CHƯƠNG 1: TÓM TẮT Ở chương 8: phương pháp làm mát không khí đầu vào của turbine khí ở ASHRAEHandbook HVAC System and equipment, tác giả đã phân tích ảnh hưởng tiêu cực khi tăngnhiệt độ k
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
TIỂU LUẬN CUỐI KỲ MÔN HỌC : ANH VĂN CHUYÊN NGÀNH
PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT KHÔNG KHÍ ĐẦU VÀO
Trang 2ĐIỂM SỐ TIÊU
Trang 3MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 4
PHỤ LỤC HÌNH ẢNH 5
CHƯƠNG 1: TÓM TẮT 6
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG 7
ƯU ĐIỂM 11
NHƯỢC ĐIỂM 13
ĐINH NGHĨA VÀ LÝ THUYẾT 13
CÁC LOẠI HỆ THỐNG 13
TÍNH TOÁN TĂNG CƯỜNG CÔNG SUẤT VÀ KINH TẾ 22
KẾT LUẬN 29
Trang 4LỜI CẢM ƠN Đầu tiên cho em xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành và sự kính trọng tới – CácThầy và Cô Bộ môn Công nghệ Nhiệt điện lạnh Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, và đặc biệt là giáo viên hướng dẫn người thầy TS Trần Thanh Tình đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo
em trong suốt quá trình học môn anh văn chuyên ngành.
Do kiến thức còn hạn hẹp nên không tránh khỏi những thiếu sót trong cách hiểu, lỗitrình bày Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy
Em xin chân thành cảm ơn!
Trang 5PHỤ LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến công suất của tua bin khí. 8
Hình 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến tỷ lệ nhiệt của tua bin khí. 8
Hình 3 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến nhiệt năng, lưu lượng khối lượng và nhiệt độ của khí thải của tua bin khí 9
Hình 4. Dữ liệu về nhu cầu điện năng theo giờ. 10
Hình 5. Ví dụ về dữ liệu tải của hệ thống và giá điện trong ngày. 10
Hình 6. Đồ thị không khí ẩm thể hiện quá trình làm mát không khí đầu vào bằng phương pháp trực tiếp và gián tiếp. 14
Hình 7. Tấm ướt tiêu biểu của thiết bị làm mát bay hơi. 16
Hình 8. Hệ thống phun sương nước 17
Hình 9. Dàn coil sử dụng cho hệ thống bay hơi gián tiếp. 19
Hình 10 Ví dụ về ảnh hưởng của công nghệ CTIC và nhiệt độ môi trường lên tiềm năng tăng cường công suất 27
Hình 11. Ví dụ về ảnh hưởng của công nghệ CTIC và nhiệt độ môi trường lên 28
Trang 6CHƯƠNG 1: TÓM TẮT
Ở chương 8: phương pháp làm mát không khí đầu vào của turbine khí ở ASHRAEHandbook HVAC System and equipment, tác giả đã phân tích ảnh hưởng tiêu cực khi tăngnhiệt độ không khí xung quanh lên công suất đầu ra, tỷ lệ nhiêt của tuabin khí, từ đó chỉ rađược các ưu điểm của phương pháp như các lợi ích về kinh tế và môi trường, tác giả cũng
đã chỉ ra nhược điểm của phương pháp đó là làm tăng độ sụt áp của dòng không khí khí điqua các thiết bị làm mát điều đo dẫn đến làm giảm công suất của tuabin khí ngay cả khithiết bị làm mát không hoạt động, và tác giả cũng đã trình bày các hệ thống sử dụng để làmmát bao gồm: phương pháp làm mát bay hơi, sử dụng hệ thống chiller, phương pháp bayhơi khí tự nhiên hóa lỏng, hay phương pháp Hybrid.
Trang 7CHƯƠNG 2: NỘI DUNG
Công suất năng lượng đầu ra của tất cả các loạitua bin khí đốt (CT) thì đều thay đổitheo nhiệt độ không khí xung quanh và độ cao của vị trí Công suất của tất cả các CT đềuđược thiết kế dựa trên trạng thái không khí xung quanh tiêu chuẩn ở 59°F, 60%, 14,7 psia
ở mực nước biển và không có sự giảm áp suất giữa đầu vào và đầu ra,được lựa chọn lựachọn theo tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (ISO) Đối với tất cả các tua bin khí, khi tăngnhiệt độ không khí xung quanh hoặc độ cao của địa điểm thì sẽ làm giảm công suất đầu ra
và làm giảm hiệu suất nhiên liệu (tức là làm tăng tỷ lệ nhiệt, tỷ lệ nhiệt được định nghĩa làlượng năng lượng nhiên liệu cần thiết cho mỗi đơn vị điện năng được sản xuất) Tuy nhiên,mức độ ảnh hưởng của những thay đổi này đến sản lượng và hiệu suất thay đổi tùy theothiết kế của tua bin khí Chương này cung cấp những thảo luận chi tiết về phương pháp làmmát đầu vào tuabin khí đốt (CTIC) Thông tin bổ sung về việc áp dụng CTIC cho các hệthống đồng phát được cung cấp trong Chương 7.
