Đồ án tốt nghiệp - Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin trong nhà máy thủy điện Hòa Bình

Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ quay tuabin nhà máy thủy điện Hịa Bình “Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ quay tuabin nhà máy thủy điện Hịa Bình ” CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT CHUNG NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN 1.1 Tổng quan lượng điện vai trò nhà máy thủy điện Năng lượng điện hay gọi điện năng, dạng lượng thứ cấp tạo từ nhiều nguồn lượng thứ cấp khác nhiệt (dầu, khí đốt, than, lượng phóng xạ, lượng mặt trời…), thủy (sơng, suối, sóng biển, thủy chiều…), lượng gió… Đây loại lượng đóng vai trị quan trọng sử dụng khắp giới nhiều lĩnh vực sống ngày công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, sinh hoạt … Việc sử dụng dạng lượng khác để biến thành điện nước tùy vào tình hình tài nguyên đường nối phát triển nước Thuỷ dạng lượng tái tạo Đây đặc tính ưu việt nguồn lượng này, nguồn lượng khác : Nguyên tử, than, dầu … tái tạo Trong trình biến đổi lượng, có thuỷ sau biến đổi thành nhiệt lại tái tạo thành dạng thủy năng, dạng lượng khác q trình biến đổi khơng tự tái tạo tự nhiên Con người sử dụng nguồn thuỷ để phục vụ cho đời sống sản xuất, đặc biệt để phát điện Tuỳ theo điều kiện nước mà tỷ lệ phát triển loại nhà máy điện có khác Theo số liệu năm 1978 nhìn chung toàn giới lượng thuỷ điện chiếm khoảng 1/3 tổng sản lượng điện Trong nguồn khai thác than 40 % nguồn thuỷ khai thác 1,5 % (Điều khơng nói lên sau thuỷ điện phát triển mạnh) Theo thống kê năm 1978: Ở Châu âu tỷ lệ thuỷ điện chiếm khoảng 34% tổng sản lượng điện 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 nhiều nước châu Á Châu Phi nguồn thuỷ phong phú tỷ lệ chưa đáng kể kìm hãm chủ nghĩa đế quốc Ví dụ nước ta: Thời kỳ Pháp thuộc không để lại thuỷ điện đáng kể, thời gian chiến tranh ta chủ trương phát triển thủy điện nhỏ vùng miền núi : Lạng Sơn, Quảng Ninh, Sơn La, Lai Châu, giải ánh sáng, sở xay xát, chế biến nhỏ, Thanh Hố có thuỷ điện Bàn Thạch gồm 3x320 KW=960 KW, lợi dụng bậc núi Nông Giang Thuỷ điện Thác Bà bị bom đạn tàn phá nặng nề, sau khôi phục xong tổ máy 3x36=108 MW, miền Nam có thuỷ điện Đa Nhim, kiểu kênh dẫn, lợi dụng độ chênh mực nước hai sông, công suất 160 MW Hiện nay, trữ lý thuyết thuỷ điện nước ước tính 270300 tỷ KWh/năm, với cơng suất khoảng 32.106 KW Nhưng trữ thuỷ điện kỹ thuật (tiềm kinh tế) có khoảng 80 tỷ KWh, Với công suất lắp máy 17.438 MW Tiềm kinh tế kỹ thuật thuỷ điện nhỏ khoảng 60 tỷ KWh/năm, với công suất lý thuyết 10.000 MW Miền bắc nước ta có 1069 sơng lớn nhỏ, cơng suất thuỷ ước lượng 13, 68.10 KW với trữ lượng điện hàng năm 120 tỷ KWh, khả xây dựng thuỷ điện sơng sau : - Sông Cả khoảng 34 vạn KW - Sông