Điều khiển turbine thuỷ điện.pdf

Điều khiển turbine thuỷ điện.pdf

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

***** -

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Học viên: Trần Vinh Phú Lớp: CHTĐH-K10

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2009

Người cam đoan

Trần Vinh Phú

Lời nói đầu 5

4.2.2.2 Bộ quan sát trạng thái (lọc) Kalman

Turbine thuỷ là thiết bị quan trọng trong nhà máy thuỷ điện, việc điều chỉnh tốc độ Turbine thuỷ điện quyết định các chỉ tiêu kỹ thuật của nhà máy điện, khả năng ổn định tần số của máy phát Thực tế đã có nhiều nghiên cứu về Turbine thuỷ điện và các phương pháp điều tốc Turbine thuỷ điện Trong phạm vi luận văn này tôi tập trung nghiên cứu lý luận tổng quan, phương pháp thiết kế, xây dựng bộ điều tốc Turbine thuỷ điện, … và đưa ra phương án nâng cao chất lượng bằng điều khiển LQ

Trong thời gian không dài, luận văn đã được hoàn thành các yêu cầu đặt ra khi tính toán thiết kế hệ thống điều tốc Turbine thuỷ điện Xây dựng được hệ thống điều khiển với đầy đủ các chức năng đồng thời nghiên cứu, phát triển bằng điều khiển Linear Quadratic Luận văn gồm 2 phần liên quan chặt chẽ với nhau, phần 1 nghiên cứu Xây dựng hệ thống điều chỉnh Turbine thuỷ lực và phần 2 nghiên cứu nâng cao chất lượng bằng điều khiển LQ cho điều tốc Turbine thuỷ điện Toàn bộ luận văn được chia thành 4 chương:

Được sự hướng dẫn tận tình của PGS.TSKH Nguyễn Văn Liễn tôi đã hoàn

thành đồ án đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của đề tài Do thời gian và kinh nghiệm có hạn, vấn đề điều tốc Turbine là vấn đề quan trọng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên luận văn còn nhiều điểm cần tiếp tục nghiên cứu phát triển trong tương lai Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

thành đề tài này, tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn tới các anh các chị trong Trung tâm Công nghệ cao Trường Đại học Bách khoa Hà Nội cũng như gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn

Ngày tháng … năm 2009

Học viên:

Trần Vinh Phú

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Máy phát điện

Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Phạm vi sử dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng, nghĩa là làm máy phát điện, điện năng ba pha được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống sản suất từ các máy phát điện quay bằng Turbine hơi, Turbine khí hoặc Turbine nước

Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị lớn vì khác với các động cơ không đồng bộ, chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng

Thông thường các máy điện đồng bộ được tính toán sao cho chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng bằng công suất tác dụng

Máy phát điện đồng bộ:

Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi các Turbine hơi hoặc Turbine nước Máy phát Turbine hơi có tốc độ quay cao hơn do đó được chế tạo theo kiểu cực ẩn và có trục máy nằm ngang Máy phát Turbine nước thường có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi và nói chung trục máy được đặt thẳng đứng Trong trường hợp máy phát điện có công suất nhỏ và cần di động thì thường dùng Điêzen thường có cấu tạo cực lồi

Kết cấu:

Để thấy rõ đặc điểm về kết cấu của máy điện đồng bộ, ta xét riêng rẽ kết cấu của máy cực ẩn và máy cực lồi

a Kết cấu của máy đồng bộ cực ẩn

Roto của máy đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn kích từ

Các máy điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2, tốc độ quay của Rôto là 3000 vòng/ phút và để hạn chế lực li tâm, trong phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép Roto, đường kính d của Roto

không quá 1.1 đến 1.15 mét Để tăng công suất máy, chỉ có thể tăng chiều dài l của Roto Chiều dài tối đa của Roto vào khoảng 6.5 mét

Dây quấn kích từ đặt trong rãnh Roto được chế tạo từ dây đồng trần, tiết diện chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm Các vòng dây của bối dây này được cách điện với nhau bằng một lớp Mica mỏng Để cố định và ép chặt dây quấn kích từ trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín bởi các thanh nêm bằng thép không từ tính Phần đầu nối (nằm ngoài rãnh) của dây quấn kích từ được đai chặt bằng các ống trụ thép không từ tính

Hai đầu dây quấn kích từ đi luồn trong đầu trục nối với hai vành trượt đặt ở đầu trục thông qua hai chổi điện để nối với dòng kích từ một chiều

Máy kích từ này thường được nối trục với trục máy đồng bộ hoặc có trục chung với máy đồng bộ

Stato của máy đồng bộ cực ẩn bao gồm lõi thép, trong đó có đặt dây quấn ba pha và thân máy, nắp máy Lõi thép stato được ép bằng các lá tôn silic dày 0.5mm, hai mặt có phủ sơn cách điện Dọc chiều dài lõi thép stato cứ cách khoảng 6cm lại có một rãnh thông gió ngang trục, rộng 10mm Lõi thép stato được đặt cố định trong thân máy Trong các máy đồng bộ có công suất trung bình và lớn, thân máy được cấu tạo theo kết cấu khung thép, mặt ngoài bọc bằng các tấm thép dát dày Thân máy phải thiết kế và cấu tạo sao cho trong nó hình thành hệ thống đường thông gió làm lạnh máy điện Nắp máy cũng được chế tạo từ thép tấm hoặc từ gang đúc Ở các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn, ổ trục không đặt ở nắp máy mà ở giá đỡ, ổ trục đặt cố định trên bệ máy

Kết cấu máy phát điện đồng bộ cực lồi

Máy phát điện đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp, vì vậy khác với máy điện đồng bộ cực ẩn, đường kính Rôto d của nó có thể lên tới 15m trong khi chiều dài l lại nhỏ,với tỉ lệ l/d = 0.15-0.2

Roto của máy điện cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được được chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ (bánh xe) trên mặt đó đặt các cực từ Ở các máy lớn lõi thép đó được hình thành bởi các tấm

thép dày 1- 6mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ và lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trục máy Cực từ đặt trên lõi thép Roto được ghép bằng những lá thép dày 1 – 1.5mm

Việc cố định cực từ trên lõi thép được thực hiện nhờ đuôi hình chữ T hoặc bằng các Bulông xuyên qua mặt cực và vít chặt vào lõi thép Roto

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần, tiết diện chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây đồng tâm, cách điện giữa các vòng dây là các lớp Mica hoặc Amiăng Các cuộn dây sau khi gia công được lồng vào thân cực

Dây quấn cản (trong máy phát đồng bộ) hoặc dây quấn mở máy được đặt trên đầu các cực Các dây quấn này giống như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằng các thanh đồng đặt trong rãnh các đầu cực và được nối hai đầu bởi hai vòng ngắn mạch

Dây quấn mở máy chỉ khác dây quấn cản ở chỗ điện trở các thanh dẫn của nó lớn hơn Stato của máy điện đồng bộ cực lồi có cấu tạo tương tự như máy điện đồng bộ cực ẩn

