mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ KIM LONG

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TUABIN
KẾT HỢP VỚI NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S KC 0 0 4 2 1 9

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ KIM LONG

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TUABIN KẾT HỢP
VỚI NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 605250
Hướng dẫn khoa học:
TS. LÊ CHÍ KIÊN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2014


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Lê Kim Long

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 17/11/1988

Nơi sinh: TP.HCM

Quê quán: Thừa Thiên – Huế

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: Số 29 Đường 9B,Khu dân cư Gia Hòa, Khu phố 6, P.Phước
Long B, Q.9, TP. Hồ Chí Minh.
Điện thoại di động: 0937175215

Điện thoại nhà: 0837282247

E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cao đẳng:
- Hệ đào tạo: Chính quy
- Thời gian đào tạo: Từ năm 2006 đến năm 2009
- Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
- Ngành học: Điện Công Nghiệp.
2. Đại học:
- Hệ đào tạo: Đại học chính quy chuyển tiếp.
- Thời gian đào tạo: Từ năm 2009 đến năm 2011.
- Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
- Ngành học: Điện Công Nghiệp.
- Tên đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế thi công bộ AVR máy phát điện
đồng bộ ba pha.
- Thời gian và nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: Năm 2011 tại trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
- Người hướng dẫn: Th.s Nguyễn Phương Quang.

HVTH: Lê Kim Long

i

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

3. Thạc sĩ:
- Hệ đào tạo: Chính quy tập trung.
- Thời gian đào tạo: Từ 05/2012 đến 05/2014.
- Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
- Ngành học: Kỹ Thuật Điện
- Tên luận văn: “Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng
nhiệt hạch”.
- Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Năm 2014, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật Tp. Hồ Chí Minh.
- Người hướng dẫn: TS. Lê Chí Kiên.
4. Trình độ ngoại ngữ: Tiếng Anh - mức độ: B1.
5. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi
cấp:
- Bằng cử nhân cao đẳng: Điện công nghiệp. Số hiệu bằng: 215984. Ngày
cấp: 24/09/2009. Nơi cấp: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
- Bằng kỹ sư: Điện công nghiệp. Số hiệu bằng: 021225. Ngày cấp:
20/10/2011. Nơi cấp: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi học tập

Ghi chú

Từ 09/2011
đến 12/2011

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
TP.HCM

Theo học khóa bồi
dưỡng nghiệp vụ sư
phạm bậc hai

Từ 05/2012
đến nay

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
TP.HCM

Theo học khóa Thạc sĩ

IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:
Bài báo khoa học: Lê Chí Kiên, Lê Kim Long, Hệ thống phát điện tuabin kết
hợp với năng lượng nhiệt hạch, Tạp chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, ISSN 1859 – 1272, Số 25 (2013).
HVTH: Lê Kim Long

ii

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 03 năm 2014
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lê Kim Long

HVTH: Lê Kim Long

iii

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

CẢM TẠ
Trước hết, em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học sư
phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em được
tham gia khóa học này.
Xin chân thành cảm ơn quý Thầy/ Cô của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Tp. Hồ Chí Minh, Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy,
truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập.

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Thầy TS.Lê Chí Kiên đã tận tình hướng
dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp để em có
thể hoàn thành luận văn kịp tiến độ.
Cảm ơn bạn bè cùng lớp đã khuyến khích và giúp đỡ em vượt qua những khó
khăn trong học tập.
Cuối cùng, em xin kính chúc Ban Giám Hiệu, quý thầy cô, cán bộ công nhân
viên nhà trường dồi dào sức khỏe và đạt nhiều thành công trong công việc.
Ngày 06 Tháng 03 Năm 2014
Học viên thực hiện
Lê Kim Long

HVTH: Lê Kim Long

iv

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

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, sinh khối, sóng biển…), 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… .Do đó, đề tài “Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng
lượng nhiệt hạch” được đưa ra nhằm khắc phục những nhược điểm trên. Thời gian
nghiên cứu, thực hiện đề tài từ ngày 1/9/2013 đến ngày 28/2/2014 tại trường Đại
Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. Nội dung chính của đề tài có thể được tóm tắt

như sau:
Giới thiệu chung về năng lượng nhiệt hạch. Trình bày nguyên lý hoạt động,
cấu tạo của mô hình lò phản ứng nhiệt hạch.
Trình bày nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của các hệ thống phát điện
tuabin khí, tuabin hơi, tuabin khí – hơi và tuabin khí – hơi – nhiệt hạch.
Thiết lập các công thức tính toán nhiệt, công và hiệu suất của các hệ thống
phát điện tuabin (tuabin khí, hơi, khí – hơi và khí – hơi – nhiệt hạch)
Tính toán nhiệt, công và hiệu suất của hai hệ thống phát điện là tuabin khí –
hơi và tuabin khí – hơi – nhiệt hạch theo những giả thiết, điều kiện cho trước. Sau
đó so sánh hiệu quả làm việc giữa hai hệ thống và rút ra kết luận.
Với những kết quả thu được cho thấy hệ thống phát điện tuabin khí – hơi –
nhiệt hạch tốt hơn hệ thống phát điện tuabin khí – hơi với những ưu điểm: hiệu suất
cao, giảm ô nhiễm môi trường, chi phí thấp, hạn chế sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

