Đặt vấn đề Việt nam là một quốc gia đang phát triển kinh tế, muốn phát triển kinh tế thì ngành năng lượng phải đi trước một bước trong đó phải kể đến năng lượng điện. Theo các chuyên gia cả thế giới sẽ phải đối mặt với tình trạng thiếu năng lượng trong vài năm tới khi tốc độ cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch đang tăng nhanh. Dự báo đến năm 2015 nếu sử dụng điện ở mức thấp nhất thì nước ta thiếu khoảng 46,3 tỉ KWh và đến năm 2020 thì con số này tăng lên đến 159 tỉ KWh. Như vậy vấn đề đặt ra cho ngành điện là cần thay đổi cấu trúc các thành phần điện năng để có thể rút ngắn khoảng cách cung – cầu của năng lượng điện trong vài năm tới.
để thực hiện điều này chúng ta có rất nhiều giải pháp, ta thử phân tích các nguồn điện để tìm giải pháp thích hợp nhất. Khi nói đến nhà máy điện của việt nam thì trước tiên phải kể đến thủy điện, chúng ta đã khai thác thủy điện rất triệt để và rõ ràng nguồn tài nguyên này không phải là vô tận, các nhà máy thủy điện lớn khoảng 1000MW không còn khả năng xây dựng nữa mà chỉ có thể xây dựng những nhà máy nhỏ khoảng 300 MW nhưng xây dựng thủy điện quá nhiều sẽ ảnh hưởng lớn đến môi trường sinh thái đó là chưa kể đến hàng loạt sự cố xảy ra đối với thủy điện trong thời gian qua đi ví dụ như thủy điện Sông Tranh. Do đó có thể kết luận thủy điện không phải là lựa chọn thích hợp đối với nước ta. Thứ hai là nhiệt điện, nhiệt điện thì dựa vào than và dầu nhưng dầu cũng không phải là vô tận, nếu không nói là sẽ cạn kiệt trong vài chục năm nữa.
Mặt khác, nguyên liệu dầu mỏ càng ngày càng trở nên quý hiếm đối với nhiều ngành công nghiệp nên việc đốt dầu thành điện là một sự lãng phí đáng tiếc. Vì lẽ đó, nhiệt điện chủ yếu phải dựa vào than. Tuy nhiên hàng năm chúng ta cũng phải nhập khẩu một lượng than rất lớn và nếu như thế thì ô nhiễm môi trường là không thể tránh khỏi vì bụi than và khí HVTH: Lưu Quốc Toản Trang 12 Luận văn thạc sĩ GVHD: Lê Chí Kiên thải khi đốt than. Như vậy nhiệt điện cũng chưa phải là sự lựa chọn thích hợp cho ngành năng lượng điện của việt nam.
Thứ ba là các dạng năng lượng mới có thể kể đến như: năng lượng gió, thủy triều, mặt trời, địa nhiệt, sinh khối. tuy nhiên các dạng năng lượng này vẫn còn một số vấn đề cần nghiên cứu và hoàn thiện hơn như giá thành cao, chi phí lớn, phụ thuộc vào nhiều yếu tố thiên nhiên hoặc độ biến đổi của nguồn năng lượng lớn. Do vậy, đề tài này chọn xu hướng là nâng cao hiệu suất hệ thống phát điện và một trong những phương pháp nâng cao hiệu suất đó là dùng hệ thống phát điện sử dụng nguyên lý Từ thủy động MHD (MagnetoHydroDynamic). Đây là một dạng phát điện trực tiếp với nguồn nhiệt sử dụng ở nhiệt độ cao có thể trên 2000K nên được kỳ vọng cho hiệu suất lớn hơn nhiều so với các hệ thống phát điện kiểu truyền thống trước giờ.
Tổng quan về thủy từ động lực và các đề tài đã nghiên cứu 1. Giới thiệu về thủy từ động lực Máy phát điện từ thuỷ động lực (MHD) là hệ thống chuyển nhiệt năng hay động năng trực tiếp thành điện năng dựa trên nguyên lý từ thủy động học. MHD có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao và không cần phải có các chi tiết cần được bôi trơn (chuyển động cơ học). Khí thải của hệ thống MHD thường là các dòng phasma nóng và chúng có thể tái sử dụng để cung cấp nhiệt cho các hệ thống nhiệt điện truyền thống (turbin hơi nước hay tuabin khí).Về mặt nhiệt động lực học các máy phát điện từ thủy động lực thường hoạt động theo chu kỳ Brayton và có hiệu suất tương đương với chu trình Carnot trong điều kiện lý tưởng.
