Đồ án Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin trong nhà máy thủy điện Hòa Bình

lời Mở đầu Chóng ta được biết rằng: Có thể sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau để phát điện. Trong đó năng lượng truyền thống như: Than, dầu, khí đốt, hạt nhân, thuỷ năng được coi là các dạng năng lượng cơ bản, còn năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thuỷ chiều và năng lượng thuỷ chiều cực nhỏ... là những dạng năng lượng mới. Với các nhà máy nhiệt điện, người ta sử dụng nhiên liệu là than đá, dầu hơi đốt. Nhà máy thuỷ điện lợi dụng năng lượng dòng chảy (bao gồm cả động năng và thế năng). Người ta còn xây dựng nhà máy điện bằng cách khai thác năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời... Ở nước ta có 3 nguồn năng lượng chính đã được khai thác là than, dầu khí, và năng lượng các lòng sông, suối lớn. Còn các nguồn năng lượng khác nh­: Năng lượng hạt nhân, gió, thuỷ chiều, sóng biển, mặt trời...đang được nghiên cứu sử dụng. Trong các nhà máy điện kể trên, thì phổ biến nhất là nhà máy thuỷ điện và nhiệt điện. Mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Nhà máy thuỷ điện gồm hàng loạt các ưu điểm sau : Hiệu suất nhà máy thuỷ điện có thể đạt được rất cao so với nhà máy nhiệt điện. Thiết bị đơn giản, dễ tự động hoá và có khả năng điều khiển từ xa. Ýt sự cố và cần Ýt người vận hành. Có khả năng làm việc ở phần tải thay đổi. Thời gian mở máy và dừng máy ngắn. Không làm ô nhiễm môi trường. Mặt khác, nếu khai thác thuỷ năng tổng hợp, kết hợp với tưới tiêu, giao thông và phát điện thì giá thành điện sẽ giảm xuống, giải quyết vấn đề triệt để của thuỷ lợi và môi trường sinh thái của một vùng rộng lớn quanh đó. Vốn đầu tư xây dừng nhà máy thuỷ điện đòi hỏi lớn hơn so với xây dựng nhà máy nhiệt điện. Nhưng giá thành 1 KWh của thuỷ điện rẻ hơn nhiều so với nhiệt điện, nên tính kinh tế vẫn là tối ưu hơn. Tuy nhiên, người ta cũng không thể khai thác nguồn năng lượng này bằng bất cứ giá nào. Xây dựng công trình thuỷ điện thực chất là thực hiện một sự chuyển đổi điều kiện tài nguyên và môi trường. Sự chuyển đổi này có thể tạo ra một điều kiện mới, gía trị mới sử dụng cho các lợi Ých kinh tế xã hội nhưng cũng có thể gây ra những tổn thất về xã hội và môi trường mà chúng ta khó có thể đánh giá hết được. Người ta chỉ khai thác thuỷ năng tại các vị trí công trình cho phép về điều kiện kỹ thuật, có hiệu quả kinh tế sau khi đã so sánh giữa lợi Ých và tổn thất. Đối với những thành phố và khu công nghiệp lớn phải kết hợp nhiều nhà máy nhiệt điện, điện nguyên tử và thuỷ điện. Chúng cần làm việc đồng bộ sao cho đạt hiệu quả cao nhất. Ở nước ta năng lượng của các dòng chảy trong sông, suối (thuỷ năng) rất phong phú, đứng hàng thứ 22 trên thế giới về tiềm năng thuỷ điện. Nguồn năng lượng này được phân bố khắp đất nước. Nhà nước và chính phủ đã có những sự đầu tư phát triển hệ thống thủy điện nh­ một số nhà máy lớn : Tuyên Quang, Sơn La, Hòa Bình … Một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng điện năng là tần số của lưới điện, tần số và sự suy giảm tần số của lưới nó phản ánh sự cung cấp năng lượng đủ hay thiếu của hệ thống. Trong hệ thống các nhà máy điện phải luôn luôn đảm bảo cung cấp đủ công suất cho tất cả các phụ tải của hệ thống và có dự phòng, đảm bảo tần số lưới dao động 49.5-50.5 Hz. Ở lưới điện Việt Nam, tần số lưới điện bình thường là 50 Hz. Việc giữ tần số ổn định cho lưới điện là một vấn đề quan trọng, vì nó giữ ổn định cho mạng điện quốc gia. Khi tần số suy giảm dẫn đến giao động công suất trong khu vực làm mất ổn định hệ thống và hệ thống sẽ tan rã nếu không xử lý kịp thời. Thông qua việc điều khiển tốc độ quay tuabin ta có thể điều chỉnh tần số và phân bố công suất của máy phát từ đó có thể điều chỉnh tần số của lưới điện và phân bố công suất của tổ máy sao cho chi phí vận hành là nhỏ nhất. Do vậy sau khi tìm hiểu về nhà máy thủy điện, được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Văn Hòa và các thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự Động, cùng với sự chỉ bảo dẫn dắt của các cô chú trong nhà máy thủy điện Hòa Bình, chúng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin trong nhà máy thủy điện Hòa Bình ”. Bản đồ án này gồm các chương: Chương 1 : Tổng quát chung nhà máy thuỷ điện. Chương 2 : Kết cấu của các thành phần cơ khí trong nhà máy thủy điện Hòa Bình Chương 3 : Hệ thống điều khiển tốc độ quay của Tuabin (Bộ điều tốc). Chương 4 : Mô phỏng quá trình điều khiển tần số của bộ điều tốc bằng Matlab. Để hoàn thành tốt đồ án này, trước hết chúng em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo trong bộ môn Điều Khiển Tự Động – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo hành trang kiến thức nhất định và tạo mọi điều kiện trong học tập và nghiên cứu tại trường. Đặc biệt chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Văn Hòa đã nhận hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện nhiệm vụ của đồ án và chúng em còng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các cô chú, các kỹ sư …tại Phân xưởng Tự động - Nhà máy thủy điện Hòa Bình. chương 1: tổng quát chung nhà máy thuỷ điện. 1.1. Tổng quan về năng lượng điện và vai trò của nhà máy thủy điện. Năng lượng điện hay còn gọi là điện năng, là dạng năng lượng thứ cấp được tạo ra từ nhiều nguồn năng lượng thứ cấp khác nhau như nhiệt năng (dầu, khí đốt, than, năng lượng phóng xạ, năng lượng mặt trời…), thủy năng (sông, suối, sóng biển, thủy chiều…), năng lượng gió… Đây là loại năng lượng đóng vai trò quan trọng và được sử dụng trên khắp thế giới trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống ngày nay như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, sinh hoạt … Việc sử dụng dạng năng lượng khác để biến thành điện năng của mỗi nước là tùy vào tình hình tài nguyên và đường nối phát triển của nước đó. Thuỷ năng là một dạng năng lượng tái tạo được. Đây là đặc tính ưu việt nhất của nguồn năng lượng này, các nguồn năng lượng khác nh­ : Nguyên tử, than, dầu … không thể tái tạo được. Trong quá trình biến đổi năng lượng, chỉ có thuỷ năng sau khi biến đổi thành cơ năng và nhiệt năng lại được tái tạo thành dạng thủy năng, còn các dạng năng lượng khác trong quá trình biến đổi không tự tái tạo trong tự nhiên. Con người sử dụng nguồn thuỷ năng để phục vụ cho đời sống và