Nội Dung luận văn TN

Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Trong năm gần với tăng trưởng kinh tế, nhu cầu lượng tăng đáng kể nguồn tài nguyên lượng sử dụng ngày cạn kiệt Trước hồn cảnh đó, nhà khoa học không ngừng chạy đua lĩnh vực giải vấn đề lượng có hai xu hướng nghiên cứu tập trung Xu hướng thứ tìm kiếm sử dụng nguồn lượng nhằm thay nguồn lượng dầu mỏ, khí đốt, than, nhiên liệu hóa thạch xu hướng thứ hai tiết kiệm chi phí hệ thống lượng Ở xu hướng thứ nhất, dạng lượng kể đến như: lượng gió, thủy triều, mặt trời, địa nhiệt, sinh khối Tuy nhiên, dạng lượng số vấn đề cần nghiên cứu hoàn thiện giá thành cao, chi phí lớn, phụ thuộc vào nhiều yếu tố thiên nhiên độ biến đổi nguồn lượng lớn Do vậy, đề tài chọn xu hướng thứ hai tiết kiệm chi phí hệ thống máy phát phương pháp tiết kiệm chi phí dùng hệ thống máy phát sử dụng nguyên lý Từ thủy động lực MHD (MagnetoHydroDynamic) Đây dạng phát điện trực tiếp với nguồn nhiệt sử dụng nhiệt độ cao 2000°𝐾 kỳ vọng cho hiệu suất lớn nhiều so với hệ thống phát điện kiểu truyền thống trước 1.2 Tình hình nghiên cứu tính cấp thiết 1.2.1 Các nghiên cứu MHD giới - Máy phát MHD với lưu chất muối kim loại nóng chảy - Máy phát MHD với nhiên liệu hóa thạch, sử dụng chu trình kết hợp với turbine để nâng cao hiệu suất phát điện - Ứng dụng máy phát MHD sử dụng kim loại lỏng cho tàu ngầm để giảm tiếng ồn khí - Sử dụng vật liệu siêu dẫn để tạo từ trường mạnh cho kênh dẫn HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên - Máy gia tốc sử dụng nguyên lý MHD (MHD accelerator) - Mô vận tốc áp suất vật dẫn, chất lỏng không nén - Phản ứng máy phát dạng đĩa chu trình kín kết nối với hệ thống điện 1.2.2 Các nghiên cứu MHD Việt Nam - Ảnh hưởng vận tốc, mật độ từ trường, thông số Hall lên thông số đầu MHD - Khảo sát tính kinh tế máy phát từ thủy động lực Việt Nam - Mô số thông số loại máy phát điện từ thủy động lực - Phân tích thơng số vào- tính tốn tỉ suất enthalpy máy phát điện từ thủy động lực Xuất phát từ thực tế trên, đề tài “Tiết kiệm chi phí hệ thống phát điện chu trình kín sử dụng Từ thủy động lực học” nhằm sâu vào nghiên cứu tính toán lợi nhuận đạt nhà máy từ chi phí lắp đặt đến chi phí nhiên liệu,từ giảm chi phí nhiên liệu, hạ giá thành sản xuất điện, cách lập mơ hình mơ hệ thống sử dụng phần mềm Matlab nhằm tối ưu thông số Với kết đạt tin cung cấp cơng cụ tính tốn mơ hữu ích cho phát triển nguồn điện phục vụ cho mục tiêu Cơng nghiệp hóa - Hiện đại hóa đất nước, đồng thời giúp ích cho nhà nghiên cứu, cán kỹ thuật, sinh viên… nghiên cứu vấn đề máy phát từ thủy động lực Việt Nam 1.3 Nhiệm vụ mục tiêu đề tài Phương pháp phát điện Từ thuỷ động lực (MHD) hướng nghiên cứu xây dựng dạng mơ hình thí nghiệm đưa vào sử dụng tương lai gần hiệu suất phát điện cao Dựa vào phần đặt vấn đề nêu trên, nhiệm vụ trọng tâm đề tài nghiên cứu tìm hiểu tính kinh tế phương pháp phát điện Từ thủy động lực học, chủ yếu gồm vấn đề sau: - Tìm hiểu nguyên lý phát điện Từ thủy động lực học - Khảo sát chu trình phát điện Từ thủy động lực học - Phân tích đặc tính kinh tế-kỹ thuật phát điện Từ thủy động lực HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung Luận Văn Thạc Sĩ - GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Xây dựng phương pháp tính tốn tiết kiệm chi phí nhà máy nhiệt điện có kết hợp từ thủy động lực, dựa chi phí đầu tư, vận hành, bảo trì, sửa chữa, đưa chi phí phát điện 1.4 Phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động (MHD) chu trình phát điện (MHD) kết hợp tuabin khí tuabin - Tìm hiểu cách tính chi phí