Đồ Án Thiết Kế Nhà Máy Thuỷ Điện

Đồ án này là đồ án thiết kế nhà máy thuỷ điện ( tuabin trục ngang , 3 tổ máy ) , được sử dụng cho các sinh viên đại học xây dựng cùng chuyên ngành là thuỷ lợi . Đây là 1 đồ án của 1 sinh viên học ở đại học bách khoa đà nẵng . Được thông và chỉnh sửa khá ổn định , phù hợp cho việc phục vụ các sinh viên đang thắc mắc và tìm kiếm các đồ án mẫu .

Trường : Đại Học Bách Khoa – Đại Học Đà Nẵng

Khoa : Xây Dựng Thủy Lợi - Thủy Điện

Bộ môn : Công Trình Thuỷ Lợi

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

Họ và tên sinh viên : Nguyễn Thành Lâm

Lớp : 15X2

Mã Sinh Viên : 1111 500 89

* Phần 1 : Nhiệm Vụ Tính Toán

1.1 Mục Đích

Giúp sinh viên vận dụng các kiến thức đã học vào việc thiết kế nhà máy của trạm thủy điện , giúp sinh viên nhận biết rõ được phần nào về cơ cấu bộ phận nhà máy thuỷ điện từ lý thuyết đã học

1.2 Các Tài Liệu Ban Đầu

- Tài liệu về địa hình , bình đồ số : 4

- Tài liệu về thủy năng :

Htt = 47.38 (m) , Hmin = 42.82 (m) , Hmax = 61.87 (m)

Nlm = 1300 (kW) , Qtrạm = 3.43 (m3/s)

- Tài liệu về quan hệ mực nước hạ lưu nhà máy Zhl = f(Q) , đồ thị số : 3

1.3 Quan Hệ Q=f(H)

Quan hệ giữa lưu lượng qua nhà máy với cao trình mực nước trong kênh xả hạ lưu nhà máy thuỷ điện

* Phần 2 : Chọn Thiết Bị Chính Cho Nhà Máy Thuỷ Điện

2.1 Tổng Quan Về Chọn Thiết Bị Chính Cho Nhà Máy Thuỷ Điện

- Nội dung để chọn nhà máy thuỷ điện bao gồm :

+ Phân tích số tổ máy

+ Chọn và xác định kích thước của thiết bị chính trong nhà máy

Số tổ máy của trạm thuỷ điện và các thông số của tuabine như công suất , đường kính bánh xe công tác (D1) , vòng quay (n) có liên quan chặt chẽ với nhau Nếu số lượng tổ máy ít , công suất định mức của một tuabine sẽ lớn , do đó ảnh hưởng đến

sự đảm bảo cung cấp được cho hệ thống khi tổ máy bị sự cố hỏng hóc Khí số tổ máy ít lại sẽ kèm theo sự giảm hiệu suất trung bình của nhà máy , mặc dù hiệu suất lớn nhất của tổ máy là cao

Ngược lại , nếu tăng số lượng tổ máy của trạm thuỷ điện thì sẽ tăng vốn đầu tư cho máy móc thiết bị , tăng kinh phí bảo dưỡng , vận hành , …

Trong thực tế , ta tính toán thiết kế chọn tuabine cho trạm thuỷ điện hiện nay , người ta thường tính toán đến thiết kế và kinh tế

2.2 Chọn Nhãn TB

- Để chọn nhãn TB có hai cách : Dùng bảng tổng hợp hệ loại TB hoặc dùng biểu

đồ sản phẩm hệ loại TB Dựa vào cột nước và công suất của TB , tra trên bảng hoặc biểu đồ hệ loại để chọn hệ , kiểu tuabin phù hợp

- Trong thực tế , tính toán thiết kế chọn TB hiện nay thì người ta thường thông qua tính toán kinh tế - năng lượng , có xem xét đến hiệu suất TB cũng như vấn đề xảy

ra khí thực khi chọn cao trình

- Phạm vi đồ án yêu cầu sinh viên đưa ra các phương án về số tổ máy , kiếm tra điều kiện làm việc của TB và phân tích để tìm và chọn ra phương án thiết kế

