Tuabin thuỷ lực là một bộ phận quan trọng nhất trong nhà máy thuỷ điện, bằng sự thay đổi tốc độ nó quyết định công suất phát của tổ máy.. Bộ điều tốc kỹ thuật số được lắp trong các tủ đi
Trang 1CÁC NGUYÊN LÝ ĐIỀU TỐC
1.Bộ điều tốc ly tâm:
Một ứng dụng kinh điển của lực ty tâm trong cơ khí là bộ điều tốc ly tâm Khi tốc độ quay của động cơ tăng, các quả nặng (miêu tả trong hình vẽ) chịu lực ly tâm lớn hơn, văng xa ra hơn và khép lại đường ống nhiên liệu của động cơ (hoặc, một cách tổng quát, giảm nguồn năng lượng cho động cơ); điều này dẫn đến tốc độ động cơ giảm lại Khi tốc độ động cơ xuống thấp, lực ly tâm lên các quả nặng giảm, các quả nặng bị trọng lực kéo xuống và
mở rộng đường ống nhiên liệu; điều này làm tốc độ động cơ tăng trở lại Đây
là một ví dụ của hoàn ngược âm, giúp điều tiết và giữ tốc độ quay của động
cơ ổn định Lực ly tâm cũng được dùng trong bộ ly hợp tự động của một số
xe máy hay ô tô Khi tốc độ quay của động cơ đạt đến ngưỡng thích hợp, lực
ly tâm lên các quả nặng trong bộ ly hợp sẽ đủ lớn đến khép chặt các tiếp xúc
và chuyển bộ ly hợp sang trạng thái truyền lực khiến xe chuyển bánh Khi tốc độ động cơ dưới ngưỡng, lực ly tâm không đủ lớn và bộ ly hợp ngắt lực truyền, giúp xe đứng tại chỗ nhưng động cơ vẫn nổ máy
Trang 22.Sơ đồ khối và chức năng các bộ phận của bộ điều tốc cơ khí hoạt động theo nguyên tắc độ lệch (hữu sai và vô sai)
- sơ đồ nguyên lý
- nguyên tắc tự động ổn định
- các điều chỉnh để đảm bảo chất lượng
Bộ điều tốc cơ khí thường là bộ điều tốc con quay ly tâm có đặc tính n = f(Mc) hữu sai khi các tổ máy phát hoạt động song song và bộ điều tốc con quay ly tâm có đặc tính vô sai khi tổ máy phát chỉ hoạt động độc lập, không hoạt động song song
a)Bộ điều tốc ly tâm có đặc tính hữu sai:
Sơ đồ nguyên lý bộ điều tốc ly tâm có đặc tính hữu sai
Để đo tốc độ của động cơ diezel người ta dùng con quay ly tâm với quả văng
A Tốc độ quay càng lớn quả văng càng văng xa Để tạo tốc độ quay cho trước n0, đặt 1 lò xo tì lên con chạy 1 và tạo 1 lực E cân bằng với lực Ar của con chạy do lực ly tâm quả văng tạo nên Để điều chỉnh lực nén ban đầu của
lò xo E ta điều chỉnh bằng lực từ ngoài tỳ lên lò xo (bằng cơ, bằng lực khí, thủy lực …) Khi điều chỉnh như vậy ta điều chỉnh giá trị tốc độ cho trước
n0 Khi tốc độ quay của động cơ càng lớn lực Ar > E, con chạy 1 dịch chuyển 1 đoạn z cho đến lúc nào Ar = E Đồng thời van trược 3 của khuyếch
đại thủy lực chuyển dịch lên phía trên 1 khoảng l, thông dầu có áp lực lớn tỳ
lên piston của động cơ trợ động và dịch chuyển 1 khoảng L để giảm nhiên liệu làm giảm tốc độ Nhờ cánh tay đòn BC nối với piston của động cơ trợ động (làm nhiệm vụ phản hồi cứng âm) van trượt của khuyếch đại thủy lực lại chuyển dịch xuống phía dưới đóng cửa van không cho dầu có áp lực cao vào động cơ trợ động thêm, piston của động cơ trợ động dừng lại
