Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của độ mở cánh hướng đến các đặc tính năng lượng của máy thuận nghịch bơm-tuabin

Bài viết này trình bày các kết quả thí nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của độ mở cánh hướng đến các đường cong đặc tính về cột nước (H), công suất (P) và hiệu suất (η) của một tổ máy thuận nghịch bơm – tuabin khi vận hành trong hai chế độ bơm và tuabin.

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ MỞ CÁNH HƯỚNG ĐẾN CÁC ĐẶC TÍNH NĂNG LƯỢNG CỦA MÁY THUẬN NGHỊCH BƠM -TUABIN Nguyễn Thị Nhớ1,2, Trương Việt Anh2 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết thí nghiệm đểkhảo sát ảnh hưởng độ mở cánh hướng đến đường cong đặc tính cột nước (H), công suất (P) hiệu suất (η) tổ máy thuận nghịch bơm – tuabin vận hành hai chế độ bơm tuabin Kết cho thấy, độ mở tăng dần từ 5mm đến 15mm, vận hành chế độ bơm, lưu lượng điểm có hiệu suất lớn QBEP (Best Eficentcy Point-BEP) tăng từ 218,22 m3/h lên 300 m3/h H giảm từ 8,82m tới 7,71 m Trong vận hành chế độ tuabin, QBEP tăng từ 270m3/h lên 320,9 m3/h H giảm từ 9,78 m tới 8,94 m Xét mặt hiệu suất, phương án độ mở cánh hướng 10mm cho hiệu suất bơm tuabin tốt nhất, bơm đạt 77,07% tuabin đạt 72,8% Đồng thời, báo xây dựng đánh giá vùng vận hành máy thiết kế Đây kết nghiên cứu đầu tiên, có ý nghĩa thiết dạng máy cánh Việt Nam Từ khóa: Cánh hướng, bơm – tuabin, bơm, tuabin GIỚI THIỆU CHUNG * Bơm - Tuabin (Pump as Turbine, viết tắt PaT) thiết bị thủy lực có khả làm việc hai chế độ bơm tuabin, ứng dụng rộng rãi nhà máy thủy điện tích (NMTĐTN) từ năm 1950 Các nghiên cứu trước khẳng định tất loại bơm từ trục đứng hay trục ngang, từ ly tâm hay hướng trục vận hành dạng tuabin (Peter, 2014) Tính tới thời điểm tại, máy PaT làm việc tốt vùng cột nước từ 50m đến 800m, công suất đầu từ 10MW đến 500MW, hiệu suất tuabin bơm lên đến 91% 90,8% Do xuất phận cột trụ cánh hướng nên dòng chảy bơm bị xáo động đáng kể so với bơm thông thường Với tốc độ quay định, bơm làm việc hiệu vị trí cột nước (H) lưu lượng (Q) định Khi làm việc điểm thiết kế, loạt tượng dòng chảy vấn đề thủy lực xảy làm giảm mạnh hiệu suất trung bình máy Giá trị hồn tồn xác định thông qua việc xác định thành phần vận tốc mép bánh công tác (Nho, nnk 2018) Trong nghiên cứu (Jasmina, et al 2014) (Hasatuchi, 2012), ảnh hưởng độ mở Trường Đại học Thủy lợi Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 248 cánh hướng đến đặc tính máy PaT hai chế độ thảo luận Nghiên cứu tập vào chế hình thành phát triển khơng ổn định dịng chảy, mối liên hệ phân bố vận tốc biên ngồi bánh cơng tác phân bố cường độ xáo động áp suất theo thời gian không gian, tác động tải động lên bánh công tác cánh hướng điều kiện thất tốc Các phương án góc mở tối ưu cánh hướng sau đề xuất để đưa gợi ý cho quy trình vận hành sau máy Theo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia có điều chỉnh Việt Nam có bảy phương án TĐTN đưa vào vận hành với tổng cơng suất đạt 2100MW Cơng trình TĐTN Bác Ái 1,2 đưa vào vận hành năm 2023 với công suất lắp máy tổ 300 MW Tuy nhiên, tới thời điểm tại, chưa có nghiên cứu dạng máy công bố Đây thách thức lớn cho nhà khoa học nước Trong nghiên cứu này, tác giả tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng độ mở cánh hướng nước đến đặc tính lượng cột áp, cơng suất hiệu suất máy PaT phương pháp thực nghiệm Qua đó, đánh giá phần chất lượng máy PaT thiết kế nghiên cứu Kết áp dụng cho máy PaT có số vịng quay đặc trưng ns thấp KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2.THIẾT LẬP HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM 2.1 Giới thiệu hệ thống thử nghiệm Công ty CP chế tạo bơm Hải Dương Công ty CP chế tạo bơm Hải Dương xây dựng hệ thống thí nghiệm bơm Hải Dương với dung tích bể chứa ngầm W = 2500 m3, thử bơm cơng suất Nmax = 1500 kW, lưu lượng Qmax = 50 000 m 3/h Hệ thống xây dựng đồng với thiết bị đo đại, phần mềm phần cứng hãng Siemens có độ xác đồng cao Quy trình thử nghiệm thực dựa tiêu chuẩn quốc tế thử nghiệm máy bơm JIS G8301, JIS G8302, ISO2858 tiêu chuẩn Việt Nam Từ kết đo lường xác định thông số kỹ thuật: công suất, cột áp, công suất trục, hiệu suất bơm tuabin 2.2 Thiết bị đo đánh giá sai số Các thiết bị đo bao gồm: đo lưu lượng, đo cột áp, mômen trục, dòng điện tốc độ quay thiết bị đại, xác nhập từ quốc gia tiên tiến Đức, Nhật hay Nga, đảm bảo độ xác tin cậy Sai số giới hạn sai số thí nghiệm phải đạt yêu cầu cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8639:2011 (Nguyễn Minh Tuấn, 2016) 2.3 Thơng số hình học của tổ máy thí nghiệm x Ø 19 h d? u 22.5° Ø3 35 ±0 22 5° Ø 375 (172.9) 80 24 22 5° x Ø19 su?t cách d?u 40 160 Ø38±0.3 05 A R5 x M6 ren sâu 12 c ác h d?u T?ng s? l?: 76 R3 34 50 Ø5 0± 0.5 x M16 su?t d?i x ?ng 40 A 40 22.5° B Ø1 65 Ø552 19 x Ø27 H9 +0.052 0.000 cách d?u Ø590 29 Ø235 H11 +0 0.0 32 39.5 Ø264 Ø200 Ø213 Ø240 Ø320 71 15 0.5 00± Ø5 Ø2 80 ±0 77 (50) 12 Ø540 20 17.5 Ø 426 20 40 15 x Ø19 cách d?u 11 Ø 550 H8 +0 0.0 0.05 A 13 22 5° x M12 ren sâu 20 R8 Ø3 80 ± 0.5 x M16 ren sâu 24 cách d?u 15° 120±0.5 15 ° 70 95 190± 260 Hình Các thơng số hình học máy chế tạo, lắp ráp phục vụ thí nghiệm Trong báo này, thơng số hình học bánh cơng tác (BCT) PaT thiết kế hình Các thơng số hình học có từ nghiên cứu thiết kế mơ hình nhóm tác giả cho mẫu máy với thông số đầu vàogồm: lưu lượng thiết kế bơm (Q) 0,067m3/s, cột nước bơm (H) 9m số vòng quay đặc trưng ns 104 Đặc biệt lưu ý với hệ thống 19 cánh hướng hệ thống tay quay điều chỉnh lưu lượng 2.4 Thiết lập phương án thí nghiệm 2.4.1 Sơ đồ thí nghiệm a Chế độ bơm b Chế độ tuabin Hình Hệ thống thí nghiệm bơm-tuabin KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 249 Hình trình bày sơ đồ bố trí phương án thử nghiệm PaT chế độ bơm tuabin Để thí nghiệm cho chế độ tuabin, bơm ly tâm LT270-12/D205 có thơng số điểm thiết kế bao gồm: tốc độ quay n = 1480 vịng/phút; cơng suất động 7,8kW; cột nước H=12m lưu lượng Q=320m3/h phù hợp với yêu cầu thí nghiệm chọn làm bơm tạo tải bơm tải Trong thí nghiệm tuabin, máy bơm tải kết nối vào hệ thống tuabin sơ đồ hình 2b để tạo Q H theo yêu cầu thí nghiệm thơng qua hệ thống ống dẫn có đường kính 250mm Ngồi ra, máy PaT có n=600 vòng/phút bơm tải lựa chọn 1480 vòng/phút Vì vậy, truyền đai từ PaT qua bơm tải sử dụng Tồn q trình vận hành thử thao tác nhà điều khiển Lưu lượng máy bơm tuabin điều chỉnh nhờ van tiết lưu Các thông số cần đo bao gồm trị số lưu lượng, cột áp hút, cột áp đồng hồ hút, xả, dịng điện cơng suất Cuối cùng, xử lý số liệu đo, đánh giá sai số vẽ đường cong đặc tính KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng độ mở cánh hướng đến đặc