phát điện giới - Thiết lập quan hệ chi phí lượng đầu theo chi phí lượng nhiên liệu vào máy phát từ thủy động lực - Tính tốn tiết kiệm chi phí đầu tư lợi nhuận nhà máy nhiệt điện có kết hợp từ thủy động lực theo giá thành phát điện nhà máy nhiệt điện cụ thể - Nhận xét kết luận 1.4.1 Giới hạn đề tài - Nghiên cứu nguyên lý phát điện từ thủy động lực học - Nghiên cứu Chu trình phát điện từ thủy động lực học chất lỏng hoạt động - Phân tích chu trình từ thủy động lực học - Ưu điểm nhược điểm hệ thống từ thủy động lực học - Quan hệ chi phí đầu tư, vận hành, chi phí nhiên liệu đầu vào với giá thành lượng đầu nhà máy nhiệt điện có kết hợp từ thủy động lực - Nhiên liệu sử dụng than đá - Chưa sâu nghiên cứu cơng nghệ hiệu ứng lị MHD giá thành tương ứng với 10MW đến 50MW - Chưa phân tích giá trị tiền tệ theo thời gian vốn đầu tư, thay đổi giá điện đầu ra, khâu hao nhà máy, phân tích lợi nhuận sau thuế - Lợi nhuận phân tích dựa biến thiên biến xét riêng lẻ mà không xem đến biến thiên đồng thời biến HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên 1.5 Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu - Nghiên cứu máy phát từ thủy động lực phương pháp tính tốn tiết kiệm chi phí điện - Do lĩnh vực nước ta nên người thực luận văn khơng có điều kiện thực nghiệm mà khảo sát mơ hình tốn, từ phân tích kết nhận kiến nghị - Phân tích kết nhận kiến nghị - Đánh giá tổng quát toàn đề tài Đề nghị hướng phát triển đề tài 1.6 Kết dự kiến giá trị thực tiễn - Phân tích ưu khuyết điểm kinh tế - kỹ thuật phương pháp phát điện Từ thủy động lực - Xác định chi phí cho phương pháp phát điện từ thủy động lực trường hợp cụ thể - Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng lúc ba loại máy phát điện nhà máy, nâng cao hiệu suất phát điện tiết kiệm chi phí điện - Giúp nhà hoạch định chiến lược nguồn lượng quốc gia có thêm hướng việc phát triển nguồn lượng tương lai - Sử dụng làm tài liệu giảng dạy HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên lý làm việc máy phát điện MHD Máy phát điện từ thủy động lực (hay máy phát MHD) hệ thống chuyển nhiệt hay động trực tiếp thành điện năng, dựa nguyên lý từ thủy động học Chúng thường có khả làm việc nhiệt độ cao không cần có chi tiết phải bơi trơn Khí thải hệ thống thường plasma nóng tái sử dụng để cung cấp nhiệt cho hệ thống nhiệt điện truyền thống Trong máy phát điện MHD, chuyển động dòng chất lỏng dẫn điện plasma sử dụng để tạo dòng điện Máy phát điện MHD hoạt động theo định luật Lorentz: Đặt bàn tay trái duỗi thẳng để đường cảm ứng từ xuyên vào lòng bàn tay,chiều từ cổ tay đến ngón tay trùng với chiều vận tóc hạt, ngón tay chỗi chiều lực Lorentz nếucc hạt mang điện tích dương, chiều ngược lại hạt mang điện tích âm Hình 2.1: Lực Lorentz ⃗⃗⃗ 𝑣 ) 𝐹𝐿 = |𝑞| 𝑣 𝐵 𝑠𝑖𝑛(𝐵 Trong đó: 𝐹𝐿 lực Lorentz (N); |𝑞| độ lớn điện tích (C); v vận tốc hạt mang điện (m/s); B cảm ứng từ (T) Theo quy tắc nhân có hướng véctơ, F vng góc với v B, tuân theo quy tắc bàn tay phải Lực dẫn hướng điện từ chuyển động lưu chất dẫn điện đến điện cực đặt vị trí thích hợp dòng chảy nằm từ HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên trường điện cực tạo điện Một máy phát điện MHD hoạt động theo nguyên lý bản: Định luật Faraday quy tắc bàn tay phải Hình 2.2: Nguyên lý máy phát MHD Máy phát từ thủy động lực học chu trình mở vận hành với nhiên liệu hóa thạch đốt cho qua hệ thống MHD sau kết hợp với tuabin vận hành thử nghiệm vào khoảng năm 1965 Máy phát MHD chu trình kín thường thường sử dụng nhiên liệu từ lị hạt nhân, có dùng nhiên liệu hóa thạch Chất dẫn điện