Thụng số turbine 26

1.4.1. Cột ỏp turbine

Cột ỏp turbine được xỏc định bằng hiệu năng lượng riờng giữa tiết diện vào của Turbine và tiết diện ra. Cột ỏp turbine xỏc định theo cụng thức:

2 2 1 2 1 1 2 2 1 2 2 p p h h V V H Z Z g          (1.23)

Trong đú: Z1 là Cột nước phớa tiết diện vào turbine.

Z2 là Cột nước phớa tiết diện ra của turbine

P1 là Áp suất tiết diện vào turbine.

P2 là Áp suất tiết diện ra turbine.

V1 là Vận tốc tại tiết diện vào turbine.

V2 là vận tốc tại tiết diện ra turbine.

1.4.2. Lưu lượng qua Turbine

Là lượng nước chảy qua turbine trong một đơn vị thời gian, ký hiệu là Q

(m3/s). Lưu lượng là đại lượng quan trọng làm thay đổi cụng suất turbine phự hợp so với thay đổi của tải. Khi dũng chảy chảy qua bộ phận cỏnh hướng và sau đú qua bỏnh xe cụng tỏc, ta cú cụng thức tớnh lưu lượng như sau:

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 2 2 0 1 0 1 2 2 2     ctg F U b r ctg U U w gH Q tl    (1.24) Trong đú: tl

 là hiệu suất thuỷ lực.

U1 là vận tốc theo vận tốc quay tai mộp vào bỏnh xe cụng tỏc. U2là vận tốc theo vận tốc quay tai mộp ra bỏnh xe cụng tỏc. b0 là chiều cao cỏnh hướng.

0 là gúc quay cỏnh hướng. 2 gúc đặt bỏnh quay cụng tỏc.

1.4.3. Cụng suất

Cụng suất được xỏc định theo cột ỏp và lưu lượng qua turbine theo cụng thức:



 . . 9.81. . 102

Q H

N Q H (1.25)

Cụng suất hữu ớch là cụng suất trờn trục turbine bao giờ cũng nhỏ hơn cụng suất vỡ trong quỏ trỡnh biến đổi luụn cú tổn thất. Cụng thức xỏc định:

.

h t

N N (1.26)

1.4.4. Hiệu suất

Hiệu suất turbine xỏc định theo cụng thức:

/ (9,81. . )

t Nh Q H

  (1.27)

Hiệu suất turbine là tớch ba hiệu suất:

0

. .

t tl ck

    (1.28)

Trong đú: tl: Hiệu suất thuỷ lực.

0

 : Hiệu suất thể tớch do tổn thất rũ rỉ.

ck

 : Hiệu suất cơ khớ do tổn thất cơ khớ.

Khi turbine làm việc do tốc độ (n) khụng đổi, cột nước làm việc (H) thay đổi chậm cú thể coi khụng đổi, vậy chỉ cú lưu lượng (Q) hoặc cụng suất (N) thay đổi làm cỏc thụng số khỏc thay đổi theo. Đặc tớnh cụng tỏc tiờu biểu của turbin như hỡnh 1-13.

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hỡnh 1-13. Đặc tớnh hiệu suất turbine

Từ đường đặc tớnh làm việc ta thấy, khi tăng cụng suất thỡ hiệu suất tăng từ khụng đến giỏ trị cực đại rồi giảm xuống cũn cụng suất của turbine chỉ cú thể tăng đến một giới hạn nào đú (Ngh) dự lưu lượng tăng thờm, vỡ khi đú hiệu suất của turbine giảm nờn cụng suất turbine giảm.

Do đú thường chỉ cho turbine làm việc trong phạm vi: N ≤ (0,95 - 0,97)Ngh. Đường giới hạn 95%Ngh gọi là đường dự trữ (đường hạn chế) cụng suất 5% của Turbine.

Khi xột đến sự thay đổi cột nước và chất lượng điều chỉnh của một hệ bất kỡ núi chung được đỏnh giỏ bằng cỏc chỉ tiờu. Hai chỉ tiờu trong số đú là: độ chớnh xỏc và khả năng tỏc động nhanh.

1.4.5. Số vũng quay của turbine

Số vũng quay của turbine thụng thường chớnh là số vũng quay của mỏy phỏt. Vỡ vậy khi chọn số vũng quay turbine phải chỳ ý đến số vũng quay đồng bộ

mỏy phỏt: n 60f

p

 (1.29)

Trong đú: p : Số đụi cực mỏy phỏt;

f : Tần số lưới điện.

Hai đại lượng này đặc trưng cho kớch thước và cỡ turbine, chỳng cú mối quan hệ mật thiết với nhau và được xỏc định bởi cột ỏp và lưu lượng của turbine. turbine cú cụng suất lớn thỡ đường turbine kớnh lớn.

Turbine cú cột càng lớn thỡ số vũng quay càng lớn và kớch thước càng nhỏ.

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

Đường biểu thị quan hệ giữa cỏc thụng số của turbine gọi là đường đặc tớnh của turbine. Cú hai loại đường đặc tớnh: đặc tớnh đơn và đặc tớnh tổng hợp. Cỏc đường đặc tớnh đơn biểu thị quan hệ giữa cỏc cặp hai thụng số một; cỏc đường đặc tớnh tổng hợp biểu thị quan hệ giữa nhiều thụng số của turbine. Cú ba loại đường đặc tớnh : đặc tớnh cụng tỏc, đặc tớnh vũng quay, đặc tớnh cột nước.

1.5.1. Đường đặc tớnh cụng tỏc

Cỏc đường đặc tớnh cụng tỏc này biểu thị cỏc quan hệ: , Q, α0 = f(N), hoặc cỏc quan hệ N,, α0 = f(Q), hoặc quan hệ Q, , N = f(α0), trong điều kiện: n = const và cột nước H = const (hỡnh 1-14). Cỏc quan hệ này biểu thị cỏc thụng số ở dạng khụng thứ nguyờn tớnh theo phần trăm

a) b) c)

Hỡnh 1-14. Cỏc đường đặc tớnh cụng tỏc của Turbine

Qua cỏc đường trờn cho phộp ta cú những nhận xột cần thiết đối với turbine: Trờn đường đặc tớnh cụng tỏc cụng suất (hỡnh a): khi = 0 và N = 0 thỡ Q và α0 vẫn khỏc khụng, vỡ rằng muốn phỏt ra được một cụng suất hữu ớch nào đú, thỡ cần phải cú một lưu lượng khụng tải tương ứng với độ mở nhỏ nhất nào đú, để khắc phục cỏc tổn thất nhất định trong turbine.

Mặt khỏc ta thấy hiệu suất lớn nhất khụng ứng với cụng suất lớn nhất, mà ứng với một giỏ trị cụng suất nhỏ hơn cụng suất lớn nhất.

Trờn hai đường đặc tớnh lưu lượng và độ mở (hỡnh b,c) ta thấy hiệu suất và cụng suất hữu ớch bằng khụng ứng với Q và α0 luụn nhỏ hơn 100%.

Trong cỏc đường đặc tớnh cụng tỏc, người ta hay dựng dạng riờng biểu thị quan hệ giữa hiệu suất và cụng suất của cỏc loại turbine khỏc nhau(hỡnh 1-15), nhằm so sỏnh đặc tớnh hiệu suất giữa cỏc turbine.

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hỡnh 1-15. Đường đặc tớnh của cỏc loại turbine

Qua đường này ta cú nhận xột:

- Turbine gỏo cú hiệu suất ηmax nhỏ nhất, nhưng đường đặc tớnh thoải nờn cú vựng làm việc với hiệu suất cao được nới rộng;

- Hiệu suất ηmax cuả turbine tõm trục và turbine cỏnh quạt lớn nhất trong cỏc loại turbine. Tuy vậy nhưng đường này của turbine tõm trục tương đối dốc, nờn vựng làm việc cú hiệu suất cao bị giảm, cũn đường của turbine cỏnh quạt thỡ rất dốc, nờn vựng làm việc với hiệu suất cao bị thu hẹp nhiều;

- Turbine cỏnh quay cú đường đặc tớnh cụng tỏc thoải cú hiệu suất cao hơn, do vậy cú vựng làm việc với hiệu suất cao mở rộng hơn cả.

