1.3. Một số đặc điểm và sự khác nhau của nhà máy điện sinh khối kết hợp từ thủy động
1.3.5. Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng sinh khối và các dạng năng lượng khác
khác
Đối với các nhà máy nhiệt điện, hiệu suất chuyển đổi (Efficiencies Factor) là một trong những yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu quả sử dụng nhiên liệu của một nhà máy nhiệt điện. Theo IEA, hiệu suất chuyển đổi là chỉ số để tính tốn nhiệt lượng cần thiết để tạo ra 1kWh điện (Heat rate tính theo Btu/kWh). Ở đây, mỗi loại nhiên liệu tạo ra một nhiệt lượng khác nhau, có giá bán khác nhau, … do đó ta khơng đề cập đến hiệu quả kinh tế mà chỉ đưa ra đánh giá so sánh về kỹ thuật của các nhà máy nhiệt điện với nhau. Hiệu suất chuyển đổi càng cao cho thấy công nghệ của nhà máy nhiệt điện đó càng hiệu quả, tiêu tốn ít nhiệt lượng hơn.
Nhà máy tuabin khí chu trình hỗn hợp có hiệu suất chuyển đổi vượt trội nhất trong các công nghệ nhiệt điện hiện tại. Để có thể thấy rõ hiệu suất vượt trội này, nhà máy tuabin khí CCGT chỉ cần 5.986 Btu nhiệt lượng để tạo ra 1kWh điện, thấp hơn đến 35% so với một nhà máy tuabin khí chu trình đơn sử dụng cùng một loại nhiên liệu khí đốt. Trong khi đó, nhà máy điện sinh khối, hiệu suất chuyển dổi là 35% với 9746Btu nhiệt lượng thì tạo ra 1kWh điện. Các nhà máy nhiệt điện còn lại
Luận văn tốt nghiệp
ở Việt Nam có hiệu suất khơng chênh lệch nhiều, trong đó nhiệt điện than Subcritical hiện nay có hiệu suất chuyển đổi thấp nhất, chỉ 34%. Trong tương lai, hiệu suất chuyển đổi của các lò hơi dưới tới hạn này được dự báo sẽ được cải thiện lên khoảng 37%, xấp xỉ với một nhà máy tuabin khí chu trình đơn (38%) và nhà máy nhiệt điện dầu (38%). Hiệu suất chuyển đổi cũng là một trong những động lực cho các nhà đầu tư nhiệt điện than ở Việt Nam cân nhắc lựa chọn 2 loại công nghệ mới trong tương lai là sử dụng lò hơi áp suất siêu tới hạn (hiệu suất chuyển đổi 41%) và công nghệ IGCC (hiệu suất lên đến 46%).
Hình 1.15: Hiệu suất chuyển đổi của các công nghệ nhà máy điện tại Việt Nam 1.3.6. Hệ số công suất của các nhà máy điện sử dụng năng lượng sinh khối và
các dạng năng lượng khác
Nếu như chỉ số về hiệu suất chuyển đổi chỉ cho chúng ta so sánh về nhóm các nhà máy nhiệt điện với nhau thì hệ số cơng suất (Capacity factor) cho chúng ta có cái nhìn rõ hơn về hoạt động của các nhà máy điện khác nhau. Hệ số công suất là tỷ số giữa lượng điện năng sản xuất thực tế với lượng điện năng có thể sản xuất ở chế độ vận hành 100% công suất định mức trong một khoảng thời gian nhất định (năm, mùa, tháng,ngày). Thông thường người ta đánh giá hệ số công suất của một nhà máy trong khoảng thời gian 1 năm trở lên để có thể bao quát các yếu tố mùa vụ của nó.
Luận văn tốt nghiệp
Hệ số cơng suất khơng bao giờ vượt quá 100%, cũng có nghĩa một nhà máy điện không thể hoạt động với công suất tối đa trong toàn bộ thời gian được. Có nhiều yếu tố giải thích cho vấn đề này như:
- Nhà máy điện đòi hỏi phải bảo trì, bảo dưỡng để có thể hoạt động liên tục ở công suất cao.
- Các nhà máy nhiệt điện ln địi hỏi thời gian khởi động nhất định mới có thể đạt tới cơng suất tối đa.
- Nhu cầu điện sụt giảm vào giờ thấp điểm khiến các nhiều nhà máy không được huy động ở công suất cao.