sản xuất, đặc biệt là để phát điện. Tuỳ theo điều kiện từng nước mà tỷ lệ phát triển các loại nhà máy điện có khác nhau. Theo số liệu năm 1978 thì nhìn chung trên toàn thế giới năng lượng của thuỷ điện chiếm khoảng 1/3 tổng sản lượng điện năng. Trong khi các nguồn khai thác than đã hơn 40 % thì các nguồn thuỷ năng mới khai thác hơn 1,5 % (Điều đó không nói lên rằng sau này thuỷ điện sẽ phát triển mạnh). Theo thống kê năm 1978: Ở Châu âu tỷ lệ thuỷ điện chiếm khoảng 34% tổng sản lượng điện năng. Ở Liên Xô 19,8 %, Mỹ 18,6 %, Canada 95 %, Phần Lan 91,6 %, Triều Tiên 95-98 %, Na Uy 99 %, Thụy sỹ 99,5 % trái lại ở nhiều nước châu Á và Châu Phi tuy nguồn thuỷ năng rất phong phú nhưng tỷ lệ chưa đáng kể chính vì sự kìm hãm của chủ nghĩa đế quốc. Ví dụ ở nước ta: Thời kỳ Pháp thuộc hầu như không để lại một thuỷ điện nào đáng kể, trong thời gian chiến tranh ta chủ trương phát triển các thủy điện nhỏ ở các vùng miền núi như : Lạng Sơn, Quảng Ninh, Sơn La, Lai Châu, giải quyết được ánh sáng, cơ sở xay xát, chế biến nhỏ, ở Thanh Hoá có thuỷ điện Bàn Thạch gồm 3x320 KW=960 KW, lợi dụng bậc núi Nông Giang. Thuỷ điện Thác Bà bị bom đạn tàn phá nặng nề, sau này đã khôi phục được xong cả 3 tổ máy 3x36=108 MW, ở miền Nam có thuỷ điện Đa Nhim, kiểu kênh dẫn, lợi dụng độ chênh mực nước giữa hai con sông, công suất 160 MW. Hiện nay, trữ năng lý thuyết của thuỷ điện trên cả nước ước tính 270-300 tỷ KWh/năm, với công suất khoảng 32.106 KW. Nhưng trữ năng thuỷ điện kỹ thuật (tiềm năng kinh tế) chỉ có khoảng 80 tỷ KWh, Với công suất lắp máy 17.438 MW. Tiềm năng kinh tế kỹ thuật thuỷ điện nhỏ khoảng 60 tỷ KWh/năm, với công suất lý thuyết 10.000 MW. Miền bắc nước ta có 1069 con sông lớn nhỏ, công suất thuỷ năng ước lượng với trữ lượng điện hàng năm trên 120 tỷ KWh, khả năng xây dựng thuỷ điện ở các con sông chính sau : Sông Cả khoảng 34 vạn KW Sông Đà khoảng 254 vạn KW Sông Mã khoảng 25 vạn KW Sông Thao khoảng 52 vạn KW Sông Thái Bình khoảng 3,2 vạn KW Các hệ thống Nông Giang khoảng 3 vạn KW Theo tính toán nếu xây dựng thuỷ điện được 4,8 triệu KW thuỷ điện thì hàng năm sẽ thu được độ , tiết kiệm được khoảng tấn than đá. Thấy được lợi thế này cùng với sự giúp đỡ của Liên Xô và các điều kiện kỹ thuật cho phép, nước ta đã tiến hành điều tra khảo sát và xây dựng thành công nhà máy Thuỷ điện Sông Đà với công suất đợt đầu khoảng 1,6 triệu KW gồm 8x200 MW, sau đó công suất có thể lên tới 3,2 triệu KW (Hiện nay công suất nhà máy đạt 1.92 triệu KW). Xây dựng công trình này nhằm sử dụng tổng hợp trong đó chống lũ là vấn đề cấp bách. Công trình này có thể làm hạ mực nước ở Hà Nội trong mùa lũ xuống 1,4 m. Đầu tư về thuỷ điện của nước ta không quá lớn nh­ các nước khác. Ta có thể tự lực xây dựng thuỷ điện: Đầu tư cho thiết bị khoảng 30%, còn lại các công trình khác có thể tự lực được. Ngành thuỷ điện nước ta mở ra một triển vọng vô cùng to lớn, đòi hỏi một số lượng rất lớn các cán bộ thiết kế, thi công, vận hành rất giỏi, đủ sức thăm dò giải quyết những vấn đề kỹ thuật do hoàn cảnh đất nước ta đề ra, phải biết áp dụng những kỹ thuật tiến triển nhất vào trong lĩnh vực này. Ngành ta đào tạo kỹ sư điện thiết kế, vận hành mạng hệ thống điện, nhà máy điện và thuỷ điện, ta phải tự thiết kế thi công các nhà máy điện. Người kỹ sư vận hành điện ở nhà máy thuỷ điện ngoài những kiến thức tổng quát cần biết (công trình và thiết bị thuỷ lực) mà cần hiểu sâu về điều tiết hồ chứa để vận hành được tốt. Đây là một lĩnh vực nhiều lý thuyết khác nhau. 1.2. Vấn đề tự động hóa trong nhà máy thủy điện Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển của nhà máy thuỷ điên Cấu trúc toàn bộ hệ thống có các bộ điều khiển vận hành trực tiếp trên các bộ phận riêng rẽ. Trong mỗi tổ máy phát gồm các bộ phận điều khiển động lực đầu tiên và các bộ điều khiển kích từ. Phần động lực đầu tiên bao gồm tuabin và hệ thống thủy lực, do vậy các bộ điều khiển động lực đầu tiên liên quan tới việc điều chỉnh tốc độ và điều khiển các biến số của hệ thống cung cấp năng lượng. Chức năng của điều khiển kích từ là điều chỉnh điện áp máy phát và công suất phản kháng. Công suất phát mong muốn của các tổ máy phát đơn lẻ được xác định bởi các quá trình điều khiển phát điện của hệ thống. Mục đích đầu tiên của điều khiển phát điện hệ thống là cân bằng tổng công suất phát của hệ thống với phụ tải hệ thống và các tổn thất, vì vậy tần số và công suất trao đổi với các hệ xung quanh được duy trì. Điều khiển truyền tải bao gồm các thiết bị điều khiển điện áp và công suất, nh­ các bộ bù phản kháng tĩnh, các bộ bù đồng bộ, các cuộn cảm và điện dung chuyển mạch. Điều khiển các máy biến áp dịch pha và truyền tải dòng một chiều điện áp cao (HVDC) Các quá trình điều khiển đã mô tả ở trên góp phần cho sự thỏa mãn vận hành của hệ thống bằng cách duy trì điện áp và tần số hệ thống và các biến hệ thống khác trong giới hạn cho phép của chúng. Các đối tượng điều khiển phụ thuộc vào trạng thái vận hành của hệ thống. Với các trạng thái bình thường, đối tượng điều khiển vận hành có hiệu quả khi tần số và điện áp điều khiển gần với giá trị danh định. 1.3. Sơ đồ tổng quan về nhà máy thủy điện:. 1.3.1. Nguyên lý chung: Nước trên sông, suối chảy từ nguồn ra biển, đi từ cao đến thấp mang theo nó một năng lượng, năng lượng này gọi là thuỷ năng. Để xác định năng lượng đó ta chia dòng chảy trên sông thành đoạn ngắn có chiều dài là l, được giới hạn bởi các tiết diện I-I và II-II: Hình 1.2 Sơ đồ xác định năng lượng dòng chảy trên đoạn sông Theo phương trình Becnuli ta có năng lượng riêng tại từng mặt cắt: Trong đó: - áp năng, vị năng, vận tốc trung bình tại mặt cắt và hệ số điều chỉnh động năng. Hiệu năng lượng riêng của hai mặt cắt là năng lượng đơn vị của dòng chảy trên đoạn sông có chiều dài l và được gọi là cột áp của đoạn sông, ký hiệu là H. Nếu một đoạn sông có cột áp H, lưu lượng Q thì năng lượng dòng chảy trên đoạn sông đó là: Hay Trong đó: W – thể tích nước đoạn sông. Công suất nước của dòng chảy trên đoạn sông là: Để sử dụng năng lượng của đoạn sông thì phải tập trung năng lượng dòng nước phân bố trên đoạn sông đó tại một chỗ, tạo độ chênh mực nước thượng và hạ lưu, nghĩa là phải tạo nên cột áp. 1.3.2. Sơ đồ nhà máy thủy điện: Nhà máy thủy điện là một tổ hợp phức tạp, sử dụng năng lượng của sông suối, để sản xuất điện năng bao gồm 3 tuyến : Tuyến