MHD khí kim loại lỏng có nhiệt độ làm việc thông thường khoảng 30000K tuabin nhiệt độ giới hạn khoảng 8500K với máy phát tuabin hiệu suất đạt 42% Đối với máy phát MHD khơng có phận chuyển động quay nên nâng nhiệt độ lên cao nên cho hiệu suất cao Hiệu suất chu trình kết hợp xác định biểu thức (2.1): 𝜂𝑛𝑒𝑡 = 𝜂1 + 𝜂2 (1 − 𝜂1 ) (2.1) Trong đó: 𝜂1 hiệu suất máy phát MHD 𝜂2 hiệu suất turbin Quá trình thực sử dụng từ trường mạnh để tạo điện trường với luồng chất lỏng dẫn điện xuyên qua kênh dòng electron gây điện trường tạo dịng điện có vector mật độ dịng J Các điện cực phía đối diện thành lò MHD tiếp xúc với chất lỏng dẫn điện nối với mạch điện bên Các electron từ HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên chất lỏng theo điện cực từ phía vách lị đến tải bên ngồi đến điện cực phía đối điện trở khối chất lỏng tạo thành dịng điện kín Như vậy, nhận thấy hai điện cực cung cấp cho tải bên ngồi dịng điện chiều, nối với nghịch lưu để trở thành dòng điện xoay chiều Các máy phát điện thường hoạt động theo chu trình Brayton, có hiệu suất tương đương với chu trình Carnot điều kiện lý tưởng Hiệu suất phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh, máy phát từ thủy động lực hoạt động nhiệt độ nguồn nóng cao Các phương trình máy phát MHD: Phương trình động lực học: 𝑑𝑢 𝑑𝑝 𝑑𝑥 𝑑𝑥 𝜌𝑢 ( ) + ( ) + 𝐽𝐵 = (2.2) Phương trình lượng: 𝜌𝑢 𝑑 𝑑𝑥 (ℎ + 𝑢2 ) + 𝐽𝐸 = (2.3) Phương trình tính liên tục: 𝜌𝑢𝐴 = 𝑚 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 (2.4) Mật độ dòng đưa định luật Ohm áp dụng cho máy phát MHD: J= 𝜎(−𝐸 + 𝑢𝐵) [𝐴/𝑚2 ] (2.5) Trong đó: u vận tốc, ρ mật độ dịng khí, p áp suất, h chiều cao, E cường độ điện trường 2.2 Các loại máy phát điện MHD Dựa vào nguyên lý Từ thủy động lực, người ta chia máy phát điện MHD thành nhiều loại khác tùy theo dạng điện cực hình 2.3 Trong loại máy phát điện Faraday, từ trường đặt vng góc với dòng chảy chất lỏng dẫn điện Dưới tác động lực Lorentz, điện tích tích tụ thành ống dẫn, vng góc với từ trường chiều dịng chảy Tại thành ống, đặt điện cực để thu điện tích Cơng suất máy phát tỷ lệ với thiết diện ống dẫn tốc độ chảy Khi điện gặt hái, dòng chảy chảy chậm lại nguội HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Thơng thường nhiệt độ dòng chảy sau qua máy phát điện bị giảm từ nhiệt độ plasma xuống khoảng 1000K Nhược điểm máy phát điện loại Faraday hiệu suất khơng cao, thất điện điện cực, đặc biệt thất thoát hiệu ứng Hall Do người ta chế tạo máy phát điện loại Hall Hình 2.3: Các loại máy phát điện MHD với (a) loại Faraday điện cực liên tục, (b) loại Faraday điện cực phân đoạn, (c) loại Hall (d) loại điện cực chéo Máy phát điện loại Hall sử dụng hiệu ứng Hall để tạo dịng điện chiều với dịng khí chảy Các dãy điện cực ngắn đặt vng góc với dịng chảy với từ trường ngồi, dọc bên dịng chảy Điện cực đầu nguồn điện cực cuối dịng chảy nối mạch điện ngồi để cung cấp điện Mỗi điện cực lại nối với điện cực đối diện dọc theo dòng chảy, dòng điện cảm ứng (theo nguyên lý máy phát Faraday nêu trên, gọi dòng điện Faraday) chạy đoạn nối này, tạo nên từ trường mạnh dòng chảy, uốn dòng chảy chạy theo đường cong dọc theo ống Thiết kế có hiệu suất cao máy phát Faraday, hiệu suất phụ thuộc nhiều vào tải bên Máy phát loại điện cực chéo loại kết hợp đặc tính loại Faraday loại Hall nên cho hiệu suất cao điện áp cao, nhiên đặc tính cịn tùy thuộc thơng số chất khí đầu vào Do vậy, thiết kế tối ưu hóa HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên máy phát MHD, tùy thuộc thơng số đặc tính chất khí mà chọn loại máy phát thơng số cho loại máy