nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin trong nhà máy thủy điện hòa bình

lời Mở đầu
Chúng ta đợc biết rằng: Có thể sử dụng nhiều nguồn năng lợng khác
nhau để phát điện. Trong đó năng lợng truyền thống nh: Than, dầu, khí đốt,
hạt nhân, thuỷ năng đợc coi là các dạng năng lợng cơ bản, còn năng lợng
mặt trời, năng lợng gió, năng lợng thuỷ chiều và năng lợng thuỷ chiều cực
nhỏ là những dạng năng lợng mới. Với các nhà máy nhiệt điện, ngời ta sử
dụng nhiên liệu là than đá, dầu hơi đốt.
Nhà máy thuỷ điện lợi dụng năng lợng dòng chảy (bao gồm cả động
năng và thế năng). Ngời ta còn xây dựng nhà máy điện bằng cách khai thác
năng lợng nguyên tử, năng lợng mặt trời
ở nớc ta có 3 nguồn năng lợng chính đã đợc khai thác là than, dầu
khí, và năng lợng các lòng sông, suối lớn. Còn các nguồn năng lợng khác
nh: Năng lợng hạt nhân, gió, thuỷ chiều, sóng biển, mặt trời đang đợc
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 u điểm và nhợc điểm riêng.
Nhà máy thuỷ điện gồm hàng loạt các u điểm sau :
- Hiệu suất nhà máy thuỷ điện có thể đạt đợc rất cao so với nhà máy
nhiệt điện.
- Thiết bị đơn giản, dễ tự động hoá và có khả năng điều khiển từ xa.
- ít sự cố và cần ít ngời 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 trờng.
Mặt khác, nếu khai thác thuỷ năng tổng hợp, kết hợp với tới tiêu, giao
thông và phát điện thì giá thành điện sẽ giảm xuống, giải quyết vấn đề triệt
để của thuỷ lợi và môi trờng sinh thái của một vùng rộng lớn quanh đó.
Vốn đầu t xây dừng nhà máy thuỷ điện đòi hỏi lớn hơn so với xây
dựng nhà máy nhiệt điện. Nhng giá thành 1 KWh của thuỷ điện rẻ hơn

nhiều so với nhiệt điện, nên tính kinh tế vẫn là tối u hơn. Tuy nhiên, ngời ta
cũng không thể khai thác nguồn năng lợng 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 trờng.
Sự chuyển đổi này có thể tạo ra một điều kiện mới, gía trị mới sử
dụng cho các lợi ích kinh tế xã hội nhng cũng có thể gây ra những tổn thất
về xã hội và môi trờng mà chúng ta khó có thể đánh giá hết đợc.
Ngời 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 ích 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 nớc ta năng lợng 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 lợng này đợc phân bố khắp đất nớc.
Nhà nớc và chính phủ đã có những sự đầu t 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 lợng điện năng là tần số của
lới điện, tần số và sự suy giảm tần số của lới nó phản ánh sự cung cấp năng
lợng 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 lới dao động 49.5-50.5 Hz.
ở lới điện Việt Nam, tần số lới điện bình thờng là 50 Hz. Việc giữ
tần số ổn định cho lới 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

lới 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, đợc 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 phơng pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin trong nhà
máy thủy điện Hòa Bình .
Bản đồ án này gồm các chơng:
Ch ơng 1 : Tổng quát chung nhà máy thuỷ điện.
Ch ơng 2 : Kết cấu của các thành phần cơ khí trong nhà máy thủy điện Hòa
Bình
Ch ơng 3 : Hệ thống điều khiển tốc độ quay của Tuabin (Bộ điều tốc).
Ch ơng 4 : Mô phỏng quá trình điều khiển tần số của bộ điều tốc bằng
Matlab.
Để hoàn thành tốt đồ án này, trớc hết chúng em xin chân thành cảm
ơn tất cả các thầy cô giáo trong bộ môn Điều Khiển Tự Động Trờng 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 trờng. Đặc biệt chân thành cảm ơn
thầy giáo TS.Nguyễn Văn Hòa đã nhận hớng dẫn và giúp đỡ chúng em
trong suốt quá trình thực hiện nhiệm vụ của đồ án và chúng em cũng xin
chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các cô chú, các kỹ s tại Phân x ởng Tự
động - Nhà máy thủy điện Hòa Bình.
chơng 1: tổng quát chung nhà máy thuỷ điện.
1.1. Tổng quan về năng lợng điện và vai trò của nhà máy thủy
điện.
Năng lợng điện hay còn gọi là điện năng, là dạng năng lợng thứ cấp
đợc tạo ra từ nhiều nguồn năng lợng thứ cấp khác nhau nh nhiệt năng (dầu,
khí đốt, than, năng lợng phóng xạ, năng lợng mặt trời ), thủy năng (sông,
suối, sóng biển, thủy chiều ), năng l ợng gió Đây là loại năng l ợng đóng