- Các nhà máy điện ở nhóm thứ nhất (đã trình bày ở phần 1) ln chịu ảnh hưởng của tình hình thời tiết, do đó chỉ có thể hoạt động mạnh khi thời tiết thuận lợi;…
Hình 1.16: Hệ số cơng suất và hệ số sẵng sàng hoạt động của các công nghệ nhà
máy điện tại Việt Nam
Có thể thấy, năm 2013, các nhà máy tua bin khí và nhiệt điện dầu có hệ số cơng suất rất cao từ 87 – 92%, tương đương với trên 6.500 giờ vận hành mỗi năm. Một phần là những năm qua, nhu cầu điện ở miền Nam luôn ở mức tăng trưởng rất cao do đó nguồn cung tại chỗ ln phải căng sức để đáp ứng. Các nhà máy nhiệt điện khí và dầu này được huy động ở cường độ cao khiến sản lượng huy động và hệ số công suất trong năm tăng mạnh. Đặc biệt với các nhà máy này, chi phí cho mỗi
Luận văn tốt nghiệp
lần khởi động tổ máy là rất lớn, do đó họ rất ít khi dừng tổ máy (trừ trường hợp bảo dưỡng, sửa chữa), trong giờ thấp điểm thường vẫn cho máy chạy ở mức phụ tải thấp để tiết giảm chi phí. Các nhà máy nhiệt điện than có hệ số cơng suất thấp hơn (chỉ khoảng 60%) một phần là do vị trí lắp đặt ở phía Bắc, nơi nguồn cung từ thủy điện rất dồi dào, chủ yếu huy động nhằm bổ sung phụ tải vào giờ cao điểm và mùa khô. Đối với nhà máy sử dụng NLSK, thì hệ số cơng suất rơi vào 70%, và có khả năng hoạt động ở mức 90%.
Các nhà máy thủy điện nhìn chung có hệ số cơng suất rất thấp, chỉ khoảng 51%. Sự phụ thuộc mạnh vào yếu tố thủy văn khiến thủy điện không thể hoạt động với công suất tối đa trong giai đoạn mùa khô. Nhiều nhà máy điện khơng có hồ chứa thậm chí cịn khơng có khả năng phát điện vào mùa khơ do phụ thuộc hồn tồn vào dịng chảy khiến hệ số cơng suất ở các nhà máy này cịn thấp hơn nhiều, chỉ khoảng 34 – 39%. Hệ số này tương đương với khoảng 4.500 giờ chạy máy ở công suất tối đa. Thời gian hoạt động của thủy điện cịn có sự khác biệt theo miền, các nhà máy thủy điện ở miền Nam có số giờ chạy máy từ 4.500 – 5.000 giờ mỗi năm, trong khi con số này ở miền Trung chỉ khoảng 3.500 giờ/năm và ở miền Bắc khoảng 4.000 – 4.500 giờ.
1.3.7. Hệ số sẵn sàng hoạt động và tuổi thọ của các cơng trình nhà máy điện sử dụng năng lượng sinh khối và các dạng năng lượng khác dụng năng lượng sinh khối và các dạng năng lượng khác
Bên cạnh hệ số công suất, hệ số sẵn sàng hoạt động (Availability Factor) cũng là một hệ số quan trọng để đánh giá hoạt động của các nhà máy điện. Hệ số sẵn sàng hoạt động là công suất tối đa mà một tổ máy có thể hoạt động được trong một lần huy động.
Một nhà máy điện sau một thời gian hoạt động sẽ bị suy giảm công suất, do đó ln địi hỏi phải có lịch kiểm tra, bào hành bảo dưỡng để duy trì được mức độ hoạt động ổn định của máy móc. Cùng với đó là thời gian khởi động của các nhà máy nhiệt điện (thủy điện không cần thời gian khởi động) là những yếu tố khiến hệ số này không thể đạt được 100%.
Luận văn tốt nghiệp
Trái ngược với đó, các nhà máy nhiệt điện, đặc biệt là nhiệt điện than, đòi hỏi một thời gian nhất định cho việc đốt cháy nhiên liệu, chạy khởi động mới có thể đạt cơng suất tối đa. Chu kỳ bảo dưỡng của một nhà máy nhiệt điện cũng kéo dài và phức tạp hơn thủy điện. Do đó hệ số sẵn sàng chỉ đạt 87% đối với nhiệt điện than và 92% đối với tuabin khí. Đối với NLSK, thì hệ số sẵn sàng hoạt động cũng tương đối cao và đạt đến 90%.
Xét về mặt tuổi thọ dự án, dựa vào Hình 1.17, ta thấy tuổi thọ của nhà máy điện sinh khối là 30 năm trong khi một số nguồn năng lượng tái tạo khác là khoảng 25 năm.