tính bơm tuabin Hình hình thể kết Hình Đặc tính bơm với phương án độ mở cánh hướng 5mm; 10mm 15mm ba phương án độ mở 5mm; 10mm 15mm Nhìn chung, độ mở cánh hướng a0 ảnh hưởng nhiều tới hình dạng, giá trị vị trị xuất điểm BEP, không ảnh hưởng nhiều đến hình dạng đường cong cột nước công suất bơm tuabin Cụ thể, tăng độ mở từ 5mm đến 15mm đường cong hiệu suất có xu dịch chuyển phía bên phải (QBEP tăng) hai chế độ bơm tuabin Đặc biệt, độ mở tăng dần, vùng cho hiệu suất cao bơm rộng giá trị hiệu suất lại giảm Bảng so sánh chi tiết giá trị lưu lượng Q, cột nước H, công suất P hiệu suất η điểm BEP ba phương án khảo sát Như thấy vận hành bơm tuabin, độ mở tăng dần từ 5mm đến 15mm độ QBEP có xu tăng cột áp H có xu giảm Cụ thể, vận hành chế độ bơm, QBEP tăng từ 218,2 m3/h lên 300 m 3/h H giảm từ 8,82m tới 7,71 m Trong vận hành chế độ tuabin, QBEP tăng từ 270m3/h lên 320,9 m3/h H giảm từ 9,78 m tới 8,94m Xét mặt hiệu suất, phương án độ mở cánh hướng 10mm cho hiệu suất bơm tuabin tốt nhất, bơm đạt 77,07% tuabin đạt 72,8% Hình Đặc tính tuabin với phương án độ mở cánh hướng 5mm; 10mm 15mm Bảng Kết bơm tuabin điểm BEP ba phương án độ mở cánh hướng Phương án độ mở a01=5mm Vận hành Bơm Tuabin Phương án độ mở a02=10mm Vận hành Bơm Tuabin 250 Q (m3/h) 218,22 270,00 H (m) 8,82 9,78 P (kW) 6,83 4,99 η(%) 76,69 70,30 Q (m3/h) 242,50 315,00 H (m) 8,43 9,49 P (kW) 7,23 5,72 Η (%) 77,07 72,80 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Phương án độ mở a03=15mm Vận hành Bơm Tuabin Q (m3/h) 300,00 320,90 3.2 Đánh giá vùng vận hành bơm tuabin với phương án độ mở cánh Việc thiết kế máy PaT thường gắn liền với công trình thực tế, với điều kiện thực tế dao động mực nước thượng hạ lưu, yêu cầu số phát điện bơm nước, đặc biệt giá điện theo khung Điều liên quan đến hàm mục tiêu thiết kế cơng trình Với trạm thủy điện tích năng, ngồi u cầu vùng hiệu suất cao u cầu cột nước công suất quan trọng, đảm bảo điều kiện vận hành chế độ bơm tuabin Trong số trường hợp, điểm làm việc có hiệu suất cao cột nước tuabin thấp cột nước bơm cao PaT không làm việc Trong mục này, tác giả đánh giá vùng vận hành bơm tuabin với ba phương án độ mở cánh khác với cột áp tĩnh lớp nhỏ lấy theo điều kiện vận hành quy đổi mơ hình thí nghiệm cơng trình TĐTN Phù n Đơng Kết cho hình 5, hình hình Ba phương án độ mở cánh cho thấy thấy vùng làm việc hai chế độ bơm tuabin nằm vùng hiệu suất cao, nằm xung quanh điểm thiết kế từ 85%÷110% điểm lưu lượng thiết kế So sánh ba vùng làm việc bơm tuabin ứng với ba Hình Vùng vận hành bơm tuabin với phương án độ mở a02=10mm H (m) 7,71 8,94 P (kW) 7,61 5,49 Η (%) 76,20 70,20 phương án cánh khác cho thấy phương án độ mở a02=10mm cho hiệu suất điểm thiết kế lớn bơm tuabin lại khơng nằm vùng vận hành cột áp yêu cầu lớn cột áp tạo trạm Trong đó, phương án độ mở a01=5mm a03=15mm đảm bảo điều kiện vận hành bơm tuabin cột áp phương án a01=5mm cho vùng hiệu suất cao hơn, phương án bao trọn vùng hiệu suất cao bơm tuabin Hình Vùng vận hành bơm tuabin với phương án độ mở a01=5mm Hình Vùng vận hành bơm tuabin với phương án độ mở a03=15mm KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 251 KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết thí nghiệm để đánh giá ảnh hưởng độ mở cánh hướng nước đến đường cong đặc tính lượng H, P η mơ hình máy thuận nghịch bơm - tuabin có số vịng quay đặc trưng ns =104 vận hành chế độ bơm tuabin Đây mô hình thuận nghịch có kết cấu mới, làm việc ổn định chạy êm, đặc biệt kết nghiên cứu Việt Nam chế tạo lắp đặt thí nghiệm Kết cho thấy máy PaT thiết kế vận hành tốt chế độ bơm tuabin điểm lưu lượng (Q) cột áp (H) khác mà khơng có vấn đề vận hành xảy Khi tăng độ mở cánh hướng đường cong hiệu suất có xu dịch chuyển phía bên phải tức QBEP tăng dần giá trị đường cong cột áp H có xu giảm vận hành bơm tuabin Xét mặt hiệu suất, phương án độ mở cánh hướng 10mm cho hiệu suất bơm tuabin tốt nhất, bơm đạt 77,07% tuabin đạt 72,8%.So với chế độ bơm, PaT hoạt động chế độ tuabin cho H Q cao (9,49m cột nước so với 8,34m 315m3/h so với 242,5 m3/h) điểm BEP TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Minh Tuấn, (2016), Nghiên cứu ảnh hưởng số thơng số kích thước kết cấu phận hướng dòng đến hiệu suất bơm chìm hướng trục Việt Nam, Viện Cơ khí động lực, Đại học Bách Khoa Hà Nội Hasatuchi V, Artist, (2012), Hydrodynamics of a Pump-Turbine operating at off-design University of Applied Sciences of Western Switzerlan Jasmina.B.B, M R Dragica and S M Dragan, "Pumps used as turbines power recovery, energy efficiency, CFD analysis," Thermal science, vol 18, no 3, pp 1030-1038, 2014 Nho N T, Truong A V and Truong V.V, (2018), "Theoretical prediction of performance curves of PumpTurbine at a low specific speed,"in Seventh International Conference and Exhibition on Water Resources and Renewable Energy Development in Asia, No 25 Peter.M, (2014), Overview on Pump Turbine Technology, Ravensburg Germany Abstract: THE EXPERIMENTAL STUDY OF THE EFFECTS OF THE GUIDE VANES OPENING ON ENERGY CHARACTERISTICS OF A REVERSIBLE PUMP AS TURBINE This paper presents the experimental results to investigate the effects of the guide vanes opening on the characteristic curves of a reversible turbomachine, so called Pump as Turbine (PaT) when operating in modes: pump and turbine When the guide vanes opening increases from 5mm to 15mm, in the pump mode, QBEP (Best Eficentcy Point - BEP) increases from 218,22 m3/h to 300 m3/h while H decreases from 8,82m to 7,71 m In turbine mode, QBEP increases from 270m3/h to 320,9 m3/ h while H decreases from 9,78 m to 8,94 m In the case of 10mm, the pump and turbine conduct the best performance with 77,07% and 72,8% respectively.This study builds and evaluates the operating area for a PaT This is also the initial resultsand hassignificant in designing of this kind of machine in Vietnam Keywwords: Guide vane, Pump as Turbine, Pump, Turbine Ngày nhận bài: 09/7/2019 Ngày chấp nhận đăng: 07/9/2019 252 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC ... Ảnh hưởng độ mở cánh hướng đến đặc tính bơm tuabin Hình hình thể kết Hình Đặc tính bơm với phương án độ mở cánh hướng 5mm; 10mm 15mm ba phương án độ mở 5mm; 10mm 15mm Nhìn chung, độ mở cánh hướng. .. bày kết thí nghiệm để đánh giá ảnh hưởng độ mở cánh hướng nước đến đường cong đặc tính lượng H, P η mơ hình máy thuận nghịch bơm - tuabin có số vòng quay đặc trưng ns =104 vận hành chế độ bơm tuabin... Xét mặt hiệu suất, phương án độ mở cánh hướng 10mm cho hiệu suất bơm tuabin tốt nhất, bơm đạt 77,07% tuabin đạt 72,8% Hình Đặc tính tuabin với phương án độ mở cánh hướng 5mm; 10mm 15mm Bảng Kết