vai trò quan trọng và đợc sử dụng trên khắp thế giới trong nhiều lĩnh vực
của cuộc sống ngày nay nh công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, sinh hoạt

Việc sử dụng dạng năng lợng khác để biến thành điện năng của mỗi
nớc là tùy vào tình hình tài nguyên và đờng nối phát triển của nớc đó.
Thuỷ năng là một dạng năng lợng tái tạo đợc. Đây là đặc tính u việt
nhất của nguồn năng lợng này, các nguồn năng lợng khác nh : Nguyên tử,
than, dầu không thể tái tạo đ ợc. Trong quá trình biến đổi năng lợng, chỉ
có thuỷ năng sau khi biến đổi thành cơ năng và nhiệt năng lại đợc tái tạo
thành dạng thủy năng, còn các dạng năng lợng khác trong quá trình biến
đổi không tự tái tạo trong tự nhiên. Con ngời 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 nớc 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
lợng của thuỷ điện chiếm khoảng 1/3 tổng sản lợng 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 lợng 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 nớc châu á và Châu Phi tuy nguồn thuỷ năng rất phong phú
nhng tỷ lệ cha đáng kể chính vì sự kìm hãm của chủ nghĩa đế quốc.
Ví dụ ở nớc ta: Thời kỳ Pháp thuộc hầu nh không để lại một thuỷ
điện nào đáng kể, trong thời gian chiến tranh ta chủ trơng phát triển các
thủy điện nhỏ ở các vùng miền núi nh : Lạng Sơn, Quảng Ninh, Sơn La, Lai
Châu, giải quyết đợc 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
đợc xong cả 3 tổ máy 3x36=108 MW, ở miền Nam có thuỷ điện Đa Nhim,
kiểu kênh dẫn, lợi dụng độ chênh mực nớc giữa hai con sông, công
suất 160 MW.
Hiện nay, trữ năng lý thuyết của thuỷ điện trên cả nớc ớc tính 270-
300 tỷ KWh/năm, với công suất khoảng 32.10
6
KW. Nhng 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 nớc ta có 1069 con sông lớn nhỏ, công suất thuỷ năng ớc l-
ợng
6
13, 68.10 KW
với trữ lợng 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 đợc 4,8 triệu KW thuỷ điện
thì hàng năm sẽ thu đợc độ
9
20.10 KWh
, tiết kiệm đợc khoảng
6

20.10
tấn
than đá.
Thấy đợc lợi thế này cùng với sự giúp đỡ của Liên Xô và các điều
kiện kỹ thuật cho phép, nớc 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 nớc ở Hà Nội trong mùa lũ xuống 1,4 m.

Đầu t về thuỷ điện của nớc ta không quá lớn nh các nớc khác. Ta có
thể tự lực xây dựng thuỷ điện: Đầu t cho thiết bị khoảng 30%, còn lại các
công trình khác có thể tự lực đợc.
Ngành thuỷ điện nớc ta mở ra một triển vọng vô cùng to lớn, đòi hỏi
một số lợng 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 nớc ta đề ra,
phải biết áp dụng những kỹ thuật tiến triển nhất vào trong lĩnh vực này.
Ngành ta đào tạo kỹ s 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.
Ngời kỹ s 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 đợc 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 lợng. 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 đợc 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 đợc 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 tợng điều khiển phụ thuộc vào trạng thái vận hành của hệ
thống. Với các trạng thái bình thờng, đối tợng 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:
Nớc trên sông, suối chảy từ nguồn ra biển, đi từ cao đến thấp mang
theo nó một năng lợng, năng lợng này gọi là thuỷ năng.
Để xác định năng lợng đó ta chia dòng chảy trên sông thành đoạn
ngắn có chiều dài là l, đợc giới hạn bởi các tiết diện I-I và II-II:

Hình 1.2 Sơ đồ xác định năng lợng dòng chảy trên đoạn sông
Theo phơng trình Becnuli ta có năng lợng riêng tại từng mặt cắt:
2

2
P V
I I I
E Z
I I I
g


= + +

2
2
P V
II II II
E Z
II II II
g


= + +

Trong đó:
, , ,
P
Z V


- áp năng, vị năng, vận tốc trung bình tại mặt cắt và hệ
số điều chỉnh động năng.
Hiệu năng lợng riêng của hai mặt cắt là năng lợng đơn vị của dòng

chảy trên đoạn sông có chiều dài l và đợc gọi là cột áp của đoạn sông, ký
hiệu là H.
2 2
- -
1 2 1 1 2 2
-
2
I II
P P a V a V
H E E Z Z
I II
g g
= = + +
Nếu một đoạn sông có cột áp H, lu lợng Q thì năng lợng dòng chảy
trên đoạn sông đó là:
QHdt
t

=

Hay
HW

=
Trong đó: W thể tích nớc đoạn sông.

Công suất nớc của dòng chảy trên đoạn sông là:
N QH

=

Để sử dụng năng lợng của đoạn sông thì phải tập trung năng lợng
dòng nớc phân bố trên đoạn sông đó tại một chỗ, tạo độ chênh mực nớc th-
ợng và hạ lu, 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 lợng của
sông suối, để sản xuất điện năng bao gồm 3 tuyến :
- Tuyến áp lực (tuyến đầu mối)
- Tuyến năng lợng.
- Tuyến hạ lu.
Hình 1.3 Sơ đồ các tuyến của nhà máy thủy điện
Các thiết bị chính trong nhà máy thủy điện.
Tuyến áp
lực
1.Hồ chứa
+ Bể áp lực
+ Bể lắng
cát
2. Đập tràn
3. Các van
xả
Tuyến năng lợng.
+Kênh vào
+Cửa van
+Đờng hầm (gồm Tháp và van)
+Đờng ống
Nhà máy :
+ Thiết bị cơ khí :
Chính : Tuabin cho từng tổ máy
Phụ : (các thiết bị khác)
+ Thiết bị điện kỹ thuật

Tổ máy
Tuabin
+ Tuabin, cánh hớng
+ Bộ điều tốc
Máy phát
+ Máy phát
+ Hệ thống kích từ.
Hạ lu
1. Kênh xả
2. Các cửa
van hạ lu