Sở dĩ cú được tớnh ưu việt này là nhờ cỏnh xoay được để đưa trạng thỏi làm việc đỳng thống số như thiết kế.

1.5.2. Đường đặc tớnh vũng quay

Đường đặc tớnh vũng quay biểu thị cỏc thụng số Q, N, η theo vũng quay n

khi đường kớnh D1, H, α0 khụng đổi (hỡnh 1-16).

Từ đường này ta thấy hiệu suất cao khụng trựng với N và Q lớn nhất. Khi n

tăng thỡ cỏc thụng số sẽ thay đổi.

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hỡnh 1-16. Đặc tớnh vũng quay

1.5.3. Đường đặc tớnh cột nước

Đường đặc tớnh này biểu thị quan hệ giữa cỏc thụng số Q, N,  của turbine theo cột nước H. Cột nước của turbine luụn thay đổi trong quỏ trỡnh vận hành. Trờn đồ thị ta thấy: ứng với  = 0 và N = 0, thỡ cần cú cột ỏp nào đú đặc trưng cho tổn thất thuỷ lực ở chế độ khụng tải.

Khi H tăng thỡ cụng suất turbine tăng, nhưng hiệu suất cao nhất lại đạt được ở một giỏ trị cột nước nào đú ứng với độ mở khỏc nhau. Cũn lưu lượng Q thỡ tăng cựng với P tăng (hỡnh 1-17).

Hỡnh 1-17. Đặc tớnh cột nước

1.5.4. Đường đặc tớnh tổng hợp

Cỏc đường đặc tớnh đơn đó nghiờn cứu ở trờn chỉ mới biểu thị được quan hệ của từng cặp thụng số, trong khi những thụng số coi như khụng thay đổi, điều này khỏc với thực tế vận hành của turbine là cỏc thụng số, đồng thời tham gia vận hành và thay đổi.

Vỡ vậy cần cú đường đặc tớnh biểu thị cỏc thụng số cựng tham gia vận hành. Đường đặc tớnh như vậy gọi là đường đặc tớnh tổng hợp vận hành.

Đường đặc tớnh tổng hợp vận hành là đường đặc tớnh của của một turbine cụ thể cú đường kớnh D1 và vũng quay n đó biết.

Đường đặc tớnh này được xõy dựng trong hệ trục toạ độ cột nước H và cụng suất N, biểu diễn cỏc đường sau hỡnh 1-18:

- Họ cỏc đường đồng hiệu suất η = f (N, H);

- Họ cỏc đường đồng độ cao hỳt nước Hs = f (N, H); - Họ cỏc đường hạn chế cụng suất turbine và mỏy phỏt .

Trờn đường đặc tớnh tổng hợp vận hành, ta thấy giao của hai đường hạn chế cụng suất của turbine và mỏy phỏt, điểm này tương ứng với cột nước Htk.

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

Ta thấy rằng, khi cột nước nhỏ hơn cột nước thiết kế Htk thỡ khụng thể phỏt ra được cụng suất định mức (thể hiện cụng suất chịu cản do thiếu cột nước), chỉ cú làm việc với cột nước H < Htk thỡ mới cú thể phỏt được cụng suất định mức.

Đường đặc tớnh tổng hợp vận hành, giỳp cho người vận hành xỏc định cỏc chế độ làm việc của turbine, xỏc định cỏc thụng số tại cỏc chế độ làm việc, cho phộp xỏc định khả năng phỏt ra cụng suất turbine.

Hỡnh 1-18. Đặc tớnh tổng hợp vận hành

1.5.5. Đường đặc tớnh của nhúm tổ mỏy

Trong thực tế vận hành khụng chỉ cú một turbine làm việc mà cú nhiều tổ mỏy (turbine, mỏy phỏt) cựng làm việc, do vậy phải xõy dựng đường đặc tớnh tổng hợp vận hành cho nhiều tổ mỏy. Khi đú cỏc đường đồng hiệu suất là tổ hợp cỏc đường hiệu suất turbine, hiệu suất mỏy phỏt để được cỏc đường đồng hiệu suất của nhúm tổ mỏy.

Sau đú xõy dựng đường đồng hiệu suất của nhúm tổ mỏy. Dưới đõy là vớ dụ về đường đặc tớnh cụng tỏc  = f(N) của ba tổ mỏy (hỡnh 1-19)

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.6. Tự động húa trong nhà mỏy thủy điện

Hỡnh 1-20. Sơ đồ điều khiển của nhà mỏy thuỷ điện

Cấu trỳc toàn bộ hệ thống cú cỏc bộ điều khiển vận hành trực tiếp trờn cỏc bộ phận riờng rẽ. Trong mỗi tổ mỏy phỏt gồm cỏc bộ phận điều khiển động lực đầu tiờn và cỏc bộ điều khiển kớch từ. Phần động lực đầu tiờn bao gồm turbine và hệ thống thủy lực, do vậy cỏc bộ điều khiển động lực đầu tiờn liờn quan tới việc điều chỉnh tốc độ, và điều khiển cỏc biến số của hệ thống cung cấp năng lượng. Chức năng của điều khiển kớch từ là điều chỉnh điện ỏp mỏy phỏt, và cụng suất phản khỏng. Cụng suất phỏt mong muốn của cỏc tổ mỏy phỏt đơn lẻ được xỏc định bởi cỏc quỏ trỡnh điều khiển phỏt điện của hệ thống.

1.7. Kết luận chương 1

Nghiờn cứu tổng quan nhà mỏy thuỷ điện

Xỏc định vị trớ vai trũ đối tượng phải điều khiển tự động của hệ thống biến đổi nguồn sơ cấp là thiết bị turbine trong nhà mỏy thuỷ điện cú trục gắn với mỏy phỏt đồng bộ làm cơ sở cho việc nghiờn cứu xõy dựng hệ điều chỉnh tốc độ turbine (trục roto) cho nhà mỏy là sự đảm bảo sự ổn định tần số lưới điện và duy trỡ ổn định cụng suất cơ, khi hoà lưới dưới sự chỉ huy của điều độ hệ thống điện.

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

Chương 2

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC TURBINE THUỶ ĐIỆN NHỎ 2.1. Điều tốc turbine thuỷ điện nhỏ - vấn đề cần được nghiờn cứu

2.1.1. Sơ đồ nghiờn cứu

Mỗi nhà mỏy thuỷ điện đều được trang bị một hệ thống tự động ổn định tần số và tự động điều chỉnh điện ỏp. Với turbine thuỷ lực thỡ sự nhạy cảm với vấn đề quỏ tốc (lồng tốc) là rất nghiờm trọng, nờn luụn được thiết kế khả năng tự bảo vệ quỏ tốc với ớt nhất hai phương thức: bằng cơ học và bằng hệ thống tự động bảo vệ nằm trong hệ thống tự động kiểm tra, khống chế bởi cỏc thiết bị điện. Việc giữ ổn định tần số lưới điện đảm bảo yờu cầu đó được nhiều tỏc giả nghiờn cứu đó được ỏp dụng trong thực tế. Cỏc cụng trỡnh này nghiờn cứu đều nhằm đảm bảo tớnh ổn định tần số củ nhà mỏy. Hỡnh 2-1 mụ tả sơ đồ nghiờn cứu kết cấu biến đổi năng lượng từ nguồn thuỷ năng thành năng lượng điện.

Hỡnh 2-1 Sơ đồ nghiờn cứu nhà mỏy thuỷ điện

Trong đú kết cấu gồm cú:

- Đập tràn tự do ễphixerop cú cửa nhận nước kiểu tiron; - Một đường ống ỏp lực bằng thộp D1400 dày 14-20mm; - Một turbine Francis trục ngang HLD45-WJ-82;

- Một mỏy phỏt đồng bộ cú cụng suỏt 8MW; - Hệ thống điều chỉnh kớch từ;

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Cỏc thiết bị trợ động khỏc và hệ thống đường dõy truyền tải; - Hệ thống bảo vệ, an toàn ...v.v;

- Hệ thống điều tốc điều chỉnh lưu lượng nước vào turbine là vấn đề cần nghiờn cứu sao cho hệ thống luụn ổn định tốc độ là ổn định tần số lưới điện ở tần số cụng nghiệp 50Hz và sai số cho phộp ±0,2Hz [7], đảm bảo duy trỡ cụng suất cơ khi vận hành hoà lưới theo điều độ hệ thống.

2.1.2. Chức năng của thiết bị điều tốc

Mỏy điều chỉnh tốc độ quay turbine cú nhiệm vụ tự động thay đổi mụmen quay của turbine bằng cỏch điều tiết lượng nước vào turbine. Để điều tiết năng lượng nước vào turbine, người ta dựng hệ thống điều chỉnh cỏnh hướng nước (hoặc vũi phun). Trong hệ thống điều tốc việc điều chỉnh tốc độ trong nhà mỏy được chế tạo theo nguyờn lý điều chỉnh giỏn tiếp thụng qua khõu khuyếch đại thủy lực cú cấu tạo đa dạng và phức tạp, gồm những phần tử chớnh sau :

Hỡnh 2-2. Sơ đồ chức năng mỏy điều tốc Turbine

Trong đú:

Phần tử đo lường (1): Bộ phận để phỏt hiện độ lệch tần số quay của tổ mỏy khỏi giỏ trị đặt, sự sai lệch tần số của điện ỏp mỏy phỏt điện, gia tốc turbine hay thụng số điều chỉnh khỏc.

Phần tử khuyếch đại (2): Thường là bộ khuyếch đại điện từ hay khuyếch đại thủy lực.

Cơ cấu thừa hành thủy lực gọi là secvomoto (3) làm nhiệm vụ tỏc động trực tiếp vào bộ phận điều tiết để thay đổi năng lượng vào turbine.

Phần tử điều chỉnh (4) là thực hiện chức năng phản hồi cứng hoặc mềm theo vị trớ của cơ cấu thừa hành thủy lực 3.

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

Phần tử đặt (chỉnh định) (5) là cơ cấu đặt và hiệu chỉnh tốc độ quay. Ngoài ra cũn cú cỏc thiết bị phụ khỏc như cơ cấu hạn chế độ mở của cỏnh hướng

nước, cơ cấu giới hạn cột nước …

Hệ thống điều tốc của turbine là tổng hợp cỏc cơ cấu thiết bị cú nhiệm vụ cảm ứng sự thay đổi tốc độ quay của mỏy và thay đổi vị trớ tương ứng của cỏc cơ cấu điều chỉnh để thực hiện:

- Điều khiển tổ mỏy phỏt điện vận hành trong cỏc trường hợp: dừng chờ mỏy, chạy khụng tải, phỏt điện phụ tải và tiến hành chuyển đổi giữa cỏc trạng thỏi trờn; - Tổ mỏy tự động thực hiện mở mỏy, dừng mỏy và điều tiết khống chế phụ tải; - Trước khi hũa mạng (chạy khụng tải): Điều khiển tổ mỏy dựa trờn tần số hệ thống đỏnh dấu hoặc theo tần số đỏnh dấu đó cấp;

- Sau khi hũa mạng (cú phụ tải): Điều khiển và khống chế tổ mỏy vận hành theo cụng suất chuẩn và chạy theo tốc độ chuẩn đồng thời điều khiển tổ mỏy tự động điều tiết cụng suất;

- Đặt tham số điều khiển dựa trờn cỏc trạng thỏi khỏc nhau của tổ mỏy;