nâng cao chất lượng điều tốc turbine thủy điện nhỏ

- 1 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP








LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH TỰ ĐỘNG HOÁ




NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC
TURBINE THUỶ ĐIỆN NHỎ




LƯU TÙNG GIANG

THÁI NGUYÊN - 2010

- 2 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT





NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC
TURBINE THUỶ ĐIỆN NHỎ

Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Học viên : LƯU TÙNG GIANG
Hướng dẫn khoa học : PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH









THÁI NGUYÊN - 2010



- 3 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lưu Tùng Giang, sinh ngày 25 tháng 10 năm 1969, học viên lớp
cao học khoá 11 - Ngành Tự động hoá - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên, hiện đang công tác tại Sở Công Thương tỉnh Hà Giang

Xin cam đoan:

Đề tài luận văn Nâng cao chất lượng điều tốc turbine thuỷ điện nhỏ, do
Thầy giáo PGS.TS Bùi Quốc Khánh hướng dẫn là công trình nghiên cứu do bản
thân tôi thực hiện dựa trên sự hướng dẫn của Thầy, để thực hiện hoàn thành bản
luận văn này tôi đã sử dụng tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Tác giả xin hoàn toàn
chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

Thái Nguyên, tháng 8 năm 2010
Học viên






Lưu Tùng Giang
- 4 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỤC LỤC


Chương 1 - 12 -
TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VÀ - 12 -

VAI TRÕ CỦA THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG - 12 -
1.1. Nguồn năng lượng tái tạo - 12 -
1.2. Sơ đồ khai thác thuỷ năng của nhà máy thuỷ điện - 13 -
1.2.1. Sơ đồ khai thác thuỷ năng - 13 -
1.2.2. Sơ đồ nhà máy thủy điện - 16 -
1.2.2.1. Nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông (hay sau đập) - 16 -
1.2.2.2. Nhà máy thủy điện đường dẫn - 17 -
1.2.2.3. Nhà máy thủy điện tổng hợp - 17 -
1.2.2. Nguyên lý phát điện của nhà máy thủy điện - 18 -
1.3. Turbine thuỷ điện - Thiết bị biến đổi nguồn sơ cấp - 21 -
1.3.1. Khái niệm - 21 -
1.3.2. Nguyên lý làm việc - 21 -
1.3.3. Các thông số chính của turbine nước - 22 -
1.3.3.1. Cột nước làm việc của turbine - 22 -
1.3.3.2. Lưu lượng turbine - 24 -
1.3.3.3. Hiệu suất của turbine - 24 -
1.3.3.4. Công suất của turbine - 24 -
1.3.3.5. Đại lượng qui dẫn - 24 -
1.3.3.6. Hệ số tỷ tốc - 25 -
1.3.4. Phân loại turbine - 25 -
1.4. Thông số turbine - 26 -
1.4.1. Cột áp turbine - 26 -
1.4.2. Lưu lượng qua Turbine - 26 -
1.4.3. Công suất - 27 -
1.4.4. Hiệu suất - 27 -
1.4.5. Số vòng quay của turbine - 28 -
1.5. Đường đặc tính của turbine - 28 -
1.5.1. Đường đặc tính công tác - 29 -
1.5.2. Đường đặc tính vòng quay - 30 -
1.5.3. Đường đặc tính cột nước - 31 -

1.5.4. Đường đặc tính tổng hợp - 31 -
1.5.5. Đường đặc tính của nhóm tổ máy - 32 -
1.6. Tự động hóa trong nhà máy thủy điện - 33 -
1.7. Kết luận chương 1 - 33 -
Chương 2 - 34 -
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC TURBINE THUỶ ĐIỆN NHỎ - 34 -
2.1. Điều tốc turbine thuỷ điện nhỏ - vấn đề cần được nghiên cứu - 34 -
2.1.1. Sơ đồ nghiên cứu - 34 -
2.1.2. Chức năng của thiết bị điều tốc - 35 -
2.2 Mô hình toán động học nhà máy thuỷ điện - 36 -
2.2.1. Mô hình động học đường ống dẫn nước - 38 -
2.2.2. Mô hình động học turbine - 38 -
2.2.3. Mô hình động học rotor - 42 -
2.2.4. Mô hình hệ thống dẫn động - 42 -
- 5 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2.2.5. Mô hình điều tốc turbine - 43 -
2.2.6. Mô hình hệ thống điều khiển nhà máy - 44 -
2.2.6.1. Điều khiển tốc độ - 44 -
2.2.6.2. Điều khiển công suất - 47 -
2.3. Nguyên lý điều tốc - 50 -
2.3.1. Điều tốc thủy lực - 50 -
2.3.2. Điều tốc điện - thủy lực - 52 -
2.4. Kết cấu cơ khí của hệ thống điều chỉnh tốc độ Turbine - 53 -
2.5. Các cơ cấu điều khiển của máy điều tốc - 54 -
2.5.1. Cơ cấu không cân bằng còn dư - 55 -
2.5.2. Cơ cấu biến đổi số vòng quay - 55 -
2.5.3. Cơ cấu hướng dòng - 56 -