Trang 3Trường hợp tốc độ động cơ giảm hiện tượng xảy ra ngược lại
Đặc tính n = f(Mc) được biểu diễn như sau:
Đường 1 tương ứng khi động cơ hoạt động không có bộ điều tốc, đường 2 tương ứng khi động cơ hoạt động có bộ điều tốc hữu sai Sai số càng lớn khi tải càng lớn Có thể thay đổi độ dốc bằng cách thay đổi tỷ số cánh tay đòn a/b (thay đổi hệ số phản hồi cứng âm)
b)Bộ điều tốc ly tâm có đặc tính vô sai:
Cấu tạo của bộ điều tốc ly tâm có đặc tính vô sai được mô tả như hình sau:
Ở bộ điều tốc này piston của động cơ trợ động được nối với piston của bộ giảm chấn Bộ giảm chấn là phản hồi âm mềm, chỉ hoạt động ở chế độ động, không hoạt động ở chế độ tĩnh Giả sử tốc độ động cơ tăng con chạy dưới tác dụng của lực ly tâm của quả văng dịch chuyển lên một khoảng z, kéo theo
dịch chuyển van trượt khuyếch đại thủy lực một khoảng l để thông dầu có áp
lực cao tác động lên piston của động cơ trơ động đẩy lùi xuống dưới để giảm nhiên liệu, giảm tốc độ
Nhờ piston của động cơ trợ động được nối với piston của bộ giảm chấn nên lúc ban đầu khi piston của động cơ trợ động chuyển động xuống phía dưới
Trang 4kéo theo toàn bộ giảm chấn cùng chuyển động xuống, hệ thống van trượt cũng chuyển dịch xuống Nhưng tác dụng của lực căng lò xo 3 dầu được thoát qua van kim 5, vỏ của bộ giảm chấn chuyển dịch trở về trạng thái ban đầu và khi tốc độ của động cơ trở về giá trị cũ cánh tay đòn ACB trở về trạng thái ban đầu cửa van khuyếch đại thủy lực đóng, piston động cơ trợ động dừng Qua phân tích trên ta thấy bộ điều tốc ly tâm có bộ giảm chấn vừa có tính chất vô sai vừa có tinh chất hữu sai Do đó ở chế độ tĩnh hệ thống không có sai số, ở chế độ động hệ thống rất ổn định Đặc tính n = f(Mc) được mô tả như sau:
Trang 53.Bộ điều tốc Turbin thuỷ lực
Trong tự nhiên có nhiều nguồn năng lượng phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt, chiếm tỷ trọng lớn nhất trong các nguồn năng lượng đó phải kể đến thuỷ điện Điều khiển nhà máy thuỷ điện nhằm đạt được công suất tối ưu là
vấn đề hết sức quan trọng
Hệ thống Tuabin thuỷ lực:
Nước từ hồ chứa thượng lưu được dẫn vào hệ thống đường ống áp lực và buồng xoắn, tại đây nước được gia tốc tới vận tốc rất lớn Qua hệ thống cánh hướng, nước được dẫn vào tuabin thuỷ lực làm quay tuabin đồng thời làm quay máy phát điện (thông thường trục của tuabin được nối thẳng với trục máy phát) Từ đầu cực máy phát, dòng điện được tăng áp qua máy biến áp lực và dẫn lên trạm phân phối hoà vào lưới điện quốc gia
Tuabin thuỷ lực là một bộ phận quan trọng nhất trong nhà máy thuỷ điện, bằng sự thay đổi tốc độ nó quyết định công suất phát của tổ máy Là một thiết bị có cơ cấu phức tạp, trọng lượng và kích cỡ lớn, tuabin đòi hỏi phải
có độ bền cao, vận hành ổn định trong thời gian dài (tuổi thọ vận hành 40 năm, thời gian đại tu 6 năm, trung bình vận hành 3000 giờ/năm )
