Chu trình Brayton

2.1. Máy phát từ thủy động lực

2.1.3.1. Chu trình Brayton

Chu trình Brayton là một chu trình nhiệt động lực học, đặt tên theo George Brayton (1830-1892), một kỹ sư người Mỹ, người đã phát triển nó. Ngày nay, chu trình Brayton là nguyên lý hoạt động của động cơ tuốc bin khí. Giống như với các động cơ đốt trong khác, chu trình Brayton là chu trình mở, dù cho trong nghiên cứu nhiệt động lực học, đơi khi có thể đặt giả thuyết rằng khí thải ra được dùng lại để ở đầu vào, để hệ tương đương với chu trình kín. Chu trình Brayton cịn được biết đến với tên gọi chu trình Joule.

Ngày nay chu trình Brayton được nhắc đến trong động cơ tuốc bin khí. Động cơ này cũng có ba phần:

Luận văn tốt nghiệp

Trang 52

- Buồng nén khí. - Buồng đốt.

- Buồng giãn nở làm quay tuốc bin.

Khơng khí được hút vào buồng nén, được làm tăng áp suất theo q trình gần với đẳng entropy. Khí đã nén chạy sang buồng đốt, nơi nhiên liệu được phun vào và đốt nóng, làm tăng nhiệt độ khí trong một quá trình đẳng áp, do buồng đốt mở thơng cho dịng khí chảy vào và ra. Khí ở áp suất và nhiệt độ cao được giãn nở tại buồng giãn nở đẩy các cánh quạt của tuốc bin; theo quá trình giãn nở đẳng entropy. Một phần cơng năng cung cấp cho tuốc bin được dùng vào việc nén khí ở buồng nén khí.

Hình 2.12: Chu trình Brayton lý tưởng [7]

Chu trình Brayton lý tưởng: P - áp suất; v - thể tích; q - nhiệt lượng; T - nhiệt độ °K; s - entropy. 1-2: Nén đẳng entropy tại máy nén; 2-3: gia nhiệt đẳng áptại buồng đốt; 3-4: giãn nở sinh công đẳng entropy tại tuốc bin; 4-1: khép kín chu trình đẳng áp bên ngồi mơi trường.

Trên thực tế, q trình nén khí và giãn nở khơng thực sự đẳng entropy; và công năng bị hao hụt trong các quá trình này làm giảm hiệu suất nhiệt động lực học của động cơ. Cơng có ích do động cơ sinh ra được thể hiện bằng diện tích hình khép kín 1 – 2 – 3 – 4. Diện tích này càng lớn thì cơng có ích và hiệu suất càng lớn, để tăng diện tích này thì phải tăng áp suất sau máy nén của điểm 2;3 (áp suất của điểm 4;1 là áp suất môi trường không thể giảm xuống được) nên hiệu suất động cơ được quyết định bằng tỷ số nén. Việc tăng tỷ số nén giúp cải thiện hiệu suất và công suất của hệ thống Brayton.

Luận văn tốt nghiệp Trang 53  1 / 1 1 2 2 1 T 1 P T P               (2.17) 2.1.3.2. Chu trình Rankine

Chu trình Rankine là một chu kỳ nhiệt động lực lý tưởng của một động cơ nhiệt có thể chuyển đổi nhiệt thành cơng năng cơ khí. Nhiệt được cung cấp bên ngoài để một vịng khép kín, thường sử dụng nước như chất lỏng làm việc. Dưới hình thức của động cơ hơi nước, tạo ra khoảng 90% của tất cả các năng lượng điện sử dụng trên toàn thế giới, bao gồm hầu như tất cả sinh khối, than, các nhà máy nhiệt điện và điện hạt nhân năng lượng mặt trời. Nó được đặt theo tên William John Macquorn Rankine, một nhà bác học người Scotland [2].

Chu trình Rankine mơ tả chặt chẽ q trình mà động cơ nhiệt hơi nước hoạt động thường thấy trong các nhà máy nhiệt điện tạo ra năng lượng. Các nguồn nhiệt sử dụng trong các nhà máy này thường phản ứng phân hạch hạt nhân hoặc quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch như than đá, khí tự nhiên và dầu.

