BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU TỐC TURBIN THỦY LỰC CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA NGƠ XN KHÁNH Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỂN HỒNG QUANG Hà Nội - 2009 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, nhà máy thủy điện giữ vai trò quan trọng hệ thống điện quốc gia Số lượng nhà máy thủy điện nước ta nhiều chiếm tỉ lệ cao tổng công suất điện phát lưới điện Tuy nhiên, thực tế chất lượng điều khiển hệ điều tốc số nhà máy chưa đáp ứng yêu cầu : chịu nhiều ảnh hưởng nhiễu, thời gian độ kéo dài, độ điều chỉnh thay đổi theo tải,… Xuất phát từ lý thực tiễn đó, sau thực tập nhà máy thủy điện, tiếp xúc với điều kiện thực tế, em nhận thấy cần phải nâng cao chất lượng hệ điều tốc cũ Nhằm tìm hiểu sâu vấn đề trên, em giao đề tài: “Nghiên cứu thiết kế điều khiển điều tốc Tuabin thủy lực cho nhà máy thủy điên vừa nhỏ”, nội dung đồ án gồm phần sau : • Giới thiệu nhà máy thủy điện , phân loại nhà máy thủy điện công nghệ sản xuất điện nhà máy • Khảo sát hệ điều tốc • Xây dựng mơ hình tốn học hệ điều tốc • Thiết kế điều tốc nhà máy thuỷ điện vừa nhỏ • Nâng cao chất lượng điều tốc dùng thuật toán điều khiển PID kết hợp với mờ Chương 1: Giưới thiệu nhà máy thủy điện CHƯƠNG GIỚI THIỆU NHÀ MÁY THỦY IN Nhà máy thủy điện thành phần nhà máy thuỷ điện 1.1 Nhà máy thủy điện Nhà máy thuỷ điện công trình thuỷ công bố trí thiết bị động lực ( turbin, máy phát điện ) hệ thống thiết bị phụ phục vụ cho làm việc bình thờng thiết bị nhằm sản xuất điện cung cấp cho hộ dùng điện Có thể nói xởng sản xuất điện công trình thuỷ điện Loại kết cấu nhà máy phải đảm bảo làm việc an toàn thiết bị thuận lợi vận hành 1.2 Phân loại nhà máy thuỷ điện Nhà máy thuỷ điện đợc chia thành ba loại bản: - Nhà máy thuỷ điện ngang đập đợc xây dựng sơ đồ khai thác thuỷ kiểu đập với cột nớc không 35 - 40 m Bản thân nhà máy thành phần công trình dâng nớc, thay cho phần đập dâng Của lấy nớc thành phần cấu tạo thân nhà máy Do vị trí nhà máy nằm lòng sông nên loại nhà máy đợc gọi nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông Chi tiết kết cấu loại nhà máy đợc trình bày chơng II mục 2-1 - Nhà máy thuỷ điện sau đập đợc bố trí sau đập dâng nớc Khi cột nớc cao 30-45 m thân nhà máy lý ổn định công trình thành phần công trình dâng nớc trờng hợp tổ máy công suất lớn Nếu đập dâng nớc đập bê tông trọng lực cửa lấy nớc đờng ống dẫn nớc turbin đợc bố trí thân đập bê tông, đờng ống dẫn nớc turbin đợc bố trí mái hạ lu đập - Nhà máy thuỷ điện đờng dẫn sơ đồ khai thác thuỷ kiểu đờng dẫn kết hợp, nhà máy thuỷ điện đứng riêng biệt tách khỏi công trình đầu mối Cửa lấy nớc đặt cách xa nhà máy Trong trờng hợp công trình dẫn nớc không áp cửa lấy nớc nằm thành phần bể áp lực; trờng hợp công trình dẫn