82 Trang 6 Tên đề tài : Điều khiển chuyển động của máy điều tốc turbine thuỷ điện Luận văn nghiên cứu các vấn đề cơ bản nh sau : Nghiên cứu tổng quan về máy phát điện, nhà máy thuỷ điệ
Máy phát điện
Máy điện đồng bộ là thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp, chủ yếu được sử dụng để chuyển đổi cơ năng thành điện năng Chúng hoạt động như máy phát điện, cung cấp điện năng ba pha, đóng vai trò thiết yếu trong nền kinh tế quốc dân Điện năng này chủ yếu được sản xuất từ các máy phát điện quay, bao gồm tuabin hơi, tuabin khí và tuabin nước.
Máy điện đồng bộ thường được sử dụng làm động cơ trong các thiết bị lớn, vì chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng, điều mà các động cơ không đồng bộ không có được.
Thông thường các máy điện đồng bộ được tính toán sao cho chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng
Máy phát điện đồng bộ :
Máy phát điện đồng bộ thường được sử dụng cùng với các tuabin hơi hoặc tuabin nước, được gọi là máy phát tuabin hơi và máy phát tuabin nước Do có tốc độ quay cao hơn, máy phát tuabin hơi thường được thiết kế theo kiểu cực ẩn.
Máy phát tuabin nước thường có trục nằm ngang và tốc độ quay thấp, với kết cấu kiểu cực lồi và trục máy được đặt thẳng đứng Đối với các máy phát điện công suất nhỏ và cần tính di động, máy phát điện diesel với cấu tạo cực lồi thường được sử dụng.
Kết cấu của máy điện đồng bộ được phân chia thành hai loại: máy cực ẩn và máy cực lồi Đối với máy đồng bộ cực ẩn, rôto được chế tạo từ thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ và gia công để phay rãnh cho dây quấn kích từ Phần không phay rãnh của rôto tạo thành mặt cực từ, với mặt cắt ngang của trục lõi thép được thể hiện rõ ràng trong hình vẽ.
Các máy điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực
Tốc độ quay của rôto đạt 3000 vòng/phút, với công thức 2p = 2 Để đảm bảo an toàn và hạn chế lực ly tâm, đường kính của lõi thép rôto được chế tạo từ thép hợp kim cần được xác định phù hợp.
D của rôto không được vượt quá 1,1 đến 1,15m Để tăng công suất máy, chỉ có thể tăng chiều dài l của rôto Chiều dài tối đa của rôto vào khoảng 6,5 m
Dây quấn kích từ trong rãnh rôto được làm từ dây đồng trần có tiết diện chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm Các vòng dây được cách điện bằng lớp mica mỏng, và để giữ chặt dây quấn trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín bằng các thanh nêm thép không từ tính Phần đầu nối của dây quấn kích từ, nằm ngoài rãnh, được cố định bằng các ống trụ thép không từ tính.
Hai đầu dây quấn kích từ được đi luồn trong đầu trục và kết nối với hai vành trượt thông qua hai chổi điện, nhằm nối với dòng kích từ một chiều.
Máy kích từ này thường được nối trục vói trục máy đồng bộ hoặc có trục chung với máy đồng bộ
Stato của máy đồng bộ cặc ẩn bao gồm lõi thép, dây quấn ba pha, thân máy và nắp máy Lõi thép stato được ép từ các lá tôn silíc dày 0,5mm và có lớp sơn cách điện ở hai mặt Dọc chiều dài lõi thép, cách khoảng 66 cm có các rãnh thông gió ngang trục rộng 10mm Trong các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn, thân máy được chế tạo bằng khung thép và bọc ngoài bằng tấm thép dày, thiết kế để hình thành hệ thống thông gió làm lạnh Nắp máy được chế tạo từ thép tấm hoặc gang đúc, và ở các máy công suất lớn, ổ trục được đặt cố định trên bệ máy thay vì nắp máy.
Kết cấu của máy phát điện đồng bộ cực ẩn trình bày trên hình vẽ
Kết cấu của m áy điện đồng bộ cực lồi
Máy điện đồng bộ cực lồi thường hoạt động với tốc độ quay thấp, do đó, đường kính rôto D của nó có thể đạt tới 15 m, trong khi chiều dài l lại tương đối nhỏ, với tỷ lệ l/D dao động từ 0,15 đến 0,2.
Rôto của máy điện cực lồi có công suất nhỏ và trung bình được chế tạo từ lõi thép đúc, hình dạng lăng trụ hoặc hình trụ, với các cực từ được gắn trên bề mặt Đối với các máy lớn, lõi thép được tạo thành từ các tấm thép dày 16mm, được dập hoặc đúc định hình để ghép thành khối lăng trụ, thường không gắn trực tiếp vào trục máy mà đặt trên giá đỡ Giá đỡ này sẽ được lồng vào trục máy, trong khi các cực từ trên lõi thép rôto được ghép bằng những lá thép dày từ 1-1.5mm.
Cố định cực từ trên lõi thép được thực hiện thông qua đuôi hình chữ T hoặc bằng cách sử dụng bulông xuyên qua mặt cực, sau đó vít chặt vào lõi thép của rôto.