Có hai loại CT: loại dùng cho máy bay và loại dùng cho công nghiệp Hình 1 và 2cho thấy tác động của nhiệt độ không khí xung quanh đến công suất đầu ra và tỷ lệ nhiệttương ứng với các loại tua bin này Hiệu suất thực tế của một tua bin khí cụ thể ở các nhiệt
độ không khí đầu vào khác nhau phụ thuộc vào thiết kế của nó Hình 1 và 2 cho thấy loạitua bin sử dụng cho máy bay nhạy cảm với nhiệt độ không khí xung quanh hơn so với tua bin sử dụng cho công nghiệp Hình 1 Cho thấy, đối với một tua bin khí dùng cho máy baythông thường, khi nhiệt độ không khí đầu vào tăng từ 59 đến 100°F vào một ngày hè nóngnực làm giảm công suất đầu ra giảm xuống còn 81% tỷ lệ công suất của nó: mất 19% tỷ
lệ công suất Hình 2 cho thấy, đối với cùng một sự thay đổi về nhiệt độ không khí xungquanh, tỷ lệ nhiệt của một tua bin khí sử dụng cho máy bay thông thường tăng (tức là hiệusuất nhiên liệu giảm) khoảng 4% tốc độ nhiệt định mức ở điều kiện thiết kết của ISO Ngàycàng nhiều tua bin khí sử dụng cho công nghiệp đang sử dụng công nghệ của tua bin khí
sử dụng cho máy bay để cải thiện hiệu suất; do đó, các đường cong hiệu suất của nó dịchchuyển theo phía của các đường cong hiệu suất của tua bin khí sử dụng cho máy bay cổđiển.
Trang 8Hình 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến công suất của tua bin khí.
Hình 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến tỷ lệ nhiệt của tua bin khí.Trong các hệ thống đồng phát và chu trình kết hợp sử dụng năng lượng nhiệt từ khíthải của tua bin khí để tạo ra hơi nước, sưởi ấm, làm mát hoặc tạo ra nhiều điện hơn, khinhiệt độ không khí xung quanh tăng lên cũng làm giảm tổng năng lượng nhiệt cung cấp chocác ứng dụng này, được thể hiện trong Hình 3.
Trang 9Hình 3 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến nhiệt năng, lưu lượng khối lượng và
nhiệt độ của khí thải của tua bin khí
Các tua bin khí trong hệ thống chu trình đơn và chu trình hỗn hợp thường được sửdụng để đáp ứng nhu cầu điện cao điểm vì khả năng khởi động và dừng nhanh hơn các hệthống nhiệt điện sử dụng tua bin hơi sử dụng than, dầu hoặc khí đốt và nhà máy hạt nhân.Đối với phát điện bằng nhiên liệu hóa thạch, các hệ thống chu trình hỗn hợp là hệ thốngtiết kiệm nhiên liệu nhất (tỷ lệ nhiệt thấp nhất thường là 7000 Btu/kWh) và các hệ thống sửdụng tua bin hơi là hệ thống kém hiệu quả nhất (tỷ lệ nhiệt cao nhất trong khoảng từ 12.000đến 20.000 Btu/kWh, tùy thuộc vào tuổi thọ của tua-bin) Tỷ lệ nhiệt điển hình của hệ thốngchu trình đơn là khoảng 10.000 BtukWh Do đó, để giảm hiểu chi phí nhiên liệu cho phátđiện, thứ tự ưu tiên vận hành để đáp ứng nhu cầu thị trường là vận hành các hệ thống chutrình kết hợp trước, sau đó là các hệ thống chu trình đơn và các tua bin hơi cũ chạy bằngdầu là phương án cuối cùng.
Nhu cầu điện năng thường cao khi nhiệt độ môi trường cao Một ví dụ về dữ liệutheo giờ của nhiệt độ môi trường, tải hệ thống và công suất đầu ra của tua bin khí được thểhiện trong Hình 4.
