Hỡnh 3.7 Mỏy điều tốc điện thủy lực sử dụng động cơ bước Nhà mỏy thủy điện Cấm Sơn Hỡnh 3.8.: Mụ hỡnh của một nhà mỏy thủy điện vừa và nhỏ sử dụng cỏc cụng nghệ kỹ thuật số tiền tiến Hỡn
Cơ sở đặt vấn đề
1.1.1 Tình hình nguồn năng lượng trong nền kinh tế Việt Nam
Năng lượng đang trở thành vấn đề cấp bách toàn cầu, với các quốc gia hướng tới một liên minh nhằm giải quyết vấn đề này song song với phát triển bền vững Các nhà kinh tế năng lượng cảnh báo rằng nếu không sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng truyền thống và không phát triển nguồn năng lượng thay thế, nhân loại có thể đối mặt với cuộc khủng hoảng năng lượng nghiêm trọng vào cuối thế kỷ Tại Việt Nam, với sự quan tâm từ Đảng và Chính phủ, ngành năng lượng đã phát triển mạnh mẽ, đáp ứng nhu cầu cho sự phát triển kinh tế xã hội Thủ tướng Nguyễn Tấn Dũng nhấn mạnh rằng đầu tư vào phát triển nguồn điện và hệ thống truyền tải điện là ưu tiên hàng đầu trong 5 đến 10 năm tới, nhằm đạt mục tiêu phát triển kinh tế từ 7,5% đến 9% mỗi năm.
100 tỷ Kwh điện Chính phủ đầu tư tập trung cả Thủy điện, Nhiệt điện than và Nhiệt điện khí
Việt Nam đã đặt ra ba yêu cầu chính cho phát triển thủy điện, bao gồm hiệu quả phát điện, đảm bảo các điều kiện môi trường cơ bản như khả năng chặn lũ và cung cấp nước vào mùa khô, cũng như yêu cầu về di dân và tái định cư với tiêu chí nâng cao điều kiện sống cho người dân Theo chính sách này, nhiều nhà máy thủy điện, đặc biệt là thủy điện vừa và nhỏ, đã được xây dựng từ năm 2005 đến 2015, đóng góp một tỷ trọng lớn vào sản lượng điện và nền kinh tế quốc gia.
Năm 2005 ÷ 2008, có nhiều dự án thủy điện vừa và nhỏ được cấp phép:
Bộ Công nghiệp đã cấp giấy phép cho nhiều dự án thủy điện vừa và nhỏ tại các tỉnh Tây Nguyên, Sơn La, Bắc Kạn và Lào Cai Tất cả các dự án này được đầu tư theo hình thức Xây dựng Sở hữu - Kinh doanh (BTO).
Hiện nay, các nguồn năng lượng mới như năng lượng mặt trời, gió, sóng, thủy triều, sinh học, điện hạt nhân và năng lượng vi sinh đang được nhà nước chú trọng đầu tư nghiên cứu, với hy vọng trở thành nguồn năng lượng sạch cho tương lai.
Quyết định đưa năng lượng hạt nhân vào Việt Nam trong thế kỷ 21 là một bước ngoặt quan trọng cho ngành điện lực, yêu cầu một chương trình phát triển năng lượng hạt nhân quốc gia đồng bộ và quy mô lớn Năng lượng hạt nhân không chỉ mang lại khả năng sản xuất điện lớn mà còn có tính tự động hóa cao, cùng với công nghệ sản xuất tiên tiến, khiến nó trở thành lựa chọn ưu việt cho tương lai Tuy nhiên, để làm chủ công nghệ này, Việt Nam cần đầu tư nhiều tài chính, đào tạo nguồn nhân lực chất lượng và giải quyết các vấn đề bảo vệ môi trường phức tạp.
1.1.2 Vai trò của thủy điện nhỏ trong nền kinh tế
Việt Nam sở hữu tiềm năng thủy điện phong phú, và để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế, bên cạnh việc xây dựng các nhà máy thủy điện lớn do Nhà nước đầu tư, việc phát triển các trạm thủy điện vừa và nhỏ từ nhiều nguồn vốn khác nhau cũng được khuyến khích Điều này nhằm bổ sung nguồn điện cho lưới điện quốc gia và cung cấp điện cho các vùng sâu, vùng xa chưa có điện lưới.
Đối với các trạm thuỷ điện vừa và nhỏ, tỷ trọng giá thành thiết bị chiếm từ 40% đến 50% tổng vốn đầu tư Việc chủ động nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị thuỷ điện trong nước sẽ giúp giảm thiểu chi phí ngoại tệ, nâng cao khả năng tự chủ về công nghệ và hạ giá thành thiết bị, phù hợp với khả năng vốn đầu tư hiện nay.
Mặc dù thuỷ điện vừa và nhỏ đã được nghiên cứu và chế tạo tại Việt Nam trong nhiều năm qua, với hàng trăm tổ máy được sản xuất và lắp đặt, nhưng phát triển vẫn diễn ra tự phát theo đơn đặt hàng của địa phương Điều này dẫn đến chất lượng sản phẩm không cao, hiệu suất thấp và độ tin cậy kém, gây lãng phí vốn đầu tư và tài nguyên nước quý giá.
