Nghiên cứu phân tích hệ thống phát điện từ thủy động lực với chu trình kết hợp

LVTN Mục lục
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang vii HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong


Trang tựa Trang
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học i
Lời cam đoan iii
Lời cảm ơn iv
Tóm tắt v
Mục lục vii
Danh sách các chữ viết tắt x
Danh sách các bảng xii
Danh sách các hình xiii
 01
1.1 Đặt vấn đề 01
1.2 Tổng quan về MHD và các kết quả đã nghiên cứu 02
1.3 Mục đích của đề tài 09
1.4 Nhiệm vụ của đề tài……………………………………………………….09
1.5 Phương pháp nghiên cứu 09
1.6 Giới hạn của đề tài. 09
1.7 Điểm mới của đề tài 10
1.8 Giá trị thực tiễn 10
1.9 Bố cục của đề tài 10
Ch 12
2.1 Nguyên lý phát điện của máy phát MHD………………………………… 12
2.1.1 Định luật Ohm 13
2.1.2 Các phương trình cơ bản 14
2.1.3 Hiệu suất của máy phát…………………………………………………. 15
2.1.4 Mối quan hệ giữa η
g

và η
p
……………………………………………….15
LVTN Mục lục
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang viii HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong
2.1.5 Hiệu suất điện………………………………………………………… 16
2.1.6 Quan hệ giữa η
e
và η
p
………………………………………………….16
2.2 Nguyên lý làm việc của chu trình tuabin khí…………………………… 17
2.2.1 Máy nén 18
2.2.2 Thiết bị trao đổi nhiệt 19
2.2.3 Tuabin khí………………………………………………………………20
2.2.4 Hiệu suất của chu trình tuabin khí…………………………………… 20
Phân tích chu trình 22
3.1. Xây Dựng Chu Trình MHD – Tuabin Khí. 22
3.2. Các ký hiệu trong chu trình 23
3.3. Phân tích các khối trong chu trình. 24
3.3.1. Phân tích máy phát MHD……………………………………………….24
3.3.2. Phân tích thiết bị trao đổi nhiệt 25
3.3.3 Phân tích thiết bị làm lạnh……………………………………………….25
3.3.4 Phân tích máy nén……………………………………………………….25
3.3.5 Phân tích tuabin khí…………………………………………………… 27
3.3.6 Phân tích nhiệt lượng…………………………………………………….28
3.3.7 Tính entropy…………………………………………………………… 30
  32
4.1. Bài toán 1 32
4.1.1 Dữ liệu tính toán…………………………………………………………32

4.1.2 Kết quả tính toán 33
4.1.3 So sánh kết quả………………………………………………………… 35
4.1.4 Kết quả tính toán khi thay T
3
= 2000
0
K…………………………………36
4.1.5 Kết quả phân tích nếu T
3
= 2400
0
K…………………………………… 38
4.1.6 So sánh kết quả………………………………………………………….40
4.2. . Bài toán 2 41
4.2.1. Dữ liệu tính toán……………………………………………………… 42
4.2.2. Kết quả tính toán 42
LVTN Mục lục
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang ix HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong
4.2.3. Kết quả phân tích khi thay đổi T
6
= 400
0
K 44
4.2.4 Nhận xét 46
4.3 Nhận xét kết quả tính toán của hai bài toán……………………………….47
 49
5.1. Kết Luận 49
5.2. Hướng phát triển của đề tài 49
  51
 53

LVTN Danh sách các chữ viết tắt
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang x HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong
DANH SÁCH  

- MHD: magnetohydrodynamic.
- B: từ trường, cảm ứng từ (T)
- E: điện trường
- u: thành phần vận tốc
- U: nội năng chất khí
- j: mật độ dòng điện
- σ:điện dẫn suất
- ε: tổng của điện trường và sức điện động từ trường quay
- ω:tần số cyclotron
- p
e
: áp suất electron
- T
e
:nhiệt độ electron
- ρ:khối lượng riêng.
- d: đạo hàm
- R: hằng số chất khí ( R = k/m)
- μ: độ nhớt, độ linh động
- h: enthalpy
- A: tiết diện
- M:khối lượng lưu chất
- W: năng lượng (điện năng)
- K: hệ số tải ( K = E/uB)
- η

e:
hiệu suất điện
- η
g
:hiệu suất máy phát
- η
p
: hiệu suất polytropic
- v: vectơ vận tốc
- Q
i
: Nhiệt lượng tại nút thứ i (MW).
- T
i
: Nhiệt độ tại nút thứ i (
0
K).
LVTN Danh sách các chữ viết tắt
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang xi HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong
- P
i
: Áp suất tại nút thứ i ( at).
- C
P
: Nhiệt dung riêng của chất khí ( J/KgK).
- γ: Hệ số nhiệt của chất khí.
- η: Hiệu suất.
- △Q: Tổn thất nhiệt lượng.
- Π
c