2.5.4. Các cơ cấu khác - 56 -
2.6. Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh tốc độ - 56 -
2.7. Ảnh hưởng của tín hiệu điều tốc trong hệ thống điện - 58 -
2.7.1. Đặc tính tĩnh - 58 -
2.7.2. Đặc tính điều chỉnh mở van Turbine - 59 -
2.7.3. Ảnh hưởng của ngưỡng không nhậy - 61 -
2.8. Thiết lập mô hình nâng cao chất lượng điều tốc turbine - 63 -
2.8.1. Mô hình hệ thống - 63 -
2.8.1. Thời gian đặc trưng của bộ điều chỉnh tốc độ - 65 -
2.8.2. Thiết lập sơ đồ khối điều khiển - 66 -
2.8.3. Bộ điều khiển mờ theo luật PID - 67 -
2.8.4. Tham số PID - 68 -
2.8.5. Khảo sát sự ổn định hệ thống - 70 -
2.9. Kết luận chương 2 - 71 -
Chương 3 - 73 -
ĐIỀU TỐC TRONG HỆ THỐNG TURBINE – MÁY PHÁT - 73 -
3.1. Cấu trúc turbine – máy phát trong nhà máy thuỷ điện - 73 -
3.2. Kết cấu máy phát điện đồng bộ 3 pha - 74 -
3.2.1. Máy phát điện đồng bộ cực lồi - 74 -
3.2.1.1. Stator - 74 -
3.2.1.2. Rotor - 74 -
3.2.2. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ - 74 -
3.3. Mô hình toán máy phát điện đồng bộ - 75 -
3.3.1. Mô hình mạch máy phát điện đồng bộ - 75 -
3.3.2. Biến đổi về hệ tọa độ qd0 của roto - 79 -
3.3.3. Từ thông móc vòng tính theo các dòng điện - 81 -
3.3.4. Quy đổi các đại lượng roto về stato - 82 -
3.3.5. Các phương trình điện áp trong hệ toạ độ qd0 của roto - 84 -
3.3.6. Mô men điện từ - 84 -
3.4. Mô phỏng máy phát điện đồng bộ - 85 -

3.4.1. Các biểu thức dòng điện - 85 -
3.4.2. Phương trình chuyển động - 88 -
3.4.3. Các biểu thức trong hệ đơn vị tương đối - 88 -
3.5. Các đặc tính điều chỉnh của máy điện đồng bộ - 89 -
3.5.1. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ - 90 -
3.5.2. Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ - 91 -
3.5.3. Đặc tính ngoài - 92 -
3.5.4. Đặc tính điều chỉnh - 92 -
- 6 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3.5.5. Đặc tính tải - 93 -
3.5.6. Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch K - 95 -
3.6. Phân tích hệ thống điều chỉnh công suất và điện áp trong máy phát - 96 -
3.6.1. Điều chỉnh công suất tác dụng P - 96 -
3.6.2. Điều chỉnh công suất phản kháng Q - 99 -
3.7. Máy điện đồng bộ trong hệ thống điện - 101 -
3.8. Mô hình tải đối xứng ba pha của máy phát đồng bộ - 103 -
3.9. Xây dựng mô hình turbine – máy phát trong hệ thống điện - 104 -
3.9.1. Một số vấn đề về máy phát trong hệ thống điện - 104 -
3.9.2. Mô hình điều khiển phát điện tự động (AGC) - 104 -
3.10. Kết luận chương 3 - 107 -
Chương 4 - 108 -
ÖNG DỤNG MALAB SUMLINH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC TURBINE –
MÁY PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN - 108 -
4.1. Chương trình mô phỏng matlab simulik - 108 -
4.2. Ứng dụng chương trình mô phỏng malab simulik - 109 -
4.2.1. Mô hình máy phát - 109 -
4.2.2. Mô hình bộ điều tốc Turbine - 111 -

4.2.2.1. Mô phỏng bộ điều chỉnh tốc độ - 112 -
4.2.2.2. Khối thuật toán PID - 113 -
4.2.2.3. Khối động cơ thừa hành Servomotor - 113 -
4.2.2.4. Khối turbine thuỷ lực - 113 -
4.2.3. Mô hình bộ điều chỉnh kích từ với bộ kích từ - 113 -
4.2.4. Mô hình bộ đo lường các tham số (Measure) - 114 -
4.2.5. Bộ hoà đồng bộ - 114 -
4.2.7. Khối hiển thị tham số - 114 -
4.3. Kết quả mô phỏng vận hành nhà máy khi khởi động không tải - 115 -
4.3.1. Mô phỏng khi hệ thống khi khởi động - 115 -
4.3.2. Thí nghiệm kiểm tra quá trình khởi động - 116 -
4.3.3. Đáp ứng của nhà máy trong quá trình khởi động - 116 -
4.4. Kết quả mô phỏng vận hành nhà máy với tải độc lập - 118 -
4.4.1. Sở đồ mô phỏng - 118 -
4.4.2. Đáp ứng của hệ thống - 119 -
4.5. Kết quả mô phỏng vận hành nhà máy khi hệ thống điện có tải vô cùng lớn - 121 -
4.5.1. Sơ đồ mô phỏng - 121 -
4.5.2. Thông số mô phỏng phần máy biến áp tăng áp, lưới hệ thống điện và tải - 122 -
4.5.3. Đáp ứng của hệ thống - 123 -
4.5. Kết luận chương 4 - 125 -



- 7 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Chương 1 - 12 -

TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VÀ - 12 -
VAI TRÕ CỦA THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG - 12 -
Hình 1-1. Sơ đồ khai thác dòng chảy - 13 -
Hình 1-2. Dòng chảy cơ sở - 13 -
Hình 1-3. Sơ đồ các tuyến của nhà máy thủy điện - 16 -
Hình 1-4. Sơ đồ Nhà máy thủy điện kiểu lòng sông - 17 -
Hình 1-5. Sơ đồ Nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn - 17 -
Hình 1-6. Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu tổng hợp - 18 -
Hình 1-7. Sơ đồ nhà máy thủy điện. - 19 -
Hình 1-8. Sơ đồ mặt cắt ngang nhà máy thủy điện - 19 -
Hình 1-9. Turbine thủy lực. - 21 -
Hình 1-10. Đường tích luỹ của dòng chảy - 22 -
Hình 1-11. Sơ đồ lắp đặt Turbine ở Nhà máy thuỷ điện - 23 -
Hình 1-12. Phạm vi lựa chọn turbine thuỷ điện nhỏ - 26 -
Hình 1-13. Đặc tính hiệu suất turbine - 28 -
Hình 1-14. Các đường đặc tính công tác của Turbine - 29 -
Hình 1-15. Đường đặc tính của các loại turbine - 30 -
Hình 1-16. Đặc tính vòng quay - 31 -
Hình 1-17. Đặc tính cột nước - 31 -
Hình 1-18. Đặc tính tổng hợp vận hành - 32 -
Hình 1-19. Đặc tính nhóm tổ máy - 32 -
Hình 1-20. Sơ đồ điều khiển của nhà máy thuỷ điện - 33 -
Chương 2 - 34 -
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC TURBINE THUỶ ĐIỆN NHỎ - 34 -
Hình 2-1 Sơ đồ nghiên cứu nhà máy thuỷ điện - 34 -
Hình 2-2. Sơ đồ chức năng máy điều tốc Turbine - 35 -
Hình 2-3. Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc tua bin trong hệ thống điện. - 37 -
Hình 2-4. Sơ đồ khối động học hệ thống nhà máy thuỷ điện - 37 -
Hình 2-5. Sơ đồ mô hình phi tuyến của Turbine - 39 -
Hình 2-6. Sở đồ mô hình tuyến tính của điều tốc turbine - 40 -

Hình 2-7. Sơ đồ dẫn động của các cơ cấu trợ động - 43 -
Hình 2-8. Sơ đồ mô phỏng hoá hệ thống thiết bị truyền động điện - thuỷ lực - 43 -
Hình 2-8. Piston thủy lực kiểm soát định vị vị trí - 43 -
Hình 2-9. Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh tốc độ - 44 -
Hình 2-10. Khối sơ đồ của các hệ thống điều khiển hoạt động điện - 47 -
Hình 2-11. Sơ đồ nguyên lý của máy điều tốc thuỷ lực. - 50 -
Hình 2-12. Sơ đồ nguyên lý của máy điều tốc điện - thuỷ lực - 52 -
Hình 2-13. Các phần tử của bộ điều tốc turbine - 54 -
Hình 2-14. Đặc tính không cân bằng còn dư - 55 -
Hình 2-15. Đặc tính biến đổi số vòng quay - 56 -
Hình 2-16. Đường đặc tính tĩnh turbine (T
1
,T
2
,T
3
) và phụ tải (P
1
, P
2
, P
3
). - 58 -
Hình 2- 17. Đường đặc tính cơ bản của Turbine. - 59 -
Hình 2-18. Họ các đặc tính khi ∝ thay đổi. - 60 -
Hình 2-19. Đặc tính điều chỉnh turbine máy phát. - 61 -
Hình 2-20. Ngưỡng không nhậy của máy điều tốc - 62 -
Hình 2-21. Máy phát cấp cho phụ tải - 63 -
Hình 2-21. Hàm truyền công suất (tốc độ). - 64 -
- 8 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 2-22. Hàm truyền công suất (tốc độ ) khi tải phụ thuộc tần số. - 64 -
Hình 2-23. Mô hình bộ điều tốc - 65 -
(a) Sơ đồ mạch và (b) Đáp ứng khi tăng tải. - 65 -
Hình 2-24. Thời gian đặc trưng của hệ thống - 65 -
Hình 2-25. Sơ đồ khối Bộ điều tốc turbine thuỷ lực - 66 -
Hình 2-26. Hệ điều khiển mờ theo luật PID - 67 -
Hình 2-27. Minh hoạ của dao động duy trì - 68 -
Hình 2-28. Sơ đồ hàm truyền điều khiển khép kín - 69 -
Hình 2-29. Sở đồ hệ thống giản thể - 69 -
Hình 2-30. Đáp ứng của Thiết kế hệ thống - 70 -
Hình 2-31. Tối ưu hoá đáp ứng hệ thống. - 70 -
Hình 2-32. Biểu đồ Nyquist - 71 -
Hình 2-33. Biên dự trữ và pha dự trữ - 71 -
Chương 3 - 73 -
ĐIỀU TỐC TRONG HỆ THỐNG TURBINE – MÁY PHÁT - 73 -
Hình 3-1. Mô hình hệ thống tua bin trong nhà máy thuỷ điện. - 73 -
Hình 3-2. Nguyên lý quá trình sản xuất điện năng - 75 -
Hình 3-3. Mô hình mạch của một máy điện đồng bộ - 76 -
Hình 3-4. Véc tơ thành phần sức từ động - 76 -
Hình 3-5. Đồ thị vector điện áp của máy phát điện ; a. Cực lồi b. Cực ẩn - 91 -
Hình 3-6. Đặc tính không tải máy phát - 91 -
Turbine hơi nước (1), máy phát Turbine nước (2). - 91 -
Hình 3-7. Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ. - 92 -
Hình 3-8. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ. - 93 -
Hình 3-9 . Xác định đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải - 94 -
và tam giác điện kháng. - 94 -
Hình 3-10. Đặc tính ngắn mạch của máy phát đồng bộ. - 95 -