Hình 1.4 Sơ đồ bố trí các thiết bị trong nhà máy thủy điện
1. Cửa nhận nớc 3. Bình tạo áp lực
2. Hầm dẫn 4. Nhà van
5. ống áp lực 9. Hệ thống dầu áp lực và bộ
điều tốc
6. Tuabin 10. Hệ thống nớc làm mát
7. Máy phát 11. ống xả
8. Hệ thống kích thích máy phát 12. Cửa hạ lu
Trong thực tế có 3 phơng pháp tập trung năng lợng của dòng nớc t-
ơng ứng với ba sơ đồ nhà máy thủy điện: Nhà máy thủy điện kiểu lòng
sông, nhà máy thuỷ điện đờng 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 lợng ngời ta dùng đập cột áp H là độ chênh mực n-
ớc trớc và sau đập (tơng ứng thợng lu và hạ lu). Đập có hồ chứa nớc lớn để
điều tiết lu lợng dòng sông.
Nhà máy thờng đặt sau đập đối với cột nớc lớn, hoặc là một bộ phận
của đập đối với cột nớc nhỏ. Các trạm thuỷ điện với phơng pháp tập trung
năng lợng 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, lu l-
ợng 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
thờng 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 đờng dẫn:
Nớc đợc ngăn bởi một đập thấp rồi chảy theo đờng dẫn (Kênh, máng,
tuy nen, ống dẫn) đến nhà máy thủy điện.
ở đây cột áp cơ bản là do đờng dẫn tạo nên, còn đập chỉ để ngăn nớc
lại để đa vào đờng dẫn. Đờng dẫn có độ dốc nhỏ hơn độ dốc lòng sông.
Kiểu trạm này thờng dùng ở các sông suối có độ dốc lòng sông lớn và lu l-
ợng nhỏ.
Trạm thủy điện Đa Nhim (Ninh Thuận) có cột nớc H = 800m, N =
160MW ( bốn tổ máy 40 MW/ tổ máy).
Trạm thủy điện có cột nớc 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 lợng nớc đợc tập trung là nhờ đập và cả đờng dẫn. Cột áp của
trạm gồm 2 phần: một phần do đập tạo nên, phần còn lại do đờng dẫn tạo
nên.
Nhà máy kiểu này đợc dùng cho các đoạn sông mà ở trên sông có độ
dốc nhỏ thì xây đập ngăn nớc và hồ chứa, còn ở phía dới có độ dốc lớn thì
xây dựng đờng 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 nớc trong nhà máy thủy điện .
Tuabin nớc 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 Sự ra đời của tuabin thủy lực.
Tuabin nớc là loại máy thuỷ lực đầu tiên loài ngời dùng để sử dụng
nguồn năng lợng thiên nhiên để phục vụ đời sống và sản xuất, trớc tiên là
trong công việc lấy nớc và chế biến lơng thực.
Tuabin nớc đầu tiên là những bánh xe nớc đơn giản sử dụng động
năng của dòng chảy. Cho tới nay lịch sử cha xác định đợc ai là ngời đầu
tiên phát minh ra bánh xe nớc. Ngời ta biết rằng hàng nghìn năm trớc công
nguyên ở Ai Cập, ấn Độ và Trung Quốc đã sử dụng bánh xe nớc dới dạng
thiết bị biến đổi năng lợng. Đến nay ở nớc ta bánh xe nớc vẫn còn đợc sử
dụng trên các suối vùng núi và trung du.
Hình 1.8 Bánh xe nớc
Tại Pháp từ thế kỷ IV đã có máy xay xát chạy bằng năng lợng của n-
ớc. Tuy nhiên mãi đến thế kỷ thứ XVI với sự phát triển của chủ nghĩa t bản
thì việc sử dụng năng lợng nớc mới có những cải tiến lớn. Nhng từ bánh xe
nớc tới tuabin nớc loài ngời phải trải qua tìm kiếm nghiên cứu lâu dài.
Năm 1934 kỹ s ngời Pháp là Fuaray đã chế tạo thành công tuabin nớc
đầu tiên.

Hình 1.9 Tuabin nớc
Sau đó ít năm, năm 1937 ngời thợ mộc Nga- Xaphon cũng chế tạo
tuabin nớc kiểu li tâm. Năm 1838 Hopd (Mỹ) đã cải tạo tuabin li tâm trên
thành tuabin hớng tâm.
Năm 1847-1849 một kỹ s mỹ là Dran Franxic đã cải tiến tuabin

Hopd thành tuabin tâm trục có hiêu suất cao hơn. Ngày nay ngời ta gọi
tuabin tâm trục là tuabin Franxic
Năm 1837-1841 Ghensen (Đức) và Jonvan (Pháp) đã chế tạo tuabin
hớng trục cánh cố định. Sau đó năm 1912-1924 một giáo s ngời Tiệp Khắc
cũ là Kaplan cải tiến tuabin hớng trục cánh cố định thành tuabin hớng 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 nớc và phát minh ra tuabin
gáo. Vì thế tuabin gáo còn gọi là tuabin Penton.
Ngày nay các loại tuabin nớc kể trên đã đợc cải tiến và hoàn thiện ở
mức độ cao. Nhiều kiểu tuabin đã đợc ra đời nh: Tuabin hớng chéo, tuabin
dòng thẳng (Capsun), tuabin bơm.

Hiện nay ở nớc ta đã có nhiều cơ sở đầu t tiến bộ khoa học kỹ thuật
cho việc chế tạo tuabin nớc. Chúng ta đã chế tạo tuabin nhỏ (đến hàng ngàn
KW). Trong tơng lai chúng ta sẽ chế tạo loại tuabin lớn hơn, góp phần cho
việc điện khí hoá và phục vụ sản xuất ở các địa phơng xa lới điện quốc gia.