Hiệu suất của MHD phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh. Lịch sử phát triển và hướng nghiên cứu trên thế giới. Máy phát MHD đầu tiên được nghiên cứu vào năm 1938 tại Mỹ được cấp bằng sáng chế số 2210918 “ Quy trình chuyển đổi năng lượng” vào ngày 13 tháng 8 năm 1940. Chiến tranh thế giới lần thứ II đã làm gián đoạn sự phát triển của máy phát này HVTH: Lưu Quốc Toản Trang 13 Luận văn thạc sĩ GVHD: Lê Chí Kiên đến năm 1962 hội nghị quốc tế đầu tiên về máy phát MHD đã được tổ chức tại Newcastle (Vương Quốc Anh) do Tiến sĩ Brian C Lindley nghiên cứu và tổ chức [4].
Năm 1964 hội nghị lần thứ hai được tổ chức tại Paris ( Pháp) với sự tham gia của cơ quan năng lượng hạt nhân Châu Âu. Tháng 7 năm 1966 hội nghị lần thứ ba với sự tài trợ của cơ quan năng lượn nguyên tử quốc tế đã được tổ chức tại Salzbug (Áo) [4]. Trong nhưng năm của thập niên 1960 tính thực tiễn của máy phát MHD cho hệ thống nhiên liệu hóa thạch đã được nghiên cứu bởi J Rosa. Cuối những năm 1960 do sự phát triển của điện hạt nhân nguyên tử nên sự quan tâm MHD bị từ chối.
Đến cuối những năm 1970 sự quan tâm điện hạt nhân giảm xuống thì có xu hướng quay trở lại đến MHD [4]. Năm 1975 Unesco khuyến cáo nên nghiên cứu MHD và coi đó như phương pháp hiệu quả nhất để sử dụng dự trữ than đá trên thế giới và Unesco đã trở thành nhà tài trợ chính cho ILGHMD [4]. Vài nét phát triển của máy phát MHD trên thế giới: Tại Mỹ: Trong những năm đầu của thập niên 1980 bộ Năng lượng Mỹ bắt đầu chương trình phát triển mạnh mẽ MHD mà đỉnh cao là máy phát 50MW (1992) dung nhiên liệu than đá [4]. Chương trình này được phát triển dựa trên sự kết hợp của 4 phần: 1 Đứng đầu của chu trình tích hợp này là máy phát MHD hiệu ứng Hall được cấp nhiệt bằng than đá nghiền thành bột cùng hạt mang điện ion hóa Kali với sự giám sát của AVCO.
2 Cơ sở để tạo ra các hạt ion hóa được phát triển bởi TRW. Theo phương pháp này Kali Cacbonat được tách ra từ Sunfat trong tro, Cacbonat được lấy ra và để lại Kali. 3 Phần cuối của chu trình được nghiên cứu và phát triển bởi CDIF. HVTH: Lưu Quốc Toản Trang 14 Luận văn thạc sĩ GVHD: Lê Chí Kiên 4 Phương pháp tích hợp MHD từ nhà máy than được Westinghouse Electric nghiên cứu cùng với sự kết hợp của công ty điện lực Montana.
Chương trình thử nghiệm đã kết thúc vào năm 1993 với hơn 4000 giờ hoạt động. Tại Nhật Bản: Vào cuối những năm 1980 tại Nhật người ta tập trung vào phát điện MHD có chu trình kín. Nghiên cứu này phù hợp với điều kiện của Nhật Bản với công suất nhỏ hơn 100MW, thiết kế nhỏ gọn không ô nhiễm môi trường. Máy phát đầu tiên phải kể đến là công trình Fuji-1 do viện công nghệ Tokyo chế tạo.
