Bộ KH&CN-Bộ NN&PTNT Trường ĐHBK HN TTNCLNM WINONLL NH IqHG ŠuemI, INLd? NN $@-NOPHH Oa Bộ KH&CN-Bộ NN&PTNT Trường ĐHBK HN TINCNLM
BO KHOA HOC VA CONG NGHE - BO NONG NGHIEP VÀ PTNT DAI HOC BACH KHOA HA NOI
TRUNG TAM NGHIEN CUU NANG LUQNG MOL Số 1— Đại Cổ Việt - Hai Bà Trưng - Hà Nội
BAO CAO TONG HOP
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước:
"NGHIÊN CỨU THIẾT HẾ CHẾ TẠO,LẤP PAT VA VAN HANH MAY DIEU TOC
KIEU BIEN THUY LUC CHO TO MAY THUY DIEN
CONG SUAT PEN EMW CHO NHA MAY THUY DIEN DAKSRONG"
Dự án KHCN quy môlớn :
“NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHE TAO, LAP DAT VA VAN HANH THIET BỊ THỦY ĐIỆN CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐAKSRÔNG CÔNG SUẤT 20MW”
( Thuộc chương trình phát triển KHCN trọng điểm cấp nhà nước giai đoạn 2005 — 2010)
TS.Hoàng Sinh Trường
Trang 2
CHƯƠNG I NGHIEN CUU TONG QUAN VE HE THONG DIEU TOC TRONG NHA MAY THUY ĐIỆN 1.1 1.2 13, 'Tổng quan tình hình nghiên cứu thiết kế, chế tạo và sử dụng hệ thống
điều tốc trong các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ
Nghiên cứu khảo sát đánh giá nhu cầu thị trường, xác định đối tượng
nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điều tốc điện - thủy lực ứng dụng
cho các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ
CHƯƠNG IL NGHIEN CUU TINH TOAN THIET KE HE THONG DIEU TOC BIEN — THUY LUC, AP DUNG TINH TOAN THIET KE DIEU TOC CHO NHA MAY THUY PIEN PAKSRONG 21 Bde 2.3 2.4 3ã 2.6 Be 2.8 2, 2.10 Tính toán thiết 2.11 Tính toán thiết kế hệ thống van cánh hướng khi xảy ra sự có 24 Các thông số cơ bản của máy điều tốc tua bin nha máy thủy điện Diksréng
Các loại máy điều tốc dùng cho tổ máy thủy điện vừa và nhỏ .28 Các phần mềm tính toán thủy lực và điều khiển tự động máy điều tốc ae điện — thủy lực Nghiên cứu tính toán hệ thống cung cấp dầu áp lực cho máy điều 'Tính toán thiết kế Servo mofor thủy lực
'Tính toán thiết kế hệ thống phản hồi cứng và phản hỏi mềm 'Tính toán thiết kế hệ thống truyền lực cho máy điều tóc
'Tính toán thiết kế hệ dẫn động cánh hướng bằng tay và bộ giới hạn độ
mở cánh hướng
Trang 32.12 Nghiên cứu tính toán thiết kế, tích hợp hệ thống cảnh báo an toàn cho
máy điều tốc „60
CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA HỆ THƠNG ĐIỀU TÓC CHO NHA MAY THUY BIEN DAKSRONG 65 3.1 Quy trình công nghệ 3.2 Quy trình công nghệ 3.3 - Quy trình công nghệ 3.4 Quy trình công nghệ 3.5 Quy trình công nghệ
3.6 Quy trình công nghệ chế tạo hệ thống thanh truyền điều khiển cánh
hướng dòng tua bin „80
CHƯƠNG IV XÂY DỰNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ LẮP RÁP HỆ
THONG DIEU TOC 283
ao môđun thông số đầu vào của điều tốc 65
ao médun điều khiển CPU .68
ao mô đun khuyếch đại điện — điện tử 73 Ê tạo mô đun khuyếch đại thủy lực vi sai 74 Ê tạo thiết bị áp lực
4.1 Quy trình công nghệ lắp rấp mô đun thông s6 dau vào của điều tóc 83 4.2 Quy trình công nghệ lắp rấp mô đun điều khiển CPU
4.3 - Quy trình công nghệ lắp ráp mô đun khuyếch đại điện — điện tử 84 4.4 Quy trình công nghệ lấp ráp mô đun khuyếch đại thủy lực vi sai 84
4.5 Quy trình công nghệ lắp ráp thiết bị dầu áp lực .86
4.6 Quy trình công nghệ lắp ráp thanh truyền điều khiển cánh hướng dòng
4.7 Quy trình công nghệ lắp ráp tổng thể toàn bộ hệ thống điều tóc ¡ 88
CHUGNG V XAY DUNG QUY TRINH THU NGHIEM MAY DIEU TOC ĐIỆN - THỦY LỰC
5.1 Quy trình thử nghiệm tại xưởng chế tạo
Trang 45.2 Quy trình thử nghiệm tại hiện trường 90
CHUGNG VI QUY TRINH VAN HANH MAY DIEU TOC DIEN - THỦY
CHƯƠNG?7 CÁC KÉT QUÁ ĐẠT ĐƯỢC
7.1 Các kết quả khoa học công nghệ đã đạt được
7.2 Khả năng ứng dụng các kết quả nghiên cứu của
Trang 5MỞ ĐẦU
nay trên thế giới, việc khai thác nguồn năng lượng tái tạo phí
truyền thống như năng lượng gió, năng lượng mặt trời hay các nguồn năng lượng tái tạo truyền thống như thủy điện đang là một định hướng phát triển
chiến lược của nhiề
u quốc gia trên tồn cầu khơng phân biệt mức độ phát
triển của mỗi nền kinh tế Điều này được lý giải không chỉ b
am ning to lớn và phân bố rộng khắp của nguồn năng lượng này mà cùng với sự phát
triển của kinh tế xã hội toàn cầu, nguồn năng lượng tái tạo đã chứng tỏ được
tầm quan trọng của mình trong quá trình phát triển của xã hội văn minh hiện đại Đó không chỉ là nguồn “năng lượng sạch” mà ngay tính “tái tạơ” của nó đã mang tính “bền vũng, một mục tiêu bao trùm mà mọi định hướng phát
triển kinh tế xã hội của các quốc gia đều hướng tới: Đó là “sự phát triển bền
vững”
'Trong lịch sử của mình, ngành xây đựng thủy điện Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung đã không ngừng phát triển Tuy nhiên thủy điện nhỏ đã trải qua nhiều thăng trầm của mỗi giai đoạn Bing phát trong những năm 70 để rồi như bị lãng quên trong nhưng năm 80 Mặc đù vậy, do nhu cầu phát triển Kinh tế, xã hội, chính trị đã đưa con người vươn tới những vùng xa mới và cùng với sự tiến bộ không ngừng của ứng dụng khoa học công nghệ hiện đai, thủy điện nhỏ hiện nay đã và đang là định hướng phát triển được nhiễu quốc gia lựa chọn Chính vì vậy trong chương trình “Dự án khoa học và công nghệ quy mô
lớn “ của nhà nước giai đoạn 2005-2010, định hướng “+shiên cứu thiết kế chế tạo và lắp đặt thiết bị thấy điện công suất đến GMIV cho nhà máy thấy điện
vừa và nhỏ “ là một sự lựa chọn rất đúng đắn trong chiến lược phát triển Kinh tế xã hội của nước ta trong tương lãi
Từ kinh nghiệm tích lũy qua thực tế thế giới cho thấy một trong những đặc điểm nổi bật của thủy điện vừa và nhỏ, đó là £ÿ trong ddu te cho thiết bị chiếm tỷ lệ cao so với các công trình thủy điện lớn Thường thì thiết bị thủy
điện nhỏ chiếm tỷ lệ 30% đến 40% vốn đầu tư ban đầu Trường hợp đặc biệt,
Trang 6con số này có thể lên đến 509% Điều đó cho thay tam quan trọng của việc đầu
tư nghiên cứu nhằm hoàn thiện thiết bị thủy điện vừa và nhỏ Hi
nay trên
thế giới, cùng với sự ứng dụng nhiều các thành quả khoa học và công nghệ
mới, thủy điện vừa và nhỏ đã hoàn toàn thay đổi chất lượng nguồn năng lượng của mình, kết quả là mợi sự nhìn nhận về thủy điện vừa và nhỏ đã phải thay đổi Đóng góp phần không nhỏ của mình cho sự thay đổi đó phải kể đến việc ứng dụng ngày càng rộng rãi các hệ thống điều khiển tự động cùng kỹ thuật vi xử lý trong quá trình vận hành và điều khiển các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ Sự hoàn thiện của zw4y điểu đấc furbit thấy điện cũng là một trong những yếu tổ quan trọng làm nên sự thay đổi lớn đó Chính vì vậy đễ có thể làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị thấy điện và xây dựng các công trình
thủy điện vừa và nhỏ trong giai đoạn phát triển kinh tế
ế tạo thiết bị thủy điện nói