Dây quấn kích từ được làm từ dây đồng trần có tiết diện chữ nhật, được quấn theo chiều mỏng thành các cuộn dây đồng tâm Giữa các vòng dây được cách điện bằng các lớp mica hoặc amiăng Sau khi gia công, các cuộn dây này sẽ được lồng vào thân cực.
Dây quấn cản trong máy phát đồng bộ, hay còn gọi là dây quấn mở máy, được lắp đặt trên các đầu cực Những dây quấn này tương tự như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, được chế tạo từ các thanh đồng đặt trong rãnh của đầu cực và được kết nối hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch.
Dây quấn mở máy có điện trở lớn hơn so với dây quấn cản, trong khi stato của máy điện đồng bộ cực lồi có cấu trúc tương tự như máy điện đồng bộ cực ẩn.
Tổng quan về nhà máy thuỷ điện
Tình hình phát triển thuỷ điện
Thủy điện chiếm tỷ lệ khoảng 25% trong sản xuất điện năng toàn cầu, nhờ vào giá thành sản xuất thấp và việc sử dụng nguồn năng lượng tái sinh ít ảnh hưởng đến môi trường Ngành thủy điện phát triển mạnh mẽ về cả số lượng và chất lượng, với công suất lớn nhất của tổ máy đạt 750W và hiệu suất từ 92% đến 96% Công trình thủy điện lớn nhất hiện nay là Tam Hiệp ở Trung Quốc với công suất 200MW Các quốc gia như Mỹ, Nga, Pháp, Canada, Nhật Bản và Trung Quốc sở hữu trữ lượng thủy điện lớn và nền thủy điện phát triển mạnh.
Việt Nam sở hữu 124 hệ thống sông và 2860 con sông dài hơn 10km, với tổng trữ lượng thủy năng lý thuyết đạt 271,3 tỷ kWh/năm Trong đó, trữ năng kỹ thuật ước tính khoảng 90 tỷ kWh/năm.
Hiện nay, Việt Nam chỉ khai thác 20% trữ lượng thủy điện dồi dào, với các nhà máy như Thác Bà (108MW), Hòa Bình (1920MW), Yaly (720MW), Trị An (400MW), Thác Mơ (150MW), ĐaMi (175MW), Hàm Thuận (300MW), Vĩnh Sơn (66MW) và Sông Hinh (70MW) Thủy điện hiện chiếm 60% công suất hệ thống điện Việt Nam, và trong bối cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, thủy điện trở thành nguồn năng lượng rẻ nhất để khai thác, đặc biệt khi nguồn than hạn chế và chi phí sản xuất nhiệt điện cao Các công trình thủy điện không chỉ cung cấp năng lượng mà còn có vai trò quan trọng trong việc phòng chống thiên tai Lợi ích trong việc kiểm soát lũ từ các công trình thủy điện trên sông Đà rất lớn, với sản lượng khoảng 31 tỷ kWh, bảo vệ an toàn cho Hà Nội và các vùng đồng bằng Bắc Bộ Ước tính, nếu mực nước lũ tại Hà Nội vượt quá 13,3m mà không có biện pháp phân lũ, thiệt hại có thể lên tới 3 tỷ USD Do đó, việc xây dựng các công trình thủy điện nhằm mục đích chống lũ và cung cấp nước cho hạ du sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao và là mục tiêu quan trọng cho sự phát triển đất nước.
Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy thuỷ điện
Nhà máy thuỷ điện là công trình thuỷ điện phát ra năng lợng điện dựa trên nguồn năng lợng cơ năng của dòng nớc
Nhà máy thủy điện hoạt động dựa trên nguyên lý tận dụng năng lượng của nước chảy từ cao xuống thấp Hệ thống đập tạo ra cột áp giúp tập trung nguồn năng lượng này, điều tiết lưu lượng nước trong hồ chứa Nước từ thượng lưu chảy vào buồng dẫn tuabin, nơi áp lực nước tác động lên bánh xe công tác, làm cho trục tuabin quay Trục này kết nối với trục rôto của máy phát, tạo ra dòng điện nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ Dòng điện được phát từ các cuộn dây stato và cung cấp đến các trạm phân phối điện thông qua hệ thống máy biến áp, từ đó được phân phối khắp cả nước qua mạng lưới đường dây điện.
Phân loại nhà máy thuỷ điện
Tuỳ thuộc vào vị trí địa lý mà nhà máy thuỷ điện đợc phân thành ba loại cơ bản
1 3.1 2 Nhà máy thuỷ điện ngang đập
Nhà máy thuỷ điện ngang đập là một phần quan trọng của công trình dâng nước, chịu áp lực từ nước thượng lưu và đồng thời kết nối trực tiếp với tuabin qua cửa lấy nước Cửa lấy nước là thành phần thiết yếu trong cấu trúc của nhà máy.