Khi nhiệt độ môi trường cao làm tăng nhu cầu điện, việc sử dụng các nhà máy phátđiện kém hiệu quả hơn (chi phí nhiên liệu cao) là cần thiết và điều đó làm tăng giá thịtrường của điện năng Hình 5 cho thấy dữ liệu tải theo giờ tại một khu vực của Hoa Kỳtrong một ngày vào mùa hè Mặc dù nhu cầu điện cao điểm tăng 80%,nhưng giá điện cao
Trang 10điểm tăng hơn 400% .Hình 4 và 5 cho thấy công suất đầu ra của tua bin khí giảm đúng vàothời điểm cần thiết nhất và cũng là thời điểm điện năng có giá trị nhất.
Các xu hướng thay đổi thể hiện trong Hình 4 và 5 không chỉ riêng ở Hoa Kỳ TrungĐông đang chứng kiến tốc độ tăng trưởng của nhu cầu điện năng cao hơn nhiều và nhu cầu
đó cũng liên quan trực tiếp đến việc sử dụng điện trong thời tiết nóng Ở một số quốc gia ởTrung Đông, hơn 40% lượng điện năng tiêu thụ liên quan đến điều hòa không khí.
Hình 4. Dữ liệu về nhu cầu điện năng theo giờ
Hình 5. Ví dụ về dữ liệu tải của hệ thống và giá điện trong ngày
Phương pháp CTIC được hàng ngàn nhà máy điện sử dụng tua bin khí để khắc phụcnhững tác động xấu của việc tăng nhiệt độ môi trường tăng đến hiệu suất của tua bin khí
Trang 11Nó mang lại lợi ích về kinh tế và môi trường cho chủ nhà máy, người tiêu dùng và côngchúng nói chung.
Lợi ích về kinh tế;
• Tăng tối đa sản lượng điện khi cần thiết nhất và khi có giá trị nhất
• Giảm chi phí vốn ($k/W) khi tăng công suất
• Tăng hiệu suất nhiên liệu của tua bin khí (giảm tỷ lệ nhiệt)
• Giảm thiểu việc sử dụng các hệ thống sử dụng tua bin hơi kém hiệu quả, do đó, giúpgiảm thiểu việc tăng giá điện cho người sử dụng.
Lợi ích về môi trường;
Cho phép giảm tối thiểu việc sử dụng các nhà máy điện kém hiệu quả và gây ô nhiễm bằngcách tăng tối đa việc sử dụng các nhà máy điện tua bin khí hiệu quả và sạch hơn.
- Bảo tồn tài nguyên nhiên liệu thiên nhiên
- Giảm phát thải các chất gây ô nhiễm (SOx, NOx, các hạt bụi và hydrocarbon)
- Giảm phát thải khí thải gây nóng lên toàn cầu/biến đổi khí hậu (CO2)
Giảm thiểu/loại bỏ các vấn đề về vị trí nhà máy điện mới
Việc giảm phát thải từ phương pháp CTIC là kết quả của việc thay thế các nhà máy điệntua bin hơi có tỷ lệ nhiệt cao sử dụng trong giờ cao điểm, được thể hiện trong ví dụ ở Bảng
1.
Phương pháp CTIC giúp giảm lượng khí thải carbon từ việc sử dụng năng lượng theo haicách: (1) cải thiện hiệu quả năng lượng của tua bin khí và (2) tăng công suất phát điện củacác hệ thống hiệu suất cao hơn và do đó loại bỏ hoặc giảm thiểu việc sử dụng các hệ thống phát điện kém hiệu quả hơn.
Có bốn loại hệ thống nhiệt điện chính:
• Chu trình kết hợp (CC) •
Trang 12• Chu trình đơn giản (SC)
• Chu trình đông phát (CHP).
