Phát điện Thuỷ điện JE-HYO-B-01 117 Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN) III. Máy điều tốc trong nhà máy thủy điện III.1 Chức năng và nguyên lý làm việc của máy điều tốc Máy điều tốc của tua bin là thiết bị dùng để điều chỉnh tốc độ của máy phát điện. Các chức năng chính của máy điều tốc: a. Chức năng điều tốc - Điều chỉnh tốc độ quay của tua bin trong quá trình khởi động/dừng máy - Điều chỉnh tốc độ quay của tua bin trong quá trình làm việc với tải. b. Chức năng điều tải - Điều khiển cánh hướng nước và van kim để điều chỉnh công suất phát. c. Chức năng bảo vệ khi tốc độ quay tăng lên không bình thường - Điều khiển quá trình dừng tránh hiện tượng tăng tốc không bình thường trong trường hợp có hư hỏng sự cố. Các phần chính của máy điều tốc bao gồm phần dẫn động và phần điều chỉnh. Phần dẫn động được cấu tạo bởi các bộ phận cơ khí và các thiết bị điều khiển như bộ chuyển đổi, van khởi động/dừng, van điều khiển, pít-tông điều khiển và van phân phối Phần dẫn động điều khiển về cơ khí góc mở của cánh hướng bằng cách điều chỉnh lượng dầu áp lực vào servomotor, nó đóng mở cánh hướng của tua bin theo tín hiệu điều khiển từ phần điều chỉnh. Phần điều chỉnh được cấu tạo bởi các bộ phận điện và điện tử như các bản mạch và hệ thống dây nối. Phần điều chỉnh nhận tín hiệu đo tốc độ quay của tua bin và góc mở của cánh hướng , dựa vào các tín hiệu đó, nó phát ra tín hiệu điện tử tác động điều khiển chính xác và đưa tới phần dẫn động. Hình III.4 minh họa sơ đồ khối của hệ thống điều khiển hoàn chỉnh cùng đối tượng thừa hành chịu tác động điều khiển từ máy điều tốc. Có hai loại phản hồi, phản hồi cứng và phản hồi mềm. Cơ cấu phản hồi mềm chủ yếu làm việc trong quá trình vận hành ổn định trước khi máy phát chuyển sang chế độ làm việc song song. Cơ cấu phản hồi cứng có chức năng “điều tốc làm việc lâu dài” khi máy phát vận hành song song trong hệ thống và điều chỉnh công suất phát của tua bin để khôi phục tần số của hệ thống. Hình III.5 minh họa nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí. Khi tốc độ quay của bộ điều tốc tăng tỷ lệ với tốc độ quay của tua bin, quả cầu văng ra làm cho khớp nối đi lên và đẩy van phân phối xuống. Khi servomotor đóng lại, điểm tựa phản hồi của đòn nối được nâng lên theo cơ cấu cam, đòn nối chuyển động từ vị trí được vẽ bằng đường nét chấm gạch tới vị trí được vẽ bằng nét đứt. Tốc độ quay sau đó giảm xuống và đòn nối trở lại vị trí được vẽ bằng nét liền. 118 Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN) Phát điện Thuỷ điện JE-HYO-B-01 Thiết bị điều khiển Đối tượng điều khiển Thiết bị giới hạn tải 77 (Khối làm việc) (Nhiễu) Tải hệ thống (Giá trị chuẩn) Độ mở (Phần điều (Khối điều khiển ) Thiết bị điều chỉnh tốc độ 65P chỉnh ) Cơ cấu dầu áp lực (Phần làm việc) Servo motor (Đối tượng điều ∆ω khiển ) Tua bin và máy phát thủy lực Phản hồi âm Cơ cấu phản hồi Phản hồi chính (Bộ phận đo) Bộ phận đo tốc độ Hình III.4 Hệ thống điều khiển có máy điều tốc Cơ cấu đo tốc độ (Bộ điều tốc) Quả cầu z x Điểm tựa phản hồi y Van phân Khớp nối Đòn nối phối Dầu áp lực Bộ phận giảm chấn phản hồi cứng Dầu thoát đi Lỗ nhỏ Cam phản hồi cứng Đóng Mở Vòng hướng Servo motor Cánh hướng Hình III.5 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí III.2 Phân loại máy điều tốc (1) Phân loại máy điều tốc a. Máy điều tốc cơ khí Con lắc ly tâm được sử dụng làm nhiệm vụ đo tốc độ, lực ly tâm tác dụng lên quả cầu sẽ thay đổi khi tốc độ quay thay đổi. Ngoài các máy điều tốc sử dụng con lắc ly tâm làm bộ phận phát động, còn có máy điều tốc sử dụng dây đai, máy điều tốc nối trực tiếp với trục chính của tua bin, máy điều tốc truyền động bằng bánh răng và máy điều tốc sử dụng động cơ điện. Trong khi lực ly tâm được ứng dụng cho máy điều tốc con lắc ly tâm thì các loại máy điều tốc này được phát động bằng lò xo, lò xo lá, hoặc lực trọng trường. b. Máy điều tốc điện Điện áp của máy phát được sử dụng làm tín hiệu vào, nó được đưa qua mạch cộng hưởng hoặc mạch cầu, độ lệch tần số được xác định theo giá trị đặt sau đó tín hiệu đầu ra được đưa qua bộ khuếch đại và chuyển đổi thành các chuyển động cơ khí bằng các cơ cấu chuyển đổi điện-cơ. c. Các loại máy điều tốc khác Máy điều tốc không có bộ điều tốc (Speederless governors) là máy điều tốc trong đó phần đo tốc độ sử dụng trong quá trình vận hành bình thường được bỏ qua, máy điều tốc chỉ làm nhiệm vụ đóng đường vào của nước khi tốc độ máy phát tăng lên không bình thường, tuy nhiên trong quá trình vận hành bình thường việc mở servomotor bị cấm bởi thiết bị giới hạn tải, chúng được kết nối với bộ phận điều chỉnh mức nước của bể áp lực . Máy điều tốc còn được phân ra làm hai loại, loại một (loại A) là các máy điều tốc mà bản thân nó (phần dẫn động) và servomotor được đặt trong một hệ thống hoàn chỉnh (Xem hình III.6), loại còn lại (loại B) là các máy điều tốc có hai phần trên tách rời nhau. Đối với loại B, phần dẫn động được đặt trong một vỏ bọc và được nối với servomotor đặt trong gian tua bin bằng hệ thống ống dẫn thủy lực. Ngoài ra, máy điều tốc còn được phân loại theo tua bin. Các máy điều tốc được mô tả ở trên sử dụng cho tua bin Francis, đối với các máy điều tốc sử dụng cho tua bin cánh quạt, độ mở cánh tua bin tiếp nhận sự điều khiển tiếp theo từ cam, với các độ mở khác nhau của cánh hướng cho phép quá trình vận hành hiệu quả cao. Tổng quan về máy điều tốc được thể hiện trong Hình 1.4. Tương tự đối với máy điều tốc tua bin Pelton, ở đó cơ chế mở/đóng của bộ đo được điều khiển bởi máy điều tốc và độ mở của van kim tiếp nhận điều khiển tiếp theo cùng với độ mở của bộ đo. Cụ thể trong hình III.7, van kim được điều khiển thay vì cánh tua bin, bộ đo được điều khiển thay vì cánh hướng. Trong thực tế, bộ vi xử lý được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển kỹ thuật số, phương pháp này còn được ứng dụng trong quá trình đưa kết quả tính toán của hệ thống điều khiển số tới bộ chuyển đổi điện-cơ để điều khiển cánh tua bin hoặc van kim, do đó cam cơ khí thường dùng để điều khiển cánh tua bin và van kim được thay thế theo phương pháp điện tử nói trên. Ngoài ra, trong các nhà máy điện loại nhỏ và trung bình, servomotor điện không dùng dầu áp lực được sử dụng Bộ đo thời gian Xy lanh khởi động Cam Xy lanh dừng Thiết bị giới hạn độ mở Pít-tông Xy lanh Cơ cấu vận Bộ dừng hành bằng tay ụ ngang Thanh pít-tông Hình III.6 (a) Mặt cắt MĐT cơ khí Động cơ điện điều khiển Chỉ thị điều tốc Chỉ thị mức độ điều tốc Van phân phối Cơ cấu vận hành bằng tay Hình III.6 (b) Máy điều tốc cơ khí Trục phản hồi cánh tua bin Max Góc quay của cánh tua bin Thanh nối trên Min Thanh phản hồi cánh tua bin Độ mở của cửa Cam thay đổi góc mở cánh tua bin Dây neo phản hồi cánh tua bin Thanh nối dưới Thanh phản hồi của van điều khiển Tải trọng Cần điều chỉnh cánh tua bin Trục phản hồi cửa Tải trọng Pít-tông điều khiển Servomotor cánh tua bin Dây neo phản hồi cửa Hướng vào Phần cuối của thanh servomotor cửa Pít-tông của van phân phối cánh tua bin Van phân phối của cánh tua bin Dầu thoát Dầu áp lực Van dầu thoát thường mở Hướng mở cánh tua bin Van dầu áp lực thường đóng Hình III.7 Thiết bị điều khiển cánh tua bin của tua bin cánh quạt (2) Phân loại máy điều tốc theo hoạt động Theo Tổ chức Nghiên cứu Kỹ thuật điện Nhật Bản, máy điều tốc được chia thành ba loại: Loại X, Loại Y và Loại Z, theo hoạt động của chúng. Bảng III.2 cho biết danh mục các hoạt động cả máy điều tốc. Bảng III.2 Danh mục các hoạt động của máy điều tốc Loại Mục X Y Z (*7) Các hoạt động - Vùng chết (%) (*1) - Thời gian chết (S) (*2) Nhỏ hơn 0,02 Nhỏ hơn 0,25 Nhỏ hơn 0,1 Nhỏ hơn 0,3 Chức năng - Thiết bị kết nối (*3) - Thiết bị có đặc tính tốc độ quay là đường phức hợp - Tự động chuyển mạch hãm hoặc P.I.D. Có thể được trang bị Có thể được trang bị Có Không có Không có Không có Vùng điều chỉnh - Tốc độ quay (%) (*4) - Độ suy giảm tốc độ làm việc lâu dài (%) - Độ suy giảm tốc độ tức thời (%) (*5) - Hằng số thời gian của mạ ch hãm (S) 90~108 0~6 0~50 0~15 90~108 0~6 0~50 0~10 Phương pháp đo tốc độ (*6) PMG hoặc SSG PMG, SSG, PT, Không có bộ phận đo tốc độ Cung cấp năng lượng điều khiển máy điều tốc PMG hoặc DC PMG, DC hoặc PT DC hoặc AC PMG: Máy phát sử dụng nam châm vĩnh cửu SSG: Máy phát tín hiệu tốc độ (Chú ý) (*1) Vùng chết cho biết trị số biên độ của tốc độ quay yêu cầu để khởi động (hoặc dừng) vận hành cánh hướng tua bin (Nói đúng ra đây phải là [cửa nhận nước], tuy nhiên, cánh hướng được nói tới ở đây mang tính tượng trưng) để dừng (hoặc khởi động) quá trình làm việc, đưa tốc độ tới trị số định mức định mức. Tuy nhiên, tốc độ quay trước sự biến đổi này được duy trì ở tốc độ định mức và được thay đổi từ từ. Khi có thêm servomotor phụ, vùng chết của servomotor phụ được mô tả tương tự như vùng chết của máy điều tốc. (*2) Thời gian chết biểu thị khoảng thời gian từ khi vận tốc quay thay đổi tại thời điểm bắt đầu quá trình dừng tải hoàn toàn đến khi cánh hướng chuyển động. Nếu như máy điều tốc được trang bị servomotor phụ, khoảng thời gian đó được tính đến khi servomotor phụ khởi động và được mô tả tương tự như [Thời gian chết của máy điều tốc]. Đối với các servomotor điện, thời gian chết khác nhau và thời gian chết tương đương có thể lớn hơn phụ thuộc vào độ trễ của cơ cấu làm việc. (Xem hình III.8(a)). Vì vậy cần tính toán mức độ dao động tốc Độ mở cánh hướng Vận tốc quay (%) độ và áp suất thủy lực tương đương theo thời gian chết tương đương (khoảng 0,25 - 0,4s). (*3) Nhà máy điện là nơi đòi hỏi có sự kết nối, (được áp dụng trong máy điều tốc Loại X). (*4) Quan hệ giữa tốc độ quay và hành trình của servomotor được minh họa trên hình III.8(b). Phần gạch chéo là phần có thể điều chỉnh được trong trường hợp độ suy giảm tốc độ bằng 6%. (*5) Độ suy giảm tốc độ và hằng số thời gian của mạch hãm (phản hồi mềm) được nói tới trong các máy điều tốc có mạch hãm. Trong trường hợp này, điều chỉnh bậc thang có thể sử dụng thay cho điều chỉnh liên tục. (*6) Trong các phương pháp đo vận tốc quay, phương pháp PT không thể đo vận tốc quay trong tình trạng không có điện áp máy phát (trong quá trình nạp điện và làm khô khi thử nghiệm) vậy nên cần phải chú ý. (*7) Máy điều tốc Loại Z là một thiết bị điều tải chỉ thông qua quá trình điều chỉnh độ mở của cánh hướng, không được trang bị thiết bị đo tốc độ. Tuy nhiên thiết bị này có chức năng điều khiển tốc độ nê máy phát có thể làm việc ở chế độ vận hành song song, điều chỉnh cánh hướng chỉ được áp dụng trong một số trường hợp. Thời gian chết tương đương Thời gian chết Servomotor bắt đầu tác động Thời gian đóng tương đương Thời gian Hành trình của servo motor (hoặc servomotor phụ ) (%) Hình III.8(a) Thời gian chết và thời gian Hình III.8(b) Quan hệ giữa tốc độ quay và hành trình của servomotor ( ∗ ) Thời gian chết tương đương τ c ) Biểu thị khoảng thời gian từ khi tốc độ quay thay đổi đến thời điểm bắt đầu dừng máy tương đương (T c ). Các nhà máy thủy điện được phân loại chung thành thủy điện kiểu đập và kiểu kênh dẫn, triển vọng của chúng đối với quá trình vận hành của lưới điện được quyết định bởi khả năng phát và tỷ lệ công suất phát hàng năm (tỷ lệ công suất phát sẵn có hàng năm) Các yếu tố này phụ thuộc vào tình trạng cung cấp nước của nơi nhà máy được xây dựng. Ví dụ, đối với các nhà máy điện công suất lớn có thể cung cấp lượng nước ổn định, tần số của hệ thống được điều chỉnh chính xác, đối với các nhà máy điện nhỏ và vừa kiểu kênh dẫn, việc cung cấp nước không ổn định, công suất phát phụ thuộc vào lượng nước. Do đó cần đề ra các tiêu chuẩn lựa chọn máy điều tốc, trước hết cho phép lựa chọn chính xác máy điều tốc được lắp đặt mới hoặc thay thế. Bảng III.3: Các tiêu chuẩn lựa chọn máy điều tốc theo Tổ chức Nghiên cứu Kỹ thuật điện (Nhật Bản). Bảng III.3 Các tiêu chuẩn lựa chọn máy điều tốc Loại Các tiêu chuẩn có thể áp dụng X (a) Các nhà máy thủy điện tích năng (b) Các nhà máy thủy điện làm nhiệm vụ điều tần cho lưới điện bằng các máy điều tốc làm việc tự do hoặc vận hành thiết bị AFC(Thiết bị điều chỉnh tần số tự động). Y (a) Các nhà máy thủy điện làm nhiệm vụ điều tần cho lưới điện giống ở Loại X. (b) Các nhà máy điện tương ứng với Loại X, thông qua chế độ vận hành đơn, tiến hành nạp theo đường thử nghiệm và nạp theo đường cưỡng bức. Z (Máy điều tốc không có bộ điều tốc) (a) Các nhà máy điện không làm nhiệm vụ điều tần (b) Các nhà máy điện sử dụng máy phát cảm ứng. III.3 Cấu tạo của máy điều tốc Máy điều tốc theo định nghĩa trước đây là một tổ hợp các chức năng điều chỉnh độ mở của van tiết lưu. Mục này mô tả các chức năng đó được thực hiện như thế nào trong thực tế. Hình III.9 minh họa hệ thống điều khiển máy điều tốc cùng với các chức năng của nó. Các chức năng của chúng được giải thích theo hình vẽ. (a) Bộ phận đo tần số Đây là bộ phận làm nhiệm vụ đo tốc độ quay (tần số) của tua bin thủy lực và PMG (Máy phát sử dụng nam châm vĩnh cửu) được nối trực tiếp với trục của máy phát hoặc thường được nối qua máy biến áp (PT) của máy phát. (b) Bộ phận đo độ lệch tần số (∆F) Bộ phận này có bộ đặt tần số chuẩn và đo độ lệch tần số bằng cách so sánh giá trị chỉnh định (50 hoặc 60 Hz) và tín hiệu từ PMG hay PT. Trong khối này còn có các chức năng (1) điều chỉnh độ suy giảm tốc độ và (2) điều chỉnh vùng chết của tần số. (c) Thiết bị điều tần/tải Thiết bị này thường được nói tới là 65P. Thiết bị điều tần/tải được sử dụng để điều chỉnh tần số khi đưa máy phát vào vận hành song song với lưới điện và khi người vận hành thực hiện điều chỉnh công suất máy phát. Đây là loại thiết bị chạy bằng động cơ. (d) Cơ cấu phản hồi mềm và phản hồi cứng Khi trọng lượng của tua bin và máy phát lớn, tốc độ quay không thay đổi tức thời sau khi van tiết lưu của tua bịn đuợc điều chỉnh mở hoặc đóng. Nếu cho rằng tốc độ quay của tua bin thay đổi thì van tiết lưu được điều chỉnh đóng, mở theo độ lệch tần số ∆F. Tuy nhiên, khi ∆F được duy trì, van tiết lưu sẽ được mở hoặc đóng quá mức do đó tốc độ quay không thể đạt được trị số không đổi khi nó không thay đổi nhanh như trên. Thiết bị phản hồi có tác dụng hỗ trợ cho quá trình điều chỉnh ổn định, nó được cấu tạo bởi cơ cấu phản hồi cứng là thiết bị điều tốc và cơ cấu phản hồi mềm là mạch hãm. (e) Bộ khuếch đại các tín hiệu thành phần Các tín hiệu nói tới trong các mục (b), (c), và (d) được tổng hợp, khuếch đại bằng bộ khuếch đại số và khuếch đại công suất để phát ra tính hiệu truyền tới bộ chuyển đổi. Khối này còn có chức năng điều chỉnh theo dao động nhỏ. (f) Bộ chuyển đổi Bộ chuyển đổi là thiết bị tạo ra các chuyển động cơ khí tỷ lệ với tín hiệu điện nhận được từ phần điện đã nói ở trên. (g) Van điều khiển Chuyển động cơ khí được chuyển thành sự thay đổi lưu lượng của dầu áp lực để điều chỉnh pít tông điều khiển. (h) Pít tông điều khiển Đây là một servomotor được dẫn động bằng dầu áp lực từ van điều khiển. Cần pít tông được nối trực tiếp với van phân phối và chuyển động theo van phân phối. Ngoài ra sự chuyển động của cần pít tông còn được phản hồi trở về van điều khiển vì vậy có thể tạo ra được chuyển động ổn định. (i) Van phân phối Đây là một khuếch đại thủy lực làm chuyển động servomotor chính. Van phân phối được điều khiển bằng pít tông điều khiển. (j) Servo motor Được sử dụng để dẫn động van tiết lưu. Trong một vài trường hợp sử dụng một servomotor chính và một servomotor phụ. (k) Thiết bị giới hạn tải Thiết bị này tạo ra một giới hạn theo đó van tiết lưu trên tua bin không mở quá mức quy định. Trong nhiều trường hợp, thiết bị giới hạn tải được sử dụng dưới dạng AWLR (Điều chỉnh mức nước tự động) hoặc ALR (Điều tải tự động). Thiết bị này còn được sử dụng làm thiết bị khởi động tua bin. (l) Thiết bị dừng khẩn cấp Van tiết lưu trên tua bin được đóng lại hoàn toàn bằng thiết bị này. Trong trường hợp tua bin phải dừng khẩn cấp vì trục trặc xảy ra đối với tua bin hoặc máy phát thì thiết bị này khởi động và đóng hoàn toàn van tiết lưu của tua bin. Thông thường, thiết bị dừng khẩn cấp được khởi động khi dừng tua bin thủy lực. (m) Van tiết lưu Nó cho biết cánh hướng hoặc van kim (kim phun) có phù hợp với loại tua bin được sử dụng hay không. Thiết bị điều chỉnh tần số/tải Thiết bị dừng khẩn cấp Đo độ lệch tần số Khuếch đại tín hiệu Chuyển đổi Van điều khiển Píttông điều khiển Van phân phối và servomotor Van tiết lưu (Tua bin nước) ＊ Thiết bị giới hạn tải (Phần điện (Điều chỉnh)) Phản hồi cứng/mềm (Phần dẫn động) Đo tần số (Máy phát) Hình III.9 Hệ thống điều khiển của máy điều tốc . loại máy điều tốc khác Máy điều tốc không có bộ điều tốc (Speederless governors) là máy điều tốc trong đó phần đo tốc độ sử dụng trong quá trình vận hành bình thường được bỏ qua, máy điều tốc. cưỡng bức. Z (Máy điều tốc không có bộ điều tốc) (a) Các nhà máy điện không làm nhiệm vụ điều tần (b) Các nhà máy điện sử dụng máy phát cảm ứng. III.3 Cấu tạo của máy điều tốc Máy điều tốc theo định. (JICA-EVN) III. Máy điều tốc trong nhà máy thủy điện III.1 Chức năng và nguyên lý làm việc của máy điều tốc Máy điều tốc của tua bin là thiết bị dùng để điều chỉnh tốc độ của máy phát điện. Các