Đề Tài Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Điều Tốc Nhà Máy Thủy Điện.pdf

Tuy nhiên, trong quá trình vận hành phụ tải luôn gặp những biến động như: sự cố lưới điện,thay đổi công suất, tần số, chế độ làm việc của phụ tải và tổ máy, dẫn đến sự mất ổn định của h

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

-

Đề tài Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều tốc

nhà máy thủy điện

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Hồng Quang Sinh viên thực hiện: Ngô Huy Hân MSSV: 20222525 Lớp: Điều khiển- Tự động khóa EE2-04 K67

Mục lục

Lời nói đầu: 3

A- Giới thiệu: 4 B- Thiết kế hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện

I Tại sao cần điều tốc cho turbine thủy điện ? 5

II Bộ phận chính của hệ thống điều tốc 6 III Thành phần chính của hệ thống điều khiển tự động turbine 7

IV Sơ đồ cấu trúc của hệ thống 9

V Quá trình điều chỉnh tần số và công suất của hệ thống điều tốc 10

VI Mô tả hoạt động của tủ 11 VII Các thông số kỹ thuật 17 VIII Thuật toán điều khiển tầm số và công suất 18

IX Các bước thí nghiệm trước khi đưa hệ thống điều tốc vào làm việc 21

C Kết luận 22

LỜI NÓI ĐẦU

Sau thời gian gần 5 tháng học tập tại Đại Học Bách Khoa

Hà Nội, chúng em cảm nhận được rằng, khác với khi còn học trung học phổ thông, bước vào giảng đường đại học, được tiếp cận với một phương thức đào tạo mới chúng

em sẽ phải học tập với một tinh thần hoàn toàn khác, mà điểm khác biệt rõ rệt nhất là chúng em phải thể hiện sự tự chủ, tính độc lập trong học tập Nhưng chúng em luôn vững tin vì biết rằng đồng hành cùng chúng em luôn là các thầy cô giáo – những người đang ngày đêm tận tụy trên giảngđường để truyền đạt cho bao thế hệ sinh viên những kiến thức quý báu cùng những kỹ năng, kinh nghiệm để làm hành trang vào đời Đặc biệt trong bộ môn Nhập môn ngành điện, được sự phân công ưu ái của nhà trường, chúng em được thực hiện học phần này dưới

sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Hồng Quang Dù mới qua bước đầu làm việc với thầy, em đã cảm nhận được ở thầy sự tận tình, nhiệt huyết vô cùng lớn Dù thầy rất bận bịu với công việc của mình nhưng thầy đều không hề tiếc thời gian phân tích, chỉ bảo, đưa ra những lời khuyên vô cùng kịp thời và quý báu Em xin được gửi tới thầy lời biết ơn sâu sắc nhất!

Chúng em đã cố gắng hoàn thiện tốt nhất báo cáo này trong khả năng của mình, tuy nhiên do không có nhiều kinh nghiệm nên bản báo cáo này khó tránh khỏi còn nhiều thiếu sót Vì vậy em mong nhận được sự thông cảm, chỉ bảo của thầy cũng như quý thầy cô giảng viên, giáo vụ của Trường Điện – Điện tử

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

A - Giới thiệu

Đối với hệ thống điện Việt Nam hiện nay việc nâng cao công suất và ổn định hệ thống để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện đang cần thiết và rất cấp bách Để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện cho các phụ tải và nâng cao chất lượng điện năng, Chính phủ cùng các Bộ, ngành, địa phương đã đưa ra rất nhiều chính sách ưu đãi khuyến khíchcác tổng công ty, doanh nghiệp tư nhân và doanh nghiệp nước ngoài đầu tư xây dựng nhà máy phát điện để cung cấp cho hệ thống điện Việt Nam, đặc biệt ưu tiên năng lượng tái tạo nhằm nâng cao chất lượng điện năng, đảm bảo an toàn, an ninh năng lượng Quốc gia.

Trong hệ thống điện hiện nay bao gồm các nguồn phát điện khác nhau như: nhiệt điện, thủy điện, năng lượng mặt trời, năng lượng gióv.v , trong đó năng lượng thủy điện đang chiếm khoảng 23% công suất phát vào lưới điện Quốc gia.Thủy điện là nguồn điệnđược phát điện thông qua việc biến đổi năng lượng từ nước dưới dạng thế năng biến đổi thành cơ năng làm quay tuabin-máy phát để phát ra điện cung cấp cho phụ tải Tuy nhiên, trong quá trình vận hành phụ tải luôn gặp những biến động như: sự cố lưới điện,thay đổi công suất, tần số, chế

độ làm việc của phụ tải và tổ máy, dẫn đến sự mất ổn định của hệ thống điện Do vậy, nhiệm vụ của bộ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện là phải giữ sao cho công suất và tần số lưới điện luôn ổn định khi tải thay đổi.

Và sau đây chúng ta sẽ cùng nhau nghiên cứu về thiết kế

hệ thống nhà máy thủy điện nhé!

B Thiết kế hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện

I Tại sao cần điều tốc cho turbine thủy điện?

Để trả lời câu hỏi này chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về nhiệm vụ và chức năng của hệ thống điều tốc

• Mc phụ thuộc chủ yếu vào phụ tải của máy phát điện Pmf

• Còn Mq phụ thuộc chủ yếu vào công suất của Tuabin Pt

Mq=Pt/ω=η.Q.H/ω (2) vì vậy Pt=f(Q,H,η)

Do đó, điều chỉnh công suất Tuabin thực chất là điều chỉnh lưu lượng nước vào Tuabin bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng Nhiệm vụ của hệthống điều tốc là phải cảm nhận được sự thay đổi này để đảm bảo mang lại một sự cân bằng cần thiết trong hệ thống

2 Chức năng

• Tự động khởi động tổ máy và đưa tổ máy đến tần số quay định mức

• Ổn định tần số quay khi hoạt động không tải và khi có tải riêng, cả khi song song với các tổ máy khác

• Đáp ứng công suất hữu công theo yêu cầu

• Hoạt động của tổ máy ở chế độ bù đồng bộ

• Giới hạn công suất hữu công của máy phát

• Điều khiển từ máy tính trung tâm các chế độ: chế độ nhóm, chế độ bù đồng bộ, chế độ công suất, dừng máy ở chế độ bình thường, sự cố

• Tạo các tín hiệu thông tin và cảnh báo về các hoạt động của bộ điều chỉnh tại chỗ, gửi lên máy tính điều khiển trung tâm

II Bộ phận chính của hệ thống điều tốc.

- Bộ đo tốc độ

- Bộ đo tín hiệu ngược

- Van trượt điều khiển

- Bộ khuếch đại đầu cuối

- PLC

a Bộ đo tốc độ

Có nhiều cách để lấy tốc độ máy phát: từ máy phát tốc, từ bánh răng Tùy theo mỗi cách lấy, người ta sẽ sử dụng loại cảm biến phù hợp Tín hiệu đo tốc độ được chuyển về PLC để xử lý

b Bộ đo tín hiệu ngược

Tín hiệu ngược tỉ lệ tuyến tính dùng để xác định vị trí cánh hướng Thiết

bị này được lắp đặt ngay trên servomotor

c Van trượt điều khiển: Cơ chế của cánh hướng được điều khiển thông qua hoạt động của Servo motor Van trượt điều khiển có nhiệm vụ chỉ báo tín hiệu về vị trí, hoạt động của servo motor cho bộ điều khiển trung tâm

Các loại van trượt điều khiển:

- Van tỉ lệ: Có khả năng điều chỉnh vô cấp Để điều khiển con trượt di chuyển dọc, người ta sử dụng hai nam châm điện đối xứng Con trượt được điều chỉnh chính xác nhờ cảm biến vị trí

- Van servo: Khả năng điều khiển vô cấp con trượt với độ nhạy cao tương

tự như van tỉ lệ Người ta sử dụng nam châm điện kết hợp với hệ thống bơm dầu kết cấu đối xứng để điều khiển con trượt

d Bộ khuếch đại đầu cuối

Tín hiệu đầu vào đó là tín hiệu điện 4 - 20 mA Ở trạng thái bình thường, cường độ dòng điện là 12 mA Khi có sai lệch đèn cân bằng sáng + hoặc -

Đại lượng mở thực tế chỉ thị ở cửa sổ màn hình Khi tiến hành cài đặt và khi có sự cố bộ khuếch đại này có thể làm việc ở chế độ bằng tay bằng nút điều chỉnh

e Bộ điều khiển PLC: Là não bộ của bộ điều tốc Toàn bộ quá trình hoạt động của hệ thống điều tốc được điều khiển của thiết bị này