an nay của nước ta ,
việc đầu tư nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ
chung và điều tốc turbin nói riêng đã và đang là vấn đề bức xúc ,đồi hỏi của nên kinh tế
Với khả năng hiện có của ngành cơ khí chế tạo kết hợp với những kết quả và kinh nghiệm tích lũy được của các cơ sở nghiên cứu với đội ngũ cán bộ có trình độ không thua kém trong khu vực ,, việc nghiên cứu và cho ra đời các sản phẩm “điều tốc thủy điện “ mang tính công nghiệp với chất lượng ngang tầm khu vực là cân thiết và hoàn toàn có thể,
Người ta nhận thấy mic di cdc công trình thủy điện lớn cung cấp điện cho khoảng 20% dơn số tồn cầu song nó lại có ảnh hưởng lớn tới thd nhưỡng, địa chất, nguồn nước, khí hậu Các hỗ chứa của các nhà máy thủy điện ở các vùng nhiệt đới có thể sản sinh ra một lượng lớn khí methane và carbon diosi de Nguyên nhân của hiện tượng này là do các xác thực vật mới bị lũ quét và các vùng tái bị lũ tràn ngập nước, mục nát trong một môi trường, ky khí và tạo thành methane, một khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh Methane bay vào khí quyển khi nước được xả từ đập đễ làm quay tuabin Theo bản báo cáo của Cao ủy th giới về đập, ở nơi nào đập nước lớn so với công suất phát
Trang 7điện (ít hon 100Watt trên mỗi km2 diện tích bề mặt) và không có việc phá rùng trong vùng được tiến hành trước khi thi công đập nước, khí gas gây hiệu ứng nhà kính phát ra tử ột cái hại nữa của các đập thủy điện lớn là việc tái có thể cao hơn những nhà máy nhỉ điện thông inh cư dân thường,
chúng sống trong vùng hỗ chứa Trong nhiều trường hợp không một khoản
bởi thường nào có thể bù đắp được sự gắn bó của họ về tổ tiên và văn hóa gắn
tính thần rất lớn đối với họ Hơn nữa,
với địa điểm đó vì chúng có gi
về mặt lịch sử và văn hóa các địa điểm quan trọng có thể bị biến mắt, như dự án Đập Tam Hiệp ở Trung Quốc, đập Clyde ở New Zealand va dip Ilisu 6 đông nam Thổ Nhĩ Kỳ Một số dự án thủy điện cũng sử dụng các kênh đào, để làm chệch hướng một con sông tới độ đốc ít hơn để tăng cột áp của nhà máy Trong một số trường hợp, toàn bộ con song có thể bị đổi hướng để tro lại day dong s6ng Vi dy nhw song Tekapo va Pukaki (Newzealand) Người ta 1o ngại rằng, nếu con sông được sử dụng làm thủy điện chảy qua nhiều vùng, đất khác nhau thì mức độ ảnh hưởng sẽ gia tăng nghiêm trọng tại các vùng đất rộng lớn, thậm chí ảnh hưởng tới nhiều quốc gia Vì thế, các nhà nghiên cứu phát triển thủy điện loại vừa và nhỏ, chỉ cung cấp điện cho một vùng hoặc khu vực nhỏ, vừa không gây hao tốn tài nguyên, nhân lực vừa bảo dim gìn giữ môi trường sống tốt lành
Do tính ưu việt của nó, thủy điện vừa và nhỏ đã được rất nhiều nước trên thế giới quan tâm phát triển Ngoài các ưu điểm như vốn đầu tư không, lớn, không đời hỏi phải sử dụng các thiết bị thủy điện quá phức tạp, không phải xây dựng các hỗ chứa nước lớn tiết kiệm được nguồn năng lượng truyền thống thì một ưu điểm nổi trội của loại hình này là Thủy điện vừa và nhỏ ít làm ảnh hưởng đến mỗi trường xung quanh và khả năng tự cung tự cấp điện cho các vùng sâu, vùng xa, ít dân cư
Việt Nam là một quốc gia được thiên nhiên ưu đãi có hệ thống sông ngồi phong phú, đa dạng trải khắp chiều đài đất nước nên rất thuận lợi cho việc phát triển thủy điện Tính tới thời điểm năm 2003, tổng công suất của
Trang 8các nhà máy thủy điện đã xây dựng xấp xỉ 4.000MW và các nhà máy đang xây dựng có tổng công suất gần 1.000 MW Tuy nhiên, theo các số liệu thống kê mới chỉ có khoảng 1⁄4 tiểm năng thủy điện ở nước fa được khai thác để
phục vụ sản xuất din sinh
tự nhiên của nước ta cũng rất thuận lợi cho việc phát triển
thủy điện vừa và nhỏ Trong tình hình khủng hoảng thiếu năng lượng điện hiện nay do nhu cầu sử dụng điện tăng nhanh thì việc cung cấp điện cho các vùng sâu, vùng xa từ nguồn điện của các nhà máy điện lớn sẽ càng khó khăn Việc xây dựng thủy điện vừa và nhỏ không cần đầu tư vốn lớn, có thể tranh thủ huy động vốn từ các xí nghiệp nhỏ hay tư nhân Bởi vậy, sử đụng các kinh nghiệm của thế giới về việc phát triển thủy điện vừa và nhỏ ở nước ta trở nên cần thiết và đang được Nhà nước hết sức quan tâm
Mục tiêu của để tài là:
- _ Tạo khả năng thiết kế, chế tạo, lắp đặt và vận hành sử dụng máy điều tốc kiểu điện — thủy lực cho tổ máy thủy điện công suất đến 6MW với các thiết bị đồng bộ cho lực lượng cán bộ và công nhân kỹ thuật trong nước;
-_ Chế tạo, lắp đặt và vận hành sử dụng 01 máy điều tốc điện - thủy lực cho tổ máy thủy điện công suất 6MW cho nhà máy thủy điện Đăksrông;
-_ Phục vụ chương trình nội địa hóa thiết bị trong chiến lược phát triển
thủy điện của nhà nước đến năm 2010 và 2020;
- _ Tạo công ăn việc làm cho xã hội, góp phần cung cấp điện năng thúc đẩy sự phát triển của các ngành liên quan và nâng cao đời sống dân sinh;
-_ Tạo điều kiện chủ động được việc cung cấp thiết bị thủy điện loại vừa và nhỏ dùng cho các công trình trạm thủy điện mới xây dựng và phụ tùng bảo đưỡng, thay thế, sửa chữa cho các trạm đang sử dụng
Trang 9- _ Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điều tốc trong nhà máy thủy điện; -_ Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống điề
dụng tính toán thiết kế điều tốc cho nhà máy tốc điện — thủy lực, áp n thủy điện Đaksrông; -_ Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ chế tạo các bộ phận chính
của hệ thống điều tốc cho nhà máy thủy điện Đăksrông;
- _ Xây đựng quy trình công nghệ lắp ráp hệ thống điều tốc cho nhà máy; - _ Xây đựng quy trình thử nghiệm máy điều tốc điện - thủy lực;
- _ Xây đựng quy trình vận hành, sử dụng máy điều tốc điện - thủy lực 'Tỉnh hình nghiên trong và ngoài nước
Trên thể giới
Với mục tiêu giảm giá thành đầu tư và đơn giản trong công tác vận hành các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, theo logic đơn giản có thể cho rằng ở đây chỉ cần sử dụng những bộ điều tốc turbin có nguyên lý đơn giản và rẻ nhất so với những bộ điều tốc của các nhà máy thủy điện lớn Tuy nhiên, nếu tiếp cận vấn đề này từ góc độ “điều khiển đồng bộ* và tối ưu hóa nhà máy thủy điện vừa và nhỏ chứ không chỉ đơn thuần là “điều tốc” thì chúng ta lại phải tray i khái miệm trên Các kết quả nghiên cứu trên thực tế tại Hoa Kỳ, Nga và ngay cả Trung Quốc cho thấy tại các nhà máy thủy điện lớn, điều tốc turbin chỉ là một phân trong hệ thống tự động điều khiển cũng như bảo vệ tổ máy trong, quá trình làm việc Trong khi đó, đối với nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, việc lắp đặt riêng biệt các hệ thống điều tốc, điều khiển tự động phân bồ tải và bảo vệ tổ máy sé din đến nhiều tồn kém trong dau tư ban đầu Ở đây, phương án tối ưu được lựa chọn phổ biến trên thế giới, đó là #Š hợp các chúc năng trên vào cùng với điều tắc furbin.Vói xu hướng tiên tới nhà máy thủy điện vừa và nhỏ hoàn toàn tự động, việc ứng dụng những kỹ thuật tiên tiến trong điều khiển với các bộ vi xử lý mạnh tưởng như làm phức tạp thêm cho nhà máy thủy điện, nhưng thực tế lại chứng minh điều ngược lai Với ứng dụng kỹ thuật mới, việc vận hành, bảo đưỡng sửa chữa các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ được đơn giản hóa rất nhiều nhờ sử dụng các tổ hợp, linh kiện tiêu chuẩn
Trang 10Trên thế giới hiện nay, các máy điều tốc turbin dùng cho nhà máy thủy điện vừa và nhỏ được thiết kế và chế tạo dựa trên các nguyên lý cơ bản, đó là nguyên lý điện-cơ, nguyên lý thủy — co , và nguyên lý điện - thủy lực, Loại thứ nhất được nghiên cứu và ứng dụng cho các trạm thủy điện có công suất rất nhỏ loại vài trăm KW với đầu tư khiêm tốn và đã chứng tỏ được độ tin
cậy trong quá trình vận hành Trong một thời gian dài, các mẫu điều tốc thiy ~ecơ của các nước Áo, Tiệp đã là sự lựa chọn hàng đầu cho các nhà máy thủy
điện vừa và nhỏ trên thế giới cũng như tại Việt nam Tuy nhiên, trong giai đoạn phát triển mới hiện nay của thủy điện vừa và nhỏ với xu hướng điều
khiển đồng bộ một nhóm hoặc nhiều nhà máy với hệ thống quản lý ,điều khiển trung tôm nhằm tiêu chuẩn hóa chất lượng nguồn điện, loai aide tbe điện — thấy lực đã trở thành sự lựa chọn ưu tiên trong thiết kế và xây dựng các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ Nhất là khi trong các nhà máy thủy điện,
các bộ điều tốc turbin được gắn thêm các chức năng mới như điều tốc, phân chia công suất và bảo vệ an toàn tổ máy Chính nhờ có những ưu điểm vượt trội khi sử dụng kỹ thuật vi xử lý cho phép kết nối với hệ thống điều khiển SCADA, các máy điều tốc điện - thủy lực đã trở thành sựt lu chọn đup nhất cho các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ ở Nga, Canada, Hoa Kỳ v.v Cùng với sự phát triển mạnh mế của ứng dụng kỹ thuật số trong các hệ thống điều khiển tự động, máy điêu tỐc điện — thủy lực chính là sự lựa chon 161 un cho các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ trong giai đoạn hiện nay
Tình hình trong nước
Từ những năm 80, cùng với phong trào làm thủy điện nhỏ, việc nghiên cứu thiết kế và xây dựng các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ ở Việt Nam đã đạt được một số thành công nhất định Nhiều mẫu turbin thủy lực công xuất đến
2MW đã được chế tạo và lắp đặt chủ yếu cho những vùng sâu, vùng xa Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo các bộ điều tốc cũng đã được triển khai tại một số
địa chỉ như Viện nghiên cứu cơ khí Bộ công nghiệp, Nhà máy cơ khí Hà Nội, Trường ĐHBK Hà Nội ,Viện khoa học thủy lợi v.v Tuy nhiên những,
Trang 11kết quả đạt được tại các địa chỉ trên cũng chỉ mới dừng ở mức độ sản phẩm chế tạo don chiếc, chun cé tink công nghiệp:Hơn nữa các sản phẩm đó sau khi đưa vào vận hành đã không được theo đối đánh giá chu đáo để có thể
chuẩn hóa một quy trình công nghệ phục vụ cho việc triển khai chế tạo mang tính sản phẩm công nghiệp sau này Chính vì vậy mặc dù đạt được một số kết
quả nhát định ,song các sản phẩm này chưa có giá trị nghiên cứu cao
Vào những năm cuối của thập niên 80, được sự đầu tư của UBKHKTNN (cñ) đã hình thành và triển khai một đề tài khoa học về nghiên cứu thiết kế và chế thử bộ điều tốc điện — thủy lực Sản phẩm đề tài đá được lắp đặt chạy thử tại trạm thủy điện Iarăng II Buôn Ma Thuột Tây Nguyên Tuy nhiên, quá trình triển khai đề tài còn nhiều bắt cập nên kết quả đạt được là rất hạn chế và cũng, nhanh chóng bị lãng quên
Năm 1990, theo chương trình “mang ánh sảng văn hóa đến với đẳng bào dân
tộc” của Đảng và nhà nước, Trường ĐHBK Hà Nội đã triển khai đề tài “điều
tốc turbin cho thủy điện nhỏ "với địa chỉ ứng dụng là trạm thủy điện Chưpả thuộc tỉnh Gia lai - Công Tum (cũ) Sản phẩm được lắp đặt đá cho phép hòa
hai tổ máy turbin 200KW mà trước đó, suốt ba năm tổn tại chưa bao giờ
được hòa Tuy nhiên do điều kiện kinh tế ,
lè tài cũng không được tổng hợp đầy đủ các kết quả nên cũng không có giá trị nghiên cứu cao
Năm 1992 nhóm nghiên cứu của ĐHBK Hà Nội cũng triển khai đề tài điều tốc điện - thủy lực cho nhà máy điện Phước Sơn Đà Nẵng với tổ máy tuabin 1/2MW Tuy nhiên, giai đoạn đó đo sự phát triển mạnh của các nhà máy thủy điện lớn như Trị An, Yaly nên kết quả đạt được cũng không thể mở rộng phạm vi ứng đụng
Trang 12CHUONG I NGHIEN CUU TONG QUAN VE HE THONG
DIEU TOC TRONG NHA MAY THUY BIEN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thi
kế, chế tạo và sử dụng hệ thống điều tốc trong các nhà máy thủy
¡ các trạm thủy điện, ngoài tuabin và máy phát
phận với vai trò hết sức quan trọng ,đó là hệ thống điều chỉnh tuabin hay còn được gợi một cách đơn giản là “Máy điều (óc” Mặc dù với yêu cầu cao hơn
„ngày nay các bộ điều tốc được tích hợp thêm nhiều chức năng hiện đại tuy nhiên các chức năng cơ bản thì vẫn không thay đổi
Nhiệm vụ của máy điều tốc:
Nhiệm vụ của máy điều tốc là đảm bảo chất lượng của nguồn điện Cụ thể như:
- Ôn định tân sốmáy phát điện
- Phân bó phụ tải của các tổ máy làm việc song song trong một tram thủy điện
- Thực hiện quá trình mở và tắt máy trong điều kiện bình thường và trong điều kiện có sự có
Hiện nay với việc ứng dụng các công nghệ điều khiển tự động hiện đại, máy điều tốc hiện nay còn có khả năng đảm nhận các nhiệm vụ mang tính phức tạp hơn như:
- Phân bổ chế độ làm việc cho từng tổ máy theo giờ trong ngày
- Phân bố phụ tải cho các trạm thủy điện trong cùng một khu vực hay rộng hơn là cả một vùng, thậm chí cả một quốc gia
Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của máy điều tốc
1.1.1 Ôn định tần số dong điện máy phat cho 6 may
Trong quá trình làm việc của trạm thủy điện, phụ tải luôn thay đổi (tùy thuộc vào nhu cầu tiêu thụ điện năng) dẫn đến sự thay đổi tần số dòng điện,
sự thay đổi này có thể vượt quá giới hạn cho phép
Trang 13Trong quy trình kỹ thuật vận hành lưới điện quy định độ sai lệch tạm thời của tần số điện xoay chiều với giá trị định mức (50H) trong khoảng “È 0,2%
Tân số (hay số chu kỳ biến thiên của dòng điện xoay chiều trong 1 giây) phụ
thuộc vào tốc độ quay của rôto máy phát:
Trong đó:
†- tần số (Hz)
p — số đổi cực của máy phát
n — tốc độ quay của rôto máy phát(vòng /phút)
Do số đôi cực p của máy phát là có định nên tần số f chỉ phụ thuộc vào tốc độ quay n của rôto máy phát, mặt khác phương trình cơ bản đặc trưng cho sự chuyển động của rơto tổ máy có dạng:
Š® =My—Mẹ
Trong đó:
T~ mômen quán tính của rôfo tổ máy ‹œ — vận tốc góc của rôto tổ máy
Mr - mômen của tuabin
Mc ~ mômen cản (phụ thuộc vào phụ tải)
Từ phương trình (1.1) ta nhận thấy trạng thái làm việc của hệ thống có thể mô tả qua 3 phương trình: @® o= const (**) Mr-Mc =0 (**#)
Tương ứng với ba phương trình là ba nguyên lý điều chỉnh tuabin
Theo (*) ta có máy điều tốc theo gia tốc, có nhiệm vụ điều chỉnh gia tốc, sao
0
Trang 14
Theo (**) fa có máy điều tốc theo vận tốc góc œ , có nhiệm vụ theo đối sự thay đổi của vận tốc góc o và tác động sao cho J œ w= const
Theo (***) fa có máy điều tốc mômen, có khả năng theo đối sự thay đổi của
mômen MC để điều chỉnh mômen động lực của tuabin MT, sao cho MT =
MC Điề
này có thể đạt được bằng hai cách:
- — Điều chỉnh MT thông qua việc điều chỉnh lưu lượng qua tuabin sao
cho MT=MC
- — Điều chỉnh MC thông qua việc điều chỉnh tổng mômen cản của phụ tải đải giả), sao cho MC = MT (cách này thường chỉ áp dụng với các trạm có công suất cực nhỏ)
Trong các loại điều tốc kể trên, máy điều tốc hiện đang được sử dụng rộng rãi là loại điều chỉnh dựa trên nguyên lý My = Mc
'Ta nhận thấy, việc duy trì sự cân bằng giữa mômen của tuabin và mômen cản
(My = Mc) cũng sẽ giữ cho vận tốc góc œ là một hằng s6 (@ = const; hay
Mé6men cản MC phụ thuộc vào phụ tải của máy phát điện, còn mômen của tuabin MT được quyết định bởi công suất của tuabin N, giữa MT và N có quan hệ như sau:
Mr=102.N/o hay Mr=.Q.Hno
Trong điều kiện làm việc bình thường với cột áp trong ngày hẳu như không thay đổi, hiệu suất tuabin không đổi, từ (1.2) ta thấy ring mémen MT
Trang 15của tuabin phụ thuộc vào lưu lượng Q Như vậy nhiệm vụ cơ bản của máy điều tốc là làm thay đổi lưu lượng qua tuabin để thay đổi mômen tuabin sao cho bằng mômen cản và giữ cho số vòng quay không đổi
1.12 Nhiệm vụ phân bỗ ping tải khi các tỖ máy làm việc song song
Hầu hết các trạm thủy điện đều có nhiều hơn 1 tổ máy làm việc song song
trong một hệ thống lưới điện chung, điều này đời hỏi phải có sự điều chỉnh sự làm việc sơng song giữa các tuabin cho phù hợp với quy định về tần số dòng điện Đối với các tổ máy làm việc song song, khi thay đổi độ mở của hệ thống cánh hướng đòng sẽ không làm thay đổi số vòng quay của tuabin mà chỉ phân bồ lại phụ tải cho các tổ máy
ooo, N
Hình!.1: Đường đặc tính điều chỉnh của máy điều tốc
Ta nghiên cứu sự làm việc song song của các tuabin dựa trên đường đặc tính của các máy điều tốc Mỗi máy điều tốc đều có một đường đặc tính điều chỉnh, đường đặc tính điều chỉnh, đường đặc tính của máy điều tốc cho ta thấy mới liên hệ giữa số vòng quay của tuabin với phụ tải
n= f(N)
Trang 16Thông thường, đường đặc tính của máy điều tốc có dạng gần như
đường thẳng nằm nghiêng, độ nghiêng phụ thuộc vào phản hỏi Máy điều tốc
có phản hồi mềm thì đường đặc tính điều chỉnh của nó có dạng là một đường nằm ngang (AA), còn đối với máy điều tốc có phản hỏi cứng thì đường đặc tính điều chỉnh của nó là một đường nghiêng (BB), hình 1.1
Máy điều tốc có phản hồi cứng có số vòng quay lúc trước và sau khi kết thúc lều chỉnh không bằng nhau Để đánh giá độ chênh lệch số vòng quay n người ta dùng hệ số sai lệch 8 Hệ số sai lệch ö được xác định theo công thức: 100% Trong đó nmax là số vòng quay không tải, nmỉn là số vòng quay toàn tải và số vòng quay đồng bộ n0 Hay: Để thay đổi hệ số sai lệch ô người ta thường dùng cơ cầu đặc biệt đễ thay
đổi hệ số truyền của phản hỏi (tỷ số truyền của xy lanh lực và thanh truyền) Hiện nay hệ số sai lệch ö cho phép của các máy điều tốc nằm trong khoảng từ
(2+ 6)%
Hình 1.2: Đường đặc tính của máy điều tốc, trường hợp 2 tÔ máy làm việc
song song có hệ số ð khác nhau
Trang 17Ta nghiên cứu sự làm việc song song của 2 tổ máy có hệ số sai lệch ö khác nhau (ô, ¿ ô:), với hai đường đặc tính điều chỉnh được cho trên hình 1.3 Ở
chế
làm việc ổn định, với số vòng quay định mức ứng với đường O,O,, tổ máy 1 có đường đặc tính điều chỉnh A,A,, tổ máy 2 có đường đặc tính điều
chỉnh B,B, Công suất của tổ máy 1 là Nị,công suất của tổ máy 2 là N;
Khi phụ tải tăng, số vòng quay của 2 tổ máy sẽ giảm di
trị An ứng với vị trí đường O2O2 Phụ tải tăng ở tổ máy 1 là AN1 và ở tổ máy 2 là AN2 Máy điều tốc làm việc, thay đổi lưu lượng qua tuabin sao cho MT = MC và đưa số vòng quay của tuabin trở lại số vòng quay định mức, tức là trở lại vị trí đường O1O1 Lúc này đường đặc tính điều chỉnh của hai máy điều tốc trên sẽ trở thành đường A2A2 và B2B2 song song với đường AlAI và BIBI
'Yêu cầu đặt ra là cần xác định công thức tính AN1 và AN2 của tổ máy 1 và tổ máy 2 Xét biểu đồ đối với tổ máy 1 Ta có 2 fam giác (được gạch chéo) là đồng đạng, nên: AM a
Trang 18Khi phụ tải của hệ thống giảm, quá trình diễn ra ngược lại, đường đặc tính điều chỉnh được tịnh tiền xuống phía dưới
i tổ máy sẽ phải gánh thêm Như vậy, khi tải thay đổi, giả sử tải tăng thì m
một phần công suất tỷ lệ nghịch v ố sai lệch của mổi tổ máy, có nghĩa
là tổ máy có hệ số sai lệch ö lớn sẽ chịu sự thay đổi tải nhỏ, tổ máy có hệ số sai lệch ö nhỏ sẽ chịu sự thay đổi tải lớn
Qua sự phân tích trên ta thấy rằng, nếu như đường đặc tính điều chỉnh của các tổ máy không phải là đường nằm nghiêng mà là đường nằm ngang (máy điều tốc có bộ phận phản hỏi mềm) thì sự phân phối phụ tải giữa các tổ máy làm việc song song sẽ không ổn định Do ö1= 82 = 6i =0, ta thay rang ANi 1a một đại lượng vô định, điều đó đồng nghĩa với việc phụ tải mà mỗi tổ máy đảm nhận không phải là một giá trị xác định mà luôn thay đổi
Trong thực tế vận hành, người ta thường sử dụng một tổ máy có đường đặc
tính điều chỉnh nằm ngang (hệ số sai lệch 8 = 0), còn tổ máy 2 có đường đặc tính điều chỉnh là một đường đốc (hệ
tải nhất định Như vậy, phần dao động phụ tải của cả hệ thống AN đều do tổ ai lệch ðz0) sẽ làm việc với một phụ
máy thứ nhất (có ö= 0) đảm nhận, còn tổ máy thứ 2 sẽ làm việc với phụ tải không đổi bằng công suất định mức của nó Từ đó ta rút ra được, trong quá trình vận hành muốn cho một hoặc vài tổ máy làm việc với công suất không, thay đổi thì ta điều chỉnh để cho đường đặc tính điều chỉnh của chúng có độ đốc tương đối lớn, còn đối với các tổ máy được đùng để đảm nhận phần phụ tải thay đổi của hệ thống thì điều chỉnh cho đường đặc tính điều chỉnh của chúng có độ đốc nhỏ hoặc ö = 0
Xét về mặt phụ tải ta có thể cơi các tổ máy có hệ số sai lệch ö z 0 là các tổ
máy làm việc ở phần gốc của biểu đồ phụ tải, còn các tổ máy có hệ số sai
lệch =0 là các tổ máy làm việc ở phần ngọn của biểu đồ phụ tải
Trang 19Hình 1.3: Đường đặc tính điều chỉnh của hai tỖ máy làm việc song song (tỄ máy số 1 làm nhiệm vụ điều tần)
Trang 20J_xylanh thủy lực; 2,3,9,10_cơ cầu thanh truyền phân hội; 4_ đường ống dẫn dầu; 5_ động cơ điên; 6_cơ cầu quả văng; 7_van thủy lực điều khiễn; 8 con trượt điều khiển; 11 hộp giảm lốc; 12 trục vit; 13,14 vít điều chỉnh; 15 thanh truyền; 16_bộ giảm chấn thủy lực; 17,18_
Máy điều tốc là sự tổng hợp của nhiều cơ cấu thiết bị, mỗi một cơ cấu thiết bị
dim nhận một chức năng, cụ thể như:
- Cơ cấu cảm biến và đo lường: nhận biết sai lệch về số vòng quay và sự thay đổi vị trí của cơ cấu điều chỉnh
- Cơ cấu điều chỉnh: bộ phận trực tiếp thay đổi mômen lực chuyển động của tuabin
- Cơ cấu chấp hành: thực hiện sự liên hệ cần thiết giữa cơ cấu cảm biến, đo lường và cơ cầu điều chỉnh, thực hiện việc địch chuyển cơ cầu điều chỉnh đế
vị trí tương ứng với tín hiệu của cơ cấu cảm biến đo lường
- Cơ cấu ôn định: có tác dụng làm tăng tính ổn định và chất lượng của quá trình điều chỉnh
- Cơ cấu phụ trợ: đảm nhận các chức năng như hiệu chỉnh, khống chế độ mở v.v
Trên hình 1.4 là sơ đồ nguyên lý của một máy điều tốc có cơ cấu phản hỏi
mềm
1.2 Nghiễn cứu khảo sát đánh giá nhu cầu thị trường, xác định
đối tượng nghiên cứu
Người ta nhận thấy mặc đù các công trình thủy điện lớn cung cấp điện cho khoảng 20% đân số toàn cầu song nó lại có ảnh hưởng lớn tới thổ nhưỡng,
địa chất, nguồn nước, khí hậu Các hồ chứa của các nhà máy thủy điện ở
các vùng nhiệt đới có thể sản sinh ra một lượng lớn khí methane và carbon dioxide Nguyén nhén của hiện tượng này là do các xác thực vật mới bị lũ quét và các vùng tái bị lũ tràn ngập nước, mục nát trong một môi trường ky
Trang 21khí và tạo thành methane, một khí gây hiệ ứng nhà kính mạnh Methane bay vào khí quyển khi nước được xả từ đập để làm quay tuabin Theo bản báo cáo của Cao ủy thế giới về đập, ở nơi nào đập nước lớn so với công suất phát điện
(it hon 100Watt trên mỗi km” điện tích bề mặt) và không có việc phá rừng
trong vùng được tiến hành trước khi thi công đập nước, khí gas gay hi
nhà kính phát ra tử đập có thể cao hơn những nhà máy nhiệt
thường,
t cái hại nữa của các đập thủy điện lớn là việc tái di
chúng sống trong vùng hỗ chứa Trong nhiều trường hợp không một khoản bởi thường nào có thể bù đắp được sự gắn bó của họ về tổ tiên và văn hóa gắn liền với địa điểm đó vì chúng có giá trị tính thần rất lớn đối với họ Hơn nữa, về mặt lịch sử và văn hóa các địa điểm quan trọng có thể bị biến mắt, như dự án Đập Tam Hiệp ở Trung Quốc, đập Clyde ở New Zealand va dip Ilisu 6 đông nam Thổ Nhĩ Kỳ Một số đự án thủy điện cũng sử dụng các kênh đào, để làm chệch hướng một con sông tới độ đốc ít hơn để tăng cột áp của nhà máy Trong một số trường hợp, toàn bộ con song có thể bị đổi hướng để tro lại đầy dòng sông Ví dụ như song Tekapo va Pukaki (Newzealand) Người ta 1o ngại rằng, nếu con sông được sử dụng làm thủy điện chảy qua nhiều vùng đất khác nhau thì mức độ ảnh hưởng sẽ gia tăng nghiêm trọng tại các vùng đất rộng lớn, thậm chí ảnh hưởng tới nhiều quốc gia Vì thế, các nhà nghiên cứu phát triển thủy điện loại vừa và nhỏ, chỉ cung cấp điện cho một vùng hoặc khu vực nhỏ, vừa không gây hao tồn tài nguyên, nhân lực vừa bảo đảm gìn giữ môi trường sống tốt lành
Do tinh ưu việt của nó, thủy điện vừa và nhỏ đã được rất nhiều nước trên thế giới quan tâm phát triển Ngoài các ưu điểm như vốn đầu tư không lớn, không đòi hỏi phải sử dụng các thiết bị thủy điện quá phúc tạp, không phải xây đựng các hồ chứa nước lớn tiết kiệm được nguồn năng lượng truyền thống thì một ưu điểm nổi trội của loại hình này là Thủy điện vừa và nhỏ ít làm ảnh hưởng đến mỗi trường xung quanh và khả năng tự cung tự cấp điện cho các vùng sâu, vùng xa, ít dan cr
Trang 221.3 Nghiên cứu tổng quan vi
liều tốc điện - thủy lực
hồng
ứng dụng cho các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ
Trong giai đoạn phát triển mới hiện nay của thủy điện vừa và nhỏ, với ving lượng nguồn điện, loại điều tốc điện — thiy Iyc đã trở thành sự lựa chọn ưu xu hướng
+ vài nhà máy nhằm tiêu chuẩn hóa chất
tiên trong thiết kế và thi công các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ Nhất là khi trong các nhà máy thủy điện, các máy điều tốc tuabin được gắn thêm các chức năng mới như điều khiển tự động và bảo vệ an toàn tổ máy Chính nhờ có những ưu điểm vượt trội khi sử dụng kỹ thuật vi xử lý và hệ thống điều khién SCADA (Supervisory Control And Data Acquistion_Diéu khién giám sát và thu thập dữ liệu), các máy điều tốc theo nguyên lý điện - thủy lực đã trở thành sự lựa chọn duy nhất cho các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ ở Nga, Canada, Mỹ v.v Cùng với sự ứng dụng kỹ thuật số trong các hệ thống điều khiển tự động, máy điều tốc điện - thủy lực thực sự là lựa chọn tối ưu cho các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ trong giai đoạn hiện nay
Hiện nay có ba loại điều tốc điện- thủy lực được nghiên cứu và ứng đụng phổ biến trên thế giới
a Logi điều tốc điện -thủy lực ứng đụng Kỹ thuật số với hệ thông diéu khiển số kết nối hệ điều khiển thây lục đùng van fÿ lệ hoặc van Serve.:
Ð Loại điều tốc điện -thủy lực ứng đụng Kỹ thuật số với hệ thông diéu khiển số kết nỗi hệ điều khiển thủy lục đùng động cơ buớc điện điều khiển van tity luc servo hoặc van BẾP lưu
c Loại điều tốc điện —thay tuc ing dung 19 thudt sd với hệ thông diéu khiển số kết nỗi trực tiếp với hệ điều khiển thiy lục đùng van điện thiy on-off
Mô hình bộ điều tốc theo mẫu a có nhiều ưu điểm nỗi trội nhờ ứng dụng
loại van tỷ lệ (hoặc van servo ) tiêu chuẩn hiện đại ,cho phép ứng dụng kết
Trang 23hợp cùng lúc nhiều mô hình điều khiển cho chất lượng cao Tuy nhiên do yêu cầu các chỉ số chuẩn cao trong điều khiển nên giá thành hệ thống thường cao và thường được ứng dụng ở những nước có nền kinh tế phát triển như Mỹ tây Âu v.v
MÔ hình bộ điều tốc theo mẫu b sử đụng loại động cơ bước điện tiêu chuẩn để điều khiển loại van thủy lực phi tiêu chuẩn cho phép hạ đáng kể giá thành khi tích hợp hệ thống Tuy nhiên , đo ảnh hưởng của guán tink dong co bước và tính phi tiêu chuẩn của van thủy lực chuyển đổi , loại điều tốc này không có chất lượng thật cao Mặc dù vậy với gid thành hợp lý và chất lượng chấp nhận được loại điều tốc này đáp từng tôt nhụ câu thực tẾ hiện nay của thị trường trong nước và khu vực Mô hình bộ điều ắc theo mẫu c cũng sử dụng bộ khả trình đa năng PUC di va diéu tiêu chuẩn trong hệ thống điều khiển , tuy nhiên ở đầu ra được kế
khiển trực tiếp hệ thông thủy lực theo ngưỡng và hồn tồn khơng cân các bộ biển đôi D/4 Với mô hình nêu trên , bộ điều tốc này có nhiều tính năng ưu việt và khá phù hợp với điều kiện thị trường Việt nam và khu vực nhờ giá thành hợp lý, chất lượng điều khiễn tương đối cao và đặc biệt có độ tin cậy cao và thuận tiện trong vận hành bảo đưỡng Hơn nữa nhờ sử dụng các phần tử tiêu chuẩn trong hệ thống nên các yêu cầu kỹ thuật rất phù hợp với các nền
kinh tế kỹ thuật còn chưa thật phát triển như VN
Máy điều tốc điện- thủy lực ứng dụng cho nhà máy thủy điện vừa và nhỏ
Hiện nay, máy điều tốc điện thủy lực được sử dụng phổ biến cho các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ tại Việt Nam Qua quá trình vận hành đã khẳng định tính chính xác và ổn định của hệ thống
Mô hình loại điều tốc điện thủy lực dùng động cơ bước điêu khiển van thủy lực servo hoặc van tiệt lưu được mô tả trên hình 1.5
Trang 25CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỒNG DIEU TOC ĐIỆN - THỦY LỰC, ÁP DỤNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐIỀU TỐC CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKSRÔNG
2.1 Các thông số cơ bản của máy điểu tốc tua bin nhà máy thủy
điện Đăksrông
Máy đều tốc kỹ thuật số khả trình than khảo theo mẫu có mã lý hiệu GLYWT-PLC-600/1000/1800/3000/
Công suất của servomofor có thể từ 600Kgf.m đến 3000Kgfm G: dan Gp sudt cao,
L: Van diéu khién légic ky thuat sé
`: Thiết bị thuỷ lực
'WT: Máy điều tốc điều khiển bằng máy tính cá nhân PLC : bộ điều khiển lôgic khả trình
Công suất của servomotor có thể được tính bằng công thức dưới đây : A= (20 —25).Q (Huax DỤ)!” &g£m) A là công suất của servomofor Q là lưu lượng qua tuabin 'H„¿„ là cột áp lớn nhất max
D, là đường kính bánh công tác tuabin
Các thông số kỹ thuật chính của seri máy điều tốc đùng PLC :
« Điệnáp vào: AC200V + 15%; DC200V + 159% hoặc DC110V + 15%
e _ Luật điều khiển: PID song song
© _ MTBE của toàn bộ máy điều tốc > 25 000 giờ
« _ Phương pháp đo tần số : đo độ chênh tần số điện thế (residual voltage frequency measurement)
e — Độ thuyên giảm tốc độ tức thời: b= 1 — 200 % (bước điều chỉnh 19)
Trang 26e — Độ thuyên giảm tốc độ có định : bp = 0 — 10 % (bước điều chỉnh 19)
e _ Hằng số thời gian tích phân: Td= 1 —20s (bước điều chỉnh 1s) e _ Hằng số thời gian tích luỹ: Tn=0 —5s (bước điều chỉnh 0.15)
« Tớchphõn:KI=0.5-10.00 ô ohm: KD=0-5.00
â Dai tan s6 dit: FG = 42.5 —57.5 Hz (bước điều chỉnh 0.01 Hz) © Dải tần số chết: E=0-3.0Hz (bước diéu chinh 0.01 Hz)
e _ Dải công suất chết:¡=0-59%
° Dai công suất đặt: P = 0~- 120%
« — Tầnsốvào:0.3V—110V
e _ Phản hỏi van hướng Ya:0-— 100% (0 —10V)
° Cường độ xung lớn nhất : DC 24V ,2A lều chỉnh: Những sai số của thơng số « _ Sai số đotần số<0.000349% ° Dai chết của tốc độ ổn định tĩnh ix<0.049%, độ phi tuyến lớn nhất 55%
Giá trị giao động tần số khi chạy không tải < + 0.25%
Loại bỏ 259% tải, thời gian chết của Xy lanh servo< 0.2s
° Loại bỏ 100% tải, số lần lớn nhất (N) mà vượt quá 3% tốc độ
định mức trong quá trình quá độ sẽ <2, thời gian điều chỉnh T<40s Các máy điều tóc vi xử lý loại GIYWT-PLC là sự kết hợp cấu trúc gồm có bộ PLC, hệ thống chấp hành thủy cơ và thiết bị thuỷ lực cao áp
Thông số kỹ thuật nhà máy thủy điện Đăksrông: "Tổng công suất của 3 tổ máy : 6MW x 3 = 18MW
'Yêu cầu trang thiết bị thủy lực chính của nhà máy thủy điện : — _ Tuabin thủy lực
Trang 27—_ Vantuabin
— Máy điều tốc
“Trong đó :
TTuabin thủy lực với các thông số :
- _ Kiểu loại : Francistrục đứng buồng xoắn kim loại -_ Cột nước Cột nước lớn nhất (Hạ; ) : 71,5m Cột nước nhỏ nhất(Hzu) : 66,5m Cột nước trung binh (H,) : 68,5m Cột nước tính toán (Hị) : 66,5m - _ Công suất định mức (tính theo Hh) : 6,289MW -_ Số vòng quay định mức : 600v/p -_ Số vòng quay lồng : 1200 víp - _ Đường kính bánh xe công tác (D.): 11m -_ Hiệu mất tại Hạ 91,6% -_ Lưu lượng Q qua tuabin tại Hạ 9.92mŸ⁄s -_ Chiều cao hút Hy 00m -_ Trọng lượng tuabin : 5,6 tấn
- Ông hút cia tuabin dang loe cong,chiéu cao budng hút h =
2,75m (=2,5 D,),chiều dài l = 4,95m(—41,5.D,),chiều rộng thoát nước
cửa ra B=3,2m
- _ Buổng xoắn của tuabin bằng kim loại,góc ôm 3601
Trang 28-_ Đường kính Dụ =1,óm
-_ Áp lực làm việc : 80mH;O
- _ Phương thức tác động : tự động tại chỗ hoặc từ xa
- _ Áp lực dầu của thiết bị thủy lực din động : p = 2,4MPa -_ Trọng lượng van: 5,4 tấn - _ Trọng lượng thiết bị thủy lực dẫn động :2 tấn Máy điều tốc : -_ Kiểu loại : Điện - Thủy lực -_ Phương thức điều chỉnh : tự động -_ Năng lực điều chỉnh: A =3000kGm - _ Thời gian đóng mở : T,= (2~6)s - _ Trọng lượng (kể cả bộ nguồn và bình tích năng) : 03 tấn Máy phát điện : - _ Kiễu loại : máy phát đồng bộ ,trục đứng 3 pha - _ Công suất định mức : 6,0 MW - _ Công suất toàn phân : 7,5 MVA -_ Hệ số cos@: 0,8 -_ Điện áp định mức : 6,3 KV - _ Tần số đòng điện : 50Hz - _ Vòng quay định mức : 600v/p - Hiéu suất: 95% - _ Trọng lượng toàn bộ : 59 tấn -_ Khối lượng rotor : 26 tan
- _ Hệ thống làm mát máy phát bằng không khí cưỡng bức chu trình kín
- Không khí được làm nguội bởi các bộ làm nguội bằng nước phân bồ xung quanh ham Stator
- _ Hệ thống phanh hãm điều khiển bằng điện cơ cấu hãm bằng cơ khí thao tác bằng áp lực khí nén
Trang 29- _ Hệ thống phòng cháy : kiểu phun nước - _ Hệ thống kích thích tĩnh : thyristor Dé tich hợp bộ lều tốc kỹ thuật số đáp ứng yêu cầu hiện đại hóa trong
vận hành cũng như quản lý các nhà máy thủy điện vửa và nhỏ nói riêng cũng như cho nhà máy thủ điện Đaksrong nói riêng , có thể có nhiều phương án
at kế Tuy nhiên qua nghiên cứu phân tích các mô hình thiết kế của các
mẫu đang sử dụng trên thể giới và ở Việt nam cho các nhà máy thủy điện vừa ặc trưng sau đây:
và nhỏ „ ta có thể phân ra một số loại
vừa và nhỏ
2.2 Các loại máy điều tốc dùng cho tổ máy thủy
Hiện nay máy điều tốc điện thủy lực dung trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ phổ biến trên thế giới thường là các loại điều tốc sau:
œ Loại điễu tốc điện -thây lực ứng dụng kf thuật số với hệ thông điều khiển số kết nối hệ điều khiển thủy lực dùng van Ø 12 hode van servo.:
b Loại điễu tốc điện -thây lực ứng đụng Kỹ thuật số với hệ thông điều khiển số kết nối hệ điều khiển thủy lực dùng động cơ bước điện điễu khiển
van thấy lực servo hoặc van tiết leu
e,Loại điều tốc điện -thây lực ứng đụng Kỹ thuật số với hệ thông điều khiển số kết nói trực tiếp với hệ điều khiển thủy lực dùng van điện thủy on-ofƑ
kết hợp bộ khả trình PLƠ
MG kink bộ điều tốc theo mẫu a : Loại có nhiều ưu điểm nỗi trội nhờ ứng dụng loại van tỷ lệ (hoặc van servo ) tiêu chuẩn hiện đãi ,cho phép ứng dụng kết hợp cùng lúc nhiều mô hình điều khiển cho chất lượng cao Tuy nhiên do yêu cầu các chỉ số chuẩn cao trong điều khiển nên giá thành hệ thống thường cao và thường được ứng đụng ở những nước có nền kinh tế phát triển như Mỹ,tây Âu „v.v
.Mô hình bộ điều tốc theo mẫu b.Loại này sử dụng loại động cơ bước điện tiêu chuẩn để điều khiển loại van thủy lực phi tiêu chuẩn cho phép hạ đáng kể giá thành khi tích hợp hệ thống Tuy nhiên , do ảnh hưởng của guán:
Trang 30tính động cơ bước và tính phi tiêu chuẩn của van thủy lực chuyển đổi loại
điều tốc này tuy có chất lượng thật cao nhưng chỉ tối ưu khi ứng ụng cho các
tổ máy có công suất đưới 3MW
dù vậy với giá thành hợp lý và chất lượng chấp nhận được loại điều tốc này đáp ứng tôt nhụ câu thực tế hiện nay của thị trường trong nước và khu vực
Mô hình bộ điều tắc theo mẫu c Loại này cũng sử đụng bộ khả trình đa năng PLC tiêu chuẩn trong hệ thống điều khiển , tuy nhiên ở đầu ra được kết nói và diéu khién trực tiếp hệ thông thấy lực theo ngưỡng và hồn tồn khơng cân các bộ biển ddi D/A Với mô hình nêu trên , bộ điều tốc này có nhiều tính năng ưu việt và khá phù hợp với điều kiện thị trường Việt nam và khu vực nhờ giá thành hợp lý, chất lượng điều khiển tương đối cao và đặc biệt có độ tin cậy cao và thuận tiện trong vận hành bảo dưỡng Hơn nữa nhờ sử dụng các phần tử tiêu chuẩn trong hệ thống nên các yêu cầu kỹ thuật rất phù hợp với các nền kinh tế kỹ thuật còn chưa thật phát triển như VN
Sau khi nghiên cứu các mô hình bộ điều tốc điện thủy lực ứng dụng kỹ thuật số với bộ khả trình tiêu chuẩn PLC, ta có thể thấy rằng mô hình bộ điều tốc kỹ thuật số điều khiển dung động cơ bước và bộ điều tốc điều khiển theo theo ngưỡng là mô hình có nhiều ưu điểm phù hợp yêu cẩu thực tế
khiển theo ngưỡng — Mô hình điều tốc cho nhà máy thủy điện Đaksrông Thuyết tmừnh nguyên lý sơ đỗ hệ thống điều khiển :
a Bộ diều tắc tr động với van (ÿ lỆ Kỹ thuật số ( hoẶc van servo)
Trang 31- Pee ere ae th TU MƠHÌNHL He THONG MAY DIEU TOC Ven VAN ‘SERVO 8 VAN TỲ LỆ
Hình 2.1 Nhà máy thấy điện lắp máy điều tốc với van điều khiễn tỷ lệ
Loại có nhiều ưu điểm nỗi trội nhờ ứng dụng loại van tỷ lệ (hoặc van servo ) tiêu chuẩn hiện đai ,cho phép ứng dụng kết hợp cùng lúc nhiều mô hình điều khiển cho chất lượng cao Tuy nhiên do yêu cầu các chỉ số chuẩn cao trong điều khiển nên giá thành hệ thống thường cao và thường được ứng đụng ở những nước có nền kinh tế phát triển như Mỹ,tây Âu v.v
ø Bộ điều tốc điện thủy lực kỹ thuật số đùng động cơ bước :
Một trong những bộ điều tốc ứng dụng kỹ thuật số ,đó là bộ điều tốc điện thủy lực đùng động cơ bước điện Loại điều tốc này có ưu điểm là kết cấu đơn giản ,công nghệ phù hợp với điều kiện kinh tế nước ta
Nguyên lý hoạt động của loại điều tốc này như sau: Tín hiệu sai lệch tần số máy phát được đưa vào điều khiển động cơ bước 1.Bằng cơ cấu cam động cơ bước địch chuyển van servo điều khiển xylanh đóng mở cánh hướng Vị trí của cánh hướng tuabin được xác định nhờ hệ thống cơ cấu phản hồi cơ khí Còn vị trí của trục động cơ bước được xác định nhờ hệ phản hỏi điện từ
trục ra động cơ bước Để can thiệp tới cánh hướng bằng tay,trong hệ thống
Trang 32máy điều tốc có một tay quay nhỏ cho phép địch chuyển trực tiếp cam tác
động nhờ vậy có thể đống mở cánh hướng bằng tay.(Tuy nhiên đòi hỏi thống thủy lực phải hoạt động được) _=— me i
Hinh 2.2: May điều tốc điện thấy lực kĩ thuật số dùng động cơ bước
Với nhiều ưu điểm , loại máy điều tốc điện thủy lực này cũng có phẩn hạn chế khi sử dụng cho các tổ máy công suất lớn do ảnh hưởng của các thông số liên quan đến quán tính.Mặc đù vậy loại này rất phù hợp với các tổ máy công,
suất đến 2MW
© Bộ điều tốc kỹ thuật số điều khiển theo ngưỡng sử dụng bộ Khả trình tiêu chuẩn PLC cho phép ứng dụng nhiều phương pháp điều khiển để cho chất lượng cao( điều khiển vòng lặp PID,điều khiển mờ , điều khiển tối ưu v.v Để điều khiển cánh hướng tuabin thủy lực bằng động cơ chấp hanh xylanh servo rong hệ thống sử dụngk một van thủy lực đảo chiều với
tín hiệu điều khiển X & Y được cấp đến từ van 8 và 3 Van 4 đảm bảo hai
Trang 33chế độ điều chỉnh tùy theo ngưỡng điều khiển đặt ra.Van 7 cho phép hệ thống vận hành khi sự có cần đóng nhanh cánh hướng tuabin
Hình 2.3: Sơ đồ hệ thông điêu khiẩn thủy lực bộ điều tắc kỹ thuật số điều
Cơ cấu chấp hành quan trọng nhất của bộ điều tốc kỹ thuật số là động cơ servo thuỷ lực, số 9 trên hình 2.3 Động cơ servo thuỷ lực này tác động lên cánh tay đòn làm quay cánh hướng của turbin
- Các thiết bị của hệ thống thuỷ lực như bơm đầu thuỷ lực, các van phân phối, đảo chiều thuỷ lực, sẽ là đối tượng tác động, hay cơ cấu chấp hành
của thiết bị điều khiển điện, kỹ thuật số Các van thuỷ lực từ 2-8, mô tả trên
HI được tích hợp thành hệ thống gợi là hệ điều khién thủy lực
- Phần thiết bị điều khiển, hạt nhân là bộ điều khiển khả trình PLC, ta có
thể căn cứ vào các yêu cầu cụ thể về thiết bị thuỷ lực, yêu cầu chất lượng
điều khiển và phương pháp điều khiển sẽ được áp dụng để lựa chọn loại PLC phù hợp
Trang 34Hình 2.4: So dé điễu khiển thuỷ lực của bộ điều tốc kỹ thuật số Lọc đầu Van duy trì thuỷ lực Van mé (ON) Van tiết lưu thuỷ lực Van điều chỉnh tốc độ
Van điều khiển động cơ servo Van solenoid đóng nhanh Van déng (OFF) Động cơ servo thuỷ lực èu khiển
2 2.1 Bộ điều tốc kỹ thuật số dùng bộ khả trình PLC tiêu chuẩn
Cơng suất cđa động cơ servo thuy lire có thé tính theo công thức sau, [2]:
4=(20+300Q/ƒH,„Ð, - (Egfm)
Trong đó: A- Công suất của động cơ servo thuỷ lực Q-Lưu lượng tính toán của tổ máy
H„„„- Chiều cao lớn nhất của cột nước
D¡-Đường kính của bánh turbin
Trang 362.2.2 Sơ đồ cầu trúc của bộ điểu tốc kỹ thuật số
Tại sơ đỗ cấu trúc hình 2 mạch vòng điều chỉnh chính được sử dụng là mạch điều chỉnh lặp PID, với thuật toán lặp như sau:
Ÿ = K›Aƒ + K,Aƒ dt + K, dA idt
l=Af, tia
Af, = Kj[AW ~ Aý,¡ }+ K,|Af, ~àp|f, #y | K2|A, ~ 2/2 +A/, ]
Trong đó: K; = Œ„ +7„)/(T„); K, = 1/QtT2); Kp = Tạ lồi
Các hằng số điều chỉnh:
- "Tóc độ trượt tạm thời: »¿ = 0 = 200% (bước điều chỉnh 1%) - "Tốc độ trượt lâu dài: ¿p= 0~10% (bước điều chỉnh 1%)
- Hằng số tích phân: 7, =0 20s (bước điều chỉnh 1s) Hằng số thời gian tích luỹ: 7, = 0 5z (bước điều chỉnh 0,15)
3.2.3 Sơ đỗ khối chương trình điều khiển điều tốc
Trong sơ đỏ khối chương trình chính điều khiển điều tốc tại hình 3, chúng ta có các chương trình điều khiển đặc thù tương ứng với các chế độ vận hành như: chế độ bằng tay (Manual), chế độ chờ khi các tín hiệu đầu vào sin sing (Standby), chế độ khởi động hệ thống không tải (No_Load), chế độ hoà lưới và chạy có tải (Load) Đặc biệt trong chương trình điều khiển điều tốc là chương trình điều khiển thích ứng khi mất tín hiệu phản hồi vị trí cánh hướng Cũng như chương trình điều khiển các hệ thống điều khiển nói chung, khi khỏi động hệ thống sẽ phải nạp các giá trị đầu vào và xác lập trạng thái các tín hiệu đầu ra
Chương trình con trên hình 4 sẽ được chạy song song với chương trình chính Nó sẽ đảm bảo chế độ vận hành tự động khởi động và điều khiển hệ thống, điều tốc từ Khi bắt đầu đến khi hệ thống hoà đồng bộ, đưa vào vận hành và điều chỉnh khi tải thay đổi trong quá trình làm việc
2.2.4 Nguyên {ý hoạt động của máy điều tốc Kỹ thuật số điểu khiển theo
ngưỡng
Trang 37điều khiển khả trình PLC sẽ
Khi có tín hiệu sai lệch tần số máy phát
tiếp nhận và xử lý Tín hiều điều khiển được cấp đến tổ hợp van omoff làm
chức năng đống mở van chính Các bộ phận chính của máy điều tốc: 1) Van đề cầu điều khiễn bằng điện từ
Đây là một loại van thủy lực dạng công tắc đóng ngắt ON-OEE, sử dụng để điều khiển hướng chảy của dòng chất lỏng và điều khiển lưu lượng
bằng cách chuyển đổi vị trí đóng ngắt Trong chế độ làm việc tự động, van này được điều khiển bằng các tín hiệu điện dạng xung điện, trong chế độ bằng tay, nó được điều khiển bằng nút bấm So sánh với các loại van servo thông thường, loại van này là loại van có độ chờm dương, thời gian đóng
ngắt nhanh, tần số phản ứng cao
2) Van đừng sự cố điều khiển bằng điện tir
Van này là loại van phân phối 4WE điều khiển bằng điện từ Nếu máy điều tốc làm việc bình thường, không cần điện nạp điện vào cuộn từ điều khiển Van có thể điều khiển được từ xa với các phương thức khác nhau, ngắt khẩn cấp cục bộ có thể được thực hiện bằng tay
3) Van tháo lắp nhanh
1à loại van làm việc với áp suất cao, có tổn thất áp suất tháp, có thông, lượng lớn và không có hiện tượng va đập thuỷ lực trong loại van này
4) Van điều khiển servomofor
Khởi động nhanh nhất và dừng nhanh nhất servomotor có thể được thực hiện được một cách đễ dàng nhờ điều chỉnh núm chỉnh của van xoay 3) Bộ lọc lắp trên đường cao áp
Đây là loại bộ lọc hiệu quả, phản tử lọc được làm từ sợi thủy tinh với độ chính xác cao, lưu lượng qua lớn, tổn thất áp suất nhỏ, khả năng chặn giữ chất bẩn lớn Trong quả trình làm việc, nếu phần tử lọc bị bẩn tới một giới hạn nhất định, sẽ có tín hiệu cảnh báo để rửa phần tử lọc hoặc thay thé dé bảo vệ hệ thống
6) Servomofor chính
Trang 38Tác động của Servomotor chính được điều khiển bởi một van xoay đạng cầu để đóng mở cánh hướng
7) Thiết bị ngắt hoạt động theo bước
Thiết bị này gồm có van điều khiển theo bước và một van phân phối điều khiển điện do chỉnh theo trang th: 8) Xen-sơ đo hành trình í cánh hướng đóng mở; van nay có thể được điều
àm việc hiện tại của nhà máy
Hành trình của servomotor được quyết định bởi góc quay dàn quay cánh hướng của tổ máy Đầu ra tương ứng của toàn bộ hành trình servomotor được đo bằng một biến điện có độ chính xác cao với điện thế 0 — 10 V DC Sự hiệu chỉnh có thể được thực hiện dễ dàng bằng dây cáp thép nối với cần kéo dài của servomotor
9) Cụm van phân phối khẩn cấp
Cụm van này được lấp từ các phần tử thuỷ lực tiêu chuẩn và các mô đun tích hợp, bao gồm một van phân phối điều khiển bằng điện từ, một van
dầu và một van sự cổ ngắt bởi cữ hạn chế tốc độ quay lồng thông thường Nguyên lí hoạt động
Hệ thống thủy lực sử dụng mạch dầu kép để điều khiếng làm việc của servomotor và servomofor thường có bể đầu ding kín có áp (chú ý: servomofor với bar sử dụng bễ đầu dạng kín và servomotor không có bar sử dụng bể đầu đạng hở) Trong chế độ làm việc bình thường, máy vi tính sẽ lựa chọn mạch thuỷ lực tương ứng để điều khiển tuỳ theo phương thức điều
khiển
Có 5 chế độ hoạt động trong tình huống dừng khẩn cấp cuộn từ 4 xả áp
suất dầu:
() Chế độ hoạt động của van dừng chậm : khi servomotor được điều chỉnh từ từ, van đừng chậm 8 được điều khiển bởi tín hiệu ra và dịch chuyển sang bên trái, xi lanh servo sẽ đóng khoang dẫu chính, đây và làm cho xỉ lanh
Trang 39servormotor sẽ tiến và mở đường dau qua van tiết lưu dẫn dầu sẽ hổi về bể qua van 6 Nếu ngắt tín hiệu điều khiển van 6 thì xi lanh servo sẽ dừng lại
Hình 2.6: So dé điễu khiển thuỷ lực của bộ điều tốc kỹ thuật số Lọc đầu Van duy trì thuỷ lực Van mé (ON) Van tiết lưu thuỷ lực Van điều chỉnh tốc độ
Van điều khiển động cơ servo Van solenoid đóng nhanh Van déng (OFF) Động cơ servo thuỷ lực èu khiển
đi) Chế độ khởi động chậm bằng van (2): khi van khởi động chậm 2 nhận tín hiệu điều khiển, van một chiều sẽ mở, van cầu khởi động chậm số 6 sẽ địch chuyển sang trái kết nói khoang của xilanh servo với áp suất đầu P qua van đừng khẩn cấp điều khiển bằng điện từ (4), van câu khởi động chậm , van 6 và van tiết lưu 4 Servomotor day và sẽ đóng buồng của servomotor nối với áp suất nguồn P Nếu ngắt tín hiệu điều khiển của van 6 thì servomofor sẽ đừng lại
đii) Chế độ đừng nhanh: Nếu như xi lanh servo cần hành trình lớn thì mở van đóng nhanh (7) bằng tín hiệu bên ngoài để van địch chuyển sang trái, xả dâu hối qua van 6 thẳng về bễ thông khoang của xỉ lanh trực tiếp với bể, khi servomotor đóng thì đầu sẽ về bể Khi ngắt tín hiệu đi èu khiển van 3 mat
Trang 40thì van cầu lại địch chuyển sang bên phải, khi đó thông đường dầu điều khiển để ngắt đường dầu từ khoang xi lanh hỏi về bể làm cho servomotor đừng lại
Van đừng khẩn cấp số 4 sẽ làm việc cắt đường đầu P bằng tín hiệu tự động hoặc bằng tay, điều khiển van 11 và nối
buồng của xilanh servo với bể dầu Xy lanh servo sẽ đóng ở chế độ khẩn cấp
2.3 Các phần mềm tính toán thủy lực và điều khiển tự động máy
điền tốc
— thủy lực
Automation Studio là một công cụ phần mềm thiết kế, trình diễn và mô
phỏng để tạo ra các quá trình tự động công nghiệp, cụ thể là thực hiện hướng din va kiểm tra các yêu cầu Những phân xưởng được ghép với các phản mềm tương thích đựoc sử đụng rộng rãi trong công nghiệp mới nhất có thé Các mô phỏng làm từ Automation Studio là một công cụ hữu hiệu cho chứng chỉ của quá trình tự động và chương trình tự động
Trong môi trường làm việc của Automatiơn Studio, tồn bộ cơng cụ thết
kế đều được sử dụng Chương trình chính có hai hệ thống: một trình soạn thảo sơ đồ và một bộ quản lý thiết kế Trình soạn thảo sơ đồ cho phép người sử dụng soạn thảo và mô phỏng sơ đồ và đưa ra báo cáo, trong khi bộ quản lý thiết kế sử dụng tập quản lý và các tầng của toàn bộ tải liệu được kết nối với một trình mô phỏng
Hai hệ thống đó tương tác với workshop bạn sử dụng Các workshop này được kết nối với chương trình chính và cung cấp thư viện các phần tử được sử dụng để tạo ra các sơ đỗ cho bản thiết kế của bạn
Automation Studio cho phép ban tạo hỗ sơ cho bản thiết kế của bạn
Bạn có thể in sơ đồ của bạn theo hàng đọc với các danh mục khác nhau và báo cáo sự kết hợp giữa chúng để cho thời gian lắp ráp
Automation Studio là 1 phần mềm công cụ để thiết kế,tính tốn và mơ
phỏng.Nó được tạo ra dành cho lĩnh vực Tự động hóa trong Công nghiệp,đặc
biệt dùng để thực thi thiết kế và kiểm tra các điều kiện cần thiết