Hình 3-11. Công suất tác dụng và công suất chỉnh bộ của máy phát điện - 97 -
Hình 3-12. Đồ thị vectơ suất điện động. - 99 -
Hình 3-13. Họ các đặc tính hình V của máy phát đồng bộ. - 100 -
Hình 3-14. sơ đồ đơn giản máy phát điện đồng bộ - 101 -
Hình 3-15. Công suất tác dụng của máy phát điện đồng bộ cực lồi - 102 -
Hình 3-16. Mô hình tải 3 pha đối xứng - 103 -
Hình 3-17. Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát đồng bộ - 105 -
Chương 4 - 108 -
ÖNG DỤNG MALAB SUMLINH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC TURBINE –
MÁY PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN - 108 -
Hình 4-1. Mô hình máy phát trong mô phỏng - 110 -
Hình 4-2. Mô hình hệ thống lưới điện - 110 -
Hình 4-3. Mô hình mô phỏng phần điện của máy phát - 111 -
Hình 4-4. Mô hình mô phỏng phần cơ của máy phát - 111 -
Hình 4-5. Sơ đồ cấu trúc bộ điều tốc - 113 -
Hình 4-6. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID - 113 -
Hình 4-7. Động cơ sevomotor điều chỉnh van - 113 -
Hình 4-8. Sơ đồ cấu trúc tua bin thuỷ lực - 113 -
Hình 4-9. Sơ đồ cấu trúc bộ kích từ AVR - 114 -
Hình 4-10. Sơ đồ cấu trúc bộ đo lường - 114 -
Hình 4-11. Sơ đồ cấu trúc bộ hoà đồng bộ - 114 -
Hình 4-12. Sơ đồ cấu trúc khối hiển thị - 115 -
Hình 4-13. Sơ đồ mô phỏng chạy không tải - 116 -
- 9 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 4-14. Đặc tính tần số khi khởi động(pu) - 116 -
Hình 4-15. Đặc tính mô men điện từ khi khởi động(pu) - 117 -
Hình 4-16. Đặc tính góc tải của máy phát khi khởi động(pu) - 117 -

Hình 4-17. Đặc tính điện áp pha a từ khi khởi động(pu) - 117 -
Hình 4-18. Đặc tính dòng iabc của máy phát khi khởi động(pu) - 117 -
Hình 4-19. Mô hình máy phát hoạt động trong quá trình vận hành tải độc lập - 118 -
Hình 4-20. Đáp ứng công suất phản kháng và công suất tác dụng (pu) - 119 -
Hình 4-21. Đáp ứng bộ điều tốc của hệ turbine - máy phát (pu) - 119 -
Hình 4-22. Đáp ứng góc tải và mô men điện từ (pu) - 120 -
Hình 4-23. Đáp ứng dòng điện starto máy phát (pu) - 121 -
Hình 4-24. Đáp ứng của điện áp kích từ (pu) - 121 -
Hình 4-25. Đáp ứng của dòng kích từ (pu) - 121 -
Hình 4-26. Mô hình máy phát hoạt động trong quá trình hoà vào lưới hệ thống - 122 -
Hình 4-27. Đáp ứng bộ điều tốc của hệ turbine - máy phát (pu) - 123 -
Hình 4-28. Đáp ứng góc tải và mô men điện từ (pu) - 124 -
Hình 4-29. Đáp ứng dòng điện Stato máy phát (pu) - 124 -
Hình 4-30. Đáp ứng của điện áp kích từ (pu) - 124 -
Hình 4-31. Đáp ứng công suất phản kháng và công suất tác dụng (pu) - 125 -

BẢNG BIỂU

Bảng 2-1. Thiết lập giá trị PID - 68 -
Bảng 2-2. Giá trị của Kp của hệ thống ổn định - 69 -
Bảng 4-1. Tham số đầu vào - 109 -
Bảng 4-2. Thông số máy phát đồng bộ - 110 -
Bảng 4-3. Tham số bộ điều tốc - 112 -
Biểu 4-4. Thời gian vận hành với các loại phụ tải - 118 -
Bảng 4-5. Tham số máy biến áp, tải và lưới điện - 123 -
- 10 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT
Kí hiệu
Giải thích
1.
BXCT
Bánh xe công tác
2.
CCĐ
Cơ cấu đặt
3.
SG
Máy phát đồng bộ
4.
AGC
Tự động điều chỉnh máy phát
5.
PSSs
Hệ thống máy phát
6.
OEL
Kích thích quá mức
7.
UEL
Kích thích dưới mức
8.
AVR
Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp

9.
XT
Lưới điện

- 11 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Mở đầu

Trong những năm gần đây, việc huy động các nguồn điện độc lập được phát
triển tối đa từ các nguồn năng lượng tái tạo như thuỷ điện, gió, năng lượng mặt trời,
biogas v.v. Để có thể đáp ứng tối đa về năng lượng cho sản xuất và sinh hoạt, thì
tốc độ tăng trưởng điện năng phải gấp từ 1,4 đến 1,7 lần tốc độ tăng trưởng GDP.
Nhiệm vụ các dự án thuỷ điện nhỏ là tham gia phủ đỉnh trong biểu đồ phụ tải hệ
thống điện. Với tiềm năng của các tỉnh miền núi có lợi thế về nguồn thuỷ năng, nên
là sự cần thiết phải tính toán tối ưu sử dụng nguồn thuỷ năng trên mỗi dòng chảy tự
nhiên. Sự tiến bộ kỹ thuật điện tử, các hệ thống điều khiển tự động hoá, công nghệ
sản xuất các thiết bị điện tử ngày càng tiên tiến, do vậy hệ thống điều khiển cũng
ngày càng hoàn thiện có các đáp ứng tác động nhanh, độ chính xác cao sẽ góp phần
giảm kích thước và giá thành hệ thống nhà máy khi vẫn còn đang sử dụng hệ thống
điều khiển đơn giản như cơ cấu điều tốc cơ khí - thuỷ lực; điện - thuỷ lực
Điều tốc là một quá trình đảm bảo chất lượng tần số công nghiệp cho hệ
thống điện khi nhiều thiết bị điện tử kỹ thuật số ngày càng phát triển. Vì vậy, trong
phạm vi đề tài Nâng cao chất lượng điều tốc turbine thuỷ điện nhỏ sẽ tập trung
nghiên cứu thuật điều khiển của bộ điều khiển tốc độ cho thuỷ điện nhỏ, một trong
những yêu cầu đảm bảo chất lượng điện trong lưới điện mà nhà máy thuỷ điện lại
sử dụng nguồn năng lượng sơ cấp là nguồn thuỷ năng để chuyển đổi thành điện
năng. Nội dung được trình bày trong 4 chương:
Chương 1: Tổng quan nhà máy thuỷ điện và vai trò của thiết bị biến đổi

năng lượng
Chương 2: Nâng cao chất lượng điều tốc turbine thuỷ điện nhỏ
Chương 3. Điều tốc trong hệ thống turbine – máy phát
Chương 4: Ứng dụng matlab sumlinh đánh giá chất lượng điều tốc turbine –
máy phát trong hệ thống điện
Để có thể hoàn thành đồ án này, em đã được sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình
của PGS.TS Bùi Quốc Khánh và sự giúp đỡ của các thầy cố và các bạn đồng
nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ cao trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật
Công Nghiệp Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp.
Thái Nguyên, tháng 8 năm2010
Học viên


