Nhà máy điện Phú Mỹ tại tỉnh Đồng Nai

Nhà máy điện Phú Mỹ tại tỉnh Đồng Nai

bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn

viện khoa học thủy lợi

báo cáo tổng kết chuyên đề

xây dựng cơ sở khoa học đề xuất gam thủy điện nhỏ việt nam đánh giá tổng quan về phát triển thuỷ điện nhỏ trên thế giới và ở việt nam

thuộc đề tài kc 07.04:

“nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và

sử dụng các loại năng lượng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trường”

Mục lục Trang

1.1 Sự cần thiết xây dựng gam thủy điện cực nhỏ 2

1.2 Một số khái niệm trong phân loại thiết bị thủy điện 2

Chương II Tổng quan về gam thủy điện cực nhỏ và

thủy điện siêu nhỏ

6

2.2 Nghiên cứu và chế tạo thiết bị thủy điện ở Việt Nam 15

Chương III Cơ sở khoa học và phương pháp chung

phân loại tua bin nước

26

3.3 Sự cần thiết tiêu chuẩn hóa loại tua bin 27

3.4 Những chỉ tiêu cơ bản đặt ra trong phân loại tua bin 27

Chương 4 Xác định phạm vi làm việc của tua bin

xung kích hai lần và tua bin tia nghiêng cho thủy điện nhỏ

38

4.1 Những chỉ tiêu và công thức cơ bản trong tua bin

xung kích hai lần, tua bin tia nghiêng và tua bin gáo

38

4.2 Xác định các chỉ tiêu ns, Q1’, N1’ của tua bin xung

kích hai lần, tua bin gáo, tua bin tia nghiêng

39

4.3 Phương pháp xây dựng gam tua bin xung kích hai lần 42

Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04

Chương I Mở đầu

1.1 Sự cần thiết xây dựng gam thủy điện cực nhỏ

Kỹ thuật về thủy điện đã hình thành và phát triển hàng trăm năm nay, cùng với

sự tiến bộ về khoa học và công nghệ nói chung công nghệ thủy điện cũng có những

bước phát triển vượt bậc với quy mô thiết bị ngày càng lớn, hiệu suất được nâng cao,

đặc tính, năng lượng và xâm thực ngày càng được cải thiện, chi phí vật liệu/1kW công

suất ngày càng giảm và giá thành thiết bị ngày càng hạ, độ bền được nâng cao Do tính

chất đa dạng về chủng loại thiết bị và điều kiện sử dụng (như công suất, cột nước, độ

cao hút…) dẫn đến thiết bị thủy điện hết sức đa dạng Nhưng nhìn chung các nhà

nghiên cứu và sản xuất thiết bị thủy điện trên thế giới đang hướng tới những tiêu chí

chung là xây dựng gam thiết bị thủy điện có số lượng ít nhưng đáp ứng một cách hiệu

quả yêu cầu của thực tiễn Việc nghiên cứu, đề xuất một gam máy có số lượng ít, tạo

điều kiện cho xây dựng quy trình công nghệ hoàn chỉnh tạo ra sản phẩm có chất lượng

cao là một đòi hỏi cấp bách Qua khảo sát gam thủy điện cực nhỏ của Trung Quốc

(phạm vi P ≤ 100 kW) có tới trên 100 kiểu loại kích cỡ tua bin khác nhau Trong khi

gam thủy điện cực nhỏ của một số hãng chỉ trong phạm vi 6 đến 10 loại thiết bị cũng

đáp ứng được cơ bản nhu cầu sử dụng như vậy Hơn nữa thế giới đang hướng tới sử

dụng các loại tua bin có phạm vi làm việc rộng (có vùng hiệu suất cao khi lưu lượng

thay đổi từ 20 ữ 100%) và thiết bị bảo vệ, tự động hoá áp dụng kỹ thuật số đã làm cho

chất lượng thiết bị thủy điện tăng cao và hạ giá thành

ở Việt Nam do sử dụng thông tin khoa học công nghệ thủy điện cũ, ảnh hưởng

của tư tưởng đem công nghệ thủy điện lớn áp dụng cho thủy điện nhỏ nên gam thủy

điện của ta quá phức tạp, chất lượng thấp và chi phí cao Do vậy việc nghiên cứu và xây

dựng lại gam thủy điện cực nhỏ là việc làm rất cần thiết

1.2 Một số khái niệm trong phân loại thiết bị thủy điện

- Thiết bị thủy điện theo thông lệ quốc tế được chia làm ba loại: thủy điện lớn,

thủy điện vừa và thủy điện nhỏ Tiêu chí phân loại dựa vào các thông số gồm: công

suất, điện áp (tương ứng với nó là đường kính bánh xe công tác: D1) Ví dụ:

ở cột nước H = 100 m; P ≥ 30 MW được coi là thủy điện lớn nhưng ở cột nước H

= 3 m; P ≥ 0,6 MW được coi là thủy điện lớn

Phạm vi thủy điện lớn theo phân loại của Liên Xô (cũ) cũng tương đồng với một

số nước như hình 1 sau:

Biểu đồ tổng hợp hệ loại mới của tuốc bin phản kích lớn

Hình 1: Phạm vi thủy điện lớn theo công suất và cột nước

- Cũng tương tự như vậy, thủy điện vừa và nhỏ cũng được phân loại theo H và P

ở mỗi nước lại có sự phân loại khác nhau, ví dụ như Nga và Trung Quốc cho thủy điện

có P ≤ 25 MW là thủy điện nhỏ Một số nước không đưa ra khái niệm thủy điện lớn,

vừa và nhỏ mà đưa ra khái niệm thiết bị thủy điện đồng bộ (compact turbine) để phân

biệt với các thủy điện khác, được thiết kế đơn chiếc theo đơn đặt hàng

Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04

Ngay trong thủy điện nhỏ cũng được chia làm 4 cấp, có thể là theo phân loại của

UNIDO, gồm:

+ Thủy điện nhỏ (small hydro): P = 1 MW ữ 10 MW

+ Thủy điện nhỏ (mini hydro): P = 100 kW ữ 1 MW

+ Thủy điện cực nhỏ (micro hydro): P = 5 kW ữ 100 kW

+ Thủy điện siêu nhỏ (pico hydro): P ≤ 5 kW

Tuy vậy, khái niệm trên cũng chỉ là tương đối, vì theo giả thiết ở trên với H = 3

m; P = 0,6 MW đã được coi là thủy điện lớn vì D1 = 2,5 m

- Việc phân loại thủy điện có ý nghĩa quan trọng vì những lý do như sau:

+ Các thủy điện lớn hoặc vừa ảnh hưởng của 1% hiệu suất tới hiệu quả năng

lượng là rất lớn nên thường được nghiên cứu và thiết kế theo đúng điều kiện làm

việc của từng công trình, điều đó khiến cho chi phí nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tăng

cao Thời gian sản xuất thiết bị kéo dài nhưng đem lại hiệu quả cho quá trình vận hành

+ Các thủy điện nhỏ ảnh hưởng 1 ữ 2% hiệu suất là không lớn nhưng lại đòi hỏi

thời gian sản xuất nhanh, chi phí có sức cạnh tranh Do vậy người ta chấp nhận điểm

làm việc không trùng hẳn với điểm tối ưu của tổ máy

+ Với thủy điện cực nhỏ và thủy điện siêu nhỏ thì việc tạo ra các tổ máy có giá

thành thấp và độ bền cao là yếu tố quan trọng Hơn thế nữa ở các trạm thủy điện không

có điều tiết thì ưu tiên phạm vi làm việc rộng hơn là điểm làm việc có hiệu suất rất cao

- Việc phân loại giúp cho công tác thiết kế công trình được nhanh chóng

- Việc phân loại hợp lý giúp cho giảm chi phí ở các khâu: nghiên cứu, thiết kế,

chế tạo và quản lý vận hành

- Việc phân loại giúp cho tiếp cận với công nghệ mới, làm cho gam thiết bị thủy

điện ngày càng ưu việt hơn

Do vậy mặc dù công nghệ thủy điện đã được phát triển từ hàng trăm năm nay

nhưng những năm gần đây thế giới vẫn tiếp tục đưa ra các gam thủy điện nhỏ mới, rất

phù hợp với điều kiện thực tiễn

- Việc phát triển công nghệ mới, vật liệu mới, đặc biệt là công nghệ thông tin đã

tác động sâu sắc trong quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy cũng đòi hỏi phải xác

định lại gam thủy điện

- Tính chất lao động xã hội, với chi phí cho nhân công ngày càng cao cũng đòi

hỏi phải thay đổi cách nghĩ về gam thủy điện

- Để xây dựng gam thủy điện, ở nước ta có lẽ sử dụng theo phân loại của UNIDO

về công suất và hạn chế theo cột nước theo cách làm của Liên Xô là hợp lý

- Trong báo cáo này chỉ đề cập tới gam thủy điện cực nhỏ và thủy điện siêu nhỏ

tức là các tổ máy có P ≤ 100 kW và mở rộng tới 200 kW cho phù hợp với nhu cầu thủy

điện cho các quy mô cấp xã ở Việt Nam (Theo đánh giá, điều tra, một xã miền núi có

số hộ từ 300 đến 800 hộ, công suất tiêu thụ điện khoảng 60 ữ 160 kW, kể cả tổn thất do

tương tác và các nhu cầu khác chọn Pmax = 200 kW là hợp lý)

- Với thủy điện cực nhỏ, cột nước được xác định theo phạm vi sử dụng là:

Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04

Chương II Tổng quan về gam thủy điện cực nhỏ

và thủy điện siêu nhỏ

2.1 Gam thủy điện cực nhỏ trên thế giới

2.1.1 Phát triển thủy điện cực nhỏ ở Trung Quốc

Trung Quốc là nước có tiềm năng thủy điện phong phú đồng thời là nước có

công nghiệp thủy điện nhỏ phát triển mạnh và đa dạng, việc phân tích xu hướng phát

triển thủy điện nhỏ của Trung Quốc có ý nghĩa quan trọng

Như các nước xã hội chủ nghĩa khác, trước đây việc nghiên cứu và phát triển

thủy điện của Trung Quốc được phân công và chuyên môn hóa cao Các mẫu cánh bánh

xe công tác và buồng dẫn được tập trung nghiên cứu (chủ yếu ở viện TRIED - Thiên

Tân) và sau đó cung cấp cho các nhà máy sản xuất thủy điện vừa và nhỏ Một số hãng

lớn có nghiên cứu riêng (Tập đoàn Đông Phương, HARBIN) chủ yếu cho thủy điện lớn

Do ảnh hưởng bởi xu hướng thủy điện lớn, nên gam thủy điện nhỏ của Trung

Quốc rất nhiều chủng loại và kích cỡ gồm:

+ Tua bin hướng trục buồng hở, buồng xoắn kim loại, buồng kiểu ống, chữ S,

trục đứng, trục ngang;

+ Tua bin tâm trục buồng hở, buồng xoắn kim loại, buồng kiểu chính diện,

buồng kiểu trụ;

+ Tua bin tia nghiêng, một mũi phun trục ngang và đứng;

+ Tua bin gáo trục ngang;

+ Tua bin xung kích hai lần;

Riêng tua bin xung kích hai lần, do quan niệm là loại tua bin có hiệu suất thấp

nên ít được sử dụng, thay vào đó là tua bin tâm trục Vài năm gần đây Trung Quốc mới

bắt đầu sử dụng tua bin xung kích hai lần

Phạm vi sử dụng các tua bin cho thủy điện cực nhỏ như sau:

H = 1 ữ 100 m

Q = 10 l/s ữ 2,5 m3/s

P = 0,1 ữ 100 kW

Bảng 1 Các thông số cơ bản của gam thủy điện cực nhỏ ở Trung Quốc

2 Tua bin hướng tâm, buồng chữ S, trục ngang; D 1 = 12, 15, 20, 30, 50, 60 1 ữ 12 0,05 ữ 3 0,75 ữ 125

3 Tua bin hướng tâm, buồng xoắn kim loại trục đứng; D = 20, 30, 40 cm 4 ữ 12 0,18 ữ 1,1 5 ữ 50

4 Tua bin tâm trục, buồng xoắn kim loại hoặc buồng chính diện trục ngang,

đứng; D 1 = 20, 30, 42 cm 5 ữ 48 0,05 ữ 3 2 ữ 100

5 Tua bin tia nghiêng, một vòi phun, trục đứng 21 ữ 75 0,01 ữ 0.2 0,6 ữ 75

6 Tua bin tia nghiêng, một vòi phun, trục ngang; D1 = 20, 25, 32cm 30 ữ 100 0,05 ữ 0.5 12 ữ 125

7 Tua bin XK 2 lần, kiểu Ossberger, trục ngang 10 ữ 112 0,05 ữ 0.,4 2 ữ 100

2.1.2 Gam máy phát cho thủy điện cực nhỏ của Trung Quốc :

Máy phát của thủy điện cực nhỏ của Trung Quốc, được tiêu chuẩn hóa theo tiêu chuẩn

Trung Quốc, tương đương tiêu chuẩn IEC Trong phạm vi công suất 5 ữ 100 kW có 26

Hình 2 Một số kết cấu trong gam thủy điện nhỏ của Trung Quốc (Nguồn: Micro hydro power Equipment in China– HRC)

Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04

kiểu loại Với cấp điện áp 230 V/ 1 pha cho loại có công suất nhỏ và 230 V/ 400 V, 3

pha cho loại lớn Các thông số kỹ thuật như ở bảng 2 sau

Bảng 2 Thông số kỹ thuật gam máy phát cho thủy điện cực nhỏ

Kiểu máy phát

Công suất (kW)

Điện năng (V)

Cường độ dòng điện (A)

Tốc độ quay (v/ph)

Tần số (HZ)

Điện áp (V)

Dòng điện kích thích (A)

Hiệu suất (%)

Trọng lượng (kg)

Ngoài ra, một số hãng sản xuất các máy phát sử dụng nam châm vĩnh cửu cho tổ

máy có công suất từ 100 W ữ 5 kW

2.1.3 Điều tốc cho thủy điện cực nhỏ:

Cho tới những năm gần đây, Trung Quốc vẫn sử dụng các điều tốc cơ khí - thủy

lực cho thủy điện cực nhỏ, như điều tốc TT35, TT75 Với bộ điều khiển quả văng và

tích năng kiểu lò so Các loại điều tốc này có kết cấu phức tạp, độ nhạy kém và giá

thành cao, một số cơ quan nghiên cứu đã bắt đầu đưa ra hai bộ điều tốc kiểu điện, điện

tử và bộ điều tốc tải giả với bộ điểu khiển áp dụng kỹ thuật số Một số thông tin về bộ

điều tốc tải giả do Trung Quốc nghiên cứu và sản xuất như ở bảng 3

Bảng 3 Thông số kỹ thuật bộ điều tốc tải giả của Trung Quốc

Máy phát điện Độ chính xác

của điện áp

Độ chính xác của tần suất Kiểu

1.So với gam thủy điện cực nhỏ của các nước công nghiệp G7 và các nước công

nghiệp tiên tiến trên thế giới khác thì gam của Trung Quốc quá đa dạng, phức

Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04

tạp với khoảng 50 loại tổ máy khác nhau Do vậy, sản xuất mang tính đơn chiếc,

khó nâng cao chất lượng và hạ giá thành

2 Gam thủy điện cực nhỏ sử dụng tua bin hướng tâm với D1 = 20, 25, 32 cm

là không phù hợp, làm cho giá thành tăng cao khó quản lý vận hành

3 Nhiều tổ máy có kết cấu buồng đúc bằng gang, không phù hợp với điều

kiện sản xuất đơn chiếc của thủy điện nhỏ

4 Gần đây Trung Quốc đã bắt đầu phát triển loại tua bin xung kích hai lần,

bộ điều tốc tải giả là xu hướng mà thế giới quan tâm

2.1.4 Gam thủy điện cực nhỏ của h∙ng EBARA

EBARA là một hãng nổi tiếng của Nhật về lĩnh vực bơm và thủy điện Gam thủy

điện cực nhỏ của hãng sử dụng 3 loại tua bin là tua bin hướng tâm, tua bin xung kích

hai lần và thủy điện gáo Ngoài ra, EBARA còn sử dụng bơm làm việc như tua bin cho

các trạm thủy điện nhỏ nhằm hạ giá thành của thiết bị

Gam thủy điện cực nhỏ của EBARA như trên hình 3

Hình 3: Gam thủy điện cực nhỏ của EBARA

Phạm vi làm việc của các loại tua bin như ở bảng sau

Bảng 4 Phạm vi làm việc của tua bin

Phạm vi làm việc

1 Tua bin hướng tâm kiểu ống 2,8 ữ 13,6 0,22 ữ 1,12 0,22 ữ 1,12

2 Tua bin xung kích hai lần 7 ữ 3,2 0,085 ữ 1,45 13 ữ 132

Bộ điều tốc: Hãng EBARA sử dụng bộ điều tốc kiểu tải giả cho thủy điện cực nhỏ

Nhận xét:

1 Hãng sử dụng rất nhiều tua bin hướng tâm kiểu ống cho vùng H = 3 ữ 12m

và P = 9 ữ 80 kW (20 loại) Với mục đích tăng hiệu suất của tổ máy Điều này

cũng cho thấy phạm vi làm việc rất hẹp của tua bin hướng tâm kiểu propeller

Trong khi đó, để đáp ứng phạm vi làm việc với H = 7 ữ 32 m và P = 13 ữ 132

kW chỉ lần 4 loại tua bin xung kích hai lần (CA030, CS 200, CD 140, CD 260)

2 Gam thủy điện của EBARA có sử dụng một số loại bơm ly tâm (một hoặc

hai cấp) thay thế vì thế mạnh của hãng là sản xuất bơm Tuy vậy đặc tính năng

lượng của các loại tua bin này thấp nên khả năng cạnh tranh kém

2.1.5 Gam thủy điện nhỏ của h∙ng MEIDEN (Nhật)

Hãng MEIDEN chuyên sản xuất thiết bị cho trạm thủy điện nhỏ có công suất ≤

1000 kW Để đáp ứng cho phạm vi làm việc:

Q = 0,02 ữ 8 m3/s

H = 5 ữ 200 m

P = 10 ữ 2000 kW Hãng chỉ sử dụng tua bin xung kích hai lần kiểu Ossberger hai mũi phun Máy

phát được nối với tua bin bằng bộ truyền bánh răng hoặc truyền động trực tiếp hoặc

bằng bộ điều tốc kiểu điện - điện tử và điều tốc tải giả Phạm vi làm việc của tổ máy

như hình 4 sau:

Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04

Hình 4 Phạm vi làm việc của tua bin xung kích 2 lần của MEIDEN

Nhận xét:

1 Đặc điểm nổi bật là MEIDEN sử dụng tua bin xung kích hai lần cho toàn

bộ gam thủy điện nhỏ và thủy điện cực nhỏ Với kết cấu chung là tua bin - bộ

truyền - máy phát, bộ điều tốc điện tử - điện hoặc tải giả Với phương thức trên

hãng dễ dàng đầu tư công nghệ để nâng cao chất lượng sản phẩm

2 Để bù lại sự giảm hiệu suất do bộ truyền hãng đã gam hoá bằng cách chia

nhiều khung bề rộng bánh xe công tác B nhằm làm cho tua bin luôn làm việc ở

vùng có hiệu suất cao

2.1.6 Gam thủy điện nhỏ và cực nhỏ của Ossberger

Hãng Ossberger do Ossberger (Đức) sáng lập, đồng thời ông cũng là người phát

minh ra loại tua bin xung kích hai lần Ossberger nổi tiếng được sử dụng rộng rãi trên

thế giới Cho tới nay hàng đã được xuất và bán ra được nhiều tổ máy và sử dụng ở

nhiều nước

Gam thủy điện nhỏ của Ossberger gồm hai loại tua bin: tua bin hướng tâm kiểu

S và tua bin xung kích hai lần

2.1.7 Gam thủy điện nhỏ và cực nhỏ của h∙ng Cink

Mặc dù nguyên lý tua bin xung kích hai lần có cánh hướng cung tròn đã được

nêu ra từ lâu nhưng mãi tới năm 1993 Cink (một kỹ sư người Czech) mới áp dụng vào

thực tế Chỉ một thời gian ngắn tua bin Cink đã phát triển mạnh do những ưu điểm như:

- Vùng hiệu suất cao rất rộng từ Q0 = 15 ữ 100%

- Hiệu suất đỉnh cao ηmax = 89%

- Có khả năng sử dụng hiệu quả cột áp sau bánh xe công tác với Hs = 2 ữ 4m

- Tổ máy rất gọn nhẹ

- Có khả năng sử dụng cả ở vùng cột áp thấp H = 1 ữ 2m

Do vậy, đã được một số hãng trên thế giới phát triển tua bin xung kích hai lần

theo hướng này (như IREM, Italy, GILKES, Anh)

Phạm vi làm việc của tua bin Cink được công bố:

H = 1,5 ữ 200 m

Q = 0,01 ữ 5m3/s

P = 1 KW ữ 5000 kW Phạm vi sử dụng và đồ thị hiệu suất - lưu lượng như ở các hình 5 sau

a) Phạm vi sử dụng b) Quan hệ hiệu suất với lưu lượng

Hình 5: Phạm vi sử dụng và quan hệ hiệu suất - lưu lượng của tua bin Cink

Hãng Cink còn giới thiệu các loại tua bin xung kích hai lần cột nước thấp, sử

dụng chủ yếu là cột áp hút, và các loại tổ máy thủy điện “đóng gói” trong container

Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04

2.1.8 Gam thủy điện cực nhỏ của IREM, Italy

Hãng IREM giới thiệu một gam thủy điện cực nhỏ với các loại tua bin có kết

Nhận xét:

1 Gam thủy điện cực nhỏ của IREM rất đáng chú ý chỉ gồm 5 loại tua bin gáo

và 4 loại tua bin xung kích hai lần cho vùng làm việc của hầu hết các trạm thủy

điện cực nhỏ có cột nước tới 180 m

2 Hãng đưa ra hai loại tua bin gồm tua bin xung kích hai lần kiểu Cink và tua

bin gáo đặc biệt với nhiều vòi phun khiến cho tổ máy có phạm vi làm việc rất

rộng

3 Với phương pháp gam hóa như vậy, hãng đã giảm chi phí rất lớn cho

nghiên cứu, thiết kế và chế tạo, dễ đầu tư nâng cao chất lượng tổ máy

2.1.10 Nhận xét chung

1 Nhìn chung gam thủy điện cực nhỏ của thế giới đều sử dụng hai loại tua bin

cơ bản là tua bin hướng tâm và xung kích hai lần:

- Tua bin hướng tâm được sử dụng cho vùng cột nước thấp (H ≤ 10 m) với

ưu điểm là tỷ tốc cao và khả năng sử dụng cột nước HS Hãng Cink đưa ra loại tua bin xung kích hai lần cột nước thấp có khả năng sử dụng cột nước

HS là một vấn đề mới, nếu đạt được các thông số như thông tin của hãng thì đây là loại tua bin có khả năng cạnh tranh cao với tua bin hướng tâm

- Tua bin xung kích hai lần được sử dụng cho vùng có H = 5 ữ 100 m

Một số hãng mở rộng cho vùng có H ≤ 200m Đây là loại tua bin được sử dụng rất rộng rãi cho thủy điện cực nhỏ và thủy điện nhỏ vì dễ chế tạo, độ bền cao, khung làm việc rộng

2 Tua bin gáo được sử dụng cho vùng có cột nước cao Hãng IREM đưa ra loại

kết cấu tua bin gáo khá đặc biệt và có khả năng áp dụng cho thủy điện nhỏ

3 Tua bin tâm trục ít được sử dụng cho thủy điện cực nhỏ Thông thường các

hãng có sử dụng với P ≥ 50 kW ở một số vùng hẹp cho thủy điện cực nhỏ

4 Tua bin tia nghiêng được sử dụng cho một số vùng cho thủy điện cực nhỏ, đặc

biệt là vùng có công suất thấp (P ≤ 20 kW) và vùng giữa của tua bin gáo và tua

bin tia nghiêng

5 Bộ điều tốc cho thủy điện cực nhỏ chủ yếu là bộ điều tốc tải giả Với vùng có

công suất có thể sử dụng bộ điều tốc điện - điện tử Từ xu hướng chung của thế

giới, có thể xây dựng hướng cơ bản của thủy điện cực nhỏ ở Việt Nam theo

hướng chọn lọc những công nghệ tối ưu nhất gồm:

- Tua bin xung kích hai lần kiểu Cink

- Tua bin hướng trục buồng hở và buồng chữ S

- Bộ điều tốc tải giả và điện tử - điện

- Tua bin tia nghiêng và tâm trục cho một số vùng hẹp

2.2 Nghiên cứu và chế tạo thiết bị thủy điện ở Việt Nam

Chế tạo thiết bị cho thủy điện nhỏ ở Việt Nam có thể chia làm 3 giai đoạn:

2.2.1 Giai đoạn 1954 ữ 1975

Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04

Sau ngày hoà bình lập lại ở miền Bắc, ngành thủy điện được quan tâm và phát

triển mạnh, khoảng 300 trạm thủy điện nhỏ đã được xây dựng trong giai đoạn này,

trong đó số trạm có công suất P ≤ 50 kW chiếm 91% số lượng Phần lớn thiết bị nhập

từ các nước xã hội chủ nghĩa như Trung Quốc, Liên Xô, Bungari, Hungari, Tiệp Khắc

Về chủng loại: phần lớn là tua bin hướng trục và tâm trục Trong giai đoạn này, một số

nhà máy ở trung ương và địa phương đã sản xuất các loại thủy điện nhỏ có công suất P

= 5 ữ 60 kW bao gồm:

- Tua bin tâm trục theo mẫu PO300 φ 35, 42

- Tua bin hướng trục cánh bằng gỗ, bằng thép tấm gò, hàn

- Tua bin xung kích hai lần có kết cấu đơn giản

Do nguồn thiết bị được viện trợ khá nhiều và phân công hợp tác trong khối SEV

nên ở Việt Nam không phát triển ngành chế tạo thiết bị thủy điện nhỏ

2.2.2 Giai đoạn 1975 ữ 1990

Sau khi miền Nam hoàn toàn giải phóng, do nhu cầu phát triển kinh tế, ta đã lập

kế hoạch phát triển hàng loạt trạm thủy điện nhỏ ở cả hai miền Nam, Bắc Năm 1976,

dự án phát triển thủy điện Kẻ Gỗ được Bộ Thủy lợi (cũ) xây dựng bao gồm: thiết kế,

chế tạo tổ máy tua bin hướng tâm buồng kín, trục đứng với cột nước H = 14 ữ 20m,

công suất P = 1000 kW

Bộ Thủy lợi đã cử một nhóm chuyên gia sang học tập và nghiên cứu tại Liên Xô

Một bộ thiết kế tương đối hoàn chỉnh ra đời, đánh dấu bước phát triển đầu tiên trên quy

mô lớn của ngành chế tạo thiết bị thủy điện Song song với công tác thiết kế, phòng thí

nghiệm tua bin kín và hở đã được nghiên cứu và xây dựng tại Viện Khoa học Thủy lợi,

mô hình tua bin hướng tâm theo mẫu ΠΛ 30/587, D1 = 25 cm đã được chế tạo

Năm 1980, chương trình nghiên cứu thủy điện 06 - 02 được thiết lập, trong đó

có trên 50 đề tài về thủy điện

Tuy nhiên sau đó, do sự phân cấp giữa hai ngành thủy lợi và điện lực, các công

việc trên đã không được thúc đẩy

Trong khi đó, do nhu cầu của sản xuất, các nhà máy, viện nghiên cứu, trường

đại học đã đẩy mạnh chế tạo thiết bị thủy điện như Nhà máy Công cụ số 1, Công ty

thiết bị điện Đông Anh, Viện Khoa học Thủy lợi, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội,

Đà Nẵng, Nhà máy Cơ khí Thủy lợi, Nhà máy cơ khí 276 (Tp Hồ Chí Minh), Viện

Nghiên cứu máy …

Kết quả là trong vòng 10 năm, trên 100 tổ máy thủy điện có công suất từ 5 ữ

2100 kW đã được chế tạo, lắp đặt

Có thể đánh giá đây là giai đoạn rất quan trọng trong quá trình phát triển ngành

chế tạo thiết bị thủy điện Tuy nhiên, trong giai đoạn này có những thành công và thất

bại

Trong vòng khoảng 10 năm ta đã chế tạo và lắp đặt hàng trăm trạm thủy điện

nhỏ, đóng góp không nhỏ vào công cuộc phát triển kinh tế, xã hội của nhiều vùng

thuộc miền núi phía Bắc, miền Trung và Tây Nguyên, góp phần tiết kiệm ngoại tệ cho

đất nước, đặc biệt trạm thủy điện Phú Ninh với công suất 2 x 1000 kW có các thiết bị

như tua bin, điều tốc, thiết bị phụ khác được chế tạo trong nước được đưa vào lắp đặt và

vận hành ổn định

Các trạm thủy điện có công suất lớn như Eadrang II, Duy Xuyên và hàng trăm

trạm thủy điện khác chứng tỏ khả năng sản xuất thiết bị thủy điện trong nước Điều

này đặc biệt có ý nghĩa nên so sánh năng lực nghiên cứu và sản xuất thiết bị thủy điện

của ta với nhiều nước khác trong khu vực và trên thế giới

Trong quá trình phát triển như vậy đã đào tạo và trưởng thành đội ngũ cán bộ

nghiên cứu, chế tạo, công nhân chế tạo, lắp ráp thiết bị thủy điện

Tuy vậy bên cạnh đó cũng bộc lộ nhiều yếu kém:

- Theo thống kê sơ bộ có trên 10 công trình do sự hư hỏng thiết bị đã không vận

hành được như trạm thủy điện Sông Vố (Bình Định) công suất 200 kW, trạm thủy điện

Sông Mực (Thanh Hoá) công suất 2000 kW, trạm thủy điện Nậm Mạ (Hà Giang) công

suất 3000 kW Hàng chục tổ máy nhỏ của các nhà máy sản xuất không sử dụng được

- Rất nhiều tổ máy khi đưa vào vận hành bộc lộ nhiều yếu kém như hiệu suất

thấp, hay bị hư hỏng

- Nhiều tổ máy lắp đặt không phù hợp với điều kiện làm việc, gây tốn kém Ví

dụ như có trạm thủy điện sử dụng tua bin F 10/50 cho trạm thủy điện có công suất H =

27m, phát công suất 30 kW, F 30/50 cho trạm thủy điện có H = 5m, phát công suất 40

kW, … nhiều tổ máy của ta có kích thước to hơn rất nhiều tổ máy cùng loại nhập từ

nước ngoài

- Ngay trong công tác khảo sát, thiết kế, sơ đồ hệ thống bảo vệ tổ máy … đều

không có chỉ dẫn đầy đủ dẫn tới các trạm thủy điện của ta làm việc kém hiệu quả

Những yếu kém trên đòi hỏi phải có một quá trình nghiên cứu tổng kết, vạch ra

bước đi thích hợp để thúc đẩy nghành chế tạo thiết bị thủy điện phát triển

Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04

Bảng 5 Hiện trạng thiết bị thủy điện một số trạm thủy điện

TT Tên công trình Số tổ

máy Tên thiết bị

Công suất

Cột nước

2 Sông mực 2 ∏Λ 30/587 1000 14ữ18

- Tua - bin hướng trục, cánh quay theo mùa, buống xoắn kim loại, trục đứng Máy phát tự chế, điều tốc ĐT 1500 kiểu điện tẻ – thuỷ lực Không làm việc được - đã thanh

lý

4 CCq1-DK-25 40

Theo mẫu GANZ (Hunggari)

16ữ20 8ữ17

- Tổ máy hướng trục, buồng xoắm trục đứng, có cơ cấu thùng chụp, điều tốc tự động kiểu quả văng Chất lượng chế tạo tốt, nhưng điều tốc không ổn định

5

Tua – bin Francis

Quỳ Tam, Bình Điền,

6 Việt Lâm 5 F10/50 400 92 ĐT75 - Tua bin tâm trục, buồng xoắn gang đúc, trục ngang, sử

dụng mẫu cánh F10 Kết cấu ổ chưa tốt hay bị hỏng

7 Nậm Má 2 F10/90 1500 120 DT 1000 - Tua bin tâm trục ngang, sử dụng mẫu cánh F10, D1=90

cm, cánh đúc liền

- Tổ máy bị xâm thực, gây nổ mạnh, không hoạt động

được, phải thay bằng thiết bị của Trung Quốc

11 Duy Sơn 2 G06- 66/1x7,0 Tua bin gáo 2 vòi phun

12 Khe Sanh Tua - bin

hướng trục Tua bin tâm trục, bánh xe công tác kiểu F13, D1 = 42 cm

Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04

Bảng 6 Công trình được lắp đặt thiết bị thuỷ điện được sản xuất tại Đại học Bách Khoa Hà Nội

TT Tên công trình Tên thiết

bị

Số lượng

Công suất

Cột nước Đặc điểm

ngang, bánh xe công tác kiểu PO82

4 Iakren

5 Phục hồi các tổ máy của

trạm thuỷ điện Suối Vàng

Bảng 7

TT Tên công trình Tên thiết

bị

Số lượng

Công suất

Cột nước Đặc điểm

Tua bin hướng trục

trục đứng

Tua bin tâm trục

Xuân, Khe Viễn, Kiện Thành

buồng xoắn, trục ngang

4 Phụ hồi một số tổ máy thuỷ

luân của Trung Quốc

Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04

Bảng 8 Công trình lắp đặt thiết bị thủy điện tại Viện Khoa học Thuỷ lợi

TT Tên công trình Tên thiết bị Số

lượng

Công suất Cột

Tua bin hường trục

1 Phụ hồi một số tổ máy thuỷ luân của Trung Quốc

2 Tổ máy Tân Lập 4K-84 3 70ữ100 4ữ8 Tua bin hướng trục buồng hở, trục đứng

3 Nậm Công K20/661 2 135ữ200 9ữ12 Tua bin hướng trục ngang, Bánh công tác mẫu

ΠΛ20/661

4 Các tổ máy nhỏ khác Thường được sử dụng mẫu 4K-84

Tua bin tâm trục

1 E30, Biển Hồ, Sông Vố F30/5; F30/42 10 60ữ125 10ữ25 Nhóm tua bin tâm trục, trục ngang, sử dụng BCT F30

5 Xuân Minh (Hoà Bình) G13 1 40 kW 240 Tua bin gáo, trục ngang, 1 vòi phun

6 Nhóm Tua bin xung kích 2 lần Tua bin XK 2L D1=25ữ50 kiểu Ossberger vòi phun kép

7 Điều tốc điện tử – thuỷ lực Điều tốc giả

2.2.3 Giai đoạn 1990 ữ 2000

Giai đoạn này, ngành chế tạo thiết bị thủy điện phát triển chậm lại do

những lý do cơ bản sau:

- Trạm thủy điện Hoà Bình đã đưa toàn bộ số tổ máy vào làm việc, nhiều

công trình điện lớn được xây dựng như Trị An, Thác Mơ, Vĩnh Sơn … Hệ thống

lưới điện phát triển

- Sau một số thất bại của ngành thủy điện nhỏ, về cả công trình và thiết bị,

nhiều địa phương ngại đầu tư thủy điện nhỏ

- Sau khi bình thường hóa quan hệ Việt Nam - Trung Quốc, thiết bị thủy

điện được nhập khẩu dễ dàng từ Trung Quốc

Tuy vậy, do nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội khu vực vùng sâu, vùng xa,

giai đoạn này các trạm thủy điện có công suất P = 10 ữ 500 kW được phát triển

ổn định, thủy điện pico (công suất từ 200 ữ 1000W) cũng phát triển rất mạnh

Dự kiến giai đoạn sau năm 2000: Từ năm 1998, do nhu cầu nguồn điện

tăng nhanh, chính sách phát triển năng lượng tái tạo, năng lượng mới có quy mô

toàn cầu đã được tác động mạnh mẽ tới việc phát triển thủy điện nhỏ ở nước ta,

hàng loạt trạm thủy điện nhỏ đang được đầu tư, đồng thời các tổ chức quốc tế

như WB, UNDP cũng đang phối hợp với Chính phủ Việt Nam xây dựng chính

sách phát triển thủy điện nhỏ, cho thấy trong giai đoạn tới, thủy điện nhỏ sẽ được

phát triển mạnh Điều đó đòi hỏi nhanh chóng xây dựng tiềm lực khoa học -

công nghệ thủy điện nhỏ để phục vụ nhu cầu của đất nước

2.2.4 Tổng hợp, phân tích kết quả nghiên cứu, sản xuất thiết bị thủy điện nhỏ

- Sử dụng loại kết cấu buồng hở trục đứng cho vùng cột nước H ≤ 5m Kết

cấu buồng hở trục ngang cho vùng H ≤ 8m (như trạm thủy điện Khe

Soong,

Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04

Quảng Bình có công suất 400KW)

- Kết cấu buồng xoắn kim loại trục đứng cho cột nước H = 8 - 20 m ở

hàng loạt các trạm thủy điện như tổ máy CCQ - DK - 25, trạm thủy điện

Phú Ninh, Sông Mực, Nậm Công … với đường kính bánh xe công tác D1 =

25 -132cm

- Trong vòng 10 năm trở lại đây, một số tua bin hướng trục dòng thẳng đã

được chế tạo tại Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Khoa học Thủy lợi,

Công ty Thiết bị Điện Đông Anh … với D1 = 20 - 80 cm

- Các loại thiết bị thủy điện kết cấu mới như loại Kapsun, loại buồng xi

phông chưa được chế tạo ở Việt Nam

2.2.5 Kết luận

1 Ngành thủy điện nhỏ của Việt Nam có lịch sử trên 70 năm và phát triển

mạnh từ sau ngày hoà bình lập lại ở miền Bắc năm 1954 So với nhiều

nước khu vực, nước ta có trình độ thủy điện khá cao

2 Việt Nam cũng đã đạt được nhiều thành tích trong nghiên cứu và chế

tạo thiết bị thủy điện với hàng trăm tổ máy có công suất từ nhỏ tới hơn

2000 kW với nhiều chủng loại kết cấu khác nhau

3 Việc phát triển thủy điện nhỏ có ý nghĩa quan trọng, góp phần đẩy

nhanh phát triển kinh tế, xã hội khu vực miền núi, vùng sâu, vùng xa Sản

xuất thiết bị thủy điện đã góp phần tiết kiệm ngoại tệ cho đất nước

4 Thông qua nghiên cứu và sản xuất đã đào tạo được đội ngũ cán bộ

nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, lắp ráp và quản lý vận hành thủy điện nhỏ

5 Tuy vậy do phát triển nhiều khi còn mang nặng phong trào, việc đầu tư

chưa đầy đủ cho công tác nghiên cứu nên chúng ta cũng gặp phải nhiều

thất bại:

5.1 Nhiều trạm thủy điện trong đó có những trạm công suất tới 3000 kW

không vận hành được Phải thanh lý hàng chục tổ máy với tổng công suất

tới hơn 7000 kW, gây thiệt hại đáng kể cho nền kinh tế

5.2 Phần lớn các tổ máy chưa đủ điều kiện đánh giá về hiệu suất có thể

thấy ở nhiều trạm có hiệu suất thấp

5.3 Nhiều tổ máy hay bị hư hỏng

Qua đánh giá hư hỏng của trạm thủy điện trong thời gian qua, tổng số

tạm còn hoạt động là 331/543 trạm Số hư hỏng chiếm gần 38%, số còn

lại phát huy hiệu quả 50 - 85% công suất thiết kế Nguyên nhân hư hỏng

có thể kể tới gồm:

+ Công tác thiết kế công trình thường thiên lớn trong khi trạm làm

việc độc lập mùa khô hiệu quả phát điện thấp

+ Phần lớn công trình hư hỏng là loại công suất thấp (chiếm tới 95%)

P ≤ 40 kW, đầu tư ban đầu không đầy đủ, phần công trình thủy công

bị hư hỏng rất nhiều

+ Trải qua hai cuộc chiến tranh, nhiều công trình bị phá hoại, hoặc

không có phụ tùng thay thế

+ Quản lý kém, chưa có cơ chế, chính sách hợp lý

5.4 Về chế tạo và cung cấp thiết bị cũng có những hạn chế như sau:

- Nguồn tài liệu cơ bản như bản vẽ cánh, đường đặc tính thu nhận từ

nhiều nguồn, không đánh giá được chất lượng Do vậy khó khẳng định

chất lượng thiết bị

- Nhiều bánh xe công tác với Ns khác nhau đang sử dụng ở Việt Nam có

chất lượng năng lượng và xâm thực chưa cao, kém hơn các loại cùng loại

của thế giới Điều này có thể làm cho sản phẩm của Việt Nam sản xuất

không đủ tiêu chuẩn để đấu thầu thiết bị

- Công nghệ chế tạo chưa đạt độ chính xác cao, vật liệu sử dụng có chất

Từ nhiều nguyên nhân đó cho thấy cần phải có kế hoạch để nghiên cứu về

thiết bị thủy điện nhỏ

Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04

Chương III Cơ sở khoa học và phương pháp chung

phân loại tua bin nước

3.1 Mở đầu

Trong lịch sử phát triển ngành thủy điện có nhiều phương pháp phân loại

tua bin nước Cho tới nay tồn tại hai phương pháp phân loại chính:

- Phân loại theo cột nước

- Phân loại theo hệ số tỷ tốc Ns

Cả hai cách phân loại này đều thể hiện đặc tính xâm thực, khả năng thoát,

khả năng quay nhanh của tua bin

ở các tổ máy lớn, việc phân loại theo cột nước (như gam thủy lực cỡ lớn

của Liên Xô) là hợp lý vì ở quy mô này không có hiện tượng trùng lặp các vùng

làm việc của các loại tua bin khác nhau Nhưng ở trạm thủy điện nhỏ, việc phân

loại theo cột nước sẽ gặp khó khăn trong việc lựa chọn và phân loại thiết bị Ví

dụ như tua bin xung kích hai lần có Ns = 750 ữ 800 hoặc vùng của tua bin tâm

trục có Ns = 300 Việc phân loại theo Ns sẽ làm tăng thêm tính linh hoạt cho việc

lựa chọn thiết bị thủy điện nhỏ

3.2 Hệ số tỷ tốc Ns

Thông thường các thông số cơ bản cho trước khi thiết kế hoặc lựa chọn tổ

máy cho trạm thủy điện bao gồm: công suất (KW), cột nước (m), số vòng quay

(v/ph) Trong ngành chế tạo thiết bị để biểu thị các đặc trưng tổng hợp theo 3

thông số kể trên, người ta dùng một đại lượng tổng hợp gọi là hệ số tỷ tốc Ns

Hệ số tỷ tốc Ns được định nghĩa là số vòng quay của một tua bin có đường

kính bánh xe công tác D1 = 1m làm việc với cột nước H = 1m và phát ra công

suất 1 kW (theo định nghĩa cũ là 1 mã lực)

4

H H

H n

Tính theo thông số quy dẫn:

1 1 13 , 3

2 1 1 81 , 9 4

1

H H D

H n S

(Theo định nghĩa cũ Ns=3,65n1' ηQ1Ns= 0,86Ns

Phân loại tua bin theo Ns như bảng sau:

Bảng 9 Phân loại tua bin theo tỷ tốc Ns

Tỷ tốc cao

1 Tua bin hướng trục 270 ữ500 500 ữ 700 750 ữ 1000

2 Tua bin tâm trục 60 ữ 150 150 ữ 220 220 ữ 350

3 Tua bin xung kích hai lần 42 ữ 80 80 ữ 120 120 ữ 170

(Chú ý: ở đây Ns tính theo định nghĩa cũ)

3.3 Sự cần thiết tiêu chuẩn hóa loại tua bin

Điều kiện làm việc của trạm thủy điện rất khác nhau Với trị số lưu lượng,

cột nước, công suất từ cực nhỏ đến cực lớn Ngay ở trạm thủy điện có cùng các

thông số cơ bản như nêu trên thì việc lựa chọn thiết bị cũng bị chi phối bởi nhiều

yếu tố khác như tính chất của phụ tải, chế độ của dòng chảy (sự thay đổi độ cao

hút, cột nước, lưu lượng …) do đó để thoả mãn các điều kiện đặt ra của trạm thủy

điện thì số lượng, chủng loại thiết bị cũng rất lớn Việc tiêu chuẩn hóa nhằm hai

mục tiêu:

- Lựa chọn được những chủng loại thích hợp, những chủng loại thiết bị

này được lựa chọn gắn liền với tự nhiên, trình độ công nghệ, đặc điểm nền

kinh tế của từng nước

- Đưa ra một số lượng ít nhất nhưng có thể đáp ứng các yêu cầu của thực

tiễn đặt ra ở nước ta việc tiêu chuẩn hóa thiết bị thủy điện giúp cho việc

định hướng nghiên cứu và sản xuất có hiệu quả nhất, giúp cho việc nhập

khẩu thiết bị cũng như nhập khẩu công nghệ thích hợp Hơn nữa trong giai

đoạn tới, việc hội nhập với nền kinh tế thế giới nếu không xây dựng hệ tiêu

chuẩn, đăng ký, kiểm tra chất lượng theo hệ thống tiêu chuẩn quốc tế,

chúng ta sẽ không thể đưa thiết bị thủy điện do ta sản xuất để bán, ngay cả

với thị trường trong nước

- Trong phần này chỉ đề cập đến một phần các mục tiêu trên

3.4 Những chỉ tiêu cơ bản đặt ra trong phân loại tua bin