HVTH: Lê Kim Long

v

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

ABTRACT
Electrical power is produced from power plants which uses fossil fuels (coal,
oil, gas etc.) or new energies such as wind, solar, 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.
So, the project “Combination of gas – steam turbine power cycle and fusion energy”
is proposed to improve cons. Researching duration of this project: from 1/9/2013 to

28/2/2014 at University of Technical Education Ho Chi Minh City. The main
contents of this project can be summarized as following:
Introduce about fusion energy. Present aboutprinciples, structure of modeling
of fusion chamber.
Present aboutprinciples, pros and cons ofturbine power cycles: gas, steam,
gas – steam, gas – steam – fusion energy.
Establish calculation formula of quantity of heat, cycle work and efficiency
of turbine power cycles: gas, steam, gas – steam, gas – steam –fusion energy.
Following calculation assumptions and conditions, we calculate quantity of
heat, cycle work and efficiency of turbine power cycles: gas – steam and gas –
steam –fusion energy. Then, we compare them and have some conclusions.
The calculation results show us: Combination of gas – steam turbine power
cycle and fusion energy is better than gas – steam turbine power cycle with its pros:
high efficiency, low CO2 emissions, low fuel cost and save fossil fuels.

HVTH: Lê Kim Long

vi

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học ........................................................................................................... i
Lời cam đoan ............................................................................................................. iii
Cảm tạ ........................................................................................................................ iv
Tóm tắt ........................................................................................................................ v
Mục lục ......................................................................................................................vii
Danh sách các hình...................................................................................................... x
Danh sách các bảng ...................................................................................................xii
Chƣơng 1: TỔNG QUAN ......................................................................................... 1
1.1. Giới thiệu chung ............................................................................................ 1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài................................................................................. 2
1.3. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 3
1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài .................................................................... 3
1.5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 3
Chƣơng 2: NĂNG LƢỢNG NHIỆT HẠCH ........................................................... 4
2.1. Lịch sử phát triển của năng lượng nhiệt hạch................................................ 4
2.2. Các khái niệm và ưu điểm của năng lượng nhiệt hạch .................................. 7
2.3. Một số phản ứng nhiệt hạch ........................................................................ 10
2.4. Cơ chế tổng hợp nhiệt hạch giam bằng quán tính ....................................... 10
2.4.1. Định nghĩa ................................................................................................ 10
2.4.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 11
Chƣơng 3: NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN TUABIN .................................................. 13
3.1. Nhà máy điện áp dụng chu trình tuabin khí ................................................ 13
3.1.1. Giới thiệu chung về tuabin khí ................................................................. 13
3.1.2. Tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp.................................................................... 14
3.1.3. Tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp có hồi nhiệt................................................ 15
3.2. Nhà máy điện áp dụng chu trình tuabin hơi ................................................ 16
HVTH: Lê Kim Long

vii

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

3.2.1. Giới thiệu chung ....................................................................................... 16
3.2.2. Chu trình tuabin hơi (chu trình Rankine) ................................................. 16
3.2.3. Chu trình hồi nhiệt (tuabin hơi) ................................................................ 18
3.3. Kết luận........................................................................................................ 19
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TUABIN KẾT HỢP
VỚI NĂNG LƢỢNG NHIỆT HẠCH.................................................................... 20
4.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 20
4.2. Mô hình lò phản ứng ICF sử dụng khí nhiệt độ cao .................................... 22
4.2.1. Lớp trong và lớp vỏ ngoài ........................................................................ 22
4.2.2. Hai vùng nhiệt độ ..................................................................................... 22
4.2.3. Mô hình lò phản ứng ICF sử dụng khí nhiệt độ cao ................................. 23
4.2.4. Bộ điều chỉnh năng lượng......................................................................... 24
4.3. Sự cân bằng năng lượng của nhà máy phát điện ICF .................................. 25
4.4. Nhà máy điện tuabin khícấp nhiệt đẳng áp ................................................. 27
4.5. Nhà máy điện tuabin hơi ............................................................................. 33
4.6. Nhà máy điện hỗn hợp tuabin khí – hơi ...................................................... 37
4.7. Hệ thống phát điện tuabin (khí – hơi) kết hợp với năng lượng nhiệt
hạch ..................................................................................................................... 41
Chƣơng 5: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TUABIN KẾT HỢP
VỚI NĂNG LƢỢNG NHIỆT HẠCH.................................................................... 47
5.1. Nhà máy nhiệt điện hỗn hợp khí – hơi ........................................................ 47
5.1.1. Tính toán cho chu trình tuabin khí ........................................................... 50
5.1.2. Chu trình tuabin hơi .................................................................................. 53
5.2. Nhà máy nhiệt điện hỗn hợp khí – hơi – nhiệt hạch.................................... 59
5.2.1. Sử dụng nguồn nhiệt từ nhiệt hạch để thay thế dần khí đốt ..................... 59