Đà khoảng 254 vạn KW - Sông Mã khoảng 25 vạn KW - Sông Thao khoảng 52 vạn KW - Sơng Thái Bình khoảng 3,2 vạn KW - Các hệ thống Nơng Giang khoảng vạn KW Theo tính tốn xây dựng thuỷ điện 4,8 triệu KW thuỷ điện hàng năm thu độ 20.10 KWh , tiết kiệm khoảng 20.10 than đá Thấy lợi với giúp đỡ Liên Xô điều kiện kỹ thuật cho phép, nước ta tiến hành điều tra khảo sát xây dựng thành công nhà máy Thuỷ điện Sông Đà với công suất đợt đầu khoảng 1,6 triệu KW gồm 8x200 MW, sau cơng suất lên tới 3,2 triệu KW (Hiện công suất nhà máy đạt 1.92 triệu KW) Xây dựng cơng trình nhằm sử dụng tổng hợp chống lũ vấn đề cấp bách Cơng trình làm hạ mực nước Hà Nội mùa lũ xuống 1,4 m Đầu tư thuỷ điện nước ta khơng q lớn nước khác Ta tự lực xây dựng thuỷ điện: Đầu tư cho thiết bị khoảng 30%, cịn lại cơng trình khác tự lực Ngành thuỷ điện nước ta mở triển vọng vơ to lớn, địi hỏi số lượng lớn cán thiết kế, thi cơng, vận hành giỏi, đủ sức thăm dị giải vấn đề kỹ thuật hoàn cảnh đất nước ta đề ra, phải biết áp dụng kỹ thuật tiến triển vào lĩnh vực Ngành ta đào tạo kỹ sư điện thiết kế, vận hành mạng hệ thống điện, nhà máy điện thuỷ điện, ta phải tự thiết kế thi công nhà máy điện Người kỹ sư vận hành điện nhà máy thuỷ điện kiến thức tổng quát cần biết (cơng trình thiết bị thuỷ lực) mà cần hiểu sâu điều tiết hồ chứa để vận hành tốt Đây lĩnh vực nhiều lý thuyết khác 1.2 Vấn đề tự động hóa nhà máy thủy điện Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển nhà máy thuỷ điên Cấu trúc toàn hệ thống có điều khiển vận hành trực tiếp phận riêng rẽ Trong tổ máy phát gồm phận điều khiển động lực điều khiển kích từ Phần động lực bao gồm tuabin hệ thống thủy lực, điều khiển động lực liên quan tới việc điều chỉnh tốc độ điều khiển biến số hệ thống cung cấp lượng Chức điều khiển kích từ điều chỉnh điện áp máy phát công suất phản kháng Công suất phát mong muốn tổ máy phát đơn lẻ xác định trình điều khiển phát điện hệ thống Mục đích điều khiển phát điện hệ thống cân tổng công suất phát hệ thống với phụ tải hệ thống tổn thất, tần số công suất trao đổi với hệ xung quanh trì Điều khiển truyền tải bao gồm thiết bị điều khiển điện áp công suất, bù phản kháng tĩnh, bù đồng bộ, cuộn cảm điện dung chuyển mạch Điều khiển máy biến áp dịch pha truyền tải dịng chiều điện áp cao (HVDC) Các q trình điều khiển mơ tả góp phần cho thỏa mãn vận hành hệ thống cách trì điện áp tần số hệ thống biến hệ thống khác giới hạn cho phép chúng Các đối tượng điều khiển phụ thuộc vào trạng thái vận hành hệ thống Với trạng thái bình thường, đối tượng điều khiển vận hành có hiệu tần số điện áp điều khiển gần với giá trị danh định 1.3 Sơ đồ tổng quan nhà máy thủy điện: 1.3.1 Nguyên lý chung: Nước sông, suối chảy từ nguồn biển, từ cao đến thấp mang theo lượng, lượng gọi thuỷ Để xác định lượng