: Tỉ số nén của máy nén.
- Π
S
: Tỉ số nén của tầng nén.
- N: Số tầng nén.
- ح
c
: Tỉ số nhiệt độ ra – vào máy nén.
- ح
s:
Tỉ số nhiệt độ ra – vào các tầng nén.
- △T: Độ chênh lệch nhiệt độ.
- Π
t
: Tỉ số áp suất ra – vào tuabin.
- ح
t
: Tỉ số nhiệt độ ra – vào tuabin.
- G: Lưu lượng của chất khí qua máy phát MHD.
- P
MHD
:Điện năng ra khỏi MHD.
- P
C
: Năng lượng máy nén cần .
- P
ion
: Năng lượng cần thiết để ion hóa chất khí.
- W
1

: Điện năng lên lưới sau chu trình MHD.
- W
2
: Điện năng lên lưới sau chu trình Brayton( tuabin khí).
- T
ref
: Nhiệt độ lấy mẫu(
0
K).
- P
ref
: Áp suất lấy mẫu( at).
- S
i
: Entropy
LVTN Lời cảm ơn
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang iv HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong


Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Lê Chí Kiên đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn
thành luận văn này.
Chân thành cảm ơn quí thầy cô Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã
giảng dạy tôi trong suốt hai năm học.
Và cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên tôi trong
suốt quá trình học tập.
LVTN Danh sách các hình
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang xiii HVTH:Đỗ Huỳnh Thanh Phong
DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 : Cấu tạo máy phát MHD……………………………………………….3
Hình 1.2: Chu trình phát điện MHD sử dụng LNG……………………………….4
Hình 1.3: Chu trình phát điện MHD sử dụng than……………………………… 5
Hình 1.4: Chu trình phát điện dùng đĩa MHD kết hợp với năng lượng hạt nhân
(NFR/CCMHD)………………………………………………………………… 8
Hình 2.1:Máy nén ly tâm 18
Hình 2.2: Máy nén dọc trục 19
Hình 2.3: Quá trình biến đổi trạng thái chất khí trong chu trình Brayton. 20
Hình 3.1: Chu trình kết hợp MHD – tuabin khí. 23
Hình 3.2: Đồ thị T – s của quá trình nén.…………………………………………26
Hình 3.3: Đồ thị T – s của tuabin khí 28
Hình 4.1: Kết quả phân tích chu trình MHD – tuabin khí với T
3
= 1800
0
K 34
Hình 4.2: Đồ thị T –S với T
3
= 1800
0
K 34
Hình 4.3: Kết quả phân tích chu trình MHD dạng đơn [12]…………………… 35
Hình 4.4: Kết quả phân tích chu trình MHD – tuabin khí với T
3
= 2000
0
K 37
Hình 4.5: Đồ thị T –S với T
3
= 2000

0
K………………………………………… 37
Hình 4.6: Kết quả phân tích chu trình MHD – tuabin khí với T
3
= 2400
0
K 39
Hình 4.7: Đồ thị T –S với T
3
= 2400
0
K 40
Hình 4.8: Kết quả phân tích chu trình MHD – tuabin khí [6] 41
Hình 4.9 :Kết quả phân tích chu trình MHD – tuabin khí với T
6
= 350
0
K ………43
Hình 4.10: Đồ thị T –S với T
6
= 350
0
K………………………………………… 43
Hình 4.11: Kết quả phân tích chu trình MHD – tuabin khí với T
6
= 400
0
K…… 45
Hình 4.12: Đồ thị T –S với T
6

= 400
0
K………………………………………… 45
Hình 4.13: Đồ thị T –S với T
6
lần lượt được thay đổi 300
0
K, 350
0
K và 400
0
K…46
LVTN Danh sách các hình
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang xiv HVTH:Đỗ Huỳnh Thanh Phong
Hình 4.14: Biểu đồ biểu thị mối quan hệ giữa hiệu suất của chu trình và nhiệt độ
vào máy nén (T
6
)………………………………………………………………. 47







LVTN Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 1 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong


1.1 

Việt nam là một quốc gia đang phát triển kinh tế, muốn phát triển kinh tế thì
ngành năng lượng phải đi trước một bước trong đó phải kể đến năng lượng điện.
Theo các chuyên gia cả thế giới sẽ phải đối mặt với tình trạng thiếu năng lượng
trong vài năm tới khi tốc độ cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch đang tăng
nhanh. Dự báo đến năm 2015 nếu sử dụng điện ở mức thấp nhất thì nước ta thiếu
khoảng 46,3 tỉ KWh và đến năm 2020 thì con số này tăng lên đến 159 tỉ KWh. Như
vậy vấn đề đặt ra cho ngành điện là cần thay đổi cấu trúc các thành phần điện năng
để có thể rút ngắn khoảng cách cung – cầu của năng lượng điện trong vài năm tới.
để thực hiện điều này chúng ta có rất nhiều giải pháp, ta thử phân tích các nguồn
điện để tìm giải pháp thích hợp nhất.
Khi nói đến nhà máy điện của việt nam thì trước tiên phải kể đến thủy điện,
chúng ta đã khai thác thủy điện rất triệt để và rõ ràng nguồn tài nguyên này không
phải là vô tận, các nhà máy thủy điện lớn khoảng 1000MW không còn khả năng
xây dựng nữa mà chỉ có thể xây dựng những nhà máy nhỏ khoảng 300 MW nhưng
xây dựng thủy điện quá nhiều sẽ ảnh hưởng lớn đến môi trường sinh thái đó là chưa
kể đến hàng loạt sự cố xảy ra đối với thủy điện trong thời gian qua đi ví dụ như
thủy điện Sông Tranh. Do đó có thể kết luận thủy điện không phải là lựa chọn thích
hợp đối với nước ta.
Thứ hai là nhiệt điện, nhiệt điện thì dựa vào than và dầu nhưng dầu cũng
không phải là vô tận, nếu không nói là sẽ cạn kiệt trong vài chục năm nữa. Mặt
khác, nguyên liệu dầu mỏ càng ngày càng trở nên quý hiếm đối với nhiều ngành
công nghiệp nên việc đốt dầu thành điện là một sự lãng phí đáng tiếc. Vì lẽ đó,
nhiệt điện chủ yếu phải dựa vào than. Tuy nhiên hàng năm chúng ta cũng phải nhập
khẩu một lượng than rất lớn và nếu như thế thì ô nhiễm môi trường là không thể
tránh khỏi vì bụi than và khí thải khi đốt than. Như vậy nhiệt điện cũng chưa phải
là sự lựa chọn thích hợp cho ngành năng lượng điện của việt nam.
LVTN Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 2 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong
Thứ ba là nguồn năng lượng sạch: năng lượng mặt trời, năng lượng gió,
năng lượng sinh học…. Các nguồn năng lượng này đang được nghiên cứu và đầu

tư ứng dụng ở nhiều quốc gia phát triển và trong tương lai xa đó chính là nguồn
năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch nhưng do giá thành cao nên trong vòng
vài năm tới nó chưa phải là lựa chọn hợp lý nhất của nước ta.
Thứ tư là giải pháp nhập khẩu điện năng của các nước láng giềng, giải pháp
này chúng ta đã và đang thực hiện và nó cũng đáng quan tâm vì giúp giải quyết
thiếu hụt năng lượng trước mắt nhưng cũng cần lưu ý nhập khẩu có hạn vì ảnh
hưởng an ninh năng lượng quốc gia.
Cuối cùng chúng ta đề cập đến năng lượng hạt nhân đang được xây dựng ở
Ninh Thuận, đó là nguồn năng lượng phù hợp cho Việt Nam trong vài năm tới với
chi phí sản xuất điện thấp và nguồn nhiệt tỏa ra rất lớn nếu chúng ta kết hợp nguồn
nhiệt tỏa ra với chu trình kết hợp MHD – tuabin khí thì khi đó ta sẽ có được chu
trình sản xuất điện năng khép kín với hiệu suất phát điện được nâng lên đáng kể, đó
là nội dung nghiên cứu của đề tài này.
1.2 
Máy phát điện từ thuỷ động lực (MHD) là hệ thống chuyển nhiệt năng hay
động năng trực tiếp thành điện năng dựa trên nguyên lý từ thủy động học. MHD có
khả năng làm việc ở nhiệt độ cao và không cần phải có các chi tiết cần được bôi
trơn (chuyển động cơ học).
Khí thải của hệ thống MHD thường là các dòng phasma nóng và chúng có
thể tái sử dụng để cung cấp nhiệt cho các hệ thống nhiệt điện truyền thống (turbin
hơi nước hay tuabin khí).Về mặt nhiệt động lực học các máy phát điện từ thủy
động lực thường hoạt động theo chu kỳ Brayton và có hiệu suất tương đương với
chu trình Carnot trong điều kiện lý tưởng. Hiệu suất của MHD phụ thuộc vào
chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh.
LVTN Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 3 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong

Hình 1.1 : Cấu tạo máy phát MHD
MHD có một vai trò to lớn trong việc nâng cao hiệu suất của một nhà máy
điện nhiên liệu hóa thạch, chất dẫn điện trong MHD có thể là kim loại lỏng hoặc

