(Đề tài NCKH) nghiên cứu hệ thống phát điện hiệu suất cao kết hợp từ thủy động lực và tuabin khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ÐIỆN HIỆU SUẤT CAO KẾT HỢP TỪ THUỶ ÐỘNG LỰC VÀ TUABIN KHÍ MÃ SỐ: T2013-07TÐ SKC004277 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HIỆU SUẤT CAO KẾT HỢP TỪ THUỶ ĐỘNG LỰC VÀ TUABIN KHÍ Mã số: T2013-07TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Lê Chí Kiên TP.HCM, 11/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HIỆU SUẤT CAO KẾT HỢP TỪ THUỶ ĐỘNG LỰC VÀ TUABIN KHÍ Mã số: T2013-07TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Lê Chí Kiên TP.HCM, 11/2013 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA TS Lê Chí Kiên, Giảng viên, Bộ mơn Điều Khiển Tự Động, Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh MỤC LỤC Danh mục bảng biểu Danh mục chữ viết tắt Thông tin kết nghiên cứu Chương Mở đầu Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước Tính cấp thiết Mục tiêu cách tiếp cận Phương pháp, đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu 10 Chương 1: Cơ sở lý thuyết phát điện Từ thủy động lực 1.1 Nguyên lý phát điện MHD 11 1.1.1 Cơ sở lý thuyết 11 1.1.2 Nguyên lý Từ thủy động lực 12 1.2 Chất khí ion hóa 14 1.2.1 Tương tác điện tử14 1.2.2 Độ dẫn điện 1.2.3 Dòng điện Faraday dòng điện Hall 19 20 1.3 Các loại máy phát điện MHD 22 1.3.1 Phân loại điện cực máy phát điện 1.3.2 Hệ thống phát điện MHD 22 28 Chương 2: Mơ hình lò phản ứng nhiệt hạch 2.1 Phản ứng D-D, D-T 31 2.1.1 Lịch sử phát triển nhiệt hạch hạt nhân 31 2.1.2 Phản ứng D-D, D-T ưu điểm nhiệt hạch i 34 2.2Nhiệt hạch qn tính 2.3Mơ hình lị nhiệt hạch s Chương 3: Các thành phần hệ thống 3.1Tuabin khí 3.2Bộ trao đổi nhiệt 3.3Bộ làm lạnh 3.4Máy nén khí 3.5Hệ thống phát điện tuab Chương 4: Hệ thống phát điện sử dụng mơ hình gia nhiệt song song 4.1Mơ hình truyền nhiệt lị 4.2Các thơng số hệ thố 4.2.1 Máy phát MHD 4.3Hệ thống phát điện MH Chương 5: Kết luận 5.1 5.2Sản phẩm đề tài 5.3Hướng phát triển đề ii Tài liệu tham khảo Sản phẩm khoa học (bài báo đăng tạp chí chuyên ngành) Bản thuyết minh đề tài Bản hợp đồng triển khai nhiệm vụ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Hình 1.1: Lực Lorentz tác động lên điện tích chuyển động Hình 1.2: Quan hệ chiều dịng điện chiều lực Hình 1.3: Nguyên lý phát điện Từ thủy động lực Hình 1.4: Quỹ đạo trịn điện tử từ trường Hình 1.5: Độ dẫn điện hỗn hợp khí theo thứ tự metal/Kali, argon/Kali argon/Cs Hình 1.6: Quan hệ độ dẫn điện tỉ lệ ion hố Hình 1.7: Chiều dịng điện lịng chất khí plasma chảy qua từ trường Hình 1.8: Các loại máy phát điện MHD Hình 1.9: Máy phát MHD đơn giản Hình 1.10: Hệ thống phát điện MHD chu trình kín Hình 1.11: Chu trình hở máy phát MHD Hình 2.1: Sơ đồ khối miêu tả q trình nhiệt hạch giam qn tính Hình 2.2: Năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch chứa lớp lớp ngồi Hình 2.3: Mơ hình biểu diễn vùng nhiệt độ Hình 2.4: Mơ hình lị nhiệt hạch ICF song song Hình 3.1: Cấu tạo bên tuabin khí Hình 3.2: Hình dạng trao đổi nhiệt tiêu biểu Hình 3.3: Hình dạng làm lạnh tiêu biểu Hình 3.4: Máy nén tuabin khí Hình 3.5: Chu trình phát điện ICF Hình 4.1: Mơ hình cân lượng nhà máy phát điện ICF Hình 4.2: Mơ hình cân lượng hệ thống -1- Hình 4.3: Mơ hình hệ thống phát điện MHD/tuabin khí sử dụng gia nhiệt song song Hình 4.4: Hiệu suất tồn hệ thống Hình 4.5: Giới hạn nhiệt độ đầu vào lớp ngồi Hình 4.6: Cơng suất nhiệt hạch cung cấp Hình 4.7: Cơng suất thải làm lạnh Bảng 4.1: Điều kiện tính tốn Bảng 4.2: Quan hệ nhiệt độ đầu lớp nhiệt độ giới hạn đầu vào lò phản ứng -2- DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ICF MHD D-T D-D EE GT : Inertial Confinement Fusion : Magnetohydrodynamic : Deutrrium-Tritium : Deutrrium- Deutrrium : Enthalpy Extraction : Gas Turbine -3- Q fn = Năng lượng lị phản ứng biểu diễn: = Q + Q Q rout rin f hay Q = Q f − Q rout rin với Qrout lượng đầu lị phản ứng, xác định: = c mT Q rout p rout Trout nhiệt độ đầu lò phản ứng Kết hợp công thức (4.24), (4.33), (4.34), (4.35) ta được: =Q Qb rin Có thể viết lại cơng thức (4.36) dạng khác là: = T T rin rout − M b T −T b ) 0.3 ( rout Để xác định nhiệt độ giới hạn đầu vào lò phản ứng (4.37) Trinlimit, thay Tb=Tblimit công thức (4.37), ta được: T rinlimit = T rout − M b T − T blimit ) 0.3 ( rout (4.38) Tblimit nhiệt độ giới hạn lớp ngồi, nhiệt độ giới hạn đầu vào lò phản ứng Nhìn cơng thức (4.38) ta nhận thấy nhiệt độ đầu vào lò phản ứng giới hạn nhiệt độ đầu lò phản ứng nhiệt độ giới hạn lớp 4.3 Hệ thống phát điện MHD/tuabin khí Trong suốt thập niên gần đây, hệ thống nhiệt điện kết hợp tuabin tuabin khí gần chiếm ưu hồn tồn trước nhà máy điện hạt nhân hiệu suất (hiệu suất hệ thống kết hợp đạt 45% điện hạt nhân khoảng 35%) Điều dẫn đến tuabin khí trở thành thành phần quan trọng hệ thống phát điện đại nhiều cơng trình nghiên cứu nhiều lĩnh vực khác công -54- nghệ tuabin khí phát triển, chẳng hạn cơng nghệ đốt giảm phát thải, tuabin khí nhiều tầng, hồi nhiệt làm lạnh trung gian cho tuabin khí để nâng cao hiệu suất mật độ công suất Một hướng nghiên cứu khác cho hệ thống phát điện tương lai Từ thủy động (MHD) Với Từ thủy động, môi chất thường sản phẩm trình đốt cháy nhiên liệu than trạng thái nhiệt phun qua từ trường mạnh làm sinh dịng điện Mơi chất sau qua máy phát Từ thủy động cung cấp cho tuabin khí để tiếp tục phát điện tận dụng nguồn nhiệt môi chất trạng thái nhiệt độ cao Với hệ thống kiểu này, hiệu suất đạt 50% 4.3.1 Mơ hình lượng hệ thống Mơ hình lượng hệ thống phát điện gia nhiệt song song mơ tả hình 4.2 Chúng ta biết giới hạn nhiệt độ tuabin khí khoảng 1700K, máy phát điện Từ thủy động dùng nhiệt độ 2000K Vì vậy, mơ hình lượng sử dụng nhiệt độ từ lớp khoảng 1300~1700K để cung cấp cho tuabin khí, cịn nhiệt độ từ lớp 2000K dùng để cung cấp song song cho máy phát điện Từ thủy động Qdin QeMHD Q1i m1 η Qbin mb Qrin mT Bộ làm lạnh QeC1 Máy nén Bộ làm lạnh QeC2 Máy nén Hình 4.2: Mơ hình cân lượng hệ thống -55- 4.3.2 Điều kiện tính tốn Mơ hình hệ thống phát điện MHD/tuabin khí sử dụng lị nhiệt hạch ICF gia nhiệt song song tính tốn theo thơng số cho