ta chia dịng chảy sơng thành đoạn ngắn có chiều dài l, giới hạn tiết diện I-I II-II: Hình 1.2 Sơ đồ xác định lượng dịng chảy đoạn sơng Theo phương trình Becnuli ta có lượng riêng mặt cắt: P α V2 =Z + I + I I E I −I I 2g γ P α V2 II =Z + + II II E II − II II 2g γ Trong đó: P γ , Z , V , α - áp năng, vị năng, vận tốc trung bình mặt cắt hệ số điều chỉnh động Hiệu lượng riêng hai mặt cắt lượng đơn vị dòng chảy đoạn sơng có chiều dài l gọi cột áp đoạn sông, ký hiệu H P -P a V2 -a V2 2 H = E - E = Z I − Z II + + 1 I II g 2g Nếu đoạn sơng có cột áp H, lưu lượng Q lượng dịng chảy đoạn sơng là: ∋= ∫ γ QHdt t Hay ∋= γ HW Trong đó: W – thể tích nước đoạn sơng Cơng suất nước dịng chảy đoạn sơng là: N =γ QH Để sử dụng lượng đoạn sơng phải tập trung lượng dòng nước phân bố đoạn sơng chỗ, tạo độ chênh mực nước thượng hạ lưu, nghĩa phải tạo nên cột áp 1.3.2 Sơ đồ nhà máy thủy điện: Nhà máy thủy điện tổ hợp phức tạp, sử dụng lượng sông suối, để sản xuất điện bao gồm tuyến : - Tuyến áp lực (tuyến đầu mối) - Tuyến lượng - Tuyến hạ lưu Tuyến áp lực 1.Hồ chứa + Bể áp lực + Bể lắng cát Đập tràn Các van xả Tuyến lượng +Kênh vào +Cửa van +Đường hầm (gồm Tháp van) +Đường ống Nhà máy : + Thiết bị khí : Chính : Tuabin cho 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 Kênh xả Các cửa van hạ lưu Hình 1.3 Sơ đồ tuyến nhà máy thủy điện • Các thiết bị nhà máy thủy điện Hình 1.4 Sơ đồ bố trí thiết bị nhà máy thủy điện Cửa nhận nước Bình tạo áp lực Hầm dẫn Nhà van Ống áp lực Hệ thống dầu áp lực điều tốc Tuabin 10 Hệ thống nước làm mát Máy phát 11 Ống xả Hệ thống kích thích máy phát 12 Cửa hạ lưu Trong thực tế có phương pháp tập trung lượng dòng nước tương ứng với ba sơ đồ nhà máy thủy điện: Nhà máy thủy điện kiểu lịng sơng, nhà máy thuỷ điện đường dẫn nhà máy thuỷ điện kiểu tổng hơp 1.3.2.1 Nhà máy thuỷ điện kiểu lịng sơng (hay sau đập) Để tập trung lượng người ta dùng đập cột áp H độ chênh mực nước trước sau đập (tương ứng thượng lưu hạ lưu) Đập có hồ chứa nước lớn để điều tiết lưu lượng dịng sơng Nhà máy thường đặt sau đập cột nước lớn, phận đập cột nước nhỏ Các trạm thuỷ điện với phương pháp tập trung lượng đập gọi nhà máy kiểu lịng sơng hay sau đập Nó áp dụng cho sông đồng bằng, trung du nơi có độ dốc lịng sơng nhỏ, lưu lượng sơng lớn Trong thực tế, chiều cao đập bị hạn chế kỹ thuật đắp đập diện tích bị ngập Cột áp trạm thủy điện không lớn, thông thường không lớn 30 – 40m Tuy nhiên, nhà máy thủy điện kiểu đạt cột áp cao H = 300m nhà máy thủy điện Nurec Liên Xô Nhà máy thủy điện Thác Bà sơng Chảy nhà máy thủy điện lịng sơng có cột áp H = 37m, N = 40MW, ba tổ máy Hình 1.5 Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu lịng sơng 1.3.2.2 Nhà máy thủy điện đường dẫn: Nước ngăn đập thấp chảy theo đường dẫn (Kênh, máng, – nen, ống