V. Cấu tạo một nhà máy thủy điện
17. Biến điện áp (TU) và biến dòng điện (TI)
Đây là thành phần quan trọng nhất của một nhà máy thủy điện.
Ta có những loại turbine thuỷ lực sau:
- Turbine chỉ sử dụng phần động năng để làm quay BXCT gọi là loại turbine xung lực. Loại này còn gọi là turbine dòng chảy không áp vì dòng chảy trong môi trường khí quyển nên chuyển động của dòng tia trên cánh BXCT là chuyển động không áp, áp suất ở cửa vào và cửa ra như nhau và bằng áp suất khí quyển. Turbine xung kích được chia thành các hệ sau:
Hệ turbine xung lực gáo (turbine Penton)
Hệ turbine xung lực kiểu phun xiên;
Hệ turbine xung lực hai lần (turbine Banki).
- Turbine sử dụng cả thế năng và động năng, trong đó phần thế năng là chủ yếu gọi là loại turbine phản lực . Loại này còn gọi là turbine dòng chảy có áp, áp lực dòng chở cửa vào của BXCT luôn lớn hơn áp lực ở cửa ra của nó. Dòng chảy qua TB là dòng liên tục điền đầy nước trong toàn bộ máng cánh. Loại này được chia ra các hệ sau:
Hệ TB xuyên tâm hướng trục
Hệ TB hướng trục ( gồm turbine cánh quạt và turbine cánh quay );
Hệ TB hướng chéo
Hệ TB dòng ( gồm turbine dòng nửa thẳng và turbine dòng thẳng );
Hệ TB thuận nghịch (là m việc theo hai chế độ: máy bơm và turbine).
20.Một số dạng kết cấu của turbin
a. Tuabin phản lực
Turbine phản lực là loại sử dụng phần thế năng và một phần động năng của dòng nước. Bánh xe công tác của nó làm việc trong môi trường chất lỏng liên tục và áp lực nước ở phía trước bánh xe công tác lớn hơn phía sau của nó. Khi chảy qua rãnh tạo bởi bề mặt cong của các cánh, dòng nước sẽ thay đổi hướng tác dụng lên cánh và làm quay BXCT. Dựa vào hướng của dòng nước ở cửa vào và cửa ra BXCT người ta chia turbine làm các hệ: tâm trục, hướng trục, cánh chéo, turbine dòng, thuận nghịch.
• Tuabin kiểu tâm trục – Francis
Tuabin Francis là một trong những hệ tuabin phản lực được sử dụng rộng rãi nhất. Các tuabin Francis bao gồm các bộ phận phân phối, rotor, stator, đường ống. Các bộ phận quay là phần quan trọng nhất của tuabin, bao gồm các bánh xe công tác, gối đỡ, trục, bộ phận làm kín. Tuabin Francis có trục nằm ngang hoặc thẳng đứng và ngoài ra còn có trường hợp bố trí chéo.
Nguyên lý hoạt động của kiểu Tuabin tâm trục Francis như sau:
Chất lỏng từ buồng 4, qua cánh hướng dòng 3 vào cửa vào cánh 1 BXCT theo hướng xuyên tâm rồi chuyển hướng 900 và ra khỏi BXCT để vào ống xả 2 theo hướng dọc trục
Phạm vi áp dụng:
Sử dụng cho các trạm có cột áp H = 30 ÷ 60m.
Thông số quy dẫn của Tuabin Francis : n’1 = 60 ÷ 120 vòng/phút. Q’1 = 400 ÷ 1.000 lít/giây.
Tua bun hướng trục hay Tuabin Kaplan hay Tuabin cánh quay là dạng cải tiến từ dạng cánh cố định qua quá trình nghiên cứu của giáo sư người Tiệp tên là Kaplan.Nhờ cánh có thể quay được xung quanh bầu, do vậy thích ứng được các chế độ làm việc khác chế độ thiết kế dẫn đến vùng làm việc của turbine với hiệu suất cao được mở rộng . Do vậy TB cánh quay có khả năng làm việc với công suất và cột nước thay đổi nhiều.
BXCT của TB cánh quay gồm có: bầu, cánh, chóp thoát nước và bộ phận quay cánh xung quanh BXCT.
Áp dụng trong phạm vi cột nước từ 15 ÷ 60m. Được áp dụng rộng rãi trong thực tế.