5.2.2. Sử dụng nguồn nhiệt từ nhiệt hạch để bổ sung vào nguồn nhiệt cấp ....... 68
5.3. Mô phỏng tính toán “Hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng
nhiệt hạch” sử dụng phần mềm Visual Basic 6.0 ............................................... 73
5.3.1. Giới thiệu chung ....................................................................................... 74

HVTH: Lê Kim Long

viii

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

5.3.2. Tính toán ................................................................................................... 77
Chƣơng 6: KẾT LUẬN ........................................................................................... 81
6.1. Một số nhận xét về hệ thống phát điện tuabin khí – hơi – nhiệt hạch ......... 81
6.2. Kết luận và hướng phát triển ....................................................................... 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 84

HVTH: Lê Kim Long

ix

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới từ 1980 – 2030

2

Hình 2.1:Sơđồ khối của phản ứng D – T

9

Hình 2.2: Sơ đồ khối miêu tả các quá trình của cơ chế tổng hợp nhiệt hạch giam
bằng quán tính

12

Hình 3.1: Sơ đồ khối của tuabin khí

14

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp

14

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp có hồi nhiệt

15

Hình 3.4: Sơ đồ khối của tuabin hơi (chu trình Rankine)

17

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của chu trình tuabin hơi (chu trình Rankine)

17

Hình 3.6:Sơ đồ nguyên lý của chu trình hồi nhiệt

18

Hình 4.1: Chu trình phát điện ICF

20

Hình 4.2: Năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch được chứa ở lớp trong và lớp
ngoài

22

Hình 4.3: Mô hình biểu diễn 2 vùng nhiệt độ

23

Hình 4.4: Mô hình lò phản ứng ICF sử dụng khí để có được nhiệt độ cao

24

Hình 4.5: Mô hình cân bằng năng lượng của nhà máy phát điện ICF

25

Hình 4.6: Đồ thị p – v và T – s của chu trình tuabin khí

28

Hình 4.7: Đồ thị T – s của chu trình Rankine

34

Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý chu trình hỗn hợp khí – hơi

37

Hình 4.9: Đồ thị T – s chu trình hỗn hợp

38

Hình 4.10:Sơ đồ nguyên lý chu trình tuabin khí – hơi kết hợp nhiệt hạch

42

Hình 4.11:Đồ thị T – s của chu trình hỗn hợp khí – hơi – nhiệt hạch

43

Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý nhà máy điện hỗn hợp khí – hơi

48

Hình 5.2: Đồ thị T – s của chu trình hỗn hợp khí – hơi

49

Hình 5.3: Đồ thị p – v, T – s chu trình tuabin khí

50

Hình 5.4: Đồ thị T – s chu trình tuabin hơi

53

HVTH: Lê Kim Long

x

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

Hình 5.5: Sơ đồ nguyên lý chu trình hỗn hợp khí – hơi – nhiệt hạch

59

Hình 5.6: Đồ thị T – s của chu trình khí – hơi – nhiệt hạch

60

Hình 5.7: Quá trình trao đổi nhiệt giữa nhiệt hạch và khí nén

62

Hình 5.8: Biểu đồ cột hệ số sử dụng nhiệt hạch

64

Hình 5.9: Tỷ lệ giữa năng lượng nhiệt hạch và lượng giảm thải CO2

67

Hình 5.10: Đồ thị T – s chu trình hỗn hợp có bổ sung nhiệt từ nhiệt hạch

68

Hình 5.11: Form 1

74

Hình 5.12:Form 2

75

Hình 5.13:Form 3

76

Hình 5.14:Form 4

77

Hình 5.15:Đồ thị biểu diễn tỷ lệ CO2 đã giảm tương ứng với nhiệt độcung cấp
từ lò phản ứng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long

79

xi

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 5.1: Bảng giá trị thông số trạng thái ở các điểm đặc trưng của tuabin
khí

52

Bảng 5.2: Giá trị các đại lượng cơ bản của chu trình tuabin khí

53

Bảng 5.3: Kết quả tính toán các đại lượng đặc trưng

58

Bảng 5.4: Quan hệ giữa nhiệt độ ra của lò nhiệt hạch và hệ số sử dụng nhiệt
hạch

67

Bảng 5.5: Kết quả tính toán các đại lượng đặc trưng

73

Bảng 5.6: Kết quả tính toán khi sử dụng nguồn nhiệt từ lò nhiệt hạch để thay
thế dần khí đốt với nhiệt độ cung cấp từ 800K – 1400K

78

Bảng 5.7:Kết quả tính toán khi thay đổi nguồn nhiệt từ nhiệt hạch để bổ sung
vào nguồn nhiệt cấp với nhiệt độ thay đổi từ 100K – 400K

80

Bảng 6.1: Lượng nhiên liệu tiết kiệm và lượng CO2 giảm còn tương ứng với
nhiệt độ ra từ lò nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long

82

xii

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung
Điện năng là nhu cầu không thể thiếu trong sản xuất cũng như trong đời sống
của con người. Điện năng được sản xuất ra từ các nhà máy điện sử dụng các nguồn
nhiên liệu khác nhau như: than, dầu, khí đốt… (nhiên liệu hóa thạch) hoặc các
nguồn năng lượng mới: năng lượng tái tạo (gió, mặt trời, sinh khối, sóng biển…),
năng lượng nguyên tử.
Nhìn chung, sản xuất điện từ nhiên liệu hóa thạch là loại hình được sử dụng
chủ yếu trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, mặc dù nó vẫn có một số
nhược điểm như: ô nhiễm môi trường, giá nhiên liệu cao và đang dần cạn kiệt…
.Trong khi đó, sản xuất điện từ năng lượng mới tuy đã có nhiều thành tựu, kết quả
rõ ràng nhưng nó vẫn chưa được sử dụng rộng rãi bằng nhiên liệu hóa thạch vì một
số lý do chính như: chi phí đầu tư cao (điện nguyên tử), hiệu suất nhiệt thấp hơn
nhiên liệu hóa thạch (sinh khối, điện nguyên tử…) và một vài nguyên nhân khác.
Thế giới ngày càng phát triển thì nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao, trong
khi đó những nguồn nhiên liệu hóa thạch chủ yếu dùng để sản xuất ra điện năng
hiện nay đang dần cạn kiệt nên vấn đề cấp bách lúc này đó là tìm mọi phương án
nhằm nâng cao hiệu suất đồng thời nghiên cứu tìm kiếm thêm nhiều nguồn năng
lượng mới có hiệu suất cao để dần thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch.
Mặt khác, khoa học đã tính toán và thấy được mối nguy hại của sự nóng lên
toàn cầu do lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính đang ngày càng gia tăng (phần lớn
là do lượng khí thải sinh ra khi sử dụng các nhiên liệu hóa thạch). Kết quả là các

nước phát triển đang trong giai đoạn đầu của việcthực hiện các biện pháp ứng phó
để giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính.Tuy nhiên, đây quả là một bài toán
phức tạp vì vừa phải làm giảm thiểu phát thải khí nhà kính trong khi vẫn duy trì
mức tiêu thụ điện năng cao với chi phí điện năng thấp.

HVTH: Lê Kim Long

1

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

Hình 1.1: Nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới từ 1980 – 2030.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Như đã đề cập ở phần giớithiệuchung, ngày nay ở mọi nơi trên thế giới người
ta đều nói tới chiến lược phát triển năng lượng bền vững trong quy hoạch năng
lượng, trong đó vấn đề môi trường được xem là một nhân tố quan trọng hàng đầu.
Điều này dẫn tới yêu cầu cấp thiết là phải tìm ra nhiều nguồn năng lượng cũng như
nhiều hệ thống mới mang lại hiệu suất cao, ít gây ảnh hưởng tới môi trường cũng
như tiết kiệm nhiên liệu… nhằm thay thế các loại năng lượng truyền thống đang dần
cạn kiệt.
Năng lượng nhiệt hạch là một nguồn năng lượng vô cùng quan trọng, hầu
nhưkhông thải khí CO2 khi sản xuất điện do không dựa vào nhiên liệu hóa thạch, vì
thế nó không gây ô nhiễm môi trường. Do đó, nếu kết hợp thêm năng lượng nhiệt
hạch vào hệ thống tuabin khí – hơi sẽ cho ra một hệ thống tối ưu hơn với một số ưu
điểm như:
 Giảm đáng kể lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính.
 Tiết kiệm và giảm chi phí đầu tư nhiên liệu.