Nhà máy kiểu lòng sông được xây dựng trong lòng sông, cho phép chịu được độ sâu H từ 30-40m Các nhà máy ngang đập có công suất lớn thường sử dụng tuabin cánh quay trục đứng hoặc tuabin cánh quạt với cột nước dưới 20m Tổ máy có đường kính bánh xe công tác từ 1-10,5m, công suất từ 120-150MW và lưu lượng nước qua tuabin đạt 650-700m³/s Do lưu lượng nước lớn, kích thước buồng xoắn và ống hút cũng cần phải lớn, vì vậy khoảng trống trong ống loe buồng hút thường được sử dụng để bố trí các phòng phụ.
Nhà máy này thờng bố trí phần điện ở hạ lu còn phần thợng lu thì thờng bố trí đờng ống dầu, nớc và khí nén
Một đặc điểm quan trọng của nhà máy thủy điện ngang đập là trong mùa lũ, cột nước giảm khiến công suất hoạt động bị giảm, và trong một số trường hợp, nhà máy có thể phải ngừng hoạt động Để tăng cường công suất trong mùa lũ và giảm áp lực lên đập tràn, hiện nay, nhiều nhà máy thủy điện trên thế giới được thiết kế kết hợp với hệ thống xả lũ.
Phần qua nước của tổ máy thủy điện bao gồm công trình lấy nước, buồng xoắn và ống hút cong Đối với trạm thủy điện ngang đập cột nước thấp với lưu lượng lớn, chiều dài đoạn tổ máy thường được xác định theo kích thước bao ngoài buồng xoắn và ống hút Mặt nằm ngang chiều rộng cửa lấy nước phải bằng chiều rộng mặt cắt cửa vào buồng xoắn, và kích thước của nó cần phù hợp với điều kiện lưu tốc cho phép qua lưới chắn rác Chiều ngang đoạn tổ máy và chiều dòng chảy phần dưới nước của nhà máy phụ thuộc vào kích thước của lấy nước, buồng xoắn và chiều dài ống hút, đồng thời cần tính toán ổn định nhà máy và ứng suất nền liên quan đến kích thước phần dưới của nhà máy.
1 2.3.2 Nhà máy thuỷ điện sau đập
Nhà máy thủy điện được đặt ngay sau đập nước, không thể trở thành một phần của công trình dâng nước khi cột nước cao hơn 30-45m để đảm bảo ổn định Nếu đập là bêtông trọng lực, cửa lấy nước và đường dẫn nước cho tuabin sẽ nằm trong thân đập, có thể có đường ống dẫn nước tuabin ở phía hạ lưu Tùy thuộc vào cột nước, nhà máy thường sử dụng các loại tuabin như tuabin tâm trục, tuabin cánh quay cột nước cao hoặc tuabin cánh chéo Hệ thống điện được bố trí phía thượng lưu sau đập, trong khi hệ thống dầu và nước nằm ở phía hạ lưu.
1 2.3.3 Nhà máy thuỷ điện đờng dẫn
Trong sơ đồ khai thác thủy năng, có thể sử dụng kiểu đường dẫn hoặc kết hợp với nhà máy thủy điện độc lập Cửa lấy nước thường được đặt xa nhà máy; nếu công trình lấy nước không áp, cửa lấy nước sẽ nằm trong bể áp lực Ngược lại, nếu công trình lấy nước là đường hầm có áp, cửa lấy nước sẽ được bố trí ở đầu đường hầm và trở thành công trình độc lập Đường dẫn nước vào nhà máy thường là ống áp lực, nhưng trong trường hợp trạm thủy điện có cột nước thấp, có thể sử dụng kênh dẫn để bố trí nhà máy thủy điện kiểu ngang đập.
Cả hai loại nhà máy thủy điện đều sử dụng đường ống dẫn nước vào tuabin mà không chịu áp lực trực tiếp từ phía thượng lưu, dẫn đến kết cấu phần dưới nước và biện pháp chống thấm trở nên phức tạp hơn Thông thường, nhà máy hoạt động với cột nước từ 30-45m, với chiều cao tối đa từ 250 đến 300m.
Nhà máy thủy điện không chỉ được phân loại theo cách cơ bản mà còn được phân loại dựa trên vị trí tương đối của nó trong bố trí tổng thể.
+ Nhà máy thuỷ điện trên mặt đất
+ Nhà máy thuỷ điện ngầm đợc bố trí hoàn toàn trong lòng đất
+ Nhà máy thuỷ điện trong thân đập
Nhà máy thủy điện có nhiều dạng kết cấu đặc biệt, bao gồm hệ thống xả lũ dưới đáy hoặc trong thân đập tràn, trong trụ pin, cùng với các loại nhà máy thủy điện ngang đập với tuabin capxul và nhà máy điện thủy chiều Những loại hình này đại diện cho các nhà máy thủy điện đặc biệt, mang lại hiệu quả và tính năng vượt trội trong việc sản xuất điện năng.
Về công suất nhà máy phân chia theo công suất lắp mới, cách phân loại này phụ thuộc tổng quốc gia ở Việt Nam sự phân loại theo tiêu chuẩn
+ Nhà máy thuỷ điện lớn : N≥1000MW
+ Nhà máy thuỷ điện vừa : 15MW