- 12 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Lưu Tùng Giang
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VÀ
VAI TRÒ CỦA THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG

1.1. Nguồn năng lượng tái tạo
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 …

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 như : 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 rồi biến đổi thành điện năng để phục vụ cho
hoạt động sản xuất và sinh hoạt của đời sống con người, còn các dạng năng lượng
khác trong quá trình biến đổi không tự tái tạo trong tự nhiên.
Các nhà máy thuỷ điện nhỏ đang được phát triển nhiều ở khu vực vùng sâu
vùng xa có điều kiện tự nhiên về nguồn thuỷ năng do địa hình cấu tạo nên. Sự phát
triển của khoa học công nghệ, công nghệ thông tin trong những năm gần đây đã
làm tăng số lượng các bộ biến đổi tĩnh sử dụng các thiết bị điện tử, đa số các thiết
bị áp dụng kỹ thuật tin học sử dụng vào quá trình hoạt động, đặc biệt trong các thiết
bị tự động điều khiển, điều chỉnh, tự động kiểm tra, các quá trình tạo và biến đổi
năng lượng điện, tất cả các thiết bị đó đều có chung một đòi hỏi về chất lượng
nguồn điện cấp từ trạm phát.
Về công suất nhà máy phân chia theo công suất lắp đặt, cách phân loại này phụ
thuộc từng quốc gia. Ở Việt Nam sự phân loại theo tiêu chuẩn TCVN: 5090 gồm:
+ Nhà máy thuỷ điện lớn: N ≥ 1000MW
+ Nhà máy thuỷ điện vừa: 15MW < N < 1000MW
+ Nhà máy thuỷ điện nhỏ: N ≤ 15MW
- 13 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


1.2. Sơ đồ khai thác thuỷ năng của nhà máy thuỷ điện
1.2.1. Sơ đồ khai thác thuỷ năng
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.
Các nhà máy thủy điện dựa trên phương pháp tập trung năng lượng như sau:
Nước trên các triền sông, suối chảy từ nguồn ra biển, đi từ cao đến thấp mang theo

nó một năng lượng, năng lượng này gọi là thủy năng. Người ta lợi dụng các dòng
chảy này để nắn dòng, dẫn nước tạo áp lực để sản xuất ra điện năng theo hình 1-1.
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
thủy điện đường dẫn và nhà máy thủy điện kiểu tổng hợp.
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 1-1 và 2-2 của hình 1-2.

Hình 1-1. Sơ đồ khai thác dòng chảy

Hình 1-2. Dòng chảy cơ sở
Muốn xác định năng lượng tiềm tàng của dòng chảy trong sông thiên nhiên
(hình 1-2) từ mặt cắt (1-1) đến (2-2) ta xét năng lượng mà khối nước W di chuyển
trong đoạn ấy đã tiêu hao đi, nghĩa là tìm hiệu số năng lượng giữa hai mặt cắt đó:
- 14 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

E = E
1
-E
2
. Dựa vào phương trình Bec-Nuli chúng ta biết được năng lượng tiềm
năng chứa trong thể tích nước W(m
3
) khi chảy qua mặt cắt (1-1) trong thời gian
t(s) sẽ là:
2
1
11

11
( )w ( )
2
p
h
V
E Z Jun
g



  
(1.1)
Trong đó:
+ Z
1
, Z
2
là cao trình mặt nước tại mặt cắt 1-1, 2-2
+ h
p1
, h
p2
là áp suất trên mặt nước tại mặt cắt 1-1, 2-2
+ γ là trọng lượng thể tích của nước; γ = 9,81.103 N/m3
+ V
1
, V
2
là vận tốc dòng chảy tại mặt cắt 1-1, 2-2

+ α
1
, α
2
là hệ số xét đến sự phân bố lưu tốc tại mặt cắt 1-1, 2-2
+ g là gia tốc trọng trường.
Giả thiết rằng trong đoạn sông đang xét không có sông nhánh đổ vào, nghĩa
là coi lượng nước W chảy qua mặt cắt (1-1) và (2-2) là không đổi. Khi đó lượng
nước W chảy qua mặt cắt (2-2) sẽ có một năng lượng tiềm năng là:
2
2
22
22
( ) ( )
2
p
h
V
E Z Jun
g


  
(1.2)
Ý nghĩa các ký hiệu trong biểu thức (1-2) như các ký hiệu của(1-1).Vậy
năng lượng tiềm năng của đoạn sông sẽ là:
2
2
1
12

22
1 2 1 2 1 2
1
- W W
22
pp
V
hh
V
E E E Z Z
gg








      





22
12
1 1 2 2
12
-

-
W ( )
2
pp
hh
VV
Z Z Jun
g




   


(1.3)
Trong đó:
, , ,
p
h
ZV


- áp năng, vị năng, vận tốc trung bình tại mặt cắt và hệ
số điều chỉnh động năng.
Phân tích biểu thức (1.3) ta thấy E cũng chính là công sản ra trong t giây để
di chuyển lượng nước W từ mặt cắt (1-1) sang (2-2) với cột nước toàn phần là (ký
hiệu là H)
22
12

1 1 2 2
1 2 1 2
-
-
( ) W (Jun)
2
pp
hh
VV
H Z Z
g





   


