nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin trong nhà máy thủy điện hòa bình

lời Mở đầu Chúng ta đợc biết rằng: Có thể sử dụng nhiều nguồn năng lợng khác nhau để phát điện. Trong đó năng lợng truyền thống nh: Than, dầu, khí đốt, hạt nhân, thuỷ năng đợc coi là các dạng năng lợng cơ bản, còn năng lợng mặt trời, năng lợng gió, năng lợng thuỷ chiều và năng lợng thuỷ chiều cực nhỏ là những dạng năng lợng mới. Với các nhà máy nhiệt điện, ngời ta sử dụng nhiên liệu là than đá, dầu hơi đốt. Nhà máy thuỷ điện lợi dụng năng lợng dòng chảy (bao gồm cả động năng và thế năng). Ngời ta còn xây dựng nhà máy điện bằng cách khai thác năng lợng nguyên tử, năng lợng mặt trời ở nớc ta có 3 nguồn năng lợng chính đã đợc khai thác là than, dầu khí, và năng lợng các lòng sông, suối lớn. Còn các nguồn năng lợng khác nh: Năng lợng hạt nhân, gió, thuỷ chiều, sóng biển, mặt trời đang đợc nghiên cứu sử dụng. Trong các nhà máy điện kể trên, thì phổ biến nhất là nhà máy thuỷ điện và nhiệt điện. Mỗi loại có những u điểm và nhợc điểm riêng. Nhà máy thuỷ điện gồm hàng loạt các u điểm sau : - Hiệu suất nhà máy thuỷ điện có thể đạt đợc rất cao so với nhà máy nhiệt điện. - Thiết bị đơn giản, dễ tự động hoá và có khả năng điều khiển từ xa. - ít sự cố và cần ít ngời vận hành. - Có khả năng làm việc ở phần tải thay đổi. - Thời gian mở máy và dừng máy ngắn. - Không làm ô nhiễm môi trờng. Mặt khác, nếu khai thác thuỷ năng tổng hợp, kết hợp với tới tiêu, giao thông và phát điện thì giá thành điện sẽ giảm xuống, giải quyết vấn đề triệt để của thuỷ lợi và môi trờng sinh thái của một vùng rộng lớn quanh đó. Vốn đầu t xây dừng nhà máy thuỷ điện đòi hỏi lớn hơn so với xây dựng nhà máy nhiệt điện. Nhng giá thành 1 KWh của thuỷ điện rẻ hơn nhiều so với nhiệt điện, nên tính kinh tế vẫn là tối u hơn. Tuy nhiên, ngời ta cũng không thể khai thác nguồn năng lợng này bằng bất cứ giá nào. Xây dựng công trình thuỷ điện thực chất là thực hiện một sự chuyển đổi điều kiện tài nguyên và môi trờng. Sự chuyển đổi này có thể tạo ra một điều kiện mới, gía trị mới sử dụng cho các lợi ích kinh tế xã hội nhng cũng có thể gây ra những tổn thất về xã hội và môi trờng mà chúng ta khó có thể đánh giá hết đợc. Ngời ta chỉ khai thác thuỷ năng tại các vị trí công trình cho phép về điều kiện kỹ thuật, có hiệu quả kinh tế sau khi đã so sánh giữa lợi ích và tổn thất. Đối với những thành phố và khu công nghiệp lớn phải kết hợp nhiều nhà máy nhiệt điện, điện nguyên tử và thuỷ điện. Chúng cần làm việc đồng bộ sao cho đạt hiệu quả cao nhất. ở nớc ta năng lợng của các dòng chảy trong sông, suối (thuỷ năng) rất phong phú, đứng hàng thứ 22 trên thế giới về tiềm năng thuỷ điện. Nguồn năng lợng này đợc phân bố khắp đất nớc. Nhà nớc và chính phủ đã có những sự đầu t phát triển hệ thống thủy điện nh một số nhà máy lớn : Tuyên Quang, Sơn La, Hòa Bình Một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lợng điện năng là tần số của lới điện, tần số và sự suy giảm tần số của lới nó phản ánh sự cung cấp năng lợng đủ hay thiếu của hệ thống. Trong hệ thống các nhà máy điện phải luôn luôn đảm bảo cung cấp đủ công suất cho tất cả các phụ tải của hệ thống và có dự phòng, đảm bảo tần số lới dao động 49.5-50.5 Hz. ở lới điện Việt Nam, tần số lới điện bình thờng là 50 Hz. Việc giữ tần số ổn định cho lới điện là một vấn đề quan trọng, vì nó giữ ổn định cho mạng điện quốc gia. Khi tần số suy giảm dẫn đến giao động công suất trong khu vực làm mất ổn định hệ thống và hệ thống sẽ tan rã nếu không xử lý kịp thời. Thông qua việc điều khiển tốc độ quay tuabin ta có thể điều chỉnh tần số và phân bố công suất của máy phát từ đó có thể điều chỉnh tần số của lới điện và phân bố công suất của tổ máy sao cho chi phí vận hành là nhỏ nhất. Do vậy sau khi tìm hiểu về nhà máy thủy điện, đợc sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Văn Hòa và các thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự Động, cùng với sự chỉ bảo dẫn dắt của các cô chú trong nhà máy thủy điện Hòa Bình, chúng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu phơng pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin trong nhà máy thủy điện Hòa Bình . Bản đồ án này gồm các chơng: Ch ơng 1 : Tổng quát chung nhà máy thuỷ điện. Ch ơng 2 : Kết cấu của các thành phần cơ khí trong nhà máy thủy điện Hòa Bình Ch ơng 3 : Hệ thống điều khiển tốc độ quay của Tuabin (Bộ điều tốc). Ch ơng 4 : Mô phỏng quá trình điều khiển tần số của bộ điều tốc bằng Matlab. Để hoàn thành tốt đồ án này, trớc hết chúng em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo trong bộ môn Điều Khiển Tự Động Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo hành trang kiến thức nhất định và tạo mọi điều kiện trong học tập và nghiên cứu tại trờng. Đặc biệt chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Văn Hòa đã nhận hớng dẫn và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện nhiệm vụ của đồ án và chúng em cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các cô chú, các kỹ s tại Phân x ởng Tự động - Nhà máy thủy điện Hòa Bình. chơng 1: tổng quát chung nhà máy thuỷ điện. 1.1. Tổng quan về năng lợng điện và vai trò của nhà máy thủy điện. Năng lợng điện hay còn gọi là điện năng, là dạng năng lợng thứ cấp đợc tạo ra từ nhiều nguồn năng lợng thứ cấp khác nhau nh nhiệt năng (dầu, khí đốt, than, năng lợng phóng xạ, năng lợng mặt trời ), thủy năng (sông, suối, sóng biển, thủy chiều ), năng l ợng gió Đây là loại năng l ợng đóng vai trò quan trọng và đợc sử dụng trên khắp thế giới trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống ngày nay nh công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, sinh hoạt Việc sử dụng dạng năng lợng khác để biến thành điện năng của mỗi nớc là tùy vào tình hình tài nguyên và đờng nối phát triển của nớc đó. Thuỷ năng là một dạng năng lợng tái tạo đợc. Đây là đặc tính u việt nhất của nguồn năng lợng này, các nguồn năng lợng khác nh : Nguyên tử, than, dầu không thể tái tạo đ ợc. Trong quá trình biến đổi năng lợng, chỉ có thuỷ năng sau khi biến đổi thành cơ năng và nhiệt năng lại đợc tái tạo thành dạng thủy năng, còn các dạng năng lợng khác trong quá trình biến đổi không tự tái tạo trong tự nhiên. Con ngời sử dụng nguồn thuỷ năng để phục vụ cho đời sống và sản xuất, đặc biệt là để phát điện. Tuỳ theo điều kiện từng nớc mà tỷ lệ phát triển các loại nhà máy điện có khác nhau. Theo số liệu năm 1978 thì nhìn chung trên toàn thế giới năng lợng của thuỷ điện chiếm khoảng 1/3 tổng sản lợng điện năng. Trong khi các nguồn khai thác than đã hơn 40 % thì các nguồn thuỷ năng mới khai thác hơn 1,5 % (Điều đó không nói lên rằng sau này thuỷ điện sẽ phát triển mạnh). Theo thống kê năm 1978: ở Châu âu tỷ lệ thuỷ điện chiếm khoảng 34% tổng sản lợng điện năng. ở Liên Xô 19,8 %, Mỹ 18,6 %, Canada 95 %, Phần Lan 91,6 %, Triều Tiên 95-98 %, Na Uy 99 %, Thụy sỹ 99,5 % trái lại ở nhiều nớc châu á và Châu Phi tuy nguồn thuỷ năng rất phong phú nhng tỷ lệ cha đáng kể chính vì sự kìm hãm của chủ nghĩa đế quốc. Ví dụ ở nớc ta: Thời kỳ Pháp thuộc hầu nh không để lại một thuỷ điện nào đáng kể, trong thời gian chiến tranh ta chủ trơng phát triển các thủy điện nhỏ ở các vùng miền núi nh : Lạng Sơn, Quảng Ninh, Sơn La, Lai Châu, giải quyết đợc ánh sáng, cơ sở xay xát, chế biến nhỏ, ở Thanh Hoá có thuỷ điện Bàn Thạch gồm 3x320 KW=960 KW, lợi dụng bậc núi Nông Giang. Thuỷ điện Thác Bà bị bom đạn tàn phá nặng nề, sau này đã khôi phục đợc xong cả 3 tổ máy 3x36=108 MW, ở miền Nam có thuỷ điện Đa Nhim, kiểu kênh dẫn, lợi dụng độ chênh mực nớc giữa hai con sông, công suất 160 MW. Hiện nay, trữ năng lý thuyết của thuỷ điện trên cả nớc ớc tính 270- 300 tỷ KWh/năm, với công suất khoảng 32.10 6 KW. Nhng trữ năng thuỷ điện kỹ thuật (tiềm năng kinh tế) chỉ có khoảng 80 tỷ KWh, Với công suất lắp máy 17.438 MW. Tiềm năng kinh tế kỹ thuật thuỷ điện nhỏ khoảng 60 tỷ KWh/năm, với công suất lý thuyết 10.000 MW. Miền bắc nớc ta có 1069 con sông lớn nhỏ, công suất thuỷ năng ớc l- ợng 6 13, 68.10 KW với trữ lợng điện hàng năm trên 120 tỷ KWh, khả năng xây dựng thuỷ điện ở các con sông chính sau : - Sông Cả khoảng 34 vạn KW - Sông Đà khoảng 254 vạn KW - Sông Mã khoảng 25 vạn KW - Sông Thao khoảng 52 vạn KW - Sông Thái Bình khoảng 3,2 vạn KW - Các hệ thống Nông Giang khoảng 3 vạn KW Theo tính toán nếu xây dựng thuỷ điện đợc 4,8 triệu KW thuỷ điện thì hàng năm sẽ thu đợc độ 9 20.10 KWh , tiết kiệm đợc khoảng 6 20.10 tấn than đá. Thấy đợc lợi thế này cùng với sự giúp đỡ của Liên Xô và các điều kiện kỹ thuật cho phép, nớc ta đã tiến hành điều tra khảo sát và xây dựng thành công nhà máy Thuỷ điện Sông Đà với công suất đợt đầu khoảng 1,6 triệu KW gồm 8x200 MW, sau đó công suất có thể lên tới 3,2 triệu KW (Hiện nay công suất nhà máy đạt 1.92 triệu KW). Xây dựng công trình này nhằm sử dụng tổng hợp trong đó chống lũ là vấn đề cấp bách. Công trình này có thể làm hạ mực nớc ở Hà Nội trong mùa lũ xuống 1,4 m. Đầu t về thuỷ điện của nớc ta không quá lớn nh các nớc khác. Ta có thể tự lực