Tuabin thuỷ lực phổ biến ( loại Kaplan trục đứng như: Hoà Bình, Trị An, Yaly, Thác Bà ) bao gồm 2 phần chính : Roto tuabin (gồm bánh xe công
Trang 6tác-BXCT được nối với trục tuabin thông qua khớp nối truyền động momen xoắn, trục, ổ hướng và ổ chèn trục) và Stato tuabin (gồm vành đáy tuabin để
đỡ trục dưới cánh hướng, các vành làm kín, vành stato tuabin, bộ cánh hướng dòng ) và bộ ống xả, buồng xoắn
Tuỳ theo mực nước thượng lưu và khi tải trên lưới điện thay đổi đòi hỏi lượng điện phát ra của nhà máy phải thay đổi phù hợp Vấn đề đặt ra là phải điều chỉnh đồng bộ giữa độ mở hệ thống cánh hướng nước nhằm điều chỉnh lưu lượng nước vào tuabin và điều chỉnh góc nghiêng của BXCT, tạo cho tuabin tốc độ ổn định
Để điều chỉnh độ mở cánh hướng người ta sử dụng các servomotor (thông thường 2 servomotor) và hệ thống xilanh thuỷ lực Truyền động của servomotor sẽ qua hệ thống xilanh gắn với vòng điều chỉnh, giữa cánh hướng và vòng điều chỉnh có các khớp truyền động
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật số, bộ điều tốc tuabin được tự động hoá hoàn toàn có khả năng thu thập các thông số quá trình một cách liên tục, tự động điều chỉnh ổn định quá trình vận hành
Bộ điều tốc tuabin bao gồm phần điều tốc kỹ thuật số và phần điều tốc thuỷ lực
a)Phần điều tốc kỹ thuật số:
Sơ đồ khối hệ thống điều tốc tuabin
Mỗi tuabin được cung cấp một hệ thống điều tốc tự động riêng biệt có khả năng điều khiển tốc độ, công suất phát, lưu lượng nước vào tuabin cho phép
Trang 7tổ máy vận hành ổn định, hoàn hảo ở chế độ vận hành song song với nhau và với hệ thống điện
Bộ điều tốc kỹ thuật số được lắp trong các tủ điều khiển tại tổ máy, các thông số được giám sát qua hệ thống SCADA ở phòng điều khiển trung tâm
Bộ điều tốc có cấu hình dự phòng kép cả về phần cứng và phần mềm, một hệ giao tiếp tốc độ cao được thiết lập giữa hai card xử lý đảm bảo quá trình chuyển mạch không trễ trong mọi chế độ vận hành Nguyên lý điều chỉnh là thuật toán PID có nhánh hồi tiếp
Điều khiển vị trí: sử dụng thuật toán điều chỉnh PID, tín hiệu vào là vị trí
thực của cánh hướng và vòng trượt của các servomotor Khi vận hành ở chế
độ quá tải, sự giới hạn tốc độ của cánh hướng và BXCT được đặt lên hàng đầu nhằm tránh tuabin lệch khỏi vị trí tối ưu Điểm đặt vị trí của BXCT được tính toán dựa theo điểm đặt vị trí cánh hướng và giá trị cột nước
Điều khiển giới hạn độ mở: độ mở giới hạn có thể được điều chỉnh trong
khoảng -5 đến 105%
Điều khiển vận tốc: sử dụng thuật toán điều chỉnh PID có phản hồi, giá trị
đặt của bộ điều khiển vận tốc có thể được điều chỉnh trong khoảng 90 đến 110% Dải tần số chết có tác dụng trong suốt quá trình vận hành song song
và có thể điều chỉnh được Bộ điều chỉnh PID sẽ xác định điểm đặt cho servomotor điều khiển cánh hướng bằng cách tính toán sự sai lệch giữa giá trị đặt và tốc độ thực tế Hàm truyền của bộ điều khiển khi bỏ qua hiện tượng trễ vi sai:
Kp: Hệ số tỷ lệ
Tn : Thời gian tích phân
Td : Thời gian vi phân
bp: độ dốc của đặc tính tốc độ
Khi bp » 0:
Trang 8Điều khiển độ mở cánh hướng: giá trị đặt có thể được điều chỉnh trong
khoảng -5 đến 105%, chế độ vận hành của bộ điều khiển này chỉ có thể được lựa chọn khi tổ máy vận hành ở chế độ song song, trong các chế độ khác điểm đặt của độ mở sẽ là độ mở thực của cánh hướng
Điều khiển lưu lượng: giá trị đặt có thể được điều chỉnh trong khoảng -5
đến 105% Lưu lượng thực tế được tính toán từ cột nước, vận tốc tuabin, vị trí của cánh hướng và BXCT Bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI, xác định giá trị đặt cho vị trí của servomotor cánh hướng bằng cách tính toán sự khác nhau giữa giá trị đặt và lưu lượng thực tế Hàm truyền của bộ điều khiển có dạng:
Điều khiển mực nước: giá trị điểm đặt đã được xác định trước, nó chỉ có thể
được xác định lại thông qua các thiết bị đầu cuối, bảng vận hành hay giao diện thông tin Bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI
Một số thông số của phần điều tốc kỹ thuật số:
- Chuẩn giao diện: RS232, RS485, Ethernet
- Dải tốc độ chết : £ 0.02%
- Dải tần số đo được ứng với tốc độ : 1.2 ¸10000Hz
- Thời gian chết : £ 0.2s
- Độ ổn định tốc độ : £ 0.3%
- Độ ổn định công suất : £ 0.4%
- Hệ số tỷ lệ Kp: 0 ¸500
-Thời gian tích phân Tn : 0.05 ¸5000s
- Thời gian vi phân Td : 0 ¸10s
- Độ dốc của đặc tính tốc độ bp: 0 ¸10%
Trang 9- Thời gian mở cánh hướng có thể điều chỉnh : 10 ¸1000s
Các tính năng tự động hoá của phần điều tốc kỹ thuật số:
- Điều chỉnh vị trí các cánh hướng đồng bộ với điều chỉnh độ nghiêng của BXCT
- Giám sát và kiểm tra tốc độ, lưu lượng
- Điều chỉnh việc chọn nhanh mức tải
- Vận hành đa nhiệm theo thời gian thực
- Giao diện Ethernet chuẩn với hệ thống SCADA
- Giao diện HMI tại phòng điều khiển và tủ điều khiển tại chỗ
- Ghi và thông báo các sự kiện trong quá trình vận hành
- Bảo vệ điện một chiều các Module I/O, kiểm tra cao tần hệ thống
b)Phần điều tốc thuỷ lực:
Phần điều tốc thuỷ lực bao gồm: bể chứa dầu, van trượt điều khiển chính, máy bơm trục vít, bộ lọc, các sensor đo mức và nhiệt độ
Bộ tác động điện thuỷ lực biến đổi các tín hiệu từ bộ điều khiển kỹ thuật số thành các đại lượng cơ tương ứng Bộ khuếch đại thuỷ lực gồm có van động
và van phân phối chính nối hệ thống ống dầu áp lực với servomotor của cánh hướng và hệ thống cấp dầu áp lực Hệ thống dầu có áp lực 4.0 - 6.3 Mpa ( 40 – 63 bar )
Hệ thống khí nén cung cấp cho bình tích áp, cân bằng áp lực hệ thống
Với hệ thống van, thời gian tác động được giới hạn tương ứng với đòi hỏi của sự thay đổi tốc độ Ngoài ra còn có một van trượt điện từ độc lập để dừng khẩn cấp tuabin bằng cách tác động để servomotor đóng khẩn cấp các cánh hướng mà bỏ qua các tín hiệu từ bộ điều khiển
Các thiết bị đo:
- Đầu đo lưu lượng theo phương pháp Witer-Kennedy