nớc đờng hầm có áp cửa lấy nớc bố trí đầu đờng hầm công trình độc lập Đờng dẫn nớc vào nhà máy thờng đờng ống áp lực nhng trờng hợp trạm thuỷ ®iƯn ®−êng dÉn cét n−íc thÊp víi ®−êng dÉn lµ kênh dẫn bố trí nhà máy thuỷ điện kiểu ngang đập Ngoài cách phân loại nhà máy thuỷ điện đợc phân loại theo vị trí tơng đối thân nhà máy bố trí tổng thể: Nhà máy thuỷ điện mặt đất ( nhà máy thông thờng); nhà máy thuỷ điện ngầm đợc bố trí toàn lòng đất, nhà máy thuỷ điện nửa ngầm với phần chủ yếu nhà máy bố trí ngầm lòng đất, phần mái che bố trí hở mặt đất; nhà m¸y thủ Chương 1: Giưới thiệu nhà máy thy in điện thân đập đợc bố trí thân đập bê tông, thân đập đất, trụ chống đập trụ chống Về đặc điểm kết cấu ba loại trên, nhà máy thuỷ điện có nhiều dạng kết cấu đặc biệt khác nh nhà máy kết hợp xả lũ dới đáy thân đập tràn, trụ pin, nhà máy thuỷ điện ngang đập với turbin capxul, nhà máy thuỷ điện thuỷ triều Các loại nhà máy tạm xếp chung vào loại nhà máy đặc biệt Về công suất nhà máy thuỷ điện chia làm nhiều loại theo công suất lắp máy, cách phân loại tơng đối cụ thể với tiêu chuẩn quốc gia Việt nam cấp công trình đợc xác định theo tiêu chuẩn TCVN-5060-90: Nhà máy thuỷ điện lớn Nlm 1000 MW Nhà máy thuỷ điện vừa : 15 Nlm 1000 MW Nhà máy thuỷ điện nhá : Nlm ≤ 15 MW Theo cét n−íc nhµ máy thuỷ điện phân theo ba loại tuỳ thuộc cột nớc công tác lớn nhất: Nhà máy thuỷ cột nớc cao : Hmax > 400 m Nhà máy thuỷ điện cét n−íc trung b×nh : 50 ≤ Hmax ≤ 400 m Nhà máy thuỷ điện cột nớc thấp : Hmax < 50 m Cột nớc công tác Hmax có liên quan đến loại turbin bố trí nhà máy TTĐ cột nớc cao bố trí turbin tâm trục tỷ tèc bÐ vµ cét n−íc Hmax >500 m sư dụng turbin gáo TTĐ cột nớc trung bình thờng bố trí loại turbin tâm trục với tỷ tốc từ lớn đến bé số trợng hỵp víi cét n−íc Hmax >150 m cã thĨ sư dụng turbin cánh chéo TTĐ cột nớc thấp thờng bố trí turbin cánh quay turbin cánh quạt bố trí turbin tâm trục tỷ tốc lớn turbin cánh chéo Hình thức lắp máy có ảnh hởng lớn đến kết cấu nhà máy thuỷ điện: Với turbin phản kích công suất lớn thờng bố trí trục đứng Bố trí nh nhà máy gọn nhng chiêu sâu móng nhà máy lớn Với TTĐ ngang đập cột nớc thấp Hmax < 20m cã thĨ sư dơng turbin c¸nh quay kiĨu capxul trục ngang, ống hút thẳng Với nhà máy thuỷ điện sử dụng turbin tâm trục công suất nhỏ cho thấy tốt sử dụng hình thức lắp máy trục ngang việc lắp đặt sửa chữa turbin máy phát không phụ thuộc lẫn nhng kích thớc mặt nhà máy đòi hỏi lớn so với trục đứng Đối với TTĐ sử dụng turbin gáo hình thức lắp máy trục đứng trục ngang không phụ thuộc vào công suất tổ máy mà phụ thuộc vào số lợng vòi phun yếu tố kết cấu công trình cụ thể Kết cấu nhà máy thuỷ điện đợc chia làm hai phần: Phần dới nớc ( khối bê tông phía dới) bố trí turbin, buồng xoắn, ống hút, hệ thống thiết bị phụ Phần nớc bao gồm gian máy gian lắp ráp-sửa chữa, gian máy bố trí máy phát điện, thùng dầu áp lực tủ điều tốc turbin Đối với nhà máy thuỷ điện tích cách phân loại đặc điểm cấu tạo tơng tự nh nhà máy thủ ®iƯn Chương 1: Giưới thiệu nhà máy thy in Các thiết bị bố trí nhà máy thuỷ điện 1- Các thiết bị bố trí nhà máy thuỷ điện đợc chia thành loại: Thiết bị động lực ( turbin, máy phát điện), thiết bị khí, thiết bị phụ, thiết bị điện Sơ đồ công nghệ bố trí thiết bị nhà máy thuỷ điện đợc trình bày hình 1-1 2.1 Turbin thuỷ lực: Thiết bị động lực bao gồm turbin thuỷ lực máy phát điện Các phận turbin phản kích phận dẫn nớc vào ( buồng xoắn), phần khí thuỷ lực ( trụ chống, cánh hớng nớc, bánh xe xông tác), phận tháo nớc ( ống hút), hệ thống thiết bị điều khiển turbin ( thùng dầu áp lực, tủ điều tốc, máy tiếp lực) Phụ thuộc vào cột nớc mà sử dụng loại turbin cánh quay, cánh quạt, tâm trục hay turbin gáo Phần turbin thuỷ lực đà đợc trình bày giáo trình turbin thuỷ lực, giáo trình trình bày cách tổng quát thiết bị khác có liên quan đến việc bố trí kết cấu nhà máy thuỷ điện Chng 1: Gii thiu v nh mỏy thy in Hình 1.-1 Sơ đồ công nghệ bố trí thiết bị nhà máy thuỷ điện 1- Turbin, 2- máy phát điện, 3- van trớc turbin, 4- máy biến áp, 5- cáp dẫn điện máy phát, 6- hệ thống làm mát máy phát, 7- hệ thống ®o l−êng vµ ®iỊu khiĨn, 8- hƯ thèng cÊp n−íc kü thuËt, 9- hÖ thèng khÝ nÐn, 10- hÖ thèng kÝch tõ, 11- hƯ thèng dÇu, 12- cÇu trơc, 13- phòng điều khiển trung tâm, 14- trạm phân phối điện, 15- đờng dây điện áp cao thuộc trạm, 16- cửa van ống hút, 17- thùng dầu áp lực, 18- tủ ®iỊu tèc, 19- m¸y tiÕp lùc, 20- hƯ thèng tho¸t nớc 2.2 Máy phát thuỷ điện Máy phát động biến turbin thành điện cung cấp cho hệ thống điện Máy phát thuỷ điện nguyên tắc máy phát đồng ba pha, bé phËn chñ yÕu cña nã bao gåm: rotor nèi víi trơc turbin trùc tiÕp hc Chương 1: Giưới thiệu nhà máy thủy điện gi¸n tiÕp qua hƯ thống truyền động Ro to làm nhiệm vụ tạo nên từ trờng quay làm xuất dòng điện xoay chiều cuộn dây ổ cực stator máy máy phát Để đảm bảo tần số dòng điện tiêu chuẩn 50 hec ( số nớc 60 hec), yêu cầu rotor máy phát phải quay với tốc độ không thay đổi làm việc có phụ tải tốc độ quay đồng Nếu trục turbin trục máy phát nối trực tiếp tốc độ quay chúng phải nh tốc ®é quay ®ång bé Ngoµi hai bé phËn chđ u rotor stator máy phát có phận phụ trợ khác nh hệ thống kích từ, hệ thống làm mát, chống cháy, nén nớc v.v 2.3 Các thiết bị khí nhà máy thuỷ điện Thiết bị khí TTĐ bao gồm loại cửa van thiết bị nâng chuyển phục vụ cho việc đóng mở lắp ráp sửa chữa chúng Các thiết bị bố trí cửa lấy nớc đà đợc trình bày chơng I phần I giáo trình Cửa van đờng ống dẫn nớc turbin Trong loại nhà máy thuỷ ®iƯn kiĨu sau ®Ëp vµ ®−êng dÉn víi ®−êng èng dài, trớc buồng xoắn turbin bố trí cửa van trờng hợp sử dụng đờng ống rẽ nhánh TTĐ cột nớc cao H > 200-300m TTĐ cột nớc cao, cửa van trớc buồng xoắn có công dụng tránh cho cánh hớng nớc phải chịu áp lực lớn ngừng làm việc, giảm tổn thất nớc rò rỉ qua cánh hớng nớc bảo vệ cánh hớng nớc khỏi bị phá huỷ khÝ thùc n−íc rß rØ qua chóng víi l−u tèc lín Khi bè trÝ cưa van tr−íc bng xo¾n cửa van kết hợp làm nhiệm vụ bảo vệ tổ máy khỏi chế độ quay lồng hệ thống điều khiển chúng không làm việc Đối với TTĐ có phơng thức cấp nớc độc lập, cửa van trớc buồng xoắn đợc bố trí tất trờng hợp cột nớc lớn 300 m, đờng ống dài 300-400 m Trong trờng hợp cột n−íc nhá h¬n 200 m chØ bè trÝ thêi gian làm việc turbin dới 3000 giờ/ năm Còn ®èi víi TT§ cÊp n−íc theo nhãm víi èng dÉn nớc chung cho số tổ máy cửa van đợc bố trí tất ống rẽ nhánh Trên hình 1-6 sơ đồ bố trí cửa van tuyến đờng ống áp lực Cửa van cưa èng hót Cưa van t¹i cưa èng hút với mục đích sửa chữa turbin, cần phải đóng cửa van để bơm cạn nớc buồng xoắn ống hút Cửa van thờng van trợt phẳng tầng nhiều tầng Vị trí cửa ra, đầu đoạn loe ống hút Thông thờng ngời ta sử dụng hai cửa van cho toàn nhà máy tuỳ theo số lợng tổ máy Việc đóng mở cửa van bố trí cầu trục phía ống hút, thờng cầu trục kiểu chân dê tời di động dầm cố định 1- cầu trục; 2- xe nâng móc móc phụ; 3- bánh xe cầu trục; 4- móc chính; 5- mãc phơ; 6- bng ®iỊu khiĨn; 7- ®éng di chun cÇu trơc Chương 1: Giưới thiệu nhà mỏy thy in a- Máy biến áp; b- đồ thị xác định sơ kích thớc trọng lợng máy BA 1vỏ; 2- bánh xe; 3- sứ cách điện; 4- máy làm mát; 5- thùng dầu phụ; 6- quạt gió; 7ống đo dầu Thiết bị nâng chuyển Thiết bị nâng chuyển nhà máy thuỷ điện cầu trục phục vụ cho lắp ráp sửa chữa tổ máy Thông thờng cầu trục bố trí gian máy, tầm hoạt động chung cho toàn gian máy Trong số trờng hợp, phục vụ cho tháo lắp van trớc buồng xoắn ngời ta sử dụng cầu trục riêng Cầu trục có tải trọng lớn, đến 1000 tấn, nhiên tuỳ vào trọng lợng vật cẩu lớn (rotor) kích thớc nhà máy mà sử dụng cầu trục kép ( cái) 2.4 Thiết bị điện Thiết bị điện trạm thuỷ điện bao gồm: dây dẫn điện từ máy phát, máy biến áp trạm phân phối ®iÖn, hÖ thèng ®iÖn tù dïng, hÖ thèng ®o l−êng kiểm tra điều khiển, thiết bị điều khiển trung tâm Điện áp đầu máy phát tuỳ thuộc vào công suất từ 3,5 ữ 24 KV, việc truyền tải từ máy phát điện đến máy biến áp với dòng điện lớn đòi hỏi dây dẫn tiết diện lớn tổn thất điện lớn, dây dẫn đắt tiền nên đòi hỏi máy biến áp phải bố trí thật gần máy phát điện Với công suất máy phát dới 100 MVA đoạn dây dẫn thờng để trần, công suất lớn chúng thờng cáp điện chuyên dùng Máy biến áp nhằm nâng cao điện áp để tài điện xa Phụ thuộc vào hệ thống mà TTĐ cung cấp, điện ¸p cao thÕ cña m¸y biÕn ¸p ( MBA) cã thể 35, 110, 220, 500 KV cao Máy biến áp nguyên tắc đợc bố trí trời, chúng