• Chu trình sử dụng tua bin hơi
Hiệu suất phát điện của các hệ thống này thường nằm trong khoảng từ 48 đến 55%(tức là, tỷ lệ nhiệt từ 6500 đến 7000 Btu/kWh) đối với chu trình kết hợp, từ 34 đến 42%(tức là, tỷ lệ nhiệt từ 8000 đến 10.000 Btu/kWh) đối với chu trình đơn giản và từ 23 đến28% (tức là, tỷ lệ nhiệt từ 12.000 đến 15.000 Btu/kWh) đối với tua bin hơi Mặc dù hiệusuất phát điện của các hệ thống CHP rất giống với hệ thống CC hoặc SC vì chu trình CC
và SC là một phần của CHP, nhưng hiệu suất sử dụng năng lượng tổng thể của CHP có thểcao nhất đối với các cơ sở cần đáp ứng cả tải điện và tải nhiệt Hiệu suất sử dụng nănglượng tổng thể là thấp nhất đối với hệ thống sử dụng tua bin hơi Ví dụ về hiệu quả phátđiện, tổng thể hiệu quả sử dụng năng lượng và lượng khí thải carbon dioxide của tất cả bốn
hệ thống được hiển thị trong Bảng 1.Trong ví dụ này, hệ thống CHP sử dụng cùng tua binkhí với hệ thống chu trình kết hợp và chu trình đơn và có lượng khí thải carbon dioxidethấp nhất, tiếp theo là hệ thống chu trình kết hợp, chu trình đơn giản và tua bin hơi nước
Do đó, để giảm thiểu lượng khí thải carbon của việc sử dụng năng lượng, điều mong muốn
là tối đa hóa việc sử dụng các hệ thống CHP và giảm thiểu việc sử dụng các hệ thống tua bin hơi nước Phương pháp CTIC cho các hệ thống CHP không chỉ làm tăng công suất điệnđầu ra mà còn tăng lượng nhiệt năng, vì lưu lượng khí thải cao hơn.
Bởi vì CTIC giúp tối đa hóa công suất của tất cả các hệ thống sử dụng tua bin khí, bất kể chế độ nào, chúng giúp giảm thiểu việc sử dụng các hệ thống sử dụng tua bin hơinước kém hiệu quả năng lượng trong thời tiết nóng và do đó giúp giảm lượng khí thảicarbon từ việc sử dụng năng lượng.
Trang 13Bảng 1 Hệ thống chu trình kết hợp, chu trình đơn và tua bin hơi tiêu biểu.
• Độ sụt áp đầu vào tuabine khí cao hơn vĩnh viễn dẫn đến giảm công suất đầu ra tua binkhí ngay cả khi CTIC không được sử dụng (mức độ giảm áp suất thay đổi tùy theo côngnghệ CTIC)
• Tăng chi phí bảo trì cho thiết bị CTIC.
Sơ đồ nguyên lý của tua bin khí được thể hiện ở Hình6.
Công suất đầu ra của tua bin khí tỷ lệ thuận và bị giới hạn bởi lưu lượng khối lượng của khínén từ máy nén cung cấp không khí áp suất cao cho buồng đốt của hệ thống tua bin khí.Máy nén khí có công suất cố định để xử lý lưu lượng thể tích của không khí cho một tốc độquay nhất định của máy nén Mặc dù dung tích thể tích của máy nén vẫn không đổi, nhưnglưu lượng khối lượng không khí mà nó cung cấp cho tua bin khí thay đổi theo nhiệt độkhông khí xung quanh Lưu lượng khối lượng của không khí giảm khi mật độ không khígiảm khi nhiệt độ môi trường tăng Phương pháp CTIC làm giảm nhiệt độ không khí đầuvào, dẫn đến tăng mật độ không khí, lưu lượng khối lượng và công suất đầu ra
Nhiều công nghệ có sẵn trên thị trường cho CTIC, nhưng các phương pháp tiếp cận tổngthể có thể được chia thành các nhóm chính sau:
Trang 14Hệ thống làm mát bay hơi
Hệ thống Chiller
Hệ thống bay hơi khí hóa lỏng (LNG)
Hệ thống Hybrid
Các đường trên ẩm đồ của Hình 6 các quá trình của các công nghệ CTIC
Hình 6. Đồ thị không khí ẩm thể hiện quá trình làm mát không khí đầu vào bằng phương
pháp trực tiếp và gián tiếp
Hệ thống làm mát bay hơi
Hệ thống làm mát bay hơi dựa vào quá trình làm mát được tạo ra bởi sự bay hơi của nướcvào không khí đầu vào Một quá trình làm mát bay hơi lý tưởng xảy ra ở nhiệt độ bầu ướtkhông đổi và làm mát không khí đến độ ẩm tương đối cao hơn (tức là lượng hơi nước tăng
Trang 15nó truyền một phần nhiệt của nó cho nước dạng lỏng và làm bốc hơi một lượng nước.Quátrình truyền nhiệt từ không khí đầu vào tua bin đến nước mát không khí đầu vào Nướcđược thêm vào trong hệ thống bay hơi cũng hoạt động như một thiết bị rửa không khí bằngcách làm sạch luồng không khí đầu vào khỏi các bụi trong không khí và các khí hòa tan,điều này có thể mang lại lợi ích đáng kể cho các bộ lọc phía sau Các nghiên cứu cho thấylàm mát bay hơi cũng làm giảm lượng khí thải NOx do lượng ẩm được thêm vào khôngkhí Đồ thị không khí ẩm cho quá trình của phương pháp CTIC sử dụng hệ thống bay hơi
đã được Stewart (1999) mô tả chi tiết.