khí làm việc ở nhiệt độ rất cao lên đến 3000
0
K trong khi với máy phát điện thông
thường tuabin hơi chỉ làm việc với nhiệt độ khoảng 1000
o
K. Về mặt hiệu suất cũng
vậy nếu máy phát điện tuabin hơi thường có hiệu suất khoảng 40% thì máy phát
MHD nâng hiệu suất đó lên đến 60%.
Máy phát MHD tuy có những ưu điểm như vậy nhưng nó chưa được ứng
dụng cho sản xuất điện năng với quy mô lớn do có những vấn đề về kỹ thuật cũng
như về sự chênh lệch giá thành so với các tuabin khí ngày càng phát triển. Máy
phát MHD chu trình hở thường vận hành với nhiên liệu hóa thạch sau đó kết hợp
với tuabin hơi và được nghiên cứu vào những năm đầu của thập nhiên 60.
Máy phát MHD chu trình kín thường vận hành với nhiên liệu từ lò phản ứng
hạt nhân. Vì có khả năng làm việc ở nhiệt độ rất cao nên MHD được phát triển như
một chu trình đứng đầu để nâng cao hiệu quả của nhà máy điện tuabin khí đặc biệt
là khi đốt than hay nhà máy điện hạt nhân vì vậy MHD nên được sử dụng với chu
trình kết hợp.

LVTN Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 4 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong
Không khí
Gia nhiệt
Máy phát
MHD
Gia nhiệt
He
Máy nén
Làm lạnh
Trao đổi

nhiệt
M
inverter
Điện năng
lên lưới
2400K
0.6 MPa
LNG

Hình 1.2: Chu trình phát điện MHD sử dụng LNG
Trên thực tế máy phát điện MHD sử dụng nhiên liệu hóa thạch thì vượt qua
các công nghệ khác ít tốn kém hơn chẳng hạng như chu trình kết hợp tuabin khí
hoặc co
2
nhiên liệu nóng chảy xả hơi nóng cho tuabin hơi nước. Các nhà máy sẽ
thu hồi nhiệt thảy từ MHD để oxi hóa làm nóng nước và phát điện kết hợp chu
trình hơi nước. Một nghiên cứu khả thi đã được Bộ Năng Lượng Mỹ (DOE) tài trợ
được công bố trong tháng 6 năm 1989 cho thấy hiệu suất năng lượng mà chu trình
kết hợp mang lại là 60% nó vượt qua công nghệ than đá thông thường, tuy nhiên
không có máy phát MHD lớn nào được thử nghiệm vì không có đủ tự tin cho việc
thiết kế một MHD sử dụng trong thương mại dùng nhiên liệu là than.


LVTN Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 5 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong
MHD
Điện
năng
CO + H
2

C
H
2
O
CO
2
+ H
2
O
Đốt
than
Gia
nhiệt
C,CO,CO
2
H
2,
H
2
O
CO
2
O
2
Điều chế
oxi
Không khí
CO +H
2
seed

Hình 1.3: Chu trình phát điện MHD sử dụng than
Máy phát MHD với chu trình kết hợp làm giảm lượng khí thải của than
nhiên liệu, có thể làm tăng hiệu suất của nhà máy điện. Trong các nhà máy sử dụng
than làm nguyên liệu cho MHD các quá trình nghiên cứu để hướng đến thương mại
hóa đã được cấp bằng sáng chế „ ECONOSEED‟ do Hoa Kỳ phát triển và tái chế
hạt ion hóa kali từ tro bay ra. Tuy nhiên nếu dùng kim loại kiềm làm chất lỏng
trong MHD thì chúng có khả năng phản ứng mãnh liệt với nước và tạo ra các sản
phẩm phụ từ đó có thể sản sinh ra các môi trường độc hại.
Đối với nhà máy than thì như vậy còn đối với các nhà máy điện hạt nhân
cung cấp nhiệt độ cao và plasma cho máy phát từ thủy động lực dạng đĩa thì có khả
năng giảm đáng kể ô nhiễm môi trường vì hiệu quả tổng thể cao mà không thảy ra
CO
2
.

LVTN Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 6 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong



Máy phát MHD đầu tiên được nghiên cứu vào năm 1938 tại Hoa Kỳ và
được cấp bằng sáng chế số 2210918 “ Quy trình chuyển đổi năng lượng” vào ngày
13 tháng 8 năm 1940.

Chiến tranh thế giới lần thứ II đã làm gián đoạn sự phát triển của máy phát
từ thủy động lực mãi đến năm 1962 hội nghị quốc tế đầu tiên về máy phát điện
MHD đã được tổ chức tại Newcastle ( Vương Quốc Anh) do tiến sĩ Brian C
Lindley nghiên cứu và tổ chức.

Năm 1964 hội nghị lần thứ hai đã được tổ chức ở Paris ( Pháp) với sự tham
gia của cơ quan năng lượng hạt nhân Châu Âu.Tháng 7 năm 1966 hội nghị lần thứ
ba với sự tài trợ của cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế đã được tổ chức tại
Salzburg ( Áo).
Thực tế trong những năm của thập niên 1960 tính thực tiễn của máy phát
điện MHD cho hệ thống nhiên liệu hóa thạch đã được nghiên cứu bởi R ROSA.

