Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu phương pháp điều khiển
tốc độ quay của tuabin trong nhà
máy thủy điện Hòa Bình
Việc sử dụng dạng năng lượng khác để biến thành điện năng của mỗi
nước là tùy vào tình hình tài nguyên và đường nối phát triển của nước đó.
Thuỷ năng là một dạng năng lượng tái tạo được. Đây là đặc tính ưu
vi
ệt nhất của nguồn năng lượng này, các nguồn năng lượng khác như :
Nguyên tử, than, dầu … không thể tái tạo được. Trong quá trình biến đổi
năng lượng, chỉ có thuỷ năng sau khi biến đổi thành cơ năng và nhiệt năng
lại được tái tạo thành dạng thủy năng, còn các dạng năng lượng khác trong
quá trình biến đổi không tự tái tạo trong tự nhiên. Con người sử dụng
nguồn thuỷ năng
để phục vụ cho đời sống và sản xuất, đặc biệt là để phát
điện.
Tuỳ theo điều kiện từng nước mà tỷ lệ phát triển các loại nhà máy
điện có khác nhau. Theo số liệu năm 1978 thì nhìn chung trên toàn thế giới
năng lượng của thuỷ điện chiếm khoảng 1/3 tổng sản lượng điện năng.
Trong khi các nguồn khai thác than đã hơn 40 % thì các nguồn thuỷ năng
mới khai thác hơn 1,5 % (Điều đó không nói lên rằng sau này thuỷ điện sẽ
phát triển mạnh).
Theo thống kê năm 1978: Ở Châu âu tỷ lệ thuỷ điện chiếm khoảng
34% tổng sản lượng điện năng. Ở Liên Xô 19,8 %, Mỹ 18,6 %, Canada 95
%, Phần Lan 91,6 %, Triều Tiên 95-98 %, Na Uy 99 %, Thụy sỹ 99,5 %
trái lại ở nhiều nước châu Á và Châu Phi tuy nguồn thuỷ năng rất phong
phú nhưng tỷ lệ chưa đáng k
ể chính vì sự kìm hãm của chủ nghĩa đế quốc.
Ví dụ ở nước ta: Thời kỳ Pháp thuộc hầu như không để lại một thuỷ
điện nào đáng kể, trong thời gian chiến tranh ta chủ trương phát triển các
thủy điện nhỏ ở các vùng miền núi như : Lạng Sơn, Quảng Ninh, Sơn La,
Lai Châu, giải quyết được ánh sáng, cơ sở xay xát, chế biến nhỏ, ở Thanh
Hoá có thuỷ
9
20.10 KWh
, tiết kiệm được khoảng
6
20.10
tấn than đá.
Thấy được lợi thế này cùng với sự giúp đỡ của Liên Xô và các điều
kiện kỹ thuật cho phép, nước ta đã tiến hành điều tra khảo sát và xây dựng
thành công nhà máy Thuỷ điện Sông Đà với công suất đợt đầu khoảng 1,6
triệu KW gồm 8x200 MW, sau đó công suất có thể lên tới 3,2 triệu KW
(Hiện nay công suất nhà máy đạt 1.92 triệu KW). Xây dựng công trình này
nhằm sử dụng tổ
ng hợp trong đó chống lũ là vấn đề cấp bách. Công trình
này có thể làm hạ mực nước ở Hà Nội trong mùa lũ xuống 1,4 m.
Đầu tư về thuỷ điện của nước ta không quá lớn như các nước khác.
Ta có thể tự lực xây dựng thuỷ điện: Đầu tư cho thiết bị khoảng 30%, còn
lại các công trình khác có thể tự lực được.
Ngành thuỷ điện nước ta mở
ra một triển vọng vô cùng to lớn, đòi
hỏi một số lượng rất lớn các cán bộ thiết kế, thi công, vận hành rất giỏi, đủ
sức thăm dò giải quyết những vấn đề kỹ thuật do hoàn cảnh đất nước ta đề
ra, phải biết áp dụng những kỹ thuật tiến triển nhất vào trong lĩnh vực này.
Ngành ta đào tạo kỹ sư điện thi
ết kế, vận hành mạng hệ thống điện,
nhà máy điện và thuỷ điện, ta phải tự thiết kế thi công các nhà máy điện.
Người kỹ sư vận hành điện ở nhà máy thuỷ điện ngoài những kiến thức
tổng quát cần biết (công trình và thiết bị thuỷ lực) mà cần hiểu sâu về điều
tiết hồ chứa để vậ
n hành được tốt. Đây là một lĩnh vực nhiều lý thuyết khác
Các đối tượng điều khiển phụ thuộc vào trạng thái vận hành của hệ
thống. Với các trạng thái bình thường, đối tượng điều khiển vận hành có
hiệu quả khi tần số và điện áp điều khiển gần với giá trị danh định.
1.3. Sơ đồ tổng quan về nhà máy thủy điện:.
1.3.1. Nguyên lý chung:
Nước trên sông, suối chảy từ nguồn ra biển, đi từ cao đến thấp mang
theo nó một năng lượng, năng lượng này gọi là thuỷ năng.
Để xác định năng lượng đó ta chia dòng chảy trên sông thành đoạn
ngắn có chiều dài là l, được giới hạn bởi các tiết diện I-I và II-II:
Hình 1.2 Sơ đồ xác định năng lượng dòng chảy trên đoạn sông
Theo phương trình Becnuli ta có năng lượng riêng tại từng mặt cắt:
2
2
P
V
III
EZ
II I
g
α
γ
=++
−
III
P
PaVaV
HEE ZZ
III
gg
==−++
Nếu một đoạn sông có cột áp H, lưu lượng Q thì năng lượng dòng
chảy trên đoạn sông đó là:
QHdt
t
γ
∋=
∫
Hay
H
W
γ
∋
=
Trong đó: W – thể tích nước đoạn sông.
Công suất nước của dòng chảy trên đoạn sông là:
NQH
γ
=
Để sử dụng năng lượng của đoạn sông thì phải tập trung năng lượng
+ Bể áp lực
+ Bể lắng
cát
2. Đập tràn
3. Các van
xả
Tuyến năng lượng.
+Kênh vào
+Cửa van
+Đường hầm (gồm Tháp và van)
+Đường ống
Nhà máy :
+ Thiết bị cơ khí :
Chính : Tuabin cho từng tổ máy
Phụ : (các thiết bị khác)
+ Thiết bị điện kỹ thuật
Tổ máy
Tuabin
+ Tuabin, cánh hướng …
+ Bộ điều tốc
Máy phát
+ Máy phát
+ Hệ thống kích từ. Hạ lưu
thủy điện kiểu này đã đạt cột áp cao nhất H = 300m là nhà máy thủy điện
Nurec ở Liên Xô.
Nhà máy thủy điện Thác Bà trên sông Chảy là nhà máy thủy điện
lòng sông có cột áp H = 37m, N = 40MW, ba tổ máy. Hình 1.5 Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông
1.3.2.2. Nhà máy thủy điện đường dẫn:
Nước được ngăn bởi một đập thấp rồi chảy theo đường dẫn (Kênh,
máng, tuy – nen, ống dẫ
n) đến nhà máy thủy điện.
Ở đây cột áp cơ bản là do đường dẫn tạo nên, còn đập chỉ để ngăn
nước lại để đưa vào đường dẫn. Đường dẫn có độ dốc nhỏ hơn độ dốc lòng
sông. Kiểu trạm này thường dùng ở các sông suối có độ dốc lòng sông lớn
và lưu lượng nhỏ.
Trạm thủy điện Đa Nhim (Ninh Thuận) có cộ
t nước H = 800m, N =
160MW ( bốn tổ máy 40 MW/ tổ máy).
Trạm thủy điện có cột nước lớn nhất thế giới hiện nay là trạm Bogota
(Colombia) có H = 2000m, N = 500MW. Hình 1.6 Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu kênh dẫn.
1.3.2.3. Nhà máy thủy điện tổng hợp: Hình 1.7 Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu tổng hợp.
Năng lượng nước được tập trung là nhờ đập và cả đường dẫn. Cột áp
bánh xe nước tới tuabin nước loài người phải trải qua tìm kiếm nghiên cứu
lâu dài.
Năm 1934 kỹ sư người Pháp là Fuaray đã chế tạo thành công tuabin
nước đầu tiên. Hình 1.9 Tuabin nước
Sau đó ít năm, năm 1937 người thợ mộc Nga- Xaphon cũng chế tạo
tuabin nước kiểu li tâm. Năm 1838 Hopd (Mỹ) đã cải tạo tuabin li tâm trên
thành tuabin hướng tâm.
Năm 1847-1849 một kỹ sư mỹ là Dran Franxic đã cải tiến tuabin
Hopd thành tuabin tâm trục có hiêu suất cao hơn. Ngày nay người ta gọi
tuabin tâm trục là tuabin Franxic
Năm 1837-1841 Ghensen (Đức) và Jonvan (Pháp) đã chế tạo tuabin
hướng trục cánh cố định. Sau đó năm 1912-1924 một giáo sư ngườ
i Tiệp
Khắc cũ là Kaplan cải tiến tuabin hướng trục cánh cố định thành tuabin
hướng trục cánh điều chỉnh gọi là tuabin Kaplan. Do điều chỉnh cánh làm
tăng hiệu suất trong một phạm vi điều chỉnh công suất rộng.
1880 Penton (Mỹ) đã cải tiến bãnh xe nước và phát minh ra tuabin
gáo. Vì thế tuabin gáo còn gọi là tuabin Penton.
Ngày nay các loại tuabin nước kể trên đã được cải tiến và hoàn thiện
ở mức độ cao. Nhiều ki
ểu tuabin đã được ra đời như: Tuabin hướng chéo,
tuabin dòng thẳng (Capsun), tuabin bơm.
Hiện nay ở nước ta đã có nhiều cơ sở đầu tư tiến bộ khoa học kỹ
thuật cho việc chế tạo tuabin nước. Chúng ta đã chế tạo tuabin nhỏ (đến
hàng ngàn KW). Trong tương lai chúng ta sẽ chế tạo loại tuabin lớn hơn,
góp phần cho việc điện khí hoá và phục vụ sản xuất ở các địa phương xa
dụng lên bánh xe công tác còn phần thế năng bằng không. Hệ tuabin này
phát ra công suất nhờ động năng của dòng chất lỏng, còn áp suất ở cửa vào
và cửa ra của tuabin là áp suất khí trời.
Tuabin phản lực là loại tuabin làm việc nhờ cả hai phần thế năng và
động năng, mà chủ yếu là thế năng của dòng chảy. Trong hệ tuabin này, áp
suất ở cử
a vào luôn lớn hơn ở cửa ra. Dòng chảy qua tuabin là dòng liên tục
điền đầy toàn bộ máng dẫn cánh. Trong vùng bánh xe công tác tuabin,
dòng chảy biến đổi cả động năng và thế năng. Trong đó vận tốc dòng chảy
qua tuabin tăng dần, áp suất giảm dần. Máng dẫn của cánh hình côn nên
gây ra độ chênh áp mặt cánh, từ đó tạo ra momen quay.
Tuabin phản lực và xung lực có tính năng và phạm vi sử dụng khác
nhau. Tuabin phản lực dùng cho trạm có cột nước thấ
p, lưu lượng lớn còn
tuabin xung lực dùng cho trạm có cột nước cao, lưu lượng nhỏ.
1.4.2.1 Tuabin phản lực:
Tuabin phản lực là hệ tuabin được sử dụng rộng rãi nhất, bao gồm
phạm vi cột nước từ 1,5m đến 600m.
Tùy thuộc vào hướng dòng chảy của dòng nước đi qua cánh bánh xe
công tác mà chia tuabin phản lực thành nhiều loại: tuabin hướng trục,
tuabin tâm trục, tuabin hướng chéo.
a. Tuabin hướng trục:
Tuabin hướng trục là loại tuabin trong đ
ó hướng chuyển động của
dòng chảy trong phạm vi bánh xe công tác song song với trục quay tuabin
(hình 1.8a,b )
Tuabin hướng trục có thể là loại cánh cố định hoặc là loại cánh điều
chỉnh bánh công tác gồm nhiều cánh được gắn với bầu. Nếu cánh được gắn
chặt với bầu thì gọi là tuabin hướng trục cánh cố định ( tuabin chong chóng
). Nếu cánh có thể quay quanh trục cánh cố định thường dùng cho các trạm
Tuabin hướng chéo kết hợp ưu điểm của cả hai loại tuabin tâm trục
và hướng trục cánh điều chỉnh
Dòng chảy qua vùng bánh xe công tác của tuabin này có hướng tạo
với trục quay một góc nào đó (thường 45-60 độ). Bầu cánh là hình nón.
Bầu cánh chứa toàn bộ cơ cấu điều chỉnh cánh như bầu cánh của tuabin
hướng trục cánh điều chỉnh.
Loại tuabin này làm vi
ệc trong phạm vi cột nước H = 30-150m. Nó có thể
điều chỉnh cánh nên phạm vi điều chỉnh công suất có hiệu suất cao tương
đối rộng so với tuabin tâm trục.
Hình 1.13 Tuabin hướng chéo
1.4.2.2 Tuabin xung lực (xung kích):
a. Tuabin gáo ( còn gọi là tuabin Pelton) HÌNH VẼ 1.5/7 THANH
1.9:
Trong đó : 1- Ống dẫn 2- Mũi phun 3- Hướng tia nước
4- Cánh gáo 5- Trục 6- Vở tuabin
Tuabin gáo là loại tuabin xung lực được sử dụng nhiều nhất. Phần
dẫn dòng của nó gồm bánh công tác và vòi phun. Bánh công tác gồm nhiều
cánh hình gáo được gắn chặt lên bánh công tác.
Bánh công tác gắn liền trên trục tuabin, trục này nối với trục máy phát.
Thông thường tuabin gáo đặt ngang, chỉ có một số tuabin cỡ lớn có tổ máy
đặt đứng.
Vòi phun gồm có ống hình côn nối với ống dẫn, trong ống hình côn có
kim điều chỉnh lưu lượ
ng ra của vòi phun. Ở đây dòng chảy theo ống dẫn
vào vòi phun, từ đó dòng chảy ra khỏi vòi phun với vận tốc đủ lớn tác dụng
vào các cánh gáo và tạo thành momen quay.
Ngoài ra vòi phun làm nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng qua bánh công
năng lượ
ng. Hai bộ phận buồng dẫn và buồng hút không trực tiếp biến đổi
năng lượng nhưng vai trò của chúng rất quan trọng giúp bánh công tác làm
nhiệm vụ biến đổi năng lượng có hiệu quả tốt.
Các bộ phận phụ của phần dẫn dòng gồm có: các van điều chỉnh lưu
lượng dòng chảy, van đóng nhanh khi có sự cố, lưới chắn rác…
Nếu tuabin làm việc đồng bộ với máy phát đ
iện thì một bộ phận quan
trọng giúp cho sự đồng bộ này là máy điều tốc.
Trong các trạm thuỷ điện còn có các thiết bị phụ trợ khác như: các tổ
máy bơm, các tổ máy nén khí, thiết bị nâng hạ, hệ thống điện…Ở đây ta chỉ
xét bộ phận chính của phần dẫn dòng tuabin.
CHƯƠNG 2 : TỔNG QUÁT CHUNG NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN HOÀ
BÌNH
2.1.Đường năng lượng của nhà máy thuỷ điện Hoà Bình: Thủy
năng - Cơ năng - Điện năng:
Nhà máy thủy điện Hoà Bình được thiết kế theo phương pháp nhà
máy thủy điện kiểu tổng hợp. Năng lượng nước được tập trung là nhờ đập
và cả đường dẫn.
Cột áp của trạm gồm 2 phần: một phần do đập tạo nên, phần còn lại
do đường dẫn tạo nên. Kiểu thiết kế này áp dụng cho các đoạn sông mà ở
trên sông có độ dốc nhỏ thì xây đậ
p ngăn nước và hồ chứa, còn ở phía dưới
lưới chắn rác thu gom được.
Xi lanh thủy lực nâng h
ạ : Nhiệm vụ nâng hạ cửa vận hành.
Ổ hướng: Nhiệm vụ định hướng cho trục của xilanh thủy lực đúng hướng
vì trục của xilanh dài.
Lưới chắn rác: Ngăn các vật trôi theo dòng nước không cho vào trong
đường ống áp lực để không gây sự cố cho tổ máy.
Cửa sửa chữa: Có nhiệm vụ đóng nhanh cửa nhận nước vào tuabin, bảo
vệ tuabin khi có sự cố. Thường đóng trong trường hợp nước tĩnh để không
gây chấn động. Tuy nhiên trong trường hợp cần đóng nhanh khi dòng chảy
lớn vẫn phải đảm bảo an toàn.
Cửa vận hành: Nó được điều chỉnh bởi xilanh thủy lực chính và được
thiết kế dùng trọng lượng đóng lạ
i ở điều kiện dòng không bình thường.
2.3. Bộ dẫn động thuỷ lực nâng hạ cánh phai đập tràn xả đáy
Công dụng :
- Nâng cánh phai dưới áp lực
- Giữ cánh pha ở tận cùng phía trên
- Hạ cánh phai xuống đến vị trí đóng hoàn toàn của xả đáy
- Nâng tự động cánh phai về vị trí ban đầu khi bị lún xuống 300mm
Trong đó :
1. Cẩu trục chân đê : Nâng hạ phai sửa chữa xả mặt và phai sửa
chữa xả sâu.
2. Thiết bị dầu áp lực : Tạo áp lực dầ
u để điều khiển xilanh thủy
lực.
3. Xilanh thủy lực : Nâng hạ van cung xả.
4. Van cung xả mặt.
phòng.
1.4.2. Cấu tạo hệ thống nén khí :
Hệ thống này bao gồm: có 4 máy nén khí (trong đó có 3 máy làm
việc, 1 để dự phòng) và 3 cụm chai chứa mỗi cụm có dung tích 3m3. Mỗi
máy nén cung cấp riêng cho từng cụm chai đặc biệt máy nén dự phòng có
thể cấp đồng thời cho cả 3 cụm.
Kết cấu riêng của các máy nén khí : Có pít tông định hướng cố định
và các xi lanh lắp vuông góc với nhau khi pít tông chuyển động tạo chân
không thì không khí tràn đầy vào Xi lanh qua van hút, lượng không khí đủ
thì pít tông chuy
ển động ngược lại van hút đóng lại không khí được nén tới
một áp lực nhất định sau đó được đưa qua van đẩy.
Copyright: Tài liệu đại học ©