3. Máy phát điện đĩa [12]. ................................................................ 31
2.3.5. Lưu chất cho máy phát điện MHD hoạt động [4] ............................... 32
2.3.5.1. Khí ion hóa (Plasma) .................................................................... 32
2.3.5.2. Kim loại lỏng (Liquid Metal) ....................................................... 33
2.3.5.3. Máy phát MHD sử dụng kim loại lỏng ........................................ 33
2.3.6. Hệ thống MHD ................................................................................... 35
2.3.6.1 Hệ thống chu kì mở [20] ............................................................... 35
2.3.6.2. Hệ thống chu kì đóng [20] ............................................................ 37
2.3.7. Một số ưu điểm của máy phát điện MHD .......................................... 39
Chương 3 XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN LMMHD KẾT HỢP
NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT ................................................................................. 41
3.1. Mơ hình nhà máy địa nhiệt truyền thống .................................................. 41
3.1.1. Phân tích các khối trong mơ hình địa nhiệt truyền thống ................... 42
3.1.1.1. Máy tách kiểu xoáy ...................................................................... 42
3.1.1.2. Tháp giải nhiệt .............................................................................. 42
3.1.1.3. Bộ ngưng tụ .................................................................................. 43
3.1.2. Tính tốn hiệu suất hệ thống dựa trên chu trình năng lượng Rankine.43
3.2. Mơ hình nhà máy địa nhiệt tuabin 2 cấp ................................................... 45
3.3. Mơ hình nhà máy địa nhiệt sử dụng máy phát điện LMMHD .................. 48

3.4. Mơ hình nhà máy địa nhiệt – LMMHD kết hợp tuabin hơi nước ............. 49

HVTH: Lâm Hữu Dũng

viii

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

3.4.1. Phân tích các khối trong chu trình LMMHD ...................................... 51
3.4.1.1. Bộ trộn kim loại lỏng và hơi......................................................... 51
3.4.1.2. Phân tích máy phát MHD sử dụng kim loại lỏng NaK ................ 52
3.4.1.3. Bộ tách hơi và kim loại lỏng ........................................................ 53
3.4.1.4. Bơm áp suất khí vào buồng trộn................................................... 54
3.4.1.5. Bơm điện từ .................................................................................. 54
3.4.2. Tính tốn hiệu suất của chu trình LMMHD ....................................... 55
3.4.2.1. Phân tích nhiệt lượng trong chu trình LMMHD .......................... 55
3.4.2.2. Phân tích Entropy mẫu ................................................................. 55
3.4.3. Hiệu suất của hệ thống ........................................................................ 56
1

Chương 4 TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG CÁC THƠNG SỐ CỦA CÁC
CHU TRÌNH ..................................................................................................... 57
4.1. Tính tốn và mơ phỏng các thơng số của chu trình địa nhiệt truyền thống.57
4.1.1. Dữ liệu tính tốn: ................................................................................ 57
4.2.1. Dữ liệu tính tốn ................................................................................. 59

4.2.2. Kết quả tính tốn ................................................................................. 61
4.3. Tính tốn và mơ phỏng các thơng số của chu trình địa nhiệt – LMMHD và
so sánh với chu trình địa nhiệt truyền thống.......................................................... 62
4.3.1. Dữ liệu tính tốn ................................................................................. 62
4.3.2. Kết quả tính tốn ................................................................................. 63
4.4. Tính tốn và mơ phỏng các thơng số của chu trình địa nhiệt – LMMHD
kết hợp với tua bin hơi nước và so sánh với chu trình tương tự đã được cơng bố.64
4.4.1. Dữ liệu tính tốn ................................................................................. 64
4.4.2. Kết quả tính tốn: ................................................................................ 65

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI................... 67
5.1. Kết luận ..................................................................................................... 67
5.2. Hướng phát triển của đề tài ....................................................................... 68
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 71