Đây là một máy phát dạng đĩa với Helium, khí Argon và hạt ion hóa Kali.Kết quả của thí nghiệm cho mật độ điện gần 100MW/m3 hiệu suất EE lên đến 30,2 % [4]. Năm 1994 dự án Fuji-2 được xây dựng dựa trên Fuji-1, hệ thống này sử dụng khí trơ thông qua máy phát dạng đĩa với mục đích là khai thác Enthapy 35% và hiệu suất đạt được là 60% [4]. Tại Australia: Năm 1986 giáo sư Hugokal Mersserle tại đại học Sydney đã nghiên cứu MHD dùng nhiên liệu than kết quả là hàng loạt nhà máy điện đã được đưa vào hoạt động bên ngoài Sydney. Tại Italia: Vào năm 1989 Italia bắt đầu nghiên cứu MHD theo 3 lĩnh vực chính.
1 Nghiên cứu mô hình MHD. 2 Phát triển nam châm siêu dẫn. 3 Đưa MHD vượt qua lò hơi trở thành máy phát điện chính. Tại Nga: Năm 1994 Nga đã phát triển và điều hành cơ sở than U-25 tại viện Hàn lâm khoa học Nga ở Moscow và quan tâm đến MHD dạng đĩa dùng nhiên liệu than [4].
Trong những năm đầu của thế kỷ XXI chu trình MHD kín ( MHD plasma) đã có những nghiên cứu và phát triển. Nghiên cứu của Nob Harada, Le Chi Kien, Hishikawa tại đại học Nagaoka Niigata Nhật Bản về vấn đề MHD kín được báo cáo với tổng hiệu suất dự kiến là 55,2 % [6]. HVTH: Lưu Quốc Toản Trang 15 Luận văn thạc sĩ GVHD: Lê Chí Kiên Hình 1. 1: Cấu tạo máy phát thủy từ động lực MHD có một vai trò to lớn trong việc nâng cao hiệu suất của một nhà máy điện nhiên liệu hóa thạch, chất dẫn điện trong MHD có thể là kim loại lỏng hoặc khí làm việc ở nhiệt độ rất cao lên đến 30000K trong khi với máy phát điện thông thường tuabin hơi chỉ làm việc với nhiệt độ khoảng 1000oK.
Về mặt hiệu suất cũng vậy nếu máy phát điện tuabin hơi thường có hiệu suất khoảng 40% thì máy phát MHD nâng hiệu suất đó lên đến 60%. Máy phát MHD tuy có những ưu điểm như vậy nhưng nó chưa được ứng dụng cho sản xuất điện năng với quy mô lớn do có những vấn đề về kỹ thuật cũng như về sự chênh lệch giá thành so với các tuabin khí ngày càng phát triển. Máy phát MHD chu trình hở thường vận hành với nhiên liệu hóa thạch sau đó kết hợp với tuabin hơi và được nghiên cứu vào những năm đầu của thập nhiên 60. Máy phát MHD chu trình kín thường vận hành với nhiên liệu từ lò phản ứng hạt nhân.
Vì có khả năng làm việc ở nhiệt độ rất cao nên MHD được phát triển như một chu trình đứng đầu để nâng cao hiệu quả của nhà máy điện tuabin khí đặc biệt là khi đốt than hay nhà máy điện hạt nhân vì vậy MHD nên được sử dụng với chu trình kết hợp. HVTH: Lưu Quốc Toản Trang 16 Luận văn thạc sĩ GVHD: Lê Chí Kiên LNG 2400K Điện năng lên lưới 0.6 MPa Máy phát MHD inverter Gia nhiệt He Trao đổi nhiệt Máy nén M Gia nhiệt Làm lạnh Không khí Hình 1. 2: Chu trình phát điện MHD sử dụng LNG Trên thực tế máy phát điện MHD sử dụng nhiên liệu hóa thạch thì vượt qua các công nghệ khác ít tốn kém hơn chẳng hạng như chu trình kết hợp tuabin khí hoặc co2 nhiên liệu nóng chảy xả hơi nóng cho tuabin hơi nước. Các nhà máy sẽ thu hồi nhiệt thảy từ MHD để oxi hóa làm nóng nước và phát điện kết hợp chu trình hơi nước.