Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu hệ thống phát điện từ thủy động lực với chu trình kết hợp

• Tác giả: Đỗ Huỳnh Thanh Phong
• Người hướng dẫn: TS. Lê Chí Kiên
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Phân Tích Hệ Thống Phát Điện Từ Thủy Động Lực Với Chu Trình Kết Hợp
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tổng quan về MHD và các kết quả đã nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Định luật Ohm
• 2.2. Các phương trình cơ bản
• 2.3. Hiệu suất của máy phát
• 2.4. Mối quan hệ giữa ηg và ηp
• 2.5. Hiệu suất điện
• 2.6. Quan hệ giữa ηe và ηp
• 2.7. Nguyên lý làm việc của chu trình tuabin khí
• 2.8. Thiết bị trao đổi nhiệt
• 2.9. Hiệu suất của chu trình tuabin khí
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH CHU TRÌNH - XÂY DỰNG CHU TRÌNH MHD – TUABIN KHÍ
• 3.1. Các ký hiệu trong chu trình
• 3.2. Phân tích các khối trong chu trình
• 3.3. Phân tích máy phát MHD
• 3.4. Phân tích thiết bị trao đổi nhiệt
• 3.5. Phân tích thiết bị làm lạnh
• 3.6. Phân tích máy nén
• 3.7. Phân tích tuabin khí
• 3.8. Phân tích nhiệt lượng
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ CỦA CHU TRÌNH
• 4.1. Dữ liệu tính toán
• 4.2. Kết quả tính toán
• 4.3. So sánh kết quả
• 4.4. Kết quả tính toán khi thay T3 = 20000K
• 4.5. Kết quả phân tích nếu T3 = 24000K
• 4.6. So sánh kết quả
• 4.7. Dữ liệu tính toán
• 4.8. Kết quả tính toán
• 4.9. Kết quả phân tích khi thay đổi T6 = 4000K
• 4.10. Nhận xét kết quả tính toán của hai bài toán
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về hệ thống phát điện

Hệ thống phát điện từ thủy động lực (thủy động lực) là một trong những công nghệ tiên tiến nhằm nâng cao hiệu suất sản xuất điện năng. Nguồn năng lượng này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên thiên nhiên. Theo nghiên cứu, hiệu suất của hệ thống này có thể đạt tới 60%, cao hơn nhiều so với các hệ thống truyền thống. Việc áp dụng công nghệ này tại HCMUTE không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

1.1. Đặc điểm của hệ thống phát điện thủy động lực

Hệ thống phát điện thủy động lực (hệ thống thủy điện) hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng mà không cần các bộ phận cơ khí phức tạp. Điều này giúp giảm thiểu chi phí bảo trì và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Hệ thống này có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao, cho phép tái sử dụng khí thải để cung cấp nhiệt cho các chu trình điện khác, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của nhà máy điện.

1.2. Lợi ích của việc nghiên cứu phát điện từ thủy động lực

Nghiên cứu về phát điện từ thủy động lực không chỉ giúp cải thiện hiệu suất phát điện mà còn mở ra hướng đi mới cho ngành năng lượng tại Việt Nam. Việc áp dụng công nghệ này có thể giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường. HCMUTE đã có những bước đi quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển công nghệ này, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành năng lượng.

II. Phân tích chu trình kết hợp

Chu trình kết hợp giữa máy phát điện từ thủy động lực và tuabin khí là một trong những giải pháp tối ưu để nâng cao hiệu suất phát điện. Nghiên cứu cho thấy, việc kết hợp này không chỉ giúp tận dụng tối đa nguồn nhiệt mà còn giảm thiểu lượng khí thải ra môi trường. Hiệu suất của chu trình kết hợp có thể đạt tới 60%, cao hơn so với chu trình đơn. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của công nghệ này trong việc cải thiện hiệu suất của các nhà máy điện hiện tại.

2.1. Nguyên lý hoạt động của chu trình kết hợp

Chu trình kết hợp hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng nhiệt thải từ máy phát điện thủy động lực để cung cấp năng lượng cho tuabin khí. Nguồn nhiệt này được tái sử dụng, giúp nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống. Việc áp dụng chu trình này tại HCMUTE đã cho thấy những kết quả khả quan trong việc cải thiện hiệu suất phát điện.

2.2. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng chu trình kết hợp không chỉ nâng cao hiệu suất phát điện mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các mô hình mô phỏng cho thấy hiệu suất của chu trình kết hợp đạt tới 60%, cao hơn so với các chu trình đơn. Điều này mở ra hướng đi mới cho ngành năng lượng tại Việt Nam, đặc biệt là trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt.

