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

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu nghiên cứu phân tích hệ thống phát điện từ thủy động lực với chu trình kết hợp, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Đỗ Huỳnh Thanh Phong
• Người hướng dẫn: TS. Lê Chí Kiên
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Điện năng
• Đề tài: Nghiên cứu chu trình kết hợp gồm máy phát điện từ thủy động lực dạng đĩa (MHD) phát ra điện năng w1, nguồn nhiệt năng còn lại sau máy phát MHD được sử dụng đưa vào chu trình tuabin khí và phát ra điện năng w2
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 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: CỞ 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
• 3.1. Xây Dựng Chu Trình MHD – Tuabin Khí
• 3.2. Các ký hiệu trong chu trình
• 3.3. Phân tích các khối trong chu trình
• 3.4. Phân tích máy phát MHD
• 3.5. Phân tích thiết bị trao đổi nhiệt
• 3.6. Phân tích thiết bị làm lạnh
• 3.7. Phân tích máy nén
• 3.8. Phân tích tuabin khí
• 3.9. 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

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên cứu hệ thống phát điện thủy động lực

Nghiên cứu về hệ thống phát điện thủy động lực với chu trình kết hợp đang trở thành một trong những lĩnh vực quan trọng trong ngành năng lượng. Với sự cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu hóa thạch, việc tìm kiếm các giải pháp năng lượng bền vững là cần thiết. Hệ thống này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất phát điện mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc kết hợp giữa máy phát điện từ thủy động lực và chu trình tuabin khí có thể mang lại hiệu quả cao hơn so với các phương pháp truyền thống.

1.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động của hệ thống MHD

Hệ thống phát điện từ thủy động lực (MHD) hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng mà không cần các bộ phận cơ khí. Điều này giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng hiệu suất. MHD có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao, cho phép khai thác tối đa năng lượng từ các nguồn nhiên liệu khác nhau.

1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng của MHD

Máy phát điện MHD đã được nghiên cứu từ những năm 1930 và đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển. Các ứng dụng của MHD hiện nay chủ yếu tập trung vào việc nâng cao hiệu suất cho các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch và năng lượng hạt nhân.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu hệ thống phát điện thủy động lực

Mặc dù hệ thống phát điện thủy động lực có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức lớn. Việc phát triển công nghệ MHD gặp khó khăn do chi phí đầu tư cao và yêu cầu kỹ thuật phức tạp. Ngoài ra, việc tích hợp MHD với các hệ thống điện hiện có cũng là một vấn đề cần được giải quyết.

2.1. Chi phí và đầu tư cho công nghệ MHD

Chi phí đầu tư cho hệ thống MHD thường cao hơn so với các công nghệ phát điện truyền thống. Điều này làm hạn chế khả năng áp dụng rộng rãi của công nghệ này trong thực tế.

2.2. Khó khăn trong việc tích hợp hệ thống

Việc tích hợp MHD với các hệ thống điện hiện có đòi hỏi phải có sự điều chỉnh và cải tiến kỹ thuật. Điều này có thể gây ra những khó khăn trong quá trình triển khai và vận hành.

III. Phương pháp nghiên cứu và giải pháp cho hệ thống phát điện thủy động lực

Để nâng cao hiệu suất của hệ thống phát điện thủy động lực, nhiều phương pháp nghiên cứu đã được áp dụng. Một trong những giải pháp chính là sử dụng chu trình kết hợp giữa MHD và tuabin khí. Phương pháp này không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

3.1. Phân tích chu trình kết hợp MHD Tuabin khí

Chu trình kết hợp giữa MHD và tuabin khí cho phép tận dụng nhiệt thải từ MHD để cung cấp năng lượng cho tuabin khí, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.

3.2. Nghiên cứu mô phỏng và tính toán hiệu suất

Các nghiên cứu mô phỏng và tính toán hiệu suất của hệ thống MHD cho thấy rằng hiệu suất có thể đạt tới 60%, cao hơn nhiều so với các hệ thống phát điện truyền thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu hệ thống MHD

Nghiên cứu về hệ thống phát điện thủy động lực đã cho thấy nhiều ứng dụng thực tiễn. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng MHD có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu suất phát điện. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh hiện nay khi mà nhu cầu năng lượng ngày càng tăng.

4.1. Các dự án nghiên cứu và ứng dụng MHD trên thế giới

Nhiều quốc gia đã triển khai các dự án nghiên cứu và ứng dụng MHD, từ Hoa Kỳ đến Nhật Bản, nhằm khai thác tối đa tiềm năng của công nghệ này trong sản xuất điện năng.

4.2. Kết quả thực nghiệm và hiệu suất đạt được

Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng hệ thống MHD có thể đạt hiệu suất lên tới 60%, vượt trội hơn so với các công nghệ phát điện truyền thống.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống phát điện thủy động lực

Hệ thống phát điện thủy động lực với chu trình kết hợp đang mở ra nhiều triển vọng cho ngành năng lượng. Với những ưu điểm vượt trội về hiệu suất và khả năng giảm thiểu ô nhiễm, MHD có thể trở thành một giải pháp quan trọng trong tương lai. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để khắc phục các thách thức hiện tại.

5.1. Tương lai của công nghệ MHD

Công nghệ MHD có tiềm năng lớn trong việc phát triển các hệ thống năng lượng bền vững. Việc đầu tư vào nghiên cứu và phát triển sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm chi phí.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần có các nghiên cứu sâu hơn về khả năng tích hợp MHD với các hệ thống năng lượng khác, cũng như phát triển các công nghệ mới để tối ưu hóa hiệu suất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của nhu cầu phụ tải điện cùng tốc độ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch đặt ra bài toán an ninh năng lượng cấp thiết cho toàn cầu và Việt Nam. Các dự báo ngành điện chỉ ra rằng nếu sử dụng điện ở mức tối thiểu, nước ta đối mặt với nguy cơ thiếu hụt khoảng 46,3 tỉ kWh điện và con số này dự kiến gia tăng chạm mốc 159 tỉ kWh trong các giai đoạn phát triển tiếp theo. Trong khi các tiềm năng thủy điện lớn trên 1000 MW đã được khai thác gần như triệt để và nhiệt điện than truyền thống chỉ đạt hiệu suất giới hạn khoảng 40% kèm theo phát thải gây ô nhiễm môi trường, việc nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất nhà máy điện trở thành hướng đi chiến lược.

Nghiên cứu này tập trung vào mục tiêu phân tích cấu trúc, thiết lập cân bằng nhiệt động học và tính toán mô phỏng chu trình phát điện kết hợp giữa máy phát điện từ thủy động lực học dạng đĩa (MHD) và chu trình tuabin khí Brayton khép kín. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, khảo sát các dải thông số nhiệt động đầu vào với nguồn nhiệt cấp từ 1800 K đến 2400 K và công suất nhiệt chuẩn hóa 100 MW. Luận văn mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn khi chứng minh rằng giải pháp chu trình kết hợp MHD - tuabin khí có thể nâng hiệu suất phát điện tổng thể lên trên 70%, vượt xa hiệu suất 55,2% của chu trình MHD đơn trước đây, mở ra hướng ứng dụng đột phá cho các nhà máy điện hạt nhân nhiệt độ cao và nhiệt điện thế hệ mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nền tảng lý thuyết của đề tài được xây dựng trên sự kết hợp giữa thuyết từ thủy động lực học (Magnetohydrodynamics - MHD) và chu trình nhiệt động Brayton khép kín. Thuyết từ thủy động lực học mô tả sự tương tác giữa trường điện từ và lưu chất dẫn điện chuyển động thông qua hệ phương trình vi phân liên tục, phương trình động lượng Navier-Stokes, hệ phương trình Maxwell và định luật Ohm tổng quát cho dòng plasma ion hóa có tính đến hiệu ứng Hall. Khi dòng lưu chất dẫn điện di chuyển với vận tốc lớn cắt qua từ trường cảm ứng mạnh tạo bởi các cuộn Helmholtz, sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện định hướng trực tiếp tới các điện cực mà không cần các chi tiết cơ học chuyển động quay.

Khung lý thuyết của luận văn tập trung vào 4 khái niệm nhiệt động then chốt: hiệu suất phát điện toàn phần, hiệu suất polytropic, hiệu suất điện phụ thuộc hệ số tải K, và hàm trạng thái entropy. Môi chất làm việc trong chu trình là khí trơ Helium kết hợp hạt ion hóa Kali, sở hữu hệ số nhiệt đoạn nhiệt 1,67 và nhiệt dung riêng đẳng áp 5193 J/kg.K. Chu trình tuabin khí thứ cấp vận hành theo nguyên lý Brayton khép kín gồm 2 quá trình biến đổi đẳng áp và 2 quá trình đoạn nhiệt, kết hợp máy nén khí đa tầng có tỷ số nén 7 và thiết bị trao đổi nhiệt hiệu suất cao trên 90%.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa toán học và mô phỏng số trên môi trường phần mềm kỹ thuật Matlab. Nguồn dữ liệu đầu vào được chuẩn hóa từ các công trình nghiên cứu thực nghiệm quốc tế uy tín, bao gồm kết quả thử nghiệm của dự án FUJI-1 tại Viện Công nghệ Tokyo với mật độ công suất đạt gần 100 MW/m3 và các dữ liệu cân bằng nhiệt từ Đại học Nagaoka.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 11 nút trạng thái nhiệt động phân bố dọc theo toàn bộ chu trình khép kín, bao gồm nút nguồn nhiệt cấp, nút sau máy phát MHD, nút trao đổi nhiệt, nút làm lạnh, 3 nút tầng nén trung gian và các nút vào ra tuabin khí. Phương pháp chọn mẫu trạng thái được xác định theo nguyên lý cân bằng năng lượng và bảo toàn khối lượng tại các điểm chuyển tiếp vật lý quan trọng. Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng số giải tích trên Matlab là vì điều kiện thực nghiệm plasma nhiệt độ cao trên 1800 K đòi hỏi kinh phí đầu tư phòng thí nghiệm rất lớn, trong khi mô phỏng thuật toán cho phép khảo sát chính xác biến thiên áp suất từ 0,1 đến 6,52 bar và nhiệt độ từ 300 K đến 2400 K. Timeline nghiên cứu được thực hiện liên tục trong thời gian 24 tháng để hoàn thiện thuật toán tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả tính toán mô phỏng mang lại 4 phát hiện quan trọng về mặt định lượng năng lượng:

Thứ nhất, tại điều kiện nhiệt độ nguồn nhiệt cấp 1800 K với công suất nhiệt đầu vào 100 MW, máy phát đĩa MHD sản sinh công suất điện hữu ích 39,94 MW và chu trình tuabin khí thu hồi nhiệt thải tạo thêm 34,90 MW điện năng, giúp tổng công suất điện hòa lưới đạt 74,84 MW, tương ứng hiệu suất phát điện toàn chu trình đạt 74,84%.

Thứ hai, khi nâng nhiệt độ nguồn cấp lên mức 2000 K, công suất phát điện của máy phát MHD tăng thêm 8,89% đạt mức 43,49 MW, trong khi công suất tuabin khí đạt 31,57 MW, khẳng định khả năng chuyển hóa nhiệt - điện trực tiếp vượt trội của MHD ở dải nhiệt độ siêu cao.

Thứ ba, khảo sát tại mốc nhiệt độ 2400 K cho thấy công suất điện MHD tiếp tục gia tăng tỷ lệ thuận với nhiệt độ plasma, chứng minh rằng chu trình kết hợp tận dụng triệt để năng lượng của nguồn nhiệt hơn 25% so với việc chỉ sử dụng tuabin khí đơn lẻ.

Thứ tư, nhiệt độ môi chất vào máy nén có tác động mang tính quyết định đến hiệu suất chu trình. Khi nhiệt độ đầu vào máy nén tăng từ 300 K lên 350 K và 400 K, công suất tiêu hao cho quá trình nén khí qua 3 tầng nén tăng đáng kể, làm suy giảm hiệu suất tổng thể của toàn hệ thống.

Thảo luận kết quả

Cơ chế nâng cao hiệu suất vượt trội của hệ thống bắt nguồn từ việc phân tầng nhiệt độ tối ưu. Máy phát MHD vận hành không có chi tiết cơ học nên chịu được mức nhiệt độ lên đến 2400 K, đảm nhận việc khai thác enthalpy ở dải nhiệt độ cao nhất. Dòng khí thải ra khỏi MHD ở nhiệt độ khoảng 940 K đến 1161 K tiếp tục được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt để dẫn động tuabin khí chu trình Brayton, tái tạo điện năng mà không làm lãng phí nhiệt lượng ra môi trường.

So sánh với các công bố quốc tế, hiệu suất 74,84% của chu trình kết hợp trong nghiên cứu này cao hơn đáng kể so với hiệu suất 55,2% của chu trình MHD đơn tại Đại học Nagaoka và vượt trội hoàn toàn so với mức 40% của nhà máy nhiệt điện truyền thống. Về mặt trình bày trực quan, các dữ liệu nhiệt động này được thể hiện rõ nét qua đồ thị nhiệt độ - entropy (T-s) với 11 điểm nút tọa độ, minh chứng hai giai đoạn sinh công giảm nhiệt độ tăng entropy tại kênh MHD và tầng cánh tuabin. Đồng thời, biểu đồ tương quan giữa nhiệt độ vào máy nén và hiệu suất chu trình thể hiện trực tiếp mức sụt giảm hiệu suất khi nhiệt độ làm mát không đạt yêu cầu tối ưu 300 K.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm hiện thực hóa công nghệ chu trình kết hợp:

1. Tối ưu hóa cấu trúc kênh dẫn máy phát MHD dạng đĩa: Tập trung nâng cấp vật liệu điện cực chịu nhiệt độ cao và phân bố cuộn dây siêu dẫn Helmholtz nhằm nâng hiệu suất trích enthalpy của đĩa MHD từ 35% lên mốc mục tiêu 46%, do Viện Năng lượng phối hợp cùng các trường đại học kỹ thuật triển khai nghiên cứu trong giai đoạn 2024 - 2026.

2. Nâng cấp hiệu quả trao đổi nhiệt và làm mát trung gian: Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng vi kênh chịu áp suất cao nhằm đảm bảo hiệu suất truyền nhiệt đạt trên 90% và khống chế độ tổn thất nhiệt lượng dưới mức 2%, giúp hạ nhiệt độ môi chất vào máy nén về mốc chuẩn 300 K, do Tập đoàn Điện lực Việt Nam chủ trì hoàn thiện trong giai đoạn 2026 - 2028.

3. Phát triển bộ biến đổi nghịch lưu công suất cao: Chế tạo hệ thống nghịch lưu biến đổi dòng một chiều từ máy phát MHD thành dòng xoay chiều đồng bộ với lưới điện quốc gia, hướng tới mục tiêu hiệu suất biến đổi điện năng đạt 98,5% cho dải công suất từ 50 MW đến 100 MW, giao các doanh nghiệp công nghệ năng lượng thực hiện trong giai đoạn 2027 - 2029.

4. Xây dựng mô hình thử nghiệm tích hợp lò phản ứng hạt nhân nhiệt độ cao: Triển khai dự án thử nghiệm pilot kết hợp lò phản ứng hạt nhân làm mát bằng khí với chu trình MHD - tuabin khí khép kín, hướng tới mục tiêu thương mại hóa nhà máy điện không phát thải CO2 với hiệu suất vận hành thực tế đạt từ 60% đến 65%, thực hiện bởi Bộ Khoa học và Công nghệ trong giai đoạn 2028 - 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Thứ nhất, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Năng lượng, Kỹ thuật Nhiệt và Kỹ thuật Điện: Tài liệu cung cấp hệ thống phương trình vi phân từ thủy động học chi tiết và mã nguồn thuật toán Matlab hoàn chỉnh, giúp người học tiết kiệm khoảng 30% thời gian thiết lập mô hình tính toán nhiệt động phức hợp.

Thứ hai, kỹ sư thiết kế và chuyên gia công nghệ tại các nhà máy điện: Cung cấp phương pháp luận thực chứng về việc thu hồi nhiệt khí thải để ghép tầng chu trình Brayton, hỗ trợ bài toán nâng hiệu suất nhà máy hiện hữu thêm 15% đến 25% với chi phí tối ưu.

Thứ ba, các nhà hoạch định chính sách và quản lý dự án năng lượng quốc gia: Luận văn cung cấp luận cứ kỹ thuật vững chắc về các nguồn năng lượng tiên tiến, phục vụ xây dựng chiến lược phát triển nguồn điện nhằm giải quyết nguy cơ thiếu hụt 159 tỉ kWh điện trong quy hoạch năng lượng dài hạn.

Thứ tư, giảng viên đại học và các nhóm nghiên cứu công nghệ hạt nhân: Có thể sử dụng trọn bộ bảng số liệu 11 nút trạng thái nhiệt động và biểu đồ T-s trong luận văn làm học liệu mẫu giảng dạy các học phần Nhiệt động lực học nâng cao và Nhà máy điện hạt nhân.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy phát điện MHD khác biệt như thế nào so với máy phát điện tuabin truyền thống? Máy phát MHD hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển hóa trực tiếp nhiệt năng của dòng plasma dẫn điện thành điện năng thông qua từ trường mà không cần trục quay hay cánh tuabin cơ học. Nhờ loại bỏ ma sát cơ khí, MHD có thể vận hành ở nhiệt độ cực cao lên đến 2400 K, trong khi tuabin hơi truyền thống chỉ chịu được nhiệt độ khoảng 1000 K với hiệu suất 40%.

2. Tại sao việc kết hợp MHD với tuabin khí lại tạo ra hiệu suất vượt trội trên 70%? Sự kết hợp này tận dụng hoàn hảo nguyên lý phân tầng nhiệt độ của nhiệt động lực học. Máy phát MHD đảm nhận việc khai thác năng lượng ở tầng nhiệt độ cao từ 1800 K đến 2400 K sinh ra công suất 39,94 MW, sau đó nhiệt lượng khí thải còn lại ở mức nhiệt 940 K tiếp tục dẫn động tuabin khí tạo ra 34,90 MW, tối ưu hóa triệt để năng lượng nguồn cấp 100 MW.

3. Môi chất khí Helium đóng vai trò gì trong việc nâng cao hiệu quả chu trình? Khí trơ Helium sở hữu đặc tính nhiệt động lực học ưu việt với hệ số nhiệt đoạn nhiệt đạt 1,67 và nhiệt dung riêng đẳng áp 5193 J/kg.K, cao hơn nhiều so với không khí thông thường có hệ số 1,4. Điều này giúp nâng cao hiệu suất truyền nhiệt, giảm đáng kể kích thước thiết bị trao đổi nhiệt và hạn chế tối đa hiện tượng ăn mòn cánh tuabin trong chu trình kín.

4. Nhiệt độ đầu vào máy nén ảnh hưởng như thế nào đến công suất hữu ích toàn hệ thống? Nhiệt độ chất khí vào máy nén quyết định công nén tiêu thụ được trích từ nguồn điện MHD. Khi nhiệt độ này tăng từ 300 K lên 400 K, công suất máy nén tiêu thụ tăng lên đáng kể, làm giảm lượng điện năng thực tế hòa lưới W1 và kéo tụt hiệu suất toàn chu trình, đòi hỏi bắt buộc phải có thiết bị làm lạnh trung gian hiệu quả.

5. Công nghệ chu trình kết hợp MHD - tuabin khí có thể ứng dụng vào nguồn nhiệt nào tại Việt Nam? Công nghệ này thích hợp nhất để tích hợp cùng các lò phản ứng hạt nhân nhiệt độ cao thế hệ mới làm mát bằng khí hoặc các tổ hợp nhiệt điện khí thiên nhiên hóa lỏng LNG quy mô lớn. Việc ứng dụng giải pháp này giúp sản xuất điện năng sạch với hiệu suất trên 60% mà không phát thải khí nhà kính ra môi trường.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình giải tích và tính toán mô phỏng chi tiết chu trình phát điện kết hợp máy phát từ thủy động lực dạng đĩa và tuabin khí Brayton khép kín.
• Xác lập bộ thông số nhiệt động chính xác tại 11 điểm nút trạng thái với nguồn nhiệt cấp 100 MW ở các dải nhiệt độ vận hành 1800 K, 2000 K và 2400 K.
• Chứng minh hiệu suất phát điện toàn chu trình đạt mức 74,84%, vượt trội hoàn toàn so với chu trình đơn 55,2% của các nghiên cứu quốc tế trước đó.
• Phân tích chi tiết ảnh hưởng của tỷ số nén 7 và nhiệt độ làm mát máy nén 300 K đến sự cân bằng năng lượng và biến thiên entropy của hệ thống.
• Đóng góp luận cứ khoa học thực tiễn vững chắc cho việc thiết kế các nhà máy điện hạt nhân và nhiệt điện thế hệ mới với lộ trình ứng dụng giai đoạn 2024 - 2030.

Công trình là bước tiến học thuật quan trọng mở ra giải pháp đột phá cho ngành năng lượng điện Việt Nam. Các cơ quan nghiên cứu, doanh nghiệp năng lượng và kỹ sư chuyên ngành hãy khai thác ngay mô hình tính toán nhiệt động này để nâng tầm hiệu suất các dự án nguồn điện tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 ( 𝑡𝑕ự𝑐) 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.