- Đo áp suất vi sai tại buồng xoắn
Trang 10- Công tắc giới hạn và cảnh báo sự đồng bộ giữa các cánh hướng
- Đo vị trí vành điều chỉnh hay độ mở cánh hướng
- Đo áp suất xilanh và nhiệt độ dầu áp lực
- Đo độ lệch trục của Tuabin
Ngoài ra còn có các hệ thống đo khác đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn,
ổn định như: độ rung, độ ẩm, nhiệt độ môi trường
Trang 114.Thiết kế, tích hợp hệ thống điều khiển đồng bộ
- Khái quát về hệ thống điều khiển các nhà máy thuỷ điện vừa và nhỏ: Hệ thống điều khiển nhà máy thuỷ điện thông thường có thể tách ra thành 04 phần cơ bản, một là các trạm điều khiển tổ máy phát (LCU), hai là hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA), ba là hệ thống điều khiển thiết bị trạm (SYU) và bốn là hệ thống điều khiển các thiết bị cơ khí thuỷ công, các thiết bị phụ trợ (SIAO)
a)Hệ thống điều khiển tổ máy (LCU-Local Control Unit)
Mỗi hệ thống LCU trong các nhà máy thuỷ điện phụ trách toàn bộ phần điều khiển và giám sát mọi sự hoạt động của tổ máy trong phạm vi của nó, như điều khiển và giám sát điều tốc, điều khiển kích từ, điều khiển và đo lường các thiết bị thuộc tổ máy… Sơ đồ ví dụ thể hiện cấu trúc của một bộ LCU Tuỳ thuộc vào quy mô và yêu cầu cụ thể của từng dự án thuỷ điện mà ta có thể chọn các cấu hình thiết bị điều khiển khác nhau, có thể bớt đi hoặc thêm vào một vài cấu trúc phần cứng nào đó Cũng như có thể thay đổi các thiết bị phần cứng như PLC, thay đổi kiểu giao thức truyền thông cho phù hợp Tuy nhiên chức các chức năng giám sát và điều khiển cơ bản vẫn phải đảm bảo Như vậy ta thấy rằng để đáp ứng được các chức năng điều khiển của bộ LCU có nhiều giải pháp, nhiều loại thiết bị điều khiển đáp ứng được Đối với những tổ máy rất lớn, yêu cầu chất lượng điều khiển rất cao ta có thể dùng các họ PLC mạnh như S7-400 của Siemens, PU325H trở lên của
TOSHIBA, hay các dòng Q25H của MITSUBISHI, Đối với các hệ thống nhỏ ta có thể sử dụng các thiết bị điều khiển có cấu hình nhỏ hơn, thậm chí chỉ cần dùng một PLC cỡ nhỏ như dòng S7-200 của Siemens cũng có thể đáp ứng được yêu cầu Ngày nay cùng với sự phát triển của công nghệ vi xử
lý, các thiết bị điều khiển cũng hết sức đa dạng, như sự xuất hiện của các thế
hệ điều khiển PC của hãng NI hay các thiết bị tích hợp cho phép kết nối, thiết lập cấu hình và khả năng đáp ứng nhanh theo thời gian thực như DSP (Digital Signal Processing), các vi mạch tích hợp FPGA (Field
Programmable Gate Array), CPLD (Combination of Programmable Logic Design) Đã làm giàu thêm những lựa chọn và giải pháp cho xây dựng thành công các hệ LCU
b)Hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu
(SCADA-Supervisory Control and Data Acquisition)
Tuỳ vào công suất và quy mô của mỗi nhà máy thuỷ điện mà có nhà máy sử dụng hệ thống SCADA, có nhà máy không sử dụng
Bằng sự thống kê, khảo sát hệ thống điều khiển của các nhà máy thuỷ điện