2.2.1 Chọn Số Tổ Máy

- Với công suất lắp máy Nlm=1300 (kW) , ta sẽ chọn 3 phương án tổ máy để tìm ra

số tổ máy phù hợp về điều kiện kinh tế , hiệu suất cao

- Tính công suất của TB : N TB = N lm (Z.η mf ) -1 (kW)

Trong đó : Nlm (kW) là công suất lắp máy yêu cầu

Z (Tổ) là số tổ máy được dùng cho nhà máy

ηmf (%) là hiệu suất máy phát được dùng

( Z và ηmf là hai giá trị chúng ta có thể thay đỗi để lựa chọn TB cho hợp , ở đồ án này ta chọn giá trị ηmf là giá trị cố định , còn lại ta sẽ thay đỗi số tổ máy Z )

2.2.2 Chon Nhãn TB Theo Phụ Lục Liên Xô (Cũ)

Ứng với Z ( tổ máy ) thì ta HD ĐAMH NMTĐ của Nguyễn Thanh Hảo / Hình PL2.3 Trang 34

Kết quả tra bảng được thể hiện qua bảng sau :

47.38

764.7 25/750 PO82-ΓM50M50 750 50

Trong đó :

Ứng với Z = 2 thì NTB = 764.7 (kW) , tra bảng với Htt = 47.38 (m) thì ta được mã hiệu 25/750

Mã mẫu 750 chính là số vòng quay của TB được chọn : n = 750 (v/ph)

Tra mã 25 ta được nhãn hiệu TB : là PO82- ΓM50M50

+ PO : là kí hiệu cho TB tâm trục

+ 82 : là số hiệu của BXCT

+ ΓM50 : là tuabine trục ngang

+ M : là buồng xoắn kim loại

+ 50 : là đường kính D1 của BXCT ( D1 = 50 cm )

Tương tự cho tổ máy Z = 3 và Z = 4 ta xem bảng trên

2.2.3 Kiểm Tra Vùng Làm Việc Của TB

- Sau khi tra chọn được nhãn tuabine ứng với mỗi NTB và Z( Tổ Máy ) ta đã biết được các thông số cơ bản của TB đó , lúc này ta cần tính toán các đại lượng quy dẫn n1’ và Q1’ ứng với dao động cột nước từ Hmix cho đến Hmax , từ đó đem các điểm vừa tính toán này lên đường đặc tính tổng hợp chính để kiểm tra

- Tất cả các TB là PO82 nên ta tra đường đặc tính tổng hợp tại HD ĐÁ NMTĐ – Nguyễn Thanh Hảo / PL2.18 Trang 49

- Hiệu suất làm việc của TB ở bảng tra này ηTB = (70% ~ 91%)

- Công thức dùng để tính toán 1 điểm bất kỳ ứng với cột nước bất kỳ f = (n1’, Q1’)

+ Vòng quay quy dẫn : n 1 ’ = n.D 1 H -0.5

+ Lưu lượng quy dẫn : Q 1 ’ = N TB [9,81.η TB D 1 2 H 1.5 ] -1

- Các kết quả tính như sau :

*Trường hợp : Z = 2

-> Nhận xét : Tra bảng ta thấy có 1 điểm nằm trong vùng hiệu suất không hoạt động nên ta sẽ không chọn trường hợp này

*Trường hợp : Z = 3

-> Nhận xét : Nằm trong vùng hiệu suất cao

*Trường hợp : Z = 4

-> Nhận xét : Nằm trong vùng hiệu suất cao

*Nhận Xét Chung : ta thấy ứng với 3 và 4 tổ máy chúng ta đều thu nhận được kết quả ổn định về mặt thiết kế của nhà máy với ηTB = 80% Nhưng điều kiện đủ để thiết kế nhà máy là đảm bảo được tính kinh tế Như vậy , ta sẽ chọn Z = 3 (Tổ Máy ) để thiết kế cho nhà máy Vậy nhãn TB được chọn là PO82- ΓM50M50

2.2.4 Xác Định Kích Thước Cơ Bản

* Ứng với nhãn dán được chọn là : PO82- ΓM50M50

Tra PL2.17 Trang 94 của quyển HD ĐA NMTĐ – Nguyễn Thanh Hảo

* Đơn Vị : cm

2.2.5 Xác Định Trọng Lượng TB

* Tra PL2.13 Trang 91 Ứng với D1 = 50 (cm)

2.3 Buồng Xoắn TB

- Buồng xoắn nói riêng hay buồng tuabine nói chung đều là phần nối công trình dẫn nước của trạm thuỷ điện với tuabine và hình thành lượng chảy vòng tại cửa vào cơ cấu hướng dòng

- Qua thí nghiệm loại buồng xoắn hoàn toàn , mặt cắt tròn có tổn thất thuỷ lực nhỏ Nhưng hướng của vận tốc có ảnh hương đến chuyển động của chất lỏng trong

bộ phận cánh hướng nước Do đó ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của TB , nên phải tính toán chính xác kích thước của TB để TB làm việc cho tốt Chọn loại buồng xoắn tiết diện hình tròn , có góc φ = 345˚ ~ 360˚

2.3.1 Tính Thuỷ Lực Buồng Xoắn

* Thông số cơ bản của TB được chọn :

* Trong phạm vi đồ án môn học , sử dụng phương pháp tốc độ vòng là hằng số Vu

= const để tính toán thuỷ lực và xác định kích thước buồng xoắn Lúc này , coi vận tốc dòng chảy tại các mặt cắt của buồng xoắn là bằng nhau

* Vận tốc dòng chảy được tính toán như sau : v = k v H tt 0.5 (m/s)

* kv là hệ số tốc độ , ta lấy theo kinh nghiệm :

* Với Htt = 47.38 (m) , nội suy kết quả kv = 1.109

* Lúc này ta tính toán lại v = 1.109(47.38)0.5 = 7.63 (m/s)

* Chọn góc bao φmax = 345˚

* Chiều cao cánh lấy nước : b o = (0.35~0.42)D 1 (m)

* Đường kính ngoài của vòng bệ : D a = (1.4~1.6)D 1 (m)

* Đường kính trong của vòng bệ (TB Tâm Trục ) : D b = [1+0.03(n s /D 1 ) 0.5 ]D 1 (m)

* Hệ số tỷ tốc xuất hiện với công thức : n s = 1.167nN 0.5 H tt -1.25 (v/ph)

*Nhận Xét Chung : Vì tuabine được chọn là PO82- ΓM50M50 , đây là loại tuabine tâm trục ngang nên sẽ không có vòng bệ , lúc này Da = Db = 0.8 (m)

2.3.2 Tính Toán Kích Thước Tiết Diện Buồng Xoắn ( Tròn )

- Cột 1 : tên mặt cắt ( từ cửa ra đến cửa vào )

- Cột 2 : góc φ tương ứng với tên mặt cắt

- Cột 3 : bán kính cong của vòng tròn được tính

- Cột 4 : khỏng cách từ trục đến tâm mặt cắt thứ i : ai = ρi + ra

- Cột 5 : bán kính Ri = ra + 2ρi = ai + ρi

Ta tính toán với ra = D/2 mà D = Da = Db

Bảng Tính Mặt Cắt : Góc bao φmax = 345˚ , như vậy ta chia được 23 mặt cắt tính

cả cửa ra và cửa vào , hơn kém nhau 15˚

2.4 Chọn Máy Biến Áp

- Tải điện năng đi xa tiến hành với điện áp cao nhằm để giảm tốn thất trên dây tải

và giảm tiết diện dây tải

- Khoảng cách tải đi càng xa thì công suất càng lớn và điện áp được sử dụng càng cao