HVTH: Lâm Hữu Dũng

ix

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 4.1. Dữ liệu tính tốn của chu trình địa nhiệt truyền thống ............................ 57
Bảng 4.2. Kết quả tính tốn thơng số của chu trình địa nhiệt truyền thống ............. 58
Bảng 4.3. Dữ liệu tính tốn của chu trình địa nhiệt tuabin 2 cấp ............................. 59
Bảng 4.4. Kết quả tính tốn thơng số của chu trình địa nhiệt tua bin 2 cấp ............. 61
Bảng 4.5. Dữ liệu tính tốn của chu trình địa nhiệt – LMMHD .............................. 62
Bảng 4.6. Kết quả tính tốn thơng số của chu trình địa nhiệt - LMMHD ................ 63
Bảng 4.7. Dữ liệu tính tốn của chu trình địa nhiệt – LMMHD kết hợp tua bin hơi
nước. ........................................................................................................ 64
Bảng 4.8. Kết quả tính tốn thơng số của chu trình địa nhiệt – LMMHD kết hợp tua
bin hơi nước ............................................................................................. 65

HVTH: Lâm Hữu Dũng

x

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1. Cơng suất lắp đặt nhà máy điện địa nhiệt trên thế giới [9]. ..................... 11
Hình 2.2. Cấu tạo và nhiệt độ từng lớp vỏ Trái Đất. ................................................ 12

Hình 2.3. Quá trình hình thành địa nhiệt từ sự di chuyển của các mảng vỏ trái đất.12
Hình 2.4. Các dạng biểu hiện của nguồn năng lượng địa nhiệt trên mặt đất. .......... 13
Hình 2.5. Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy địa nhiệt điện ......................... 15
Hình 2.6. Hệ thống Dry Steam [15]. ........................................................................ 16
Hình 2.7. Hệ thống Flash Steam [15]. ..................................................................... 17
Hình 2.8. Hệ thống Binary Cycle [15]. ................................................................... 18
Hình 2.9. Hệ thống Combined Cycle [16]............................................................... 19
Hình 2.10. sơ đồ khối mơ tả chu trình Rankine [17] ................................................ 20
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý của chu trình tuabin hơi (chu trình Rankine). ............. 21
Hình 2.12. Nhà máy điện hơi nước đơn giản hoạt động theo chu trình Rankine [18]22
Hình 2.13. Mơ hình xây dựng MHD đơn giản [10]. ................................................ 27
Hình 2.14. Mơ hình phát điện MHD đơn giản. ........................................................ 27
Hình 2.15: Lực Lorentz ............................................................................................ 28
Hình 2.16. Máy phát điện Faraday [19]. .................................................................. 30
Hình 2.17. Máy phát điện Hall [19]. ........................................................................ 31
Hình 2.18. Máy phát điện đĩa [19] ........................................................................... 32
Hình 2.19. Kim loại lỏng NaK ở nhiệt độ phịng [4] ............................................... 33
Hình 2.20. Cấu hình hệ thống phát điện LMMHD EC OMACON [4] .................... 34
Hình 2.21. Sơ đồ hệ thống phát điện MHD chu kì mở............................................. 37
Hình 2.23. Hệ thống phát điện MHD chu kì đóng sử dụng kim loại lỏng kết hợp với
máy phát điện hơi nước ........................................................................... 39
Hình 3.1. Mơ hình địa nhiệt truyền thống ................................................................ 41
Hình 3.2. Máy tách kiểu xốy .................................................................................. 42

HVTH: Lâm Hữu Dũng

xi

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

Hình 3.3. Tháp giải nhiệt .......................................................................................... 42
Hình 3.4. Bình ngưng ............................................................................................... 43
Hình 3.5. Sơ đồ đơn giản của chu trình tuabin hơi nước ......................................... 43
Hình 3.6. Mơ hình nhà máy địa nhiệt tuabin 2 cấp .................................................. 45
Hình 3.7. Sơ đồ đơn giản của chu trình tuabin 2 cấp ............................................... 46
Hình 3.8. Mơ hình nhà máy địa nhiệt điện - LMMHD ............................................ 48
Hình 3.9. Mơ hình nhà máy địa nhiệt điện – LMMHD kết hợp tua bin hơi nước ... 50
Hình 3.10. Bộ trộn kim loại lỏng và hơi................................................................... 51
Hình 3.11. Thiết bị tách hơi và kim loại lỏng .......................................................... 53
Hình 4.1. Đồ thị T – s của chu trình địa nhiệt truyền thống ..................................... 59
Hình 4.2. Đồ thị T – s của chu trình địa nhiệt tuabin 2 cấp...................................... 61
Hình 4.3. Đồ thị T – s của chu trình địa nhiệt – LMMHD ....................................... 63
Hình 4.4. Đồ thị T – s của chu trình địa nhiệt – LMMHD kết hợp với tua bin ....... 65
Hình 4.5. Mơ hình địa nhiệt – MHD kết hợp tubin hơi nước đã được công bố ....... 66

HVTH: Lâm Hữu Dũng

xii

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU
KHOA HỌC
Các chữ viết tắt
LMMHD: Liquid Metal Magneto Hydro Dynamic (Máy phát từ thủy động
sử dụng lưu chất làm việc là kim loại lỏng)
MHD: Magneto Hydro Dynamic (Máy phát từ thủy động lực)
Ký hiệu
Chu trình Rankine
h4 s là "entanpy cụ thể" cuối cùng của chất lỏng nếu tuabin là đẳng entropy

p1 , p2 là áp suất trước và sau quá trình nén
h1 , h2 , h3 , h4 là Các "enthalpies riêng biệt" tại các điểm trên sơ đồ T-s

 pump ,turb là hiệu suất của quá trình nén đẳng entropy (bơm) và q trình dãn

nở (tuabin), khơng thứ ngun

therm là hiệu suất nhiệt động lực của quá trình (sản lượng điện đầu ra trên
nhiệt độ đầu vào, không thứ nguyên)
Q là lưu lượng dòng nhiệt đến hoặc từ hệ thống (năng lượng trên một đơn vị

thời gian)
m là lưu lượng khối (khối lượng trên đơn vị thời gian)

W là năng lượng cơ tiêu thụ hoặc cung cấp cho hệ thống (năng lượng trên
một đơn vị thời gian)
QH là nhiệt lượng thu được qua bộ trao đổi nhiệt với nguồn nước nóng địa
nhiệt.
QL là nhiệt lượng thải ra từ bộ ngưng tụ.

T1, T2, T3, T4 là nhiệt độ tại các nút trong chu trình Rankine
Wnet là năng lượng hệ thống sinh ra
WP là công của bơm nén.

HVTH: Lâm Hữu Dũng

xiii

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

WT là công sinh ra (điện năng)
là tỉ số nén
là hệ số nhiệt độ ra vào tuabin
Máy phát điện MHD

Q là điện tích của hạt

F là lực tác động lên các hạt

J là mật độ dòng điện


B là mật độ từ thông

u là vận tốc của hạt

là tổn hao nhiệt độ của bộ tách
là hiệu suất điện của máy phát LMMHD
là hiệu suất của máy phát LMMHD
,

,

,

,

,

là các tỉ số nén

là tỉ số nén của bơm
là tỉ số nhiệt độ vào ra của máy bơm
là tỉ số nhiệt độ vào ra của máy bơm
Cp là nhiệt dung riêng của kim loại lỏng
E là điện trường
G là lưu lượng kim loại lỏng qua máy phát LMMHD
K là hệ số tải
P là mật độ cơng suất
P1’ là áp suất khí sau khi qua bộ trao đổi nhiệt 2
P2’ là áp suất khí sau khi qua bơm
P3’ là áp suất hỗn hợp hơi và kim loại lỏng đầu vào của LMMHD
P4’ là áp suất hỗn hợp hơi và kim loại lỏng đầu ra của LMMHD
P5’ là áp suất hơi sau khi ra khỏi máy tách
P5’’ là áp suất kim loại lỏng sau khi ra khỏi máy tách

Pref là áp suất môi trường

HVTH: Lâm Hữu Dũng

xiv

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

Ptach là áp suất tạo ra bởi máy tách
T1’ là nhiệt độ khí sau khi qua bộ trao đổi nhiệt 2
T2’ là nhiệt độ khí sau khi qua bơm
T3’ là nhiệt độ hỗn hợp hơi và kim loại lỏng đầu vào của LMMHD
T4’ là nhiệt độ hỗn hợp hơi và kim loại lỏng đầu ra của LMMHD
T5’ là nhiệt độ hơi sau khi ra khỏi máy tách
T5’’ là nhiệt độ kim loại lỏng sau khi ra khỏi máy tách
Tref là nhiệt độ môi trường
là tổn thất nhiệt lượng trên máy phát LMMHD
σ là độ dẫn điện của chất lỏng làm việc
là hệ số chất khí
là hiệu suất