Hình 1.17: Biểu đồ thống kê tuổi thọ trung bình của các nhà máy điện
Dựa vào biểu đồ thống kê này, ta nhận thấy một trong những ưu điểm lớn nhất khi đầu tư vào thủy điện chính là tuổi thọ của nhà máy. Bình quân một nhà máy thủy điện có tuổi thọ lên đến 60 năm, vượt trội so với một nhà máy nhiệt điện chạy than (35 năm) hay một nhà máy tuabin khí chu trình hỗn hợp (30 năm). Trên thế giới, nhiều nhà máy thủy điện có thời gian hoạt động lên đến 100 năm mà chỉ cần bảo trì, tu sửa một số loại trang thiết bị.
1.4. Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài:“Nghiên cứu hệ thống từ thủy động lực sử dụng năng lượng sinh
Luận văn tốt nghiệp
MHD cùng chu trình điện sinh khối. Nghiên cứu hệ thống kết hợp máy phát MHD phát điện sử dụng nguồn nhiệt từ năng lượng sinh khối.
Luận văn tốt nghiệp
1.5. Nhiệm vụ đề tài nghiên cứu
Để thực hiện được đề tài nghiên cứu, học viên cần thực hiện các cơng việc sau:
- Tìm hiểu mơ hình máy phát MHD và cơ sở lý thuyết về MHD. - Tìm hiểu về nguồn năng lượng sinh khối.
- Khảo sát hệ thống MHD hỗn hợp sử dụng năng lượng sinh khối.
- Xây dựng chu trình phát điện, từ đó tính tốn thơng số và hiệu suất của chu trình.
- Tính tốn và mơ phỏng chu trình sử dụng Simulink.
- Tính tốn lợi nhuận mang lại từ nhà máy MHD sử dụng năng lượng sinh khối.
- Thu thập các kết quả, so sánh, tổng kết, báo cáo.
Trên cơ sở những kết quả thu được từ thực nghiệm nghiên cứu, học viên tiến hành phân tích những ưu khuyết điểm từ đó tìm ra hướng tốt hơn để cải thiện chu trình phát điện cũng như nâng cao hơn hiệu suất của chu trình.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
Ứng dụng các kiến thức về lĩnh vực cơ, điện, lĩnh vực tự động trong các chu trình của máy phát MHD. Ở đây, ta xét đến việc tích hợp hệ thống với những phương pháp cụ thể sau:
- Nghiên cứu các tài liệu, luận văn, bài báo có sẵn trong và ngồi nước. - Tính tốn thiết kế và mơ phỏng để đánh giá chất lượng hệ thống và loại
trừ các lỗi khi thiết kế.
- Do ở nước ta vấn đề nghiên cứu hệ thống phát điện này cịn sơ khai nên chưa có đủ điều kiện thực nghiệm. Vì vậy tác giả chọn phương pháp nghiên cứu cấu trúc, mơ phỏng, phân tích q trình cân bằng nhiệt dựa trên ngun lý nhiệt động lực học của chất khí sau đó rút ra kết luận. - Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng và biểu diễn mối quan hệ
giữa các thơng số trong sơ đồ phân tích.
Luận văn tốt nghiệp
1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.7.1. Ý nghĩa khoa học 1.7.1. Ý nghĩa khoa học
Đề tài hoàn thành là bước khởi đầu cho các đề tài nghiên cứu chế tạo máy phát điện MHD sử dụng năng lượng sinh khối có sắn trong nước. Đồng thời có thể áp dụng các kết quả nghiên cứu làm tài liệu cho các cơng trình nghiên cứu sau này.
1.7.2. Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài “Nghiên cứu hệ thống từ thủy động lực sử dụng năng lượng sinh
khối” nhằm làm cơ sở để lập kế hoạch xây dựng nhà máy điện sinh khối hiệu suất
cao phù hợp với điều kiện địa lý, nguồn nhân lực và tiềm lực kinh tế của đất nước. Tạo ra mơ hình nhà máy điện mới sử dụng năng lượng sinh khối với hiệu suất cao góp phần cải thiện mơi trường thiên nhiên.
Ngồi ra, chúng ta có thể kết hợp mơ hình máy phát MHD với các nguồn nhiên liệu khác ngoài năng lượng sinh khối như than, năng lượng mặt trời,….để từ đó linh hoạt hơn trong việc sản xuất điện năng và vận hành kinh tế nhà máy.
1.8. Tóm lược nội dung luận văn
Luận văn gồm 5 chương với cấu trúc như sau:
Chương 1: Tổng quan.