III.Thành phần chính của hệ thống điều khiển tự động turbine

Hệ thống điều khiển tự động turbine đảm bảo cho turbine hoạt động bình thường mà không cần sự có mặt thường xuyên của nhân viên vận hành

- Panel thiết bị điện

Trong panel thiết bị điện có lắp ráp thiết bị điện tử, các khối tín hiệu điềukhiển cho cột điều khiển điện thủy lực, và một số lượng cần thiết các thiết

bị đầu vào và đầu ra của rơ le điện từ, cho phép sử dụng các tín hiệu của

hệ thống điều khiển, và chuyển các tín hiệu điều khiển và thông tin vào

hệ thống điều khiển

2 Hệ thống dầu áp lực MHY

MHY được sử dụng để tạo ra nguồn dầu áp lực 40kg/cm2 , cung cấp cho

hệ thống điều khiển phần cơ khí thuỷ lực của hệ thống điều tốc tổ máy (hình 3.2)

3 Hệ thống đóng sự cố cánh hướng

Hệ thống đóng sự cố cánh hướng dùng cho turbine thủy lực bao gồm: Van trượt sự cố có điều khiển thủy lực, van trực tiếp tác động lên động cơtrợ động cánh hướng về phía đóng để bảo vệ tổ máy trong tình trạng sự

cố

* Nguyên lý làm việc: Bình thường trượt sự cố (2) ở vị trí bên phải vì do lực căn lò xo nên kim trượt (4) ở vị trí dưới dầu từ bình MHY vào khoang trái của trượt sự cố ( hai bên đều có áp lực từ bình MHY nhưng

do vi sai của 2 đầu piston (2) dành quyền điều khiển từ van trượt chính

Khi có lệnh sự cố khẩn cấp: Từ hệ thống bảo vệ đưa vào cuộn dây điện từ

5 hoặc từ thiết bị chống lồng tốc 160% (con lắc ly tâm) Lúc này trượt (4)

đi lên trên làm thông khoang trên của trượt điều khiển (3) và khoang trái của piston (2) với đường xả piston này dịch chuyển sang trái bịt kín đường đóng và mở từ ngăn kéo chính và dầu áp lực từ hệ thống MHY đi thẳng đến khoang đóng servomotor, còn dầu từ khoang mở đổ về bể xả theo đường trên hình 3.2

4 Thiết bị chống tăng tốc

Thiết bị chống tăng tốc bao gồm bộ ngắt li tâm với van chống tăng tốc tácđộng lên van trượt sự cố để dừng sự cố tổ máy khi tốc độ vượt quá 160% tốc độ định mức, lúc này bộ ngắt ly tâm sẽ sinh ra động năng đủ lớn thắng được lực cản của lò xo tác động lên van điều khiển chống tăng tốc

và cuối cùng tác động đến van trượt sự cố để dừng khẩn cấp tổ máy theo đường như hình 3.2

IV.Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống điều tốc

Sơ đồ tổng quát bộ điều tốc như hình 3.9

Ở các nhà máy thuỷ điện hiện đại việc điều chỉnh tốc độ quay của turbine thuỷ lực được thực hiện bằng bộ điều chỉnh PID gồm hai phần:

- Các bộ vi xử lý: Là bộ điều chỉnh PID thực hiện việc điều chỉnh tốc độ cho turbine Tín hiệu đầu vào là các trạng thái rơ le, tín hiệu từ bộ đồng

bộ máy phát, tín hiệu phản hồi công suất, tín hiệu điện áp máy phát, điện

áp lưới, tín hiệu cột áp Tín hiệu ra của các bộ vi xử lý đưa vào hệ thống theo dõi và khuếch đại công suất bằng

điện tử để từ đó điều chỉnh các cơ cấu thuỷ lực

- Các bộ theo dõi và khuếch đại công suất: Đây là các bộ điện tử điều khiển trực tiếp các cơ cấu thuỷ lực, cơ khí có liên quan đến điều tốc, nó đảm bảo sự hồi tiếp vị trí của những thiết bị điều khiển cơ khí qua các acturator điện hay thuỷ lực

Sơ đồ cấu trúc cơ bản của bộ điều tốc được mô tả như hình 3.9, bao gồm: Một tầng điều chỉnh: Xử lý các điểm đặt vị trí theo tốc độ tổ máy và điểmđặt mở qua một bộ điều chỉnh PID

- Một tầng công suất: Định vị cơ cấu điều khiển turbine bằng cách dùng một hệ thống thuỷ lực điều khiển (actuator, van phân phối, servomotor)

V.Quá trình điều chỉnh tần số và công suất của hệ thống điều tốc

a Sơ lược về quá trình điều chỉnh tần số

Tần số và điện áp là hai chỉ tiêu quan trọng nhất của chất lượng điện năng Khác với điện áp, tần số tại mọi điểm trong hệ thống đều như nhau

và việc điều chỉnh tần số chỉ có thể thực hiện tại các nhà máy điện Một đặc trưng nổi bật và đặt biệt của tuabin là độ ổn định tốc độ Nó được định nghĩa là phần trăm thay đổi tần số cho phần trăm thay đổi công suất đầu ra của tuabin

Speed Droop được định nghĩa như sau:

Bp=(Δf/fđm)/(ΔP/Pmax) %

Khi Bp = 0, ta có đặc tính định vị tần số Luôn giữ được tần số cố định ứng với mọi mức công suất phát, nên chỉ dùng cho các tổ máy làm việc trên lưới độc lập

- Điều chỉnh sơ cấp: Điều chỉnh sơ cấp là quá trình tăng lượng nước vào turbine khi tần số giảm Kết thúc quá trình điều chỉnh sơ cấp, tần số máy phát vẫn nhỏ hơn tần số quy định, do lượng công suất phát lên không bù hoàn toàn được độ gia tăng công suất phụ tải

- Điều chỉnh thứ cấp: Quá trình điều chỉnh thứ cấp đó là quá trình đặt lại công suất của tổ máy

Như vậy, bằng việc điều chỉnh sơ cấp và thứ cấp, công suất phát của tổ máy tăng lên để đáp ứng phụ tải và vẫn giữ được tần số ban đầu.Điều chỉnh sơ cấp được thực hiện ở tất cả các nhà máy điện, còn điều khiển thứ cấp chỉ có ở một số nhà máy Điều khiển thứ cấp có thể thực hiện bằng tay hay tự động

- Quá trình điều chỉnh tần số theo phụ tải:

Theo các đường đặc tính tần số của thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ của turbin (PF0) và đặc tính tần số của phụ tải tổng của hệ thống có xét đến tổn thất công suất trong mạng (Ppt0) Giao điểm của hai đường đặc tính này xác định tần số làm việc của hệ thống f0

Giả sử phụ tải tổng trong hệ thống tăng lên và ta có đường đặc tính Ppt Nếu không có thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ, tức công suất của máy phát điện không đổi (bằng P0) thì hệ thống sẽ chuyển sang làm việc tại điểm a và tần số sẽ giảm xuống trị số f1 Khi có điều chỉnh tốc độ, tức có điều chỉnh sơ cấp thì hệ thống sẽ làm việc tại điểm b và tần số sẽ giảm xuống trị số f0 > f2 > f1 Khi có thiết bị tự động điều chỉnh tần số, tức có điều chỉnh thứ cấp thì đường đặc tần số của máy phát sẽ dịch chuyển lên thành đường (PF) và hệ thống sẽ làm việc tại điểm c, ứng với nó ta có tần

số f0’ = f0

Có thể chia quá trình điều chỉnh tần số thành ba giai đoạn như sau:

+ Lúc đầu khi phụ tải tăng đột ngột, tần số chưa kịp biến đổi nên thiết bị

tự động điều chỉnh tốc độ và tần số chưa tác động Công suất tăng sẽ do mỗi tổ máy phát gánh một phần, nhiều ít tùy theo sức điện động và góc pha của chúng và các điện kháng trong mạng Trong lúc đó công suất của turbin vẫn chưa tăng do các máy phát bị hãm và tần số trong hệ thống giảm xuống

+ Khi độ lệch của tần số vượt quá vùng không nhạy của thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ của turbin (khoảng 0,05% fđm đối với turbin hơi và 0,02% fđm đối với turbin nước) thì các bộ điều chỉnh tốc độ bắt đầu làm việc Nhưng vì nó có quán tính nên tác động chậm trễ khoảng (1÷2 sec), sau khi tác động lượng hơi nước vào turbin tăng và tần số bắt đầu tăng (đoạn ab trên đặc tính Ppt)

+ Khi độ lệch của tần số vượt quá vùng không nhạy của thiết bị tự động điều chỉnh tần số (khoảng 0,02%) thì nó bắt đầu tác động và làm dịch chuyển đường đặc tính điều chỉnh tốc độ của turbin Tốc độ dịch chuyển tương đối chậm, quá trình điều chỉnh chiếm khoảng (30÷40 sec) mới phục hồi được tần số định mức

