1: Khái niệm và công dụng.
1.1 Khái niệm;
Khí nén là một phần của lưu chất với không khí hoặc các loại khí khác được nén lại . Để đảm bảo hiệu quả kinh tế, đồng thời đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật trong việc vận hành các hệ thống điều tốc của các Nhà máy thủy điện thì việc lựa chọn công nghệ áp dụng cho hệ thống điều tốc của nhà máy là một vấn đề cần các chủ đầu tư cân nhắc kỹ. Hầu hết các Nhà máy thủy điện hiện nay ở Việt Nam đều sử dụng hệ thống điều tốc dùng khí nén cao áp để cấp dầu truyền lực cho động cơ sevormotor điều chỉnh cánh hướng của tuốc bin. Kết cấu chính của hệ thống điều tốc dùng khí nén cao áp gồm: nguồn khí nén cao áp, hệ thống dầu, bình tích năng dầu khí. Hệ thống dầu gồm thùng dầu, máy bơm dầu và các van, đường ống... Nguồn khí nén cao áp gồm: hệ thống máy nén khí áp lực cao, bình khí áp lực, đường ống và các van an toàn. Thông thường trong nhà máy bố trí một gian riêng để đặt các máy nén khí và bình áp lực. Các đường ống và van cấp khí được bố trí trên hoặc âm tường để cấp khí từ bình áp lực đến thiết bị bình tích năng dầu khí để tạo áp lực điều khiển. Tuy nhiên trong quá trình vận hành hệ thống điều tốc loại này đã bộc lộ ra rất nhiều nhược điểm như:
- Chi phí đầu tư tăng cao: chi phí mua sắm thiết bị khí nén, bình áp lực, đường ống, các van và thiết bị dự phòng. Ngoài ra do yêu cầu hệ thống khí nén cao áp phải bố trí riêng biệt nên kết cấu nhà máy phải xây dựng một gian máy riêng để chứa các thiết bị máy nén khí, bình áp lực dẫn đến tăng chi phí xây dựng nhà máy thủy điện.
- Do có thêm thiết bị máy nén khí, bình áp lực và các van an toàn nên sẽ tăng thêm chi phí cho bảo dưỡng, duy tu định kỳ và kiểm định.
- Tăng khối lượng công việc và độ phức tạp cho việc bảo dưỡng các thiết bị nén khí, bình áp lực.
- Tăng độ ồn lớn trong nhà máy vì thường xuyên vận hành máy nén khí.
Hiện nay với trình độ khoa học phát triển, hệ thống điều tốc đã được cải tiến và áp dụng công nghệ mới để từng bước thay thế loại điều tốc sử dụng khí nén cao áp. Các thiết kế cải tiến đã tạo cho hệ thống điều tốc có thêm nhiều tính năng trong việc điều khiển và vận hành, kết cấu thiết bị gọn gàng, chắc chắn và vận hành ổn định. Các thiết bị cấu tạo của hệ thống điều tốc dễ thay thế và mua sắm trên thị trường. Thời gian gần đây, tại một số Nhà máy thủy điện như: Thủy điện Bình Điền, Thủy điện Sông Bung 4A, Thủy điện Đăkrong 2, Thủy điện Hà Nang… đã sử dụng loại hệ thống điều tốc áp dụng công nghệ mới để điều khiển cho tổ máy thủy lực. Hệ thống điều tốc này sử dụng khí nitrogen áp lực cao để tạo áp lực dầu điều khiển. Khác biệt của điều tốc khí nitrogen so với khí nén thông thường là kết cấu bình tích năng dầu khí nén kiểu túi
24
khí. Để có thêm cơ sở cho các chủ đầu tư trong việc so sánh, đánh giá và lựa chọn công nghệ áp dụng cho hệ thống điều tốc các Nhà máy thủy điện, xin giới thiệu công nghệ sử dụng khí Nitrogen trong hệ thống điều tốc các Nhà máy thủy điện, như sau:
Nguyên lý làm việc của thiết bị dầu áp lực kiểu túi khí dựa trên việc sử dụng bơm dầu nén vào túi khí để tạo áp lực. Cụ thể là khi mức dầu áp lực thấp hơn giá trị khởi động của bơm dầu, thiết bị cảm biến tín hiệu áp lực dầu thấp sẽ có phản ứng tác động, thông qua mạch điều khiển của bơm dầu để điều khiển khởi động bơm dầu chính. Bơm dầu chính đồng thời sẽ bơm dầu vào bình tích năng. Dầu chảy vào bình thép của bộ tích năng rồi nén túi khí, khiến áp lực trong toàn bộ bình thép tăng lên. Khi áp lực tăng lên tới giá trị cài đặt sẽ làm ngừng hoạt động bơm dầu, lúc đó cảm biến tín hiệu áp lực của dầu áp lực quá cao sẽ điều khiển mạch điều khiển khiến bơm dầu chính ngừng bơm.
Kết cấu chính của thiết bị dầu áp lực kiểu túi khí gồm thùng dầu tuần hoàn, động cơ bơm dầu, bình tích năng kiểu túi khí, van tràn. Ưu điểm của hệ thống điều tốc sử dụng khí nitrogen:
a. Dầu và khí riêng biệt: vì dầu và khí của thiết bị dầu áp lực kiểu túi khí được tách riêng biệt nên không phát sinh hiện tượng dầu và khí lẫn lộn dẫn đến dầu thường xuyên bị nhiễm nước.
b. Việc kiểm tra duy tu dễ dàng: vì bình tích năng của thiết bị dầu cao áp kiểu túi khí có thể được tháo lắp riêng rẽ nên thuận lợi cho việc thay mới.
c. Tiêu chuẩn hoá: toàn bộ các cấu kiện chính của thiết bị dầu áp lực kiểu túi khí, gồm:
bình tích năng kiểu túi khí, bơm dầu bánh răng và các van... đều là kết cấu được tiêu chuẩn hoá, sửa chữa dễ dàng.
d. Xác suất sự cố hệ thống thấp, khả năng tin cậy cao: kết cấu, quy trình vận hành đơn giản, đồng thời giảm bớt các thiết bị tự động hoá bên ngoài.
e. Thiết bị dầu áp lực kiểu túi khí không cần có nguồn khí từ bên ngoài và là một hệ thống hoàn chỉnh, tiết kiệm được chi phí đầu tư, chi phí duy tu cho hệ thống khí nén.
f. Giảm tiếng ồn cho nhà máy do không sử máy nén khí cấp khí.
g. Do không phải bố trí gian đặt các thiết bị máy nén khí, bình áp lực và đường ống nên kết cấu nhà máy gọn gàng và mỹ thuật; hạn chế được việc lắp đặt các đường ống bố trí trên tường và công tác định kỳ bảo dưỡng.
1.2 Công dụng
Để khai thác và sản xuất điện năng từ năng lượng của nước thì Nhà máy thủy điện phải dựa vào rất nhiều các thiết bị như: máy phát, tuốc bin, máy biến áp... các hệ thống thiết bị phụ trợ: hệ thống nước, khí nén, dầu, các hệ thống điều khiển, bảo vệ và thiết bị cơ khí thủy công. Các hệ thống thiết bị này phối hợp và hỗ trợ với nhau để điều khiển nhịp nhàng cho tổ máy phát điện. Trong đó, hệ thống điều tốc là một trong hệ thống điều khiển quan trọng trong nhà máy. Nó được ví như trái tim trực tiếp của tổ
25
máy, tham gia điều chỉnh tốc độ và điều chỉnh tải cho tổ máy nhằm khai thác hiệu quả và tận dụng tối đa nguồn năng lượng nước. Chất lượng điện năng là thông số điện áp và tần số của tổ máy phụ thuộc rất nhiều vào năng lực điều khiển của hệ thống điều tốc. Máy điều tốc có thể thực hiện khởi động và dừng tổ máy hay thiết bị bằng tự động hoặc chạy bằng điện. Khi bộ phận tự động của máy điều tốc không hoạt động thì có thể vận hành bằng tay.
2: Kết cấu hệ thống khí nén.
Hệ thống điều tốc dùng công nghệ khí nitrogen áp dụng tại NM thủy điện Hà Nang 2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy nén khí;
Máy nén khí kiểu pit tông một cấp
- Cấu tạo cơ bản:
1- Trục quay 2- Pit tong 3- Van xả 4- Van hút
1 2 4 3
Hình 2.1. Máy nén khí kiểu pit tong một cấp
26
- Theo nguyên lý thay đổi thể tích
Không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó thể tích của buồng chứa sẽ nhỏ lại. Như vậy áp suất trong bình chứa sẽ tăng lên. Các loại máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích gồm: kiểu pit tông, bánh răng và cánh gạt.
- Theo nguyên lý động năng
Không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó áp suất khí nén được tạo ra bằng động năng bánh dẫn, nguyên tắc này tạo ra lưu lượng và công suất khí lớn. Máy nén khí theo nguyên lý này như: máy nén khí kiểu ly tâm.
2.2. Hệ thống ống dẫn khí nén;
Hệ thống khí nén gồm có: máy nén khí, đường ống dẫn khí, các thiết bị kiểm tra - đo lường và những trang thiết bị khác nhằm đảm bảo yêu cầu khí nén cho trạm bơm. Sơ đồ hệ thống khí nén của trạm bơm trục đứng có công suất lớn hơn 40 MW được chỉ dẫn trên Hình 10 - 15. Thành phần của hệ thống gồm: các máy nén cao áp ( 40 at ) và thấp áp ( 7 at ). Mỗi máy nén của trạm nầy nối với một bình khí nén. Nối đường ống khí nén cao áp với thấp áp qua van giảm áp 14. Hai máy nén cao áp 2 sản xuất khí nén cao áp ( 40 at ) trữ vào bình cao áp 4 rồi dẫn theo ống 5 đến máy cắt không khí của trạm phân phối điện, khí nén cao áp từ 4 còn được dẫn theo ống 3 để cấp cho két dầu áp lực. Hai máy nén thấp áp 16 nối với các bình khí nén thấp áp 15, sau đó khí nén theo đường ống 6 đưa đến nơi tự dùng của trạm bơm ( như các dụng cụ khí nén, thổi trang thiết bị ), cũng như để hãm tổ máy bơm, nén nước ở buồng BXCT của máy bơm khi khởi động máy bơm, thổi rác lưới chắn rác ... Khi van hình xoắn 10 mở, khí nén
27
được đưa vào buồng BXCT để nén nước trong buồng. Hệ thống 7 cung cấp lệnh đưa khí nén vào máy hãm rô to động cơ điện. Dùng đồng hồ đo mực nước 12 để đo mực nước trong buồng BXCT. Sau quá trình nén nước, việc tích nước trở lại BXCT máy bơm được tiến hành bằng cách đóng van 10 và mở van 11.
Hệ thống khí nén của trạm bơm nên bố trí trong những buồng riêng có tường và trần ịu lửa và bền vững khi có sự cố vỡ bình khí nén hay đường ống dẫn khí bị vỡ. Ống dẫn khí nén được làm từ đường ống thép kéo không nối, dùng mặt bích để tháo lắp. Trên đoạn ống
ẳng cứ cách 40 ... 50 m cần đặt một khớp bù . 2.3. Thiết bị khống chế và bảo vệ;
2.4. Thiết bị đo áp lực.
28