bảng 4.1 Trong hệ thống này, môi chất làm việc chọn Helium công suất điện phát đặt trước 1000Mwe Bảng 4.1: Điều kiện tính tốn Thơng số Cơng suất điện phát Nhiệt độ giới hạn lớp Hiệu suất điều chỉnh lượng Độ lợi lớp Năng lượng phát ra/lần từ điều chỉnh Năng lượng nhiệt hạch/lần Tổn thất nhiệt, áp suất phận Áp suất đầu vào lò Áp suất đầu lò Nhiệt dung riêng môi chất Tỉ số nhiệt dung riêng Nhiệt độ chênh lệch trao đổi nhiệt Chiết Enthalpy máy phát MHD Hiệu suất đoạn nhiệt máy phát MHD Tổn thất nhiệt máy phát MHD Hiệu suất nhiệt tuabin khí Tổn thất nhiệt tuabin khí Hiệu suất đoạn nhiệt tuabin khí Hiệu suất đoạn nhiệt máy nén khí Nhiệt độ đầu vào máy nén khí Số tầng làm lạnh trung gian máy nén khí -56- 4atm 2400K 852MWt 63.4MWe Energy Driver 4atm 1021K 2326MWt Hình 4.3: Mơ hình hệ thống phát điện MHD/tuabin khí sử dụng gia nhiệt song song 57 Hiệu suất hệ thống [%] 55 53 51 49 47 45 Nhiệt độ đầu lớp [K] Hình 4.4: Hiệu suất toàn hệ thống Toàn hệ thống phát điện kết hợp máy phát điện Từ thủy động với tuabin khí sử dụng nhiệt từ lò phản ứng nhiệt hạch ICF mơ tả hình 4.3 Với mơ hình -57- này, mơi chất làm việc sau từ máy phát chu trình Từ thủy động kết hợp với môi chất gia nhiệt lớp ngồi để cung cấp vào chu trình tuabin khí Với mơ hình lượng điều kiện tính tốn trên, hiệu suất tồn hệ thống tính tốn biểu diễn hình 4.4 Như thấy hình 4.4, hiệu suất tồn hệ thống đạt giá trị cực đại khoảng 55,68% chiết Enthalpy 26,5% ứng với nhiệt độ lớp 2400K Tuy nhiên, chiết Enthalpy 20%, hiệu suất toàn hệ thống lại giảm nhiệt độ lớp lớn 2200K, trường hợp khác nhiệt độ lớp 2400K hiệu suất toàn hệ thống lại giảm chiết Enthalpy lớn 26,5% Lý giảm hiệu suất trình bày sau Trong nghiên cứu này, nhiệt độ lớp lớp 2400K nhiệt độ lớp ngồi lớn giới hạn Điều có nghĩa mơ hình hệ thống khơng thể sử dụng nhiệt độ lớn 2400K Giới hạn nhiệt độ đầu vào lớp minh họa Reacto Input Temperatur [K] r e hình 4.5 Hình 4.5: Giới hạn nhiệt độ đầu vào lớp -58- Bảng 4.2: Quan hệ nhiệt độ đầu lớp nhiệt độ giới hạn đầu vào lò phản ứng Tại chiết Enthalpy 20%, nhiệt độ đầu lớp từ 2000~2200K nhiệt độ đầu vào tuabin khí tăng theo Điều dẫn đến nhiệt độ đầu vào lị phản ứng tăng theo Vì chu trình phát điện hệ thống chu trình kín, nên mặt lý thuyết nhiệt độ đầu vào lị phản ứng cao có nghĩa phần lượng không chuyển thành điện hồi thu lớn đầu vào lị phản ứng Vì mà nhiệt độ đầu vào tuabin khí tăng lượng hồi thu đầu vào lị phản ứng tăng, dẫn đến lượng nhiệt hạch phát giảm Kết hiệu suất toàn hệ thống tăng hiệu suất tỉ số lượng điện phát lượng nhiệt hạch theo công thức (4.1) trình bày Tuy nhiên, nhiệt độ lớp lớn 2200K, nhiệt độ đầu vào tuabin khí lớn 1700K nhiệt độ giới hạn tuabin khí nghiên cứu Vì mà phần lượng phải thải làm lạnh Vì lượng thải tăng nên cần phải cung cấp thêm nhiều lượng nhiệt hạch vào dẫn đến hiệu suất toàn hệ thống giảm Tương tự nhiệt độ lớp 2400K, chiết Enthalpy tăng từ 20~26.5% nhiệt độ đầu vào tuabin khí tăng lớn 1700K nên phần lượng phải thải làm lạnh Vì lượng thải giảm nên lượng nhiệt hạch cần cung cấp giảm, làm hiệu