Hệ thống làm mát bay hơi có thể làm mát không khí đầu vào lên đến 98% sự chênh lệchgiữa nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt của môi trường Do đó, khả năng làm mát tốtnhất có thể đạt được trong thời tiết nóng, khô
Hệ thống làm mát bay hơi có chi phí đầu tư thấp nhất trong số các hệ thống CTIC và là loại phổ biến nhất được sử dụng Nhược điểm chính của chúng là mức độ làm mát được tạo ra
bị giới hạn bởi nhiệt độ bầu ướt (và do đó, khả năng làm mát phụ thuộc vào thời tiết) Ởnhững vùng khí hậu khô cằn, các hệ thống làm mát bay hơi tiêu thụ một lượng lớn nước (ví
dụ, khoảng 5 gal/h để làm mát 10.000 cfm không khí xuống 20°F), chiếm phần lớn chi phívận hành hệ thống.
Có 2 loại làm mát bay hơi; trực tiếp và gián tiếp.
mại là loại sử dụng các bề mặt ướt và loại phun sương.
Loại sử dụng bề mặt ướt là công nghệ đầu tiên được áp dụng cho CTIC, các hệ thống này
có lịch sử thành công lâu dài trong nhiều điều kiện khí hậu vận hành khác nhau Không khíđầu vào tiếp xúc với một lớp nước mỏng trên bề mặt của tấm ướt giống như tổ ong ,Hình
8 cho thấy một tấm ướt điển hình.
Trang 16Hình 7. Tấm ướt tiêu biểu của thiết bị làm mát bay hơi.
Nước dùng để làm ướt có thể cần hoặc không cần xử lý, phụ thuộc vào chất lượng và thông
số kỹ thuật của nhà sản xuất.
Độ sụt áp suất điển hình trên tấm ướt là khoảng 0,3 inch cột nước Mức độ bão hòa càngcao thì càng cần nhiều tấm ướt hơn và độ sụt áp suất càng cao Hệ thống sử dụng tấm ướtđòi hỏi phải kiểm soát đúng cách tính chất hóa học của nước tuần hoàn (ví dụ, hấp thụ chấtgây ô nhiễm) và theo dõi sự phân hủy của tấm ướt (Graef 2004) Tấm ướt có thể cần đượcthay thế sau mỗi 5 đến 10 năm, tùy thuộc vào chất lượng nước sử dụng, chất lượng khôngkhí và giờ hoạt động.
phun những giọt nước mịn, như thể hiện trong Hình 8
Trang 17Hình 8. Hệ thống phun sương nước.
Hệ thống phun sương áp suất cao có thể được thiết kế để tạo ra các giọt nước có kích thướckhác nhau, tùy thuộc vào thời gian bay hơi mong muốn và điều kiện xung quanh Kíchthước giọt nước thường nhỏ hơn 40 m và trung bình khoảng 20 m Hệ thống phun sươngthường yêu cầu nước chất lượng cao hơn so với hệ thống sử dụng tấm ướt Nhìn chung,thẩm thấu ngược hoặc nước khử khoáng được sử dụng để đảm bảo độ sạch trong toàn bộ
hệ thống Độ sụt áp suất điển hình sau khí đi qua bộ phun sương là khoảng 0,1 inch cộtnước Vòi phun sương có thể cần được thay thế sau mỗi 5 đến 10 năm do bị mòn Máy bơm
áp suất cao cần được bảo dưỡng ít nhất hàng năm.
Hệ thống phun sương phun nhiều nước hơn lượng nước có thể bốc hơi trước khi không khíđầu vào đi vào máy nén của tua bin khí, được gọi là hệ thống phun sương ướt, hệ thốngnén ướt, phun quá mức, phun sương cao hoặc phun sương quá mức Lượng nước phunnhiều hơn lượng cần thiết để phun sương, thì không tiếp tục giảm nhiệt độ không khí đầuvào tua bin khí Các giọt nước được đưa vào bộ phận máy nén của Tua bin khí và tạo rahiệu ứng ba chiều cho hệ thống: