Luận văn

“Nghiên cứu phương pháp điều khiển
tốc độ quay của tuabin trong nhà máy
thủy điện Hòa Bình ”
LỜI MỞ ĐẦU
Chúng ta được biết rằng: Có thể sử dụng nhiều nguồn năng lượng
khác nhau để phát điện. Trong đó năng lượng truyền thống như: Than, dầu,
khí đốt, hạt nhân, thuỷ năng được coi là các dạng năng lượng cơ bản, còn
năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thuỷ chiều và năng lượng
thuỷ chiều cự
c nhỏ là những dạng năng lượng mới. Với các nhà máy
nhiệt điện, người ta sử dụng nhiên liệu là than đá, dầu hơi đốt.
Nhà máy thuỷ điện lợi dụng năng lượng dòng chảy (bao gồm cả
động năng và thế năng). Người ta còn xây dựng nhà máy điện bằng cách
khai thác năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời
Ở nước ta có 3 nguồn nă
ng lượng chính đã được khai thác là than,
dầu khí, và năng lượng các lòng sông, suối lớn. Còn các nguồn năng lượng

điề
u kiện kỹ thuật, có hiệu quả kinh tế sau khi đã so sánh giữa lợi ích và tổn
thất.
Đối với những thành phố và khu công nghiệp lớn phải kết hợp nhiều
nhà máy nhiệt điện, điện nguyên tử và thuỷ điện. Chúng cần làm việc đồng
bộ sao cho đạt hiệu quả cao nhất.
Ở nước ta năng lượng của các dòng chảy trong sông, suối (thuỷ
nă
ng) rất phong phú, đứng hàng thứ 22 trên thế giới về tiềm năng thuỷ
điện. Nguồn năng lượng này được phân bố khắp đất nước.
Nhà nước và chính phủ đã có những sự đầu tư phát triển hệ thống
thủy điện như một số nhà máy lớn : Tuyên Quang, Sơn La, Hòa Bình …
Một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng điện năng là tần số

của lưới điện, tần số và sự suy giảm tần số của lưới nó phản ánh sự cung
cấp năng lượng đủ hay thiếu của hệ thống. Trong hệ thống các nhà máy
điện phải luôn luôn đảm bảo cung cấp đủ công suất cho tất cả các phụ tải
của hệ thống và có dự phòng, đảm bảo tần số lưới dao động 49.5-50.5 Hz.
Ở lưới
điện Việt Nam, tần số lưới điện bình thường là 50 Hz. Việc
giữ tần số ổn định cho lưới điện là một vấn đề quan trọng, vì nó giữ ổn định
cho mạng điện quốc gia. Khi tần số suy giảm dẫn đến giao động công suất

trong khu vực làm mất ổn định hệ thống và hệ thống sẽ tan rã nếu không xử
lý kịp thời.
Thông qua việc điều khiển tốc độ quay tuabin ta có thể điều chỉnh
tần số và phân bố công suất của máy phát từ đó có thể điều chỉnh tần số của
lưới điện và phân bố công suất của tổ máy sao cho chi phí vận hành là nhỏ
nhất. Do vậ
y sau khi tìm hiểu về nhà máy thủy điện, được sự giúp đỡ tận

Năng lượng điện hay còn gọi là điện năng, là dạng năng lượng thứ
cấp được tạo ra từ nhiều nguồn năng lượng thứ cấp khác nhau như nhiệt
năng (dầu, khí đốt, than, năng lượng phóng xạ, năng lượng mặt trời…),
thủy năng (sông, suối, sóng biển, thủy chiều…), năng lượng gió… Đây là
loại năng lượng đóng vai trò quan trọng và
được sử dụng trên khắp thế giới
trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống ngày nay như công nghiệp, nông
nghiệp, giao thông, sinh hoạt …
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

- Sông Mã khoảng 25 vạn KW
- Sông Thao khoảng 52 vạn KW
- Sông Thái Bình khoảng 3,2 vạn KW
- Các hệ thống Nông Giang khoảng 3 vạn KW
Theo tính toán nếu xây dựng thuỷ điện được 4,8 triệu KW thuỷ điện
thì hàng năm sẽ thu được độ
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 tổng hợp trong đó chố
ng 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 vọ
ng 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.

bù phản kháng tĩnh, các bộ bù đồng bộ, các cuộn
cảm và điện dung chuyển mạch. Điều khiển các máy biến áp dịch pha và
truyền tải dòng một chiều điện áp cao (HVDC)
Các quá trình điều khiển đã mô tả ở trên góp phần cho sự thỏa mãn
vận hành của hệ thống bằng cách duy trì điện áp và tần số hệ thống và các
biến hệ thống khác trong giới hạn cho phép củ
a chúng.
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

hiệu là H.

22

12 11 22
-
2
III
P
PaVaV
HEE Z Z
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.

Tuyến áp
lực

1.Hồ chứa
+ 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

Nhà máy thường đặt sau đập đối với cột nước lớn, hoặc là một bộ
phận của đập đối với cột nước nhỏ. Các trạm thuỷ điện với phương pháp
tập trung năng lượng bằng đập gọi là nhà máy kiểu lòng sông hay sau đập.
Nó áp dụng cho các con sông ở đồng bằng, trung du nơi có độ dốc lòng
sông nhỏ, lưu lượng sông lớn. Trong thực tế, chiều cao của đập bị hạn chế
bởi kỹ thuật đắp đập và diện tích bị ngập. Cột áp ở các trạm thủy điện này
không lớn, thông thường không lớn hơn 30 – 40m. Tuy nhiên, nhà máy

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.


ng lượng. Đến nay ở nước ta bánh xe
nước vẫn còn được sử dụng trên các suối vùng núi và trung du.

Hình 1.8 Bánh xe nước
Tại Pháp từ thế kỷ IV đã có máy xay xát chạy bằng năng lượng của
nước. Tuy nhiên mãi đến thế kỷ thứ XVI với sự phát triển của chủ nghĩa tư
bản thì việc sử dụng năng lượng nước mới có những cải tiến lớn. Nhưng từ
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


Thế năng Động năng
Vậy năng lượng riêng gồm hai phần : động năng và thế năng.
Tùy thuộc vào dạng năng lượng này mà chia tuabin nước thành hai
hệ khác nhau: tuabin xung lực và tuabin phản lực.

Trong tuabin xung lực, chỉ có phần động năng của dòng chảy tác
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

Ở nước ta các nhà máy thuỷ điện: Trị An, Hoà Bình, YaLy, Thác Mơ
dùng tuabin tâm trục cỡ lớn và trung bình, còn trạm Ta Sa, Na Ngần, Suối
Cùn…dùng tuabin tâm trục cỡ nhỏ. Hình 1.12 Tuabin tâm trục
c. Tuabin hướng chéo:
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

1.4.3. Các bộ phận chính của tuabin nước:
Trong tuabin nước, bộ phận ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tuabin đó là
phần dẫn dòng. Phần dẫn dòng gồm có ba bộ phận chính:
- Buồng dẫn tuabin.
- Bánh công tác.
- Buồng hút tuabin.
Trong đó bánh công tác là bộ phận chính làm nhiệm vụ biến đổi
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: