Xây dựng cơ sở khoa học đề xuất gam thủy điện nhỏ Việt Nam, đánh giá tổng quan
bộ nông nghiệp phát triển nông thôn viện khoa học thủy lợi báo cáo tổng kết chuyên đề nghiên cứu, thiết kế, chế tạo điều tốc cho trạm thủy điện thuộc đề tài kc 07.04: nghiên cứu, lựa chọn công nghệ thiết bị để khai thác sử dụng loại lợng tái tạo chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn bảo vệ môi trờng Chủ nhiệm chuyên đề: ThS nguyễn vị viƯt 5817-6 16/5/2006 hµ néi – 5/2006 MỤC LỤC Trang Đặt vấn đề Phần I Lý thuyết thiết bị điều tốc I.1 Sự điều chỉnh tua bin đièu chỉnh tua bin phân loại máy điều I.1.1 Sơ lợc lý thut vỊ ®iỊu chØnh tua bin thủ lùc I.1.2 Giới thiệu loại máy điều tốc trạm thuỷ điện I.2 NHU CầU CáC LOạI MáY đIềU TẩC TRONG TRạM THU đIệN I.3 XU HNG CHế TạO CáC LOạI MáY DIềU TẩC TRêN THế GII I.4 Chế tạo máy điều tốc Việt Nam 11 Phần II Nghiên cứu, chế tạo điều tốc điều chỉnh lu lợng điều tốc điều chỉnh phụ tải 13 II.1 Nghiên cứu xử dụng vi xử lý (P), â thông dụng vào việc chế tạo máy điều tốc 13 II.1.1 Lùa chän sư dơng vi xư lý 13 II.1.2 øng dơng vi xư lý 8051 13 II.1.3 Nghiªn cứu ứng dụng vi xử lý trung tâm nghiên cứu thuỷ điện nhỏ Viện Khoa học Thuỷ lợi 15 II.1.4 Thông tin từ nớc 17 II.2 Nghiên cứu mở rộng điều khiển điều tốc lu lợng thành điều khiển đa tác dụng 19 II.3 Xác định phơng pháp điều chỉnh tua bin 20 II.3.1 Sơ đồ điều khiển 20 II.3.2 Sơ đồ khối chức 23 II.4 ThiÕt kÕ phÇn cøng 23 II.4.1 CPU 23 II.4.2 Khối hiển thị 24 II.4.3 Khối đo lờng tần sè 25 II.4.4 Khèi b¸o hiƯu mùc n−íc 26 II.4.5 Tín hiệu đóng máy cố bên 26 II.4.6 Các công tác thiết lập giá trị vận hành 27 II.4.7 Khèi ®iỊu khiĨn 27 II.4.8 Khèi cÊp ngn 28 II.5 Xây dựng phần mềm điều khiển 28 II.5.1 Lựa chọn ngôn ngữ 28 II.5.2 Sơ đồ khối tính toán 29 II.6 Chế tạo hoàn chỉnh điều tốc 37 II.7 Xây dựng qui trình vận hành, sửa chữa, bảo dỡng 38 II.8 Đề xuất nâng cao chất lợng thiết bị 38 II.9 Bản vẽ nguyên lý 39 Phần III Nghiên cứu điều tốc điều khiển phụ tải 40 III.1 Tỉng quan 40 III.1.1 Th«ng tin tõ n−íc 40 III.1.2 Lựa chọn phơng án thiết kế 42 III.2 ThiÕt kÕ phÇn cøng 50 III.2.1 CPU 50 III.2.2 Khối đo lờng tần số 51 III.2.3 Công tác thiết lập giá trị vận hành 51 III.2.4 Khối điều khiển tải 53 III.2.5 Đièu khiển kiểu Rơle 53 III.2.6 Khối cấp nguồn 53 III.3 Xây dựng phần mềm điều khiển 54 III.3.1 Lựa chọn ngôn ngữ 54 III.3.2 Sơ đồ khối tính toán 54 III.4 Chế tạo hoàn chỉnh điều khiển 59 III.5 Đề xuất nâng cao chất lợng thiết bị 60 III.6 Bản vẽ nguyên lý 61 Phụ lục I Phần mềm điều khiển lu tốc điều chỉnh lu lợng 63a Phụ lục II Phầm mềm điều khiển điều tốc điều chỉnh phu tải 102 NC, thiết kế, chế tạo điều tốc cho trạm thuỷ điện nhỏ đề tài Kc07-04 Đặt vấn đề Cung cp nng lượng điện tiêu đánh giá mức độ phát triển vùng, đất nước Trong sách phát triển kinh tế - xã hội miền núi Đảng nhà nước, việc cung cấp điện coi biện pháp hàng đầu Có nhiều giải pháp cấp điện, bao gồm phát triển lưới điện nối với toàn quốc, phát triển lưới điện cục địa phương, xây dựng trạm phát điện, đặc biệt trạm thuỷ điện vừa nhỏ Nước ta vùng nhiệt đới gió mùa, với mạng lưới sơng suối dày đặc, có trữ lượng thủy lớn Việc sử dụng nguồn lượng phục vụ cho nhu cầu tăng lên không ngừng kinh tế, có tác dụng nhiều mặt, mang lại hiệu ích kinh tế cao, phù hợp với sách lượng nhà nước Đồng thời với việc sản xuất phân phối điện năng, phải trọng nâng cao chất lượng dòng điện Chúng ta biết rằng: Chất lượng dòng điện đánh giá chủ yếu qua đại lượng điện áp tần số Vì vậy, người ta phải ý tới việc đảm bảo ổn định điện áp tần số mạng lưới cung cấp điện Mạng lưới điện bao gồm nhiều tổ máy phát điện loại vận hành song song để cung cấp điện cho nhu cầu phụ tải, nên cần có phân phối phụ tải hợp lý cho tổ máy tham gia hệ thống chất lượng dòng điện mạng lưới phụ thuộc chất lượng dòng điện tổ máy riêng biệt; Đồng thời việc bảo đảm hoạt động an tồn tổ máy góp phần làm ổn định lưới điện Trong trạm phát điện nói chung, trạm thuỷ điện nói riêng, tồn nhiệm vụ kể thực máy điều tốc Như vậy, vai trò máy điều tốc trạm phát điện quan trọng, với ba chức sau: - Ổn định tần số dòng điện phát với chế độ phụ tải - Đảm bảo chế độ hoạt động song song tổ máy phát điện hệ thống - Đảm bảo dừng máy khẩn cấp xuất cố Cho đến nay, hầu hết thiết bị trạm phát điện phải nhập từ nước Ngoài việc phải sử dụng ngoại tệ, việc nhập thiết bị từ nước ngồi làm ViƯn khoa häc thủ lợi NC, thiết kế, chế tạo điều tốc cho trạm thuỷ điện nhỏ đề tài Kc07-04 cho vic bảo hành, bảo dưỡng sửa chữa thiết bị gặp nhiều khó khăn Việc chủ động thiết kế chế tạo thiết bị trạm thủy điện nói chung máy điều tốc nói riêng phù hợp với cơng cơng nghiệp hóa đại hóa kinh tế nước nhà Đề tài hình thành từ yêu cầu thực tế sản xuất Bản báo cáo này, trình bày kết nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy điều tốc điều chỉnh lưu lượng, điều chỉnh phụ tải xử dụng vi xử lý Đây loại thiết bị điều tốc nghiên cứu nhiều năm Trung tâm Nghiên cứu thủy điện nhỏ (Gọi tắt Trung tâm thủy điện), Viện Khoa học thủy lợi, Bộ Nông nghiệp Phát trin nụng thụn Viện khoa học thuỷ lợi Báo cáo khoa học Đề tài KC07- 04 Phần Lí THUYếT Cơ BảN CủA THIếT Bị điều tốc I.1 S ĐIỀU CHỈNH TUA BIN VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỀU TỐC I.1.1 SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU CHỈNH TUA BIN THUỶ LỰC: Nguyên lý điều chỉnh máy điều tốc dựa phương trình chuyển động quay tổ máy thuỷ điện: Mt − Mc = J dω dt (1) Trong đó: Mt - Mơ men tua bin sinh Mc - Mô men cản phụ thuộc vào phụ tải J - Mơ men qn tính tổ máy (Tua bin + Máy phát) ω - Vận tốc quay tổ máy Muốn trì vận tốc tổ máy khơng thay đổi (do tần số dịng điện khơng đổi), vế trái phương trình khơng (= 0) Do phương trình (1) trở thành: dω = Mt − Mc = dt ω = const J (2) Từ (2), rút kết luận: Có thể điều chỉnh tua bin để đạt trị số vòng quay không thay đổi cách đảm bảo điều chỉnh cho đạt cân mô men tua bin sinh mô men cản Có thể đạt điều theo cách sau: - Điều chỉnh mô men trục tua bin Mt cho cân với mô men cản phụ tải Mc Theo hướng này, ta có loại điều tốc điều chỉnh lưu lượng thường dùng trạm thuỷ điện - Ngược lại, điều chỉnh tổng mô men cản phụ tải Mc cho cân với mô men trục tua bin Mt Theo hướng này, ta có loại điều tốc điều chỉnh phụ giả (Điều tốc tải giả) I.1.1.1 Điều chỉnh mô men trục tua bin: Mô men sinh trục tua bin liên hệ với công suất tua bin sau: Ntb = Mt ω ViÖn khoa học thuỷ lợi (3) NC, thiết kế, chế tạo điều tốc cho trạm thuỷ điện nhỏ đề tài Kc07-04 Và ta biết, với cột nước làm việc H lưu lượng Q, công suất tua bin là: N tb = γ.Q H 102 (4) Trong đó: Ntb - Cơng suất thuỷ lực dịng nước sinh trục tua bin (kW) γ - Trọng lượng riêng nước , γ = 1000 kG/m3 Q - Lưu lượng tổ máy (m3/s) H - Cột nước làm việc tua bin (m) Từ (3) (4), kể đến hệ số tổn thất Φ, rút ra: Mt = γ Q H Φ 102 × ω (5) Trong vùng làm việc định tua bin, khoảng thời gian định, cột áp H không thay đổi, hệ số tổn thất Φ không thay đổi, tức ta coi H= Const, Φ=Const Do vậy, Mt cịn phụ thuộc vào lưu lượng Q Để điều chỉnh cho mô men trục tua bin Mt cân với mô men cản phụ tải Mc ta phải điều chỉnh lưu lượng nước qua tua bin Đây nguyên tắc điều chỉnh máy điều tốc điều chỉnh lưu lượng truyền thống sử dụng rộng rãi trạm thuỷ điện I.1.1.2 Điều chỉnh tổng mô men cản trục tua bin: Trong trạm thuỷ điện áp dụng loại điều tốc kiểu tải giả, lưu lượng Q qua tua bin không thay đổi khoảng thời gian định; tức tua bin hoạt động với công suất Mt định tương ứng với lưu lượng (theo(5)) Do phụ tải tiêu thụ thay đổi, tức mô men Mc thay đổi, nên phải có nguồn phụ tải tiêu thụ bù vào cho đạt tổng phụ tải tua bin khơng thay đổi, đạt cân theo (2) Phụ tải thường điện trở Nhiệm vụ máy điều tốc kiểu tải giả giữ cho tổng phụ tải tua bin khơng thay đổi cách đóng-ngắt phụ tải bù nói Việc đóng ngắt thường mạch điện tử Thiritstor đảm nhận, loại máy điều tốc loại gọn nhẹ, dễ sửa chữa, giá thành thấp ViƯn khoa häc thủ lợi NC, thiết kế, chế tạo điều tốc cho trạm thuỷ điện nhỏ đề tài Kc07-04 Tuy nhiờn, chất lượng dịng điện trường hợp khơng cao trường hợp điều chỉnh lưu lượng Trong trạm thủy điện công suất nhỏ hoạt động độc lập, yêu cầu chất lượng dịng điện khơng cao (Dùng thắp sáng, đun nấu ), sử dụng loại điều tốc mang lại hiệu kinh tế cao I.1.2 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI MÁY ĐIỀU TỐC TRONG TRẠM THUỶ ĐIỆN I.1.2.1 Cấu tạo chung Nói chung, máy điều tốc có hai phận sau: (1) Bộ phận điều khiển: Bộ phận điều khiển coi trung tâm xử lý tín hiệu điều tốc vòng quay tổ máy, phận quan trọng phức tạp máy điều tốc Trong phận chia số cụm với chức sau: - Cụm phận cảm ứng: Làm nhiệm vụ nhận tín hiệu vịng quay tổ máy, so sánh sai lệch với giá trị đặt trước vịng quay tổ máy để tạo tín hiệu điều chỉnh tương ứng tác động lên phận xử lý - Cụm phận xử lý: Từ tín hiệu sai lệch tạo tín hiệu điều khiển cửa van tua bin (hoặc phụ tải) - Bộ phận ổn định: Làm nhiệm vụ ổn định hệ thống điều chỉnh nhằm đảm bảo chất lượng hệ thống điều chỉnh, thơng qua tín hiệu phản hồi vịng quay, gia tốc vòng quay (2) Bộ phận chấp hành: Làm nhiệm vụ điều chỉnh theo yêu cầu máy điều tốc (Lưu lượng qua tua bin phụ tải tổ máy) I.1.2.2 Các loại điều tốc dùng cho trạm thuỷ điện (3) Điều tốc điều chỉnh lưu lượng Theo cấu tạo, kết cấu phận máy điều tốc, chia cácloại điều tốc sau, mà tên gọi hàm ý kiểu cấu tạo phận điều khiển phận chấp hành: ViƯn khoa häc thủ lỵi NC, thiÕt kÕ, chế tạo điều tốc cho trạm thuỷ điện nhỏ (a) đề tài Kc07-04 iu tc C-Thu lc õy l loại máy điều tốc đời từ lâu Bộ phận điều khiển phận học, như: lắc li tâm, lắc thuỷ lực; phận chấp hành thuỷ lực (secvomotor thuỷ lực), phận khác cấu khí thuỷ lực Ưu điểm : - Có khả điều khiển tua bin thuỷ điện có cơng suất cao - Tín hiệu điều chỉnh liên tục - Độ bền cao Nhược điểm: - Hệ thống cứng nhắc khó thay đổi hệ số điều khiển phải điều khiển hệ có nhiều thay đổi lớn - Độ trễ thiết bị lớn - Độ sai lệch tĩnh lớn Hiện nước phát triển dùng loại (b) Điều tốc Điện -Thuỷ lực Cũng loại trên, loại điều tốc có phận chấp hành thiết bị thuỷ lực, lại phận cảm ứng phận khác thiết bị điện tử tương tự Ưu điểm: - Gọn nhẹ, dễ dùng điều tốc Cơ - Thuỷ lực - Khả cơng nghiệp hố cao - Tín hiệu điều khiển liên tục - Đảm bảo độ nhạy, độ xác điều khiển Nhược điểm: - Hệ thống cịn cứng nhắc, khả thay đổi thơng số phụ thuộc vào phần cứng - Có trơi trượt tham số đặc điểm linh kiện analog ViƯn khoa häc thủ lỵi NC, thiÕt kế, chế tạo điều tốc cho trạm thuỷ điện nhỏ đề tài Kc07-04 - quỏ iu chnh cũn lớn - Để chế tạo hệ điều khiển có nhiều tính phức tạp - Giá thành chế tạo phần tử thủy lực cao (c) Điều tốc Điện tử số -Thuỷ lực Cũng loại trên, loại điều tốc có phận chấp hành thiết bị thuỷ lực, lại phận cảm ứng phận khác thiết bị điện tử số Ưu điểm: - Gọn nhẹ, dễ dùng thay đổi thơng số điều chỉnh - Có khả tự truy tìm số thời gian tổ máy tín hiệu điều chỉnh tương thích - Độ xác cao, sai lệch tĩnh nhỏ - Độ điều chỉnh nhỏ Nhược điểm: - Giá thành chế tạo phần tử thủy lực cao (d) Điều tốc Điện tử -Điện Loại điều tốc có phận chấp hành động điện, lại phận cảm ứng phận khác thiết bị điện tử tương tự Loại điều tốc có chung ưu nhược điểm loại máy Điện -Thuỷ lực, ngoại trừ phần chấp hành điện, phù hợp áp dụng trạm thủy điện nhỏ (e) Điều tốc Điện tử số - Điện Loại điều tốc có phận chấp hành động điện, lại phận cảm ứng phận khác thiết bị điện tử số Loại điều tốc có chung ưu nhược điểm loại máy Điện tử số -Thuỷ lực, ngoại trừ phần chấp hành điện, phù hợp áp dụng trạm thủy điện nhỏ (4) Điều tốc điều chỉnh phụ tải ViƯn khoa häc thủ lỵi ... Nghiên cứu thủy điện nhỏ (Gọi tắt Trung tâm thủy điện) , Viện Khoa học thủy lợi, Bộ Nông nghiệp Phát triển nơng thơn ViƯn khoa häc thủ lỵi Báo cáo khoa học Đề tài KC07- 04 Phần Lí THUYếT Cơ BảN CủA... vấn đề lĩnh vực này: Thứ nhất, trạm thủy điện nhỏ xây dựng mới, giá thành máy điều tốc chiếm tỷ trọng tương đối lớn tổng giá trị thiết bị (Ví dụ: Giá nhập máy TT150 (Trung Quốc) 80 triệu đồng Việt. .. tài vài trạm thủy điện nhỏ Từ năm 1981 trở lại đây, Trường Đại học Bách khoa Hà nội nghiên cứu bước thử nghiệm sản xuất loại máy điều tốc Điện tử - Thuỷ lực Một số cơng trình thuỷ điện lắp đặt