Các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ đã đóng góp đáng kể vào nền kinh tế quốc dân và với sự quan tâm của Đảng và Nhà Nước, ngày càng nhiều dự án nghiên cứu và xây dựng được triển khai Trong tương lai, các nhà máy này sẽ tiếp tục có những đóng góp to lớn hơn nữa vào sự phát triển kinh tế xã hội khoa học của đất nước.
Hình 1.1: Nhà máy thuỷ điện Eakrông Rou công suất 28 MW/2 tổ máy
Tỉnh Khánh Hoà - Thiết bị của Nhà thầu Vatech Ấn Độ
Hình1.2: Nhà máy thuỷ điện Suối Sập công suất 16 MW/4 tổ máy
Tỉnh Sơn La Thiết bị của Nhà thầu Ta Ta Ấn Độ-
Hình 1.3: Nhà máy thuỷ điện Thác Trắng công suất 6 MW/2 tổ máy
Tỉnh Điện Biên - Thiết bị của Nhà thầu Vatech Ấn Độ
1.1.3 Tiềm năng của thủy điện vừa và nhỏ ở nước ta
Việt Nam hiện nay là một trong những quốc gia có nền kinh tế phát triển nhanh nhất trong khu vực, với thế mạnh về năng lượng đóng vai trò quan trọng trong thành tựu này Ngoài nguồn năng lượng hóa thạch phong phú như than đá và dầu mỏ, Việt Nam còn được thiên nhiên ưu đãi với hệ thống sông ngòi đa dạng, thuận lợi cho việc phát triển thủy điện Tính đến năm 2008, tổng công suất của các nhà máy thủy điện đã đạt khoảng 4000 MW.
MW và các nhà máy đang xây dựng có tổng công suất gần 6000 MW Tuy nhiên, theo thống kê, chỉ khoảng 25% tiềm năng thủy điện của nước ta đã được khai thác phục vụ nhu cầu dân sinh.
Trong bối cảnh kinh tế xã hội hiện nay, việc lựa chọn và đầu tư phát triển các nhà máy thủy điện có công suất vừa và nhỏ được xem là phương án khả thi và hợp lý nhất Những lý do ủng hộ cho quyết định này bao gồm tiềm năng phát triển bền vững, khả năng đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, và tác động tích cực đến môi trường.
Việt Nam sở hữu một hệ thống sông ngòi dày đặc, kéo dài từ bắc vào nam, với địa hình thuận lợi cho phát triển thủy điện, bao gồm núi cao, đồng bằng và biển Tiềm năng thủy điện ước tính lên đến 200.000 MW Bản đồ sông ngòi cho thấy sự phân bố dày đặc của các con sông lớn và nhỏ, trong đó các sông lớn đã được khai thác nhiều và đang cạn kiệt, trong khi hệ thống sông nhỏ chưa được khai thác triệt để Cụ thể, Đăklăk có khoảng 101 vị trí tiềm năng cho các dự án thủy điện vừa và nhỏ, với tổng công suất lắp đặt đạt 198 MW Tây Nguyên được dự báo sẽ trở thành trung tâm thủy điện lớn nhất cả nước, với hàng trăm nhà máy điện vừa và nhỏ, tổng công suất khoảng 5.000 MW, chiếm hơn 1/3 tổng công suất của hệ thống điện quốc gia.
Việc phát triển thủy điện vừa và nhỏ tại các vùng sâu, vùng xa là một giải pháp quan trọng để nâng cao đời sống cư dân Công nghệ hiện đại cho phép xây dựng các nhà máy thủy điện có công suất vừa, không chỉ cung cấp điện cho các khu kinh tế lân cận mà còn góp phần hòa vào lưới điện quốc gia Điều này giúp giải quyết tình trạng thiếu năng lượng mà đất nước đang gặp phải.
Xuất xứ và mục đích của đề tài
Với tiềm năng kinh tế và kỹ thuật của thuỷ điện vừa và nhỏ, việc thiết kế và chế tạo thiết bị thuỷ điện trong nước là cần thiết Tuy nhiên, công việc này gặp khó khăn do thiếu đội ngũ nghiên cứu chuyên ngành mạnh mẽ và phòng thí nghiệm phù hợp Để từng bước làm chủ công nghệ, việc lựa chọn giải pháp nghiên cứu và thiết kế theo mẫu tương tự từ nước ngoài, như Trung Quốc, là hợp lý, giúp nâng cao khả năng thiết kế và công nghệ chế tạo trong nước Qua đó, có thể nhân rộng mô hình trạm thuỷ điện và tiến tới thiết kế, chế tạo đồng bộ các trạm thuỷ điện có công suất vừa và nhỏ.