(1.4)
Nghĩa là: E
1-2
= γ.W. H
1-2
(Jun) (1.5)
- 15 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Xét cột nước toàn phần, ta thấy nó gồm 3 thành phần:

- Cột nước địa hình:
12
()
dh
ZZH

- Cột nước áp suất:
12
as
()
pp
hh
H




- Cột nước lưu tốc:
22
1 1 2 2
lt
()
2



VV
g
H

Do đó H
1-2
có có: H
1-2
= H
đh
+ H
as
+ H
lt

Trong thực tế, trị số áp suất h
p1
, h
p2
ở hai đầu đoạn sông nghiên cứu thường
chênh lệch nhau rất ít.
Mặt khác giả thiết lượng nước trong đoạn sông đang xét không đổi, nên khi
các đặc trưng về hình dạng của hai mặt cắt sông gần giống nhau thì sẽ dẫn đến
V≈V
2
; α
1
≈ α
2
, nghĩa là coi
12pp
hh



và
22
1 1 2 2
22
VV
gg



Khi bỏ qua sai số không đáng kể biểu thức (1.3) có thể viết dưới dạng
đơn giản.
E = γ.W. (Z
1
- Z
2
) (Jun) (1.6)
E = γ.W. H (Jun) với H = Z
1
- Z
2
(1.7)
Biểu thức (1.7) chính là công thức cho phép ta xác định năng lượng tiềm
năng của bất kỳ đoạn sông nào.
Nếu thay W = Q.t và γ = 9,81.10
3
N/m3 vào biểu thức trên thì ta được:
E = 9,81.10
3
.H.Q.t (Jun) (1.8)
Nếu thay đơn vị điện lượng jun bằng kwh với 1kwh =3600.10

3
jun, ta sẽ có:

( w )
367,2

H Qt
E K h
(1.9)
Từ biểu thức (1.8) và (1.9) ta có thể xác định công suất N của dòng nước
trong một đoạn sông theo công thức chung: N = E /t.
Từ (1.8) ta có:
N = 9,81.10
3
.Q.H (W) (1.10)
N = 9,81.Q.H (kW) (1.11)
- 16 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Công thức (1.11) được coi là công thức cơ bản nhất để tính toán thuỷ năng,
thường được áp dụng nhiều trong công tác quy hoạch, khảo sát, điều tra trữ lượng
thuỷ năng tiềm tàng của sông ngòi.

1.2.2. 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 theo hình 1-3.

Hình 1-3. Sơ đồ các tuyến của nhà máy thủy điện
Sơ đồ tuyến gồm: Tuyến áp lực (tuyến đầu mối); Tuyến năng lượng; Tuyến hạ lưu.
1.2.2.1. 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. Áp dụng cho các con
sông ở đồng bằng, trung du nơi có độ dốc lòng sông nhỏ, lưu lượng sông lớn.
Tuyến áp
lực:
-Hồ chứa
-Bể áp lực
-Bể lắng
cát
-Đập tràn -

Các van xả
Tuyến năng lượng.
+Kênh vào
+Cửa van
+Đường hầm (gồm Tháp và van)
+Đường ống
Nhà máy :
+ Thiết bị cơ khí chính; Turbine
cho từng tổ máy; Phụ : (các thiết bị
khác)
+ Thiết bị điện kỹ thuật
Tổ máy
Turbine
+ Turbine, cánh hướng …
+ Bộ điều tốc
M¸y ph¸t
+ M¸y ph¸t
+ HÖ thèng kÝch tõ.

Hạ lưu:

- Kênh xả

- Các cửa
van hạ lưu
- 17 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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
đến 40m.

Hình 1-4. Sơ đồ Nhà máy thủy điện kiểu lòng sông
1.2.2.2. Nhà máy thủy điện đường dẫn
Nước được ngăn bởi một đập thấp rồi chảy theo đường dẫn (kênh, máng,
tuylen, ống dẫn) đến nhà máy thủy điện. 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.

Hình 1-5. Sơ đồ Nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn
1.2.2.3. Nhà máy thủy điện tổng hợp
Nhà máy thuỷ điện tổng hợp được thể hiện trên hình 1-6.
- 18 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 1-6. 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 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.
1.2.2. Nguyên lý phát điện của nhà máy thủy điện
Cho dù nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn, lòng sông hay tổng hợp thì cũng
đều có chung một nguyên lý phát điện như sau: Nước từ hồ chứa thượng lưu được
dẫn vào hệ thống đường ống áp lực và buồng xoắn, tại đây nước được gia tốc tới
vận tốc rất lớn, qua hệ thống cánh hướng, nước được dẫn vào turbine thuỷ lực làm

quay turbine, đồng thời làm quay máy phát điện (thông thường trục của turbine
được nối thẳng với trục máy phát).
Từ đầu cực máy phát, dòng điện được tăng áp qua máy biến áp lực, và dẫn
lên trạm phân phối cung cấp cho các hộ tiêu thụ của một vùng độc lập hoặc đồng
thời hoà vào lưới điện quốc gia, xem hình 1-7.
- 19 -

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn



Hỡnh 1-7. S nh mỏy thy in.
Trong nh mỏy thy in, cỏc thit b c b trớ tựy theo tng c im ca
nh mỏy, tựy theo kiu turbine trc ng hay trc ngang v c bn dự b trớ theo
kiu no thỡ cỏc thit b trong nh mỏy cng y cỏc thnh phn nh s b trớ
thit b ca nh mỏy c cho nh trong hỡnh 1-8.
M-ơng cáp
17. Tủ trung tính máy phát tổ máy
16. Tủ kích từ tổ máy
15. Tủ AVR tổ máy
14. Tủ tín hiệu, điều khiển tự động hoá tổ máy
12. Tủ bảo vệ rơ le tổ máy
11. Tủ điều khiển đ-ờng dây
10. Tủ ch-ơng trình hoá
13. Bàn điều khiển trung tâm
9. Tủ hoà điện
8. Tủ nạp
7. Tủ phân phối 220V DC
6. Tủ phân phối AC
5. Tủ đầu ra nguồn dự phòng