Trục máy điện đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang như các máy bù đồng bộ, máy phát điện điêzen, máy phát turbine nước công suất nhỏ và tốc độ quay tương đối lớn (khoảng trên 2000 vòng/ phút) Ở đây máy phát Turbine nước công suất lớn tốc độ chậm, trục máy được đặt thẳng đứng Khi trục máy đặt thẳng đứng, ổ trục đỡ rất quan trọng Nếu ổ trục đỡ đặt ở trên đầu của trục thì máy thuộc kiểu treo, còn nếu đặt ở đầu dưới của trục thì máy thuộc kiểu dù

Ở máy turbine nước kiểu treo, xà đỡ trên tựa vào thân máy, do đó tương đối dài và rất khoẻ vì nó chịu toàn bộ trọng lượng của Roto máy phát, Roto Turbine nước và xung lực của nước đi vào Turbine Như vậy kích thước xà trên đỡ rất lớn, tốn nhiều thép, đồng thời bản thân máy cũng cao lớn do đó tăng thêm chi phí xây dựng buồng đặt máy Ở các máy phát Turbine nước kiểu dù, ổ đỡ trục trên xà dưới Xà đỡ dưới được cố định trên nền gian máy, do đó ngắn hơn và ở một số máy, ổ trục đỡ đặt ngay trên nắp của Turbine nước Trong cả hai trường hợp đều giảm được vật liệu chế tạo (có thể đến vài trăm tấn đối với các máy lớn) và khiến cho bản thân

máy và buồng đặt máy đều thấp hơn trên cùng trục với máy phát Turbine thường có đặt thêm các máy phụ, máy kích thích, để cung cấp dòng một chiều cho cực từ của máy phát đồng bộ và máy phát điều chỉnh, để làm nguồn cung cấp điện cho bộ điều chỉnh tự động của Turbine

1.2 Tổng quan về nhà máy thuỷ điện 1.2.1 Tình hình phát triển thuỷ điện

Trong nhiều nước trên thế giới thuỷ điện chiếm tỉ lệ tương đối lớn 25% Giá thành sản suất điện năng bằng thuỷ năng rất rẻ so với nhiệt điện do sử dụng nguồn năng lượng tái sinh ít ảnh hưởng xấu đến môi trường Chính vì vậy ngành thuỷ điện trên thế giới rất phát triển cả về số lượng lẫn chất lượng Công suất lớn nhất của một tổ máy thuỷ điện là 750w, hiệu suất tổ máy là 92% - 96% Công trình có công suất lớn nhất trên thế giới hiện nay là công trình Tam Hiệp (Trung Quốc) N = 18200MW Các nước Mỹ, Nga, Pháp, Canada, Nhật Bản, Trung Quốc là nhhững nước có trữ lượng thuỷ điện lớn và có nền thuỷ điện phát trển

Việt nam có 124 hệ thống song với 2860 con sông có chiều dài lớn hơn 10km với trữ lượng thuỷ năng trên lý thuyết là 271.3 tỷ KWh/năm và trữ năng kỹ thuật khoảng 90 tỷ KWh/năm

Hiện nay chúng ta chỉ khai thác 20% trữ lượng dồi dào này Hiện nay có các nhà máy thuỷ điện Thác Bà công suất 108 MW, Hoà Bình 1920MW, Yaly 720 MW, Trị An 400MW, Thác Mơ 150 MW, ĐaMi 175MW, Hàm Thuận 300MW, Vĩnh Sơn 66MW, Sông Hinh 70 MW Nước ta hiện nay thuỷ điện chiếm 60% công suất của hệ thống điện Việt nam, vào những đầu thập niên 21 khi nhu cầu phát triển kinh tế tăng cao đòi hỏi nhiều nguồn năng lượng điện thì thuỷ điện là nguồn năng lượng rẻ tiền nhất cần phải khai thác triệt để nhất khi nguồn than nước ta không nhiều mà chi phí sản suất nhiệt điện lại lớn hơn nhiều so với thuỷ điện Không những công trình thuỷ điện đóng vai trò quan trọng trong công việc cung cấp năng lượng mà còn là công trình thuỷ lợi tổng hợp và tránh thiên tai Lợi ích trong phòng chống lũ ở các công trình thuỷ điện trên các hệ thống sông như sông Đà là vô cùng lớn Sông Đà

cho sản lượng khoảng 31 tỷ KWh và đảm bảo an toàn cho Hà Nội và cho các vùng đồng bằng Bắc bộ Ước tính khi mức lũ ở Hà nội vượt quá 13,3 m nếu dùng biện pháp phân lũ và cấp nước cho hạ du sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao và là mục tiêu quan trọng để xây dựng đất nước

1.2.2 Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy thuỷ điện

Nhà máy thuỷ điện là công trình thuỷ điện phát ra năng lượng điện dựa trên nguồn năng lượng cơ năng của dòng nước

Nhà máy thuỷ điện hoạt động dựa trên nguyên lý rất đơn giản nước trên các sông, các suối chảy từ nguồn ra biển, đi từ cao đến thấp mang theo một nguồn năng lượng Để tập trung nguồn năng lượng người ta dùng hệ thống đập tạo nên cột cao áp tức là độ chênh cột áp trước đập và sau đập Đập có hồ nước lớn để điều tiết lưu lượng lòng sông Do đó nước sẽ chảy từ thượng lưu (trước đập) về hạ lưu (sau đập) rồi chảy vào buồng dẫn Turbine Nước được buồng dẫn đưa đến bánh xe công tác Do tác dụng của áp lực nước lên cánh bánh xe công tác làm cho trục Turbine quay Trục Turbine nối liền với trục Roto máy phát làm trục Roto quay Roto được cung cấp nguồn tự kích ban đầu nên có dòng điện chạy qua sẽ cảm ứng sang Stato sẽ phát điện cung cấp điện tới các trạm phân phối điện thông quan hệ thống máy biến áp Nguồn điện năng này sẽ từ trạm phân phối được đưa đi khắp cả nước thông qua các hệ thống đường dây

1.2.3 Phân loại nhà máy thuỷ điện

Tuỳ thuộc và vị trí địa lý mà nhà máy thuỷ điện được phân thành ba loại cơ bản:

1.2.3.1 Nhà máy thuỷ điện ngang đập

Nhà máy thuỷ điện ngang đập là một phần công trình dâng nước, chịu áp lực nước thượng lưu, đồng thời cũng là công trình lấy nước nối trực tiếp với Turbine Cửa lấy nước cũng là thành phần cấu tạo của bản thân nhà máy Do bản thân nhà máy nằm trong lòng sông nên loại nhà máy này gọi là nhà máy kiểu lòng sông Với

đặc điểm trên kết cấu của nhà máy ngang đập có công suất lớn, trung bình thường lắp Turbine cánh quay trục đứng hoặc Turbine cánh quạt với cột nước < 20m Những tổ máy có đường kính bánh xe công tác d1 = 10 – 10.5m, công suất tổ máy từ 120 – 150 MW, lưu lượng nước qua Turbine từ 650 – 700m3/s Do lưu lượng nước qua Turbine lớn lên kích thước buồng xoắn và ống hút cũng phải lớn, người ta thường bố trí khoảng trống trong ống loe buồng hút để bố trí các phòng phụ

Nhà máy này thường bố trí phần điện ở hạ lưu còn phần thượng lưu thì thường bố trí đường ống dầu, nước và khí nén

Một đặc điểm quan trọng đối với nhà máy thuỷ điện ngang đập là về mùa lũ cột nước công tác giảm, dẫn đến công suất giảm, trong một số trường hợp nhà máy có thể ngừng làm việc Để tăng công suất nhà máy trong thời kỳ lũ đồng thời giảm đập tràn, hiện nay trên thế giới người ta thiết kế nhà máy thuỷ điện ngang đập kết hợp với hệ thống xả lũ

Phần qua nước của tổ máy bao gồm: Công trình lấy nước, buồng xoắn và ống hút cong Đối với trạm thuỷ điện ngang đập cột nước thấp, lưu lượng lớn, chiều dài đoạn tổ máy thường xác định theo kích thước bao ngoài buồng xoắn và ống hút Mặt nằm ngang chiều rộng cửa lấy nước bằng chiều rộng mặt cắt cửa vào buồng xoắn và kích thước của nó phù hợp với điều kiện lưu tốc cho phép qua lưới chắn rác Chiều ngang đoạn tổ máy và chiều dòng chảy phần dưới nước của nhà máy phụ thuộc vào kích thước cửa lấy nước, buồng xoắn Turbine chiều dài ống hút, đồng thời với việc tính toán ổn định nhà máy và ứng suất nền có quan hệ với kích thước phần dưới của nhà máy

1.2.3.2 Nhà máy thuỷ điện sau đập

Nhà máy được bố trí ngay sau đập nước Khi cột nước cao hơn 30 – 45m thì bản thân nhà máy vì lý do ổn định công trình nên không thể là một thành phần của công trình dâng nước ngay cả khi trong trường hợp tổ máy công suất lớn Nếu đập dâng nước là đập bêtông trọng lực thì cửa lấy nước và đường dẫn nước Turbine được bố trí trong thân đập bê tông, đôi khi đường dẫn ống nước Turbine được bố trí ở phía

hạ lưu của đập Tuỳ vào cột nước công tác mà nhà máy thuỷ điện sau đập thường dùng Turbine tâm trục, Turbine cánh quay cột nước cao hay Turbine cánh chéo Nhà máy loại này phần điện được bố trí phía thượng lưu sau đập trước nhà máy còn phía hạ lưu được bố trí hệ thống dầu và nước

1.2.3.3 Nhà máy thuỷ điện đường dẫn

Trong sơ đồ khi khai thác thuỷ năng kiểu đường dẫn hoặc kết hợp nhà máy thuỷ điện đứng riêng tách biệt khỏi công trình đầu mối Cửa lấy nước đặt cách xa nhà máy Trong trường hợp công trình lấy nước là không áp thì cửa lấy nước nằm trong thành phần của bể áp lực Trong trường hợp công trình lấy nước là hầm có áp thì cửa lấy nước được bố trí ở đầu đường hầm và là công trình độc lập Đường dẫn nước vào nhà máy thường là đường ống áp lực nhưng trong trường hợp trạm thuỷ điện đường dẫn cột nước thấp với đường dẫn là kênh dẫn thì có thể bố trí máy thuỷ điện kiểu ngang đập

Cả hai loại máy đường dẫn và sau đập đều sử dụng đường dẫn ống nước vào Turbine nên không chịu áp lực trực tiếp từ phía thượng lưu, do đó kết cấu phần dưới nước và biện pháp chống thấm đỡ phức tạp hơn Nhà máy thường dùng với cột nước từ 30 – 45m < H < 250 – 300m

Ngoài cách phân loại cơ bản trên nhà máy thuỷ điện còn được phân loại theo vị trí tương đối của bản thân nhà máy trong bố trí tổng thể

+ Nhà máy thuỷ điện trên mặt đất

+ Nhà máy thuỷ điện ngầm được bố trí hoàn toàn trong lòng đất + Nhà máy thuỷ điện trong thân đập

Ngoài ra nhà máy thuỷ điện còn nhiều kết cấu đặc biệt khác như kết hợp xả lũ dưới đáy hoặc trong thân đập tràn, trong trụ pin, nhà máy thuỷ điện ngang đập với Turbine capxul, nhà máy điện thủy triều Các loại nhà máy này là các nhà máy thuỷ điện đặc biệt

Về công suất nhà máy phân chia theo công suất lắp mới, cách phân loại này phụ thuộc tổng quốc gia Ở Việt nam sự phân loại theo tiêu chuẩn

TCVN: 5090

+ Nhà máy thuỷ điện lớn: N ≥ 1000MW

+ Nhà máy thuỷ điện vừa: 15MW < N < 1000MW + Nhà máy thuỷ điện nhỏ: N ≤ 15MW

Theo cột nước phân theo ba loại tuỳ theo cột nước công tác lớn nhất: + Nhà máy thuỷ điện có cột nước cao: Hmax > 400m + Nhà máy thuỷ điện có cột nước trung bình: 50m < Hmax < 400m

1.2.4 Cấu tạo nhà máy thuỷ điện

Nhà máy thuỷ điện các thiết bị nhà máy được chia thành các loại: Thiết bị động lực, thiết bị cơ khí, thiết bị phụ và thiết bị điện

1.2.4.1 Turbine thuỷ lực

Thiết bị động lực bao gồm Turbine và máy phát Các bộ phận cơ bản của Turbine là buồng dẫn nước vào, phần cơ khí thuỷ lực, bộ phận tháo nước, hệ thống điều khiển

Phụ thuộc vào cột nước mà nhà máy sử dụng mà Turbine có thể là: cánh quay, cánh quạt, tâm trục hay Turbine gáo

1.2.4.2 Máy phát thuỷ điện

Máy phát điện là động cơ biến cơ năng của Turbine thành điện năng cung cấp cho hệ thống điện Máy phát thuỷ điện về nguyên tắc là máy phát thuỷ điện đồng bộ ba pha, các bộ phận chủ yếu của nó bao gồm Roto nối với trục Turbine trực tiếp hay gián tiếp qua hệ thống truyền động Roto là nhiệm vụ tạo nên từ trường quay làm xuất hiện dòng điện xoay chiều trong các cuộn dây trong các ổ cực của Stator máy phát Để đảm bảo tần số điện lưới không đổi, đạt tiêu chuẩn 50Hz thì yêu cầu Rotor máy phát quay với tốc độ không đổi khi có phụ tải và bằng tốc độ quay đồng bộ Nếu trục Turbine và trục máy phát nối liền nhau thì tốc độ quay của Turbine bằng

tốc độ quay của máy phát và bằng tốc độ quay đồng bộ Ngoài hai bộ phận chủ yếu là Rotor và Stator máy phát còn hệ thống khác như hệ thống kích từ, hệ thống làm mát máy, hệ thống bảo vệ, hệ thống phanh hãm tổ máy

+ Hệ thống kích từ máy phát: Một mặt cung cấp dòng kích từ cho máy phát,

mặt khác nó còn là hệ thống điều chỉnh điện áp đầu ra máy phát cung cấp lưới điện nguồn điện áp ổn định khi tải thay đổi

+ Hệ thống phanh hãm tổ máy: Để giảm bớt thời gian máy phát đang quay

với tốc độ nhỏ, khi có độ dày màn bôi trơn trong các ổ trục giảm đi đáng kể gây nguy hại cho trục và ổ trục cần phải có hệ thống phanh tổ máy Hệ thống phanh sử dụng là các kích sử dụng khí nén áp suất 0,6 – 0,8 MP có gối đệm áp sát guốc phanh dưới đáy Roto Quá trình phanh hãm khi tốc độ Roto còn khoảng 25% - 30% tốc độ định mức

+ Hệ thống làm mát: Khi làm việc với lõi sắt từ các cuộn dây điện đều sản

sinh ra một lượng nhiệt lớn Thông thường sử dụng các cánh quạt gắn bên trên và bên dưới Rotor, khi Rotor quay các cánh này tạo ra những chiếc quạt để quạt gió qua các rãnh làm mát của Rotor và Stator máy phát, gió được đẩy từ trong ra ngoài

+ Hệ thống đo lường bảo vệ: Hệ thống này cung cấp những thông tin về tình

trạng làm việc không bình thường của máy phát và tự động hoàn toàn việc dừng khẩn cấp khi các thông số kỹ thuật vượt quá giá trị giới hạn Hệ thống này bao gồm các mạch bảo vệ bằng tín hiệu (âm thanh, ánh sáng) Hệ thống cảnh báo sẽ làm việc khi có sự sai lệch so với chế độ làm việc bình thường của một bộ phận nào đó của tổ máy, còn tải sự cố chỉ trong trường hợp các chỉ số kỹ thuật vượt quá giá trị giới hạn

1.2.4.3 Các thiết bị cơ khí trong nhà máy thuỷ điện

a Cửa van trên thành ống dẫn Turbine

Các trạm thuỷ điện cột nước cao, cửa van trước buồng xoắn có công dụng tránh cho cánh hướng nước phải chịu áp lực nước khi ngừng làm việc, giảm tổn thất rò rỉ qua cánh hướng nước và cơ bản bảo vệ cho cánh hướng nước khỏi bị phá huỷ do

hiện tượng khí thực khi nước rò rỉ qua chúng với lưu tốc lớn Khi bố trí cửa van trước buồng xoắn nó còn bảo vệ cho các tổ máy khỏi bị quay lồng khi các hệ thống điều khiển ngừng làm việc Đối với các trạm có phương thức cấp nước độc lập, cửa van được bố trí dưới buồng xoắn tất cả các trường hợp với cột nước hơn 300m, hoặc đường ống rìa trên 300- 400m Đối với các trạm thuỷ điện cấp nước theo nhóm với ống dẫn nước chung cho một số tổ máy thì cửa van được bố trí trên tất cả các ống riêng rẽ

Van đĩa được áp dụng cho tất cả các đường ống có đường kính từ 0.5 – 8.5m, với các đường kính nhỏ thì sử dụng cho các cột nước đến 600m Đường kính ống lớn hơn 4m thì áp dụng cho cột nước dưới 170 – 230m

b Cửa van cửa ra ống hút

Cửa van cửa ra ống hút với mục đích sửa chữa Turbine, khi đó cần phải đóng cửa van này để bơm cạn nước buồng xoắn và ống hút Cửa van này là cửa van trượt, phẳng, một tầng, nhiều tầng Nó được để ở cửa ra, giữa hoặc đầu đoạn loe ống hút

Việc đóng mở van này có thể được bố trí cầu trục phía trên ống hút, thường là kiểu trục kiểu chân rê hoặc tời di động trên dầm cố định

c Thiết bị nâng chuyển

Thiết bị nâng chuyển chính trong nhà máy thuỷ điện là cầu phục vụ cho việc lắp ráp và sửa chữa tổ máy

1.2.4.4.Thiết bị điện

Thiết bị điện của trạm thuỷ điện bao gồm: dây dẫn điện từ máy phát, máy biến áp chính, trạm phân phối điện, hệ thống điện tự dùng, hệ thống đo lường và kiểm tra và điều khiển, thiết bị điều trung tâm

a Máy biến áp chính

Nhằm nâng cao điện áp tải điện đi xa Phụ thuộc vào trạm thuỷ điện cung cấp mà điện áp cao thế máy biến áp có thể là 35, 110, 220, 500kV hoặc cao hơn Máy biến áp chính về nguyên tắc được bố trí ngoài trời, chúng đòi hỏi việc làm mát bằng không khí hoặc bằng nước

Các bộ phận chủ yếu là vỏ máy chứa đầu cách điện, ở trong nó là các cuộn dây và lõi thép từ Máy biến áp được phân thành hai loại theo số cuộn dây Loại hai cuộn dây và loại ba cuộn dây Loại hai cuộn dây dùng để tăng áp lên một cấp điện áp Loại ba cuộn dây dùng để tăng hai cấp điện áp cung cấp cho hệ thống điện khác nhau Theo số pha người ta chế tạo ra máy biến áp một pha, máy biến áp hai pha, máy biến áp ba pha Khả năng vượt tải tạm thời của máy biến áp trong một số ít giờ có thể đạt tới 30-40%, còn khả năng quá tải lâu dài đạt tới 5- 10%

b Hệ thống điện lực tĩnh

Phục vụ sản suất của bản thân trạm thuỷ điện chiếm khoảng 0.2 – 1.0% điện năng sản suất Các bộ phận tự dùng được chia thành ba loại: Loại không cho phép mất điện khi làm việc (Các hệ thống đầu, cấp nước kỹ thuật, khí nén, kích từ, phóng hoả, điều khiển máy cắt cầu dao, điều khiển các cửa van công tác, chiếu sáng trong nhà); loại cho phép mất điện tạm thời trong một thời gian ngắn (Hệ thống tháo nước tổ máy, thoát nước rò rỉ, chiếu sáng ngoài trời); Các loại cho phép mất điện trong một thời gian nhất định (hệ thống lọc và xử lý dầu, các xưởng sửa chữa, các kho chứa)

Hệ thống điện dùng tuỳ theo loại mà sử dụng điện áp từ 220v- 10kv Vì vậy cần có máy biến hạ thế nối trực tiếp máy phát hoặc với hệ thống thanh góp điện áp máy phát

đã dự trữ đầy dầu cho một tổ máy cần phải cộng thêm một lượng dự trữ hao hụt trong 45 ngày, trong hệ thống dầu bôi trơn cũng phải tăng thêm lượng dầu dự trữ như vậy Đối với máy biến thế cần cộng thêm 1% lượng dầu toàn bộ của nó và máy cắt Dung tích dầu ở một trạm thuỷ điện rất lớn có thể đạt tới hàng nghìn tấn Bảo vệ lượng dầu như vậy trong nhà máy cần phải có hệ thống chống nóng, phóng hoả

Các trạm thuỷ điện, dầu dùng cho máy biến thế được chứa ở bể riêng Trong vận hành tuyệt đối không được nhầm lẫm các loại dầu

Trong các hệ thống cung cấp dầu cần có các bộ lọc để loại trừ tạp chất và nước Những nhà máy thuỷ điện lớn thường có thiết bị dầu tái sinh chủ yếu để phục hồi bản chất hoá lý của dầu Đối với các trạm thuỷ điện nhỏ sự tái sinh dầu được thực hiện bằng các thiết bị đặt ở trạm dẫn dầu và từ đó đến tổ máy

b Hệ thống cung cấp nước kỹ thuật

Nước dùng cho các máy thuỷ điện gồm: Nước làm mát máy phát, làm mát dầu các ổ chặn, đôi khi làm trơn các ổ chặn dưới Turbine, làm mát thiết bị khí nén, máy biến áp Sông nước chủ yếu để làm mát máy phát

Hệ thống cung cấp nước kỹ thuật có thể dùng các nguồn nước khác nhau Nguồn cung cấp nước tốt nhất cho nhà máy là thượng, hạ lưu nhà máy thuỷ điện Nguồn cung cấp nước kỹ thuật có mối quan hệ đến cột nước của trạm thuỷ điện

+ Khi cột nước dưới 10m thì dùng máy bơm nước ở hạ lưu cung cấp cho tổ máy + Khi cột nước dưới 10-15m đến 40-50m thì áp dụng hình thức lấy nước tự chảy ở hồ chứa phía thượng lưu hoặc lấy nước ở đường ống Turbine đối với nhà máy thuỷ điện sau đập

+ Khi cột nước của trạm thuỷ điện hơn 40-50m thì lấy nước ở thượng lưu hồ chứa hoặc đường ống Turbine qua thiết bị giảm áp

Hệ thống đường ống cung cấp nước kỹ thuật thường bố trí dưới hạ lưu, thượng lưu đối với nhà máy thuỷ điện ngang đập hoặc trên buồng dẫn Turbine đối với nhà máy thuỷ điện sau đập Nước làm mát máy và các thiết bị khác sẽ theo đường ống chảy xuống hạ lưu

c Hệ thống khí nén

Hệ thống nén khí trong nhà máy chủ yếu để điều khiển tổ máy, hãm máy khi cắt tải phục vụ cho việc điều khiển, kiểm tra đo lường, dùng khí nén khi tổ máy làm việc ở chế độ bù đồng bộ và độ cao hút ẩm

Hệ thống khí nén của trạm bao gồm: máy nén khí, bình chứa khí, các đường ống dẫn chính, các đường phụ dẫn đến các thiết bị

d Hệ thống tháo nước ở các tổ máy

Khi kiểm tra, sửa chữa ống hút, buồng xoắn cần phải tháo cạn lượng nước có trong đó Trạm thuỷ điện hệ thống này phải bố trí hệ thống tháo nước và tập trung

Khi độ cao hút dương và mực nước thấp, buồng xoắn đặt cao hơn mức nước hạ lưu thì dùng phương pháp tự tháo, phần nước còn lại dùng máy bơm bơm xuống hạ lưu

e Hệ thống tiêu nước

Hệ thống tiêu nước ở các trạm thuỷ điện chủ yếu giải quyết vấn đề thấm nước qua bê tông, nền móng và khớp nối Nó gồm các đường ống hoặc rãnh tiêu đặt ở cao trình rất thấp Nước sẽ bơm ra khỏi nhà máy bằng máy bơm tự đóng mở tự động bằng rơle phao

1.2.5 Hệ điều khiển công suất nhà máy thuỷ điện

1.2.5.1 Hệ điều chỉnh công suất tác dụng nhà máy thuỷ điện

Điều chỉnh công suất tác dụng của máy phát chính là điều chỉnh lượng công suất điện tử của máy phát điện phát vào lưới.Công suất điện từ của máy phát cực lồi được biểu thị bằng công thức sau:

E0: Sức điện động cửa máy phát khi không tải

xd, xq: điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục của máy phát

: góc lệch pha giữa U và E0 còn gọi là góc tải

Máy phát điện nhà máy thuỷ điện Thác Bà là loại máy phát cực ẩn, vì vậy xd = xq Do đó công suất điện từ:

Giả thiết có dòng điện kích từ Ilk = const, khi đó ta có sức từ động là hằng số, do đó sức điện động E0 = hằng số Vì dung lượng của hệ thống điện là vô cùng lớn so với máy phát nên ta có thể coi điện áp và tần số là không đổi Như vậy ta thấy rằng công suất điện từ chỉ phục thuộc vào góc lệch qua pha 

Ta có: Pdt = f() gọi là đặc tính công suất của máy phát Góc  có ba ý nghĩa quan trọng:

 là góc lệch pha về thời gian giữa E0 và U

 là góc lệch pha về không gian giữa sức từ động tổng sinh ra U và sức từ động F0 sinh ra E0

 là góc độ điện giữa trục cực từ và trục sức điện động tổng

Quá trình điều chỉnh là khi ta tăng công suất cơ đưa vào máy tức là đưa lưu lượng nước vào Turbine, khi đó mô men quay M1 của máy phát tăng lên làm cho

điện từ Mdt tăng lên cho đến khi Mdt = M1, tốc độ của Roto được giữ đồng bộ quá trình cân bằng mới được thiết lập, nhờ sự thay đổi của góc  mà trạng thái cân bằng này có tính chất ổn định tĩnh

Từ đó ta có một số nhận xét sau:

- Muốn điều chỉnh công suất tác dụng của máy phát điện ta chỉ việc điều chỉnh công suất cơ đưa vào máy khi đó máy phát sẽ tự động điều chỉnh góc  để thay đổi công suất điện từ nghĩa là thay đổi công suất tác dụng phát ra của máy phát cho đến một trị số cân bằng mới

- Nếu tiếp tục tăng công suất cơ đến góc  >900 thì khi đó Pdt sẽ giảm đi, do đó khôngđảm bảo sự cân bằng về công suất Công suất thừa sẽ kéo theo Rotor

quanh nhanh lên ta gọi đó là máy phát bị mất đồng bộ hay máy phát bị mất ổn định tĩnh

tần số của máy phát Khi tải tăng để tần số ổn định thì khi đó hệ thống điện sẽ phải tăng công suất tác dụng tức là tăng lưu lượng nước chảy vào Turbine

Đối với hệ thống chỉ có một tổ máy phát hoạt động độc lập thì đặc tính điều chỉnh là một đường nằm ngang

P3P2P1

Như vậy bộ điều tốc không thể làm nhiệm vụ phân phối phụ tải cho các tổ máy làm việc song song

