Chương 1: Tổng quan Tất cả các hệ thống phát điện MHD có thể được phát triển để đạt hiệu quả cao trong sản xuất điện năng với ưu điểm như giảm tiêu thụ nhiên liệu, không gây ô nhiễm không khí, hiệu suất cao.3 Mục đích của đề tài Phân tích cấu trúc và hiệu quả của chu trình phát điện dùng MHD kết hợp với tuabin khí. Phân tích, tính toán các thông số tại các nút trong chu trình kết hợp từ đó đưa ra giải pháp nâng cao hiệu suất của chu trình phát điện trong nhà máy nhiệt điện.4 Nhiệm vụ của đề tài. Nhiệm vụ trọng tâm của đề tài là phân tích nguyên lý làm việc, tính toán mô phỏng các thông số của các khối và hiệu suất chu trình kết hợp. Đề tài gồm các vấn đề sau: Tìm hiểu nguyên lý phát điện từ thủy động lực học.
Nghiên cứu cấu trúc chu trình phát điện MHD kết hợp tuabin khí. Tính toán, mô phỏng, phân tích quá trình nhiệt động trong chu trình kết hợp từ đó tính hiệu suất của chu trình.5 Phương pháp nghiên cứu. Do ở nước ta vấn đề nghiên cứu hệ thống phát điện còn sơ khai, mới được tiến hành trong vài năm gần đây nên chưa có đủ điều kiện để thực nghiệm vì vậy tác giả đề tài chọn phương pháp nghiên cứu cấu trúc, mô phỏng, phân tích quá trình cân bằng nhiệt của chu trình dựa trên các nguyên lý, quá trình nhiệt động lực học của chất khí sau đó rút ra nhận xét kết luận.6 Giới hạn của đề tài. Không phân tích cấu tạo của đĩa MHD.
Không có điều kiện để thực nghiệm nên chủ yếu là phân tích quá trình nhiệt động lực học. Lê Chí Kiên Trang 9 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong LVTN Chương 1: Tổng quan 1.7 Điểm mới của đề tài. Phân tích T-S để tìm năng lượng vào ra các khối trong chu trình nhằm tính toán chính xác hiệu suất chu trình từ đó đề ra giải pháp nâng cao hiệu suất nhà máy nhiệt điện.8 Giá Trị Thực Tiễn Nghiên cứu phương pháp nâng cao hiệu suất nhà máy điện, điều này có ý nghĩa to lớn cho nguồn năng lượng điện hiện nay khi nguồn tài nguyên khoáng sản đang cạn kiệt dần. Với kết quả nghiên cứu thì đề tài có thể: Ứng dụng trong hệ thống phát điện hạt nhân – MHD – tuabin khí.
Sử dụng làm tài liệu cho các nghiên cứu nâng cao hiệu suất nhà máy điện.9 Bố Cục Của Đề Tài. Cấu trúc luận văn gồm 5 chương cụ thể như sau: 1. Chương 1: Tổng quan. Giới thiệu MHD: nguyên lý phát điện, lịch sử hình thành, trình bày các hướng nghiên trước đây, trình bày mục đích nghiên cứu, điểm mới, ý nghĩa, giới hạn và bố cục của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Trình bày cơ sở, đặc tính, nguyên lý phát điện từ thủy động lực (MHD) và phân tích động học chu trình phát điện tuabin khí. Chương 3: Phân tích chu trình. Xây dựng chu trình phát điện, phân tích nhiệt động học của từng khối trong chu trình ( P, T,S,Q) từ đó tính toán các thông số của chu trình cũng như hiệu suất của chu trình phát điện kết hợp.
Chương 4: Tính toán và mô phỏng các thông số của chu trình. Trình bày bài toán ứng dụng tính toán chu trình với các thông số cụ thể, mô phỏng thông số ra của các khối, đồ thị biểu diễn mối quan hệ của các thông số đầu ra khi thay đổi dữ liệu đầu vào, trình bày kết quả nghiên cứu và so sánh kết quả với các kết quả nghiên cứu khác đã được công bố. Lê Chí Kiên Trang 10 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong LVTN Chương 1: Tổng quan 5. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.