 Hiệu suất cao.
Trên cơ sở đó, em quyết định nghiên cứu đề tài “Mô phỏng hệ thống phát

HVTH: Lê Kim Long

2

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch” nhằm góp phần giải quyết những
yêu cầu cấp thiết đã nêu.
1.3. Mục đích nghiên cứu
Đề tài “Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt
hạch” được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu tìm ra một hệ thống mới có hiệu suất
cao, tiết kiệm cũng như giảm chi phí đầu tư nhiên liệu và nhất là giảm đáng kể
lượng khí thải CO2 gây ô nhiễm môi trường nhằm góp phần giải quyết những yêu
cầu cấp thiết hiện nay của khoa học đặc biệt là yêu cầu về vấn đề môi trường.
1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
Dựa vào hệ thống phát điện tuabin khí – hơi đã và đang được sử dụng rộng
rãi trên thế giới, ta kết hợp thêm năng lượng nhiệt hạch vào để đạt được một hệ
thống mới tốt hơn. Tuy nhiên, hệ thống mới này vẫn chưa được đưa vào ứng dụng
rộng rãi mà chỉ dừng ở mức độ thử nghiệm do ngày nay con người vẫn chưa thực sự
kiểm soát tốt nguồn năng lượng nhiệt hạch.
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Dựa vào phân tích lý thuyết để làm rõ nguyên lý hoạt động của hai hệ thống
phát điện là tuabin khí – hơi và tuabin khí – hơi – nhiệt hạch. Các số liệu được tính
toán theo các công thức, thực nghiệm và có sự hỗ trợ của phần mềm Visual Basic

6.0 để so sánh hiệu quả làm việc giữa hai hệ thống này.

HVTH: Lê Kim Long

3

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

Chƣơng2

NĂNG LƢỢNG NHIỆT HẠCH
(NĂNG LƢỢNG HỢP HẠCH)
2.1. Lịch sử phát triển của năng lƣợng nhiệt hạch
Vào năm 1920, Aston đã phát hiện ra khối lượng của hạt nhân helium nhỏ
hơn 4 lần khối lượng của nguyên tử hydro. Ngay sau đó, Eddington quan sát thấy
rằng sự biến đổi hydro thành helium có thể cung cấp đủ năng lượng để duy trì sự
hoạt động của Mặt trời và nhìn chung là giống như những phản ứng hạt nhân xảy ra
trong các ngôi sao. Tuy nhiên, ông ta thấy ngạc nhiên bởi nhiệt độ của ngôi sao quá
thấp để cho phép các hạt phản ứng có hiệu quả.
Chỉ khi vào thời kỳ đầu của sóng cơ học thì Gurney, Condon (1929) và
Gamow (1928) mới tính toán được xác suất của sự xuyên qua một màn chắn.
Gamow cho thấy là theo lý thuyết đường hầm (hay xuyên hầm) cơ học lượng tử đã
giải thích được những quan sát trên phân rã hạt α. Vào năm sau, Atkinson và
Houtermans đã sử dụng kết quả của Gamow để chỉ ra là sự xuyên hầm này mở
đường cho các phản ứng nhiệt hạch của hydro và có thể là nguyên nhân cho việc
sản sinh ra năng lượng trong những ngôi sao.
Vào năm 1932, Cockcroft và Walton tại phòng thí nghiệm Cavendish thuộc

trường đại học Cambridge (dưới sự hướng dẫn của Lord Rutherford) lần đầu tiên
phát hiện và tạo ra được một phản ứng hạt nhân bằng cách bắn phá những mẫu thử
lithium với một chùm tia proton 100keV được tạo ra bởi một máy gia tốc do họ
thiết kế và chế tạo (do Cockroft và Walton chế tạo vào năm 1932). Vào hai năm tiếp
theo, tại phòng thí nghiệm tương tự, một nhóm nghiên cứu do Lord Rutherford dẫn
đầu gồm các thành viên: Oliphant, Lewis, Hartweck, Kempton, Shire và Crouther,
đã phát hiện ra nhiều phản ứng nhiệt hạch khác giữa những nguyên tố nhẹ và các
proton hay các đơtron (Deuteron) được gia tốc (xem thêm Chadwick 1965;

HVTH: Lê Kim Long

4

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

Oliphantet al.1934a,b).
Tuy vậy, đơteri (Deuterium) đã được phát hiện vào năm 1932 bởi Urey cùng
các đồng nghiệp (Urey và Teal 1935) và những mẫu thử tinh khiết cũng được sản
xuất ra với số lượng đáng kể. Với một lượng nhỏ sớm có sẵn trong phòng thí
nghiệm Cavendish, các phản ứng tạo ra đơteri (Deuterium) đã được chứng
minh.Điều này cũng dẫn tới việc phát hiện ra tritium vào năm 1934, tritium được
tạo ra từ một trong những phản ứng DD. Tuy nhiên tính bất ổn định của tritium chỉ
được phát hiện ra bởi Alvarez vào năm 1939.
Vào năm 1937, Von Weizsäcker đề xuất chuỗi phản ứng PP vốn là nguồn
gốc của năng lượng Mặt trời. Tuy vậy, những lập luận về các thiếu sót của vùng ảnh
hưởng thích hợp để tính toán cho những quan sát thiên văn đã được chỉ ra bởi Bethe
và Critchfield vào năm 1938 (chính hai người này đã phát triển một lý thuyết của

phản ứng đó) dựa trên kết quả nghiên cứu về phân rã  của Fermi, Gamow và
Teller.
Không lâu sau đó, Bethe (1939) đã phát triển lý thuyết về chu trình CNO sản
sinh năng lượng trong các ngôi sao. Chỉ trong vài năm, với những sự đóng góp quan
trọng của Bethe, Von Weizsäcker, Gamow, Teller và một số người khác, những
điều cơ bản về sự tổng hợp hạt nhân của các sao đã được thành lập. Các phản ứng
chính được xác định và sau đó họ tiến hành tính toán gần đúng và kết quả được so
sánh với những dữ liệu sẵn có về thành phần của sao. Một bản tóm tắt về những
thành quả ban đầu của những nghiên cứu về tổng hợp hạt nhân có thể được tìm thấy
trong một bài báo nổi tiếng của Burbidge et al. (1957).
Trong chiến tranh, một số nhà khoa học đã phát triển vũ khí phân hạch và
xem xét khả năng khai thác các phản ứng hạt nhân từ các loại vũ khí này.Cơ sở cho
việc nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch cũng được đưa ra trong các cuộc thảo luận
giữa Fermi, Teller, Konopinsky và những người khác. Cùng lúc đó, những vùng
chịu ảnh hưởng do những phản ứng DD đã được đo khá chính xác. Một nhóm
nghiên cứu từ trường đại học Purdue (có lẽ là theo lời đề nghị của Bethe) đã tiến
hành đo vùng ảnh hưởng của DT. Và điều làm mọi người phải ngạc nhiên là kết quả

HVTH: Lê Kim Long

5

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

cho thấy DT có vùng ảnh hưởng lớn hơn nhiều so với DD (Divenet al. 1983). Và
kết quả chỉ được công bố vào năm 1948 (Hanson et al. 1949) sau khi các phép đo
cải tiến được thực hiện. Lý thuyết về phản ứng DT phải đến năm 1950 mới được

xuất bản bởi Flowers, trong khi những phương pháp xử lý DT đã xuất hiện vào cuối
những năm 1930, và trước đó đã được xem xét đánh giá kỹ bởi Konopinski và
Teller (1948).
Vùng ảnh hưởng cho những phản ứng D cơ bản đã được đo đạc một cách
chính xác thêm lần nữa vào đầu những năm 50 (Arnold et al. 1954) và có thể nói
vào lúc này, người ta đã bắt đầu quan tâm tới các nguyên tắc vật lý cơ bản về các
phản ứng nhiệt hạch hạt nhân để kiểm soát sự sản sinh ra năng lượng.
Vào giữa những năm 1949 và 1955, những nỗ lực trong chiến tranh lạnh đã
dẫn đến sự phát triển của các vũ khí nhiệt hạch để phục vụ mục đích quân sự, chúng
vốn là những thiết bị được chế tạo trên cơ sở lợi dụng sự phát tán (giải phóng) năng
lượng từ những phản ứng nhiệt hạch. Những nghiên cứu về nhiệt hạch kiểm soát
được đã được bắt đầu thực hiện ở vài quốc gia vào giữa những năm 1946 và 1950,
chúng được thực hiện rất bí mật và kiểm soát khá chặt chẽ. Và phải vào những năm
giữa thập niên 1950 thì những nghiên cứu nói trên mới được giải mật (đăng vào
năm 1956; Longmireet al. 1959).Và những chương trình nhiệt hạch lớn ở các nước
công nghiệp chủ yếu và những cuốn sách cơ bản về các phản ứng nhiệt hạch và
plasma (hiện nay, chúng đã trở thành những vấn đề kinh điển)bắt đầu xuất hiện
(Spitzer 1962; Glasstone and Lovberg 1960; Rose and Clarke 1961; Artsimovich
1964).
Năm 1956, khi đến thăm các trung tâm nghiên cứu khoa học của Vương
quốc Anh, Viện sĩ I.V.Kurchatov đã cho các đồng nghiệp ngoại quốc biết những
kết quả mà giới khoa học Liên Xô đạt được trong lĩnh vực nhiệt hạch. Liên Xô là
nước đầu tiên trên thế giới không giấu giếm các công trình nhiệt hạch của mình.
Thiết bị do Liên Xô tạo ra được đặt tên là Tokamak. Cho đến nay, Tokamak đã
được phát triển và cải tiến khá nhiều nhằm kiểm soát được các phản ứng nhiệt hạch
nhằm phục vụ cho một số nhu cầu của con người.