xây dựng thuỷ điện: Đầu t cho thiết bị khoảng 30%, còn lại các công trình khác có thể tự lực đợc. Ngành thuỷ điện nớc ta mở ra một triển vọng vô cùng to lớn, đòi hỏi một số lợng rất lớn các cán bộ thiết kế, thi công, vận hành rất giỏi, đủ sức thăm dò giải quyết những vấn đề kỹ thuật do hoàn cảnh đất nớc ta đề ra, phải biết áp dụng những kỹ thuật tiến triển nhất vào trong lĩnh vực này. Ngành ta đào tạo kỹ s điện thiết kế, vận hành mạng hệ thống điện, nhà máy điện và thuỷ điện, ta phải tự thiết kế thi công các nhà máy điện. Ngời kỹ s vận hành điện ở nhà máy thuỷ điện ngoài những kiến thức tổng quát cần biết (công trình và thiết bị thuỷ lực) mà cần hiểu sâu về điều tiết hồ chứa để vận hành đợc tốt. Đây là một lĩnh vực nhiều lý thuyết khác nhau. 1.2. Vấn đề tự động hóa trong nhà máy thủy điện Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển của nhà máy thuỷ điên Cấu trúc toàn bộ hệ thống có các bộ điều khiển vận hành trực tiếp trên các bộ phận riêng rẽ. Trong mỗi tổ máy phát gồm các bộ phận điều khiển động lực đầu tiên và các bộ điều khiển kích từ. Phần động lực đầu tiên bao gồm tuabin và hệ thống thủy lực, do vậy các bộ điều khiển động lực đầu tiên liên quan tới việc điều chỉnh tốc độ và điều khiển các biến số của hệ thống cung cấp năng lợng. Chức năng của điều khiển kích từ là điều chỉnh điện áp máy phát và công suất phản kháng. Công suất phát mong muốn của các tổ máy phát đơn lẻ đợc xác định bởi các quá trình điều khiển phát điện của hệ thống. Mục đích đầu tiên của điều khiển phát điện hệ thống là cân bằng tổng công suất phát của hệ thống với phụ tải hệ thống và các tổn thất, vì vậy tần số và công suất trao đổi với các hệ xung quanh đợc duy trì. Điều khiển truyền tải bao gồm các thiết bị điều khiển điện áp và công suất, nh các bộ bù phản kháng tĩnh, các bộ bù đồng bộ, các cuộn cảm và điện dung chuyển mạch. Điều khiển các máy biến áp dịch pha và truyền tải dòng một chiều điện áp cao (HVDC) Các quá trình điều khiển đã mô tả ở trên góp phần cho sự thỏa mãn vận hành của hệ thống bằng cách duy trì điện áp và tần số hệ thống và các biến hệ thống khác trong giới hạn cho phép của chúng. Các đối tợng điều khiển phụ thuộc vào trạng thái vận hành của hệ thống. Với các trạng thái bình thờng, đối tợng điều khiển vận hành có hiệu quả khi tần số và điện áp điều khiển gần với giá trị danh định. 1.3. Sơ đồ tổng quan về nhà máy thủy điện:. 1.3.1. Nguyên lý chung: Nớc trên sông, suối chảy từ nguồn ra biển, đi từ cao đến thấp mang theo nó một năng lợng, năng lợng này gọi là thuỷ năng. Để xác định năng lợng đó ta chia dòng chảy trên sông thành đoạn ngắn có chiều dài là l, đợc giới hạn bởi các tiết diện I-I và II-II: Hình 1.2 Sơ đồ xác định năng lợng dòng chảy trên đoạn sông Theo phơng trình Becnuli ta có năng lợng riêng tại từng mặt cắt: 2 2 P V I I I E Z I I I g = + + 2 2 P V II II II E Z II II II g = + + Trong đó: , , , P Z V - áp năng, vị năng, vận tốc trung bình tại mặt cắt và hệ số điều chỉnh động năng. Hiệu năng lợng riêng