Trang 12trong nước hiện nay thì hầu hết những nhà máy thuỷ điện có công suất tổ máy từ 1,5 MW trở lên xây dựng sau năm 2000 có sử dụng hệ thống
SCADA cho quản lý giám sát và điều khiển Một cấu trúc của hệ SCADA đơn giản cho điều khiển nhà máy thuỷ điện có công suất tổ máy đến 20 MW, các LCU được nối truyền thông với nhau qua đường bus công nghiệp, qua
bộ chuyển đổi RS232 nối với máy tính để quản lý, giám sát và điều khiển Máy tính điều khiển đóng vai trò vừa là một máy server, vừa thực hiện chức năng giao diện (HIM), vừa đảm bảo chức năng truyền thông Đối với những
hệ thống lớn hơn ta có thể tách các chức năng riêng này cho từng máy với quy mô chuyên dụng hơn và ta cũng có thể sử dụng nhiều máy hoặc nhiều màn hình giao diện (OP) cho nhiều trạm vận hành
Ta có nhận xét rằng hệ thống SCADA cho giám sát điều khiển và thu thập
dữ liệu trong nhà máy thuỷ điện về cơ bản cũng như các hệ SCADA áp dụng cho các nhà máy công nghiệp khác Trừ một vài môđun phần cứng, phần mềm mang tính đặc thù cho điều khiển thuỷ điện ra, các phần còn lại của hệ thống ta có thể tích hợp thiết bị của nhiều hãng sản xuất khác nhau Đối với các hệ thống nhỏ ta có thể dùng các máy PC công nghiệp trang bị phần mềm WinCC của Siemens hay Pro DMS 600 của hãng ABB, Labview của hãng
NI đều có thể đảm đương được Các hệ thống lớn ta có thể dùng CS7, PCS7 của Siemens, MX2000 của Mitsubishi, SAT 250 SCALA của
VATech, Trên cơ sở các phần cứng và phần mềm lập trình cơ sở của các nhà cung cấp, nghiên cứu các đặc trưng kỹ thuật thiết bị và thuật toán điều khiển nhà máy thuỷ điện, chúng ta hoàn toàn chủ động được việc cung cấp
hệ thống giám sát, điều khiển SCADA cho các nhà máy thuỷ điện
c)Hệ thống điều khiển thiết bị trạm (SYU-Switch Yard Unit )
Hệ thống điều khiển thiết bị trạm cho nhà máy thuỷ điện bao gồm việc điều khiển, giám sát hệ thống các máy cắt, cầu dao trung áp, cao áp, tình trạng máy biến áp và bảo vệ liên động hệ thống Về nguyên tắc nó không có sự khác biệt với những hệ thống điều các thiết bị trạm trong các nhà máy công nghiệp nói chung Các thuật toán điều khiển và thiết bị điều khiển không có
gì đặc biệt, do đó về cấu trúc nó cũng tương tự như một bộ LCU, nhưng nó không có các môđun điều khiển đặc trưng như điều khiển turbin, điều khiển kích từ, điều khiển và bảo vệ máy phát
Việc thực hiện thiết kế, chế tạo hệ thống SYU cũng có nhiều phương án, nhiều giải pháp Đối với những nhà máy có công suất tổ máy nhỏ (≤ 6 MW) trong một số nhà máy người ta tích hợp luôn hệ thống này vào cùng với hệ thống LCU cho điều khiển riêng mỗi tổ máy và trao đổi các tín hiệu liên động giữa các hệ LCU, nhằm mục tiêu giảm suất đầu tư cho hệ thống Với mục tiêu phân định chức năng rõ ràng và dễ dàng quản lý, trao đổi tín hiệu liên động thì việc thiết kế riêng hệ thống SYU là hợp lý, đặc biệt là đối với