Các tuabin Kaplan là thích hợp cho các nhà máy điện cột nước thấp. Cùng cột nước thấp, tốc độ cho phép của tuabin Kaplan là cao hơn so với các tuabin Francis.
Các tuabin Phạm vi sử dụng tốt nhất của Turbine Kaplan là áp dụng cho các nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông và cho kiểu nhà máy có cột nước thấp từ 3,0m đến 30m.
Kaplan là phù hợp với năng lượng thủy lực có cột áp thấp, thích hợp cho các nhà máy điện lớn với cột áp cao, với nhiều thay đổi của tải.
Thông số quy dẫn của Tuabin hướng trục : n’1 = 100 ÷ 200 vòng/phút. Q’1 = 120
÷ 2.000 lít/giây.
Hình 19: Tuabin Kaplan
• Tuabin cánh chéo
Turbine cánh chéo được ra đời chậm hơn các loại turbine trên, nó là loại trung gian giữa tâm trục và hướng trục. Nó kết hợp được các ưu điểm của hai hệ turbine trên. Turbine cánh chéo được sử dụng ở các TTĐ có cột nước H = 30÷150m. Nó thuộc loại turbine cánh quay.
BXCT gồm 10 đến 14 cánh được gắn vào bầu hình chóp nhờ các trục cánh. Trục cánh làm với trục turbine một góc 300, 450, 600 nên dòng chảy trong BXCT chéo với góc của nó.
Ngoài ra, TB cánh quay làm việc với cột nước thấp, muốn chịu được cột nước cao hơn thì phải tăng số lượng cánh BXCT của nó lên từ 6 đến 10 cánh. Như vậy bầu BXCT phải có đường kính lớn. Để có thể tăng số cánh mà không phải tăng đường kính thì tốt hơn hết là trên mỗi trục cánh lắp hai cánh kép.
• Tuabin dòng
Turbine dòng Turbine dòng gồm hai loại: dòng c y thẳng và nửa thẳng. Turbine dòng thực chất là turbine cánh quay trục ngang, nên BXCT của nó hoàn toàn giống turbine cánh quay. Loại này dùng với cột nước rất thấp và lưu lượng rất lớn.
Hình 20: Mặt cắt một mô hình Tuabin dòng cột áp thấp
Turbine dòng nửa thẳng
Turbine này còn gọi là turbine Capxun. Tổ máy có turbine trục ngang nối liền trục với trục máy phát điện đặt trong bọc kín bằng kim loại (gọi là cáp xun) có dạng thuận dòng. Capxun chứa máy phát điện có thể nằm trước BXCT hoặc nằm sau BXCT trong ống hút thẳng. Các cánh hướng dòng thuộc loại hướng tâm hoặc hình chóp.
Stator thuộc loại và cùng với các trụ tựa sẽ truyền tải trọng tổ máy lên móng máy. Liên hệ giữa các thiết bị đặt trong Capxun với gian máy bằng các tháp.
Turbin dòng thẳng:
Dòng nước theo buồng turbine hình trụ thẳng đi qua stator trước vào bộ phận hướng dòng và tác động vào BXCT về hạ lưu theo dòng thẳng. Roto máy phát điện được gắn vào mút cánh TB, do vậy khi BXCT quay thì cũng chính rotor quay. Turbine dòng thẳng có cấu tạo phức tạp, đặc biệt là ở các vòng đệm chống thấm vòng quanh mà hiệu suất không cao hơn turbine hướng trục bình thường mấy, nên ít được sử dụng.
Trạm thuỷ điện Ortatran ở Liên Xô cũ sử dụng turbine này với công suất turbine N = 6,3MW, cột nước H = 10,5m.
• Tuabin thuận, nghịch
Turbine thuận nghịch được dùng trong " tổ máy hai máy" ở các TTĐ tích năng, có khả năng làm việc ở hai chế độ: bơm nước và phát điện.
Nguyên lý làm việc của turbine và máy bơm trái ngược nhau, do vậy để làm việc ở một chế độ cụ thể phải chỉnh chiều quay cánh thích hợp với từng chế độ làm việc.
Với công suất 10 MW lưu lựơng bơm được là 105 m3/s khi H = 6m và 225 m3/s khi H = 1m; lưu lượng lớn nhất ở chế độ turbine là 230 m3/s . Vòng quay n = 97,75 v/p
b. Tuabin xung lực
Là hệ tuabin, trong đó bánh công tác quay được là do xung lực của dòng chảy.
Trong quá trình làm việc chỉ có phần động năng của dòng chảy thay đổi, còn thế năng không thay đổi. Áp suất cửa vào và cửa ra của bánh công tác là áp suất khí trời.
• Tuabin gáo (Tuabin Pelton)
Turbine xung lực gáo ( còn gọi là turbine Penton ) Turbine này do người Mỹ tên là Penton đưa ra năm 1880 nên còn gọi là turbine Penton. Quá trình hoạt động của turbine gáo như sau:
nước từ thượng lưu theo ống áp lực chảy qua vòi phun (ở đây lưu lượng được điều chỉnh trước khi phóng vào cánh BXCT nhờ van kim ), rồi phóng vào cánh dạng gáo của turbine, làm quay BXCT kéo theo trục turbine quay, nước đập vào cánh gáo bị bắn ra hai phía và được vỏ của turbine gom lại dẫn về hầm xả để tháo về hạ lưu của nhà máy.
Hình 21: Nguyên lý hoạt động Tuabin Pelton
Sau đây chúng ta xem xét cấu tạo và tác dụng các bộ phận chính của turbine gáo.
Vòi phun nhận nước từ ống áp lực biến toàn bộ năng lượng dòng nước thành động năng trước khi đưa vào BXCT và điều chỉnh lưu lượng vào turbine nhờ dịch chuyển qua lại của van kim đặt bên trong. Turbine gáo cột nước cao và ống áp lực dài còn có bộ phận tách dòng để hướng một phần hay toàn bộ tia nước không cho vào BXCT để tránh hiện tượng nước va xảy ra quá lớn khi đóng nhanh van kim của nó. Bộ phận này chỉ làm việc khi cắt giảm phụ tải máy phát điện. Khi phụ tải giảm, van kim cần phải nhanh chóng đóng bớt độ mở để giảm lưu lượng thich hợp, tuy nhiên nếu van đóng quá nhanh trong vòi phun sẽ xuất hiện áp lực nước va quá lớn làm bể vòi phun. Để giảm trị số áp lực nước va, lúc này máy điều tốc sẽ nhanh chóng nhấc thiết bị tách dòng lên ngắt bớt phần lưu lượng thừa ra khỏi cánh gáo. Nhờ vậy lưu lượng vào BXCT vẫn giảm ngay theo yêu cầu giảm tải mà van kim chỉ phải đóng từ từ. Sự phố
Tuabin gáo bao gồm 02 loại: Trục đứng và trục ngang.
Áp dụng trong phạm vi cột nước từ H = 300 ÷ 2.000m hoặc cao hơn nữa (Đối với loại công suất lớn).
Áp dụng trong phạm vi cột nước từ H = 40 ÷ 250m (Đối với loại công suất cực nhỏ).
Hình 22: Mô hình thi nghiệm Tuabin Pelton
• Tuabin xung lực hai lần (Tuabin Banki – Michel)
Turbine gồm có vòi phun tiết diện hình chữ nhật 4 được nối liền với đoạn ống chuyển tiếp. Vòi có cơ cấu điều chỉnh lưu lượng gồm van phẳng gắn với trục điều khiển có tay quay vô lăng. Khi vô lăng quay, trục điều chỉnh sẽ tịnh tiến về phía trước hoặc phía sau làm cho tiết diện ra của vòi phun thay đổi, nên lưu lượng vào turbine cũng được thay đổi theo. Bánh xe công tác gồm các cánh cong được gắn giữa các đĩa, số cánh từ 12÷48. Trục turbine xuyên qua giữa bánh xe công tác gắn chặt với các đĩa bằng then. Vỏ (buồng) dùng để chắn không cho nước từ BXCT bắn ra ngoài. Hầm xả có nhiệm vụ dẫn nước về hạ lưu.
Dòng nước từ vòi phun tác dụng vào các cánh phía trên (nhận khoảng chừng 80% năng lượng của dòng nước) đẩy BXCT lần thứ nhất xong lại đi vào khoảng trống giữa BXCT rồi lại tác dụng lần thứ hai vào cánh trước khi ra khỏi bánh xe công tác (nhận thêm 20÷30% phần năng lượng còn lại). Hiệu suất của loại turbine này tùy thuộc vào số cánh của BXCT và vào khoảng 80÷85%. Ưu điểm cơ bản của turbine xung kích hai lần là có thể chọn đường kính BXCT và số vòng quay turbine trong một phạm vi rộng mà không phụ thuộc vào lưu lượng, bởi vì lưu lượng không chỉ phụ thuộc vào đường kính mà còn phụ thuộc vào chiều rộng BXCT.