Hình 2.13: Bố trí của bốn thiết bị chính được sử dụng trong chu trình Rankine [2]

Hiệu suất của chu trình Rankine được giới hạn bởi nhiệt độ cao của sự bay hơi của chất lỏng làm việc. Ngoài ra, khi áp suất và nhiệt độ đạt đến mức độ quan trọng trong các nồi hơi, phạm vi nhiệt độ chu kỳ có thể hoạt động trên là khá nhỏ, nhiệt độ đầu vào tuabin hơi nước thường 565°C và nhiệt độ ngưng tụ hơi nước là khoảng 30°C. Điều này sẽ cho hiệu suất Carnot lý thuyết tối đa cho một tuabin hơi khoảng 63% so với một hiệu suất thực tế tổng thể nhiệt lên đến 42% cho một nhà máy điện đốt than hiện đại. Nhiệt độ đầu vào tuabin hơi này thấp (so với một tuabin khí) là lý do tại sao (hơi nước) chu trình Rankine thường được sử dụng như một chu

Luận văn tốt nghiệp

Trang 54

trình cuối cùng để thu hồi nhiệt nếu khơng thải ra ngồi trong các nhà máy điện tuabin khí chu trình hỗn hợp.

Chất lỏng làm việc trong một chu trình Rankine sau một vịng khép kín và được tái sử dụng liên tục. Hơi nước với những giọt ngưng tụ thường thấy từ các nhà máy điện được tạo ra bởi hệ thống làm mát (không trực tiếp từ điện chu trình Rankine khép kín) và đại diện phương tiện nhiệt thải (nhiệt độ thấp) để thoát khỏi hệ thống, cho phép bổ sung (nhiệt độ cao) nhiệt mà sau đó có thể được chuyển đổi sang cơng việc hữu ích (điện). Nhiệt khí thải này được đại diện bởi "Qout" chảy ra khỏi phía dưới của chu kỳ hiện trong biểu đồ T/s dưới đây.

Tháp làm mát hoạt động để trao đổi nhiệt lớn bằng cách hấp thụ nhiệt ẩn của sự bay hơi của chất lỏng làm việc và đồng thời làm bay hơi nước làm mát vào khí quyển. Thực tế nhiều chất có thể được sử dụng như chất lỏng làm việc trong chu trình Rankine, nước thường là chất lỏng được lựa chọn do tính chất của nó thuận lợi, chẳng hạn như hóa học của nó khơng độc hại và khơng phản ứng, phong phú, và chi phí thấp, cũng như tính chất nhiệt động lực học của nó. Do ngưng tụ hơi làm việc để một chất lỏng áp lực tại các tuabin được hạ xuống và năng lượng cần thiết bởi máy bơm nguồn cấp dữ liệu tiêu thụ chỉ 1% đến 3% sản lượng điện tuabin và các yếu tố đóng góp vào hiệu suất cao hơn cho chu trình. Lợi ích của việc này được bù đắp bởi hơi nhiệt độ thấp nhận vào tua bin khí. Ví dụ, có nhiệt độ đầu vào tuabin gần 1500°C. Tuy nhiên, hiệu suất nhiệt của nhà máy điện hơi lớn thực tế và trạm tuabin khí hiện đại lớn là tương tự nhau.

Luận văn tốt nghiệp

Trang 55

Hình 2.14: Sơ đồ T-s của một chu trình Rankine điển hình hoạt động giữa áp lực từ

0.06bar đến 50bar [11]

Có bốn q trình trong chu trình Rankine. Các trạng thái được xác định bởi số (màu nâu) trong sơ đồ Ts trên.

Tiến trình 1-2: Chất lỏng hoạt động được bơm từ áp suất thấp đến cao. Chất lỏng ở giai đoạn này được bơm đòi hỏi năng lượng đầu vào nhỏ.

Tiến trình 2-3: Các chất lỏng áp suất cao được đưa vào một nồi hơi, nơi nó được gia nhiệt ở áp suất khơng đổi bởi một nguồn nhiệt bên ngồi để trở thành hơi bão hịa khơ. Năng lượng đầu vào cần thiết có thể dễ dàng tính tốn sử dụng sơ đồ Mollier hoặc h-s biểu đồ hoặc biểu đồ Entanpy-entropy còn được gọi là bảng hơi nước.

Tiến trình 3-4: Hơi bão hịa khơ giãn nở thơng qua một tuabin, tạo ra năng lượng. Điều này làm giảm nhiệt độ và áp suất của hơi nước, và một số ngưng tụ có thể xảy ra. Sản lượng trong quá trình này có thể dễ dàng tính tốn bằng cách sử dụng biểu đồ Entanpy-entropy hoặc các bảng hơi nƣớc.

Tiến trình 4-1: Hơi ẩm sau đó đi vào bình ngưng và được ngưng tụ ở áp suất không đổi để trở thành một chất lỏng bão hịa.

Trong một chu trình Rankine lý tưởng bơm và tuabin sẽ được đẳng entropy, tức là, các máy bơm và tuabin sẽ tạo ra khơng có entropy và do đó tối đa hóa sản lượng cơng việc. Q trình 1-2 và 3-4 sẽ được đại diện bởi các đường thẳng đứng trên biểu đồ T-S và chặt chẽ hơn của chu trình Carnot. Chu trình Rankine hiển thị ở đây ngăn chặn hơi kết thúc trong khu vực quá nhiệt sau khi mở rộng trong các tua- bin, làm giảm năng lượng thửa bởi các thiết bị ngưng tụ.