HVTH: Lâm Hữu Dũng

xv

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về hướng nghiên cứu
Kể từ sau cuộc khủng hoảng năng lượng 1970 đến nay, đặc biệt trong hơn
thập niên đầu thế kỉ XXI, cấu trúc thị trường năng lượng thế giới có nhiều biến
động lớn. Lịch sử giá cả năng lượng trên thị trường thế giới tăng liên tục. Bên cạnh
đó, việc khai thác và sử dụng quá mức nguồn nhiên liệu hóa thạch đã gây nên hiện
tượng ấm lên toàn cầu. Hội nghị về biến đổi khí hậu tháng 12 năm 2015 diễn ra tại
Pari- Pháp, các bên tham gia công ước khung của Liên Hợp Quốc về biến đổi khí
hậu (COP21) đã đạt được những thỏa thuận rất quan trọng vì mục tiêu đi đến thỏa
ước quốc tế về biến đổi khí hậu, nhằm giới hạn nhiệt độ trái đất nóng lên khơng q
2°C [6]. Với tình hình đó, việc sử dụng hiệu quả năng lượng và tìm kiếm các nguồn
năng lượng thay thế như năng lượng gió, mặt trời, sóng biển, địa nhiệt,.. được gọi
chung là năng lượng tái tạo đã và đang được các quốc gia trên thế giới nghiên cứu,
phát triển và đưa vào sử dụng để góp phần giải quyết các vấn đề trên. Theo báo cáo
“Planning For the Renewable Future” của cơ quan năng lượng tái tạo quốc tế
(IRENA): Các nguồn năng lượng tái tạo đã cung cấp 23% sản lượng điện trên toàn
thế giới vào năm 2014. Với việc thơng qua nhanh chóng các kế hoạch và chính sách
đầy tham vọng, có thể đạt 45% vào năm 2030. Trong đó, năng lượng mặt trời và
năng lượng gió đóng vai trị thiết yếu trong việc sản xuất ra điện [7].
Vậy năng lượng tương lai chính là nguồn năng lượng tái tạo. Trong đó địa
nhiệt là nguồn nhiệt năng có sẵn trong lịng đất. Địa nhiệt là dạng năng lượng sạch

và bền vững. So với các dạng năng lượng tái tạo khác như gió, thủy điện hay điện
mặt trời, địa nhiệt không phụ thuộc vào các yếu tố thời tiết và khí hậu. Do đó địa
nhiệt cũng có hệ số công suất rất cao, nguồn địa nhiệt luôn sẵn sàng 24 giờ 1 ngày,
7 ngày trong tuần. Nguồn nhiệt lượng này được chuyển lên mặt đất qua dạng hơi
hoặc nước nóng khi nước chảy qua đất đá nóng. Nhiệt lượng thường được sử dụng

HVTH: Lâm Hữu Dũng

1

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

trực tiếp, ví dụ như hệ thống điều hịa nhiệt độ (bơm địa nhiệt), hoặc chuyển thành
điện năng (nhà máy nhiệt điện).
Một nghiên cứu của Hyungsul Moon và Sadiq J. Zarrouk cho thấy hiệu suất
của các mơ hình phát điện địa nhiệt hiện có và nguồn địa nhiệt được xem là đặc biệt
quan trọng đối với các quốc gia đang phát triển mà lại khơng có các nguồn tài
ngun năng lượng như than, dầu và khí tự nhiên. Cơng trình này là một đánh giá
trên tồn thế giới sử dụng dữ liệu được công bố từ 9 nhà máy địa nhiệt. Hiệu suất
chuyển đổi được báo cáo cao nhất là khoảng 21%, với một hiệu suất trung bình trên
tồn thế giới khoảng 12%.
Bài báo: “Efficiency of geothermal power plants: a worldwide review”,
Hyungsul Moon and Sadiq J. Zarrouk, Deparment of Engineering Science,
University of Auckland, New Zealand, 2013.
Một nghiên cứu tiếp theo của A. Aali, N. Pourmahmoud, V. Zare cho thấy

việc thực hiện các chu trình nhiệt động lực học hiệu quả cao cho việc phát điện từ
các nguồn nhiệt có sẵn là một chiến lược hiệu quả cho phát triển năng lượng bền
vững. Trong nghiên cứu này, một chu trình flash-binary được đề xuất cho việc phát
điện từ giếng địa nhiệt Sabalan ở Iran, xem xét sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất
đầu giếng của các giếng khoan hiện tại. Sử dụng dữ liệu và tính chất của nước biển
được khai thác từ lĩnh vực địa nhiệt ở Sabalan, hiệu suất của chu trình được đánh
giá và một mục tiêu duy nhất được tối ưu hóa là xem xét chi phí năng lượng đầu ra
như là hàm mục tiêu cho 4 chỉ số chất lỏng làm việc của đơn vị nhị phân. Sau đó,
một tối ưu hóa đa mục tiêu được tiến hành và vùng biên Pareto như là các giải pháp
tối ưu được trình bày. Các kết quả cho thấy rằng, khi tối ưu hóa mục tiêu đơn được
thực hiện, chu trình được đề xuất với R141b là chất lỏng làm việc đơn nhị phân có
hiệu suất tốt nhất mà chi phí sản lượng cụ thể được tính là 4.901 $ / GJ với hiệu suất
vượt trội là 52.56 %. Tuy nhiên, việc tối ưu hoá đa mục tiêu dẫn đến hiệu suất vượt
trội là 54,87% và chi phí điện năng là 5,068 $ / GJ tại điểm thiết kế tối ưu được lựa
chọn. Cuối cùng, một so sánh hiệu suất được thực hiện giữa chu trình đề xuất trong
nghiên cứu này với các hệ thống đã đề xuất trước đây đối với các hồ chứa địa nhiệt

HVTH: Lâm Hữu Dũng

2

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

Sabalan và kết luận rằng hệ thống flash binary được đề xuất ở đây có hiệu suất tốt
hơn đáng kể so với các hệ thống trước đây.

Bài báo “Exergoeconomic analysis and multi-objective optimization of a
novel combined flash-binary cycle for Sabalan geothermal power plant in Iran”, A.
Aali a, N. Pourmahmoud b, V. Zare, Faculty of Mechanical Engineering, Urmia
University of Technology, Urmia, Iran, 2017, Mechanical Engineering Department,
Faculty of Engineering, Urmia University, Urmia, Iran, 2017.
Một khởi xướng của Hannes Alfvén về hệ thống phát điện từ thủy động lực
(MHD) đã nhận được giải thưởng Nobel vật lý năm 1970. MHD là ngành học
nghiên cứu động lực học của các chất lỏng dẫn điện. Ví dụ về các chất lỏng như vậy
bao gồm plasma, kim loại lỏng, nước muối hoặc một khí ion hóa. Từ thủy động lực
học (MHD) có nguồn gốc:

từ’’có nghĩa là từ trường, “hydro” có nghĩa là chất

lỏng, và “động” ý nghĩa là chuyển động. Ơng mơ tả các lớp của sóng từ thuỷ động
lực học này gọi là sóng Alfvén.
Ý tưởng cơ bản của từ thủy động lực học là từ trường có thể tác động lực
Lorentz lên các điện tích chuyển động trong plasma, gây ra áp suất và dòng điện
cảm ứng, và dòng cảm ứng lại sinh ra từ trường cảm ứng thay đổi từ trường tổng
cộng. Đây là một thiết bị tạo ra điện bằng sự tương tác của một chất lỏng dẫn điện
chuyển động và từ trường. Máy phát MHD có thể chuyển đổi năng lượng nhiệt trực
tiếp thành điện mà khơng có thành phần chuyển động. Do đó, tổn thất năng lượng
giảm và hiệu suất phát điện cao.
Với những ưu điểm của mình, máy phát điện MHD đã được nghiên cứu khá
nhiều trên thế giới. Một số nghiên cứu như sau:
Trong những năm đầu của thế kỷ XXI chu trình MHD kín ( MHD plasma) đã
có những nghiên cứu và phát triển. Bài báo“Basic studies on closed cycle MHD
power generation system for space application”, 35th AIAA Plasmadynamics and
Lasers Conference, 28 June-1 July / Portland , Oregon, AIAA 2004-2365, một
nghiên cứu của Nob Harada, Le Chi Kien, Hishikawa tại đại học Nagaoka Niigata
Nhật Bản về vấn đề MHD kín được báo cáo với tổng hiệu suất dự kiến là 55,2 %.