Đến cuối những năm 1960 sự quan tâm đến máy phát MHD đã bị từ chối do sự
phát triển phổ biến của điện hạt nhân nguyên tử. Vào những năm cuối thập niên
1970 khi sự quan tâm đến điện hạt nhân bị giảm xuống thì người ta lại có xu hướng
quay trở lại quan tâm đến MHD.

Năm 1975 UNESCO khuyến cáo nên nghiên cứu MHD và coi đó như là một
phương pháp hiệu quả nhất để sử dụng trữ lượng than đá trên thế giới và UNESCO
đã trở thành nhà tài trợ chính cho ILGMHD.


 Tại Hoa Kỳ: trong những năm đầu của thập niên 1980 bộ năng lượng mỹ bắt
đầu chương trình phát triển mạnh mẽ mhd mà đỉnh cao là máy phát 50MW(năm
1992) dùng chu trình hở (chu trình đốt than).
Chương trình phát triển này là sự kết hợp của 4 phần với các đơn vị khác
nhau:
LVTN Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 7 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong
1. Đứng đầu của chu trình tích hợp này là máy phát điện hiệu ứng Hall đun nóng bằng
than đá nghiền thành bột cùng với một loại hạt giống như ion hóa của Kali với sự
giám sát và phát triển của AVCO.
2. Cơ sở để tạo ra các hạt ion hóa được phát triển bởi TRW. Theo phương pháp này
kali cacbonat được tách ra từ sunfat trong tro, cacbonat được lấy ra và để lại kali.
3. Phần cuối của chu trình được nghiên cứu và phát triển bởi CDIF.

4. Phương pháp tích hợp MHD từ nhà máy than được Westinghouse Electric nghiên
cứu cùng với sự kết hợp của công ty điện lực Montana.
Chương trình thử nghiệm này đã kết thúc vào năm 1993 với hơn 4000 giờ hoạt
động liên tục.
 Tại Nhật Bản : vào cuối những năm 1980 tại Nhật người ta tập trung vào
máy phát điện MHD có chu trình kín. Việc nghiên cứu đó phù hợp với điều kiện
của Nhật Bản với công suất của nhà máy nhỏ hơn 100 MW khi đó có ưu thế là thiết
bị nhỏ gọn không gây ô nhiễm môi trường còn chu trình hở chạy bằng than chỉ vận
hành kinh tế nếu công suất trên 200MW. Tại Nhật Bản đầu tiên chúng ta phải kể
đến công trình FUJI – 1 được viện công nghệ Tokyo nghiên cứu. Hệ thống này là
một máy phát dạng đĩa với helium , khí argon và hạt ion hóa kali. Kết quả của thí
nghiệm cho mật độ điện gần 100MW/m
3
và hiệu suất EE lên đến 30,2%.
Năm 1994 kế hoạch FUJI – 2 được xây dựng dựa trên FUJI – 1 hệ thống này
sử dụng khí trơ thông qua máy phát dạng đĩa với mục đích là khai thác enthapy
35% và hiệu suất phải đạt được là 60% tiến tới trang bị thêm 300MW cho nhà máy
điện sử dụng khí thiên nhiên.
 Tại Australia: năm 1986 giáo sư Hugokal Mersserle tại đại học Sydney đã
nghiên cứu MHD dùng nhiên liệu là than đốt kết quả là hàng loạt nhà máy điện đã
đi vào hoạt động bên ngoài Sydney.
 Tại Italia: vào năm 1989 Italia bắt đầu nghiên cứu MHD theo 3 lĩnh vực
chính.
1. Nghiên cứu mô hình MHD.
LVTN Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 8 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong
2. Phát triển nam châm siêu dẫn với mục tiêu là vào năm 1994 có một nhà
máy điện MHD công suất lớn.
3. Đưa MHD vượt qua lò hơi và trở thành nhà máy điện chính.
 Tại Nga: năm 1994 Nga đã phát triển và điều hành cơ sở than U – 25 tại

Viện hàn lâm khoa học Nga ở Moscow và quan tâm đến MHD dạng đĩa dùng nhiên
liệu than.
Theo hội nghị được tổ chức tại Munich (Đức) với sự tham gia của cơ quan
năng lượng hạt nhân Châu Âu; Bộ Giáo Dục và Khoa học Đức thì chu trình MHD
mở coi như đã đạt đến giai đoạn nguyên mẫu trong khi có những tiến bộ đáng kể
được thực hiện trong hệ thống MHD khép kín nó là mối quan tâm đặc biệt trong
việc kết nối với lò phản ứng hạt nhân tiên tiến.
Trong những năm đầu của thế kỉ XXI chu trình MHD kín (MHD phasma) đã
có những nghiên cứu và phát triển. Các nghiên cứu của Nob Harada, Le Chi Kien ,
Hishikawa tại đại học Nagaoka Niigata Nhật Bản về vấn đề MHD kín đã được báo
cáo với tổng hiệu suất dự kiến đạt 55,2%. Nghiên cứu này cho thấy MHD kín phù
hợp với lò phản ứng hạt nhân nhiệt độ cao, không gây ô nhiễm môi trường.