suất toàn hệ thống tăng Khi chiết Enthalpy tăng khoảng 26,5~30% nhiệt độ đầu vào tuabin khí giảm Vì chu -59- trình phát điện sử dụng chu trình kín nên với nhiệt độ đầu vào tuabin khí giảm lượng hồi thu đầu vào lị phản ứng giảm, cần nhiều lượng nhiệt hạch tỏa Kết hiệu suất tồn hệ thống giảm nhìn thấy đồ thị 2200 Công suất nhiệt hạch [MW] 2100 2000 1900 1800 1700 Nhiệt độ đầu lớp [K] Hình 4.6: Công suất nhiệt hạch cung cấp Công suấ t thải [MW] 1000 900 800 700 Hình 4.7: Cơng suất thải làm lạnh -60- CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 Kết luận Đề tài nghiên cứu hồn thành hạn mơ hệ thống phát điện kết hợp máy phát điện Từ thủy động tuabin khí sử dụng lượng nhiệt hạch cho hiệu suất cao so với hệ thống phát điện truyền thống Đề tài hoàn thành tốt mục tiêu đề thuyết minh, cụ thể sau: - Đề xuất mơ hình lị phản ứng sử dụng lượng nhiệt hạch: lò nhiệt hạch loại nhiệt hạch giam quán tính ICF, gia nhiệt môi chất song song hai phận lớp lớp ứng với hai loại nhiệt độ 1300~1700K 2000~2400K - Thiết kế hệ thống phát điện kết hợp Từ thuỷ động lực tuabin khí: hệ thống kết hợp hai chu trình phát điện Từ thủy động chu trình tuabin khí mơi chất gia nhiệt lớp sau qua máy phát điện Từ thủy động nhiệt độ 2000~2400K kết hợp với môi chất gia nhiệt lớp nhiệt độ 1300~1700K để cung cấp cho chu tuabin khí Mỗi chu trình trao đổi nhiệt thông qua tái sinh, làm lạnh nén phục hồi áp suất Các thông số công suất, nhiệt độ, áp suất phận hệ thống tính tốn trình bày cụ thể từ số điều kiện tiêu biểu cho trước - Tính tốn hiệu suất hệ thống: hiệu suất tồn hệ thống tính tốn cao 55,68% ứng với chiết Enthalpy 26,5% nhiệt độ đầu lớp 2400K Hiệu suất cao so với hệ thống phát điện kết hợp tuabin tuabin khí kiểu truyền thống khoảng 45% -61- 5.2 Sản phẩm đề tài Sản phẩm đề tài sau hoàn thành bao gồm:  Một sản phẩm khoa học báo đăng tạp chí chuyên ngành nằm danh mục tính điểm xét chức danh 0~0,75 điểm: High Efficient MHD Power Generation for Future Energy System, Journal of Science & Technology – Hanoi University of Science and Technology, No.90, pp.20-25, 2012  Một báo cáo tổng kết đề xuất hệ thống phát điện có hiệu suất cao kết hợp Từ thuỷ động lực tuabin khí sử dụng nguồn nhiệt từ lò nhiệt hạch 5.3 Hướng phát triển Đề tài hoàn thành mục tiêu, hạn đề ra, nhiên tương lai cần phải phát triển thêm số hướng nghiên cứu cụ thể sau: - Giảm bớt nhiệt lượng thải làm lạnh cách tận dụng kết hợp thêm với chu trình phát điện nhiệt độ thấp chu trình tuabin (steam turbine) Điều chắn dẫn đến hiệu suất toàn hệ thống nâng cao kết tính tốn - Tăng cường khả ion hóa mơi chất làm việc cách sử dụng môi chất Helium kết hợp với Cesium (hoặc Argon) chất dễ bị ion hóa hơn, thay Helium Helium khó bị ion hóa dẫn đến mơi chất có độ dẫn điện làm cơng suất phát điện máy phát Từ thủy động - Nghiên cứu hệ thống phát điện Từ thủy động có xét đến yếu tố kích thước hệ thống thông qua thông số gọi mật độ công suất tức công suất phát hệ thống tính đơn vị thể tích hệ thống -62- TÀI LIỆU THAM KHẢO B Zaporowski, J Roszkiewicz, K