Đánh giá kết quả và trình bày hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. Lê Chí Kiên Trang 11 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong LVTNChương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên lý phát điện của máy phát MHD MHD dựa vào nguyên lý từ trường có thể cảm ứng các dòng điện từ một lưu chất dẫn điện chuyển động, lực tác dụng lên lưu chất có thể thay đổi từ trường của chính nó. Tập hợp các phương trình mô tả MHD là sự kết hợp của các phương trình liên tục,phương trình động lực, các phương trình Maxwell (của điện từ) và định luật Ohm. Máy phát MHD chu trình kín thường sử dụng nhiên liệu từ lò phản ứng hạt nhân, nhưng có khi cũng dùng nhiên liệu hóa thạch.
Chất dẫn điện trong MHD có thể là khí hoặc kim loại lỏng có nhiệt độ làm việc thông thường khoảng 30000K. Đối với các máy phát MHD không có bộ phận chuyển động quay nên có thể nâng nhiệt độ lên cao và do đó có hiệu suất tương đối cao. Hiệu suất của chu trình kết hợp có thể được biểu diễn như sau: net 1 2 1 1 Trong đó 1 là hiệu suất của máy phát MHD và 2 là hiệu suất của tuabin khí. Quá trình phát điện được thực hiện bằng cách sử dụng từ trường mạnh để tạo ra điện trường với luồng lưu chất dẫn điện đi xuyên qua 1 kênh và dòng electron gây ra bởi điện trường tạo ra dòng điện có vector mật độ dòng J.
Các điện cực phía đối diện thành lò MHD tiếp xúc với lưu chấtdẫn điện được nối với mạch điện bên ngoài. Các electron từ lưu chất theo điện cực từ một phía vách lò đến tải bên ngoài và đến điện cực phía đối diện sau đó trở về khối lưu chất tạo thành dòng điện kín. Như vậy ta thấy hai điện cực cung cấp cho tải bên ngoài dòng điện một chiều và chúng ta có thể nối với bộ nghịch lưu để trở thành dòng điện xoay chiều rồi đưa lên lưới điện. Lê Chí Kiên Trang 12 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong LVTNChương 2: Cơ sở lý thuyết Máy phát điện từ thủy động lực học có thể được dùng để chuyển nhiệt năng cung cấp bởi một lò phản ứng hạt nhân thành điện năng, vì chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ rất cao.
Bằng cách kết hợp sử dụng máy phát điện từ thủy động lực với hệ thống tái sử dụng nhiệt năng của khí thải (thông qua máy phát nhiệt điện truyền thống, như tuabin khí), hiệu suất của toàn bộ hệ thống có thể lớn hơn 60% Máy phát MHD dạng đĩa có dòng điện của hiệu ứng Hall chạy bên trong giữa điện cực gần tâm đĩa và điện cực phần rìa của đĩa. Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý sinh ra khi từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay một chất bán dẫn đang có dòng điện chạy qua khi đó ta nhận được một hiệu điện thế sinh ra tại hai mặt đối diện nhau của tấm kim loại. Hiệu ứng này được giải thích là do bản chất của dòng điện chạy trong vật dẫn điện dòng điện này chính là sự chuyển động của các hạt mang điện khi chạy qua từ trường các điện tích chịu tác dụng của lực loren nên bị đẩy về một trong hai phía của tấm kim loại, sự tập trung điện tích về một phía tạo nên sự tích điện trái dấu và gây hiệu ứng Hall.1 Định luật Ohm. Chúng ta đã biết trong bất kỳ dây dẫn mang điện luôn có lực điện trường, từ trường và các ion.
Nếu tốc độ chuyển động của lưu chất là u xuyên qua một từ trường Bkết quả là xuất hiện một lực điện động u x B. Bên cạnh đó thì cũng xuất hiện thành phần điện trường E = ± w x B và định luật Ohm tổng quát cho tất cả các lực này là : 𝜔𝜏 𝜎 𝐷𝑗 j = σ.𝑒 𝐷𝑡 Trong đó ε là tổng của u x Bvà 𝑝𝑒 là áp suất của các electron. Phương trình (2.1) có thể được viết lại như sau khi dùng trong máy phát MHD do dòng plasma tạo ra 𝜔𝜏 j = σ. Lê Chí Kiên Trang 13 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong LVTNChương 2: Cơ sở lý thuyết 2.2 Các phương trình cơ bản.
- Phương trình momen 𝜎 ρ.3) 𝜎𝑡 - Phương trình năng lượng 𝜎 𝑣2 𝐸2 𝐵2 𝑣2 𝐸𝑋𝐵 ρ.4) 𝜎𝑡 2 2 2𝜇 2 𝜇 trong đó U là nội năng của chất khí. - Phương trình liên tục 𝜎 ρ.5) 𝜎𝑡 Thông thường lúc đầu từ trường bên trong máy phát MHD thường được bỏ qua do đó từ các phương trình bên trên ta có công suất điện ngỏ ra là 𝐸𝑋𝐵 𝛻. 𝜇 Sau khi rút gọn các phương trình trên ta được kết quả như sau: Phương trình( 2.6) 𝑑𝑥 Từ phương trình (2.7) 𝑑𝑥 Phương trình (2.5) được rút gọn thành ρ.8) Với h = U + RT là enthalpy và A là diện tích mặt cắt mà dòng chất khí chảy qua. Nếu như tốc độ lưu chất là một hằng số thì phương trình momen được viết lại như sau: ∇p = j x B (2.9) Phương trình năng lượng trở thành 𝑑 ρ.10) 𝑑𝑥 và phương trình (2.
Lê Chí Kiên Trang 14 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong LVTNChương 2: Cơ sở lý thuyết Áp dụng ba phương trình trên vào việc tính toán chi tiết máy phát MHD dạng đĩa ta có các phương trình cụ thể như sau: 𝑑𝑝 𝑀2 𝑑𝑀 2 𝑑𝑇 𝑀2 4𝐶𝑓 𝐵.3 Hiệu suất của máy phát Hiệu suất toàn phần của máy phát MHD thì cũng giống như của tuabin được xác định như sau: 𝑖− 𝑓 ( 𝑡 ự𝑐) ηg = (2.15) 𝑖− (đẳ𝑛𝑔 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝𝑦 ) 𝑓 Trong đó hi là enthalpy ban đầu và hf là enthalpy cuối với giả thiết là hằng số áp suất giống nhau cho cả hai trường hợp thực tế và trường hợp đẳng entropy. Mặc dù trong nhà máy điện người ta chỉ quan tâm đến ηg nhưng khi nghiên cứu để tính toán thiết kế còn có hai hiệu suất khác mà chúng ta cũng phải để ý dến một trong chúng chính là ηp và nó được định nghĩa như sau: 𝑑 0 ( 𝑡ự𝑐) ηp = (2.4 Mối quan hệ giữa ηg và ηp Từ định luật thứ nhất nhiệt động lực học ta có 𝑑𝑝 0 dh0( đẳng entropy) = dQ + 𝜌0 Nếu như Q là một hằng số thì ta có 𝑑𝑝 0 dh0( đẳng entropy) = 𝜌0 Áp dụng phương trình( 2.𝑇0 𝑑𝑝 0 𝛾 −1 𝑑 𝑙𝑛 𝑝 0 Giả sử ηp và 𝛾 là hằng số thì khi đó 0𝑓 𝑝 0𝑓 𝜂. Lê Chí Kiên Trang 15 HVTH: Đỗ Huỳnh Thanh Phong LVTNChương 2: Cơ sở lý thuyết Thay (2.15) ta có mối quan hệ giữa ηg và ηp được biểu diễn như sau: 𝑝 0𝑓 𝜂 .5 Hiệu suất điện Hiệu suất điện của máy phát là tỉ số giữa điện năng lấy ra và năng lượng bơm vào máy phát 𝑗 .𝑗 𝑥𝐵 Sau đó áp dụng phương trình (2.1) của định luật Ohm ta được 𝜔𝜏 j.