HVTH: Lê Kim Long

6

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

2.2. Các khái niệm và ƣu điểm của năng lƣợng nhiệt hạch
Phản ứng nhiệt hạch hay phản ứng hợp hạch, trong vật lý học, là quá trình 2
hạt nhân hợp lại với nhau để tạo nên một nhân mới nặng hơn. Cùng với quá trình
này là sự phóng thích năng lượng hay hấp thụ năng lượng tùy vào khối lượng của
hạt nhân tham gia. Nhân sắt và nickel có năng lượng kết nối nhân lớn hơn tất cả các
nhân khác nên bền vững hơn các nhân khác. Sự kết hợp hạt nhân của các nguyên tử
nhẹ hơn sắt và nickel thì phóng thích năng lượng trong khi với các nhân nặng hơn
thì hấp thụ năng lượng.
Phản ứng hợp hạch là một trong hai loại phản ứng hạt nhân. Loại kia là phản
ứng phân hạch.
Phản ứng nhiệt hạch của các nguyên tử nhẹ tạo ra sự phát sáng của các ngôi
sao và làm cho bom hydro nổ. Phản ứng nhiệt hạch của các nhân nặng thì xảy ra
trong điều kiện các vụ nổ sao (siêu tân tinh).Phản ứng nhiệt hạch trong các sao và
các chòm sao là quá trình chủ yếu tạo ra các nguyên tố hóa học tự nhiên.
Nhiên

liệu

thường

dùng

trong

phản

ứng

nhiệt

hạch

là

đồng

vịdeuterium,tritium của hydro.Các đồng vị này có thể trích lấy dễ dàng từ thành
phần nước biển, hoặc tổng hợp không mấy tốn kém từ nguyên tử hydro.
Để làm cho các hạt nhân hợp lại với nhau, cần tốn một nguồn năng lượng rất
lớn, ngay cả với các nguyên tử nhẹ nhất như hydro. Điều đó được giải thích là do các
quá trình của phản ứng đều khó thực hiện: đầu tiên cần phải nguyên tử hóa các phân
tử, ion hóa hoàn toàn tất cả các nguyên tử, đồng thời tách loại electron để biến nhiên
liệu phản ứng hoàn toàn trở thành hạt nhân không có electron ở thể plasma. Sau đó
cần phải cung cấp động năng cực kỳ lớn cho các hạt nhân vượt qua lực tương tác
Coulomb giữa chúng mà va vào nhau. Nhiệt độ cần thiết có thể lên đến hàng triệu độ
C. Nhưng sự kết hợp của các nguyên tử nhẹ, để tạo ra các nhân nặng hơn và giải
phóng 1 neutron tự do, sẽ phóng thích nhiều năng lượng hơn năng lượng nạp vào lúc
đầu khi hợp nhất hạt nhân. Điều này dẫn đến một quá trình phóng thích năng lượng
có thể tạo ra phản ứng tự duy trì (Tuy nhiên, từ hạt nhân sắt trở đi, việc tổng hợp hạt
nhân trở nên thu nhiệt nhiều hơn tỏa nhiệt). Việc cần nhiều năng lượng để khởi động

HVTH: Lê Kim Long

7

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

thường đòi hỏi phải nâng nhiệt độ của hệ lên cao trước khi phản ứng xảy ra. Chính vì
lý do này mà phản ứng hợp hạch còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch.
Năng lượng phóng thích từ phản ứng hạt nhân thường lớn hơn nhiều so với
phản ứng hóa học, bởi vì năng lượng kết dính giữ cho các nhân với nhau lớn hơn
nhiều so với năng lượng để giữ các electron với nhân. Ví dụ, năng lượng để thêm 1
electron vào nhân thì bằng 13.6 eV, nhỏ hơn 1 phần triệu của 17 MeV giải phóng từ
phản ứng D – T (deuterium – tritium, các đồng vị của hyđro).
Hiện nay, nghiên cứu về tính khả thi của phương pháp hợp hạch ta có thểxem
đây là một nguồn cung cấp năng lượng thực tiễn đang được thực hiện với hi vọng
khống chế được tốc độ cũng như lượng nhiệt của phản ứng.Với các vật liệu được
biết đến ngày nay thì không có vật liệu nào chịu được nhiệt độ quá cao của phản
ứng.Hiện tại phản ứng nhiệt hạch được thực hiện một cách không khống chế nên
gây lãng phí năng lượng.Vì vậy,một trong những mục tiêu quan trọng nhất của vật
lí học hiện nay là thực hiện phản ứng nhiệt hạch dưới dạng kiểm soát được.Một số
nghiên cứu hướng đến việc sử dụng chùm laser hội tụ để nhắm vào nhiên liệu hạt
nhân, ép chúng ở nhiệt độ rất cao để gây ra phản ứng. Ngoài ra, người ta cũng có
thể dùng từ trường ngoài khống chế các hạt nhân, đảm bảo chúng không va chạm
vào thành bình chứa chúng, giữ cho phản ứng được thực hiện trong điều kiện ít tốn
kém và hiệu suất cao.
Nếu việc ứng dụng công nghệ năng lượng này trở thành hiện thực, nó sẽ trở
thành nguồn năng lượng lý tưởng cho con người. Các đặc tính ưu việt như: mật độ
năng lượng rất cao (lớn hơn hàng tỷ lần mật độ năng lượng của các nhiên liệu hóa
thạch, hơn hàng chục lần mật độ năng lượng của nhiên liệu phân hạch), hoàn toàn
không gây ô nhiễm môi trường (nếu nhiên liệu là các đồng vị của hydro như D, T thì