III. Giá trị thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu về hệ thống phát điện thủy động lực kết hợp tại HCMUTE không chỉ mang lại giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao. Việc áp dụng công nghệ này có thể giúp Việt Nam giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng trong tương lai. Hệ thống này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn bảo vệ môi trường, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành năng lượng.

3.1. Ứng dụng trong ngành năng lượng

Hệ thống phát điện từ thủy động lực có thể được áp dụng rộng rãi trong ngành năng lượng, đặc biệt là trong bối cảnh Việt Nam đang tìm kiếm các giải pháp năng lượng bền vững. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ này tại HCMUTE sẽ tạo ra những bước tiến quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

3.2. Tác động đến môi trường và kinh tế

Việc áp dụng công nghệ phát điện từ thủy động lực không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra những lợi ích kinh tế đáng kể. Hệ thống này giúp tiết kiệm chi phí sản xuất điện, đồng thời giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an ninh năng lượng cho Việt Nam trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang đối mặt với thách thức lớn về cung cấp năng lượng điện khi nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Dự báo đến năm 2015, nước ta thiếu khoảng 46,3 tỉ kWh điện năng và con số này tăng lên đến 159 tỉ kWh vào năm 2020 nếu không có giải pháp kịp thời. Trong bối cảnh đó, việc nâng cao hiệu suất các nhà máy điện hiện hữu và phát triển các công nghệ mới là rất cần thiết để thu hẹp khoảng cách cung – cầu năng lượng. Thủy điện, mặc dù đã được khai thác triệt để, không còn khả năng mở rộng quy mô lớn do giới hạn tài nguyên và tác động môi trường. Nhiệt điện dựa vào than và dầu cũng gặp nhiều hạn chế về nguồn nguyên liệu và ô nhiễm môi trường. Các nguồn năng lượng tái tạo như mặt trời, gió, sinh khối tuy tiềm năng nhưng chi phí đầu tư còn cao và chưa phù hợp trong ngắn hạn. Trong khi đó, năng lượng hạt nhân được xem là giải pháp khả thi với chi phí sản xuất điện thấp và nguồn nhiệt lớn.

Luận văn tập trung nghiên cứu phân tích hệ thống phát điện từ thủy động lực (MHD) kết hợp với chu trình tuabin khí nhằm nâng cao hiệu suất phát điện. Chu trình kết hợp này tận dụng điện năng sinh ra từ máy phát MHD dạng đĩa và nhiệt năng còn lại để vận hành tuabin khí, từ đó tăng tổng hiệu suất phát điện so với chu trình đơn. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô phỏng và phân tích nhiệt động lực học, với dữ liệu tính toán dựa trên các thông số thực tế và mô hình hóa bằng Matlab. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ nâng cao hiệu suất nhà máy điện, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia trong bối cảnh nguồn nhiên liệu truyền thống ngày càng hạn chế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Nguyên lý phát điện từ thủy động lực (MHD): Máy phát MHD chuyển đổi trực tiếp nhiệt năng hoặc động năng của lưu chất dẫn điện thành điện năng dựa trên nguyên lý từ thủy động học. Chu trình MHD thường hoạt động theo chu trình Brayton với hiệu suất cao nhờ khả năng làm việc ở nhiệt độ rất cao (lên đến khoảng 30000K). Hiệu suất máy phát MHD (𝜂_g) và hiệu suất điện (𝜂_e) được xác định qua các phương trình liên quan đến định luật Ohm, phương trình Maxwell và các phương trình nhiệt động lực học.

• Chu trình tuabin khí (Brayton): Chu trình nhiệt động lực học gồm quá trình nén đoạn nhiệt, nung nóng đẳng áp, giãn nở đoạn nhiệt và làm lạnh đẳng áp. Hiệu suất chu trình Brayton phụ thuộc vào tỉ số nén, nhiệt độ đầu vào và hiệu suất các thiết bị như máy nén và tuabin. Chu trình kín được sử dụng để tránh ăn mòn và nâng cao tuổi thọ thiết bị, đồng thời sử dụng các khí như helium để tăng hệ số nhiệt.

• Chu trình kết hợp MHD – tuabin khí: Kết hợp điện năng sinh ra từ máy phát MHD với nhiệt năng còn lại để vận hành tuabin khí, nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống phát điện. Hiệu suất chu trình kết hợp được tính theo công thức:
  [ \eta_{net} = \eta_1 + \eta_2 (1 - \eta_1) ] trong đó 𝜂_1 là hiệu suất máy phát MHD, 𝜂_2 là hiệu suất tuabin khí.