- Chọn máy biến áp dựa trên các thông số về điện áp đầu vào (Usơ cấp) và điện áp đầu ra (Uthứ cấp) Lúc này ta sẽ lựa chọn Usc = Umf và Utc = Utải

- Công suất máy biến áp được tính toán như sau :

S = (N lm -N hg - N td ).(z.k t CosΦ)) -1

(KVA) Trong đó , Nhg là công suất hộ gần sử dụng điện áp máy phát

Ntd là công suất tự dùng nhà máy thuỷ điện , ta lấy Ntd=(2~3)%Nlm

z là số máy biến áp được lựa chọn

kt là hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ , với máy biến áp do Liên Xô chế tạo lấy

kt = 0.75

CosΦ là hệ số công suất lựa chọn của MBA , lấy CosΦ=0.8

- Bảng Kết Quả :

Với S = 707.8 (KVA) Tra PL2.25 Trang 109 ta chọn MBA nhãn : TM-750/10

Tiếp tục dùng bảng tra PL2.26 Trọng lượng kích thước MBA 2 cuộn dây như sau

2.5 Ống Hút ( Ống Xả )

- Ống hút hay ống xả là một bộ phận tháo nước về hạ lưu của tuabine Nó là một

bộ phận không thể thiếu đối với tuabine phản kích

- Đảm nhận nhiệm vụ dẫn nước từ BXCT xuống hạ lưu với tổn thất năng lượng nhỏ nhất

- Ống xả cho phép

+ Sử dụng phần động năng còn lại của dòng chảy sau khi ra khỏi BXCT

+ Tận dụng thêm cột nước tĩnh , được tính từ m/c cửa ra BXCT đến mực nước hạ lưu

+ Đưa nước sau khi ra khõi BXCT về hạ lưu

- Ống xả được lựa chọn theo nhãn tuabine đó là ống xả hình cong với thông số kích thước ta tra được từ PL2.5 với D1M = 460 mm và D1’ = 1 m

2.6 Máy Phát Điện

- Đây là thiết bị biến cơ năng của TB thành điện năng cng cấp cho hệ thống điện ,

nó là loại máy phát đồng bộ ba pha Các bộ phận chính của máy phát gồm : phần quay roto , phần tĩnh stato , hệ thống kích từ , hệ thống làm nguội máy phát , hệ thống chống cháy , …

- Khi chọn máy phát điện ở nhà máy thuỷ điện , cần lưu ý các thông số sau : Công suất lắp máy (Nlm) , số vòng quay đồng bộ của tuabine (n) và hình thức lắp máy ( trục đứng hay ngang )

- Công suất định mức của máy phát (Nmf) được tính theo công thức như sau :

N mf = N lm Z -1 (KW) với Z là số tổ máy phát

- Công suất biểu kiến (S) của máy phát được tính theo công thức như sau :

S = N lm. (Z.η mf. CosΦ)) -1 (KVA)

- Ứng với vòng quay định mức n = 750(v/ph) và công suất biểu kiến S = 637.25 (KVA) Tra PL2.2 Trang 97 Lúc này ta được mã máy phát như sau :

- Tiến hành kiểm tra loại máy phát đã chọn có phù hợp hay không :

ΔS(%) = [S tra -S tt ].S tra -1

- Ý nghĩa của từng đại lượng máy phát đã chọn :

- Chọn máy kích tương ứng với số thứ tự máy phát đã tra ở bảng trên :

2.7 Thiết Bị Điều Tốc

- Trong thực tế , nhu cầu điện năng ( phụ tải của các máy phát ) luôn luôn thay đỗi trong phạm vi rộng Nếu không có biện pháp chuyên môn để điều chỉnh công suất thì sẽ có sự thay đỗi tần suất điện quá giới hạn cho phép Từ công thức N =

9,81ηQH Chúng ta không thể thay đỗi η và H vì điều đó khó làm , ảnh hưởng đến các quá trình tính toán trước đó Lúc này , Q là yếu tố sẽ giúp chúng ta thay đỗi được N Chỉnh Q nhờ vào độ mở cánh hướng nước ao , góc xoay φ , van kim hay

cơ cấu tách dòng Bộ phận tham gia giúp đỡ điều chỉnh Q đó chính là thiết bị điều tốc

- Thiết bị điều tốc sẽ giúp TTĐ cung cấp điện năng (N,E) chuẩn mực và đảm bảo

về chất lượng điện (U,f)

2.7.1 Chọn Thiết Bị Điều Tốc

- Dựa vào nhãn TB của ta đã chọn : PO82- ΓM50M50 thì ta sẽ chọn được loại điều tốc

ở đây là điều tốc đơn ( dành cho tuabine tâm trục )

- Quy mô máy điều tốc thể nặng qua năng lực công tác (A) và được xác định như sau :

A = k.N TB (H TK) -0.5 (kG.m)

Trong đó k là hệ số an toàn k(3~4) , chọn k = 3 để tính toán

HTK = Htt = 47.38 (m)

NTB = 509.8 (kW)

Lúc này A = 3.509,8.(47,38)-0.5 = 222,19 (kG.m)

- Với A = 222,19 (kG.m) thì ta sẽ lựa chọn được máy điều tốc nhỏ - trung bình ở

Liên Xô cũ : PC-250

Trong đó PC là mã máy điều tốc

250 là năng lực công tác của máy đó

Như vậy , máy điều tốc ta lựa chọn là : K250 với mã hiệu PC-250

2.7.2 Tính Toán Cho Thiết Bị Điều Tốc

- Tính đường kính của động cơ tiếp lực : d H = λDD 1 (k o H max ) 0.5

Trong đó λ là hệ số phụ thuộc vào số lượng cánh hướng nước (tra sách trang 20) ứng với bo = 16 cánh được chọn ở buồng xoắn thì λ = 0.034

D1 là đường kính BXCT

ko = bo/D1

- Tính động cơ tiếp lực của cánh tuabine : d p = (0.3~0.45)D 1

D1 ≤ 5m thì lấy 0.3 và ngược lại nếu D1 > 5m thì chọn 0.45

2.8 Chọn Thiết Bị Cầu Trục Cho Nhà Máy

- Bố trí cầu trục trong nhà máy ta phải căn cứ vào trọng lượng và kích thước vật

nâng lớn nhất trong nhà máy gồm ( roto máy phát + trục , BXCT + Trục , MBA , Ống xả , … ) và kích thước đủ bố trí các thiết bị đi lại theo bề rộng gian máy , có

sự kết hợp và nhịp cầu trục Lk

- Lúc này ta sẽ có công thức cơ bản như sau :

Trong đó :

lượng lắp ráp lớn nhất

GMBA = 4.27 ( Tấn ) : trọng lượng toàn bộ của máy biến áp đã chọn

được chọn theo mã của TB trước đó

Lúc này : G = max(6.9,7.0,4.27) = 7 ( Tấn )

- Với G = 7 ( Tấn ) , tiến hành tra PL2.27 Trang 119 về Cầu Trục Điện Sức Nâng (20~50) Tấn

- Ta chọn được cầu trục bên dưới với sức nâng 20T , nhịp cầu Lk = 10.5m

*Nhận Xét Chung : Với một nhà máy thuỷ điện có kích thước nhỏ , công suất lắp

máy nhỏ như trên thì nhịp cầu trục 10.5m sẽ không phù hợp cho việc thiết kế Vì

nó sẽ dẫn đến kích thước của nhà máy tăng lên Dẫn đến khối lượng kinh tế đầu vào cũng tăng lên nên ta sẽ chọn lại nhịp cầu trục Lk = 8m để tiện lợi cho việc tính toán , đồng thời giảm được phần nào kích thước của nhà máy

2.9 Tính Toán Thuỷ Lực Đường Ống Dẫn Nước Vào Buồng TB

- Ở đây , ta tính toán theo sổ tay thuỷ lực Phần 2 – Chương 4

- Đường kính kinh tế của đường ống :