của hai mặt cắt là năng lợng đơn vị của dòng chảy trên đoạn sông có chiều dài l và đợc gọi là cột áp của đoạn sông, ký hiệu là H. 2 2 - - 1 2 1 1 2 2 - 2 I II P P a V a V H E E Z Z I II g g = = + + Nếu một đoạn sông có cột áp H, lu lợng Q thì năng lợng dòng chảy trên đoạn sông đó là: QHdt t = Hay HW = Trong đó: W thể tích nớc đoạn sông. Công suất nớc của dòng chảy trên đoạn sông là: N QH = Để sử dụng năng lợng của đoạn sông thì phải tập trung năng lợng dòng nớc phân bố trên đoạn sông đó tại một chỗ, tạo độ chênh mực nớc th- ợng và hạ lu, nghĩa là phải tạo nên cột áp. 1.3.2. Sơ đồ nhà máy thủy điện: Nhà máy thủy điện là một tổ hợp phức tạp, sử dụng năng lợng của sông suối, để sản xuất điện năng bao gồm 3 tuyến : - Tuyến áp lực (tuyến đầu mối) - Tuyến năng lợng. - Tuyến hạ lu. Hình 1.3 Sơ đồ các tuyến của nhà máy thủy điện Các thiết bị chính trong nhà máy thủy điện. Tuyến áp lực 1.Hồ chứa + Bể áp lực + Bể lắng cát 2. Đập tràn 3. Các van xả Tuyến năng lợng. +Kênh vào +Cửa van +Đờng hầm (gồm Tháp và van) +Đờng ống Nhà máy : + Thiết bị cơ khí : Chính : Tuabin cho từng tổ máy Phụ : (các thiết bị khác) + Thiết bị điện kỹ thuật Tổ máy Tuabin + Tuabin, cánh hớng + Bộ điều tốc Máy phát + Máy phát + Hệ thống kích từ. Hạ lu 1. Kênh xả 2. Các cửa van hạ lu [...]... bị trong nhà máy thủy điện 1 Cửa nhận nớc 2 Hầm dẫn 5 ống áp lực 3 Bình tạo áp lực 4 Nhà van 9 Hệ thống dầu áp lực và bộ điều tốc 6 Tuabin 10 Hệ thống nớc làm mát 7 Máy phát 11 ống xả 8 Hệ thống kích thích máy phát 12 Cửa hạ lu Trong thực tế có 3 phơng pháp tập trung năng lợng của dòng nớc tơng ứng với ba sơ đồ nhà máy thủy điện: Nhà máy thủy điện kiểu lòng sông, nhà máy thuỷ điện đờng dẫn và nhà máy. .. bơm, các tổ máy nén khí, thiết bị nâng hạ, hệ thống điện đây ta chỉ xét bộ phận chính của phần dẫn dòng tuabin chơng 2 : Tổng quát chung nhà máy thuỷ điện Hoà bình 2.1.Đờng năng lợng của nhà máy thuỷ điện Hoà Bình: Thủy năng Cơ năng - Điện năng: Nhà máy thủy điện Hoà Bình đợc thiết kế theo phơng pháp nhà máy thủy điện kiểu tổng hợp Năng lợng nớc đợc tập trung là nhờ đập và cả đờng dẫn Cột áp của trạm... tác quay và kéo theo rôto của máy phát điện quay Rô to quay làm bộ phận máy phát hoạt động và phát ra điện Tuyến năng lợng của nhà máy đợc thể hiện rất rõ qua hình vẽ kèm theo 2.2.Cửa nhận nớc nhà máy thuỷ điện Hoà Bình Cửa nhận nớc là cửa quan trọng của nhà máy thủy điện, nó là cửa ngõ khi vào nhà máy Tại đây dòng nớc đợc lọc rác bằng lới chắn rác, sau đó đợc dẫn vào tuabin Dòng nớc này đợc điều. .. 220MW, 8 tổ máy) và Trị An (H = 50 m, N = 100MW, 3 tổ máy) là trạm kiểu tổng hợp 1.4 Tuabin nớc trong nhà máy thủy điện Tuabin nớc là một trong các thiết bị quan trọng nhất của nhà máy thủy điện, nhiệm vụ chính là chuyển đổi thủy năng thành cơ năng làm quay rôto máy phát và sinh ra điện năng 1.4.1 Sự ra đời của tuabin thủy lực Tuabin nớc là loại máy thuỷ lực đầu tiên loài ngời dùng để sử dụng nguồn... kiểm tra mức dầu, nhiệt độ của dầu và nhiệt độ các xéc măng bằng các đát trích để biết tình trạng làm việc của tổ máy 2.13.4 Các phần tử của hệ thống điều chỉnh tốc độ tuabin : - Bộ điều tốc - Thiết bị dầu áp lực - Thiết bị tự động MHY - Thiết bị tự động tuabin Các thành phần của bộ điều tốc thuỷ lực - Tủ điều tốc - Bảng thiết bị - Cơ cấu phản hồi - Thiết bị chỉ huy Dầu áp lực từ bình chứa MHY đợc dẫn... nhiệt độ theo quy định va bôi trơn các thiết bị đang vận hành của nhà máy thuỷ điện ở tất cả các chế độ ổn định, quá độ của tổ máy 2.11 Hệ thống trạm bơm thải sau cứu hoả các máy biến áp và hầm cáp: Trạm bơm thải nớc và dầu dùng để bơm thải nớc sau cứu hoả các máy biến áp và hầm cáp ở cao độ 24,6m Trạm bơm nằm ở cao độ 9,8m trong gian máy biến áp Để gom nớc cứu hoả máy biến áp, các hầm cáp ở cao độ 24.6m... nhất H = 300m là nhà máy thủy điện Nurec ở Liên Xô Nhà máy thủy điện Thác Bà trên sông Chảy là nhà máy thủy điện lòng sông có cột áp H = 37m, N = 40MW, ba tổ máy Hình 1.5 Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông 1.3.2.2 Nhà máy thủy điện đờng dẫn: Nớc đợc ngăn bởi một đập thấp rồi chảy theo đờng dẫn (Kênh, máng, tuy nen, ống dẫn) đến nhà máy thủy điện ở đây cột áp cơ bản là do đờng dẫn tạo nên, còn... áp lực và thông với bình chứa MHY, nó đợc sử dụng để đóng cánh hớng nớc trong trờng hợp bộ điều tốc bị hỏng, ngăn kéo có truyền động điện từ để điều khiển ngăn kéo sự cố Khi tổ máy làm việc bình thờng dầu dễ dàng chảy qua ngăn kéo sự cố, còn khi bộ điều tốc bị hỏng và tốc độ quay của roto tăng cao thì rơ le tần số quay sẽ đợc tín hiệu đi khởi động ngăn kéo sự cố có bộ dẫn động điện từ ... Kết cấu các thành phần cơ khí của tổ máy thuỷ lực 2.13.1 Công dụng : Máy tuabin thuỷ lực trục đứng kiểu PO 150/810-B-567,2 dùng để dẫn động cho máy phát điện 3 pha có công suất định mức 240.000KW Điều khiển tuabin đợc thực hiện bằng bộ điều tốc thuỷ lực, trong hộp với thiết bị dầu áp lực MHY Tổ máy có khả năng làm việc ở cả chế độ bù 2.13.2 Một số thông số kỹ thuật - Kiểu tuabin trục đứng hớng tâm :... đo của ống thuỷ có các vạch chia độ tính bằng % so với thể tích bình dự trữ * Van không khí một chiều đợc lắp trên đờng ống dẫn có áp lực nối bình MHY với bình chứa khí của nhà máy và dùng để ngăn không khí không cho ra khỏi bình MHY sau khi nạp * Bộ điều chỉnh mức dầu ở bình MHY Bộ điều chỉnh mức dầu PYM-3 dùng để nạp bổ xung không khí vào bình MHY trong suốt quá trình MHY làm việc Mức dầu trong bình . Tổng quát chung nhà máy thuỷ điện. Ch ơng 2 : Kết cấu của các thành phần cơ khí trong nhà máy thủy điện Hòa Bình Ch ơng 3 : Hệ thống điều khiển tốc độ quay của Tuabin (Bộ điều tốc) . Ch ơng 4. chú trong nhà máy thủy điện Hòa Bình, chúng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu phơng pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin trong nhà máy thủy điện Hòa Bình . Bản đồ án này gồm. đỡ của các cô chú, các kỹ s tại Phân x ởng Tự động - Nhà máy thủy điện Hòa Bình. chơng 1: tổng quát chung nhà máy thuỷ điện. 1.1. Tổng quan về năng lợng điện và vai trò của nhà máy thủy điện.