1.4.2. Phân loại và phạm vi sử dụng của tuabin:
* Phân loại theo dạng năng lợng của dòng chảy qua tuabin:
Hình 1.10 Sơ đồ nhà máy thủy điện
Ta khảo sát các thành phần năng lợng của dòng chảy. Năng lợng đợn
vị của dòng chảy truyền cho bánh xe công tác tuabin bằng độ chênh năng l-
ợng riêng giữa hai tiết diện trớc và sau đó:
( )
2 2
1 2 1 1 2 2
1 1
2
P P V V

H Z Z
g



= + +
Thế năng Động năng
Vậy năng lợng riêng gồm hai phần : động năng và thế năng.
Tùy thuộc vào dạng năng lợng này mà chia tuabin nớc 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 nớc thấp, lu lợng lớn còn
tuabin xung lực dùng cho trạm có cột nớc cao, lu lợng nhỏ.
1.4.2.1 Tuabin phản lực:
Tuabin phản lực là hệ tuabin đợc sử dụng rộng rãi nhất, bao gồm
phạm vi cột nớc từ 1,5m đến 600m.
Tùy thuộc vào hớng dòng chảy của dòng nớc đi qua cánh bánh xe
công tác mà chia tuabin phản lực thành nhiều loại: tuabin hớng trục, tuabin

tâm trục, tuabin hớng chéo.
a. Tuabin hớng trục:
Tuabin hớng trục là loại tuabin trong đó hớng chuyển động của dòng
chảy trong phạm vi bánh xe công tác song song với trục quay tuabin (hình
1.8a,b )
Tuabin hớng trục có thể là loại cánh cố định hoặc là loại cánh điều
chỉnh bánh công tác gồm nhiều cánh đợc gắn với bầu. Nếu cánh đợc gắn
chặt với bầu thì gọi là tuabin hớng trục cánh cố định ( tuabin chong
chóng ). Nếu cánh có thể quay quanh trục cánh cố định thờng dùng cho các
trạm cỡ nhỏ và trung bình. Tuabin hớng trục cánh điều chỉnh đợc sử dụng
cho cỡ trung bình và lớn.
Tuabin hớng trục cánh điều chỉnh phức tạp vì cơ cấu điều chỉnh cánh
nằm trong bầu bánh công tác.

Hình 1.11 Tuabin hớng trục
b. Tuabin tâm trục (Hay còn gọi là tuabin Francis).
Trong tuabin tâm trục, hớng của dòng chảy ở vùng bánh công tác ban
đầu theo phơng hớng tâm, sau đó chuyển sang phơng song song với trục.
Tuabin này còn gọi là tuabin Francis. Nó đợc sử dụng rộng rãi trong
các trạm có cột nớc cao : H = 30-600m. Đối với các trạm nhỏ tuabin này có
thể làm việc với cột nớc H > 4m.
Bánh công tác gồm hệ thống cánh gắn chặt với hai vành đĩa trên và dới
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 nhng cánh cố định nên chỉ thích hợp
với trạm có cột nớc ít thay đổi (hình 1.8 d).
Tuabin tâm trục có cột nớc cao nhất thế giới H = 620m ở Khot-xen-
van (Đức).
ở nớc 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 hớng chéo:
Tuabin hớng chéo kết hợp u điểm của cả hai loại tuabin tâm trục và
hớng trục cánh điều chỉnh
Dòng chảy qua vùng bánh xe công tác của tuabin này có hớng tạo với
trục quay một góc nào đó (thờng 45-60 độ). Bầu cánh là hình nón. Bầu cánh
chứa toàn bộ cơ cấu điều chỉnh cánh nh bầu cánh của tuabin hớng trục cánh
điều chỉnh.
Loại tuabin này làm việc trong phạm vi cột nớc H = 30-150m. Nó có thể
điều chỉnh cánh nên phạm vi điều chỉnh công suất có hiệu suất cao tơng đối
rộng so với tuabin tâm trục.
Hình 1.13 Tuabin hớng chéo
1.4.2.2 Tuabin xung lực (xung kích):
a. Tuabin gáo ( còn gọi là tuabin Pelton) hình vẽ 1.5/7 thanh
1.9:
Trong đó : 1- ống dẫn 2- Mũi phun 3- Hớng tia nớc
4- Cánh gáo 5- Trục 6- Vở tuabin
Tuabin gáo là loại tuabin xung lực đợc sử dụng nhiều nhất. Phần dẫn
dòng của nó gồm bánh công tác và vòi phun. Bánh công tác gồm nhiều
cánh hình gáo đợc gắn chặt lên bánh công tác.
Bánh công tác gắn liền trên trục tuabin, trục này nối với trục máy phát.
Thông thờng 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 lu lợng 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 lu lợng qua bánh công
tác. Tuabin gáo làm việc với cột nớc H = 40-300m và lớn hơn nữa. ở nớc 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 hớng vào
bánh công tác dới 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 tơng tự nh vòi phun của tuabin gáo.
Tuabin tia nghiêng đợc lắp cho những trạm thuỷ điện nhỏ. Hiệu suất
của tuabin này thờng 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 hớng 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 lu lợng 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 đợc dùng cho các trạm thuỷ điện cỡ nhỏ N = 5-100KW.
1.4.3. Các bộ phận chính của tuabin nớc:
Trong tuabin nớc, bộ phận ảnh hởng 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 hút tuabin.
Trong đó bánh công tác là bộ phận chính làm nhiệm vụ biến đổi năng
lợng. Hai bộ phận buồng dẫn và buồng hút không trực tiếp biến đổi năng l-
ợng nhng vai trò của chúng rất quan trọng giúp bánh công tác làm nhiệm vụ