sản phẩm thải là heli, khí hiếm hoàn toàn không gây bất kì ảnh hưởng nào đến môi
trường), công nghệ hạt nhân và tổng hợp đồng vị phát triển và nguồn nhiên liệu thô
hydro dùng để tổng hợp D, T là vô tận trong vũ trụ, là một trong những điểm vượt trội
của loại hình năng lượng này mà không có loại hình năng lượng nào khác có được.
Một khi công nghệ hóa hữu cơ đã phát triển được vật liệu thích hợp làm bình chứa cho

HVTH: Lê Kim Long

8

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

phản ứng, và công nghệ hạt nhân tìm ra được phương pháp khống chế hiệu quả, thì loại
năng lượng này sẽ trở thành một nguồn năng lượng không thể thiếu của con người.

Hình 2.1: Sơđồ khối của phản ứng D – T.

HVTH: Lê Kim Long

9

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

2.3. Một số phản ứng nhiệt hạch

2.4. Cơ chế tổng hợp nhiệt hạch giam bằng quán tính
2.4.1.Định nghĩa
Cơ chế tổng hợp nhiệt hạch giam bằng quán tính (inertial confinement
fusion, viết tắt là ICF) là một quá trình mà các phản ứng nhiệt hạch được kích hoạt
bằng cách gia nhiệt và nén nhiên liệumục tiêu (nhiên liệu mồi), thường thì nhiên
liệu này ở dạng hạt (hoặc viên) và hầu hết đều chứa một hỗn hợp của deuterium và
tritium.
Để nén và gia nhiệt nhiên liệu, năng lượng được gửi đến lớp ngoài của nhiên
liệu này bằng cách sử dụng những chùm tia laze, electron hay ion có năng lượng
cao và hầu như tất cả các thiết bị ICF từ trước đến nay đều sử dụng tia laze. Lớp
HVTH: Lê Kim Long

10

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

ngoài khi được làm nóng ở nhiệt độ khá cao nó sẽ phát nổ và tạo ra một lực ép để ép
phần còn lại của nhiên liệu, sau đó sức ép nhanh chóng tác động vào phần trong và
nén nhiên liệu.Quá trình này được thiết kế để tạo ra các sóng xung kích đi xuyên
vào trong nhiên liệu mục tiêu.Và khi có được một tập hợp nhiều sóng xung kích đủ
mạnh ta có thể dùng để nén và làm nóng nhiên liệu ở phần lõi (trung tâm) từ đó tạo
ra các phản ứng nhiệt hạch.
Mục đích của ICF là tạo ra một trạng thái được gọi “đánh lửa”, tại trạng thái
này, quá trình gia nhiệt sẽ gây ra một phản ứng dây chuyền đốt cháy một lượng
nhiên liệu đáng kể. Các hạt nhiên liệu điển hình có kích thước vào khoảng một đầu
kim và chứa khoảng 10 mg nhiên liệu: trong thực tế chỉ có một lượng tỷ lệ nhỏ

được dùng vào phản ứng nhiệt hạch nhưng nếu toàn bộ nhiên liệu được tiêu thụ thì
nó sẽ sinh ra năng lượng tương đương với năng lượng tạo ra từ việc đốt cháy một
thùng dầu.
2.4.2.Nguyên lý hoạt động
1. Các chùm laser hoặc tia X đốt nóng cực nhanh lớp vỏ viên nhiên liệu có
mật độ cao, tạo ra lớp plasma bề mặt.
2. Vật chất lớp vỏ phát nổ tạo nên lực ép dưới dạng sóng xung kích hướng
vào tâm và nén nhiên liệu đồng thời phản ứng tổng hợp nhiệt hạch xảy ra mang tính
cục bộ đốt nóng thêm viên nhiên liệu.
3. Vào giai đoạn cuối của quá trình mồi, nhiệt độ lên tới hằng triệu độ và
kích nổ nhiệt hạch.
4. Quá trình đốt cháy nhiệt hạch diễn ra và lan truyền nhanh trong khối
nhiên liệu bị nén, sinh ra năng lượng nhiều hơn nhiều lần năng lượng mồi.

HVTH: Lê Kim Long

11

GVHD: TS. Lê Chí Kiên