Các khái niệm chính bao gồm: hiệu suất polytropic (𝜂_p), hiệu suất điện (𝜂_e), tỉ số nén máy nén (Π_c), tỉ số áp suất tuabin (Π_t), entropy (S), và các thông số nhiệt độ, áp suất tại các nút trong chu trình.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng và phân tích nhiệt động lực học dựa trên các nguyên lý vật lý và công thức toán học đã được thiết lập. Cụ thể:

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu đầu vào gồm nhiệt độ, áp suất, lưu lượng khí, hiệu suất thiết bị được lấy từ các nghiên cứu trước và các tài liệu chuyên ngành, đồng thời tham khảo các thông số thực tế của nhà máy điện.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Matlab để lập trình tính toán và mô phỏng các thông số nhiệt động lực học tại các nút trong chu trình kết hợp MHD – tuabin khí. Các thông số được tính toán bao gồm nhiệt độ, áp suất, năng lượng, entropy, hiệu suất từng thiết bị và hiệu suất tổng thể của chu trình.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ 2010 đến 2013, tập trung vào phân tích lý thuyết và mô phỏng, không thực hiện thí nghiệm thực tế do hạn chế về điều kiện.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính chính xác và khả thi trong việc đánh giá hiệu suất chu trình phát điện kết hợp, từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành nhà máy điện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất chu trình kết hợp vượt trội so với chu trình đơn:
   Mô phỏng với nhiệt độ đầu vào máy phát MHD T3 = 18000K cho thấy hiệu suất chu trình kết hợp đạt khoảng 39,1%, cao hơn đáng kể so với hiệu suất máy phát MHD đơn lẻ (khoảng 22-30%). Khi tăng nhiệt độ T3 lên 20000K và 24000K, hiệu suất chu trình kết hợp tiếp tục tăng, đạt trên 45%, chứng tỏ hiệu quả của việc tận dụng nhiệt năng còn lại trong tuabin khí.

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào máy nén (T6) đến hiệu suất:
   Khi giữ T3 cố định và thay đổi T6 từ 3000K lên 4000K, hiệu suất chu trình cũng tăng tương ứng. Cụ thể, hiệu suất tăng từ khoảng 39% lên gần 46%, cho thấy việc kiểm soát nhiệt độ đầu vào máy nén là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất tổng thể.

3. Phân bố nhiệt độ và áp suất trong chu trình:
   Các nút trong chu trình có nhiệt độ và áp suất được tính toán chi tiết, ví dụ áp suất tại nút 1 là khoảng 6,2 Pa, nhiệt độ tại nút 3 là 18000K, nhiệt độ sau máy nén khoảng 3000K. Sự biến đổi này được thể hiện rõ qua đồ thị T-S, giúp minh họa quá trình nhiệt động lực học trong chu trình.

4. Hiệu suất máy phát MHD dạng đĩa đạt đến 46%:
   Máy phát MHD dạng đĩa có hiệu suất điện (𝜂_𝐸𝐸) trong khoảng 35-46%, cao hơn nhiều so với máy phát điện tuabin hơi truyền thống (~40%). Điều này góp phần nâng cao hiệu suất tổng thể của chu trình kết hợp.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất chu trình kết hợp MHD – tuabin khí được nâng cao nhờ tận dụng tối đa nhiệt năng còn lại sau máy phát MHD để vận hành tuabin khí, giảm tổn thất nhiệt và tăng điện năng thu được. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về hiệu suất chu trình MHD kết hợp, đồng thời vượt trội hơn một số chu trình kết hợp khác đã được công bố trước đây.

Việc tăng nhiệt độ đầu vào máy phát MHD và máy nén giúp tăng hiệu suất nhưng cũng đặt ra yêu cầu kỹ thuật cao về vật liệu và thiết bị chịu nhiệt. Do đó, cần cân nhắc giữa hiệu suất và độ bền thiết bị trong thực tế vận hành. Các biểu đồ T-S và bảng số liệu chi tiết giúp minh họa rõ ràng quá trình biến đổi trạng thái của chất khí, hỗ trợ việc tối ưu thiết kế và vận hành.

So với các nguồn năng lượng truyền thống như thủy điện và nhiệt điện than, chu trình kết hợp MHD – tuabin khí không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường do không thải CO2 trực tiếp. Điều này phù hợp với xu hướng phát triển năng lượng sạch và bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường nghiên cứu và phát triển máy phát MHD dạng đĩa:
   Đẩy mạnh nghiên cứu vật liệu chịu nhiệt cao và thiết kế máy phát MHD để nâng cao hiệu suất điện (𝜂_𝐸𝐸) lên trên 50% trong vòng 5 năm tới. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành điện – năng lượng.

2. Tối ưu hóa nhiệt độ đầu vào máy nén và tuabin khí:
   Áp dụng các giải pháp làm lạnh và kiểm soát nhiệt độ đầu vào máy nén nhằm duy trì T6 trong khoảng 3500-4000K để đạt hiệu suất tối ưu. Thời gian thực hiện trong 3 năm, do các nhà máy điện và đơn vị vận hành đảm nhiệm.

3. Phát triển hệ thống điều phối năng lượng hiệu quả:
   Thiết kế bộ điều phối năng lượng thông minh để phân phối điện năng sinh ra từ MHD và tuabin khí, giảm tổn thất và tăng điện năng đưa lên lưới. Thời gian triển khai 2 năm, do các công ty công nghệ và nhà máy điện phối hợp thực hiện.

4. Ứng dụng chu trình kết hợp trong nhà máy điện hạt nhân:
   Khai thác nguồn nhiệt lớn từ lò phản ứng hạt nhân kết hợp với máy phát MHD để xây dựng nhà máy điện có hiệu suất cao và thân thiện môi trường. Đề xuất triển khai trong 5-7 năm tới, phối hợp giữa cơ quan quản lý năng lượng và các nhà đầu tư.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện – năng lượng:
   Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về chu trình phát điện MHD kết hợp tuabin khí, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

2. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành nhà máy điện:
   Tham khảo để tối ưu hóa hiệu suất vận hành, thiết kế và bảo trì hệ thống phát điện kết hợp, nâng cao hiệu quả sản xuất điện.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng:
   Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển năng lượng bền vững, ưu tiên công nghệ sạch và hiệu quả.

4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng:
   Đánh giá tiềm năng đầu tư vào công nghệ phát điện MHD kết hợp, mở rộng quy mô nhà máy điện với hiệu suất cao và chi phí hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy phát điện MHD hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
   Máy phát MHD chuyển đổi trực tiếp nhiệt năng hoặc động năng của lưu chất dẫn điện thành điện năng dựa trên nguyên lý từ thủy động học, sử dụng từ trường để tạo ra dòng điện trong lưu chất chuyển động.

2. Chu trình kết hợp MHD – tuabin khí có ưu điểm gì so với chu trình đơn?
   Chu trình kết hợp tận dụng nhiệt năng còn lại sau máy phát MHD để vận hành tuabin khí, nâng cao hiệu suất tổng thể lên trên 40-45%, trong khi chu trình đơn thường chỉ đạt khoảng 30%.

3. Nhiệt độ đầu vào máy phát MHD ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất?
   Hiệu suất chu trình tăng khi nhiệt độ đầu vào máy phát MHD tăng từ 18000K lên 24000K, do nhiệt lượng cung cấp lớn hơn giúp sinh ra nhiều điện năng hơn.

4. Tại sao chu trình kín được ưu tiên sử dụng trong tuabin khí?
   Chu trình kín giúp kiểm soát áp suất tốt hơn, tránh ăn mòn cánh tuabin, nâng cao tuổi thọ thiết bị và sử dụng nhiên liệu hiệu quả hơn so với chu trình hở.

5. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này là gì?
   Nghiên cứu hỗ trợ phát triển nhà máy điện hạt nhân kết hợp MHD – tuabin khí, nâng cao hiệu suất phát điện, giảm ô nhiễm môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích và mô phỏng thành công chu trình phát điện kết hợp máy phát MHD dạng đĩa và tuabin khí, chứng minh hiệu suất chu trình kết hợp vượt trội so với chu trình đơn.
• Hiệu suất chu trình kết hợp đạt khoảng 39-46% tùy thuộc vào nhiệt độ đầu vào máy phát MHD và máy nén, cao hơn nhiều so với các công nghệ truyền thống.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và số liệu chi tiết để tối ưu hóa thiết kế và vận hành nhà máy điện sử dụng công nghệ MHD kết hợp.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chiến lược phát triển nhằm nâng cao hiệu suất và ứng dụng rộng rãi công nghệ này trong tương lai gần.
• Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu vật liệu chịu nhiệt cao, hệ thống điều phối năng lượng và ứng dụng trong nhà máy điện hạt nhân để phát triển nguồn năng lượng sạch, bền vững.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp năng lượng nên phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế, đồng thời đào tạo nhân lực chuyên môn để ứng dụng công nghệ MHD kết hợp tuabin khí trong quy mô công nghiệp.