Giáo trình Nhà máy thủy điện có cấu trúc gồm 3 chương cung cấp cho người đọc các kiến thức: Nguồn thủy năng và khả năng sử dụng nguồn thủy năng, thông số thủy năng của nhà máy thủy điện, tính toán thiết kế nhà máy thủy điện,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Đề cơng môn học Nh máy thuỷ điện (Dùng cho hệ Đại học - Ngành Điện - Trờng ĐHKTCN) Khối lợng: 60 tiết Số học trình: Số học phần: Chơng I Nguồn thuỷ khả sử dụng nguồn thuỷ 1-1 Giới thiệu chung I Công nghệ lợng vai trò thuỷ II Tình hình phát triển thuỷ điện 1-2 Năng lợng dòng chảy nhà máy thuỷ điện I Năng lợng dòng chảy II Nhà máy thuỷ điện phân loại nhà máy thuỷ điện.7 III Một số đặc điểm nhà máy thuỷ điện Chơng II Thông số thuỷ Nhà máy thuỷ điện 2-1 Các đặc trng dòng chảy tự nhiên I Biểu đồ thuỷ văn II Các thông số dòng chảy III Các đờng cong đảm bảo nớc 2-2 Hồ chứa cột nớc nhà máy thuỷ điện I Hồ chứa nớc nhà máy thuỷ điện II Cột nớc nhà máy thuỷ điện III Phơng trình cân nớc hồ chứa IV Đờng cong luỹ tích dòng chảy V Đờng cong luỹ tích phụ tải VI Dung tích đủ hồ chứa 2-3 Điều tiết dòng chảy I Khái niệm điều tiết dòng chảy II Các nguyên tắc điều tiết III Tần suất lu lợng điều tiết Chơng III Tính toán thiết kế Nhà máy thuỷ điện 3-1 Tính toán thông số chủ yếu thiết kế Nhà máy thuỷ điện I Các thiết bị nhà máy thuỷ điện II Các tiêu kinh tÕ kü tht chđ u III TÝnh to¸n lùa chän thông số chủ yếu 3-2 Chọn tua bin nớc thiết kế Nhà máy thuỷ điện I Khái niệm chung II Các thông số tua bin III Các loại tua bin IV Hiện tợng khí thực chiều cao cột hút cho phép V Đặc tính tua bin VI Chän tua bin 3-3 Chän m¸y ph¸t thuỷ điện thiết kế Nhà máy thuỷ điện I Định nghĩa II Kết cấu máy phát thờng III Chọn thông số máy phát 3-4 Kết cấu loại Nhà máy thuỷ điện I Nhà máy thuỷ điện ngang đập II Nhà máy thuỷ điện sau đập đờng dẫn III Nhà máy thuỷ điện ngầm IV Nhà máy thuỷ điện tích V Nhà máy thuỷ điện thuỷ triều -o0o Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn Chơng Chơng Nguồn thuỷ khả sử dụng nguồn thuỷ 1.1 Giới thiệu chung I Công nghệ lợng vai trò thuỷ Công nghệ lợng Là công nghệ phát triển nguồn lợng tự nhiên thành dạng lợng khác: Cơ năng, điện năng, nhiệt năng, quang - Nguồn lợng tự nhiên: + Hoá năng: than đá, dầu mỏ, khí đốt + Cơ năng: lợng dòng sông, sóng biển, thuỷ triều, gió + Năng lợng nguyên tử: Uran 235, Uran 238 Các dạng lợng đợc biến đổi thành điện thông qua nhà máy điện nguồn lợng truyền thống - Năng lợng mới: lợng mặt trời, địa nhiệt, chất sinh khí, đợc biến đổi thành điện thông qua thiết bị biến đổi lợng Vai trò trữ thuỷ điện Trên giới, thuỷ điện ngày đóng vai trò quan trọng, theo thống kê năm 1995 thuỷ điện chiếm khoảng 23,5% tổng điện tiêu thụ Tỷ lệ ngày tăng tác động đến môi trờng nhà máy nhiệt điện nhà máy điện hạt nhân Bảng 1-1 STT Hệ thống sông Trữ lý thuyết Trữ kỹ thuật 10 kWh 109 kWh Sông Đà 68,50 31,175 Sông Đồng Nai 27,30 10,335 Sông Sêsan 16,50 7,948 Sông Lô-Gâm 28,20 4,752 Sông Thu Bồn 16,00 4,575 Sông Srêpok 12,10 2,636 Sông Cả 14,00 2,556 S«ng M· 14,6 1,256 S«ng Ba 10,10 1,240 10 Sông Thao 25,20 0,757 11 Các sông khác 38,87 1,688 271,37 68,918 Tổng G.chú Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn Chơng Tại Việt Nam, thuỷ điện đóng vai trò to lớn Hệ thống điện chiếm khoảng (50ữ60)% công suất toàn hệ thống Nguồn thuỷ nớc ta lớn ớc tính khoảng 271,3 tỷ kWh sử dụng 68,918 tỷ kWh để xây dựng thuỷ điện Tập trung chủ yếu vào hệ thống sông lớn là: Sông Đà, sông Đồng nai, Sông Sêsan đợc thể cụ thể (bảng 1-1) II Tình hình phát triển thuỷ ®iƯn Trong HƯ thèng ®iƯn nhiỊu n−íc trªn thÕ giíi, thuỷ điện chiếm tỷ lệ tơng đối lớn, trung bình giới khoảng 25% Giá thành sản xuất điện nhà máy thuỷ điện rẻ nhiệt điện ảnh hởng đến môi trờng Vì ngành thuỷ điện giới phát triển số lợng chất lợng Tại Việt Nam với trữ lợng lớn khoảng 90 tỷ kWh/năm kỹ thuật, đợc quan tâm phát triển sớm (Nhà máy thuỷ điện Đa nhim: 160MW, Thác Bà: 108MW) Trong năm gần phát triển đợc nhiều nhà máy với công suất lớn (Nhà máy thuỷ điện Hoà Bình: 1920MW, Yaly: 720MW, Trị An: 400MW, Hàm Thuận: 300MW ) tới đa vào sử dụng nhiều nhà máy với công suất lớn (Nhà máy thuỷ điện Sơn La: 2400MW, Sªsan IV: 340MW, Sªsan III: 259 MW, Na Hang: 300MW, Đồng Nai IV: 280 MW ) nhiều nhà máy khác nhng khai thác đợc khoảng 20% Tuy nhiên thuỷ điện chiếm tỷ trọng lớn, khoảng 60% công suất hệ thống điện Việt Nam Trong tơng lai nhu cầu phát triển kinh tế tăng cao đòi hỏi nhiều lợng điện thuỷ điện nguồn lợng cần phải khai thác triệt để giá thành rẻ nguồn than đá để phát triển nhiệt điện không nhiều (giá thành sản xuất kWh điện Nhà máy thuỷ điện Hoà Bình: 73 VND, nhà máy nhiệt điện trung bình: 1000 VND) Ngoài thuỷ điện có vai trò quan trọng lợi dụng tổng hợp phòng chống thiên tai Một xu hớng quan trọng thiết kế điện khí hoá sử dụng trạm thuỷ điện với công suất nhỏ, cung cấp cho khu vực xa xôi hiểm trở có điều kiện thuận lợi để xây dựng thuỷ điện nhỏ (0,1ữ1000)kW Nếu sử dụng lới điện quốc gia chi phí đờng dây tải điện lớn 1.2 Nguồn thuỷ I Năng lợng dòng chảy Khái niệm Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn Chơng dạng tự nhiên, lợng dòng chảy dòng sông phần bị mát để bào mòn vào lòng sông, phần cọ sát vào đá sỏi đất, phần để chống lực ma sát lòng sông lực ma sát thân chất lỏng Các nhà máy thuỷ điện sử dụng lợng dòng chảy tập chung vào chỗ (bằng cách đắp đập đào kênh dẫn) làm quay tuabin thuỷ lực để chạy máy phát điện Động sơ cấp máy phát điện tuabin nớc, nối dọc trục với máy phát Tuabin nớc loại động biến động nớc thành Quá trình biến đổi lợng đợc thực nh sau: Thuỷ Cơ Điện Ngoài ra, sử dụng lợng thuỷ triều (khi thuỷ triều nâng lên, sử dụng cột nớc để phát điện) Tuy nhiên việc sử dụng nguồn lợng gặp nhiều khó khăn nên ngày cha đợc sử dụng rộng rãi Nhợc điểm loại thuỷ điện tính chất gián đoạn không đồng (trong ngày thuỷ triều dâng lên số hạ xuống) Tính toán lợng dòng chảy Tính toán lợng dòng chảy khúc sông, ta xét dòng chảy từ mặt cắt I-I đến II-II (hình 1-1) Z (m) I Z1, v1, p1 H II I Z2, v2, p2 II L (km) Hình 1-1: Dòng chảy sở - Z1, Z2 chiều cao mức nớc mặt cắt I-I vµ II-II, (m) - v1, v2 lµ vËn tèc trung bình dòng chảy mặt cắt I-I II-II, (m/s) - p1, p2 áp suất lòng nớc mặt cắt I-I II-II, (kg/ m2) Giả sư thêi gian T cã mét khèi l−ỵng n−íc W chuyển động mặt cắt I-I phía mặt cắt II-II Theo lý thuyết động lực học chất lỏng (phơng trình Becnuli) mặt cắt I-I khối lợng nớc W chứa lợng tÝnh theo c«ng thøc sau: ⎛ p1 α1.v12 ⎞ ⎟.W.γ E1 = ⎜⎜ Z1 + + γ 2.g ⎟⎠ ⎝ (kg.m) (1-1) Trong đó: Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn Chơng - = g träng lùc cđa mét m3 n−íc - ρ lµ träng l−ỵng cđa mét m3 n−íc, ρ = 1000 kg/m3 - g: gia tèc träng tr−êng: g = 9,8 (m/s2) - W: khèi n−íc bÊt kú, (m3) - α1 lµ hƯ số hiệu chỉnh kể đến phân bố không vận tốc dòng chảy diện tích mặt c¾t I-I ∫∫ u dω α1 = ω v13ω Với: + u vận tốc d + diện tích mặt cắt + v1 vận tốc trung bình dòng chảy Nếu vận tốc đều, lấy = Trong công thức (1-1) thành phần ngoặc gọi cột áp - Z1 + p1 cột áp thuỷ tĩnh 1.v12 cột áp thuỷ ®éng 2g Theo lý thuyÕt ®éng lùc häc chÊt láng, dòng chảy lý tởng không tổn hao trình chuyển động khối nớc W lợng chứa không thay đổi (thế giảm, động tăng) Tuy nhiên với dòng sông luôn có thất thoát lợng chuyển động đến mặt cắt II-II lợng chøa khèi n−íc W lµ: ⎛ p α v ⎞ E = ⎜⎜ Z2 + + 2 ⎟⎟.W.γ < E1 γ 2.g ⎠ ⎝ (kg.m) Năng lợng dòng sông chảy từ mặt cắt I-I đến II-II để sinh công hiệu số lợng mặt cắt: E1 - E2 p1 − p α1.v12 − α v 22 ⎞ ⎟⎟.W.γ ⎜ ΔE = E1 − E = ⎜ Z1 − Z2 + + g γ ⎠ (kg.m) Với dòng chảy thực tế cách gần ®óng cã thĨ coi: p1≈p2, v1≈v2 vµ α1≈α2, ®ã c«ng khèi n−íc W sinh ΔE = E1 − E = (Z1 − Z2 ).W.γ (kg.m) Gi¶ thiết, khoảng cách mặt cắt I-I II-II toàn chiều dài dòng chảy Còn khối nớc W có trị số lợng nớc chảy qua mặt cắt Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn Chơng dòng sông thời gian giây, nghĩa trị số W = Q Khi chênh lệch lợng E công suất toàn dòng chảy N sinh giây N = H.Q. (kg.m/s) Trong đó: - H độ dốc toàn dòng chảy gäi lµ chiỊu cao cét n−íc H = Z1 - Z2 - Q lu lợng dòng sông (m3/giây) Có thể biểu diễn đơn vị công suất dòng chảy theo đơn vị kW Ta có: kW = 1000 (kg.m/s) ®ã: N= H.Q.γ H.Q.ρ.g H.Q.9,81.1000 = = = 9,81.Q.H 1000 1000 1000 (kW) (1-2) Tõ biÓu thøc ta thấy: - Công thức cho phép ta đánh giá đợc khả sinh công lớn dòng chảy tự nhiên, đợc gọi tiềm dòng chảy Tuy nhiên cha phải công suất nhà máy thuỷ điện nhà máy thuỷ điện sử dụng phần nhỏ khả sinh công - Từ công thức tính toán khả sinh công phần dòng chảy ta thấy lợng chứa dòng chảy tự nhiên đợc phân bố rải khắp chiều dài dòng chảy Tuy nhiên mật độ lợng phân bố không đều, đoạn có độ dốc lớn mật độ lợng cao Đó vị trí thuận lợi để xây dựng nhà máy thuỷ điện Công thức tính toán công suất nhà máy thủ ®iƯn thiÕt kÕ: N TD = 9,81.η.Q.ΔH (kW) (1-3) Trong đó: - H chênh lệch mức nớc trớc sau nhà máy thuỷ điện, m - hiệu suất chung nhà máy thủy điện η = ηT ηF - ηT lµ hiƯu st cđa tuabin nớc đờng ống dẫn nớc T = (0,88ữ0,91) - F hiệu suất máy phát F = (0,95ữ0,98) Vậy, = (0,8ữ0,9) tính toán thờng lấy gần = 0,86 Thay vào công thức trªn, ta cã: NTD = 9,81 0,86 Q ΔH = 8,3 Q H (1-4) Công thức thờng đợc sử dụng đánh giá sơ công suất nhà máy thuỷ điện thiết kế II Nhà máy thuỷ điện phân loại nhà máy thuỷ điện Nhà máy thuỷ điện Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn Chơng Từ tính toán ta thấy, lợng dòng chảy đợc sử dụng chuyển hoá thành điện qua nhà máy thuỷ điện Công suất nhà máy thuỷ điện phụ thuộc vào lu lợng Q cột nớc H dòng chảy + Lu lợng dòng chảy giảm: công suất nhà máy giảm xuống công suất thấp nhu cầu phụ tải + Lu lợng dòng chảy tăng: hộ tiêu thụ điện không sử dụng hết công suất nhà máy, phần công suất thừa nớc phải tháo qua công trình xả lũ không cho qua tuabin Do phân bố lu lợng dòng chảy ngẫu nhiên không phù hợp với yêu cầu tiêu thụ điện hộ tiêu thụ, nên vấn đề đặt phải tìm cách phân phối lợng Nh vậy, cần phải xây dựng hồ chứa nớc để điều tiết lu lợng dòng chảy qua thuỷ điện Hồ chứa nớc giữ lại lợng nớc thừa mùa nớc lớn ( mùa lũ) dự trữ để sử dụng mùa nớc nhỏ (mùa khô) để tăng công suất nhà máy thuỷ điện Một phần lợng nớc thừa mà hồ chứa giữ lại đợc thể tích hồ chứa có hạn đợc chảy qua công trình xả lũ Từ phân tích trên, ta thấy việc sử dụng lợng dòng sông cần phải giải hai nhiệm vụ: tạo thành cột nớc điều chỉnh lu lợng nớc Phân loại Nhà máy thuỷ điện a) Phân loại theo công suất lắp máy - Nhà máy thuỷ điện lớn: Nln 1000 (MW) - Nhà máy thuỷ điện vừa: 15 (MW) Nln < 1000 (MW) - Nhà máy thuỷ điện nhỏ: Nln < 15 (MW) b) Phân loại theo cột nớc - Nhà máy thuỷ điện cột nớc cao: Hmax > 400 (m) - Nhà máy thuỷ điện cột nớc trung bình: 50 (m) Hmax 400 (m) - Nhà máy thủ ®iƯn cét n−íc thÊp: 400 (m) < Hmax c) Phân loại theo kết cấu nhà máy c.1) Nhà máy thuỷ điện kiểu đập: Với sông có lu lợng nớc lớn nhng độ dốc nhỏ để tạo chênh lệch cột nớc H lớn, xây dựng đập chắn, từ xây dựng nhà máy thủy điện gọi nhà máy thuỷ điện kiểu đập (hình 1-2) Đập cao công suất lớn nhiên cột nớc đập tạo nên bị hạn chế điều kiện kinh tế kỹ thuật không cho phép Nhà máy thuỷ điện kiểu đập gồm có loại: + Nhà máy thuỷ điện ngang đập: nhà máy nằm đập kết cấu phức tạp, để đảm bảo điều kiện kinh tế kỹ thuật cột nớc khoảng (35ữ40)m Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn Chơng + Nhà máy thuỷ điện sau đập: nhà máy nằm sau đập dâng nớc Khi cột nớc cao lý ổn định nhà máy phải nằm sau đập, đờng dẫn nớc không di qua đập mà bố trí vòng đập (Hoà Bình), cột nớc khoảng (30ữ45)m TL Đập H Nhà máy HL Hình 1-2: Nhà máy thuỷ điện kiểu đập - Ưu điểm: Có công suất lớn tận dụng đợc toàn lu lợng dòng sông, tạo đợc hồ chứa nớc để điều tiết vận hành tối u nhà máy thuỷ điện hệ thống - Nhợc điểm: Vốn đầu t cao, đập xây dựng qúa cao điều kiện kinh tế-kỹ thuật, đập cao làm ngập vùng rộng lớn, ảnh hởng đến sinh thái môi trờng Nhà máy thuỷ điện xây dựng nối tiếp dòng sông gọi hệ thống khai thác bậc thang, trờng hợp công suất nhà máy tăng lên khả điều tiết lợng dòng chảy tốt c.2) Nhà máy thủy điện đờng dẫn dẫn: gồm loại: + Xây dựng nơi có cột nớc đợc tạo thành cách tự nhiên từ thác nớc (hình 1-3), lợi dụng độ cao thác nớc ta đặt đờng ống dẫn nớc vào nhà máy tạo cột áp H Nhà máy HL Hình 1-3: Nhà máy thuỷ điện đờng dẫn-tại thác tự nhiên + Xây dựng sông có lu lợng nớc ít, nhng độ dốc lớn (hình 1-4) Kênh đợc cấu tạo hai phần: Phần đầu đợc xây dựng dới dạng kênh dẫn hở (1) với độ dốc nhỏ Có nhiệm vụ đa nớc xa không làm thay đổi nhiều mức nớc đến vị trí thuận lợi tạo thành cột nớc cao để xây dựng nhà máy thuỷ điện (3) Phần cuối đợc xây dựng dới dạng ống dẫn kín (2) có nhiệm vụ đa mức nớc từ cao xuống thấp giữ nguyên cột áp vào tuabin nhà máy H Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn Chơng - Ưu điểm: Có cột nớc lớn vốn đầu t nhỏ, xây dựng đợc nhà máy có công suất lớn lu lợng dòng chảy nhỏ - Nhợc ®iĨm: Kh«ng cã hå chøa n−íc, ®ã kh«ng cã khả điều tiết vận hành tối u, lu lợng nớc không lớn công suất hạn chế + Trờng hợp đặc biệt, sông lợn vòng đợc đoạn dài tạo thành chênh lệch lớn mức nớc (hình 1-5) Kênh dẫn ngắn nên không tốn nhiều công xây dựng Đập Kênh dẫn Nhà máy thuỷ điện Hình 1-5: Nhà máy thuỷ điện đờng dẫn + Trờng hợp hai sông gần nhau, có mức độ chênh lệch nhiều Nớc chảy vào kênh dẫn lấy từ dòng sông có mức nớc cao chảy vào dòng sông có mức nớc thấp (hình 1-6) Ví dụ: Thuỷ điện Đa Nhim có công suất 160 MW, sử dụng chênh lệch mức nớc sông Đa Nhim cao trình 1200 m sông Tháp Chàm cao trình 100 m Đập Kênh dẫn Nhà máy thuỷ điện Hình 1-6: Nhà máy thuỷ điện đờng dẫn c.3) Nhà máy thuỷ điện hỗn hợp áp dụng hỗn hợp hai cách để tạo thành cột nớc Cột nớc tạo thành phần đập, phần kênh dẫn (hình 1-7) http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện Chơng Chọn Tuabin cho Nhà máy thuỷ điện biết: NT = 40MW, Hmax = 45 m, Htb = 42,4 m, Hmin = 30,4 m, Htt = 36 m, cao tr×nh cđa Tuabin ∇T = 72 m Giải: Bớc 1: Chọn số lợng loại Tuabin Theo biểu đồ sử dụng Tuabin (hình 3-11) chọn loại TT45/820 Bớc 2: Xác định đờng kính sơ Tuabin Xác định n1.ln cho đờng 5% ứng với dải tốc độ Tuabin, Tuabin có hiệu suất lớn Từ đặc tính phụ lục ta có: nln = 90 (v/p) Xác định Q1.tt đờng dự trữ 5% với nln = 90 (v/p) Q’1.tt = 1420 (l/s) HiƯu st tÝnh to¸n lín nhÊt là: tt.max = 91% Với Q1.tt = 1420 (l/s) ηT.tt = 90% NT D1 = (m) 9,81 ηT.tt Q'1.tt H 3tt So sánh với đờng kính Tuabin tiêu chuẩn, chọn D1.TC = m Bớc 3: Xác định sơ tốc độ Tuabin Theo công thức sau: n= n '1 ln H tb D1.TC = 90 42,4 = 146,5 (v/p) So s¸nh víi tèc ®é Tuabin tiªu chn øng víi ®−êng kÝnh D1= 4m, chọn tốc độ tiêu chuẩn nTC = 150 (v/p) Bớc 4: Xác định tốc độ quay lu lợng qui dẫn thực tế Tuabin với D1.TC nTC biÕt - Δη = ηT.max - ηtt max Trong ®ã: H D H − η T max D = 1.tt 10 tt → η T max = − (1 − η tt max ).5 1.tt 10 tt D1.TC H tb − η tt max D1.TC H tb η T max = − (1 − 0,91).5 36 3,8 = 0,912 = 91,2% 10 42,4 VËy: Δη = ηT.max - ηtt max = 0,912 - 0,91 = 0,002 = 0,2% Vµ hiƯu st cđa Tuabin: ηT = ηT.tt + Δη = 90% + 0,2% = 90,2% ⎤ ⎡ η T max ⎡ 0,912 ⎤ − 1⎥ = 90.⎢ − 1⎥ = 0,098 , 91 ⎥⎦ ⎢⎣ η tt max ⎣ ⎦ - Δn '1 = n '1 ln ⎢ (v/p) ⎤ ⎡ η T max ⎡ 0,912 ⎤ − 1⎥ = 1420.⎢ − 1⎥ = 1,56 (l/s) ⎥⎦ ⎣ 0,91 ⎦ ⎣⎢ η tt max - ΔQ'1 = Q'1.tt ⎢ - n '1.T = n TC D1.TC H tt − Δn '1 = 150 36 − 0,098 = 99,9 (v/p) http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện - Q'1.T = = NT 9,81 η T D12.TC H 3tt 40000 9,81 0,902 36 Ch−¬ng − ΔQ'1 10 − 1,56 = 1306 (l / s) = 1,306 (m / s) B−íc 5: X¸c ®Þnh chiỊu cao cét hót cđa Tuabin - n’1.T = 99,9 (v/p) - Q1.tt = 1420 (l/s) Tra đặc tính tỉng hỵp chÝnh cđa Tuabin ta cã: - σ = 0,2 VËy, chiỊu cao cho phÐp cđa cét hót lµ: [H S ] ≤ 10 − ∇ T 900 − k σ σ.H = 10 − 72 − 1,1 0,2 36 = (m) 900 Bớc 6: Xác định cao trình thực Tuabin Cao trình cho phép không xảy thợng khí thực là: [ T ] = ∇ T + [H S ] = 72 + = 74 (m) Bớc 7: Xác định tốc độ quay lồng Tuabin Theo đặc tính quay lồng Tuabin tâm trục, với a0 = 20 mm n11 = 120 v/p n = n '11 H max D1 = 120 45 = 201 (v/p) VËy, víi chế độ làm việc tính toán Nhà máy thuỷ điện trên, Tuabin có thông số sau: - [HS] = m - NT = 40 MW; - H = 36 m; - D1 = m - ∇T = 72 m; - n = 150 v/p 3.3 chän máy phát thiết kế Nh máy thuỷ điện I Định nghĩa Máy phát thuỷ điện thiết bị biến Tuabin nớc thành điện cung cấp cho phụ tải, máy phát đồng pha II Kết cấu máy phát Máy phát Nhà máy thuỷ điện có hình thức lắp máy: - Trục đứng: Dùng cho máy phát có công suất lớn, sử dụng máy phát kiểu treo kiểu ô - Máy phát: Kiểu capxul - Trục ngang, trục xiên: Dùng cho máy phát có công suất nhỏ a) Máy phát kiểu treo http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện Chơng Máy phát kiểu treo gồm phận sau: (hình 3-29) - Rotor phận quay máy phát (1) gắn chặt vào trục Tuabin qua cấu truyền động, gắn cực từ (2) với cuộn dây sử dụng dòng điện chiều để tạo từ thông kích từ - Stator phần cố định máy phát gồm cuộn cảm (3), cảm ứng dòng điện theo nguyên lý cảm ứng điện từ - ổ trục máy phát gồm: ổ trục đỡ (4) tiếp nhận lực toàn tổ máy theo phơng thẳng đứng ổ trục hớng (5) tiếp nhận dọc trục toàn tổ máy tải trọng áp lực dòng chảy qua BXCT Phần quay đợc gắn chặt vào trục, phần cố định gồm vòng bạc đặt hộp đệm thuỷ lực đặt bể dầu - Giá đỡ ổ trục gồm: giá đỡ chữ thập (6) có kết cấu thép dạng khung dầm rẻ quạt đỡ ổ trục đỡ ổ trục hớng nằm Rotor, toàn Rotor BXCT đợc treo giá chữ thập nên gọi máy phát kiểu treo Giá chữ thập dới (7) đỡ ổ trục hớng dới (8) Rotor máy phát - Để tạo kích từ thờng sử dụng máy phát kích từ (9) nối trục với máy phát để tạo kích từ cho máy phát * Đánh giá: Máy phát kiểu treo có độ ổn định cao, không rung nhng có giá đỡ chữ thập nên chiỊu cao gian m¸y lín http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện Chơng b) Máy phát kiểu ô (hình 3-30) Tơng tự nh máy phát kiểu treo, khác ổ trục đỡ nằm dới Rotor máy phát Giá chữ thập đỡ ổ trục thờng có dạng hình nón cụt đặt nắp Tuabin chiều cao gian máy đợc giảm thấp * Đánh giá: Máy phát kiểu ô giảm đợc kích thớc trọng lợng nên kinh tế máy phát kiểu treo nhng có độ rung động mạnh Hình 3-30 Tuabin máy phát điện kiểu Ô Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn Chơng c) Máy phát kiểu capxul (hình 3-31) Máy phát tổ máy capxul đợc đặt vỏ thép có hình dạng lu tuyến để giảm tổn thÊt thủ lùc Tỉ m¸y capxul th−êng dïng cho c¸c Nhà máy thuỷ điện thuỷ triều Nhà máy thủ ®iƯn cã cét n−íc thÊp (H ≤ 20 m) * Đánh giá: Do dòng chảy qua tổ máy theo hớng thẳng nên lợng nớc qua Tuabin tăng (10ữ15)%, vốn đầu t kích thớc nhà máy giảm (10ữ20)% H×nh 3-31 Tuabin máy phát điện kiểu capxul 1- Rotor; 2-Cuộn dây Stator; 3-Giếng vào gian máy; 4, 5- ống dẫn nớc; 6-BPHD; 7-C¸c trơ thÐp; 8-M¸y ph¸t kÝch tõ III Chän thông số máy phát thuỷ điện Bớc 1: Xác định số cặp cực Máy phát Từ tốc độ Tuabin tra (bảng 3-7) ta xác định đợc 2p Bớc 2: Xác định đờng kính Máy phát Đờng kính Rotor xác định theo công thức sau: Di = Trong đó: * 2p (m) (3-38) http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện Chơng - 2p số cực máy phát - * chiều dài cung tròn vành bố trí cùc Rotor τ * = A (S* ) α - A, hệ số phụ thuộc chế độ làm mát máy phát, theo bảng sau: Bảng 3-7 STT Hệ số Làm mát không khí Làm mát nớc + không khí Làm mát nớc A 0,529 0,451 0,432 α 0,246 0,239 0,239 R 18,80 8,90 8,60 Y 0,180 0,150 0,105 - S* = S mf 2p - S mf = G.chó (MVA) N mf (MVA) cos - Nmf công suất máy phát cần thiết kế, MW - cos hệ số công suất máy phát thiết kế, thờng chọn (0,8 ữ0,85) Đờng kính Di rotor phải đảm bảo vận tốc dài phận quay lớn không vợt phạm vi cho phép Tuabin quay lồng D i ≤ D gh = 60.Vp (m) π.k p n Trong đó: - Vp vận tốc dài quay lồng cho phÐp lín nhÊt: + Vp = 160 (m/s) Smf ≤ 175 (MVA) + Vp = 185 (m/s) Smf > 175 (MVA) - kp lµ hƯ sè quay lång cña Tuabin: k p = n '11 n '1.T + n11 tốc độ quay lồng qui dẫn, xác định từ Tuabin + n1.T tốc độ quay qui dẫn thực tế qua Tuabin - n tốc độ quay định mức máy phát, theo Tuabin (v/p) Vậy ®−êng kÝnh cđa m¸y ph¸t: Da = Di + Δ D Trong đó: D = (0,5ữ0,9) m Bớc 3: Xác định chiều cao lõi thép Máy phát Theo công thức: (m) (3-39) http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện la = 30 C A S π n D i2 Chơng (m) (3-40) Trong đó: - S0 công suất tính toán điều chỉnh hệ số phụ S = k.S mf (MVA) - k lµ hƯ số xác định theo bảng sau: Bảng 3-8 Cos 0,8 0,85 0,9 0,95 k 1,08 1,07 1,06 1,045 - CA = R (S* ) Y So sánh chän chiỊu cao tiªu chn theo d·y chiỊu cao rotor tiªu chuÈn sau: 40, 80, 100, 110, 130, 140, 150, 175, 190, 210, 230, 259, 275 cm B−íc 4: X¸c định cấp điện áp Máy phát Điện áp định mức máy phát có cấp định mức sau: 3,15; 6,3; 10,5; 13,8; 15,75; 18; 20; 21; 24 kV - NÕu Smf ≤ 15 MVA, Udm ≤ 6,3 kV - NÕu 15 < Smf ≤ 70 MVA, 6,3 < Udm ≤ 10,5 kV - NÕu Smf >70 MVA, Udm > 10,5 kV Bớc 5: Xác định loại Máy phát Tính: L= Di la - Nếu L < dùng loại máy phát kiểu treo - Nếu L > dùng loại máy phát kiểu ô - Nếu L n > 150 (v/p) dùng loại máy phát kiĨu treo - NÕu ≤ L ≤ vµ n 150 (v/p) dùng loại máy phát kiểu ô Máy phát có thông số nh sau: CB 940/235-30 Da = 940 cm, la = 235 cm, 2p = 30 Ví dụ 3: Chọn máy phát cho Nhà máy thuỷ ®iƯn víi Tuabin ë VÝ dơ 2: Gi¶i B−íc 1: Xác định số cặp cực Máy phát Ta có: n = 150 v/p Do tra (bảng 3-7) đợc: 2p = 40 Bớc 2: Xác định đờng kính cđa M¸y ph¸t - S mf = N mf 40 = = 50 cos 0,8 (MVA) Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện - S* = S mf 50 = = 1,25 2p 40 http://www.ebook.edu.vn Ch−¬ng (MVA) - Chän loại máy phát làm mát không khí, tra (bảng 3-7) ta cã: A = 0,529; α = 0,246; R = 18,8; Y = 0,18 τ * = A (S* ) α = 0,529.1,25 0, 246 = 0,5589 - Di = τ*.2p 0,5589 40 = = 7,119 π 3,14 - kp = n '11 120 = = 1,2 n '1.T 99,9 - D gh = 60.Vp π.k p n = (m) 60.160 = 16,9 → D i < D gh 3,14.1,2.150 - Da = Di + ΔD = 7,119 + 0,8881 = (m) (m) Bớc 3: Xác định chiều cao lâi thÐp cđa M¸y ph¸t - S = k.S mf = 1,08 50 = 54 - CA = - la = (MVA) R 18,8 = = 18,59 * Y (S ) 1,25 0,18 30 C A S 30.18,59.54 = = 1,26 (m) = 126 (cm) π n D i 3,14.150.7,119 Chän chiỊu cao tiªu chn: la = 1,3 (m) = 130 (cm) B−íc 4: X¸c định cấp điện áp Máy phát Smf = 50 MVA chọn điện áp định mức Udm = 10,5 kV Bớc 5: Xác định loại Máy phát - L= D i 7,119 = = 5,4 la 1,3 - L > dùng loại máy phát kiểu ô Vậy ta chọn loại máy phát kiểu ô có thông số nh sau: CB-840/130-10,5 Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn Chơng 3.4 Kết cấu Nh máy thuỷ điện I Nhà máy thuỷ điện ngang đập Nhà máy thuỷ điện đợc thực thân đập, phần công trình dâng nớc, chịu áp lực nớc thợng lu đồng thời công trình lấy nớc nối tiếp với Tuabin MNSC MNC MNHL Max Min Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn Chơng Do Tuabin đặt thân đập nên kết cấu đập phức tạp, chiều cao cột nớc thấp khoảng (30ữ40)m, công suất khoảng (120ữ150) MW Để giảm kích thớc gian máy thờng chọn máy phát kiểu Ô (hình 3-32) Capxul (hình 3-33) Để đảm bảo an toàn mùa lũ, Nhà máy thuỷ điện ngang đập thờng kết hợp xả lũ MNSC MNC Max Min Hình 3-33 Nhà máy thuỷ điện ngang đập máy phát kiểu Capxul II Nhà máy thuỷ điện sau đập đờng dẫn Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn Chơng Nhà máy thuỷ điện sau đập đờng dẫn dùng đờng ống dẫn nớc vào Tuabin, ống áp lực đặt đập với Nhà máy thuỷ điện sau đập đặt lộ thiên với Nhà máy thuỷ điện đờng dẫn Nhà máy không trực tiếp chịu áp lực phía thợng lu nên kết cấu đập đơn giản - Nhà máy thuỷ điện sau đập có công suất cột nớc lớn khoảng (30ữ300)m (hình 3-34) Do không bị hạn chế chiều cao gian máy nên sử dụng máy phát kiểu treo kiểu ô nh Capxul Để đảm bảo an toàn mùa lũ, Nhà máy thuỷ điện sau đập thờng kết hợp xả lũ - Nhà máy thuỷ điện đờng dẫn sử dơng cét n−íc rÊt cao 2000m (h×nh 3-34) Th−êng sư dụng Tuabin gáo trục đứng trục ngang MNSC MNC MNHL Max Min Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn Chơng III Nhà máy thuỷ điện ngầm Toàn nhà máy nằm sâu lòng đất, liên hệ nhà máy với mặt đất giếng đờng hầm (hình 3-36) Do nhà máy thờng có cột nớc cao công suất lớn, tổn thất cột nớc giảm thẳng, sử dụng máy phát kiểu treo kiểu ô Tuy nhiên xây dựng ngầm nên khối lợng thi công lớn, yêu cầu kỹ thuật cao MNSC MNC MNHL Max Min Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn Chơng IV Nhà máy thuỷ điện tích Nhà máy thuỷ điện tích gồm hồ chứa nớc, hạ lu thợng lu Gồm trình bơm trữ nớc phát điện Trong yêu cầu phụ tải hệ thống thấp, máy bơm lấy điện từ hệ thống bơm nớc từ hồ hạ lu lên hồ thợng lu để phát điện trở lại vào cao điểm hệ thống Nhà máy góp phần đảm bảo an ninh lợng san phẳng đồ thị phụ tải, có hiệu kinh tế cao Nhà máy gồm: - Sơ đồ máy với Tuabin, máy phát, động điện, máy bơm u điểm tổ máy đợc thiết kế theo chế độ làm việc tối u riêng, không phụ thuộc vào nhng có nhợc điểm tốn không gian vốn đầu t nên dùng - Sơ đồ máy với Tuabin, máy bơm, động điện thuận nghịch (động cơ-máy phát) Sử dụng cho nhà máy trục đứng (hình 3-37) máy bơm đặt dới Tuabin, Tuabin máy bơm có ly hợp để tách máy bơm nhà máy làm việc chế độ phát điện Với sơ đồ thiết bị đợc chế tạo với chế độ tối u riêng quay theo chiều định nên vận hành đơn giản có tính kinh tế cao Hiện nhà máy thuỷ điện tích chủ yếu sử dụng sơ ®å nµy (50%) MNSC MNDBT MNC Max Min Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn Chơng - Sơ đồ máy với trình thuận nghịch (động cơ-máy phát, Tuabin-máy bơm) (hình 3-38) Khi chuyển từ chế độ máy phát sang máy bơm ngợc lại cần thay đổi chiều quay tơng ứng máy phát Nhà máy có thiết bị nên vốn đầu t giảm (30%), giảm đợc không gian nhà máy nhiên máy làm việc chế độ khác nên khó làm việc chế độ tối u, việc điều khiển máy làm việc theo chế độ khác phức tạp Phạm vi sử dụng cột nớc nhà máy tơng đối rộng nên sử dụng đợc Tuabin hớng trục, Tuabin tâm trục, Tuabin chéo trục V Nhà máy thuỷ điện Thuỷ triều Nhà máy thuỷ điện thuỷ triều lợi dụng biên độ dao động lợng thuỷ triều lên xuống để phát điện Chiều cao biên độ dao ®éng cđa thủ triỊu ë mét sè n¬i cã thĨ tơng đối lớn (2ữ6)m Trong điều kiện địa hình tự nhiên có vinh hẹp ngời ta xây đập ngăn lại thành bể chứa bố trí Nhà máy thuỷ điện để phát điện Nhà máy thuỷ điện thuỷ triều thờng dùng tổ máy chảy thẳng làm việc chiều Phần dới nớc nhà máy gồm buồng dẫn nớc ống hút thẳng Khi đổi chiều làm việc thuỷ triều xuống ống hút trở thành buồng dẫn Với đặc điểm trên, Nhà máy thuỷ điện thuỷ triều hợp lý dùng tổ máy phát - Tuabin capxul đặt ngầm (hình 3-39) MNSC MNSC MNDBT MNDBT MNC MNC Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn o0o Ch−¬ng ... 8,3 Q H ( 1-4 ) Công thức thờng đợc sử dụng đánh giá sơ công suất nhà máy thuỷ điện thiết kế II Nhà máy thuỷ điện phân loại nhà máy thuỷ điện Nhà máy thuỷ điện Giáo trình Nhà máy Thuỷ điện http://www.ebook.edu.vn... lợng nớc Phân loại Nhà máy thuỷ điện a) Phân loại theo công suất lắp máy - Nhà máy thuỷ điện lớn: Nln 1000 (MW) - Nhà máy thuỷ điện vừa: 15 (MW) Nln < 1000 (MW) - Nhà máy thuỷ điện nhỏ: Nln