Trình bày nhu cầu năng lượng trong thời gian 2015 – 2020. Trình bày tổng quan về MHD và các cơng trình liên quan. Tính khả thi của nguồn năng lượng sinh khối và tiềm năng kết hợp với máy phát MHD. Nêu ưu nhược điểm của một số loại hình máy phát điện. Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa, giới hạn và bố cục của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trình bày cơ sở lý thuyết về nguồn năng lượng sinh khối, nguyên lý hoạt động máy phát MHD và phân tích động học của chu trình phát điện tua bin khí, tuabin hơi.
Luận văn tốt nghiệp
Chương 3: Tính tốn và mơ phỏng hệ thống từ thủy động lực kết hợp năng lượng sinh khối
Xây dựng chu trình phát điện, phân tích nhiệt động lực học của từng khối trong chu trình (P, T, Q, S) từ đó tính tốn ra thơng số và hiệu suất của chu trình.
Phân tích chu trình ra các thơng số cụ thể, mô phỏng thông số của các khối, đồ thị mối quan hệ thông số, so sánh kết quả với các mơ hình truyền thống.
Chương 4: Phân tích kinh tế và tính khả thi của hệ thống từ thủy động lực sử dụng năng lượng sinh khối.
Trình bày lý thuyết cơ sở về kinh tế-tài chính nhà máy điện sinh khối. Các loại chi phí trong nhà máy điện. Trên cơ sở đó, tính tốn các thơng số nhà máy điện sinh khối và thiết lập phương trình lợi nhuận theo dõi lợi nhuận của dự án hàng năm.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.
Đánh giá kết quả đạt được của đề tài và trình bày hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. Nghiên cứu kiến nghị vị trí đặt nhà máy.
Luận văn tốt nghiệp
Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Máy phát từ thủy động lực
2.1.1. Nguyên lý hoạt động của máy phát từ thủy động lực
2.1.1.1. Nguyên lý hoạt động chung của máy phát từ thủy động lực
Máy phát điện từ thủy động lực (hay máy phát MHD) là hệ thống chuyển nhiệt năng hay động năng trực tiếp thành điện năng, dựa trên các nguyên lý từ thủy động học. Chúng thường có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao và khơng cần có các chi tiết phải bơi trơn. Khí thải của các hệ thống như vậy thường là các plasma nóng (như lửa), có thể tái sử dụng để cung cấp nhiệt cho hệ thống nhiệt điện truyền thống (như máy phát điện hơi nước).
Trong các máy phát điện MHD, chuyển động của dòng chất lỏng dẫn điện hoặc plasma được sử dụng để tạo ra dòng điện. Máy phát điện MHD hoạt động theo định luật Lorentz:
Hình 2.1: Lực Lorentz [4]
Từ trường tác động lực Lorentz lên mọi điện tử chuyển động [4]:
) .(v B q F (2.1) Trong đó: F là lực tác động,
q là điện tử của hạt mang điện chuyển động,
v là vận tốc của hạt,
× là phép nhân có hướng véctơ,
Luận văn tốt nghiệp
Theo quy tắc nhân có hướng các véctơ, F vng góc với cả v và B, và tuân theo quy tắc bàn tay phải. Lực này sẽ dẫn hướng các điện tử chuyển động trong lưu chất dẫn điện đến các điện cực đặt ở vị trí thích hợp trong dịng chảy nằm trong từ trường; và các điện cực sẽ cung cấp điện năng cho phụ tải. Một máy phát điện MHD hoạt động theo nguyên lý cơ bản: Định luật Faraday và quy tắc bàn tay phải.
Hình 2.2: Nguyên lý của máy phát MHD [4]
Các máy phát điện này thường hoạt động theo chu trình Brayton, và có hiệu suất tương đương với chu trình Carnot trong điều kiện lý tưởng. Hiệu suất này phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh, và các máy phát từ thủy động lực có thể hoạt động ở nhiệt độ nguồn nóng rất cao [4].
Hình 2.3: So sánh hoạt động máy phát điện từ thủy động lực học (B)
Luận văn tốt nghiệp
Đối với một nhà máy điện quy mô lớn để hoạt động hiệu quả cần chú ý tăng tính dẫn điện của chất dẫn điện. Nhiệt độ của một chất khí để trạng thái plasma của nó hoặc việc bổ sung các chất dễ dàng ion hóa khác như các muối của các kim loại kiềm có thể thực hiện sự gia tăng này. Trong thực tế, một số vấn đề phải được xem xét trong việc thực hiện một máy phát từ thủy động lực học: máy phát điện hiệu quả, kinh tế, và các sản phẩm phụ không độc hại. Những vấn đề này đều bị ảnh hưởng bởi sự lựa chọn của một trong bốn thiết kế máy phát điện: máy phát điện