biến đổi năng lợng có hiệu quả tốt.
Các bộ phận phụ của phần dẫn dòng gồm có: các van điều chỉnh lu l-
ợng dòng chảy, van đóng nhanh khi có sự cố, lới 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 nén khí, thiết bị nâng hạ, hệ thống điệnở đây ta chỉ
xét bộ phận chính của phần dẫn dòng tuabin.



chơng 2 : Tổng quát chung nhà máy thuỷ điện Hoà
bình
2.1.Đờng năng lợng của nhà máy thuỷ điện Hoà Bình: Thủy năng -
Cơ năng - Điện năng:
Nhà máy thủy điện Hoà Bình đợc thiết kế theo phơng pháp nhà máy
thủy điện kiểu tổng hợp. Năng lợng nớc đợc tập trung là nhờ đập và cả đờng
dẫn.
Cột áp của trạm gồm 2 phần: một phần do đập tạo nên, phần còn lại
do đờng dẫn tạo nên. Kiểu thiết kế này áp dụng cho các đoạn sông mà ở
trên sông có độ dốc nhỏ thì xây đập ngăn nớc và hồ chứa, còn ở phía dới có
độ dốc lớn thì xây đờng dẫn.
Nớc đợc tập trung trên hồ chứa nhờ đập sau đó đợc chảy qua các đ-
ờng dẫn tới tuabin. Nhà máy thuỷ điện Hoà Bình có 8 tổ máy tơng ứng với
8 đờng dẫn và 8 tuabin. Nớc chảy tới tuabin qua đờng dẫn rồi tới buồng
xoắn.
Buồng xoắn sẽ thay đổi dòng chảy từ hớng tâm sang hớng trục qua
cánh hớng nớc tới bánh xe công tác. Nớc chảy làm bánh xe công tác quay
và kéo theo rôto của máy phát điện quay. Rô to quay làm bộ phận máy phát
hoạt động và phát ra điện. Tuyến năng lợng của nhà máy đợc thể hiện rất rõ

qua hình vẽ kèm theo.


2.2.Cửa nhận nớc nhà máy thuỷ điện Hoà Bình
Cửa nhận nớc là cửa quan trọng của nhà máy thủy điện, nó là cửa ngõ
khi vào nhà máy. Tại đây dòng nớc đợc lọc rác bằng lới chắn rác, sau đó đ-
ợc dẫn vào tuabin. Dòng nớc này đợc điều chỉnh bởi cửa sửa chữa và cửa
vận hành. Nh vậy cửa nhận nớc đã thực hiện một điều chỉnh trong toàn bộ
hệ thống của nhà máy.
Trong đó :
Cẩu trục chân đê: Nhiệm vụ điều khiển gầu cào rác, nâng hạ gầu cào rác
và di chuyển tới nơi thải rác. Bên cạnh đó, nó còn thực hiện việc nâng hạ lới
chắn rác phục vụ cho việc tu sửa lới chắn rác.
Gầu cào rác: Để vớt rác ra khỏi lới rác và vận chuyển tới nơi thải rác từ lới
chắn rác thu gom đợc.
Xi lanh thủy lực nâng hạ : Nhiệm vụ nâng hạ cửa vận hành.
ổ hớng: Nhiệm vụ định hớng cho trục của xilanh thủy lực đúng hớng vì
trục của xilanh dài.
Lới chắn rác: Ngăn các vật trôi theo dòng nớc không cho vào trong đờng
ống áp lực để không gây sự cố cho tổ máy.