đòi hỏi phải làm mát không khí nớc Cấu tạo phận máy biến áp thể hình 1-11, a Các phận chủ yếu gồm vỏ máy chứa dầu cách điện cuộn dây lõi thép từ ( ruột máy), đầu dây dẫn vào với sứ cách điện cao hạ 23, máy làm mát không khí với quạt gió tăng cờng 6, thùng dầu phụ với ống đo dầu đảm bảo cho dầu máy biến áp có áp suất ổn định trình làm việc Máy biến áp đặt hệ thống đờng ray chung cho toàn trạm vận chuyển vào gian máy để sửa chữa Máy biến áp công suất nhỏ 50 MVA thờng đặt bốn bánh xe, với MBA công suất trung bình lớn đặt đặt nhiều xe lăn, xe có bốn bánh Để vận chuyển MBA vào gian lắp ráp ngời ta di chuyển đến chỗ chuyển hớng đờng ray, dùng kích thuỷ lực nâng MBA lên quay chiều xe lăn theo hớng ray cần di chun ChiỊu réng ®−êng ray th−êng lÊy b»ng chiỊu réng đờng ray thông dụng giao thông chiều khoảng cách bánh xe hoạc xe lăn phụ thuộc vào kích thớc cầu trục 2000, 2500, 3000 mm Chương 1: Giưới thiệu nhà mỏy thy in Máy biến áp đợc phân thành hai loại theo số cuộn dây: hai cuộn dây ba cuộn dây Loại hai cuộn dây dùng để tăng điện áp máy phát lên cấp điện áp, MBA ba cuộn dây tăng điện áp lên hai cấp khác cung cÊp cho hai hƯ thèng kh¸c Theo số pha ngời ta chế tạo máy biến áp ba pha máy biến áp pha NhÃn hiệu máy biến áp phải thể công suất, điện áp, phơng pháp làm mát, số pha khả lắp đặt trời Khả vợt tải tạm thời MBA số đạt 30 ữ 40%, khả vợt tải lâu dài từ ữ 10% Kích thớc sơ MBA xác định theo đồ thị hình 1-11, b: đờng liền nét biểu đồ xác định trọng lợng trọng lợng toàn MBA, đờng không liền nét trọng lợng phần ruột Lợng dầu s¬ bé tÝnh ë møc kg cho KVA công suất Hệ thống điện tự dùng phục vụ cho sản xuất thân TTĐ chiếm khoảng 0,2 ữ1,0% điện sản xuất Các hộ tự dùng đợc chia làm ba loại : Loại không cho phép điện làm việc (các hệ thống dầu, cấp nớc kỹ thuật, khí nén, kích từ, phòng hoả, điều khiển máy cắt & cầu dao, điều khiển cửa van công tác, chiếu sáng nhà); loại cho phép điện tạm thời thời gian ngắn ( hệ thống tháo nớc tổ máy, thoát nớc rò rỉ, chiếu sáng trời ), loại cho phép điện dài thời gian định ( hệ thống lọc xử lý dầu, xởng sửa chữa, kho chứa ) Hệ thống điện tự dùng tuỳ theo loại thiết bị sử dụng điện áp từ 220 V đến 10 KV Vì cần có máy biến áp hạ nối trực tiếp máy phát từ hệ thống góp điện áp máy phát Trong nhà máy điện bố trí thiết bị phân phối điện áp máy phát Tất thiết bị nguyên tắc đợc lắp đặt theo ( cụm) để sửa chữa thay dễ dàng Chúng đợc lắp đặt dọc theo toàn chiều dài nhà máy, gian cã chiỊu cao 4-5m, chiỊu réng 6-8 m Tr¹m phân phối điện áp cao đợc bố trí trời, sơ đồ đầu dây vị trí thiết bị đợc trình bày mục 1-7 2.5 Các hệ thống thiết bị phụ Các hệ thống thiết bị phụ bao gồm: Hệ thống dầu, cấp nớc kỹ thuật, khí nén, phòng hoả, tháo nớc sửa chữa rò rỉ Kết cấu phần dới nớc nhà máy thuỷ điện 3.1 Các kết cấu phần dới nớc nhà máy Thiết bị bố trí phần dới nớc nhà máy Dọc theo chiều dài nhà máy (vuông góc với chiều dòng chảy), phần dới nớc gồm nhiều khối turbin giống sàn lắp ráp T ®iỊu kiƯn 10 Chương 1: Giưới thiệu nhà mỏy thy in địa chất chiều dài, toàn nhà máy khối liền cách khe lún ngang cắt nhà máy thành đoạn Trong đoạn gồm từ tổ máy, riêng phần sàn lắp ráp chịu tải trọng khác nên thờng đợc tách riêng khỏi khối turbin Phần dới nớc tính từ dới lên có tầng ống hút, tầng turbin Về phía thợng lu tr−íc èng hót th−êng bè trÝ mét sè hµnh lang nh hành lang tháo cạn nớc buồng xoắn ống hót, hµnh lang tËp trung n−íc thÊm, hµnh lang phơt vữa xi măng kiểm tra tầng turbin, turbin đặt thiết bị phụ trạm thuỷ điện, hệ thống nhằm bảo đảm làm việc bình thờng thiết bị chính: hệ thống thiết bị cung cấp dầu mỡ, hệ thống thiết bị cung cấp nớc kĩ thuật, hệ thống thiết bị tháo nớc sửa chữa tổ máy, hệ thống tiêu nớc nhà máy, hệ thống cáp điện Ngoài bố trí kho chứa số phòng phụ, máy tiếp lực cấu điều chỉnh Dới sàn lắp ráp thờng bố trí xởng, kho, phòng a xit, ác quy, máy bơm, giếng tập trung nớc Các kết cấu chủ yếu phần dới nớc Phần dới nớc gồm phận dẫn nớc ( buồng xoắn, ống hút, đờng ống turbin) kênh xả tua bin xung kích Tuỳ thuộc vào loại nhà máy loại tua bin phần dới nớc có khác Đối với trạm thuỷ điện ngang đập phần dới nớc nhà máy buồng xoắn, ống hút có cửa lấy nớc liên kết với nhà máy, dẫn nớc trực tiếp vào buồng xoắn Trạm thuỷ điện sau đập đờng dẫn phần dới nớc chủ yếu buồng xoắn ống hút, nớc vào buồng xoắn qua đờng ống áp lực đặt thân đập đờng ống áp lực đặt lộ thiên ( nhà máy thủy điện đờng dẫn) Khi nhà máy thủy điện lắp tua bin xung kích gáo phần dới nớc nhà máy đơn giản buồng xoắn turin hình dạng phức tạp ống hút, kênh xả dẫn nớc hạ lu Điều kiện địa chất có ảnh hởng lớn đến kích thớc hình dạng phần dới nớc nhà máy đáy tổ máy Khi nhà máy xây đá có cờng độ chịu lực cao giảm đợc chiều dày đáy, giảm đợc thép gia cố nền, ngợc lại xây đất yếu độ dày đáy nhà máy lớn cần gia cè cèt thÐp nhiỊu Trong thùc tÕ x©y dùng điều kiện địa chất, nhà máy cần đặt sâu xuống tầng đá gốc phải dùng ống hút cong có độ cao lớn đạt đợc tham số điện tổ máy, dùng ống hút cong có độ cao thấp nhng phải hạ cao trình đặt máy xuống sử dụng turin loại có tỷ tèc cao phï hỵp víi cét n−íc tr−êng hỵp ®ã Sơ đồ tuyến lượng nhà máy thủy điện Sau sơ đồ tuyến lượng nhà máy thủy điện 11 Chương 4: Thiết kế điều tốc cho nhà máy thủy điện vừa nhỏ Hình 4.11.Mơ hình mơ tuabin phi tuyến Matlab_Simulink Hình 4.12.Mạch vịng vị trí mơ hình phi tuyến Hình 4.13.Hệ thống tuabin mơ hình phi tuyến 64 Chương 4: Thiết kế điều tốc cho nhà máy thủy điện vừa nhỏ Hình 4.14.Mơ hình mơ tồn hệ thống tuabin phi tuyến 4.4.2.2.Tổng hợp điều khiển tốc độ Yêu cầu chung: - Độ điều chỉnh