dẫn) đến nhà máy thủy điện Ở cột áp đường dẫn tạo nên, đập để ngăn nước lại để đưa vào đường dẫn Đường dẫn có độ dốc nhỏ độ dốc lịng sơng Kiểu trạm thường dùng sơng suối có độ dốc lịng sơng lớn lưu lượng nhỏ Trạm thủy điện Đa Nhim (Ninh Thuận) có cột nước H = 800m, N = 160MW ( bốn tổ máy 40 MW/ tổ máy) Trạm thủy điện có cột nước lớn giới 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 tập trung nhờ đập đường dẫn Cột áp trạm gồm phần: phần đập tạo nên, phần lại đường dẫn tạo nên Nhà máy kiểu dùng cho đoạn sông mà sơng có độ dốc nhỏ xây đập ngăn nước hồ chứa, cịn phía có độ dốc lớn xây dựng đường dẫn Nhà máy thủy điện Hồ Bình (H = 88m, N = 220MW, tổ máy) Trị An (H = 50 m, N = 100MW, tổ máy) trạm kiểu tổng hợp 1.4 Tuabin nước nhà máy thủy điện Tuabin nước thiết bị quan trọng nhà máy thủy điện, nhiệm vụ chuyển đổi thủy thành làm quay rôto máy phát sinh điện 1.4.1 Sự đời tuabin thủy lực Tuabin nước loại máy thuỷ lực loài người dùng để sử dụng nguồn lượng thiên nhiên để phục vụ đời sống sản xuất, trước tiên công việc lấy nước chế biến lương thực Tuabin nước bánh xe nước đơn giản sử dụng động dòng chảy Cho tới lịch sử chưa xác định người phát minh bánh xe nước Người ta biết hàng nghìn năm trước công nguyên Ai Cập, Ấn Độ Trung Quốc sử dụng bánh xe nước dạng thiết bị biến đổi lượng Đến nước ta bánh xe nước sử dụng suối vùng núi trung du Hình 1.8 Bánh xe nước Tại Pháp từ kỷ IV có máy xay xát chạy lượng nước Tuy nhiên đến kỷ thứ XVI với phát triển chủ nghĩa tư việc sử dụng lượng nước có 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 Fuaray chế tạo thành cơng tuabin nước Hình 1.9 Tuabin nước Sau năm, năm 1937 người thợ mộc Nga- Xaphon chế tạo tuabin nước kiểu li tâm Năm 1838 Hopd (Mỹ) cải tạo tuabin li tâm thành tuabin hướng tâm Năm 1847-1849 kỹ sư mỹ Dran Franxic cải tiến tuabin Hopd thành tuabin tâm trục có hiêu suất cao Ngày người ta gọi tuabin tâm trục tuabin Franxic Năm 1837-1841 Ghensen (Đức) Jonvan (Pháp) chế tạo tuabin hướng trục cánh cố định Sau năm 1912-1924 giáo sư người Tiệp Khắc cũ Kaplan cải tiến tuabin hướng trục cánh cố định thành tuabin hướng trục cánh điều chỉnh gọi tuabin Kaplan Do điều chỉnh cánh làm tăng hiệu suất phạm vi điều chỉnh công suất rộng 1880 Penton (Mỹ) cải tiến bãnh xe nước phát minh tuabin gáo Vì tuabin gáo gọi tuabin Penton Ngày loại tuabin nước kể cải tiến hoàn thiện mức độ cao Nhiều kiểu tuabin đời như: Tuabin hướng chéo, tuabin dòng thẳng (Capsun), tuabin bơm Hiện nước ta có nhiều sở đầu tư tiến khoa học kỹ thuật cho việc chế tạo tuabin nước Chúng ta chế tạo tuabin nhỏ (đến hàng ngàn KW) Trong tương lai chế tạo loại tuabin lớn hơn, góp phần cho việc điện khí hố phục vụ sản xuất địa phương xa lưới điện quốc gia 1.4.2 Phân loại phạm vi sử dụng tuabin: * Phân loại