HVTH: Lâm Hữu Dũng

3

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

Bài báo “Investigating the effect of channel angle of a subsonic MHD
(Magneto-Hydro-Dynamic) generator on optimum efficiency of a triple combined
cycle” Sufi a Khalili, Ali Jafarian Dehkordi, Mohammad Hossein Giahi, School of
Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Jalal Ale Ahmad Highway,
P.O. BOX: 14115-143, Tehran, Iran-2015.
Bài báo này đề xuất 3 chu trình bao gồm một kênh MHD chu trình mở với
góc phân chia 5,70 như một chu trình đầu tiên, một tua bin khí như một máy phát
điện chính giữa và một tua bin hơi như một chu trình cuối. Quá trình tính tốn, phân
tích hiệu suất của chu trình kết hợp dựa trên máy phát điện MHD. Hiệu suất tối ưu
là 71,32% đạt được trong 3 chu trình, rõ ràng là lớn hơn hiệu suất của một chu trình
kết hợp mà khơng có máy phát điện MHD được ước lượng là 40,89%.
Trong một máy phát MHD, nhiệt plasma chuyển động xuyên qua một từ
trường tạo ra năng lượng điện. Trước đây người ta phải đốt than hay sử dụng nguồn
nhiệt từ phản ứng hạt nhân để ion hóa chất khí làm nhiên liệu cho máy phát từ thủy
động lực học phát điện. Hiện nay công nghệ khoa học phát triển cao nên ta có thể sử
dụng thêm các dạng năng lượng khác chẳng hạn như nguồn năng lượng tái tạo như
năng lượng mặt trời, sinh khối, địa nhiệt. Sử dụng năng lượng sạch, giảm ơ nhiễm,
giảm khí thải nhà kính và chủ động nguồn năng lượng là xu hướng tất yếu và đã

tăng trưởng đều trong các năm qua trên thế giới. Chính vì thế học viên đã quyết
định chọn đề tài nghiên cứu về máy phát điện MHD kết hợp với nguồn năng lượng
địa nhiệt sẵn có trong lịng đất để nâng cao hiệu suất phát điện.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Năng lượng từ lâu đã trở thành nhân tố tác động trực tiếp đến sự phát triển
kinh tế, xã hội hầu hết các quốc gia trên thế giới. Một quốc gia không thể phát triển
bền vững nếu thiếu hụt năng lượng. Trong nhiều thập kỷ qua, việc tiêu thụ năng
lượng trên thế giới tăng lên nhanh chóng, trong đó nhiên liệu hóa thạch như dầu thơ,
than đá và khí tự nhiên chiếm phần lớn nguồn năng lượng tiêu thụ. Trong khi sử
dụng những nguồn năng lượng này vừa ô nhiểm môi trường và cũng đang dần cạn
kiệt trong tương lai. Việt Nam có nguồn tài nguyên nhiên liệu – năng lượng đa dạng

HVTH: Lâm Hữu Dũng

4

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên


Luận Văn

đầy đủ các chủng loại như than, dầu khí, thủy điện và các nguồn năng lượng tái tạo
như năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, năng lượng
biển… Do đó, nguồn năng lượng tái tạo cần được đầu tư, khai thác và khuyến khích
phát triển để đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai xa.
Mặc dù nguồn địa nhiệt chưa được điều tra và tính tốn kỹ. Tuy nhiên, với số
liệu điều tra và đánh giá gần đây nhất cho thấy tiềm năng điện địa nhiệt ở Việt Nam
có thể khai thác đến trên 300MW. Khu vực có khả năng khai thác hiệu quả là miền