Here is the rewritten paragraph:Với sự ứng dụng rộng rãi của các thành quả khoa học và công nghệ mới, thủy điện vừa và nhỏ đã có bước chuyển mình mạnh mẽ, thay đổi chất lượng nguồn năng lượng và cách nhìn nhận về thủy điện vừa và nhỏ Ứng dụng các hệ thống điều khiển tự động và kỹ thuật vi xử lý trong vận hành và điều khiển nhà máy thủy điện vừa và nhỏ cũng đóng góp phần quan trọng vào sự thay đổi này Bên cạnh đó, sự hoàn thiện của máy điều tốc turbin thủy điện cũng là yếu tố then chốt làm nên sự thay đổi lớn Do đó, để làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị thủy điện và xây dựng các công trình thủy điện vừa và nhỏ, việc nghiên cứu hoàn thiện công nghệ chế tạo thiết bị thủy điện, đặc biệt là điều tốc turbin, đang là vấn đề bức xúc và đòi hỏi của nền kinh tế.
Sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật số trong hệ thống điều khiển tự động đã làm cho điều tốc Điện Thủy lực trở thành lựa chọn tối ưu cho các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ Luận văn này tập trung nghiên cứu một hướng phát triển mới của điều tốc Điện - Thủy lực, đó là máy điều khiển điện thủy lực kỹ thuật số với khả năng điều khiển theo ngưỡng.
Với điều kiện tự nhiên thuận lợi, việc xây dựng nhà máy thủy điện vừa và nhỏ trở nên khả thi, đặc biệt trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng đang ảnh hưởng đến sự phát triển kinh tế xã hội của đất nước Đây là động lực cấp bách cho việc phát triển các nhà máy thủy điện này Do đó, Đảng và Nhà nước đã triển khai dự án khoa học công nghệ với quy mô đầu tư lớn nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai.
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lắp đặt và vận hành thiết bị thủy điện cho nhà máy thủy điện ĐakSrong với công suất 18 MW là một đề tài lớn, đòi hỏi khối lượng công việc đáng kể Luận văn này tập trung vào một nhánh trong đề tài tổng thể, nhằm phát triển các giải pháp kỹ thuật hiệu quả cho hệ thống thủy điện.
“ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SỐ TRONG CHẾ TẠO MÁY ĐIỀU TỐC ĐIỆN THUỶ LỰC CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT VỪA –
Hình 1.7: Nhà máy thuỷ điện Nà Lơi-Điện Biên
Hình 1.8: Nhà máy thuỷ điện Nậm Mu - Hà Giang
Hình 1.9: Nhà máy thuỷ điện Eakrông Rou-Khánh Hoà
CHỨC NĂNG VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỀU TỐC 43 2.1 Nhiệm vụ của máy điều tốc
Cơ sở lý thuyết
2.2.1 Ổn định tần số dòng điện máy phát trong một tổ máy
Trong quá trình vận hành của trạm thủy điện, phụ tải điện năng thường xuyên biến động theo nhu cầu tiêu thụ, điều này dẫn đến sự thay đổi tần số dòng điện Những biến động này có thể vượt quá giới hạn cho phép, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Trong quy trình kỹ thuật vận hành điện quy định độ sai lệch tạm thời của tần số điện xoay chiều với giá trị định mức (50Hz) trong khoảng ± 0,2%
Tần 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 : p n f
Trong đó : f: tần số(Hz) p : số đôi cực của máy phát n : tốc độ quay của rôto máy phát
Tần số f của máy phát điện chỉ phụ thuộc vào tốc độ quay n của rôto, do số đôi cực p là cố định Phương trình cơ bản mô tả chuyển động của rôto tổ máy có dạng: c.
J : mômen quán tính của tổ máy ω: vận tốc góc của rôto tổ máy
MC : mômen cản (phụ thuộc vào phụ tải)
Từ phương trình (2.2) ta thấy trạng thái làm việc của hệ thống có thể mô tả qua 3 phương trình :
Ba phương trình tương ứng với ba nguyên lý điều chỉnh tuabin Máy điều tốc theo gia tốc có nhiệm vụ điều chỉnh gia tốc để đảm bảo rằng các điều kiện (*) được thỏa mãn.
Theo (**) ta có máy điều tốc theo vận tốc góc ω ,có nhiệm vụ theo dõi sự thay đổi của vận tốc góc ωvà tác động sao cho J.ω=const
Máy điều tốc theo mômen có khả năng theo dõi và điều chỉnh mômen động lực của tuabin MT dựa trên sự thay đổi của mômen Mc, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
MT=Mc Điều này có thể cho đạt được bằng hai cách :
- Điều chỉnh M T thông qua việc điều chỉnh lưu lượng qua tuabin sao cho
Để điều chỉnh MC, cần điều chỉnh tổng mômen cản của phụ tải (tải giả) sao cho MC = M Phương pháp này thường được áp dụng cho 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 MT=Mc
Ta nhận thấy,việc duy trì sự cân bằng giữa mômen của tuabin và mômen cản(M T =Mc )cũng sẽ giữ cho vận tốc góc ω là một hằng số
Mômen cản của máy phát điện phụ thuộc vào phụ tải, trong khi mômen của tuabin MT được xác định bởi công suất của tuabin N Giữa mômen cản M và công suất N có mối quan hệ chặt chẽ, được thể hiện qua tần số góc ω.