theo dạng lượng dòng chảy qua tuabin: Hình 1.10 Sơ đồ nhà máy thủy điện Ta khảo sát thành phần lượng dòng chảy Năng lượng đợn vị dòng chảy truyền cho bánh xe công tác tuabin độ chênh lượng riêng hai tiết diện trước sau đó: 2 P − P α V −α V 1 2 + H = Z1 − Z1 + γ 2g ( ) Thế Động Vậy lượng riêng gồm hai phần : động Tùy thuộc vào dạng lượng mà chia tuabin nước thành hai hệ khác nhau: tuabin xung lực tuabin phản lực Trong tuabin xung lực, có phần động dịng chảy tác dụng lên bánh xe cơng tác cịn phần khơng Hệ tuabin phát công suất nhờ động dòng chất lỏng, áp suất cửa vào cửa tuabin áp suất khí trời Tuabin phản lực loại tuabin làm việc nhờ hai phần động năng, mà chủ yếu dòng chảy Trong hệ tuabin này, áp suất cửa vào lớn cửa Dòng chảy qua tuabin dòng liên tục điền đầy toàn máng dẫn cánh Trong vùng bánh xe cơng tác tuabin, dịng chảy biến đổi động Trong vận tốc dịng chảy qua tuabin tăng dần, áp suất giảm dần Máng dẫn cánh hình nên gây độ chênh áp mặt cánh, từ tạo momen quay Tuabin phản lực xung lực có tính phạm vi sử dụng khác Tuabin phản lực dùng cho trạm có cột nước thấp, lưu lượng lớn tuabin xung lực dùng cho trạm có cột nước cao, lưu lượng nhỏ 1.4.2.1 Tuabin phản lực: Tuabin phản lực hệ tuabin sử dụng rộng rãi nhất, bao gồm phạm vi cột nước từ 1,5m đến 600m Tùy thuộc vào hướng dòng chảy dòng nước 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 loại tuabin hướng chuyển động dịng chảy phạm vi bánh xe công tác song song với trục quay tuabin (hình 1.8a,b ) Tuabin hướng trục loại cánh cố định loại cánh điều chỉnh bánh công tác gồm nhiều cánh gắn với bầu Nếu cánh gắn chặt với bầu gọi tuabin hướng trục cánh cố định ( tuabin chong chóng ) Nếu cánh quay quanh trục cánh cố định thường dùng cho trạm cỡ nhỏ trung bình Tuabin hướng trục cánh điều chỉnh sử dụng cho cỡ trung bình lớn Tuabin hướng trục cánh điều chỉnh phức tạp cấu điều chỉnh cánh nằm bầu bánh cơng tác Hình 1.11 Tuabin hướng trục b Tuabin tâm trục (Hay gọi tuabin Francis) Trong tuabin tâm trục, hướng dòng chảy vùng bánh công tác ban đầu theo phương hướng tâm, sau chuyển sang phương song song với trục Tuabin cịn gọi tuabin Francis Nó sử dụng rộng rãi trạm có cột nước cao : H = 30-600m Đối với trạm nhỏ tuabin làm việc với cột nước H > 4m Bánh công tác gồm hệ thống cánh gắn chặt với hai vành đĩa thành khối cứng Cánh có dạng cong khơng gian số cánh có từ 12 đến 22 Tuabin tâm trục có hiệu suất cao cánh cố định nên thích hợp với trạm có cột nước thay đổi (hình 1.8 d) Tuabin tâm trục có cột nước cao giới H = 620m Khot-xenvan (Đức) Ở nước ta nhà máy thuỷ điện: Trị An, Hồ Bình, YaLy, Thác Mơ dùng tuabin tâm trục cỡ lớn trung bình, cịn 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 hai loại tuabin tâm trục hướng trục cánh điều chỉnh Dịng chảy qua vùng bánh xe