Trong thực tế đối với hệ thống làm việc với nhiều tổ máy thì các đường đặc tính trong tổ máy là những đường dốc (có sai lệch tĩnh) bởi khi đó các tổ máy sẽ làm nhiệm vụ phân phối phụ tải

Để làm rõ hơn quá trình phân phối phụ tải của các tổ máy Ta xét hệ thống gồm hai tổ máy có công suất như nhau, hoạt động song song nhận phân phối 100% phụ tải

Hình 1-2 Đồ thị đặc tính hai máy hoạt động song song

Tổ máy 1 nhận được phụ tải là P1, tổ máy 2 nhận được phụ tải là P2 Ta nhận thấy đường đặc tính b2 dốc hơn b1 và P1 > P2, điều đó chứng tỏ đường đặc tính càng dốc nhận phân phối tải bé hơn Như vậy ta có biểu đồ phân phối phụ tải

Hình 1-3 Biểu đồ phân bố phụ tải các tổ máy

1.2.5.2 Hệ điều chỉnh công suất phản kháng nhà máy thuỷ điện

Điều chỉnh công suất phản kháng nhà máy thuỷ điện chính là điều chỉnh giá trị điện áp ra máy phát

Công suất biểu diễn của máy phát biểu diễn bởi công thức: Q =

(2

phản kháng máy phát chính là quá trình thay đổi E0 chính là quá trình thay đổi giá trị dòng kích từ máy phát

Khi tăng Ikt lên sẽ làm cho E0 tăng khi đó Q sẽ tăng

Khi giảm Ikt xuống thì sẽ làm cho E0 giảm khi đó Q sẽ giảm Ta có đồ thị phản kháng điều chỉnh công suất phản kháng:

Trong các tổ máy phát ra công suất S = P + iQ không đổi vì vậy tổ máy nào

càng phát ra nhiều công suất tác dụng P thì phát ra càng ít công suất phản kháng

CHƯƠNG II: CẤU TRÚC VÀ HỆ ĐIỀU CHỈNH TURBINE

2.1 Khái niệm cơ bản

Turbine là dụng cụ biến năng lượng dòng chảy của nước thành năng lượng quay cơ học Do đó Turbine không những quyết định đến chất lượng điện mà còn ảnh hưởng đến kết cấu nhà máy của trạm thuỷ điện Đặc biệt trong một vài bộ phận của Turbine như buồng dẫn và ống thoát nước thường có kích thước rất lớn, nó ảnh hưởng quyết định rất lớn đến kích thước và bộ phận dưới của nhà máy thuỷ điện

Hình 2-1 Mặt bằng cắt dọc Turbine nước

Nước từ ống áp lực chảy qua buồng dẫn Turbine 4 sau đó đi qua bộ phận hướng nước 2 rồi vào buồng bánh xe công tác cuối dùng theo ống hút 13 xuống hạ lưu của nhà máy Trong quá trình đó dòng chảy qua bánh xe công tác tạo ra lực tác động lên bánh xe công tác sinh ra mô men quay làm quay Turbine máy phát Turbine quay làm quay máy phát sinh ra nguồn điện cấp ra bên ngoài

Trục Turbine có hai đầu, đầu dưới có bích nối với vành trên của bánh xe công tác còn đầu trên cũng có bích nối với Rotor của máy phát điện Stator của máy phát điện được tì lên khối bê tông lớn của nhà máy

Toàn bộ phần quay của tổ máy phát điện thuỷ lực bao gồm bánh xe công tác, trục và Rotor của máy phát điện có một hệ thống ổ trục gồm: Ổ trục hướng và ổ trục chặn không cho chuyển vị theo phương thẳng đứng Tải trọng đè lên ổ trục chặn (ở tổ máy trục đứng) gồm có trọng lượng phần quay của tổ máy và áp lực nước dọc trục tác dụng lên bánh xe công tác Ổ trục chặn thường bố trí trên nắp Turbine còn ở các tổ máy nằm ngang tải trọng đó chỉ do áp lực nước

2.2 Phân loại các loại Turbine

Ta xét phân loại Turbine theo dạng năng lượng của dòng chảy qua bánh xe công tác Năng lượng dòng chảy truyền qua bánh xe công tác Turbine bằng độ chênh lêch giữa hai thiết diện ở trên thượng lưu và hạ lưu

Trong đó: Z1: Cột nước phía tiết diện vào Turbine Z2 : Cột nước phía tiết diện ra của Turbine P1 : Áp suất tiết diện vào Turbine

P2 : Áp suất tiết diện ra Turbine V1 : Vận tốc tại tiết diện vào Turbine V2 : Vận tốc tại tiết diện ra Turbine

Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng này người ta chia Turbine thành hai loại Turbine phản lực và Turbine xung lực

Trong Turbine xung lực, chỉ có động năng của dòng chảy tác dụng lên bánh xe công tác còn thế năng bằng không Hệ Turbine này chỉ phát ra công suất nhờ động năng của dòng chảy, còn áp suất cửa ra và cửa vào của Turbine bằng áp suất khí trời

Turbine phản lực làm việc nhờ cả hai phần động năng và thế năng, mà chủ yếu là thế năng của dòng chảy Trong Turbine này áp suất tại cửa lớn và cửa ra, trong bánh xe công tác dòng chảy biến đổi cả về thế năng và động năng Trong đó vận tốc dòng chảy chảy qua Turbine tăng dần còn áp suất thì giảm dần Máng dẫn của cánh

hình cô nên gây ra độ chênh áp giữa mặt cánh từ đó tạo ra mô men quay Turbine phản lực dùng cho trạm có mức nước thấp còn Turbine xung lực dùng cho trạm mức nước cao và lưu lượng nhỏ

2.2.1 Turbine phản kích

Là loại Turbine được sử dụng rộng rãi nhất bao gồm cột nước từ 1,5 đến 600 m Turbine phản kích bao gồm hệ Turbine tâm trục, cánh quay và các hệ Turbine mới: cánh chéo, cánh kép và capxun Nhìn chung loại Turbine này sử dụng một phần thế năng và một phần động năng của dòng nước Bánh xe công tác của Turbine phản kích làm việc trong môi trường chất lỏng liên tục và áp lực nước ở trước bánh xe công tác thường lớn hơn rất nhiều so với sau nó Khi chảy qua kênh tạo bởi mặt cong của các dòng nước sẽ thay đổi hướng lên nó và làm quay bánh xe công tác Phụ thuộc hướng dòng chảy tác động lên nó mà người ta chia Turbine phản lực thành nhiều loại: Turbine hướng trục, Turbine tâm trục, Turbine hướng chéo

2.2.2 Turbine hướng trục

Hình 2-2 Cấu trúc turbine hướng trục

Có vành dưới nên nó chịu tác dụng lực kiểu dầm côngxôn tại nơi tiếp giáp cánh và bầu Là loại Turbine trong đó hướng chuyển động của dòng chảy trong phạm vi bánh xe công tác song song với trục quay của Turbine

Turbine hướng trục có thể là loại cánh cố định hoặc là loại cánh điều chỉnh bánh xe công tác gồm nhiều cánh được gắn với bầu Nếu cánh được gắn chặt bầu thì gọi là Turbine hướng trục cánh cố định Nếu cánh có thể quay quanh trục thì gọi là Turbine hướng trục cánh điều chỉnh Cánh có hình không gian cong có số cánh từ 3 đến 9 Loại Turbine này làm việc với cột nước 1,5 đến 40m Turbine hướng trục cánh cố định thường được dùng cho các trạm thuỷ điện vừa và nhỏ Turbine hướng trục có cánh điều chỉnh dùng cho các trạm thuỷ điện lớn Turbine hướng trục cánh điều chỉnh có hiệu suất cao hơn trong phạm vi điều chỉnh rộng Tuy nhiên các loại cánh điều chỉnh phức tạp và cơ chế điều chỉnh nằm trong bầu bánh công tác Nhà máy thuỷ điện Thác Bà sử dụng loại Turbine này với cánh có điều chỉnh công suất 40KW

2.2.3 Turbine tâm trục

Hình 2-3 Cấu trúc turbine tâm trục

Trong Turbine tâm trục hướng dòng chảy của vùng bánh xe công tác ban đầu theo hướng tâm, sau đó chuyển sang phương song song với trục

Turbine này được gọi là Turbine Franxic Nó được sử dụng rộng rãi trong phạm vi cột nước cao H = 30-600m Đối với trạm nhỏ Turbine này có thể làm ở cột nước H > 4m

Bánh xe công tác loại này thường rất khác so với bánh xe của loại Turbine hướng trục Bánh xe công tác gồm có hệ thống gắn chặt với hai vành đĩa trên dưới tạo thành khối cứng Cánh có dạng cong không gian có số cánh từ 12 đến 22 cánh Turbine tâm trục có hiệu suất cao nhưng cánh cố định nên chỉ thích hợp với trạm có cột nước ít thay đổi Ở nước ta nhà máy thuỷ điện Trị An, Hoà bình, Yaly, Thác Mơ dùng Turbine tâm trục cỡ lớn và trung bình Còn các trạm Tasa, Na ngần, Suối củn dùng các Turbine tâm trục cỡ nhỏ

2.2.4 Turbine hướng chéo

Hình 2 -4 Cấu trúc turbine hướng chéo

Để kết hợp với ưu điểm của hai loại Turbine hướng chéo Dòng chảy chạy vùng bánh xe công tác có hướng tạo với trục quay một góc nào đó Bầu cánh hình nón chứa toàn bộ cơ cấu điều chỉnh như Turbine hướng trục có cánh điều chỉnh

Loại Turbine này làm việc với cột nước H = 30 – 150m Nó có thể là Turbine điều chỉnh cánh nên phạm vi điều chỉnh công suất hiệu suất cao tương đối rộng so với Turbine tâm trục

2.2.5 Turbine xung lực

Turbine xung lực có các bộ phận chính vòi phun điều chỉnh lưu lượng, bánh xe công tác, vỏ, trục, bộ phận cắt dòng Đặc điểm chung của Turbine xung kích là dòng chảy khi ra khỏi vòi phun tác động vào cánh bánh xe công tác ở dạng tia tự do trong môi trường áp lực không khí, chỉ cần sử dụng một phần động năng v2/2g và chỉ có một số bánh xe công tác đồng thời chịu tác động của tia nước, mặt khác bánh xe công tác bao giờ cũng đặt cao hơn mực nước hạ lưu Turbine xung kích có ba hệ: gáo, tia nghiêng và xung kích 2 lần

2.2.6 Turbine gáo

Hình 2 -5 Cấu trúc turbine gáo

Là loại Turbine sử dụng nhiều nhất Phần dẫn dòng của nó gồm bánh xe công tác và vòi phun Bánh xe công tác gồm nhiều cánh hình gáo được gắn liền lên trên bầu đĩa bánh công tác Bánh công tác gắn liền trên trục Turbine, trục này gắn với máy phát Thông thường Turbine gáo đặt ngang chỉ có một số Turbine cỡ lớn đặt thẳng đứng Vòi phun gồm có các ống hình côn nối với ống dẫn, trong ống dẫn hình

chảy ra khỏi vòi phun với vận tốc đủ lớn tác động lên các cánh gáo tạo ra môme quay Ngoài ra vòi phun còn làm nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng qua bánh xe công tác

Turbine gáo làm việc với cột nước H =40 – 3000m và lớn hơn Trạm thuỷ điện Đa nhim dùng Turbine gáo có công suất tổ máy là N = 40MW

2.2.7 Turbine tia nghiêng

Turbine này khác Turbine gáo là dòng chảy từ vòi phun vào bánh xe công tác dưới một góc nghiêng Bánh xe công tác có hình cong gắn chặt lên hai đĩa bên trái bánh xe công tác có hình dạng đơn giản hơn Turbine gáo nên dễ chế tạo Vòi phun này như của Turbine gáo

Turbine nghiêng được lắp tại các trạm thuỷ điện nhỏ Hiệu suất Turbine này nhỏ hơn Turbine gáo

2.2.8 Turbine tác dụng kép

Dòng chảy từ vòi phun tác dụng lên bánh xe công tác hai lần: dòng chảy từ ngoài vào tâm sau đó lại hướng từ tâm ra ngoài nên gọi là Turbine tác dụng kép Vòi phun của Turbine này có dạng tiết diện chữ nhật chứ không phải tiết diện tròn Thay đổi lưu lượng nhờ thay đổi tiết diện thành trong vòi phun

Turbine tác dụng kép được ứng dụng cho các trạm thuỷ điện cỡ nhỏ N = 100KW

5-2.3 Cấu tạo Turbine Kaplan

Là loại Turbine hướng trục cánh quay với bánh xe công tác có thể điều chỉnh được

Hình 2 – 6a Cấu tạo của turbine Kaplan

2.3.1 Buồng turbine

Buồng turbine có tác dụng dẫn nước điều đặn vòng quanh bộ phận hướng nước của Turbine, gồm các kiểu hở: hở chính diện, xoắn bêtông và xoắn kim loại Buồng hở có cấu tạo đơn giản và có đặc tính thuỷ lực tốt hơn các kiểu buồng khác trong điều kiện cột nước H < 10m và đường kính d1 < 1,6m Sau khi nước qua buồng Turbine, nước sẽ chảy đến Stator và bộ phận hướng nước Đối với Turbine cỡ nhỏ

thì Stato và bộ phận hướng nước là một kết cấu cố định vào bánh xe công tác Lúc đó việc điều chỉnh lưu lượng nhờ van trụ lắp ngoài các cánh hướng cố định

Hình 2 – 6b Mô hình turbine Kaplan

2.3.2 Stato

Stato Turbine có tác dụng đỡ toàn bộ tải trọng gồm có trọng lượng toàn bộ tổ máy, sàn nhà và bệ máy phát điện, áp lực nước tác dụng lên bánh xe công tác và khối bê tông phủ lên nó Có hai kiểu là kiểu cột riêng rẽ và kiểu vòng Turbine cánh quay sử dụng Stator kiểu vòng để tăng độ cứng Stator lực là kết cấu chuẩn được lắp đặt đầu tiên Số lượng các cột chống bằng nửa số lượng cánh hướng nước

2.3.3 Bộ phận hướng nước

Bộ phận hướng dòng có tác dụng:

+ Hình thành dòng chảy nhất định ở trước bánh xe công tác

+ Điều chỉnh lưu lượng nước đi qua Turbine do đó thay đổi công suất phát của Turbine Bộ phận hướng dòng gồm có hai thành phần chính: Các cánh hướng và cơ cấu quay cánh hướng Mỗi cánh hướng có thân và trục cánh, các cánh có thể quay quanh trục để thay đổi độ mở a0 của bộ phận hướng nước Độ mở a0 được tính bằng khoảng cách nhỏ nhất giữa hai cánh kế tiếp nhau

Vị trí đóng hoàn toàn thì đầu mút các cánh tiếp xúc nhau (a0 = 0) và nước không thể đi vào bánh xe công tác Còn vị trí mở hoàn toàn (a0 = a0max) thì lúc đó lưu lượng chảy vào bánh xe công tác lớn nhất Áp lực nước tác dụng lớn nhất lên bộ phận cánh hướng khi cánh hướng đóng hoàn toàn

Muốn quay được cánh hướng, cơ cấu quay cánh hướng phải có đủ lực để thắng được áp lực nước P tác dụng lên cánh hướng và lực ma sát trong chi tiết các bộ phận cánh hướng Đồng thời phải đảm bảo khả năng quay các cánh hướng theo trị số độ mở a0 Hệ thống làm quay cánh hướng phải có lực rất lớn, vì vậy thường dùng là hệ thống thuỷ lực, cơ cấu điều chỉnh có thể là điện hoặc cơ Hệ thống thuỷ lực là cơ cấu pittông xilanh, pittông thông qua hệ thống thanh truyền để nối với vành điều chỉnh góc mở cánh hướng Pittông dịch chuyển trong xilanh nhờ quá trình chênh áp ở hai phía pittông

2.3.4 Bánh xe công tác Turbine

Là bộ phận quan trọng nhất làm biến đổi thuỷ năng thành cơ năng

Cấu trúc của bánh xe công tác gồm có: Bầu, cánh, chap nước và bộ phận cánh quay bánh xe công tác Tâm của phần cầu trùng với tâm của trục cánh quay Khi làm việc cánh quay Turbine hướng trục chịu tác dụng của áp lực nước

Khác với cánh Turbine tâm trục các cánh ở đây không có mômen uốn lớn nhất Áp lực nước tác dụng lên bánh xe công tác có thể đạt tới 240 tấn Cũng như bộ phận cánh hướng, phải sử dụng động cơ tiếp lực dầu cao áp mới có thể làm quay được bánh xe công tác Động cơ tiếp lực được đặt trong bầu Bộ phận cánh quay gồm có trục cánh, động cơ tiếp lực hệ thống thanh truyền nối liền với pittông của động cơ tiếp lực

Khác với turbine tâm trục, bánh xe công tác được bố trí thấp hơn bộ phận cánh hướng và đặt bên trong buồng bánh xe công tác Đường kính lớn nhất của buồng được xem như là đường kính tiêu chuẩn của cánh quay Hình dạng bánh xe công tác

phụ thuộc vào cột nước H Nếu H lớn số lượng cánh bánh xe công tác sẽ tăng tỷ số

cũng như độ cao tương đối

sẽ giảm

2.3.5.Trục và ổ trục

Là kết cấu chịu lực chính của Turbine

Trục Turbine là để truyền mômen xoắn từ bánh xe công tác đến Rotor của máy phát điện Trục Turbine đứng là đoạn hình ống thành mỏng và có bích ở hai đầu Phía trong rỗng để lắp ống dẫn dầu hoặc để dẫn khí xuống phía dưới bánh xe công tác

Ổ trục hướng có hai loại là ổ trục bôi trơn bằng dầu và ổ trục bôi trơn bằng nước Các tấm bạc làm bằng cao su cứng được bôi trơn bằng nước Đối với ổ trục bôi trơn bằng dầu thì các tấm bạc làm bằng hợp kim babit

2.3.6 Bộ phận phụ của Turbine

Để đảm bảo sự làm việc bình thường của Turbine, phải có các bộ phận phụ bố trí cạnh tổ máy, đó là: van phá chân không, van xả tải, thiết bị tháo nước rò rỉ, thiết bị dầu bôi trơn

2.3.6.1 Van phá chân không

Khi đóng nhanh bộ phận hướng nước do phụ tải của tổ máy bị cắt đột ngột, áp suất phía trước bánh xe công tác bị giảm đi rất nhiều làm cho nước từ hạ lưu chảy ngược lên bánh xe công tác với giá trị rất lớn va đập vào Rotor tổ máy gây hỏngTurbine và tổ máy phát Có thể ngăn ngừa hiện tượng trên nhờ đặt trên nắp Turbine một hay hai van phá chân không, van này có lỗ thông với phía dưới bánh xe công tác Turbine

2.3.6.2 Van Turbine

Van Turbine được bố trí ở ống áp lực và Turbine có tác dụng đóng không cho nước chảy vào trong Turbine khi có sự cố trong đường dẫn hay tổ máy cũng như khi sửa chữa chúng Turbine cỡ lớn dùng các loại van: van đĩa, van cầu, van kim dùng các trạm có cột nước cao Van công tác được đóng xuống dòng nước đang chảy với vận tốc lớn đòi hỏi phải đủ sức nặng, lực đóng phải lớn và luôn ở vị trí sẵn sàng làm việc Hệ thống đóng mở là hệ thống thuỷ lực điều khiển tự động từ xa

Trong đó:

Z1: Cột nước phía tiết diện vào Turbine Z2: Cột nước phía tiết diện ra của Turbine P1: Áp suất tiết diện vào Turbine

P2: Áp suất tiết diện ra Turbine V1: Vận tốc tại tiết diện vào Turbine V2: vận tốc tại tiết diện ra Turbine

2.4.2 Lưu lượng Turbine

Là lượng nước chảy qua Turbine trong một đơn vị thời gian Kí hiệu là Q (m3

/s) Lưu lượng là đại lượng quan trọng làm thay đổi công suất Turbine phù hợp so với thay đổi của tải

Khi dòng chảy chảy qua bộ phận cánh hướng và sau đó qua bánh xe công tác, ta có công thức tính lưu lượng như sau:

Trong đó: tl là hiệu suất thuỷ lực

U1 là vận tốc theo vận tốc quay tai mép vào bánh xe công tác U2 là vận tốc theo vận tốc quay tai mép ra bánh xe công tác b0 là chiều cao cánh hướng

0 là góc quanh cánh hướng 2 góc đặt bánh quay công tác

2.4.3 Công suất

Công suất được xác định theo cột áp và lưu lượng qua Turbine theo công thức:

102  

 =tl.0.ck (2-7) Trong đó: tl: Hiệu suất thuỷ lực