Hình 1.4: Chu trình phát điện dùng đĩa MHD kết hợp với năng lượng hạt nhân
(NFR/CCMHD)
LVTN Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 9 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong
Tất cả các hệ thống phát điện MHD có thể được phát triển để đạt hiệu quả
cao trong sản xuất điện năng với ưu điểm như giảm tiêu thụ nhiên liệu, không gây ô
nhiễm không khí, hiệu suất cao.
1.3 
 Phân tích cấu trúc và hiệu quả của chu trình phát điện dùng MHD kết
hợp với tuabin khí.
 Phân tích, tính toán các thông số tại các nút trong chu trình kết hợp từ
đó đưa ra giải pháp nâng cao hiệu suất của chu trình phát điện trong nhà
máy nhiệt điện.
1.4 .
Nhiệm vụ trọng tâm của đề tài là phân tích nguyên lý làm việc, tính toán mô
phỏng các thông số của các khối và hiệu suất chu trình kết hợp. Đề tài gồm các vấn
đề sau:

 Tìm hiểu nguyên lý phát điện từ thủy động lực học.
 Nghiên cứu cấu trúc chu trình phát điện MHD kết hợp tuabin khí.
 Tính toán, mô phỏng, phân tích quá trình nhiệt động trong chu trình
kết hợp từ đó tính hiệu suất của chu trình.
1.5 
Do ở nước ta vấn đề nghiên cứu hệ thống phát điện còn sơ khai, mới được
tiến hành trong vài năm gần đây nên chưa có đủ điều kiện để thực nghiệm vì vậy
tác giả đề tài chọn phương pháp nghiên cứu cấu trúc, mô phỏng, phân tích quá trình
cân bằng nhiệt của chu trình dựa trên các nguyên lý, quá trình nhiệt động lực học
của chất khí sau đó rút ra nhận xét kết luận.
1.6 G.
 Không phân tích cấu tạo của đĩa MHD.
 Không có điều kiện để thực nghiệm nên chủ yếu là phân tích quá
trình nhiệt động lực học.


LVTN Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 10 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh
Phong
.
Phân tích T-S để tìm năng lượng vào ra các khối trong chu trình nhằm tính
toán chính xác hiệu suất chu trình từ đó đề ra giải pháp nâng cao hiệu suất nhà máy
nhiệt điện.
1.8 
Nghiên cứu phương pháp nâng cao hiệu suất nhà máy điện, điều này có ý
nghĩa to lớn cho nguồn năng lượng điện hiện nay khi nguồn tài nguyên khoáng sản
đang cạn kiệt dần.
Với kết quả nghiên cứu thì đề tài có thể:
 ng dụng trong hệ thống phát điện hạt nhân – MHD – tuabin khí.
 Sử dụng làm tài liệu cho các nghiên cứu nâng cao hiệu suất nhà máy điện.

1.9 
Cấu trúc luận văn gồm 5 chương cụ thể như sau:
1. 
Giới thiệu MHD: nguyên lý phát điện, lịch sử hình thành, trình bày các
hướng nghiên trước đây, trình bày mục đích nghiên cứu, điểm mới, ý nghĩa, giới
hạn và bố cục của đề tài.
2. 
Trình bày cơ sở, đặc tính, nguyên lý phát điện từ thủy động lực (MHD) và
phân tích động học chu trình phát điện tuabin khí.
3. Phân tích chu trình.
Xây dựng chu trình phát điện, phân tích nhiệt động học của từng khối trong
chu trình ( P, T,S,Q) từ đó tính toán các thông số của chu trình cũng như hiệu suất
của chu trình phát điện kết hợp.
4. Tính toán và m.
Trình bày bài toán ứng dụng tính toán chu trình với các thông số cụ thể, mô
phỏng thông số ra của các khối, đồ thị biểu diễn mối quan hệ của các thông số đầu
ra khi thay đổi dữ liệu đầu vào, trình bày kết quả nghiên cứu và so sánh kết quả với
các kết quả nghiên cứu khác đã được công bố.
LVTN Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 11 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh
Phong

5. 
Đánh giá kết quả và trình bày hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.