cơng tác tuabin có hướng tạo với trục quay góc (thường 45-60 độ) Bầu cánh hình nón Bầu cánh chứa toàn cấu điều chỉnh cánh bầu cánh tuabin hướng trục cánh điều chỉnh Loại tuabin làm việc phạm vi cột nước H = 30-150m Nó điều chỉnh cánh nên phạm vi điều chỉnh cơng 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 ( cịn gọi tuabin Pelton) HÌNH VẼ 1.5/7 THANH 1.9: Trong : 1- Ống dẫn 4- Cánh gáo 2- Mũi phun 5- Trục 3- Hướng tia nước 6- Vở tuabin Tuabin gáo loại tuabin xung lực sử dụng nhiều Phần dẫn dòng gồm bánh cơng tác vịi phun Bánh cơng tác gồm nhiều cánh hình gáo gắn chặt lên bánh công tác Bánh công tác gắn liền trục tuabin, trục nối với trục máy phát Thông thường tuabin gáo đặt ngang, có số tuabin cỡ lớn có tổ máy đặt đứng Vịi phun gồm có ống hình nối với ống dẫn, ống hình có kim điều chỉnh lưu lượng vịi phun Ở dòng chảy theo ống dẫn vào vòi phun, từ dịng chảy khỏi vịi phun với vận tốc đủ lớn tác dụng vào cánh gáo tạo thành momen quay Ngồi vịi phun làm nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng qua bánh công tác Tuabin gáo làm việc với cột nước H = 40-300m lớn Ở nước ta trạm thuỷ điện Đa Nhim dùng tuabin gáo có cơng suất tổ máy N = 40MW b Tuabin tia nghiêng: Tuabin khác với tuabin gáo dòng chảy vào vòi phun hướng vào bánh cơng tác góc nghiêng Bánh công tác gồm cánh cong gắn chặt lên hai đĩa bên bánh cơng tác có hình dạng đơn giản dạng gáo nên dễ chế tạo Vòi phun loại tương tự vòi phun tuabin gáo Tuabin tia nghiêng lắp cho trạm thuỷ điện nhỏ Hiệu suất tuabin thường nhỏ hiệu suất tuabin gáo c Tuabin tác dụng kép (Tuabin xung kích hai lần ) (HÌNH VẼ 2.6): Dịng chảy từ vịi phun tác dụng lên bánh cơng tác hai lần : dịng chảy từ ngồi vào tâm sau lại hướng từ tâm ngồi, nên gọi loại tuabin tác dụng kép Vòi phun tuabin có tiết diện chữ nhật khơng phải tiết diện tròn Ở thay đổi lưu lượng cách thay đổi thành để thay đổi tiết diện vịi phun Tuabin tác dụng kép cịn có tên gọi tuabin xung kích hai lần, hay tuabin Banki Nó dùng cho trạm thuỷ điện cỡ nhỏ N = 5-100KW 1.4.3 Các phận tuabin nước: Trong tuabin nước, phận ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tuabin phần dẫn dịng Phần dẫn dịng gồm có ba phận chính: - Buồng dẫn tuabin - Bánh cơng tác - Buồng hút tuabin Trong bánh cơng tác phận làm nhiệm vụ biến đổi lượng Hai phận buồng dẫn buồng hút không trực tiếp biến đổi lượng vai trị chúng quan trọng giúp bánh cơng tác làm nhiệm vụ biến đổi lượng có hiệu tốt Các phận phụ phần dẫn dòng gồm có: van điều chỉnh lưu lượng dịng chảy, van đóng nhanh có cố, lưới chắn rác… Nếu tuabin làm việc đồng với máy phát điện phận quan trọng giúp cho đồng máy điều tốc Trong trạm thuỷ điện cịn có thiết bị phụ trợ khác như: tổ máy bơm, tổ máy nén khí, thiết bị nâng hạ, hệ thống điện…Ở ta xét phận phần dẫn dịng tuabin