4. Tủ đầu ra máy biến áp + ACO
3. Tủ phân phối thiết bị điện 22kv
2. Tủ phân phối điện áp máy phát 6.3Kv
1. Máy biến áp kích từ tổ máy
ký hiệu:
edQ
I
II
II II
Đ-ờng tháo cạn tổ máy ỉ250
5 tấn
30tấn
Van tháo n-ớc cạn buồng hút
ống thông khí phi100

Hỡnh 1-8. S mt ct ngang nh mỏy thy in
- 20 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Thiết bị của trạm thuỷ điện có thể được chia ra các loại: thiết bị động lực
(gồm turbine và máy phát điện), thiết bị cơ khí, thiết bị phụ, thiết bị điện.
Trong nhà máy thủy điện thì Turbine thuỷ lực là một bộ phận cơ khí quan
trọng nhất, bằng sự thay đổi tốc độ, nó quyết định công suất phát của tổ máy.
Turbine thuỷ lực bao gồm 2 phần chính (loại turbine Kaplan trục đứng): Roto
turbine (gồm bánh xe công tác(BXCT) được nối với trục turbine thông qua khớp
nối truyền động momen xoắn, trục, ổ hướng và ổ chèn trục) và Stato turbine (gồm
vành đáy turbine để đỡ trục dưới cánh hướng, các vành làm kín, vành stato turbine,
bộ cánh hướng dòng) và bộ ống xả, buồng xoắn.
Tuỳ theo mực nước thượng lưu hoặc hồ chứa và khi tải trên lưới điện thay

đổi, đòi hỏi lượng điện phát ra của nhà máy phải thay đổi phù hợp. Do vậy, phải
điều chỉnh đồng bộ giữa độ mở hệ thống cánh hướng nước, nhằm điều chỉnh lưu
lượng nước vào turbine và điều chỉnh góc nghiêng của BXCT, tạo cho turbine tốc
độ ổn định.
Để điều chỉnh độ mở cánh hướng người ta sử dụng các servomotor (thông
thường 2 servomotor) và hệ thống xilanh thuỷ lực. Truyền động của servomotor sẽ
qua hệ thống xilanh gắn với vòng điều chỉnh, giữa cánh hướng và vòng điều chỉnh
có các khớp truyền động. Với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật số, bộ điều tốc
turbine được tự động hoá hoàn toàn, có khả năng thu thập các thông số quá trình
một cách liên tục, tự động điều chỉnh ổn định quá trình vận hành. Liên hệ giữa
turbine và máy phát được thể hiện trong hình 1-8.

- 21 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 1-9. Turbine thủy lực.
Mỗi turbine được cung cấp một hệ thống điều tốc tự động riêng biệt có khả
năng điều khiển tốc độ, công suất phát hoặc lưu lượng nước vào turbine cho phép
tổ máy vận hành ổn định, hoàn hảo ở chế độ vận hành song song với nhau và với
hệ thống điện.
1.3. Turbine thuỷ điện - Thiết bị biến đổi nguồn sơ cấp
1.3.1. Khái niệm
Turbine nước là một dạng máy thuỷ lực, biến năng lượng của nước thành cơ
năng trên trục quay của turbine để quay máy phát điện hay các máy công cụ khác.
1.3.2. Nguyên lý làm việc
Turbine được lắp đặt tại nhà máy thuỷ điện, để chuyển hoá năng lượng nước
thành cơ năng, tại trục của turbine và chuyển hoá thành điện năng thông qua máy
phát điện, khi nước từ thượng lưu chảy theo đường dẫn tới turbine, rồi chảy ra hạ
lưu. Theo định luật Becnuly, năng lượng của một đơn vị chất lỏng tại một tiết diện

nào đó được xác định theo phương trình:
2
1
2
p
h
V
EZ
g

  
(1.12)
Từ phương trình trên ta thấy, năng lượng của một đơn vị chất lỏng gồm 3
thành phần: Z là vị năng;
p
h

là áp năng;
2
1
2
V
g
là động năng.Trong đó, vị năng và áp
năng là 2 dạng của thế năng.
Vì vậy, năng lượng của dòng nước gồm 2 thành phần: thế năng và động
năng.
Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng nào tác động vào turbine là chủ yếu, mà ta
chia tác động của dòng nước thành 2 thành phần:
- Tác động phản kích, do thế năng tác động là chủ yếu.

- Tác động xung kích, do động năng tác động là chủ yếu.
Năng lượng (E) do dòng chảy trao cho turbine xác định bằng hiệu năng
lượng đơn vị của dòng chảy trước khi vào turbine và sau khi ra khỏi turbine.
- 22 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 1-10. Đường tích luỹ của dòng chảy
22
12
2 1 2 2
1 2 1 2 1 2
- W W
22
pp
hh
VV
E E E Z Z
gg




   
      
   
   

22

12
12
1 2 1 2 1 2 2
- ( ) ( ) W
2
pp
hh
VV
E E E Z Z
g






     


(1.13)
Hiệu số
12
12
( ) ( )
pp
hh
ZZ

  
càng lớn, thì phần năng lượng phản kích tác động

lớn turbine càng nhiều và ngược lại.
Nếu Turbine chỉ chuyển hoá thế năng, tức
22
12
0
2
VV
g


.
Turbine đó gọi là turbine phản kích hoàn toàn. Ngược lại gọi là turbine xung
kích hoàn toàn.
1.3.3. Các thông số chính của turbine nước
Các thông số chính của turbinee nước là lưu lượng nước qua turbine, cột
nước làm việc, công suất và hiệu suất của turbine.
1.3.3.1. Cột nước làm việc của turbine
Sơ đồ lắp đặt turbine ở nhà máy thuỷ điện thể hiện trên hình 1-11.
- 23 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 1-11. Sơ đồ lắp đặt Turbine ở Nhà máy thuỷ điện
Độ chênh mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu gọi là cột nước tĩnh của nhà
máy thuỷ điện, ký hiệu là H
T
. Cột nước làm việc của turbine (H) là hiệu năng lượng
đơn vị của dòng nước đi qua turbine tại mặt cắt vào (1-1) và tại mặt cắt ra (2-2) của
turbine. Theo Becnuly ta có:

2
1
11
11
.
2.
p
h
V
EZ
g


  
(1.14)
2
2
22
22
.
2.
p
h
V
EZ
g


  
(1.15)

Vậy cột nước làm việc của Turbine
22
12
1 1 2 2
1 1 1 2
2
2
02
00
22
2
22
0 0 2 0
2

2. 2.
.
.
2. 2.

2.
pp
pp
TL HL
T tt
hh
VV
H E E Z Z
gg
hh

V
V
Z Z h
gg
VV
H h h
g






   
       
   
   


       





    
(1.16)
Trong đó: h
p0
, h

p1
, h
p2
là áp lực của cột nước tại cửa nhận nước, cửa vào
Turbine, cửa xả.
∝
0
,
∝
1
,
∝
2
là hệ số hiệu chỉnh kể đến sự phân bố không đều của
vận tốc dòng chảy trên diện tích của mặt cắt tại cửa nhận nước, cửa vào, cửa xả.
h
tt
là tổn thất cột nước trên đường dẫn.
∆h
2
là chênh lệch áp áp suất giữa mặt cắt ra của turbine với hạ lưu.
H
T
là cột nước tĩnh của Nhà máy thuỷ điện, đó là độ chênh mực nước giữa
thượng và hạ lưu.
- 24 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

V

0
, V
1
, V
2
là tốc độ của dòng nước tại cửa nhận nước, cửa vào turbine, cửa
xả; γ = ρ. g là trọng lượng riêng của một m
3
nước; ρ là khối lượng riêng của một
m
3
nước, ρ = 1000 kg/m
3
; g là gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m/s2).
Do V
1
≈ V
2
nên ta có: H = H
T
- h
tt

1.3.3.2. Lưu lượng turbine
Lưu lượng turbine là chỉ lưu lượng dòng chảy đi qua turbine, ký hiệu: Q (m
3
/s).
1.3.3.3. Hiệu suất của turbine
Hiệu suất của turbine ký hiệu là
T


, với


T
T
dc
N
N
(1.17)
(Trong đó: N
T
là công suất trên trục turbine, kw).
N
dc
là công suất của dòng chảy (nước), kw. Được xác định theo biểu thức
sau:
. . .
dc
N g Q H


(1.18)
Do đó:




T
N

gH
(1.19)
1.3.3.4. Công suất của turbine
Công suất của turbine ký hiệu là N
T
Từ biểu thức (1.19) ta có:
. . . .


TT
N g Q H

1.3.3.5. Đại lượng qui dẫn
Turbine nước có thể có thông số rất khác nhau theo công suất, chủng loại
Để đặc trưng cho mỗi loại Turbine cần phải có đại lượng đặc trưng, qui về một điều
kiện tiêu chuẩn nào đó. Qui chuẩn tốc độ quay (n) của turbine về điều kiện đường
kính của BXCT là D
1
= 1 m, H = 1 m gọi là tốc độ quay qui dẫn, ký hiệu
,
1
n
. Qui
chuẩn lưu lượng của Turbine về điều kiện D
1
= 1 m, H = 1 m gọi là lưu lượng qui
dẫn, ký hiệu
,
1
Q

.
Quan hệ giữa tốc độ quay và tốc độ quay qui dẫn như sau:
,
1
1
nH
n
D

do vậy
,
1
1
.nD
n
H

(1.20)
Quan hệ giữa lưu lượng và lưu lượng qui dẫn như sau:
- 25 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

, 2 ,
1 1 1
2
1
  
Q
Q Q D H Q

DH
(1.21)
1.3.3.6. Hệ số tỷ tốc
Để đặc trưng cho đồng thời 3 thông số chính của turbine là: n, H, N
T
, dùng
một đại lượng gọi là hệ số tỷ tốc ký hiệu là
s
n
. Hệ số tỷ tốc là tốc độ quay của
turbine khi làm việc ở cột nước H = 1m, phát ra công suất N
T
= 1 kw.
Do đó
3
()
4
1,167. .

T
s
nN
n
H
(1.22)
Trong đó: n là tốc độ của turbine, vòng/ph.
N
T
là công suất của turbine , kW.
H là chiều cột nước, m.

1.3.4. Phân loại turbine
Từ những thành phần năng lượng trên ta có những loại turbine thuỷ lực sau:
- Turbine chỉ sử dụng phần động năng để làm quay BXCT gọi là loại turbine
xung kích. 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 trệ sau. Turbine
xung kích đuợc chia ra các hệ sau:
+ Hệ turbine xung kích gáo (turbine Penton);
+ Hệ turbine xung kích kiểu phun xiên;
+ Hệ turbine xung kích 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 kích. Loại này còn gọi là turbine dòng chảy có áp, áp
lực dòng chảy ở cửa vào của BXCT luôn lớn hơn áp lực ở cửa ra của nó. Dòng
chảy qua turbine là dòng liên tục điền đầy nước trong toàn bộ máng cánh. Loại này
được chia ra các hệ sau:
+ Hệ turbine xuyên tâm hướng trục (gọi tắt là turbine tâm trục, hay Franxis);
+ Hệ turbine hướng trục ( gồm turbine cánh quạt và turbine cánh quay);
+ Hệ turbine hướng chéo;
+ Hệ turbine dòng ( gồm turbine dòng nửa thẳng và turbine dòng thẳng);
+ Hệ turbine thuận nghịch ( làm việc theo hai chế độ: máy bơm và turbine).