Trung.
Bên cạnh đó, cơng nghệ phát điện từ thủy động lực học đã hình thành từ khá
lâu, đã được nghiên cứu, thử nghiệm và đưa vào sử dụng ở các quốc gia phát triển
trên thế giới. Tuy nhiên do hiệu suất không cao khi hoạt động riêng lẽ, tuổi thọ của
máy thấp do phải hoạt động liên tục ở nhiệt độ cao (khoảng vài nghìn độ C) gây hư
hỏng các điện cực, vật liệu chế tạo đắt đỏ.v.v...nên cho đến nay cơng nghệ MHD
vẫn cịn ở dạng tiềm năng, hoặc được ứng dụng trong một vài lĩnh vực đặc biệt như
ngành khoa học không gian, dùng làm máy phát điện cho các tàu vũ trụ.
Tuy nhiên từ thập kỷ qua, nhu cầu về điện đang gia tăng với tốc độ đáng báo
động và cầu đang vượt trước cung. Các phương pháp ngày nay để phát điện khơng
có nhiều hiệu quả và nó có thể khơng đủ hoặc khơng thích hợp để bắt kịp với nhu
cầu ngày càng tăng. Cuộc khủng hoảng năng lượng nghiêm trọng gần đây đã buộc
thế giới phải suy nghĩ lại và phát triển loại máy phát điện từ thủy động lực học
(MHD). MHD là một phương pháp có hiệu quả cao và độc đáo để phát điện, dựa
trên vật lý plasma và nguyên lý làm việc của nó được dựa trên quy luật cảm ứng
điện từ Faraday. Điện được sản xuất trực tiếp từ năng lượng nhiệt của plasma (khí
ion hóa) khi đi xun qua từ trường mạnh.
Máy phát điện MHD có cấu tạo đơn giản không cần các bộ phận chuyển
động mà trực tiếp chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng nên hiệu suất phát điện
cao. Trên cơ sở đó, Học viên quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu Hệ thống Phát
điện Từ thủy động lực (MHD) sử dụng năng lượng địa nhiệt với Chu trình kết hơp”.
Luận văn sẽ nghiên cứu về máy phát điện LMMHD sử dụng kim loại lỏng kết hợp

HVTH: Lâm Hữu Dũng

5

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

Luận Văn

với nguồn địa nhiệt với các chu trình khác nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống
phát điện và góp phần làm giảm ơ nhiễm mơi trường. Vì vậy đề tài nghiên cứu này
hi vọng sẽ giải quyết được các vấn đề về năng lượng theo xu hướng phát triển tồn
cầu là sử dụng nguồn năng lượng có sẵn trong tự nhiên, vô tận, không ảnh hưởng
đến môi trường và hiệu suất cao.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ của đề tài
 Mục tiêu
- Tìm hiểu nguyên lý phát điện Từ thủy động lực (MHD).
- Nghiên cứu mô hình máy phát LMMHD và chu trình địa nhiệt điện.
- Nghiên cứu mơ hình máy phát LMMHD sử dụng nguồn năng lượng địa
nhiệt với các chu trình kết hợp.
 Nhiệm vụ của đề tài
- Tìm hiểu nguồn năng lượng địa nhiệt ở Việt Nam và tiềm năng phát triển
của các nhà máy điện địa nhiệt.
- Phân tích, tính tốn các thơng số truyền nhiệt tại các nút trong chu trình
máy phát điện địa nhiệt truyền thống để tính tốn hiệu suất của chúng.
- Phân tích, tính tốn các thơng số truyền nhiệt tại các nút trong chu trình
máy phát điện từ thủy động lực sử dụng năng lượng địa nhiệt với chu trình kết hợp
từ đó tính được hiệu suất chung của hệ.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
-

Nghiên cứu qua Internet.

-

Đọc, nghiên cứu các tài liệu liên quan.

-

Sưu tầm, trích dẫn có chọn lọc các bài báo, các cơng trình nghiên cứu khoa
học trên các tạp chí uy tín chuyên ngành trên thế giới và trong nước.

-

Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng và biểu diễn mối quan hệ giữa
các thơng số trong sơ đồ phân tích.

-

Do lĩnh vực này ở nước ta còn rất mới nên người thực hiện luận văn khơng
có điều kiện thực nghiệm mà chỉ khảo sát trên mơ hình tính tốn, các mơ
phỏng. Từ đó phân tích các kết quả nhận được và rút ra kết luận.

HVTH: Lâm Hữu Dũng

6

Luan van

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên