Bài giảng Công trình trạm thủy điện

10/5/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN THỦY ĐIỆN VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO CƠNG TRÌNH TRẠM THỦY ĐIỆN NỘI DUNG MƠN HỌC • Chương I: Nhà máy thủy điện • Chương II: Cơng trình lấy nước dẫn nước trạm thủy điện • Chương III: Nước va tháp điều áp 10/5/2022 CHƯƠNG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN BÀI 1.1 CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 10/5/2022 1.1.1 CẤU TẠO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN Khái niệm nhà máy thủy điện • Khái niệm NMTĐ? + NMTĐ xưởng sản xuất điện có bố trí thiết bị thủy điện • Cấu tạo nhà máy + Kết cấu phần nước + Kết cấu phần nước 1.1.1 CẤU TẠO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN Cấu tạo phần nước • Đặc điểm  Kết cấu bê tông cốt thép lớn: đáy, tường thượng, hạ lưu  Kết cấu phức tạp  Khối lượng bê tơng lớn • Thành phần kết cấu  Tầng máy phát  Tầng tuốc bin  Tầng ống hút  Các phòng chức năng, hành lang chuyên dụng 10/5/2022 1.1.1 CẤU TẠO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN • Các thiết bị bố trí phần nước  Máy phát điện  Tuốc bin (buồng xoắn, BXCT, cánh hướng,…)  Ống hút  Các thiết bị phụ: máy điều tốc, thùng dầu áp lực, máy nén khí… 1.1.1 CẤU TẠO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN Cấu tạo phần nước • Đặc điểm  Kết cấu giống nhà máy công nghiệp, nhà xưởng  Các thiết bị máy phát điện, tủ điện, cầu trục đặt nhà, tránh tác động thời tiết  Kết cấu khung dầm đỡ cầu trục: cột BTCT cột thép định hình • Thành phần kết cấu  Gian máy  Sàn lắp ráp-sửa chữa  Kết cấu khung nhà máy 10/5/2022 1.1.1 CẤU TẠO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN • Mặt nhà máy  Sàn nhà máy: chứa thiết bị chính, tổ máy  Sàn lắp ráp-sửa chữa: sàn để thiết bị trình lắp ráp sửa chữa  Phòng điều khiển trung tâm  Các phòng chức 1.1.1 CẤU TẠO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN • Bố trí sàn lắp ráp – sửa chữa 1- Đường ray 8- tổ máy gần SLR 2- Hố MBA 9- Máy kích từ 3- BXCT 1’- khớp lún 4- Ổ trục 2’- phạm vi cầu trục 5- Rô to 3’- thao tác cầu trục kép 6- Giá chữ thập máy phát 7- Nắp đậy tuabin 10/5/2022 1.1.1 CẤU TẠO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN • Các phịng chức  Các phòng thao tác vận hành: phòng điều khiển trung tâm, phịng trực ban, phịng thơng tin, phịng axit, phịng acquy  Phịng sản xuất: xưởng khí, xưởng thiết bị điện; phòng đặt máy cấp dầu, máy bơm, máy nén khí  Phịng ĐKTT bố trí gần gian máy trung tâm đầu não nhà máy; vận hành hoạt động cho nhà máy  Các phòng phụ tùy thuộc vị trí thiết bị cung cấp để bố trí phịng hợp lý 1.1.2 CÁC THIẾT BỊ BỐ TRÍ TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN Phân loại thiết bị nhà máy • Thiết bị động lực  Tuốc bin; máy phát điện • Các hệ thống thiết bị phụ  HT dầu; HT khí nén; HT cấp nước kỹ thuật; HT tháo nước; HT đo lường • Hệ thống thiết bị khí  Cầu trục; van tuốc bin; van hạ lưu; thiết bị nâng • Hệ thống thiết bị điện  Máy biến áp chính; trạm phân phối điện cao áp; TPP điện áp thấp • Hệ thống đo lường điều khiển  Phòng điều khiển trung tâm; thiết bị đo; máy tính 10/5/2022 1.1.2 CÁC THIẾT BỊ BỐ TRÍ TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN Máy phát điện • Đặc điểm  Máy phát điện đồng pha  Dòng điện chiều sinh từ trường cực từ Roto, sinh dòng điện xoay chiều Stato  Tốc độ quay thấp (trục đứng)  Trục đứng: kiểu treo kiểu ô, tuốc bin công suất lớn  Trục ngang: tuốc bin công suất nhỏ, tốc độ quay cao 1.1.2 CÁC THIẾT BỊ BỐ TRÍ TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN • Thơng số  Cơng suất  Cơng suất tồn phần: S [ kVA]  Công suất hữu công (Công suất tác dụng): N [kW] N= Scos  Công suất vô công: P [var] P= S sin  cos=0.80.9 hệ số công suất  Điện áp: 3,15; 6,3; 10,5; 13,8; 15,75; 18; 20; 21; 24 kV Công suất máy phát N15MW U=6,3kV N 70MW U=10,5kV N>70MW U=18kV S, MVA 125 126360 >360 cos 0,8 0,85 0,9  Số vòng quay: n [v/ph] + f- tần số dòng điện, Hz n 60 f 2p + 2p- số đôi cực roto máy phát điện  Hiệu suất:  =0,950,98  Mômen đà: GD2 [T.m2] GD  2, Di2lai  Kích thước: Di, la (đường kính chiều cao Roto) 10/5/2022 1.1.2 CÁC THIẾT BỊ BỐ TRÍ TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN • Cấu tạo máy phát trục đứng  Roto: phận quay máy phát gắn cực từ với cuộn dây sử dụng điện chiều  Stato: phần cố định gồm cuộn dây  Trục quay: nối với trục tuốc bin  Ổ trục: ổ chính; ổ hướng  Giá đỡ: giá chữ thập trên; giá chữ thập  Các hệ thống phụ máy phát: hệ thống kích từ; HT làm mát cứu hỏa; HT phanh hãm 1.1.2 CÁC THIẾT BỊ BỐ TRÍ TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN • Phân loại máy phát trục đứng  Nếu Di/la 5, máy phát kiểu ô  Nếu  Di/la  n 150 v/ph, máy phát kiểu treo n (0.40 - 0.50)m (0.10 - 0.12)Di (0.25 - 0.30)Dg (0.40 - 0.50 )m (0.15 - 0.20)Di (1.40 - 1.50)Di 1.1.2 CÁC THIẾT BỊ BỐ TRÍ TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN • Chọn máy phát điện  Cơng suất lắp máy: Nlm  Công suất máy phát: Na = Nlm /z z- số tổ máy  Số vòng quay: n(vòng/phút)  Bảng tra máy phát: n= [n]; Na= [Na]  (5-10)%  Hiệu chỉnh: chọn Di = [Di] la  la  Na  Na  + Chọn la theo chuẩn: 40; 80; 100; 110; 130; 140; 150; 175; 190; 210; 230; 250; 275cm + Di thỏa mãn điều kiện lắp đặt máy phát Di  Dg + 0.6m + Dg  Db – đường kính giếng tuabin 10/5/2022 1.1.2 CÁC THIẾT BỊ BỐ TRÍ TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN Hệ thống thiết bị phụ • Mục đích yêu cầu  Đảm bảo chế độ vận hành bình thường tổ máy  TBP điện bố trí tầng máy phát bên nhà máy  Phía bên bố trí hệ thống dầu, khí nén, cấp nước  Lắp đặt TBP phải đảm bảo thao tác an toàn, dễ dàng thuận lợi cho việc kiểm tra bảo dưỡng  Thi công lắp đặt không ảnh hưởng đến vận hành cỏc thit b chớnh phòng hoá nghiệm dầu kho dầu bôi trơn 8*3 8*3 8*3 15*3 25*3 8*3 1.1.2 CC THIẾT BỊ BỐ TRÍ TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN • Hệ thống dầu  Cung cấp dầu tuốc bin (dung để bôi trơn ổ trục truyền động thủy lực) dầu cách điện MBA  HTD bao gồm thùng chứa dầu, đường ống dẫn dầu  Các thiết bị bơm dầu, lọc dầu, tái sinh dầu  Tổng lượng dầu trữ đảm bảo 110% dầu cho tổ máy, 110% dầu cho MBA đủ cho 45 ngày vận hành  Lượng dầu bổ sung hàng năm từ 4-10% § Õ n th ï n g d ầ u cách đ iện 18 16 17 14 10 14 9 T õ th ùn g dầ u b ô i trơ n 18 § Õ n th ï n g d ầu b ô i trơ n 20 10 21 15 13 19 12 a) T õ th ïn g dầ u c ác h đ iện 7 4 17 18 10 10 B m d ầ u từ B X C T b) B m d ầ u từ B X C T 10 10/5/2022 2.3.3 TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA BAL • Xác định h + Xác định từ PT cân nước QT cT h Ts  s bk 2 QT c  gh h  k cbk Trong đó: + Ts - thời gian tăng tải tổ máy, s + c – vận tốc truyền sóng giảm áp 2.3.3 TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA BAL c) Xác định mực nước lớn bể áp lực max • Tổ hợp tính tốn: cắt tải tồn n tổ máy làm việc bình thường  Mực nước ổn định tràn: max = tr + htrmax htr max  2/3 nQT mB g  Mực nước sóng tăng áp max = MNDBTb + h’ + h’ – chiều cao sóng tăng áp, m + Xác định từ PTCB nước QT nQT nc ' Ts h ' Ts  bk h '  c ' b k 2 c '  ghk  vk 69 10/5/2022 2.3.3 TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA BAL Xác định cao trình, kích thước BAL a) Các cao trình • Cao trình ngưỡng cửa nhận nước, ng ng = MNDBTb – hk • Cao trình đáy bể, b b = ng – (0,51)m • Cao trình đỉnh thành bể, đ đ = max + hs +  Trong đó: + max – mực nước lớn BAL, m + hs - chiều cao sóng gió, m +  - chiều cao an toàn lấy theo cấp Q:  = 0,20,25m với Q< 30 m3/s  = 0,30,4m với Q= 30 100 m3/s b) Kích thước bể • Chiều dài khoang trước, L L = 5*(H-h) + Trong đó: + H – chiều cao tính từ đỉnh tường đến đáy bể, m + h – chiều sâu nước kênh • Góc đoạn thay đổi từ kênh sang bể từ 100 120 • Chiều rộng bể, Bb Bb = n(bk + d) Trong đó: + bk – chiều rộng khoang, m + d – chiều dày trụ pin, m  = 0,40,5m với Q> 100 m3/s 2.3.3 TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA BAL Ví dụ: TTĐ1 có đường tuyến lượng không áp (kênh, bể áp lực, đường ông áp lực) + Kênh dẫn kênh không tự điều tiết, lưu lượng thiết kế kênh dẫn Qtk = m3/s, + Bể áp lực có chiều rộng B = m, + Cao trình đáy bể áp lực ng = 100m, + Mực nước dâng bình thường bể áp lực MNDBTBAL = 105m, + Tràn xả thừa bể áp lực có chiều rộng Btr = 10m, hệ số lưu lượng m = 0.35, cao trình ngưỡng tràn tr = 105m, + Số tổ máy z = Yêu cầu: Hãy xác định mực nước cao thấp bể áp lực 70 10/5/2022 BÀI 2.4 ĐƯỜNG ỐNG ÁP LỰC 2.4.1 PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO ĐƯỜNG ỐNG ÁP LỰC Khái niệm • Cơng trình dẫn nước có áp TTĐ đường hầm đường ống dẫn nước có áp dẫn nước từ hồ chứa từ BAL hay TĐA đến tuabin để tạo thành toàn phần lớn cột nước cho TTĐ 71 10/5/2022 2.4.1 PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO ĐƯỜNG ỐNG ÁP LỰC Phân loại a) Theo cột nước + Cột nước cao H>80m + Cột nước trung bình H=20-80m + Cột nước thấp H 3D Tuyến ống đặt thấp đường đo áp thấp từ 23m Đảm bảo điều kiện ổn định + Ổn định mái + Ổn định thân đường ống + Ổn định mố 72 10/5/2022 2.4.2 TUYẾN ĐƯỜNG ỐNG VÀ PHƯƠNG THỨC BỐ TRÍ Phương thức cấp nước a) Cấp nước độc lập • Sơ đồ: • Đặc điểm: đường ống cấp nước cho tổ máy • Ưu điểm: + Cấu tạo đơn giản + Vận hành đơn giản + Tổn thất cột nước + Khơng cần van Tuabin • Nhược điểm: + Tốn vật liệu làm ống nên vốn đầu tư K tăng • Ứng dụng: TTĐ kiểu đập, chiều dài đường ống ngắn, lưu lượng lớn, số tổ máy 2.4.2 TUYẾN ĐƯỜNG ỐNG VÀ PHƯƠNG THỨC BỐ TRÍ b) Cấp nước phân nhóm • Sơ đồ: • Đặc điểm: đường ống cấp nước cho nhóm ổ máy • Ưu điểm: Tiết kiệm vật liệu làm ống • Nhược điểm: + Cấu tạo phức tạp + Tổn thất thủy lực lớn + Vận hành phức tạp + Phải có van tuabin • Ứng dụng: L tương đối dài, Q tương đối lớn, tổ máy nhiều 73 10/5/2022 2.4.2 TUYẾN ĐƯỜNG ỐNG VÀ PHƯƠNG THỨC BỐ TRÍ c) Cấp nước liên hợp • Sơ đồ: • Đặc điểm: dùng đường ống cấp nước cho tất tổ máy • Ưu điểm: Tiết kiệm vật liệu • Nhược điểm: kiểu cấp nước phân nhóm • Ứng dụng: L dài, Q nhỏ, số tổ máy (Z=2-4) 2.4.2 TUYẾN ĐƯỜNG ỐNG VÀ PHƯƠNG THỨC BỐ TRÍ Phương thức dẫn nước vào nhà máy a) Trục đường ống vng góc với trục nhà máy •Sơ đồ: •Đặc điểm: Đường ống dẫn nước vng góc với trục nhà máy •Ưu điểm: + Đường ống ngắn + Khối lượng đào đắp + Tổn thất thủy lực nhỏ + Dễ bố trí thiết bị •Nhược điểm: Khơng an tồn cột nước cao •Ứng dụng: TTĐ cột nước không cao 74 10/5/2022 2.4.2 TUYẾN ĐƯỜNG ỐNG VÀ PHƯƠNG THỨC BỐ TRÍ b) Trục đường ống song song với trục nhà máy • Sơ đồ: • Đặc điểm: Trục đường ống song song với trục nhà máy • Ưu điểm: + Nhà máy an tồn + Bố trí thiết bị dễ • Nhược điểm: + Khối lượng đào đắp lớn + Tổn thất thủy lực lớn • Ứng dụng: TTĐ cột nước cao 2.4.2 TUYẾN ĐƯỜNG ỐNG VÀ PHƯƠNG THỨC BỐ TRÍ c) Trục đường ống tạo với trục nhà máy góc  • Sơ đồ: • Đặc điểm: Trục đường ống tạo với trục NM góc  • Ưu điểm: + Khá an tồn • Nhược điểm: + Diện tích nhà máy tăng + Khối lượng đào đắp lớn + Khó bố trí thiết bị • Ứng dụng: ứng dụng 75 10/5/2022 2.4.3 ĐƯỜNG ỐNG THÉP HỞ • Đường ống • Mố ơm (mố néo) • Mố đỡ • Khớp nhiệt độ • Van • Cửa thăm dị đường ống 2.4.3 ĐƯỜNG ỐNG THÉP HỞ Đường ống • Ống thép có nhiều loại, hay dùng loại sau: + Ống đúc liền: (D0.6m) + Ống liên kết (liên kết hàn, đinh tán): Đường kính lớn + Ống có đai (đai nóng, đai nguội) thường dùng TTĐ cột nước lớn 76 10/5/2022 2.4.3 ĐƯỜNG ỐNG THÉP HỞ Mố • Tùy theo ĐK địa hình chiều dài đường ống, đường ống bố trí loại mố sau: mố ơm (néo), mố đỡ 2.1 Mố ơm • Tác dụng: Cố định đường ống giữ cho ống không chuyển động theo phương • Phân loại: + Mố ơm kín: Mố bao bọc kín tồn ống nằm hồn tồn bê tơng cốt thép + Mố ơm hở • Khoảng cách mố ơm: + Ở chỗ đường ống thay đổi phương + Ống thẳng ( 200-300m) 2.4.3 ĐƯỜNG ỐNG THÉP HỞ 2.2 Mố đỡ • Tác dụng: đỡ đường ống cho phép đường ống di chuyển theo phương dọc trục • Phân loại: + Mố đỡ kiểu yên ngựa + Mố đỡ kiểu vành trượt 2.3 Khớp nhiệt độ • Cơng dụng: loại bỏ ứng suất nhiệt đường ống tác động nhiệt độ môi trường 77 10/5/2022 2.4.3 ĐƯỜNG ỐNG THÉP HỞ 2.4 Ống rẽ nhánh a) Ống rẽ nhánh b) Ống rẽ nhánh Ống phân nhánh không đối xứng Ống phân nhánh đối xứng ống ; & -vành đai gia cố lưng ; 3-ống nhánh ; , &7 - dầm chữ U 2.4.3 ĐƯỜNG ỐNG THÉP HỞ 2.5 Van đường ống • Tùy thuộc vào đường kính, áp lực nước phương thức cấp nước mà người ta lắp van đường ống • Điều kiện + Khi H 100m, PTCN độc lập phải lắp van + PTCN theo nhóm hay liên hợp phải lắp van • Phân loại van: + Van phẳng + Van đĩa + Van cầu 78 10/5/2022 CHƯƠNG NƯỚC VA VÀ THÁP ĐIỀU ÁP BÀI 3.1 KHÁI NIỆM VỀ CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP VÀ HIỆN TƯỢNG NƯỚC VA 79 10/5/2022 3.1.1 KHÁI NIỆM VỀ CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP CỦA TTĐ Hiện tượng • Hiện tượng áp lực đường ống thay đổi liên tục thay đổi vận tốc đột ngột làm vỡ hay bẹp ống Đó tượng nước va Nguyên nhân • Nguyên nhân vật lý gây nên nước va quán tính khối nước chảy ống vận tốc dòng chảy ống bị thay đổi 3.1.1 KHÁI NIỆM VỀ CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP CỦA TTĐ 2.1 Nước va dương – Đóng tuabin Xét đường ống • Lúc đầu thời điểm t1 : dòng chảy ống ổn định với Q1 , v1 , F1 , N1 = P1 (phụ tải) • Sau khoảng thời gian t (t2): + Do yêu cầu phụ tải: phụ tải P1 giảm đến P2 cơng suất N1 giảm tới cơng suất N2 + Dịng chảy ống: đóng cánh hướng nước  vận tốc dịng chảy giảm dần để giảm cơng suất từ N1 N2 dịng chảy có gia tốc a 0) Do đó: F2 = F1 + Fqt Trong ống tăng áp lực • Áp lực nước sinh đóng tuabin gọi áp lực nước va dương 80 10/5/2022 3.1.1 KHÁI NIỆM VỀ CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP CỦA TTĐ 2.2 Áp lực nước va âm – Mở tuabin Xét đường ống • Tại thời điểm t1 : dòng chảy ống ổn định với Q1 , v1 , F1 , N1 = P1 (phụ tải) • Tại thời điểm t2 : Do yêu cầu thay đổi phụ tải, tăng tải từ P1 tăng lên P2 (P1 P2) Do cơng suất tăng từ N1  N2 + Dòng chảy ống: mở cánh hướng nước  vận tốc dòng chảy tăng lên  Lưu lượng Q1  Q2 dịng chảy có gia tốc a >0 • Theo ngun lý Đalămbe ống tồn lực quán tính Fqt (Fqt < 0)  F2 = F1 – Fqt  Trong ống giảm áp lực • Áp lực nước sinh sau mở tuabin gọi áp lực nước va âm 3.1.1 KHÁI NIỆM VỀ CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP CỦA TTĐ Tác hại nước va 3.1 Nước va dương • Kinh tế: Làm cho đường ống dễ vỡ phải tăng chiều dày đường ống  Vốn đầu tư đường ống tăng • Vận hành: Làm cho q trình điều chỉnh Tuabin trở nên khó khăn 3.2 Nước va âm • Kinh tế: Có thể làm cho ống tồn chân khơng • Vận hành: Q trình điều chỉnh tổ máy khó khăn + Tính tốn vận hành cho trường hợp tăng tải tổ máy 81 10/5/2022 3.1.1 KHÁI NIỆM VỀ CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP CỦA TTĐ Các chế độ chuyển tiếp TTĐ • Khái niệm: Các chế độ chuyển tiếp chế độ khơng ổn định phận cơng trình tổ máy chuyển chế độ làm việc • Q trình chuyển tiếp TTĐ chia làm loại: + Các trình chuyển tiếp vận hành bình thường: khởi động, dừng máy, thay đổi công suất, chuyển sang chạy bù + Các trình chuyển tiếp cố TTĐ: trình cắt tải, trình lồng tốc trình đưa tổ máy khỏi chế độ lồng tốc 3.1.1 KHÁI NIỆM VỀ CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP CỦA TTĐ a Khởi động • Q trình chuyển tiếp từ trạng thái nghỉ tổ máy sang trạng thái bắt đầu nhận tải b Dừng máy • Q trình chuyển tiếp từ trạng thái hoạt động sang ngừng nhận tải c Q trình điều chỉnh cơng suất • Q trình thực thay đổi phụ tải hệ thống d Q trình cắt tải • Q trình cắt tải xẩy tổ máy có cố đoản mạch đường dây mạch máy phát điện e Quá trình quay lồng tổ máy • Xảy cố hệ thống cố hệ thống điều chỉnh, CHN khơng bị đóng, số vòng quay tăng lên nhanh gọi quay lồng a a am ax ax cắt mạch am ax cắt mạch Hoà đồng đóng mạch nmax Phanh H a) b) c) d) Các trình chuyển tiếp tổ máy a- Khởi động; b- dừng máy; c- tăng tải; d- cắt tải 82 10/5/2022 BÀI 3.2 TÍNH TỐN ÁP LỰC NƯỚC VA 3.2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN NƯỚC VA Phương trình nước va • Sơ đồ • Giả thiết + GT: L, Q, v, , H + Ống đàn hồi + Nước co ép • Diễn biến + Tại thời điểm t1 : Tổ máy làm việc ổn định Q, v, , H + Tại thời điểm t2 : thay đổi phụ tải P, N, Q  H truyền từ AB + Do có H (gia tăng áp lực) nên: ống dãn nước bị co lại + Nên tiết diện    + c: vận tốc truyền sóng nước va + Do tính nước va đoạn nhỏ đường ống + Giả thiết sau thời gian t, H truyền từ AC có chiều dài l c H  (vd  vc ) • Kết g + Xét chiều dài l, tiết diện  + Cơng thức phương trình Fqt  m ' a sóng nước va đóng mở tức thời gọi l l v v  v c H  c cơng thức Jucốpki tìm năm 1897 H  l t g g t g t 83