NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUA BIN TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ KHÔNG THỰC HIỆN LIÊN KẾT VÙNG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUA BIN TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ KHÔNG THỰC HIỆN LIÊN KẾT VÙNG . MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ 2 1.1. Mô hình nhà máy thủy điện 2 1.1.1. Giới thiệu về nhà máy thủy điện 2 1.1.2. Các loại nhà máy thủy điện 3 1.1.3. Các đặc điểm của nhà máy thủy điện 12 1.2. Giới thiệu về nhà máy thủy điện Việt Nam 16 1.3. Cấu trúc chung của nhà máy thủy điện 19 Chương 2. TỰ ĐỘNG HÓA TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 26 2.1. Vai trò quan trọng của tự động hóa trong nhà máy thủy điện 26 2.2. Mô hình tổng thể cho tự động hóa nhà máy thủy điện 31 2.3. Vấn đề vận hành lưới điện đơn vùng – lưới điện “mềm” – độc lập 40 Chương 3. ĐIỀU KHIỂN TUA – BIN TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN KHÔNG LIÊN KẾT VÙNG 41 3.1. Khái niệm các NMTĐ công suất vừa và nhỏ với các phương thức làm việc độc trong mô hình cấp điện 41 3.2. Tổng quan về hệ thống điều khiển tua bin 47 3.2.1. Hệ thống điều khiển tuabin chung 47 3.2.2. Cơ sở việc phân phối công suất tác dụng 47 3.3. Đặc điểm của nhà máy thủy điện không liên kết vùng làm việc độc lập 51 3.3.1. Bộ điều khiển 51 3.3.2. Bộ điều tốc 51 3.3.3. Tuabin 56 3.3.4. Máy phát 60 3.4. Hệ thống tự động điều khiển tuabin không liên kết vùng làm việc độc lập 62 3.4.1. Một số cách điều khiển tuabin trong một số nhà máy 62 3.4.2. Hệ thống điều khiển tốc độ tua – binmáy phát khi nhà máy thủy điện không liên kết vùng (làm việc độc lập) 68 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ NMTĐ kiểu kênh dẫn 4 Hình 1.2. Sơ đồ NMTĐ kênh dẫn (có hầm dẫn nước) 5 Hình 1.3. Sơ đồ NMTĐ kiểu đập 6 Hình 1.4. NMTĐ Hòa Bình 7 Hình 1.5. Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp 8 Hình 1.6. Tập trung nước bằng bơm 9 Hình 1.7. Nhà máy thủy điện Thủy Triều 11 Hình 1.8. Mô hình đập NMTĐ Sơn La 14 Hình 1.9. Đập vòm NMTĐ Inguri 16 Hình 1.10. Hình ảnh cấu trúc chung nhà máy thủy điện 19 Hình 1.11. Trục kết nối các tua bin 20 Hình 1.12. Sơ đồ mặt cắt dọc tuyến năng lượng tổ máy và đặc tính công suất của máy phát 25 Hình 2.1. Sơ đồ tự động hóa trong nhà máy thủy điện 26 Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống tự động hóa thủy điện 27 Hình 2.3. Sơ đồ hệ thống tự động điều khiển giám sát 31 Hình 2.4. Sơ đồ ví dụ về trạm GIS của NMTĐ Lai Châu 35 Hình 2.5. Sơ đồ một dây của nhà máy thủy điện Lai Châu 36 Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý Role bảo vệ trạm GIS 500KV 37 Hình 2.7. Sơ đồ cấp nguồn tự dùng một chiều 38 Hình 2.8. Sơ đồ hệ thống cấp nguồn tự dùng xoay chiều 39 Hình 2.9. Đặc tính lưới điện làm việc độc lập 40 Hình 3.1. Sơ đồ NMTĐ công suất vừa và nhỏ cung cấp độc lập 42 Hình 3.2. Mô hình hai NMTĐ công suất vừa và nhỏ làm việc trong mô hình liên kết vùng 44 Hình 3.3. Nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ làm việc với lưới điện quốc gia 46 Hình 3.4. Cơ sở của việc phân chia công suất tác dụng cho các nhà máy khi làm việc song song 49 Hình 3.5. Sơ đồ khối nhà máy thủy điện đơn vùng 51 Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý bộ điều tốc tác động trực tiếp 53 Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý bộ điều tốc tác động gián tiếp 53 Hình 3.8. Sơ đồ cấu tạo chi tiết bộ điều tốc cơ khí thủy lực 54 Hình 3.9. Tuabin hướng trục 57 Hình 3.10. Tuabin tâm trục 58 Hình 3.11. Tuabin gáo 59 Hình 3.12. Sơ đồ tuabin nước và máy phát 60 Hình 3.13. Sơ đồ hệ thống rơ le bảo vệ khối tổ máy 64 Hình 3.14. Phương pháp dịch đặc tính tĩnh 65 Hình 3.15. Phương pháp dịch đặc tính tĩnh theo Master Generator 66 Hình 3.16. Phương pháp dịch đặc tính tĩnh giữ tần số lưới không đổi 67 Hình 3.17. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện 68 Hình 3.18. Sơ đồ trình bày bộ điều tốc sử dụng quả văng li tâm 70 Hình 3.19. Sơ đồ chức năng hệ điều khiển tốc độ sử dụng quả văng li tâm 71 Hình 3.20. Bộ điều tốc li tâm với đặc tính vô saiắc 72 Hình 3.21. Đặc tính vô sai của bộ điều tốc li tâm 73 Hình 3.22. Bộ điều tốc li tâm với đặc tính vô sai 74 Hình 3.23. Bộ điều tốc điện tử 75 Hình 3.24. Sơ đồ chức năng của bộ điều tốc điện tử 76 LỜI NÓI ĐẦU Nguồn năng lượng thuỷ điện chiếm vai trò quan trọng trong hệ thống điện Việt Nam. Năng lượng tự nhiên theo cách nhìn là vô tận. Tuy nhiên, nguồn năng lượng có thể khai thác hiện đang trở nên khan hiếm và trở thành vấn đề lớn trên thế giới, đó là bởi vì để có năng lượng được sử dụng trong năng lượng sơ cấp người tiêu dùng phải trải qua nhiều công đoạn như khai thác, chế biến, vận chuyển và phân phối. Các quá trình này đòi hỏi nhiều chi phí tài chính kỹ thuật và các nghĩa vụ xã hội. Hiệu quả của các bước liền kề từ sơ cấp đến năng lượng nói chung là thấp. Vì vậy để đề ra, lựa chọn và thực hiện các phương pháp chuyển hóa năng lượng từ nguồn năng lượng sơ cấp đến nguồn năng lượng cuối cùng nhằm đạt hiệu quả kinh tế cao nhất cũng là nhiệm vụ của con người chúng ta. Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống năng lượng, bao gồm nhà máy điện hòa lưới và điện năng tiêu thụ. Trong đó, các nhà máy điện có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng sơ cấp như than đá, khí đốt, thủy điện thành điện năng. Hiện nay ở nước ta, khi lượng điện năng do các nhà máy thủy điện sản xuất ra đã đáp ứng được một phần quan trọng về công suất cho lưới điện vì thế thủy điện đóng một vai trò khá quan trọng cả trong giai đoạn hiện nay lẫn cho tương lai. Trong bối cảnh đó, thiết kế phần điện không phải là một nhiệm vụ mà là một sự phân tích kiến thức toàn diện cho mỗi sinh viên ngành điện trước khi đi vào thực tế làm việc. Với yêu cầu, đồ án tốt nghiệp được hoàn thành với 3 chương: Chương 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ. Chương 2: Tự động hóa trong nhà máy thủy điện. Chương 3: Điều khiển tua – bin trong nhà máy thủy điện không thực hiện liên kết vùng. Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ 1.1. Mô hình nhà máy thủy điện 1.1.1. Giới thiệu về nhà máy thủy điện Thủy điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước. Đa số năng lượng thủy điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một tuabin nước và máy phát điện. Kiểu ít được biết đến hơn là sử dụng năng lượng động lực của nước hay các nguồn nước không bị tích bằng các đập nước như năng lượng thuỷ triều. Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo. Năng lượng lấy được từ nước phụ thuộc không chỉ vào thể tích mà cả vào sự khác biệt về độ cao giữa nguồn và dòng chảy ra. Sự khác biệt về độ cao được gọi là áp suất. Lượng năng lượng tiềm tàng trong nước tỷ lệ với áp suất. Để có được áp suất cao nhất, nước cung cấp cho một turbine nước có thể được cho chảy qua một ống lớn gọi là ống dẫn nước có áp (penstock). Ngoài nhiều mục đích phục vụ cho các mạng lưới điện công cộng, một số dự án thủy điện được xây dựng cho những mục đích thương mại tư nhân. Trong hệ thống điện nhiều nước trên thế giới thuỷ điện chiếm tỷ lệ tương đối lớn, trung bình toàn thế giới 25 %. Giá thành sản suất điện năng thuỷ điện rất rẻ so với nhiệt điện do sử dụng nguồn năng lượng tái sinh và ít ảnh hưởng xấu tới môi trường. Chính vì vậy mà ngành thuỷ điện trên thế giới rất phát triển cả về số lượng lẫn chất lượng. Công suất lớn nhất của tổ máy thuỷ điện 750 MW hiệu suất tổ máy 9296%. Công trình có công suất lớn nhất thế giới, hiện nay đang được xây dựng là CT Tam Hiệp ( Trung quốc) 18.200 MW. Các nước như : Mỹ, Nga, Pháp, Canada, Nhật bản, Trung quốc... là những nước có trữ lượng thuỷ điện lớn và có nền công nghiệp thuỷ điện phát triển mạnh. Ở Việt Nam có 124 hệ thống sông với 2860 con sông có chiều dài lơn hơn 10 km, với trữ năng lý thuyết 271.3 tỷ KWhnăm và trữ năng kỹ thuật khoảng 90 tỷ KWhnăm. Hiện nay chúng ta mới chỉ khai thác được khoảng 20% trữ năng thuỷ điện dồi dào này. Trước ngày giải phóng Miền Nam có thể nói việc khai thác nguồn trữ năng thuỷ điện không đáng kể. Ở Miền Nam chỉ có trạm thuỷ Đa nhim công suất 160 MW và ở Miền Bắc có Thác Bà công suất 108 MW được coi là những trạm thuỷ điện lớn ở nước ta. Sau ngày Miền Nam giải phóng với chủ trương đẩy mạnh khai thác nguồn thuỷ điện nhằm đảm bảo cho việc cân bằng hệ thống điện cả nước đáp ứng nhu cầu phát triển nền kinh tế quốc dân, một loạt nhà máy thuỷ điện có công suất trung bình và lớn đã và đang được xây dựng như : Hoà bình 1.920 MW, Yaly 720 MW, Trị an 400 MW, Thác Mơ 150 MW, ĐaMi175 MW, Hàm thuận 300 MW, Vĩnh Sơn 66 MW, Sông Hinh 70 MW và một số trạm khác. Ngoài ra trong những năm qua chúng ta đã xây dựng mới và phục hồi được hàng chục nhà máy có công suất nhỏ dưới 1000 KW. Dự kiến trong tương lai chúng ta cần phải xây dựng thêm nhiều nhà máy nữa mới có thể đáp ứng được nhu cầu của nền kinh tế quốc dân trong đó có các trạm Sơn la công suất dự kiến khoảng 2.400 MW, Bản Mai340MW, Đại thị300MW, Đại Ninh – 300 MW, và nhiều trạm khác. Ở nước ta, thuỷ điện chiếm tỷ trọng khoảng 60% công suất của hệ thống điện Việt nam hiện nay và trong tương lai vào thập kỷ đầu của thế kỷ 21 khi nhu cầu phát triển kinh tế tăng cao đòi hỏi nhiều năng lượng điện thì thuỷ điện là nguồn năng lượng rẻ tiền nhất cần phải khai thác triệt để khi nguồn than của chúng ta không nhiều mà chi phí sản xuất nhiệt điện lại lớn hơn nhiều so với thuỷ điện (Chi phí sản xuất 1 KWh điện năng). 1.1.2. Các loại nhà máy thủy điện Từ công thức tính công suất của NMTĐ có thể thấy rằng việc tạo ra chênh lệch mức nước là điều kiện tiên quyết cho việc xây dựng NMTĐ. Chính vì thế các phương án khác nhau tạo ra chênh lệch mức nước cũng đồng thời là điều kiện phân loại các nhà máy thủy điện. 1.1.2.1. Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn Cột nước của NMTĐ còn có thể tạo ra bằng việc sử dụng các kênh dẫn. Trường hợp chung nhất kênh bao gồm 2 phần (hình 1.1): phần đầu được xây dựng dưới dạng các kênh dẫn hở (còn gọi là kênh dẫn không áp). Phần này có nghiệm vụ dẫn nước từ nơi mà có dòng chảy có mức nước thấp (vị trí xây dựng NMTĐ) nhưng giữ nguyên mức nước (kênh có độ dốc rất nhỏ). Phần cuối là các ống dẫn kín (còn được gọi là kênh dẫn có áp). Phần này có nhiệm vụ đưa nước từ trên cao xuống thấp để chạy tuabin. Do dòng chảy trong ống kín bảo toàn được cột áp thủy tĩnh nên cột nước của NMTĐ có thể được tính như từ mức nước cuối kênh dẫn hở (phía trên ống dẫn kín) đến mức nước phía sau NMTĐ. Dễ thấy, cột nước của NMTĐ kiểu kênh dẫn có thể rất lớn nếu nguồn nước lấy được xuất phát từ vị trị cao. Cũng cần nói thêm là sơ đồ cấu trúc của NMTĐ kiểu kênh dẫn nêu trên nhằm minh họa nguyên lý chung (trong đó kênh gồm 2 phần). Thực tế không nhất thiết phải có phần kênh dẫn hở. Phần này chỉ được tạo ra khi có thể (với địa hình cho phép) và đem lại hiệu quả kinh tế (có vốn đầu tư nhỏ hơn ống dẫn kín). Có trường hợp phần kênh dẫn hở được thay thế bằng hầm dẫn nước (hình 1.1). Áp lực nước trong hầm có thể lớn hơn áp suất khí quyển (do có độ dốc), nhưng thường không lớn. Hình 1.1. Sơ đồ NMTĐ kiểu kênh dẫn Dễ thấy, ưu điểm nổi bật của NMTĐ kênh dẫn là vốn đầu tư nhỏ, công suất ổn định (ít phụ thuộc vào mức nước). Địa hình thích hợp cho NMTĐ kênh dẫn là vùng núi đồi, nơi có các dòng sông (suối) dốc chảy từ trên cao xuống. Cũng có khi là nơi có 2 con sống chảy cạnh nhau với mức nước chênh lệnh lớn. Trong trường hợp này kênh được xây dựng dẫn nước từ dòng sông có mức nước cao sang dòng sông có mức nước thấp. Nhà máy được xây dựng gần bờ sông có mức nước thấp và xả vào dòng sông này. Hình 1.2. Sơ đồ NMTĐ kênh dẫn (có hầm dẫn nước) Nhược điểm chính của NMTĐ kiểu kênh dẫn là không có hồ chứa nước, do đó không có khả năng điều tiết nước và điều chỉnh công suất. Khắc phục nhược điểm này trong nhiều trường hợp, với địa hình cho phép, người ta xây dựng các hồ nhân tạo ở các vị trí cao (cuối của các kênh dẫn hở). Tuy nhiên khi có vốn đầu tư tổng cộng của công trình lại tăng lên. Một ví dụ điển hình cho NMTĐ kênh dẫn ở Việt Nam là thủy điện Đa Nhim. Nhà máy này được xây dựng từ những năm 60 của thế kỷ trước. Kênh gồm 2 ống kín dài gần 3 km dẫn nước từ thung lũng trên đỉnh cao nguyên Đà Lạt (hồ Đa Nhim) xuống vùng đất thấp tạo ra cột nước tới 1020 m. Nhờ cột nước rất lớn nên chỉ với lưu lượng nhỏ, công suất nhà máy đã rất đáng kể. 1.1.2.2. Nhà máy thủy điện kiểu đập Bằng cách xây dựng các đập chắn ngang sông có thể làm cho mức nước ở trước đập dâng cao tạo ra cột nước để xây dựng NMTĐ. Khi đó ta có NMTĐ kiểu đập. Đập càng cao thì công suất NMTĐ có thể nhận được càng lớn. Tuy nhiên chiều cao đập cần phải được lựa chọn kỹ lưỡng theo các điều kiện kinh tế kỹ thuật và hang loạt yếu tố an toàn khác (liên quan đến môi trường, di dân, quốc phòng…). Mặt khác khi xây dựng đập cao nước dâng lên có thể làm ngập những khu vực quan trọng (làng xã đông dân, thị trấn cổ, hầm mỏ chưa khai thác…). Nhiều trường hợp, thường có thể xây dựng thuận lợi ở những nơi dòng chảy có độ dốc lớn, chảy ngang qua thung lũng của những quả đồi. Trong trường hợp này, vùng ngập nước dễ hạn chế được trong khu vực thung lũng, trong khi chỉ cần xây dựng các đập ngắn nối giữa các quả đồi để chắn dòng sông. Hình 1.3. Sơ đồ NMTĐ kiểu đập Nhà máy thủy điện kiểu đập có các ưu điểm sau: Có thể tạo ra những NMTĐ công suất lớn, do đó khả năng tận dụng được toàn bộ lưu lượng của dòng sông. Có hồ chứa nước, mà hồ chứa là một công cụ hết sức hiệu quả để điều tiết nước và vận hành tối ưu NMTĐ, điều tiết lũ, phục vụ tưới tiêu và nhiều lợi ích khác. Các nhược điểm chính cảu NMTĐ kiểu đập: Vốn đầu tư lớn, thời gian xây dựng lâu. Vùng ngập nước có thể ảnh hưởng nhiều đến sinh thái môi trường (di dân, thay đổi khí hậu). Nhà máy thủy điện kiểu đập là loại phổ biến nhất đã được xây dựng trong thực tế (trên thế giới cũng như trong nước).Ở nước ta các NMTĐ kiểu đập cũng là loại chủ yếu: Hòa Bình, Thác Bà, Trị An, Thác Mơ,… Hình 1.4. NMTĐ Hòa Bình Cần nói thêm là, có thể xây dựng nối tiếp rất nhiều NMTĐ kiểu đập trên cùng một dòng sông. Trong trường hợp như vậy hiệu quả điều tiết vận hành phối hợp của các NMTĐ sẽ tốt hơn khi chỉ có một NMTĐ. 1.1.2.3. Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp và nguyên tắc chung nâng cao công suất cho các nhà máy thủy điện Với những địa hình thích hợp, bằng việc kết hợp xây dựng đập với kênh dẫn, có thể tạo ra NMTĐ có công suất lớn, vốn đầu tư lại nhỏ. Sơ đồ điển hình của NMTĐ kiểu hỗn hợp như trên hình 1.5. Hồ xây dựng được ở vị trí cao trong khi có vị trí thấp hơn để bố trí nhà máy (nơi đặt tuabin nước và máy phát). Tận dụng chênh lệch độ cao phía dưới đập có thể nâng công suất nhà máy lên đáng kể trong khi chỉ cần đầu tư thêm dàn ống dẫn nước từ trên cao xuống thấp. Ống dẫn kín bảo toàn cột áp nên cột nước vẫn được tính từ mặt thoáng của hồ (trên cao) đến mức nước hạ lưu phía sau nhà máy. Ngoài ưu điểm về kinh tế, nhà máy còn tổ hợp được các ưu điểm của NMTĐ kiểu đập và kiểu kênh dẫn như: có cột nước cao, công suất ổn định, có khả năng điều tiết nhờ hồ chứa. Nhà máy Yaly và nhà máy thủy điện Huội Quảng (chưa xây dựng) là những ví dụ rất điển hình của NMTĐ kiểu hỗn hợp ở Việt Nam. Hồ chứa nước của NMTĐ Yaly có độ cao 515 m (so với mức nước biển). Người ta xây dựng một đường hầm dẫn nước từ hồ xuống vị trí thấp (305 m) dài tới hơn 4km để cung cấp nước cho nhà máy (nơi lắp đặt các tuabin và máy phát). Đập và hồ tạo ra cột nước không lớn (15m) nhưng có ý nghĩa tập trung lưu lượng nước. Hầm kín tích lũy cột nước rất lớn (thêm gần 200m), nhờ thế công suất của NMTĐ được nâng lên rất cao (720 MW). Hình 1.5. Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp Từ cấu trúc của các NMTĐ đã nêu (gặp phổ biến nhất trong thực tế) dễ thấy được nguyên tắc chung nâng cao công suất cho các NMTĐ: đó là các biện pháp tập trung lưu lượng và tập trung độ dốc (cột nước). Hồ chứa cho phép tập trung lưu lượng (có thể của nhiều dòng chảy) còn đập và kênh dẫn tập trung cột nước. Thực chất là tập trung các lượng nước ở vị trí cao so với nơi có thể xây dựng nhà máy(càng thấp càng tốt). Trong phương án NMTĐ kiểu đập năng lượng lúc đầu của khúc sông từ II đến IIII phân bố gần như đồng đều theo chiều dài (độ dốc lòng sông gần như nhau). Nhờ có đập dâng nước cao, độ dốc dòng chảy trước đập giảm nhiều (chỉ còn lại bằng ), động năng dòng chảy cũng giảm nhiều do tiết diện hồ mở rộng (biến thành thế năng). Khi vận tốc nước chảy trong hồ đủ nhỏ thì cũng nhỏ, khi đó gần như toàn bộ độ dốc của dòng chảy tập trung về phần cuối (từ trước đập cho đến mặt cắt IIII), nói khác đi, năng lượng dòng chảy được tập trung đến phía trước đập. Với phương án sử dụng kênh dẫn, độ dốc của kênh làm thay đổi mật độ phân bố năng lượng cả dòng chảy. Phần đầu của kênh có độ dốc rất nhỏ để năng lượng tập trung vào cuối. Hình 1.6. Tập trung nước bằng bơm Cũng cần nói thêm là, do ống kín bảo toàn được cột áp nên chỉ cần tập trung năng lượng dòng chảy đến trước các ống dẫn kín, toàn bộ năng lượng sẽ được nhận ở đầu ra. Lợi dụng đặc điểm này người ta có thể chọn các vị trí thuận lợi để tập trung năng lượng, ví dụ xây các hồ chứa, bể chứa nước trên cao. Để tập trung lưu lượng, có thể sử dụng các đập thấp để chặn và đổi hướng dòng chảy, cũng có thể dùng bơm. Hình 1.6 minh họa phương án tập trung cột nước bằng bơm. Thực chất phương án này là tập trung lượng nước có cột nước vào vị trí có cột nước so với nhà máy. Bơm cần sử dụng năng lượng điện để nâng cao cột nước trước khi tập trung vào hồ chứa, nhưng bù lại có thể tận dụng được nguồn năng lượng của các dòng chảy nằm trên địa hình không thuận lợi dẫn nước đến nhà máy. 1.1.2.4. Một vài nhà máy thủy điện dạng khác a. Nhà máy thủy điện thủy triều Tại những vùng bờ biển có mức nước thủy triều lên xuống chênh lệch lớn (> 7m), lợi dụng dòng nước chảy vào và chảy ra ở các cửa vịnh (vịnh tự nhiên hoặc nhân tạo), người ta xây dựng các nhà máy thủy điện (NMĐ thủy triều). Về bản chất, thủy triều là hiện tượng nước biển dâng lên hạ xuống theo áp lực hấp dẫn của mặt trăng. Theo chu kỳ tháng (âm lịch), tại những khu vực mặt trăng đi ngang qua mức nước biển dâng lên, hạ xuống một lần. Có những vùng bờ biển mức nước thủy triều lên xuống chênh lệch rất lớn như vùng Fandi (canađa) 19m, Tây Bắc Mỹ 10m, Arcgentina 11m, một số vùng biển ở Anh, Pháp tới 14m. Tại một số khu vực bờ biển thuộc Liên Xô cũ cũng có mức thủy triều chênh lệch lớn như vịnh Pengin (13,4m), Tugur và Megen (10m) … có thể xây dựng được những NMĐ thủy triều công suất rất lớn. Ở Việt Nam thủy triều (68)m xuất hiện ở các khu vực biển Móng Cái, Hà Tiên, có thể nghỉ đến xây dựng các NMTĐ thủy triều. Tiềm năng lý thuyết của năng lượng thủy triều trên trái đất rất lớn (2.5 lần tiềm năng của tổng các dòng sông). Vì thế NMĐ thủy triều là đối tượng nghiên cứu và xây dựng ở rất nhiều nơi. Hình 1.7. Nhà máy thủy điện Thủy Triều Hình 1.7 mô tả cấu trúc và hoạt động của NMĐ thủy triều chạy đơn. Công trình của nhà máy vẫn là đập ngăn nước tại cửa vịnh. Có hệ thống cống để điều khiển cột nước. Hệ thống dẫn nước vào tuabin theo một chiều duy nhất trong khi nước ra vào từ biển đến vịnh đổi chiều theo chu kỳ. Điều khiển cột nước bằng thống cống theo thời gian lên xuống của thủy triều (tương ứng với ngày âm lịch) là phương thức vận hành cơ bản của NMĐ thủy triều. Cần lựa chọn đúng thời điểm chuyển đổi phương thức vận hành. Đóng cống, không chạy máy (chờ đến cột nước ). Đóng cống, chạy máy (phát công suất thiết kế). Mở cống, ngừng máy (nước vịnh hạ xuống bằng mức nước biển) Đóng cống, không chạy máy (chờ đến cột nước ). Đóng cống, chạy máy (phát công suất thiết kế). Mở cống, ngừng máy (nước vịnh hạ xuống bằng mức nước biển) Lặp lại như giai đoạn Do phải có các thời gian chờ cột nước đạt đến quy định vận hành nên công suất của NMĐ thủy triều phát không liên tục và nhà máy cần được nối làm việc với hệ thống. Ngoài ra, tuabin của NMĐ thủy triều có thể rất lớn, hàng năm cung cấp cho hệ thống một lượng điện năng đáng kể. Để có điện năng phát điện liên tục, người ta cũng tạo ra NMĐ thủy triều hoạt động theo chu kỳ kép, làm việc với từng phần khác nhau của hồ (vịnh). Tuy nhiên khi đó điện năng tổng nhận được luôn thấp hơn so với nhà máy làm việc theo chu kỳ đơn. Trên thế giới nhiều NMĐ thủy triều được xây dựng với công suất rất lớn. NMĐ thủy triều Rance (Pháp) với công suất 400mw, hàng năm cung cấp tới 500.000 kWh điện năng. Ở Liên Xô cũ, sau khi xây dựng thửu nghiệm NMĐ thủy triều đầu tiên 400 kW vào năm 1968 (ở vùng biển Baenxova) đã xây dựng hàng loạt NMĐ thủy triều công suất lớn vào những năm 1981 1985. Điển hình là các NMĐ thủy triều Lummb 300 MW, Mezen và Tugur (10.000 MW)… Vùng vịnh Fandi của Canada có các nhà máy điện thủy triều Severn 4000MW. b. Thủy điện nhỏ Khái niệm thủy điện nhỏ được dùng với các công trình thủy điện có công suất đến 10 MW. Còn có khái niệm thủy lực cực nhỏ, chỉ các thủy điện công suất dưới 1000 kW (mini hydro). Về nguyên lý cấu tạo ra thủy điện nhỏ không có gì khác so với NMTĐ công suất lớn. Tuy nhiên, có các đặc điểm riêng về tính toán kinh tế cũng như yêu cầu vận hành đối với các trạm thủy điện nhỏ khi làm việc trong hệ thống. 1.1.3. Các đặc điểm của nhà máy thủy điện So với nhà máy nhiệt điện, NMTĐ có những đặc điểm riêng đáng chú ý như sau: 1.1.3.1. Nhà máy thủy điện sử dụng nguồn năng lượng vô tận của thiên nhiên Như đã biết, NMTĐ sử dựng năng lượng của các dòng nước tự nhiên để biến đổi điện năng (trừ thủy điện tích năng), đó là nguồn năng lượng vô tận, gắn liền với sự tồn tại vĩnh viễn của các dòng sông, dòng suối, thủy triều… Nếu không xây dựng NMTĐ, hoặc xây dựng chậm thì năng lượng của dòng sông cũng liên tục mất đi, biến thành các dạng năng lượng vô ích khác (biến thành công bào mòn đất đá, vận chuển phù xa, biến thành năng nhiệt năng tỏa vào môi trường…). Như vậy ưu tiên phát triển thủy điện cũng đồng nghĩa với tận dụng năng lượng tự nhiên, tiết kiệm được các dạng nhiên liệu có thể phục vụ cho nhiều mục đích. Trên một khía cạnh khác, đặc điểm này còn thể hiện ưu thế vượt trội cần được kể thêm cho các dự án thủy điện khi nghiên cứu, so sánh các phương án quy hoạch phát triển nguồn. Chẳng hạn, sau 20 25 năm (là thời gian tính toán cho các dự án) các nhà máy nhiệt điện nói chung không còn sử dụng được nữa (cạn kiệt nguồn nhiên liệu tại chỗ, không còn phù hợp vị trí cho nguồn nhiên liệu mới v.v…) và dự án kết thúc. Đối với NMTĐ sau thời gian trên sẽ vẫn còn là một nhà máy làm việc bình thường do luôn được duy tu, sửa chữa lớn và hiện đại hóa tổ máy. Các dòng sông vẫn tiếp tục cung cấp đều năng lượng cho các nhà máy hoạt động. Các công trình bê tông, đất đá có tuổi thọ kéo dài hơn rất nhiều so với thời hạn tính toán. Cũng vì đặc điểm này, cần phải chú ý nhiều hơn đến các lợi ích dài lâu của dự án thủy điện. Một vị trí có nhiều tiềm năng thủy điện mà xây dựng công trình với quy mô nhỏ (do thiếu vốn đầu tư chẳng hạn) sẽ không còn khả năng phát triển thêm sau này. 1.1.3.2. NMTĐ có vốn đầu tư lớn thời gian xây dựng lâu Trái lại với ưu điểm về chi phí vận hành thấp, NMTĐ lại có nhược điểm lớn đó là vốn đầu tư cao, thời gian xây dựng kéo dài. Thường vốn đầu tư cao tập trung vào các công trình cột nước và điều tiết (xây dựng đập, hồ chưa, kênh, ống dẫn kín…). Những công trình này thường đòi hỏi một khối lượng bêtông, sắt thép. Việc san lấp mặt bằng, khơi sâu lòng hồ trước khi xây dựng đập đòi hỏi rất nhiều thời gian công sức, chưa kể đến những công trình phải xây dựng liên quan trước đó như đường, di dân, xây dựng khu ở cho người lao động,… Suất vốn đầu tư cho NMTĐ (tính cho 1 đơn vị công suất đặt) thường gấp từ 5 đến 10 lần của nhà máy nhiệt điện (trừ những NMTĐ có địa hình xây dựng hết sức thuận lợi). Thời gian xây dựng kéo dài từ 510 năm. Những NMTĐ lớn có thể phải xây dựng kéo dài hàng vài chục năm. NMTĐ Hòa Bình được khởi công xây dựng năm 1979, năm mới đưa vào vận hành tổ máy đầu tiên (1988), và khánh thành với đầy đủ 8 máy năm 1994. Với kỹ thuật hiện đại NMTĐ Tam Hiệp của Trung Quốc (18200 MW) bắt đầu được xây xây dựng 1994, dự kiến khánh thành năm 2009. Nhà máy thủy điện Sơn La của Việt Nam được khởi công xây dựng ngày 2 tháng 12 năm 2005, dự kiến phát điện các tổ máy đầu tiên vào năm 2012. Vốn đầu tư lớn thời gian xây dựng lại lâu (chậm hoàn vốn) là một đặc điểm làm khó khăn phát triển thủy điện đối với các nước có vốn đầu tư hạn hẹp. Hình 1.8. Mô hình đập NMTĐ Sơn La 1.1.3.3. Nhà máy thủy điện có chi phí vận hành thấp, vận hành đơn giản, dễ dàng thực hiện tự động hóa

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI : “NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUA BIN TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ KHÔNG THỰC HIỆN LIÊN KẾT VÙNG” i NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đầu đề thiết kế: Nghiên cứu hệ thống điều khiển tua bin nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ không thực liên kết vùng Các số liệu ban đầu: − Nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ − Tự động hóa nhà máy thủy điện − Điều khiển tua – bin nhà máy thủy điện không liên kết vùng Nội dung phần thuyết minh tính tốn: − Mơ hình nhà máy thủy điện − Tự động hóa nhà máy thủy điện − Vấn đề vận hành lưới điện đơn vùng – lưới điện “mềm” – độc lập − Đặc điểm nhà máy thủy điện không liên kết vùng − Hệ thống điều khiển tuabin không liên kết vùng Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): − 02 A0 để bảo vệ − Các vẽ A4 để thuyết minh ii Họ tên cán hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Tiến Ban Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: Ngày tháng năm … Cán hướng dẫn ( Ký, ghi rõ họ, tên) Trưởng môn ( Ký, ghi rõ họ, tên) Sinh viên hoàn thành nộp đồ án tốt nghiệp ngày… tháng … năm 2020 Người duyệt ( Ký, ghi rõ họ, tên) Sinh viên ( Ký, ghi rõ họ, tên) iii BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho ủy viên phản biện) Tên đề tài: “Nghiên cứu hệ thống điều khiển tua bin nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ không thực liên kết vùng” NỘI DUNG NHẬN XÉT Tính cần thiết, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Các thông tin đề tài 2.1 Sự phù hợp nội dung đề tài với tên đề tài chuyên ngành đào tạo ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… 2.2 Bố cục đề tài ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… 2.3 Tính trung thực trích dẫn tài liệu tham khảo số liệu ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Phương pháp sử dụng để nghiên cứu kết đề tài ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Ưu điểm, nhược điểm nội dung hình thức 4.1 Ưu điểm: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… iv 4.2 Nhược điểm: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Kết luận chung: Họ tên chữ ký người phản biện Câu hỏi thảo luận dành cho sinh viên trả lời (nếu có) ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… v MỤC LỤC MỤC LỤC vi vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ NMTĐ kiểu kênh dẫn Hình 1.2 Sơ đồ NMTĐ kênh dẫn (có hầm dẫn nước) Hình 1.3 Sơ đồ NMTĐ kiểu đập Hình 1.4 NMTĐ Hịa Bình Hình 1.5 Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp Hình 1.6 Tập trung nước bơm 10 Hình 1.7 Nhà máy thủy điện Thủy Triều 12 Hình 1.8 Mơ hình đập NMTĐ Sơn La .15 Hình 1.9 Đập vịm NMTĐ Inguri .17 Hình 1.10 Hình ảnh cấu trúc chung nhà máy thủy điện 20 Hình 1.11 Trục kết nối tua bin 21 Hình 1.12 Sơ đồ mặt cắt dọc tuyến lượng tổ máy đặc tính cơng suất máy phát .26 Hình 2.1 Sơ đồ tự động hóa nhà máy thủy điện 26 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống tự động hóa thủy điện .27 Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống tự động điều khiển giám sát 31 Hình 2.4 Sơ đồ ví dụ trạm GIS NMTĐ Lai Châu .35 Hình 2.5 Sơ đồ dây nhà máy thủy điện Lai Châu .36 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý Role bảo vệ trạm GIS 500KV 37 Hình 2.7 Sơ đồ cấp nguồn tự dùng chiều 38 Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống cấp nguồn tự dùng xoay chiều 39 Hình 2.9 Đặc tính lưới điện làm việc độc lập 40 42 Hình 3.1 Sơ đồ NMTĐ cơng suất vừa nhỏ cung cấp độc lập .42 Hình 3.2 Mơ hình hai NMTĐ cơng suất vừa nhỏ làm việc mơ hình liên kết vùng 44 Hình 3.3 Nhà máy thủy điện cơng suất vừa nhỏ làm việc với lưới điện quốc gia 46 Hình 3.4 Cơ sở việc phân chia công suất tác dụng cho nhà máy làm việc song song 50 Hình 3.5 Sơ đồ khối nhà máy thủy điện đơn vùng 52 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý điều tốc tác động trực tiếp 53 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý điều tốc tác động gián tiếp 54 Hình 3.8 Sơ đồ cấu tạo chi tiết điều tốc khí thủy lực 55 Hình 3.9 Tuabin hướng trục 57 Hình 3.10 Tuabin tâm trục 58 Hình 3.11 Tuabin gáo 60 Hình 3.12 Sơ đồ tuabin nước máy phát 61 viii Hình 3.13 Sơ đồ hệ thống rơ le bảo vệ khối tổ máy 65 Hình 3.14 Phương pháp dịch đặc tính tĩnh 66 Hình 3.15 Phương pháp dịch đặc tính tĩnh theo Master Generator .67 Hình 3.16 Phương pháp dịch đặc tính tĩnh giữ tần số lưới khơng đổi 68 Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện 69 Hình 3.18 Sơ đồ trình bày điều tốc sử dụng văng li tâm .72 Hình 3.19 Sơ đồ chức hệ điều khiển tốc độ sử dụng văng li tâm 73 Hình 3.20 Bộ điều tốc li tâm với đặc tính vơ saiắc 74 Hình 3.21 Đặc tính vơ sai điều tốc li tâm .75 Hình 3.22 Bộ điều tốc li tâm với đặc tính vơ saiắc 76 tHình 3.23 Bộ điều tốc điện tử 77 tHình 3.24 Sơ đồ chức điều tốc điện tử 78 ix LỜI NÓI ĐẦU Nguồn lượng thuỷ điện chiếm vai trò quan trọng hệ thống điện Việt Nam Năng lượng tự nhiên theo cách nhìn vơ tận Tuy nhiên, nguồn lượng khai thác trở nên khan trở thành vấn đề lớn giới, để có lượng sử dụng lượng sơ cấp người tiêu dùng phải trải qua nhiều công đoạn khai thác, chế biến, vận chuyển phân phối Các trình đòi hỏi nhiều chi phí tài kỹ thuật nghĩa vụ xã hội Hiệu bước liền kề từ sơ cấp đến lượng nói chung thấp Vì để đề ra, lựa chọn thực phương pháp chuyển hóa lượng từ nguồn lượng sơ cấp đến nguồn lượng cuối nhằm đạt hiệu kinh tế cao nhiệm vụ người Hệ thống điện phận hệ thống lượng, bao gồm nhà máy điện hòa lưới điện tiêu thụ Trong đó, nhà máy điện có nhiệm vụ chuyển đổi lượng sơ cấp than đá, khí đốt, thủy điện thành điện Hiện nước ta, lượng điện nhà máy thủy điện sản xuất đáp ứng phần quan trọng cơng suất cho lưới điện thủy điện đóng vai trò quan trọng giai đoạn lẫn cho tương lai Trong bối cảnh đó, thiết kế phần điện khơng phải nhiệm vụ mà phân tích kiến thức toàn diện cho sinh viên ngành điện trước vào thực tế làm việc Với yêu cầu, đồ án tốt nghiệp hoàn thành với chương: Chương 1: Tổng quan nhà máy thủy điện cơng suất vừa nhỏ Chương 2: Tự động hóa nhà máy thủy điện Chương 3: Điều khiển tua – bin nhà máy thủy điện không thực liên kết vùng Chương 1: Tổng quan NMTĐ công suất vừa nhỏ Chương TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ 1.1 Mơ hình nhà máy thủy điện 1.1.1 Giới thiệu nhà máy thủy điện Thủy điện nguồn điện có từ lượng nước Đa số lượng thủy điện có từ nước tích đập nước làm quay tua-bin nước máy phát điện Kiểu biết đến sử dụng lượng động lực nước hay nguồn nước khơng bị tích đập nước lượng thuỷ triều Thủy điện nguồn lượng tái tạo Năng lượng lấy từ nước phụ thuộc khơng vào thể tích mà vào khác biệt độ cao nguồn dòng chảy Sự khác biệt độ cao gọi áp suất Lượng lượng tiềm tàng nước tỷ lệ với áp suất Để có áp suất cao nhất, nước cung cấp cho turbine nước cho chảy qua ống lớn gọi ống dẫn nước có áp (penstock) Ngồi nhiều mục đích phục vụ cho mạng lưới điện công cộng, số dự án thủy điện xây dựng cho mục đích thương mại tư nhân Trong hệ thống điện nhiều nước giới thuỷ điện chiếm tỷ lệ tương đối lớn, trung bình tồn giới 25 % Giá thành sản suất điện thuỷ điện rẻ so với nhiệt điện sử dụng nguồn lượng tái sinh ảnh hưởng xấu tới mơi trường Chính mà ngành thuỷ điện giới phát triển số lượng lẫn chất lượng Công suất lớn tổ máy thuỷ điện 750 MW hiệu suất tổ máy 92-96% Cơng trình có cơng suất lớn giới, xây dựng CT Tam Hiệp ( Trung quốc) 18.200 MW Các nước : Mỹ, Nga, Pháp, Canada, Nhật bản, Trung quốc nước có trữ lượng thuỷ điện lớn có cơng nghiệp thuỷ điện phát triển mạnh Ở Việt Nam có 124 hệ thống sơng với 2860 sơng có chiều dài lơn 10 km, với trữ lý thuyết 271.3 tỷ KWh/năm trữ kỹ thuật khoảng 90 tỷ KWh/năm Hiện khai thác khoảng 20% trữ thuỷ điện dồi Trước ngày giải phóng Miền Nam Chương 3: Điều khiển tuabin NMTĐ không liên kết vùng 3.4.2 Hệ thống điều khiển tốc độ tua – bin/máy phát nhà máy thủy điện khơng liên kết vùng (làm việc độc lập) Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện 69 Chương 3: Điều khiển tuabin NMTĐ không liên kết vùng Ở người ta dùng hệ thống thủy lực để đóng mở cánh nước bơm vào tua bin nhà máy Hệ thống có mạch động lực bán dẫn thủy lực động điện thông qua van điều khiển để tác động đến cửa nước vào tua bin mở mức phù hợp với giá trị tải, bơm có cơng suất lớn tạo lên áp lực để điều khiển cách xác, điều khiển thành công tin cậy theo mục tiêu, để điều khiển cac van điều khiển cho hệ thống thủy lực người ta dùng điều khiển bán dẫn thông qua việc đo đặc cảm biến công suất phát senso chuyên dụng điều khiển thực chất PID để can thiệp vào đáp ứng thực tế, thời điểm sử dụng PID việc đóng mở van hoàn toàn đáp ứng với tiêu kĩ thuật sai số tĩnh , độ điều chỉnh, số lần dao động, thời gian độ dự trù biên độ pha Do việc điều khiển mở cánh nước có momen cản lớn lên hệ thống thủy lực hoàn toàn đáp ứng với thiết kế tính tốn, hệ thống thủy lưc hoàn hảo nên chất lượng điều khiển việc đóng mở thêm bối cảnh nước hồn tồn chủ động tin cậy nhanh chóng 3.4.2.1 Đặt vấn đề Để ổn định tần số lưới điện cần phải giữ cho tốc độ động sơ cấp không đổi Trường hợp động sơ cấp tuabin thủy lực, loại thiết bị hoạt động luồng nước với áp suất, động tác động trực tiếp vào cánh tuabin sinh công làm quay tuabin với tốc độ lớn tạo nên moment quay Lực học quay máy phát, công học tuabin tạo nên thông qua từ trường biến đổi thành dòng điện phần ứng cung cấp cho phụ tải Phụ tải điện đại lượng biến thiên theo thời gian, lúc nặng lúc nhẹ, lúc tăng lúc giảm Khi nặng tải, moment điện từ đóng vai trò moment cản trục máy phát tăng, làm tốc độ tuabin giảm động sơ cấp không giữ tốc độ khơng đổi tần số lưới điện giảm : (3.15) Trong đó: f (Hez) - Tần số dòng điện; n (Vg/phút) – tốc độ quay động sơ cấp; p – số đôi cực 70 Chương 3: Điều khiển tuabin NMTĐ không liên kết vùng Như vậy, vấn đề phải giải luôn phải giữ tốc độ quay động sơ cấp n không đổi moment cản trục máy phát thay đổi theo phụ tải Muốn can thiệp để tốc độ khơng đổi phải điều khiển dòng nước tác động vào tuabin theo thay đổi moment cản Đến đây, thấy muốn điều khiển dòng thủy lực tác động lên tuabin phải can thiệp đến cửa van, độ mở cửa van cánh nước lớn hay nhỏ điều tiết lượng nước tác động lên cánh tuabin Hình 3.18 trình bày lại nguyên lý làm việc văng ly tâm vai trò điều chỉnh tốc độ Hình 3.18 trình bày điều tốc sử dụng văng li tâm đó: Trục máy Quả văng li tâm Cần định hướng Khớp Thanh trượt Chốt định vị Đòn bẩy Vít chỉnh định Ống dẫn khí, dầu, nước… 10 Cánh van 71 Chương 3: Điều khiển tuabin NMTĐ không liên kết vùng Hình 3.18 Sơ đồ trình bày điều tốc sử dụng văng li tâm Trường hợp tải máy phát nhẹ, moment cản trục máy phát nhỏ, tốc độ quay tua – bin tăng vượt lên giá trị tốc độ đặt, trục máy phản ánh trung thành tốc độ làm các văng số (hình 3.18) chịu lực ly tâm lớn hơn, văng xa hơn, thông qua khớp kéo trượt chuyển động xuống phía dưới, phía đầu cần kéo lên phía làm cho vít chỉnh định kéo cánh van 10 đóng bớt cửa van lại, khép lại đường ống nhiên liệu động (hoặc cách tổng quát, giảm nguồn lượng cho động cơ), dẫn đến tốc độ động giảm giá trị đặt ban đầu Trường hợp tải máy phát nặng, moment cản trục máy phát lớn, tốc độ động giảm xuống thấp giá trị đặt, lực ly tâm tác dụng lên nặng giảm đi, nặng bị trọng lực kéo xuống tác động ngược lại với trường hợp làm cho cánh bơm mở rộng ra, nhiên liệu đưa vào động tăng lên, tốc độ động tăng trở lại giá trị đặt Thực chất điều chỉnh tốc độ văng khí hệ điều chỉnh tốc độ hoạt động tự động theo nguyên lí điều chỉnh theo độ lệch với mạch phản hồi âm tốc độ hình 3.19 Với điều chỉnh tốc độ khí này, hệ thống giúp điều tiết giữ tốc độ quay động ổn định giá trị đặt trước 72 Chương 3: Điều khiển tuabin NMTĐ khơng liên kết vùng Hình 3.19 Sơ đồ chức hệ điều khiển tốc độ sử dụng văng li tâm Với hệ thống sơ đồ hình 3.19 vẽ cho đối tượng động sơ cấp động tua bin lai máy phát ns tốc độ đặt, nf tốc độ phản hồi để so sánh với ns, nd tốc độ tua bin 3.4.2.2 Bộ điều tốc li tâm với đặc tính vơ sai (khơng có sai số) Với nhà máy thủy điện cơng suất vừa nhỏ làm việc độc lập, để giữ tần số ổn định vận hành khai thác người ta lựa chọn đặc tính ngồi hệ tuyệt đối “cứng” tức phải lựa chọn hệ vô sai Hình 3.20 trình bày điều tốc li tâm có đặc tính vơ sai, điều tốc này, piston động trợ động nối với piston giảm chấn Bộ giảm chấn phản hồi âm mềm, hoạt động chế độ động, không hoạt động chế độ tĩnh Giả sử tốc độ động tang, chạy tác dụng lực ly tâm văng dịch chuyển lên khoảng z, kéo theo dịch chuyển van trượt khuếch đại thủy lực khoảng L để thơng dầu có áp lực cao lên piston động trợ động đẩy lùi xuống phía để giảm nhiên liệu giảm tốc độ động 73 Chương 3: Điều khiển tuabin NMTĐ khơng liên kết vùng Hình 3.20 Bộ điều tốc li tâm với đặc tính vơ saiắc Nhờ piston động trợ động nối với piston giảm chấn nên lúc ban đầu piston động trợ động chuyển động xuống phía kéo theo tồn giảm chấn chuyển động xuống, hệ thống van trượt dịch chuyển xuống Nhưng tác dụng lực căng lò xo 3, dầu thoát qua van kim 5, vỏ giảm chấn chuyển dịch trạng thái ban đầu tốc độ động trở giá trị cũ cánh tay đòn ACB trở trạng thái ban đầu, cửa van khuếch đại thủy lực đóng, piston động trợ động dừng Qua phân tích ta thấy điều tốc ly tâm có giảm chấn vừa có tính chất vơ sai vừa có tính chất hữu sai Do chế độ tĩnh hệ thống khơng có sai số, chế độ động hệ thống ổn định Đặc tính f = f(P) [n = f(Mc)] mơ tả hình 3.21 Bộ điều tốc quay ly tâm có đặc vơ sai (khơng có sai số) sử dụng cho tổ máy phát điện không làm việc song song 74 Chương 3: Điều khiển tuabin NMTĐ không liên kết vùng Hình 3.21 Đặc tính vơ sai điều tốc li tâm 75 Chương 3: Điều khiển tuabin NMTĐ khơng liên kết vùng Hình 3.22 trình bày điều tốc li tâm có đặc tính vơ sai hoạt động tương tự điều tốc hình 3.20 kết hợp quay thủy lực Hình 3.22 Bộ điều tốc li tâm với đặc tính vơ saiắc 3.4.2.3 Bộ điều tốc điện tử với đặc tính “cứng” Bộ điều tốc điện tử nhà khoa học giới phát minh từ năm 50 kỷ 20 Nó ứng dụng hiệu việc cân phân chia tải cho động tổ hợp máy phát điện Việc sử dụng điều tốc điện tử thuận lợi việc điều khiển thông số máy phát thông qua cảm ứng dòng điện Với lý trên, với thiết kế nhỏ gọn, khả làm việc xác độ tin cậy nó, điều tốc điện tử ngày phát triển ứng dụng phổ biến việc điều khiển động diesel, tua bin Cùng với phát triển ngành ĐK tự động, điều tốc điện tử phát triển mạnh mẽ ngày hoàn thiện nâng cao chức điều khiển phù hợp với yêu cầu phát triển hệ thống điều khiển đại Khả thích nghi độ tin cậy, làm việc xác chúng làm cho điều khiển điện tử sử dụng phổ biến hầu hết ứng dụng kỹ thuật 76 Chương 3: Điều khiển tuabin NMTĐ không liên kết vùng Điều khiển điện tử ứng dụng để điều khiển tốc độ động cơ, chia tải máy phát, điều khiển công suất, điều khiển máy nén đóng mở đường ống, điều khiển đánh lửa định thời động đốt trong, giới hạn mơmen xoắn, điều khiển vị trí, tính liên tục, hiển thị lưu trữ liệu hệ thống phức tạp Bộ điều khiển điện tử thử nghiệm chấp nhận hầu hết lĩnh vực điều khiển động tua bin Bộ điều tốc điện tử có cấu tạo bao gồm phần tử với chức sau: tHình 3.23 Bộ điều tốc điện tử + Phần tử cảm biến tốc độ: đầu cảm biến điện tử (pick up), số trường hợp đo máy phát tần số (generator frequency) Trong hai trường hợp tín hiệu xoay chiều với tần số dòng điện tỷ lệ với tốc độ quay động (primer mover) + Bộ biến đổi tín hiệu tần số - điện áp: Tín hiệu đo biến đổi điều khiển tốc độ thành điện áp chiều có điện áp tỷ lệ với tốc độ động Nói cách khác, tốc độ động tăng lên làm cho điện áp chiều tăng lên Điện áp tương ứng với điện áp tốc độ thực động Tín hiệu so sánh với lực ly tâm văng điều tốc thủy lực + Phần tử cảm biến tốc độ: đầu cảm biến điện tử (pick up), số trường hợp đo máy phát tần số (generator frequency) Trong hai 77 Chương 3: Điều khiển tuabin NMTĐ không liên kết vùng trường hợp tín hiệu xoay chiều với tần số dòng điện tỷ lệ với tốc độ chuyển động động (primer mover) + Phần tử đặt tốc độ: Tốc độ cho trước hay tỷ số đặt tốc độ cho trước tạo thông qua điều chỉnh điện áp chiều giá trị thay đổi từ bên điều khiển Bộ điều tốc điện tử còn có chức tương tự điều tốc khí thủy lực Cấu tạo điều tốc điện tử nhỏ gọn điều tốc khí thủy lực chức điều khiển xác Sơ đồ chức điều tốc điện tử với đối tượng điều khiển tua-bin thủy lực tHình 3.24 Sơ đồ chức điều tốc điện tử Việc đặt tỷ số tốc độ cho trước điện áp tương ứng với tốc độ cho trước thực với giá trị ấn định trước (tốc độ mà người khai thác đặt chế độ cho động làm việc ) Điện áp đặt tốc độ cho trước cấp nguồn điện áp từ bên đặt điện áp kỹ thuật số hay máy tính Thiết bị so sánh lò xo tốc độ điều tốc thủy lực + Bộ cộng tín hiệu ( so sánh): Điện áp đặt tốc độ cho trước điện áp đo tốc độ thực cộng (trừ))́ cộng tín hiệu Điện áp đặt tốc độ cho trước điện áp dương điện áp tốc độ thực phản hồi âm Tín hiệu điều khiển hiệu hai tín hiệu + Phần tử thực ( Artuator): phần tử nhận tín hiệu điều khiển từ khuếch đại tác động lên đối tượng điều khiển để thực mục đích điều khiển Bộ thực điều tốc điện tử có hai dạng cấu tạo sau: 78 Chương 3: Điều khiển tuabin NMTĐ không liên kết vùng Bộ thực thủy lực: Là thực sử dụng phần tử thủy lực để tác động điều khiển nhiên liệu tác động vào động Sử dụng động điện nam châm điện từ để thực tác động điều khiển đến nhiên liệu động ( govornor) + Bộ khuếch đại thuật tốn đóng vai trò điều khiển làm mạch tổ hợp khuếch đại thuật toán để khuếch đại tín hiệu độ lệch từ cộng tín hiệu để đưa đến phần tử thực tác động điều khiển lượng nhiên liệu cấp vào động Đồng thời phận có phần tử hồi tiếp (feed back) có tác dụng làm ổn định động trình điều tốc 79 Kết luận KẾT LUẬN Sau thời gian, nghiên cứu viết báo cáo với nỗ lực thực báo cáo, đặc biệt hướng dẫn tận tình thầy Nguyễn Tiến Ban thầy cô Bộ môn Điện, Khoa Điện – Cơ, trường Đại học Hải Phòng Đến em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Đồ án tốt nghiệp trình bày số vấn đề sau: - Tổng quan nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ - Tự động hóa nhà máy thủy điện - Điều khiển tua – bin nhà máy thủy điện Do thời gian thực kiến thức em còn hạn chế nên nội dung báo cáo khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đóng góp ý kiến thầy mơn bạn khóa để nội dung báo cáo thực tập em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! 78 Phụ lục TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Hữu Hải – Nguyễn Thượng Bẳng – 2020 Thiết kế nhà máy thủy điện – NXB xây dựng, Hà Nội [2] Hoàng Văn Tần – Phạm Hồng Nhật – 2004 Giáo trình Tuabin thủy lực – NXB Xây dựng, Hà Nội [3] Bùi Ngọc Thư - Mạng Cung Cấp Phân Phối Điện – 2002 Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội [4] Ths Ngô Quang Ước – 2010 Nghiên cứu giải pháp bù công suất phản kháng lưới điện phân phối - Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội [5] GS-TSKH Thân Ngọc Hoàn – PGS.TS Nguyễn Tiến Ban – 2008 Trạm phát lưới điện tàu thủy – Nhà xuất KH–KT, Hà Nội 79 ... kế: Nghiên cứu hệ thống điều khiển tua bin nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ không thực liên kết vùng Các số liệu ban đầu: − Nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ − Tự động hóa nhà máy thủy điện. .. 3: Điều khiển tua – bin nhà máy thủy điện không thực liên kết vùng Chương 1: Tổng quan NMTĐ công suất vừa nhỏ Chương TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CƠNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ 1.1 Mơ hình nhà máy thủy. .. người ta thường thực điều tốc khí – thủy lực, khí – điện tử… 40 Chương 3: Điều khiển tuabin NMTĐ không liên kết vùng Chương ĐIỀU KHIỂN TUA – BIN TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN KHÔNG LIÊN KẾT VÙNG 3.1 Khái