phát Với loại máy phát điện MHD trên, nguyên lý Từ thủy động lực học ứng dụng để chuyển nhiệt cung cấp lò phản ứng hạt nhân thành điện năng, chúng hoạt động nhiệt độ cao (2000°K trở lên) Bằng cách kết hợp sử dụng máy phát điện Từ thủy động lực học với hệ thống tái sử dụng nhiệt khí thải (thông qua máy phát nhiệt điện truyền thống máy phát tuabin nước, tuabin khí), hiệu suất tồn hệ thống đạt 60% Tuy nhiên, máy phát điện Từ thủy động lực học chưa ứng dụng cho sản xuất điện quy mơ lớn đưa vào thương mại cịn nhiều vấn đề kỹ thuật, công nghệ cạnh tranh giá thành từ mẫu tuabin khí đại (cũng có khí thải tái sử dụng máy nước) 2.3 Ưu điểm nhược điểm hệ thống MHD 2.3.1 Ưu điểm - Có thể dùng nhiều loại lượng để cung cấp cho máy phát như: than, dầu, khí, lượng hạt nhân, lượng mặt trời - Do khơng có cấu chuyển động quay nên độ bền học cao, chi phí bảo trì, bảo dưỡng thấp - Ơ nhiễm khí thải thấp lần so với nhà máy nhiệt điện - Nếu kết hợp với phát điện turbin khí turbin hiệu suất cao - Khả đáp ứng công suất theo thời gian cao Có thể phát cơng suất cực đại từ 0.3 đến 0.5s, phù hợp cung cấp công suất cho tải đỉnh hệ thống - Kết cấu gọn nhẹ so với máy phát khác Các nghiên cứu MHD sở để chế tạo sản phẩm khác có tính chất đặc biệt như: - Động phản lực có tốc độ cao mà động bình thường khơng đáp ứng - Động tàu thủy HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên 2.3.2 Nhược điểm Cấu tạo nam châm siêu dẫn nhà máy MHD nhỏ 1kW, gặp khó khăn phát sinh từ tiếp xúc bề mặt kim loại đến nhiệt độ cao máy phát điện hình thành ăn mịn kim loại điện cực Cấu tạo máy phát kinh tế chi phí cao.Cấu tạo máy phát chịu nhiệt khơng có kênh ống dẫn nam châm siêu dẫn lớn khó khăn MHD thiếu nam châm siêu dẫn hiệu so với kết hợp chu trình tuabin khí 2.4 Ngun lý làm việc chu trình tuabin khí Chu trình tuabin khí hoạt động dựa nguyên lý chu trình Brayton, chu trình nhiệt động lực học sử dụng phổ biến đời sống có hiệu suất tương đối cao hoạt động dựa nguyên lý nhiệt động lực học Các tuabin khí chứa lượng lớn, lượng có dịng chất khí di chuyển chu trình cố định có nhiệt độ áp suất cao từ đến 10bar Do đó,trong chu trình địi hỏi phải có máy nén Lưu lượng mơi chất tốc độ lớn địi hỏi máy nén gắn đồng trục với trục tuabin Các nhà máy điện tuabin khí sử dụng công nghiệp lượng điện phân thành hai loại: nhà máy tuabin khí chu trình hở nhà máy tuabin khí chu trình kín Nhà máy điện tuabin khí chu trình kín hình thành phát triển Thụy Sĩ lần đầu vào năm 1935 đến năm 1944 hồn thành Sau nhà máy điện tuabin khí xây dựng tồn giới So với chu trình hở chu trình kín có ưu điểm đáng kể như: - Có thể kiểm soát áp suất ngược cách dễ dàng kích thước máy nhỏ giá thành thấp - Chu trình kín tránh ăn mịn cánh tuabin giúp nâng cao tuổi thọ nhà máy điện - Giải vấn đề nghiêm trọng mà chu trình hở gặp phải lọc chất khí thải mơi trường HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 10 ... thủy triều, địa nhiệt chi phí nhiên liệu khơng có coi nguồn lượng tự nhiên vô tận Trong Nội dung luận văn, tập trung chủ yếu vào lượng nhiệt điện dạng lượng kết hợp với từ thủy động lực 3.1.1... học - Phân tích đặc tính kinh tế-kỹ thuật phát điện Từ thủy động lực HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung Luận Văn Thạc Sĩ - GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Xây dựng phương pháp tính tốn tiết kiệm chi phí nhà máy... thiên biến xét riêng lẻ mà không xem đến biến thiên đồng thời biến HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên 1.5 Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu liên quan