áp lực (tuyến đầu mối) Tuyến năng lượng. Tuyến hạ lưu. TuyÕn n¨ng l­îng. +Kªnh vµo +Cöa van +§­êng hÇm (gåm Th¸p vµ van) +§­êng èng Nhµ m¸y : + ThiÕt bÞ c¬ khÝ : ChÝnh : Tuabin cho tõng tæ m¸y Phô : (c¸c thiÕt bÞ kh¸c) + ThiÕt bÞ ®iÖn kü thuËt Tæ m¸y Tuabin + Tuabin, c¸nh h­íng … + Bé ®iÒu tèc M¸y ph¸t + M¸y ph¸t + HÖ thèng kÝch tõ. H¹ l­u 1. Kªnh x¶ 2. C¸c cöa van h¹ l­u TuyÕn ¸p lùc 1.Hå chøa + BÓ ¸p lùc + BÓ l¾ng c¸t 2. §Ëp trµn 3. C¸c van x¶ Hình 1.3 Sơ đồ các tuyến của nhà máy thủy điện Các thiết bị chính trong nhà máy thủy điện. Hình 1.4 Sơ đồ bố trí các thiết bị trong nhà máy thủy điện Cửa nhận nước 3. Bình tạo áp lực Hầm dẫn 4. Nhà van 5. Èng áp lực 9. Hệ thống dầu áp lực và bộ điều tốc 6. Tuabin 10. Hệ thống nước làm mát 7. Máy phát 11. Èng xả 8. Hệ thống kích thích máy phát 12. Cửa hạ lưu Trong thực tế có 3 phương pháp tập trung năng lượng của dòng nước tương ứng với ba sơ đồ nhà máy thủy điện: Nhà máy thủy điện kiểu lòng sông, nhà máy thuỷ điện đường dẫn và nhà máy thuỷ điện kiểu tổng hơp. 1.3.2.1. Nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông (hay sau đập). Để tập trung năng lượng người ta dùng đập cột áp H là độ chênh mực nước trước và sau đập (tương ứng thượng lưu và hạ lưu). Đập có hồ chứa nước lớn để điều tiết lưu lượng dòng sông. Nhà máy thường đặt sau đập đối với cột nước lớn, hoặc là một bộ phận của đập đối với cột nước nhỏ. Các trạm thuỷ điện với phương pháp tập trung năng lượng bằng đập gọi là nhà máy kiểu lòng sông hay sau đập. Nó áp dụng cho các con sông ở đồng bằng, trung du nơi có độ dốc lòng sông nhỏ, lưu lượng sông lớn. Trong thực tế, chiều cao của đập bị hạn chế bởi kỹ thuật đắp đập và diện tích bị ngập. Cột áp ở các trạm thủy điện này không lớn, thông thường không lớn hơn 30 – 40m. Tuy nhiên, nhà máy thủy điện kiểu này đã đạt cột áp cao nhất H = 300m là nhà máy thủy điện Nurec ở Liên Xô. Nhà máy thủy điện Thác Bà trên sông Chảy là nhà máy thủy điện lòng sông có cột áp H = 37m, N = 40MW, ba tổ máy. Hình 1.5 Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông 1.3.2.2. Nhà máy thủy điện đường dẫn: Nước được ngăn bởi một đập thấp rồi chảy theo đường dẫn (Kênh, máng, tuy – nen, ống dẫn) đến nhà máy thủy điện. Ở đây cột áp cơ bản là do đường dẫn tạo nên, còn đập chỉ để ngăn nước lại để đưa vào đường dẫn. Đường dẫn có độ dốc nhỏ hơn độ dốc lòng sông. Kiểu trạm này thường dùng ở các sông suối có độ dốc lòng sông lớn và lưu lượng nhỏ. Trạm thủy điện Đa Nhim (Ninh Thuận) có cột nước H = 800m, N = 160MW ( bốn tổ máy 40 MW/ tổ máy). Trạm thủy điện có cột nước lớn nhất thế giới hiện nay là trạm Bogota (Colombia) có H = 2000m, N = 500MW. Hình 1.6 Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu kênh dẫn. 1.3.2.3. Nhà máy thủy điện tổng hợp: Hình 1.7 Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu tổng hợp. Năng lượng nước được tập trung là nhờ đập và cả đường dẫn. Cột áp của trạm gồm 2 phần: một phần do đập tạo nên, phần còn lại do đường dẫn tạo nên. Nhà máy kiểu này được dùng cho các đoạn sông mà ở trên sông có độ dốc nhỏ thì xây đập ngăn nước và hồ chứa, còn ở phía dưới có độ dốc lớn thì xây dựng đường dẫn. Nhà máy thủy điện Hoà Bình (H = 88m, N = 220MW, 8 tổ máy) và Trị An (H = 50 m, N = 100MW, 3 tổ máy) là trạm kiểu tổng hợp. 1.4. Tuabin nước trong nhà máy thủy điện . Tuabin nước là một trong các thiết bị quan trọng nhất của nhà máy thủy điện, nhiệm vụ chính là chuyển đổi thủy năng thành cơ năng làm quay rôto máy phát và sinh ra điện năng. 1.4.1 Sù ra đời của tuabin thủy lực. Tuabin nước là loại máy thuỷ lực đầu tiên loài người dùng để sử dụng nguồn năng lượng thiên nhiên để phục vụ đời sống và sản xuất, trước tiên là trong công việc lấy nước và chế biến lương thực. Tuabin nước đầu tiên là những bánh xe nước đơn giản sử dụng động năng của dòng chảy. Cho tới nay lịch sử chưa xác định được ai là người đầu tiên phát minh ra bánh xe nước. Người ta biết rằng hàng nghìn năm trước công nguyên ở Ai Cập, Ên Độ và Trung Quốc đã sử dụng bánh xe nước dưới dạng thiết bị biến đổi năng lượng. Đến nay ở nước ta bánh xe nước vẫn còn được sử dụng trên các suối vùng núi và trung du. Hình 1.8 Bánh xe nước Tại Pháp từ thế kỷ IV đã có máy xay xát chạy bằng năng lượng của nước. Tuy nhiên mãi đến thế kỷ thứ XVI với sự phát triển của chủ nghĩa tư bản thì việc sử dụng năng lượng nước mới có những cải tiến lớn. Nhưng từ bánh xe nước tới tuabin nước loài người phải trải qua tìm kiếm nghiên cứu lâu dài. Năm 1934 kỹ sư người Pháp là Fuaray đã chế tạo thành công tuabin nước đầu tiên. Hình 1.9 Tuabin nước Sau đó Ýt năm, năm 1937 người thợ mộc Nga- Xaphon cũng chế tạo tuabin nước kiểu li tâm. Năm 1838 Hopd (Mỹ) đã cải tạo tuabin li tâm trên thành tuabin hướng tâm. Năm 1847-1849 một kỹ sư mỹ là Dran Franxic đã cải tiến tuabin Hopd thành tuabin tâm trục có hiêu suất cao hơn. Ngày nay người ta gọi tuabin tâm trục là tuabin Franxic Năm 1837-1841 Ghensen (Đức) và Jonvan (Pháp) đã chế tạo tuabin hướng trục cánh cố định. Sau đó năm 1912-1924 một giáo sư người Tiệp Khắc cũ là Kaplan cải tiến tuabin hướng trục cánh cố định thành tuabin hướng trục cánh điều chỉnh gọi là tuabin Kaplan. Do điều chỉnh cánh làm tăng hiệu suất trong một phạm vi điều chỉnh công suất rộng. 1880 Penton (Mỹ) đã cải tiến bãnh xe nước và phát minh ra tuabin gáo. Vì thế tuabin gáo còn gọi là tuabin Penton. Ngày nay các loại tuabin nước kể trên đã được cải tiến và hoàn thiện ở mức độ cao. Nhiều kiểu tuabin đã được ra đời nh­: Tuabin hướng chéo, tuabin dòng thẳng (Capsun), tuabin bơm. Hiện nay ở nước ta đã có nhiều cơ sở đầu tư tiến bộ khoa học kỹ thuật cho việc chế tạo tuabin nước. Chúng ta đã chế tạo tuabin nhỏ (đến hàng ngàn KW). Trong tương lai chóng ta sẽ chế tạo loại tuabin lớn hơn, góp phần cho việc điện khí hoá và phục vụ sản xuất ở các địa phương xa lưới điện quốc gia. 1.4.2. Phân loại và phạm vi sử dụng của tuabin: * Phân loại theo dạng năng lượng của dòng chảy qua tuabin: Hình 1.10 Sơ đồ nhà máy thủy điện Ta khảo sát các thành phần năng lượng của dòng chảy. Năng lượng đợn vị của dòng chảy truyền cho bánh xe công tác tuabin bằng độ chênh năng lượng riêng giữa hai tiết diện trước và sau đó: Thế năng Động năng Vậy năng lượng riêng gồm hai phần : động năng và thế năng. Tùy thuộc vào dạng năng lượng này mà chia tuabin nước thành hai hệ khác nhau: tuabin xung lực và tuabin phản lực. Trong tuabin xung lực, chỉ có phần động năng của dòng chảy tác dụng lên bánh xe công tác còn phần thế năng bằng không. Hệ tuabin này phát ra công suất nhờ động năng của dòng chất lỏng, còn áp suất ở cửa vào và cửa ra của tuabin là áp suất khí trời. Tuabin phản lực là loại tuabin làm việc nhờ cả hai phần thế năng và động năng, mà chủ yếu là thế năng của dòng chảy. Trong hệ tuabin này, áp suất ở cửa vào luôn lớn hơn ở cửa ra. Dòng chảy qua tuabin là dòng liên tục điền đầy toàn bộ máng dẫn cánh. Trong vùng bánh xe công tác tuabin, dòng chảy biến đổi cả động năng và thế năng. Trong đó vận tốc dòng chảy qua tuabin tăng dần, áp suất giảm dần. Máng dẫn của cánh hình côn nên gây ra độ chênh áp mặt cánh, từ đó tạo ra momen quay. Tuabin phản lực và xung lực có tính năng và phạm vi sử dụng khác nhau. Tuabin phản lực dùng cho trạm có cột nước thấp, lưu lượng lớn còn tuabin xung lực dùng cho trạm có cột nước cao, lưu lượng nhỏ. 1.4.2.1 Tuabin phản lực: Tuabin phản lực là hệ tuabin được sử dụng rộng rãi nhất, bao gồm phạm vi cột nước từ 1,5m đến 600m. Tùy thuộc vào hướng dòng chảy của dòng nước đi qua cánh bánh xe công tác mà chia tuabin phản lực thành nhiều loại: tuabin hướng trục, tuabin tâm trục, tuabin hướng chéo. a. Tuabin hướng trục: Tuabin hướng trục là loại tuabin trong đó hướng chuyển động của dòng chảy trong phạm vi bánh xe công tác song song với trục quay tuabin (hình 1.8a,b ) Tuabin hướng trục có thể là loại cánh cố định hoặc là loại cánh điều chỉnh bánh công tác gồm nhiều cánh được gắn với bầu. Nếu cánh được gắn chặt với bầu thì gọi là tuabin hướng trục cánh cố định ( tuabin chong chóng ). Nếu cánh có thể quay quanh trục cánh cố định thường dùng cho các trạm cỡ nhỏ và trung bình. Tuabin hướng trục cánh điều chỉnh được sử dụng cho cỡ trung bình và lớn. Tuabin hướng trục cánh điều chỉnh phức tạp vì cơ cấu điều chỉnh cánh nằm trong bầu bánh công tác. Hình 1.11 Tuabin hướng trục b. Tuabin tâm trục (Hay còn gọi là tuabin Francis). Trong tuabin tâm trục, hướng của dòng chảy ở vùng bánh công tác ban đầu theo phương hướng tâm, sau đó chuyển sang phương song song với trục. Tuabin này còn gọi là tuabin Francis. Nó được sử dụng rộng rãi trong các trạm có cột nước cao : H = 30-600m. Đối với các trạm nhỏ tuabin này có thể làm việc với cột nước H > 4m. Bánh công tác gồm hệ thống cánh gắn chặt với hai vành đĩa trên và dưới thành một khối cứng. Cánh có dạng cong không gian và số cánh có từ 12 đến 22. Tuabin tâm trục có hiệu suất cao nhưng cánh cố định nên chỉ thích hợp với trạm có cột nước Ýt thay đổi (hình 1.8 d). Tuabin tâm trục có cột nước cao nhất thế giới H = 620m ở Khot-xen-van (Đức). Ở nước ta các nhà máy thuỷ điện: Trị An, Hoà Bình, YaLy, Thác Mơ dùng tuabin tâm trục cỡ lớn và trung bình, còn trạm Ta Sa, Na Ngần, Suối Cùn…dùng tuabin tâm trục cỡ nhỏ. Hình 1.12 Tuabin tâm trục c. Tuabin hướng chéo: Tuabin hướng chéo kết hợp ưu điểm của cả hai loại tuabin tâm trục và hướng trục cánh điều chỉnh Dòng chảy qua vùng bánh xe công tác của tuabin này có hướng tạo với trục quay một góc nào đó (thường 45-60 độ). Bầu cánh là hình nón. Bầu cánh chứa toàn bộ cơ cấu điều chỉnh cánh nh­ bầu cánh của tuabin hướng trục cánh điều chỉnh. Loại tuabin này làm việc trong phạm vi cột nước H = 30-150m. Nó có thể điều chỉnh cánh nên phạm vi điều chỉnh công suất có hiệu suất cao tương đối rộng so với tuabin tâm trục. Hình 1.13 Tuabin hướng chéo 1.4.2.2 Tuabin xung lực (xung kích): Tuabin gáo ( còn gọi là tuabin Pelton) HÌNH VẼ 1.5/7 THANH 1.9: Trong đó : 1- Èng dẫn 2- Mòi phun 3- Hướng tia nước 4- Cánh gáo 5- Trục 6- Vở tuabin Tuabin gáo là loại tuabin xung lực được sử dụng nhiều nhất. Phần dẫn dòng của nó gồm bánh công tác và vòi phun. Bánh công tác gồm nhiều cánh hình gáo được gắn chặt lên bánh công tác. Bánh công tác gắn liền trên trục tuabin, trục này nối với trục máy phát. Thông thường tuabin gáo đặt ngang, chỉ có một số tuabin cỡ lớn có tổ máy đặt đứng. Vòi phun gồm có ống hình côn nối với ống dẫn, trong ống hình côn có kim điều chỉnh lưu lượng ra của vòi phun. Ở đây dòng chảy theo ống dẫn vào vòi phun, từ đó dòng chảy ra khỏi vòi phun với vận tốc đủ lớn tác dụng vào các cánh gáo và tạo thành momen quay. Ngoài ra vòi phun làm nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng qua bánh công tác. Tuabin gáo làm việc với cột nước H = 40-300m và lớn hơn nữa. Ở nước ta trạm thuỷ điện Đa Nhim dùng tuabin gáo có công suất một tổ máy N = 40MW. b. Tuabin tia nghiêng: Tuabin này khác với tuabin gáo là dòng chảy vào vòi phun hướng vào bánh công tác dưới một góc nghiêng. Bánh công tác gồm các cánh cong gắn chặt lên hai đĩa bên bánh công tác có hình dạng đơn giản hơn dạng gáo nên dễ chế tạo. Vòi phun của loại này tương tự nh­ vòi phun của tuabin gáo. Tuabin tia nghiêng được lắp cho những trạm thuỷ điện nhỏ. Hiệu suất của tuabin này thường nhỏ hơn hiệu suất của tuabin gáo. c. Tuabin tác dụng kép (Tuabin xung kích hai lần ) (HÌNH VẼ 2.6): Dòng chảy từ vòi phun tác dụng lên bánh công tác hai lần : dòng chảy đi từ ngoài vào tâm sau đó lại hướng từ tâm ra ngoài, nên gọi loại này là tuabin tác dụng kép. Vòi phun của tuabin này có tiết diện chữ nhật chứ không phải tiết diện tròn. Ở đây thay đổi lưu lượng bằng cách thay đổi một thành trong để thay đổi tiết diện vòi phun. Tuabin tác dụng kép còn có tên gọi là tuabin xung kích hai lần, hay tuabin Banki. Nó được dùng cho các trạm thuỷ điện cỡ nhỏ N = 5-100KW. 1.4.3. Các bộ phận chính của tuabin nước: Trong tuabin nước, bộ phận ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tuabin đó là phần dẫn dòng. Phần dẫn dòng gồm có ba bộ phận chính: Buồng dẫn tuabin. Bánh công tác. Buồng hót tuabin. Trong đó bánh công tác là bộ phận chính làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng. Hai bộ phận buồng dẫn và buồng hút không trực tiếp biến đổi năng lượng nhưng vai trò của chúng rất quan trọng giúp bánh công tác làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng có hiệu quả tốt. Các bộ phận phụ của phần dẫn dòng gồm có: các van điều chỉnh lưu lượng dòng chảy, van đóng nhanh khi có sự cố, lưới chắn rác… Nếu tuabin làm việc đồng bộ với máy phát điện thì một bộ phận quan trọng giúp cho sự đồng bộ này là máy điều tốc. Trong các trạm thuỷ điện còn có các thiết bị phụ trợ khác nh­: các tổ máy bơm, các tổ máy né