II. Tổng quan về ngành công nghiệp điện
2. Các nhà máy sản xuất điện năng
Nhà máy sản xuất ra điện năng gọi là nhà máy điện. Nhiên liệu dùng cho các nhà máy điện là những tài nguyên thiên nhiên như than đá, than bùn, khí, dầu, nước, mặt trời, năng lượng nguyên tử,… Để làm quay các máy phát điện, người ta phải dùng những máy động lực sơ cấp như máy hơi nước, động cơ đốt trong, tuabin khí, tuabin nhiệt, tuabin thủy lực,… Tùy theo dạng năng lượng được sử dụng cho các máy động lực sơ cấp đó, người ta chia ra các loại nhà máy điện như nhà máy nhiệt điện, nhà máy thủy điện, nhà máy điện tuabin khí, nhà máy điện nguyên tử và các nhà máy điện công suất nhỏ như nhà máy điện chạy bằng sức gió, nhà máy điện mặt trời, nhà máy điện diezel, nhà máy địa nhiệt, nhà máy điện thủy triều,… Thông thường, tất cả các nhà máy điện đều được đặt xa khu dân cư và thường được bố trí gần nơi có sẵn các nhiên liệu. Điện năng sau khi được sản xuất ở các nhà máy điện sẽ được truyền tải, phân phối đến các hộ tiêu thụ điện nhờ mạng lưới điện.
2.1. Nhà máy nhiệt điện
Đây là loại nhà máy điện kinh điển, cho đến nay sản lượng điện do nhà máy này sản xuất ra vẫn chiếm một tỷ lệ quan trọng trong tổng sản lượng điện của một quốc gia.
Hình 1: Nguyên lý biến đổi năng lƣợng ở nhà máy nhiệt điện
Nhiên liệu dùng để đốt lị là than đá, than bùn, khí đốt, các loại dầu nặng, tre,… nhiệt năng làm bốc hơi nước có nhiệt độ và áp suất cao (khoảng 5500
C, 250at/cm2) tác động lên cánh tuabin, cơ năng này làm quay trục của máy phát và máy phát phát ra điện. Nhà máy nhiệt điện có hai loại là nhà máy nhiệt điện trích hơi và nhà máy nhiệt điện ngưng hơi. Nhà máy nhiệt điện có những đặc điểm sau:
Thường xây dựng gần nguồn nhiên liệu.
Hầu hết điện năng sản xuất ra được phát lên lưới điện cao áp. Tính linh hoạt trong vận hành kém.
Việc khởi động và tăng phụ tải chậm.
Khối lượng tiêu thụ nhiên liệu lớn, việc vận chuyển nhiên liệu khá tốn kém và thải khói làm ơ nhiễm mơi trường.
Hiệu suất của nhà máy nhiệt điện khoảng 30% – 40% đối với nhà máy nhiệt điện ngưng hơi, 60% – 70% đối với nhà máy nhiệt điện trích hơi với phụ tải nhiệt là tối ưu.
2.2. Nhà máy thủy điện
Ở nhà máy thủy điện, thủy năng được biến thành điện năng nhờ các tuabin thủy lực làm quay rôto các máy phát điện. Công suất của nhà máy thủy điện tỷ lệ với chiều cao cột nước và lưu lượng nước qua tuabin. Tuabin thủy lực đặt ở phía hạ lưu, tại đây có kênh dẫn nước chảy vào buồng xốy chơn ốc và hướng vào cánh rơto của tuabin thủy lực được gắn đồng trục với rơto máy phát điện ở phía triển. Như vậy, thủy năng qua tuabin thủy lực biến thành cơ năng và sau đó biến thành điện năng.
Nhà máy thủy điện có những đặc điểm sau:
Sử dụng năng lượng của dòng nước nên không gây ô nhiễm môi trường. Thiết bị tương đối đơn giản, gần như hoàn toàn tự động.
Số người vận hành ít (chỉ khoảng 1/20 nhà máy nhiệt điện có cùng công suất).
Giá thành sản xuất 1 Kwh điện năng rẻ nhất so với các loại nhà máy điện khác (chỉ bằng 0,08 đến 0,2 giá thành điện năng của nhà máy nhiệt điện). Thời gian nhận tải của nhà máy thủy điện rất nhanh. Vì vậy, nhà máy thủy
điện đảm bảo nhận phần biến động của phụ tải điện trong ngày rất tốt.
Ngồi kiểu nhà máy thủy điện thơng thường cịn có nhà máy thủy điện tích năng. Nhà máy này có hai hồ chứa nước (một ở thượng lưu, một ở hạ lưu) nằm ở hai độ cao khác nhau. Nhà máy làm việc ở hai chế độ: chế độ sản xuất điện năng và chế độ tiêu thụ điện năng. Khi hệ thống điện có phụ tải cực tiểu các nhà máy làm việc ở chế độ động cơ, còn tuabin ở chế độ bơm, nghĩa là máy phát điện tiêu thụ điện năng từ hệ thống điện để bơm nước từ hồ chứa nước hạ lưu lên hồ chứa nước thượng lưu. Chế độ làm việc này gọi là chế độ tích năng. Ngược lại, khi phụ tải của hệ thống điện cực đại, hệ thống có nhu cầu điện năng, nước chảy từ hồ thượng lưu xuống hạ lưu làm quay tuabin, quay máy phát điện, sản xuất điện năng và cung cấp lên hệ thống. Như vậy, thủy điện tích năng góp phần làm bằng phẳng đồ thị phụ tải của hệ thống điện, nâng cao hiệu quả kinh tế trong vận hành các nhà máy nhiệt điện.
2.3. Nhà máy điện nguyên tử
Nhà máy nhiệt điện nguyên tử là dùng các lò phản ứng hạt nhân để cung cấp nhiệt biến nước thành hơi có nhiệt độ và áp suất cao, hơi này làm quay tuabin máy phát và máy phát điện sản xuất ra điện năng. Nhiên liệu hạt nhân có khả năng tạo nhiệt rất cao, chẳng hạn phân hủy 1 kg U235 tạo ra nhiệt năng tương đương với đốt 2.900 tấn than đá. Vì vậy, nhà máy điện nguyên tử có ý nghĩa rất lớn với vùng khan hiếm nhiên liệu than, dầu, khí và ở các vùng khó vận chuyển nguyên liệu tới. Để sản xuất ra điện năng, lò phản ứng hạt nhân sử dụng Uranium. Ở trạng thái tự nhiên, quặng này có 99,3% là Uranium 238 và 0,7% là Plutonium. Nhiệt lượng thu được
trong lò phản ứng khi làm việc là do sự phân rã các hạt nhân nguyên tử của chất làm nhiên liệu như Uranium 235 và Plutonium 239. Nhà máy điện nguyên tử có những đặc điểm sau:
Có khả năng làm việc độc lập. Khối lượng nhiên liệu nhỏ. Vận hành linh hoạt.
Đồ thị phụ tải tự do.
Khơng thải khói ra ngồi khí quyển. Vốn đầu tư xây dựng lớn.
Hiệu suất cao hơn nhà máy nhiệt điện.
Pháp là quốc gia xây dựng nhà máy điện nguyên tử đầu tiên và hiện nay trong tổng sản lượng điện quốc gia hàng năm thì sản lượng điện do các nhà máy điện nguyên tử cung cấp chiếm tới 80% và khá ổn định.
2.4. Nhà máy điện dùng sức gió
Trong số các nguồn năng lượng thì gió được coi là nguồn năng lượng vô tận, không ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và giá thành tương đối rẻ so với các loại năng lượng khác. Người ta lợi dụng sức gió để quay hệ thống cánh quạt đối diện với chiều gió. Hệ thống cánh quạt hoặc gián tiếp hoặc trực tiếp qua bộ biến tốc làm quay máy phát điện, sản xuất ra điện năng. Điện năng sản xuất ra thường được tích trữ bằng acquy. Đối với động cơ gió phát điện gặp nhiều khó khăn trong việc điều chỉnh tần số vì vận tốc gió ln thay đổi. Động cơ gió phát điện thường có hiệu suất thấp, cơng suất đặt nhỏ, giá thành điện năng lại cao. Vì vậy, động cơ điện gió chỉ dùng ở các vùng hải đảo xa xôi và những nơi thật cần thiết.
2.5. Nhà máy điện từ thủy động
Đây là loại nhà máy điện trong tương lai, vì đang cịn trong thời kỳ nghiên cứu, thử nghiệm. Điện năng sản xuất ra trực tiếp từ nhiệt năng trong máy phát điện từ thủy động. Khí được đốt cháy hết ở nhiệt độ rất cao từ 3.0000
C – 4.0000C sẽ trở thành vật dẫn điện. Trạng thái khí trong điều kiện nhiệt độ như vậy được gọi là Plasma. Ta đã biết khi một vật dẫn quét ngang từ trường thì trong vật dẫn đó xuất hiện suất điện động. Suất điện động này phụ thuộc vào chiều dài, tốc độ di chuyển
của vật dẫn và cường độ từ trường. Dựa trên cơ sở này, người ta chế tạo máy phát điện từ thủy động, trong đó Plasma là vật dẫn.
2.6. Nhà máy điện tuabin khí
Nhà máy điện tuabin khí, áp suất của khí đốt giãn nở trực tiếp làm quay tuabin khí và quay rơto máy phát điện, máy phát điện phát ra điện năng.
Nhà máy điện tuabin khí có hai loại:
- Tuabin khí có chu trình hở, nghĩa là khí sau khi giãn nở thổi qua tuabin thì xả ra ngồi khơng khí.
- Tuabin khí có chu trình kín, khơng khí được máy nén nén lại và lần lượt phun qua: thiết bị sấy nóng, buồng đốt, tuabin khí rồi quay trở về thiết bị nén, nghĩa là luồng khí di chuyển trong một chu trình khép kín.
Hiệu suất của nhà máy tuabin khí đơn khoảng 20% – 25%, cịn đối với nhà máy điện tuabin khí hỗn hợp là 44% – 46%. Nhiên liệu của nhà máy điện tuabin khí là khí thiên nhiên, đã chưng cất (DO) và thậm chí cả dầu thơ hoặc dầu cặn với biện pháp xử lý dầu thích hợp.