Trong hệ thống cần phải giao nhiệm vụ điều chỉnh tần số cho một số nhà máy điện nhất định (làm việc ở phần đỉnh phụ tải)

b Quy luật điều chỉnh tần số

- Đáp ứng của bộ điều chỉnh PID trong quá trình khởi động

- Điều chỉnh tần số chỉ thực hiện khi tổ máy chạy ở chế độ không tải và khi làm việc ở chế độ tần số Trong quá trình điều chỉnh công suất, bộ PID được cắt đi

VI Mô tả và hoạt động của tủ

2 Đường kính van trượt chính, mm: 100

3 Hành trình của van trượt chính, mm: +15

4 Dầu sử dụng hoạt động: Dầu turbine ТΠ- 30

5 Độ tinh cần thiết của bộ lọc dầu, Mkm: 10

6 Nhiệt độ dầu hoạt động, Co : 10-40

7 Điện trở cuộn dây của bộ khuyếch đại thuỷ lực tỷ lệ, kΩ: 100

8 Điện áp điều khiển bộ khuyếch đại thuỷ lực tỷ lệ, V: (-10 ÷ 0 ÷ +10)

9 Điện áp của các nam châm điện điều khiển, bộ khuyếch đại điện thuỷ lực tỷ lệ,

3 Cấu tạo của tủ điều tốc cơ

Cấu tạo của tủ điều tốc cơ bao gồm các bộ phận cơ bản sau đây:

- Van trượt chính (Main Valve);

- Khối điều khiển

- Cơ cấu phản hồi độ mở cánh hướng (Guide Vane Position Sensor);

- Bộ lọc dầu thô F (trên sơ đồ: Filter rough cleaning);

- Bộ lọc dầu tinh đôi FTO (tiếng nga ФТО; trên sơ đồ: Filter dualthin cleaning)

- Phía trước mặt tủ có đặt một khoá giới hạn điện tử độ mở cánh hướng của tổ máy

Ngoài ra, trước mặt tủ có đặt các thiết bị đo lường kiểm tra và báo hiệu cần thiết sau đây để giám sát hoạt động của tổ máy và tủ điều tốc:

- Tốc kế điện, hiển thị tần số quay của tổ máy

- Đồng hồ hiển thị độ mở cánh hướng

- Dụng cụ cân bằng, hiển thị giá trị và cực tính điện áp điều khiển bộ khuyếch

đại thuỷ lực tỷ lệ

- Đèn tín hiệu vị trí bộ hãm của servomotor cánh hướng

Các đường ống dẫn dầu được nối với tủ từ phía dưới

4 Cơ cấu thiết bị của tủ điều khiển

Phần mô tả được thưc hiện theo sơ đồ nguyên lý thuỷ lực hình 3.3 Các thành phần của sơ đồ được biểu hiện tại vị trí tương ứng với chế độ làm việc được xác lập trong quá trình điều khiển tự động

5 Khối điều khiển

Khối điều khiển bao gồm:

- Van thuỷ lực tỷ lệ ПГР hay còn gọi bộ biến đổi điện - thuỷ lực EHT (trong sơ đồ: Servo solenoid valve);

- Cơ cấu khởi động - dừng МПО (hay SSV: Start-Stop Valve);

- Van điều khiển bằng tay (Manual Control Valve)

Van thuỷ lực tỷ lệ ПГР biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành dòng dầu tỷ

lệ cung cấp cho servomotor phụ trợ của van trượt chính

Khối điều khiển của hệ thống giám sát điện thuỷ lực điều khiển van thuỷ lực tỷ lệ ПГР với điện áp điều khiển 0+10V và điện áp nguồn cấp là 24V.Khi không có tín hiệu điều khiển, dưới tác động của lò xo, van thuỷ lực tỷ

lệ ПГР được xác lập tại vị trí mà tất cả các ống dẫn dầu của nó được đónglại

Cơ cấu khởi động - dừng МПО thực hiện khởi động tổ máy ở chế độ tự động, động/dừng” (tương ứng với vị trí “B”/“A”) của cơ cấu МПО được thực hiện bằng việc đóng/cắt dòng điện một chiều 24V qua một nam châm điện Khi có điện áp 24V, cơ cấu МПО dịch chuyển sang vị trí “B”.Khi mất điện áp này, cơ cấu sẽ trở về vị trí “A” dưới tác động của lò xo