Hiệu suất của chu trình Rankine:

Wtuabinhoi Wbom Wtuabinhoi

rankine

vao vao

Q Q

    (2.18)

2.2. Nguồn năng lượng sinh khối

Luận văn tốt nghiệp

Trang 56

Sinh khối là một thuật ngữ có ý nghĩa bao hàm rất rộng dùng để mơ tả các vật chất có nguồn gốc sinh học vốn có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng hoặc do các thành phần hóa học của nó. Với định nghĩa như vậy, sinh khối bao gồm cây cối tự nhiên, cây trồng công nghiệp, tảo và các loài thực vật khác, hoặc là những bã nông nghiệp và lâm nghiệp. Sinh khối cũng bao gồm cả những vật chất được xem nhưng chất thải từ các xã hội con người như chất thải từ quá trình sản xuất thức ăn nước uống, bùn/nước cống, phân bón, sản phẩm phụ gia (hữu cơ) cơng nghiệp (industrial by-product) và các thành phần hữu cơ của chất thải sinh hoạt.

Sinh khối cịn có thể được phân chia nhỏ ra thành các thuật ngữ cụ thể hơn, tùy thuộc vào mục đích sử dụng: tạo nhiệt, sản xuất điện năng hoặc làm nhiên liệu cho giao thông vận tải. Các nguồn sinh khối được chuyển thành các dạng năng lượng khác như điện năng, nhiệt năng, hơi nước và nhiên liệu qua các phương pháp chuyển hóa như đốt trực tiếp và turbin hơi, phân hủy yếm khí (anaerobic digestion), đốt kết hợp (co-firing), khí hóa (gasification) và nhiệt phân (pyrolysis).

Sinh khối cịn có thể được xem như một dạng tích trữ năng lượng Mặt Trời. Năng lượng từ Mặt Trời được "giữ" lại bởi cây cối qua quá trình quang hợp trong giai đoạn phát triển của chúng. Năng lượng sinh khối được xem là tái tạo vì nó được bổ sung nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ bổ sung của năng lượng hóa thạch vốn địi hỏi hàng triệu năm. Sau đây là hai quy trình lưu trữ và chuyển hóa năng lượng mặt trời vào sinh khối:

- Quy trình 1: Dưới tác động của năng lượng mặt trời, nguồn CO2 và H2O tổng hợp nên glucozo thành phần tạo nên xenlulozo hay tinh bột của cây xanh thơng qua q trình quang hợp:

6CO2 + 6H2O →C6H12O6 + O2

- Quy trình 2: Cây xanh chết đi được phân hủy hoặc đốt hình thành nên CO2, H2O và bắt đầu một chu trình mới:

C6H12O6 + O2→6CO2 + 6H2O

Ngoài ra, việc sử dụng sinh khối để tạo năng lượng có tác động tích cực đến môi trường. Hiển nhiên việc đốt sinh khối không thể giải quyết ngay vấn đề mất cân

Luận văn tốt nghiệp

Trang 57

bằng về tỷ lệ CO2 hiện nay. Tuy nhiên, vai trị đóng góp của sinh khối trong việc sản xuất năng lượng vẫn rất đáng kể trong việc bảo vệ cân bằng mơi trường, vì nó tạo ra ít CO2 hơn năng lượng hóa thạch. Một cách khái quát, CO2 tạo ra bởi việc đốt sinh khối sẽ được "cô lập" tạm thời (sequestered) trong cây cối được trồng mới để thay thế nhiên liệu. Nói một cách khác, đó là một chu kỳ tuần hồn kín với tác động hết sức nhỏ lên môi trường.

2.2.2. Nguồn gốc sinh khối

Sinh khối là vật chất hữu cơ, đặc biệt là các chất cellulose hay ligno- cellulosic. Sinh khối là các vật chất tái tạo, bao gồm cây cối, chất xơ gỗ, chất thải gia súc, chất thải nông nghiệp, và thành phần giấy của các chất thải rắn đô thị.

Luận văn tốt nghiệp

Trang 58

Hình 2.15: Một số dạng sinh khối phổ biến

Cây dự trữ năng lượng mặt trời trong các tế bào cellulose và lignin (chất gỗ) thông qua quá trình quang hợp. Cellulose là một chuỗi polymer của các phân tử đường 6-carbon. Lignin là chất hồ kết dính các chuỗi cellulose với nhau. Khi đốt, các liên kết giữa các phân tử đường này vỡ ra và phóng thích năng lượng dưới dạng nhiệt, đồng thời thải ra khí CO2 và hơi nước. Các sản phẩm phụ của phản ứng này có thể được thu thập và sử dụng để sản xuất điện năng. Các chất này thường đươc gọi là năng lượng sinh học hoặc nhiên liệu sinh học.