Trong điều kiện làm việc ổn định, hiệu suất của tuabin không thay đổi và mômen MT của tuabin phụ thuộc vào lưu lượng Q Nhiệm vụ chính của máy điều tốc là điều chỉnh lưu lượng qua tuabin để thay đổi mômen tuabin, sao cho phù hợp với mômen cản, đồng thời duy trì số vòng quay ổn định.
2.2.2 Phân bố phụ tải cho các tổ máy làm việc song song
Hầu hết các trạm thủy điện hoạt động với nhiều tổ máy song song trong một hệ thống lưới điện chung, yêu cầu điều chỉnh sự làm việc của các tuabin theo quy định về tần số dòng điện Khi có sự thay đổi độ mở của cánh hướng dòng, số vòng quay của tuabin không thay đổi, mà chỉ phân bổ lại tải cho các tổ máy.
Nghiên cứu sự làm việc song song của các tuabin dựa trên đường đặc tính của máy điều tốc Mỗi máy điều tốc có đường đặc tính điều chỉnh riêng, thể hiện mối quan hệ giữa số vòng quay của tuabin và phụ tải, được biểu diễn dưới dạng n = f(N).
Đường đặc tính điều chỉnh của máy điều tốc thường có dạng gần như đường thẳng nghiêng, với độ nghiêng phụ thuộc vào phản hồi Cụ thể, máy điều tốc có phản hồi mềm sẽ có đường đặc tính nằm ngang (AA), trong khi máy điều tốc có phản hồi cứng sẽ có đường đặc tính nghiêng (BB), như thể hiện trong hình 2.1.
Máy điều tốc có phản hồi cứng cho thấy số vòng quay trước và sau điều chỉnh không đồng nhất Để đánh giá sự chênh lệch này, người ta sử dụng hệ số sai lệch δ, được xác định theo một công thức cụ thể.
Trong hệ thống điều tốc, nmax là số vòng quay không tải và nmin là số vòng quay toàn tải Để điều chỉnh hệ số sai lệch δ, người ta thường sử dụng cơ cấu đặc biệt nhằm thay đổi hệ số truyền của phản hồi, bao gồm tỷ số truyền của xylanh thủy lực và thanh truyền Hiện nay, hệ số sai lệch δ cho phép tại các nhà máy điều tốc dao động trong khoảng từ 2% đến 6%.
Hình 2.2: Đường đặc tính của máy điều tốc, trường hợp hai tổ máy làm việc song song với hệ số δ khác nhau
Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích sự làm việc song song của hai tổ máy có hệ số sai lệch khác nhau (δ1≠δ) với hai đường đặc tính điều chỉnh được Ở hai chế độ làm việc ổn định, tổ máy 1 có đường đặc tính điều chỉnh A1A tương ứng với số vòng quay định mức theo đường O1O, trong khi tổ máy 2 có đường đặc tính điều chỉnh B1B Công suất của tổ máy 1 là N và công suất của tổ máy 2 là N2.
Khi phụ tải tăng, số vòng quay của hai tổ máy sẽ giảm một giá trị ∆n tương ứng với vị trí đường O2 2O Phụ tải của tổ máy 1 là ∆N1 và của tổ máy 2 là ∆N2 Máy điều tốc hoạt động để điều chỉnh lưu lượng qua tuabin, sao cho M T = Mc, nhằm đưa số vòng quay của tuabin trở lại mức định mức.
Đường đặc tính điều chỉnh của hai tổ máy điều tốc sẽ trở thành đường A2 2A và BB, song song với đường A A2 2 1 1 và BB Yêu cầu cần thiết là xác định công thức tính ∆N1 và ∆N2 cho tổ máy 1 và tổ máy 2.
Sau khi nghiên cứu, tính toán ta rút ra được công thức tổng quát sau : max 0
Trong đó, i là tổ máy thứ i trong trạm thủy điện có nhiều tổ máy là việc song song
Khi phụ tải của hệ thống giảm,quá trình diễn ra ngược lại, đường đặc tính điều chỉnh được tịnh tiến xuống phía dưới
Thành phần cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy điều tốc
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý của máy điều tốc có phản hồi mềm
2,3,9,10- Cơ cấu thanh truyền phản hồi;
7- Van thủy lực điều khiển;
16- Bộ giảm chấn thủy lực;
Máy điều tốc là sự tổng hợp của nhiều cơ cấu thiết bị, mỗi một cơ cấu thiết bị đảm 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 chình: bộ phận trực tiếp thay đổi mômen lực chuyển động của tuabin
Cơ cấu chấp hành đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối giữa cơ cấu cảm biến và cơ cấu điều chỉnh Nó thực hiện việc dịch chuyển cơ cấu điều chỉnh đến vị trí tương ứng dựa trên tín hiệu từ cơ cấu cảm biến đo lường.
- Cơ cấu ổn 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…
Nguyên lý hoạt động của bộ điều tốc điện thủy:
Khi tần số lưới điện ổn định ở mức 50 Hz, số vòng quay của turbine cũng được coi là ổn định Tuy nhiên, khi phụ tải thay đổi và mô men cản MC biến động, số vòng quay của turbine sẽ thay đổi, dẫn đến sự thay đổi tần số lưới điện, không còn giữ ở mức 50 Hz.
Khi mô men cản giảm (MC < MT), số vòng quay của turbine tăng lên và tần số lưới điện cũng tăng (f > 50Hz) Máy phát tốc gửi tín hiệu về hộp điện tử, kích hoạt động cơ điện một chiều, đẩy kim tiết lưu lên, làm tăng áp suất qua nhánh tiết lưu Điều này dẫn đến việc con trượt trong van phân phối bị đẩy lên, cho phép dầu cao áp vào buồng làm việc của xi lanh thủy lực Các xi lanh này thực hiện việc đóng bớt cánh hướng, giảm lưu lượng vào turbine, khiến mô men turbine giảm dần Khi mô men turbine cân bằng với mô men cản (MC = MT), số vòng quay của turbine cũng giảm dần về vận tốc ổn định.
Khi mô men cản tăng (MC > MT), số vòng quay của turbine giảm, dẫn đến hộp điện tử điều khiển động cơ điện một chiều quay ngược lại, kéo kim tiết lưu xuống và giảm áp suất dầu qua nhánh tiết lưu Con trượt bị đẩy xuống, dầu cao áp vào buồng làm việc của xi lanh, khiến các cần pis tông dịch chuyển ngược lại và mở rộng cánh hướng Lưu lượng vào buồng turbine tăng, làm tăng mô men turbine và tốc độ quay của turbine Khi mô men turbine đạt cân bằng với mô men cản, turbine sẽ duy trì số vòng quay ổn định.
TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỀU TỐC, TÍCH HỢP MÁY ĐIỀU TỐC ĐA CHỨC NĂNG VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SỐ 52 3.1 Tổng quan hệ thống máy điều tốc cho tuabin
Tích hợp máy điều tốc đa năng và xu hướng nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật số
3 2.1 Máy điều tốc điện thuỷ lực ứng dụng kỹ thuật số
Trong giai đoạn phát triển mới của thủy điện vừa và nhỏ, điều tốc Điện Thủy lực đã trở thành lựa chọn ưu tiên cho thiết kế và thi công, nhờ vào khả năng điều khiển đồng bộ và tiêu chuẩn hóa chất lượng nguồn điện Các máy điều tốc tuabin hiện nay được trang bị chức năng tự động và bảo vệ an toàn tổ máy, mang lại nhiều lợi ích vượt trội Việc ứng dụng kỹ thuật vi xử lý và hệ thống điều khiển SCADA đã khiến điều tốc Điện Thủy lực trở thành sự lựa chọn hàng đầu cho các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ tại Nga, Canada, Mỹ và nhiều nơi khác Sự kết hợp giữa công nghệ số và hệ thống điều khiển tự động đã khẳng định vị thế của máy điều tốc điện thủy lực như một giải pháp tối ưu cho ngành thủy điện hiện nay.
Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của các bộ điều khiển kỹ thuật số tiêu chuẩn và bộ chuyển đổi kỹ thuật số tương tự đã tạo ra nhiều lựa chọn cho việc kết nối hệ thống điều khiển điện với hệ thống điều khiển thủy lực Trong lĩnh vực thủy điện vừa và nhỏ, có ba loại điều tốc điện-thủy lực ứng dụng kỹ thuật số được nghiên cứu và ứng dụng phổ biến nhất, trong đó loại điều tốc điện-thủy lực sử dụng hệ thống điều khiển số kết nối với hệ thống điều khiển thủy lực thông qua van tỷ lệ hoặc van servo là một trong những lựa chọn hàng đầu.
Hình 3.2: Sơ đồ khối của máy điều tốc sử dụng van tỉ lệ
Máy điều tốc này nổi bật với nhiều ưu điểm nhờ ứng dụng van tỷ lệ hiện đại, cho phép kết hợp nhiều mô hình điều khiển chất lượng cao Tuy nhiên, với yêu cầu các chỉ số chuẩn cao trong điều khiển, giá thành hệ thống thường cao, khiến nó chủ yếu được sử dụng ở các nước có nền kinh tế phát triển như Mỹ và Tây Âu.
Máy điều tốc điện thủy lực kỹ thuật số, được lắp đặt tại nhà máy thủy điện Nậm Mu, sử dụng hệ thống điều khiển số 3 và kết nối với hệ thống điều khiển thủy lực thông qua van servo.
Hình 3.3 : Máy điều tốc điện thủy lực dùng Van servo
Tại Việt Nam, máy điều tốc sử dụng van phân phối là van tỷ lệ hoặc van servo được ứng dụng tại một số nhà máy thủy điện hiện đại Điển hình là Nhà máy thủy điện Cần Đơn, Bình Phước đang vận hành loại máy điều tốc hiện đại của châu Âu với 2 tổ máy có tổng công suất 72.0 MW, tuabin Kaplan trục đứng với cánh điều chỉnh được.
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc sử dụng Van t l ỷ ệ ( Ser ) vo
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc sử dụng Van Tỷ lệ ( ser vo)
Co c?u cam ph?n h?i Xylanh Servo
Thanh d?n tín hi?u ph?n h?i Thay d?i gi?i h?n ph?n h?i
Thi?t b? gi?i h?n d? m? Ð ?ng c b ?c o u Ðóng Ðu?ng d?u áp Ðóng Van phân ph?i chính
Van dóng kh?n c?p Ðu?ng d?u áp
Máy điều tốc sử dụng kỹ thuật số với van tỷ lệ hoặc van servo được điều khiển bằng động cơ bước điện là một công nghệ tiên tiến Loại máy điều tốc này kết hợp giữa điện và thủy lực, sử dụng hệ thống điều khiển số để kết nối với hệ điều khiển thủy lực Việc ứng dụng kỹ thuật số trong máy điều tốc giúp cải thiện độ chính xác và hiệu suất hoạt động.
Hình 3.6: Sơ đồ khối máy điểu tốc sử dụng động cơ bước
Loại máy điều tốc này sử dụng động cơ bước điện tiêu chuẩn để điều khiển van thủy lực phi tiêu chuẩn, với các kiểu tích hợp khác nhau tùy theo hãng sản
Hiện nay, máy điều tốc điện thủy lực sử dụng động cơ bước chủ yếu được sử dụng cho trạm thủy điện có công suất dưới 5 MW
Máy điều tốc sử dụng động cơ bước mang lại độ chính xác cao trong các hệ thống điều khiển thủy lực Thiết bị này yêu cầu công suất thấp, do đó động cơ bước có kích thước nhỏ, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của quán tính roto đến khả năng điều khiển Hơn nữa, chi phí đầu tư cho loại trạm thủy điện này cũng rất hợp lý.
Hình 3.7, 3.8 và 3.9 trình bày sơ đồ nguyên lý của các máy điều tốc theo nguyên lý điện thủy lực Máy điều tốc trong hình 3.7 đang được sử dụng tại nhà máy thủy điện Cấm Sơn, Bắc Giang/Lạng Sơn, với 3 tổ máy có tổng công suất 6,0 MW, sử dụng tuabin Francis trục đứng và động cơ bước điện để điều khiển van phân phối thủy lực Các nhà máy này áp dụng hệ thống điều khiển tiên tiến, đáp ứng tốt các yêu cầu hiện tại và tương lai.
Hình 3.7: Máy điều tốc điện thủy lực sử dụng động cơ bước
Nhà máy thủy điện Cấm Sơn
Hình 3.8: Mô hình của một nhà máy thủy điện vừa và nhỏ sử dụng các công nghệ kỹ thuật số tiền tiến
Hình 3.9 S : ơ đồ nguyên lý m i táy đ ều ốc s dử ụng k ỹ thuật ố đ ều khiển s i bằng động ơ ước Nh c b – à m áy thuỷ đ ện êsan 3 i S
Hình 3.8: Mô hình của một nhà máy thủy điện vừa và nhỏ sử dụng các công nghệ kỹ thuật số tiền tiến
Mô hình nhà máy thủy điện vừa và nhỏ sử dụng công nghệ kỹ thuật số tiên tiến, trong đó máy điều tốc điện thủy lực được áp dụng kỹ thuật số Hệ thống điều khiển kỹ thuật số kết nối trực tiếp với hệ điều khiển thủy lực thông qua van điện thủy khả trình.
Hình 3.10: Sơ đồ khối của máy điều tốc sử dụng hệ van khả trình
Điều tốc điện-thủy lực sử dụng van khả trình được điều khiển bởi bộ PLC tiêu chuẩn, cho phép kết nối và điều khiển trực tiếp hệ thống thủy lực mà không cần bộ biến đổi D/A Mô hình này mang lại nhiều tính năng ưu việt cho hệ thống.
- Tín hiệu điều khiển là tín hiệu số nên thiết bị điều khiển thủy lực và thiết bị điều khiển điện có thể đặt cách xa nhau
- Chất lượng điều khiển cao do tính mềm dẻo của hệ điều khiển PLC tiêu chuẩn
Hệ thống điều khiển thủy lực đạt độ tin cậy cao nhờ vào tín hiệu điều khiển có ngưỡng nhất định và việc sử dụng van khả trình Sự kết hợp với thuật toán điều khiển khả trình giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong quá trình vận hành.
- Hệ thống điều khiển có khả năng chống nhiễu tốt
- Hệ thống thủy lực không nhạy cảm với độ bẩn của dầu
- Việc vận hành và bảo dưỡng đơn giản
Việc áp dụng các phần tử tiêu chuẩn trong hệ thống giúp đảm bảo rằng các yêu cầu kỹ thuật phù hợp với các nền kinh tế kỹ thuật chưa phát triển, như Việt Nam.
Hình 3.11: Máy điều tốc điện thủy lực điều khiển theo ngưỡng
Hệ thống này có nhược điểm là tín hiệu thủy lực đầu ra không liên tục, nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu điều khiển của hệ thống bám Ngoài ra, khả năng giảm chấn của dầu thủy lực giúp hệ thống hoạt động êm hơn.
3.2.2 Phân loại và chọn phương án thiết kế bộ điều tốc kỹ thuật số đáp ứng điều kiện thực tế kỹ thuật công nghệ và kinh tế
3.2.2.1 Các thông số kỹ thuật chính
PLC : bộ điều khiển lôgic khả trình
Công suất của servomotor có thể được tính bằng công thức dưới đây :
A là công suất của servomotor
D 1 là đường kính bánh công tác tuabin
3.2.2.2 Phương án lựa chọn Để tích hợp máy điều 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, có thể có nhiều phương án thiết kế Tuy nhiên qua nghiên cứu phân tích các mô hình thiết kế của các mẫu đang sử dụng trên thế giới và ở Việt nam cho các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, ta có thể phân ra một số loại đặc trưng sau đây: a Loại điều tốc điện thủy lực ứng dụng kỹ thuật số với hệ thống điều – khiển số kết nối hệ điều khiển thủy lực dùng van tỷ lệ hoặc van servo.: b Loại điều tốc điện thủy lực ứng dụng kỹ thuật số với hệ thống điều – khiển số kết nối hệ điều khiển thủy lực dùng động cơ bước điện điều khiển van thủy lực servo hoặc van tiết lưu c Loại điều tốc điện – thủy lực ứng dụng kỹ thuật số với hệ thống điều khiển số kết nối trực tiếp với hệ điều khiển thủy lực dùng van điện thủy khả trình
MÁY ĐIỀU TỐC ĐIỆN THỦY LỰC ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SỐ -
Chọn sơ đồ
Hình 4.1: Sơ đồ khối máy điều tốc điện thủy lực ứng dụng kỹ thuật số
1 Thiết bị phản hồi 1: ghi nhận mức độ thay đồi tốc độ quay của tổ máy ( so với tốc độ quay của đồng hồ ) và truyền tín hiệu đó cho bộ phận sử lý PLC
2 Bộ phận phân phối dầu áp lực: ở đây ta dùng hệ van on-off điều khiển bằng kỹ thuật số Bộ phận này phân phối dầu cho các khoang của cơ cấu chấp hành
3 Cơ cấu chấp hành – động cơ servo: thực chất là xylanh – piston được điều khiển bằng hệ van on off điều khiển theo ngưỡng -
4 Cơ cấu phản hồi 2 : Gồm phản hồi cứng và phản hồi mềm nhằm đưa tín hiệu vị trí piston động cơ servo phản hồi về PLC
5 PLC bộ điều khiển trung tâm
6 Tín hiệu đặt, các giá trị tần số và sai lệch
Trong máy điều tốc, có các bộ phận quan trọng như cơ cấu biến tốc và cơ cấu giới hạn độ mở Những bộ phận này có chức năng điều chỉnh phụ tải của tổ máy và kiểm soát chế độ mở tối đa của cánh hướng dòng.
Trên hình 4.2 là sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực m áyđiều tốc Điện - Thủy lực ứng dụng kĩ thuật số
1 Van phân phối điều khiển điện Đây là một loại van thủy lực dạng công tắc đóng ngắt ON-OFF, 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
2 Van dừng sự cố điều khiển bằng điện từ
Van 4 WE là loại van phân phối điều khiển bằng điện từ, hoạt động hiệu quả mà không cần nguồn điện cho cuộn từ điều khiển khi máy điều tốc hoạt động bình thường Van cho phép điều khiển từ xa qua nhiều phương thức khác nhau và có khả năng ngắt khẩn cấp cục bộ bằng tay.
3 Van điều khiển lưu lượng cấp hai
Van làm việc với áp suất cao, tổn thất áp suất thấp, có thông lượng lớn và không xảy ra hiện tượng va đập thủy lực.
Khởi động nhanh nhất và dừng nhanh nhất servomotor có thể được thực hiện được một cách dễ dàng nhờ điều chỉnh núm chỉnh của van xoay
5 Bộ lọc lắp trên đường cao áp Đây là loại bộ lọc hiệu quả, phần 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 thế để bảo vệ hệ thống
Tác động của Servomotor chính được điều khiển bởi một van xoay dạng cầu để đóng mở cánh hướng
7 Sen-sơ đo hành trình.
Hành trình của servomotor được xác định bởi góc quay của dàn quay cánh tổ máy, với đầu ra được đo bằng biến điện chính xác cao ở điện thế 0-10 V DC Vi
8 Cụm van phân phối khẩn cấp
Cụm van này bao gồm các phần tử thuỷ lực tiêu chuẩn và mô đun tích hợp, với các thành phần chính là van phân phối điều khiển điện từ, van dầu và van ng
Hệ thống thủy lực sử dụng van on off điều khiển điện để điều chỉnh vận tốc của xi lanh servo Tổ hợp các van trong hệ thống cho phép tạo ra nhiều mức vận tốc khác nhau Hệ thống được điều khiển tự động bằng PLC và cũng có thể điều khiển bằng tay thông qua nút bấm Có bốn chế độ hoạt động với ba mức đóng mở: chậm, trung bình và nhanh, mỗi mức tương ứng với một khoảng sai lệch tần số nhất định.