Sroka, Parameters Analysis ofthe MHDSTEAM Power plant Thermal System, 8th International conference on MHD Electrical Power Generation, Moscow, 1983, Vol.6 75-78 B Zaporowski, J Roszkiewicz, K Sroka Analysis of the Convertion system of a combined MHD-STEAM Power Plant integated with coal gasification Technical University of Poznan, Poland Breton, David and Keeler, Clifton, Comparative IGCC Performance and Costs for Domestic Coals, Gasification Technologies Council, San Francisco, CA (October 2005) C Haiduc, M Mirea, Research on the efficiency CET with MHD generators in the conditions of the S.R of Romania, MEE, Energetica-supplement, Vol 1-2, 1985 C Haiduc, Mathematical model for Technical-Economic efficiency analysis of power stations with MHD generations and classical power stations 10th International conference on MHD power station - Constantin-ICSITEEBucharest104-Berceni Road-Romania, 1989 Gora S and Kapron.H, Economic Aspects of operation of MHD Electrical power plant in power system, Ninth International conference on MHD Electrical Power Generation, Vol.1, November 1986, Tsukuba, Ibaraki, Japan J D Kumana, Use Spreadsheet-Based Combined Heat and Power Models to Identify and Evaluate Energy Cost-Reduction Opportunities in Industrial Plants, page 253, Procedures of 23rd Industrial Energy Technology Conference, Houston, TX (May 2001) Jackson W.D, Integration of MHD plants into Electric Utility System, IEEE Transactions on Energy conversion,Vol.EC-1, No 3, September 1986 -i- N B Morley, S Malang, I Kirillov, Fusion Science and Technology, Vol.47, No.3, pp.488-501 (2005) 10 Neil B Morley, Mark S Tillack, Magnetohydrodynamics, McGraw-Hill, 1998 11 P A Davidson, An Introduction to Magnetohydrodynamics, Cambridge University Press, 1st Edition, 2001 12 R V Polovin, V P Demutskii, Fundamentals of Magnetohydrodynamics, Consultants Bureau New York and London, 1990 13 Reiner Decher, Direct Energy Conversion, Oxford University Press, USA, 1997 14 Richard J Rosa, Magnetohydrodynamic Energy Conversion, McGraw-Hill, New York – USA, 1968 15 Stanislaw Gora, Henryk Kapron, Economic and Technical Characterisics of MHD- STEAM power plant operation in a power supply system, Lublin Technical University, Faculty of Electrical Engineering, Lublin, Poland 16 Yanxia Lu, Research on MHD-Steam Combined Cycle System, 36th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, AIAA 2005-4927, Toronto, Canada (June 2005) -ii- ... kế hệ thống phát điện kết hợp Từ thuỷ động lực tuabin khí: hệ thống kết hợp hai chu trình phát điện Từ thủy động chu trình tuabin khí mơi chất gia nhiệt lớp sau qua máy phát điện Từ thủy động. .. cho nghiên cứu phát triển hệ thống phát điện hiệu suất cao ứng dụng Từ thủy động lực thay hệ thống phát điện truyền thống sử dụng lượng hóa thạch - Hiệu mặt kinh tế, xã hội: nâng cao hiệu suất. .. tổng kết đề xuất hệ thống phát điện có hiệu suất cao kết hợp Từ thuỷ động lực tuabin khí sử dụng nguồn nhiệt từ lò nhiệt hạch Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: - Hiệu