Các nguồn sinh khối trong nước bao gồm các chất dư thừa, chất bã của sinh khối đã được xử lý. Các chất này gồm có bột giấy, chất thải nơng lâm nghiệp, chất thải gỗ thành thị, chất thải rắn đơ thị, khí ở các hố chơn lấp, chất thải của gia súc, các giống cây trên cạn và dưới nước được trồng chủ yếu để khai thác năng lượng. Các giống cây này dược gọi là các giống cây năng lượngDưới đây là các mô tả chi tiết của từng loại sinh khối:

Luận văn tốt nghiệp

Trang 59

2.2.2.1. Chất bã của sinh khối đã qua xử lý

Các quá trình xử lý sinh khối đều sinh ra các sản phẩm phụ và các dòng chất thải gọi là chất bã. Các chất bã này có một lượng thế năng nhất định. Khơng phải tất cả các chất bã đều có thể được sử dụng cho sản xuất điện năng, một số cần phải được bổ sung với các chất dinh dưỡng hay các nguyên tố hóa học. Tuy nhiên, việc sử dụng các chất bã là rất đơn giản vì chúng đã được thu thập/phân loại qua quá trình xử lý.

2.2.2.2. Bột giấy và các chất bã trong quá trình sản xuất giấy

Cây cối có các thành phần như lignin, hemicellulose, và sợi cellulose. Do các tính chất hóa học và vật lý, lignin dễ dàng chia nhỏ hơn cellulose. Quá trình nghiền nhão làm tách rời và chia nhỏ các sợi lignin trong cây nhằm suspend các sợi cellulose để tạo ra giấy. Các bột giấy dư thừa tạo nên chất bã. Các chất bã này là các sản phẩm phụ của các quá trình đốn và xử lý gỗ. Các quá trình xử lý gỗ để tạo ra sản phẩm, đồng thời thải ra mùn cưa, vỏ cây, nhánh cây, lá cây và bột giấy. Thông thường, các nhà máy giấy hay dùng các chất thải này để tạo ra điện cho vận hành nhà máy.

Luận văn tốt nghiệp

Trang 60

2.2.2.3. Bã cây rừng(Forestry residues)

Các chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ các quá trình làm thưa rừng nhằm giảm nguy cơ cháy rừng, sinh khối không được thu hoạch hoặc di dời ở nơi đốn gỗ cứng và mềm thương mại và các vật liệu dư thừa trong quá trình quản lý rừng như phát rừng và di dời các cây đã chết. Một trong những thuận lợi của việc tận dụng bã cây rừng là một phần lớn các bã dạng này được tạo ra từ các nhà máy giấy hoặc các nhà máy xử lý gỗ, do đó phần lớn nguồn nguyên liệu có thể sử dụng ngay được. Cũng vì lý do này, việc tái sử dụng mùn cưa, bã gỗ để tạo năng lượng tập trung ở các nhà máy công nghiệp giấy và gỗ, nhưng tiềm năng nguyên liệu thật sự là lớn hơn nhiều. Theo WEC, tổng công suất dự đốn trên tồn cầu của bã thải từ rừng là 10.000 MWe.

2.2.2.4. Bã nông nghiệp (Agricultural residues)

Chất thải nông nghiệp là các chất dư thừa sau các vụ thu hoạch. Chúng có thể được thu gom với các thiết bị thu hoạch thông thường cùng lúc hoặc sau khi gặt hái. Các chất thải nông nghiệp bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, vỏ trấu ... Hằng năm, có khoảng 80 triệu cây bắp được trồng, cho nên vỏ bắp đươc dự đoán sẽ là dạng sinh khối chính cho các ứng dụng năng lượng sinh học. Ở một số nơi, đặc biệt những vùng khô, các chất bã cần phải được giữ lại nhằm bổ sung các chất dinh dưỡng cho đất cho vụ mùa kế tiếp. Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết tất cả các chất dinh dưỡng từ cặn bã, các chất bã này không được tận dụng tối đa và bị mục rữa làm thất thốt năng lượng.

Có nhiều thống kê khác nhau về tiềm năng công suất của năng lượng sinh khối dạng này. Ví dụ như Smil (1999) ước lượng rằng cho đến giữa thập kỷ 90 thế kỷ 20, tổng lượng bã nông nghiệp là khoảng 3,5-4 tỷ tấn mỗi năm, tương đương với một 65 EJ năng lượng (1,5 tỷ toe). Hal và cộng sự (1993) tính tốn rằng chỉ với lượng thu hoạch nông nghiệp cơ bản của thế giới (ví dụ như lúa mạch, lúa mì, gạo,