Khoảng tần số điều chỉnh của máy điều tốc nằm trong khoảng từ 42,5 đến 57,5 Hz Khi tần số giảm xuống dưới 45 Hz hoặc tăng lên trên 55 Hz, máy hoạt động ở chế độ đóng, mở nhanh Trong khi đó, tần số dưới 48 Hz và trên 52 Hz khiến máy hoạt động ở chế độ đóng mở trung gian Đặc biệt, khi tần số nằm trong khoảng 49,5 đến 50,5 Hz, máy sẽ hoạt động ở chế độ đóng mở chậm.
1 Chế độ vận hành ổn định cân bằng: các van điện từ ở trạng thái như trên sơ đồ, chưa có tín hiệu điện điều khiển tới các van Xi lanh servo giữ ở vị trí cố định
2 Chế độ mở cánh hướng: có ba chế độ mở:
- Chế độ mở tốc độ chậm: van 8.3 có tín hiệu điện, van 8.1 không có tín
Chế độ mở tốc độ trung bình là chế độ chuyển tiếp từ chế độ mở chậm, trong đó có van số 9 với tín hiệu điều khiển Van số 9 cho phép dầu đi qua van tiết lưu, giúp xi lanh chuyển động nhanh hơn.
Chế độ mở tốc độ nhanh cho phép van số 9 mất tín hiệu điều khiển, trong khi van 8.2 vẫn nhận tín hiệu điều khiển dầu Dầu không đi qua van tiết lưu mà đi thẳng qua van 11, giúp xi lanh chuyển động với vận tốc nhanh nhất.
3 Chế độ đóng cánh hướng: có ba chế độ đóng cánh hướng:
Chế độ đóng tốc độ chậm của van 8.1 có tín hiệu điều khiển, trong khi van 8.3 không có tín hiệu này Buồng điều khiển bên phải của van 11 bị mất áp điều khiển, dẫn đến con trượt trong van 11 lệch sang bên phải Hệ quả là xi lanh di chuyển sang bên trái, làm cho cánh hướng dòng bị đóng lại.
Tính toán thiết kế xy lanh servo của bộ điều tốc
Servo motor là thành phần chính trong bộ điều tốc, chịu trách nhiệm tạo ra lực cần thiết để điều khiển vành điều chỉnh của hệ thống cánh hướng, từ đó điều chỉnh độ mở của cánh hướng một cách hiệu quả.
Hệ thống Servo môtơ bao gồm một xy lanh thủy lực tác động hai phía với các thông số làm việc quan trọng: Năng lực điều chỉnh đạt 3000KGm, cánh tay đòn quy đổi là 0,25m và hành trình lớn nhất cũng là 0,25m Sử dụng hai xy lanh, lực cần thiết của xy lanh được tính là 6000KG.
4.3.1 Xác định đường kính xy lanh Servo và đường kính cần xy lanh
Áp suất làm việc của hệ thống thường dao động từ 25 đến 40 bar Với áp suất làm việc tối thiểu plvmin, diện tích tác động của xylanh được xác định dựa trên giá trị này.
S F lv xl = xl = = (4.1) Đường kính trong của xylanh :
Từ đó chọn đường kính cần piston là d1= 90 mm. d d 1 F xl
4.3.2 Tính độ bền cho xy lanh
Chọn đường kính ngoài của xylanh là : D = 200 mm Ứng suất của mặt trong xylanh dưới tác dụng của áp suất pmax = 40bar :
Với ứng suất này ta có thể chọn vật liệu là Thép đúc :
[ ] δ = 800 KG / cm 2 > δ Như vậy hoàn toàn đủ bền
* Tính đường kính cửa cấp dầu :
Lưu lượng cần thiết để piston di chuyển từ vị trí mở hoàn toàn đến vị trí đóng hoàn toàn trong 6 giây là 150 lít Do đó, lưu lượng vào mỗi xylanh được tính là 75 lít/phút.
Diện tích cửa cấp dầu vào xylanh (S2) và đường kính cửa cấp dầu (d2) ảnh hưởng đến vận tốc dòng chảy (v) qua cửa vào Theo tài liệu [volum3-Rexroth], với áp suất p = 40 bar, vận tốc được chọn là v = 4 m/s Áp dụng vào công thức (3.31), ta nhận được kết quả m d 0, 02.
4.3.3 Tính kiểm nghiệm độ bền uốn cho cần
Lực tác động lớn nhất lên cần được tính như sau:
F : lực tác dụng lớn nhất lên cần
Sk : chiều dài không là việc
E : môdun đàn hồi của Thép; E = 2,1.10 5 (N/mm 2 )
Với cách lắp như sau : thì Sk = l = 740mm(theo xylanh đã thiết kế)
Ta thấy rằng F