LVTNChương 2: Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 12 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong


2.1 Nguyên lý  máy phát MHD
MHD dựa vào nguyên lý từ trường có thể cảm ứng các dòng điện từ một lưu
chất dẫn điện chuyển động, lực tác dụng lên lưu chất có thể thay đổi từ trường của
chính nó. Tập hợp các phương trình mô tả MHD là sự kết hợp của các phương trình
liên tục,phương trình động lực, các phương trình Maxwell (của điện từ) và định luật
Ohm.
Máy phát MHD chu trình kín thường sử dụng nhiên liệu từ lò phản ứng 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 3000
0
K.
Đối với các máy phát MHD không có bộ phận chuyển động quay nên có thể
nâng nhiệt độ lên cao và do đó có hiệu suất tương đối cao. Hiệu suất của chu trình
kết hợp có thể được biểu diễn như sau:
 
1 2 1
1
net
   
  

Trong đó
1


là hiệu suất của máy phát MHD và
2

là hiệu suất của tuabin khí.
Quá trình phát điện được thực hiện bằng cách sử dụng từ trường mạnh để tạo
ra điện trường với luồng lưu chất dẫn điện đi xuyên qua 1 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 lưu chấtdẫn điện được nối với mạch điện bên
ngoài. Các electron từ lưu chất theo điện cực từ một phía vách lò đến tải bên ngoài
và đến điện cực phía đối diện sau đó trở về khối lưu chất tạo thành dòng điện kín.
Như vậy ta thấy hai điện cực cung cấp cho tải bên ngoài dòng điện một chiều và
chúng ta có thể nối với bộ nghịch lưu để trở thành dòng điện xoay chiều rồi đưa lên
lưới điện.
LVTNChương 2: Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 13 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong
Máy phát điện từ thủy động lực học có thể được dùng 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. Bằng cách kết hợp sử dụng máy phát điện từ thủy động lực với
hệ thống tái sử dụng nhiệt năng của khí thải (thông qua máy phát nhiệt điện truyền
thống, như tuabin khí), hiệu suất của toàn bộ hệ thống có thể lớn hơn 60%
Máy phát MHD dạng đĩa có dòng điện của hiệu ứng Hall chạy bên trong
giữa điện cực gần tâm đĩa và điện cực phần rìa của đĩa. Hiệu ứng Hall là một hiệu
ứng vật lý sinh ra khi từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay một
chất bán dẫn đang có dòng điện chạy qua khi đó ta nhận được một hiệu điện thế
sinh ra tại hai mặt đối diện nhau của tấm kim loại. Hiệu ứng này được giải thích là
do bản chất của dòng điện chạy trong vật dẫn điện dòng điện này chính là sự chuyển
động của các hạt mang điện khi chạy qua từ trường các điện tích chịu tác dụng của
lực loren nên bị đẩy về một trong hai phía của tấm kim loại, sự tập trung điện tích
về một phía tạo nên sự tích điện trái dấu và gây hiệu ứng Hall.
2.1.1 

Chúng ta đã biết trong bất kỳ dây dẫn mang điện luôn có lực điện trường, từ
trường và các ion. Nếu tốc độ chuyển động của lưu chất là u xuyên qua một từ
trường Bkết quả là xuất hiện một lực điện động u x B. Bên cạnh đó thì cũng xuất
hiện thành phần điện trường E = ± w x B và định luật Ohm tổng quát cho tất cả các
lực này là :
j = σ.ε -


(j x B) +



.
. 

 .


(2.1)
Trong đó ε là tổng của u x Bvà 

là áp suất của các electron.
Phương trình (2.1) có thể được viết lại như sau khi dùng trong máy phát MHD
do dòng plasma tạo ra
j = σ.ε -


(j x B). (2.2)

LVTNChương 2: Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 14 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong
2.1.2 C
- Phương trình momen
.(


+ . )v = j x B - p (2.3)
- Phương trình năng lượng
.


(

2
2
+ +

2
2
+

2
2
) + . 


2
2
+ 


=  .



 . (
  

) (2.4)
trong đó U là nội năng của chất khí.
- Phương trình liên tục
.(


+ . )v = -. v (2.5)
Thông 

. (
  

) = -j.E.
Sau khi rút gọn các phương trình trên ta được kết quả như sau:
Phương trình( 2.3) trở thành
.u


+ p = j x B (2.6)
Từ phương trình (2.4) ta có
.u
(


2
2
+)

= .  (2.7)
Phương trình (2.5) được rút gọn thành
.u.A = constant (2.8)
Với h = U + RT là enthalpy và A là diện tích mặt cắt mà dòng chất khí chảy qua.
Nếu như tốc độ lưu chất là một hằng số thì phương trình momen được viết
lại như sau:
p = j x B (2.9)
Phương trình năng lượng trở thành
.u


= .  (2.10)
và phương trình (2.8) chỉ còn là
.u.A = constant (2.11)
LVTNChương 2: Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 15 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong
Áp dụng ba phương trình trên vào việc tính toán chi tiết máy phát MHD
dạng đĩa ta có các phương trình cụ thể như sau:


+ 

2
2



2

2
+



+ 

2
2

4


+
.

1
2
...
2

= 0 (2.12)


=



+
1
2
. 
2
+
1
2
. 
2


(2.13)



1
2


+
1
2

2

2
+



= 0 (2.14)
2.1.3 H
Hiệu suất toàn phần của máy phát MHD thì cũng giống như của tuabin được
xác định như sau:
η
g =

 

( )

 

(  )
(2.15)
Trong đó h
i
là enthalpy ban đầu và h
f
là enthalpy cuối với giả thiết là hằng số áp
suất giống nhau cho cả hai trường hợp thực tế và trường hợp đẳng entropy.
Mặc dù trong nhà máy điện người ta chỉ quan tâm đến η
g
nhưng khi nghiên
cứu để tính toán thiết kế còn có hai hiệu suất khác mà chúng ta cũng phải để ý dến
một trong chúng chính là η
p
và nó được định nghĩa như sau:
η
p

=

0
( )

0
(   )
(2.16)
2.1.4 M
g

p

Từ định luật thứ nhất nhiệt động lực học ta có
dh
0
( đẳng entropy) = dQ +

0

0

Nếu như Q là một hằng số thì ta có
dh
0
( đẳng entropy) =

0

0

Áp dụng phương trình( 2.16) ta có
η
p =

0

0

0
=

0
.
0

0

0
=

1
 
0
 
0
(2.17)
Giả sử η
p
và  là hằng số thì khi đó


0

0
= (

0

0
)


.(1)/
(2.18)
LVTNChương 2: Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 16 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong
Thay (2.18) vào (2.15) ta có mối quan hệ giữa η
g
và η
p
được biểu diễn như
sau:
η
g
=
1(

0

0

)


.(1)/
1 (

0

0
)
(1)/
(2.19)
2.1.5 H
Hiệu suất điện của máy phát là tỉ số giữa điện năng lấy ra và năng lượng bơm
vào máy phát
η
e
=
.
. 
(2.20)
Sau đó áp dụng phương trình (2.1) của định luật Ohm ta được
j.j = σ[j.(u x B) + j.E] -


j.(j x B)
nếu -


j.(j x B) = 0 thì ta có kết quả là

j
2
/ σ = -u. (j x B) + j . E
Tùy theo từng loại máy phát MHD khác nhau mà ta có η
e
khác nhau nhưng
tổng quát nó phụ thuộc vào thông số tải K và η
e
= K.
2.1.6 Q
e

p

Phương trình (2.17) có thể được viết lại như sau:
η
p
=

0
.
0

0
/

0
/
(2.21)
Kết hợp các phương trình (2.7), (2.10) và mối quan hệ khi đẳng entropy


0

= (

0

)

1

Ta sẽ được phương trình
1

0
.

0


1

.


=

 1
. (
1


0
.

0


1

.


)
Hay dh = C
p
dT và p = rt ta có
1

0
.

0

=
1

.




 



+

0

0
.
(2.22)
Kết hợp phương trình năng lượng, phương trình momen và phương trình
(2.22) ta có ρu.

0

0

0

=

0


.  x  . 

+ .  (2.23)
LVTNChương 2: Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Lê Chí Kiên Trang 17 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong

Sau đó thay phương trình (2.24), phương trình (2.7) và (2.10) vào phương
trình (2.21) ta có phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa η
e
và η
p

η
p
=



0



0

1.

(2.24)
2.2 N
Chu trình tuabin khí hoạt động dựa trên nguyên lý của chu trình Brayton,
một chu trình nhiệt động lực học được sử dụng rất phổ biến trong đời sống có hiệu
suất tương đối cao hoạt động dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học.
Các tuabin khí chứa năng lượng rất lớn, năng lượng này có được là do dòng
chất khí di chuyển trong một chu trình cố định có nhiệt độ và áp suất cao từ 4 đến
10bar do đó trong chu trình đòi hỏi phải có máy nén. Lưu lượng của môi chất cũng
như tốc độ của nó là khá lớn do đó nó đòi hỏi máy nén gắn đồng trục với trục của
tuabin.

Các nhà máy điện tuabin khí sử dụng trong công nghiệp năng lượng điện
được phân thành hai loại: nhà máy tuabin khí chu trình hở và nhà máy tuabin khí
chu trình kín. Trong giới hạn của đề tài này kết hợp với máy phát MHD nên chúng
ta sử dụng chu trình kín.
Nhà máy điện tuabin khí chu trình kín được hình thành và phát triển tại Thụy
Sĩ lần đầu vào năm 1935 đến năm 1944 thì hoàn thành, sau đó các nhà máy điện
tuabin khí được xây dựng trên toàn thế giới.
So với chu trình hở thì chu trình kín có những ưu điểm đáng kể như:
 Có thể kiểm soát áp suất ngược một cách dể dàng hơn do đó kích thước máy
nhỏ hơn và giá thành cũng thấp hơn.
 Chu trình kín tránh được sự ăn mòn cánh tuabin vì thế có thể giúp nâng cao
tuổi thọ của nhà máy điện.
 Giải quyết được vấn đề nghiêm trọng mà chu trình hở gặp phải đó là lọc chất
khí.
 Trong chu trình kín nhiên liệu sử dụng tương đối kinh tế hơn chu trình hở vì
nó có thể sử dụng dầu kém phẩm chất.