Sử dụng rộng rãi cho các trạm thuỷ điện có H = 10 ÷ 60m.
Thông số quy dẫn: n’1 = 30 ÷ 100 vòng/phút
Hình 23: Ứng dụng thực tế Tuabin xung lực hai lần
Hình 24: Nguyên lý hoát động Tuabin xung lực hai lần
Hình 25: Phạm vị áp dụng các loại Tuabin
VI.Các vấn đề về môi trường của các trạm thủy điện trong giai đoạn hoạt động
TT Đối tượng bị tác động Nguồn tác động
1 Giai đoạn chuẩn bị
1.1 Địa hình địa mạo San ủi mặt bằng 1.2 Môi trường không khí
San ủi mặt bằng
Nâng cấp tuyến đường để phục vụ thi công
Khoan khảo sát địa chất khu vực tuyến đập 1.3 Kinh tế, xã hội khu vực
a Tài nguyên đất Thu hồi đất để xây dựng mặt bằng công trường
Thu hồi đất XD đường, điện phục vụ thi công a Các khu dân cư (di chuyển dân
cư)
Thu hồi đất để xây dựng mặt bằng công trường
Thu hồi đất để nâng cấp tuyến đường 2 Giai đoạn xây dựng
2.1 Địa hình địa mạo Đào, vận chuyển và đắp đất, đỏ tại hố múng Khai thác mỏ đá
Các bãi thải vật liệu
2.2 Môi trường không khí Đào, vận chuyển và đắp đất, đỏ Công tác đổ bê tông
Vận chuyển nguyên, vật liệu từ ngoài đến khu vực xây dựng công trình
2.3 Môi trường nước
a Chế độ dòng chảy Ngăn dòng chính sông, chuyển nước qua công trình dẫn dòng
b Chất lượng nước Đào, vận chuyển và đắp đất, đỏ Công tác đổ bê tông
Các kho, bãi chứa xăng, dầu, nguyên vật liệu, các bãi thải vật liệu
Tập trung nhiều nhân công
2.4 Động, thực vật Ngăn dòng chính sông, chuyển nước qua công trình dẫn dòng
Tập trung nhiều nhân công 25 Kinh tế, xã hội khu vực
a Các khu dân cư, tổ chức xã hội, trường học
Hồ chứa
Xây dựng đường dây dẫn điện vào công trình b Các công trình phục vụ cụng
cộng, công trình cơ sở hạ tầng Hồ chứa
c Các vấn đề về xã hội Tập trung đông công nhân 3 Giai đoạn vận hành
3.1 Địa hình, địa mạo (xói lở, bồi
lắng) Vận hành hồ chứa
3.2 Môi trường nước
a Chế độ thuỷ văn Vận hành hồ chứa
Dòng chảy từ Trung Quốc
b Hồ chứa Vận hành hồ chứa
Sự cố đập
c Chất lượng nước Vận hành hồ chứa d Chế độ nước ngầm Vận hành hồ chứa 3.3 Môi trường đất Vận hành hồ chứa 3.4 Hệ động, thực vật Vận hành hồ chứa
vùng xung quanh hồ nhiệt độ không khí vào mùa hè sẽ giảm khoảng 1 đến 1,5 C so với trước khi có hồ. Khi hồ tích nước sẽ tạo nên một hồ nước thoáng rộng, kéo dài và len lỏi đưa được nước đến những nơi xa xôi hẻo lánh nơi mà lâu nay không có nguồn nước tưới chủ động. Có hồ, độ ẩm trong vùng được tăng thêm tạo điều kiện cho các loại cây trồng, cây tự nhiên phát triển, độ ẩm không khí tăng lên, hoàn lưu không khí trong khu vực cũng thay đổi, nhiệt độ xung quanh các khu vực hồ chứa giảm đi và biên độ nhiệt cũng giảm đi, khí hậu tại các tiểu vùng trở nên ôn hòa hơn.
b. Tác động đến khả năng cung cấp nước, chống lũ:
Công trình thủy điện có hiệu quả tốt trong việc bổ sung nước về mùa kiệt cho các nhu cầu sử dụng ở hạ lưu và đẩy mặn. Lượng nước bổ sung cho hạ lưu về mùa kiệt là rất đáng kể và sẽ tạo ra điều kiện cần thiết để đáp ứng các nhu cầu sử dụng nước ở hạ lưu về mùa kiệt và đẩy mặn.
Sau khi hoàn thành xây dựng, thuỷ điện chỉ đóng vai trò tạo nguồn để bổ sung về tổng lượng nước cho hạ lưu vào mùa kiệt. Từ thời điểm này, việc phân phối và duy trì dòng chảy ở hạ lưu trên cơ sở tổng lượng nước bổ sung được tạo nguồn từ thuỷ điện.
Như vậy, sau khi hoàn thành xây dựng thuỷ điện, vào mùa kiệt thuỷ điện có thể tập trung lượng nước được điều tiết để phát điện với công suất lớn nhất có thể được trong những giờ cao điểm của biểu đồ phụ tải ngày mùa kiệt nhằm phát huy tốt nhất hiệu ích về công suất của thuỷ điện đối với hệ thống điện mà không ảnh hưởng đến việc thực hiện nhiệm vụ bổ sung nước cho hạ lưu về mùa kiệt.
c. Tăng mực nước ngầm hồ chứa
Khi công trình đi vào hoạt động, hồ chứa sẽ làm nguồn cung cấp đáng kể cho lượng nước ngầm. Lượng nước mặt sẽ được ngấm xuống tầng nước ngầm và khi tầng nước nước mặt bị hạ xuống thì tầng nước ngầm lại bổ sung cho tầng nước mặt. Đây là mối quan hệ giữa tầng nước mặt và tầng nước ngầm. Nước ngầm được bổ sung liên tục giữ cho chất lượng nước ngầm được ổn định.
d. Cung cấp điện, phát triển giao thông, công nghiệp, du lịch
Công trình thuỷ điện khi đi vào hoạt động sẽ góp phần cung cấp điện cho khu vực lân cận và khu dân cư khu vực dự án. Sản lượng điện hàng năm mà công trình mang lại sẽ cung cấp điện trong sản xuất và trong sinh hoạt của vùng thực hiện dự án, là động lực thúc đẩy các ngành kinh tế khác trong khu vực phát triển, đặc biệt là ngành công nghiệp địa phương, nông nghiệp, phi công nghiệp nâng cao chất lượng cuộc sống cho nhân dân..
Khi xây dựng công trình thủy điện, các tuyến đường trong công trường được xây dựng, các tuyến đường này sẽ tạo điều kiện thuận lợi về giao thông của nhân dân trong vùng và khu vực xây dựng công trường, tạo điều kiện giao lưu hàng hoá giữa vùng xây dựng dự án
Việc hình thành hồ chứa thủy điện sẽ tạo ra một cảnh quan đẹp với điều kiện khí hậu là điều kiện thuận lợi cho các hoạt động du lịch nghỉ dưỡng, tham quan nhà máy.
Sau khi kết thúc xây dựng công trình, khu vực công trình thủy điện với các cơ sở dân cư, văn hoá, xã hội sẽ trở thành một điểm tập trung dân cư với cơ sở hạ tầng tương đối đầy đủ. Hệ thống đường giao thông thông phục vụ thi công, vận hành công trình sẽ tạo khả năng giao lưu về kinh tế và xã hội của khu vực xây dựng công trình với các trung tâm kinh tế và xã hội của địa phương.
e. Tác động có lợi của dự án đến sự phát triển của nghề cá
Hồ chứa thủy điện được hình thành sẽ có diện tích mặt hồ lớn, độ sâu lòng hồ cao, sự thay đổi nghề cá chuyên và không chuyên từ khai thác trên dòng chảy sang khu vực nước đứng đòi hỏi phải có sự chuyển đổi về tri thức và các phương tiện giao thông vận chuyển đánh bắt, tri thức về quản lý vùng hồ.
Một nghề du lịch phát triển trên hồ chứa với thú vui câu cá, ăn uống mặt hàng thủy sản độc đáo của vùng thượng du như cá Lăng, cá Ghé.
Hồ chứa với sự phát triển thủy sản và giao lưu kinh tế sẽ đem đến những sự thay đổi lớn lao của khu vực này, một nền văn minh công nghiệp, sự phát triển kinh tế và sự phồn vinh cho dân tộc ở lưu vực sông Cả, đóng góp một phần rất lớn cho nghề thủy sản Việt Nam ở miền Trung, một khu vực xưa nay vồn nghèo nàn, nhưng có sức lao động cần cù và thông minh.
2. Tác động tiêu cực trong giai đoạn vận hành a. Bồi lắng