+ Chọn sơ bộ theo công thức kinh nghiệm của Bundsu ( Đức )

Vì Htt = HTk = 47.38 (m) < 100m nên D KT = (0.052Q 3

max ) 1/7 (m) + Trong đó : H là cột nước tính toán để thiết kế (m)

Qmax là lưu lượng qua ống lớn nhất (m3/s)

*Phần 3 : Thiết Kế Nhà Máy Thuỷ Điện

3.1 Bố Trí Tổng Thể Nhà Máy Thuỷ Điện

- Trong phạm vi đồ án nhà máy thuỷ điện , sinh viên sẽ được giao thiết kế nhà máy thuỷ điện phía sau đập Chọn tuyến đập , kết cấu đập và xác định kích thước của đập dâng nước đã được thực hiện trong ĐA Thuỷ Công

- Đặc điểm của trạm thuỷ điện phía sau đập là nhà máy không trực tiếp chịu áp lực thuỷ tĩnh , áp lực này do đập dâng chịu , do vậy nhà máy nhẹ nhàng hơn , không phải tăng chiều cao nhà máy so với trạm thuỷ điện ngang đập Thành phần và bố trí các công trình trên tuyến đầu mối cũng tương tự như đối với kiểu TTĐ lòng sông Đối với TTĐ loại này thì kiểu đập và chiều cao có ảnh hương đến công trình đầu mối

*TTĐ sau đập bê tông trọng lực

Nhà máy bố trí sau đập : vị trí nhà máy sau đập , giữa nhà máy và đập có bố trí khớp biến dạng Đường ống áp lực dẫn nước đến tuabine được đặt trong thân đập

bê tông , có thể đặt ống ở tuyến hạ lưu đập hoặc dưới đập

*TTĐ sau đập vật liệu địa phương

Nhà máy bố trí sau đập dâng , cửa lấy nước đặt phía trước đập , cửa lấy nước kiểu tháp Đường ống áp lực đặt dưới đập , trên nền đất nguyên dạng , nếu dùng ống thép thì phải có hành lang bê tông cốt thép bao quanh ống , thông thường dùng ống

bê tông cốt thép để dẫn nước vào tuabine

3.2 Xác Định Cao Trình Nhà Máy

3.2.1 Cao Trình Lắp TuaBine (Z lm )

* Hiện Tượng Khí Thực : là một hiện tượng vật lý phức tạp trong dòng chảy khi

qua tuabine Khí thực phá hoại bề mặt các cánh của BXCT và các bộ phận khác của tuabine Khi xảy ra khí thực sẽ có tiếng động , các bộ phận của tuabine sẽ bị rung động mạnh , hiệu suất , công suất của tuabine sẽ giảm

Nguyên Nhân : Tại nơi nào đó của dòng chảy trong TB thì áp lực nước giảm đến

áp lực bốc hơi thì nước đó sẽ sôi lên và bốc hơi Khi đó , hơi nước và không khí hoà tan trong nước mắt bắt đầu tách ra khỏi nước và hình thành các bọt Các bọt này chuyển động theo dòng nước , đến vùng có áp lực cao hơn áp suất bốc hơi thì

sẽ ngưng tụ lại ( Vngưng tụ > Vhơi nước ) Vì các khoảng trống có áp suất thấp nên các phân tử nước bao quanh chuyển động về tâm các khoảng trống với vận tốc cực lớn nên sẽ gây va đập và có tiếng ồn lớn

3.2.2 Xác Định Độ Cao Hút

a.Hệ Số Khí Thực : là thông số biểu thị khả năng khí thực Bằng tỷ số giữa độ

chân không động lơn nhất trên cánh BXCT với cột nước công tác (σ))

b.Xác Định Độ Cao Hút (H s ) :

* Điều kiện để không phát sinh khí thực : H s ≤ H s - H hoá hơi – σH = [H]H = [H]

Với Ha = Pa/γ và Hhoá hơi = Phoá hơi / γ