ĐIỀU KHIỂN TURBINE THUỶ ĐIỆN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
------------------------------------

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
-------------------------------------

*****

THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ
Học viên: Trần Vinh Phú
Lớp: CHTĐH-K10
Chuyên ngành: Tự động hoá
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH Nguyễn Văn Liễn

ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN TURBINE THUỶ ĐIỆN

Học viên:

Ngày giao đề tài: 15/02/2009
Ngày hoàn thành: 30/07/2009

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

HỌC VIÊN

PGS.TS: Nguyễn Văn Liễn

Trần Vinh Phú

TRẦN VINH PHÚ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. NGUYỄN VĂN LIỄN

THÁI NGUYÊN 2009

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



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




LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nghiên cứu dƣới đây là của tôi , nếu sai tôi xin chịu
hoàn toàn trách nhiệm.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2009
Ngƣời cam đoan

Trần Vinh Phú

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



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

1




MỤC LỤC

2.3.6 Các bộ phận phụ của turbine

35
36

Lời cam đoan

1

2.4. Các thong số đặc tính Turbine

Lời nói đầu

5

2.4.1.Cột áp Turbine

36

Chƣơng 1: TỔNG QUAN

7

2.4.2. Lƣu lƣợng Turbine

36

1.1. Máy phát điện

7

2.4.3. Công suất

37

1.2. Tổng quan về nhà máy thuỷ điện

10

2.4.4. Hiệu suất

37

1.2.1. Tình hình phát triển thuỷ điện

10

2.4.5. Đƣờng kính bánh xe công tác và số vòng quay của Turbine

38

1.2.2. Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy thuỷ điện

11

2.5. Hệ thống điều chỉnh Turbine nƣớc

38

1.2.3. Phân loại nhà máy thuỷ điện

11

2.5.1.Các yêu cầu với hệ điều tốc Turbine

38

1.2.4. Cấu tạo nhà máy thuỷ điện

14

2.5.2. Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh Turbine

39

1.2.5. Hệ điều khiển công suất nhà máy thuỷ điện

19

2.5.3. Đặc tính của hệ thống điều chỉnh Turbine

41

CHƢƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN CỦA TURBINE

25

2.5.4. Phân loại bộ điều tốc

44

2.1. Khái niệm cơ bản

25

2.5.5. Cấu trúc của hệ thống điều chỉnh Turbine nƣớc

50

2.2. Phân loại các loại Turbine

26

2.5.6. Tính toán thông số chính của điều tốc Turbine

53

2.2.1 Turbine phản kích

27

CHƢƠNG 3:

60

2.2.2 Turbine hƣớng trục

27

3.1. Đặt vấn đề

60

2.2.3 Turbine tâm trục

28

3.2. Mô hình toán học

61

2.2.4 Turbine hƣớng chéo

29

3.2.1. Khâu Turbine

61

2.2.5 Turbine xung lực

30

3.2.2. Khâu khuếch đại

62

2.2.6 Turbine gáo

30

3.2.3. Các khâu đo

63

2.2.7 Turbine tia nghiêng

31

3.3. Tổng hợp hệ thống

64

2.2.8 Turbine tác dụng kép

31

3.3.1. Tổng hợp mạch vòng vị trí

64

2.3. Cấu tạo Turbine Kaplan

32

3.3.2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ

65

2.3.1 Buồng Turbine

32

3.3.3.Mô phỏng hệ thống điều chỉnh turbine

67

2.3.2 Stato

33

CHƢƠNG IV: NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU CHỈNH TURBINE

71

2.3.3 Bộ phận hƣớng nƣớc

33

4.1. Giới thiệu chung

71

2.3.4 Bánh xe công tác Turbine

34

4.2. Cơ sở lý thuyết về điều chỉnh LQ

71

2.3.5 Trục và ổ trục

35

4.2.1. Bộ điều chỉnh LQR

71

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

2

TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TURBINE

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

3




LỜI NÓI ĐẦU

4.2.2. Bộ điều khiển LQG

73

4.2.2.1. Bài toán tuyến tính có nhiễu

73

4.2.2.2. Bộ quan sát trạng thái (lọc) Kalman

74

Turbine thuỷ là thiết bị quan trọng trong nhà máy thuỷ điện, việc điều chỉnh

4.2.2.3. Bộ điều chỉnh phản hồi đầu ra LQG

75

tốc độ Turbine thuỷ điện quyết định các chỉ tiêu kỹ thuật của nhà máy điện, khả

4.2.2.4. Loop Transfer Recovery

76

năng ổn định tần số của máy phát. Thực tế đã có nhiều nghiên cứu về Turbine thuỷ

4.3. Phân tích tính điều khiển đƣợc và quan sát đƣợc

77

điện và các phƣơng pháp điều tốc Turbine thuỷ điện. Trong phạm vi luận văn này

4.3.1. Phân tích tính điều khiển đƣợc

77

4.3.2. Phân tích tính quan sát đƣợc

79

4.4. Thiết kế bộ điều chỉnh LQ

80

4.4.1. Thiết kế bộ điều chỉnh LQR

80

4.4.1.1. Xây dựng cấu trúc bộ điều chỉnh LQR

80

4.4.1.2. Tính chọn tham số của bộ điều khiển

82

4.4.1.3. Kết quả mô phỏng

83

4.4.2. Thiết lập bộ điều chỉnh LQG

85

4.4.2.1. Xây dựng cấu trúc bộ điều chỉnh khiển LQG

85

4.4.2.2. Tính chọn tham số bộ điều khiển

86

4.4.2.3. Kết quả mô phỏng

87

4.4.2.4. Loop Transfer Recovery

87

4.5. Điều khiển LQ cho mô hình phi tuyến

90

4.5.1. Điều khiển LQR cho mô hình phi tuyến

90

4.5.2. Điều khiển LQG cho mô hình phi tuyến

90

Đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của PGS.TSKH. Nguyễn Văn Liễn tôi đã hoàn

4.6. Kết luận chƣơng

93

thành đồ án đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của đề tài. Do thời gian và kinh nghiệm có

KẾT LUẬN

95

hạn, vấn đề điều tốc Turbine là vấn đề quan trọng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố

Tài liệu tham khảo

98

nên luận văn còn nhiều điểm cần tiếp tục nghiên cứu phát triển trong tƣơng lai. Tôi

tôi tập trung nghiên cứu lý luận tổng quan, phƣơng pháp thiết kế, xây dựng bộ điều
tốc Turbine thuỷ điện, … và đƣa ra phƣơng án nâng cao chất lƣợng bằng điều khiển
LQ .
Trong thời gian không dài, luận văn đã đƣợc hoàn thành các yêu cầu đặt ra khi
tính toán thiết kế hệ thống điều tốc Turbine thuỷ điện. Xây dựng đƣợc hệ thống điều
khiển với đầy đủ các chức năng đồng thời nghiên cứu, phát triển bằng điều khiển
Linear Quadratic. Luận văn gồm 2 phần liên quan chặt chẽ với nhau, phần 1 nghiên
cứu Xây dựng hệ thống điều chỉnh Turbine thuỷ lực và phần 2 nghiên cứu nâng cao
chất lƣợng bằng điều khiển LQ cho điều tốc Turbine thuỷ điện. Toàn bộ luận văn
đƣợc chia thành 4 chƣơng:
- Chương I: Tổng quan
- Chương II: Cấu trúc và hệ điều chỉnh Turbine
- Chương III: Tổng hợp hệ thống điều tốc Turbine
- Chương IV: Nâng cao chất lượng bằng điều khiển LQ cho điều tốc
Turbine thuỷ điện

rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng
nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.

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

4

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

5




Luận văn tốt nghiệp Cao học

Sau thời gian thực hiện, đến nay bản luận văn của tôi đã hoàn thành với kết

CHƯƠNG I:

7

TỔNG QUAN

quả tốt. Trƣớc thành công này tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy
PGS.TSKH. Nguyễn Văn Liễn, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn

1.1. Máy phát điện

thành đề tài này, tôi cũng xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn tới các anh các chị trong

Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phạm vi sử dụng

Trung tâm Công nghệ cao Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội cũng nhƣ gia đình,

chính là biến đổi cơ năng thành điện năng, nghĩa là làm máy phát điện, điện năng ba

bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn.

pha được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống sản suất từ

Ngày . . .tháng …. năm 2009
Học viên:

các máy phát điện quay bằng Turbine hơi, Turbine khí hoặc Turbine nước.
Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị lớn vì
khác với các động cơ không đồng bộ, chúng có khả năng phát ra công suất phản
kháng.
Thông thường các máy điện đồng bộ được tính toán sao cho chúng có khả năng

Trần Vinh Phú

phát ra công suất phản kháng bằng công suất tác dụng.
Máy phát điện đồng bộ:
Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi các Turbine hơi hoặc Turbine
nước. Máy phát Turbine hơi có tốc độ quay cao hơn do đó được chế tạo theo kiểu
cực ẩn và có trục máy nằm ngang. Máy phát Turbine nước thường có tốc độ quay
thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi và nói chung trục máy được đặt thẳng đứng.
Trong trường hợp máy phát điện có công suất nhỏ và cần di động thì thường dùng
Điêzen thường có cấu tạo cực lồi.
Kết cấu:
Để thấy rõ đặc điểm về kết cấu của máy điện đồng bộ, ta xét riêng rẽ kết cấu của
máy cực ẩn và máy cực lồi.
a. Kết cấu của máy đồng bộ cực ẩn.
Roto của máy đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn
thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn kích từ.

Các máy điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2,
tốc độ quay của Rôto là 3000 vòng/ phút và để hạn chế lực li tâm, trong phạm vi an
toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép Roto, đường kính d của Roto

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

6



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




Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

8

9

không quá 1.1 đến 1.15 mét. Để tăng công suất máy, chỉ có thể tăng chiều dài l của

thép dày 1- 6mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ

Roto. Chiều dài tối đa của Roto vào khoảng 6.5 mét.

và lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trục máy. Cực từ đặt trên lõi thép

Dây quấn kích từ đặt trong rãnh Roto được chế tạo từ dây đồng trần, tiết diện
chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm. Các vòng dây của bối
dây này được cách điện với nhau bằng một lớp Mica mỏng. Để cố định và ép chặt

Roto được ghép bằng những lá thép dày 1 – 1.5mm.
Việc cố định cực từ trên lõi thép được thực hiện nhờ đuôi hình chữ T hoặc bằng
các Bulông xuyên qua mặt cực và vít chặt vào lõi thép Roto.

dây quấn kích từ trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín bởi các thanh nêm bằng thép

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần, tiết diện chữ nhật quấn theo

không từ tính. Phần đầu nối (nằm ngoài rãnh) của dây quấn kích từ được đai chặt

chiều mỏng thành từng cuộn dây đồng tâm, cách điện giữa các vòng dây là các lớp

bằng các ống trụ thép không từ tính.

Mica hoặc Amiăng. Các cuộn dây sau khi gia công được lồng vào thân cực.

Hai đầu dây quấn kích từ đi luồn trong đầu trục nối với hai vành trượt đặt ở đầu
trục thông qua hai chổi điện để nối với dòng kích từ một chiều.

Dây quấn cản (trong máy phát đồng bộ) hoặc dây quấn mở máy được đặt trên
đầu các cực. Các dây quấn này giống như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện

Máy kích từ này thường được nối trục với trục máy đồng bộ hoặc có trục chung
với máy đồng bộ.

không đồng bộ, nghĩa là làm bằng các thanh đồng đặt trong rãnh các đầu cực và
được nối hai đầu bởi hai vòng ngắn mạch.

Stato của máy đồng bộ cực ẩn bao gồm lõi thép, trong đó có đặt dây quấn ba

Dây quấn mở máy chỉ khác dây quấn cản ở chỗ điện trở các thanh dẫn của nó

pha và thân máy, nắp máy. Lõi thép stato được ép bằng các lá tôn silic dày 0.5mm,

lớn hơn. Stato của máy điện đồng bộ cực lồi có cấu tạo tương tự như máy điện

hai mặt có phủ sơn cách điện. Dọc chiều dài lõi thép stato cứ cách khoảng 6cm lại

đồng bộ cực ẩn.

có một rãnh thông gió ngang trục, rộng 10mm. Lõi thép stato được đặt cố định trong

Trục máy điện đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang như các máy bù đồng bộ,

thân máy. Trong các máy đồng bộ có công suất trung bình và lớn, thân máy được

máy phát điện điêzen, máy phát turbine nước công suất nhỏ và tốc độ quay tương

cấu tạo theo kết cấu khung thép, mặt ngoài bọc bằng các tấm thép dát dày. Thân

đối lớn (khoảng trên 2000 vòng/ phút). Ở đây máy phát Turbine nước công suất lớn

máy phải thiết kế và cấu tạo sao cho trong nó hình thành hệ thống đường thông gió

tốc độ chậm, trục máy được đặt thẳng đứng. Khi trục máy đặt thẳng đứng, ổ trục đỡ

làm lạnh máy điện. Nắp máy cũng được chế tạo từ thép tấm hoặc từ gang đúc. Ở

rất quan trọng. Nếu ổ trục đỡ đặt ở trên đầu của trục thì máy thuộc kiểu treo, còn

các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn, ổ trục không đặt ở nắp máy mà ở giá

nếu đặt ở đầu dưới của trục thì máy thuộc kiểu dù.

đỡ, ổ trục đặt cố định trên bệ máy.

Ở máy turbine nước kiểu treo, xà đỡ trên tựa vào thân máy, do đó tương đối dài

Kết cấu máy phát điện đồng bộ cực lồi.

và rất khoẻ vì nó chịu toàn bộ trọng lượng của Roto máy phát, Roto Turbine nước

Máy phát điện đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp, vì vậy khác với máy

và xung lực của nước đi vào Turbine. Như vậy kích thước xà trên đỡ rất lớn, tốn

điện đồng bộ cực ẩn, đường kính Rôto d của nó có thể lên tới 15m trong khi chiều

nhiều thép, đồng thời bản thân máy cũng cao lớn do đó tăng thêm chi phí xây dựng

dài l lại nhỏ,với tỉ lệ l/d = 0.15-0.2

buồng đặt máy. Ở các máy phát Turbine nước kiểu dù, ổ đỡ trục trên xà dưới.

Roto của máy điện cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được được

Xà đỡ dưới được cố định trên nền gian máy, do đó ngắn hơn và ở một số máy, ổ

chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ (bánh xe)

trục đỡ đặt ngay trên nắp của Turbine nước. Trong cả hai trường hợp đều giảm được

trên mặt đó đặt các cực từ. Ở các máy lớn lõi thép đó được hình thành bởi các tấm

vật liệu chế tạo (có thể đến vài trăm tấn đối với các máy lớn) và khiến cho bản thân

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

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






Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

10

11

máy và buồng đặt máy đều thấp hơn trên cùng trục với máy phát Turbine thường có

cho sản lượng khoảng 31 tỷ KWh và đảm bảo an toàn cho Hà Nội và cho các vùng

đặt thêm các máy phụ, máy kích thích, để cung cấp dòng một chiều cho cực từ của

đồng bằng Bắc bộ. Ước tính khi mức lũ ở Hà nội vượt quá 13,3 m nếu dùng biện

máy phát đồng bộ và máy phát điều chỉnh, để làm nguồn cung cấp điện cho bộ điều

pháp phân lũ và cấp nước cho hạ du sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao và là mục tiêu

chỉnh tự động của Turbine.

quan trọng để xây dựng đất nước.

1.2. Tổng quan về nhà máy thuỷ điện.

1.2.2. Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy thuỷ điện
Nhà máy thuỷ điện là công trình thuỷ điện phát ra năng lượng điện dựa trên

1.2.1. Tình hình phát triển thuỷ điện.
Trong nhiều nước trên thế giới thuỷ điện chiếm tỉ lệ tương đối lớn 25%. Giá

nguồn năng lượng cơ năng của dòng nước.

thành sản suất điện năng bằng thuỷ năng rất rẻ so với nhiệt điện do sử dụng nguồn

Nhà máy thuỷ điện hoạt động dựa trên nguyên lý rất đơn giản nước trên các

năng lượng tái sinh ít ảnh hưởng xấu đến môi trường. Chính vì vậy ngành thuỷ điện

sông, các suối chảy từ nguồn ra biển, đi từ cao đến thấp mang theo một nguồn năng

trên thế giới rất phát triển cả về số lượng lẫn chất lượng. Công suất lớn nhất của một

lượng. Để tập trung nguồn năng lượng người ta dùng hệ thống đập tạo nên cột cao

tổ máy thuỷ điện là 750w, hiệu suất tổ máy là 92% - 96%. Công trình có công suất

áp tức là độ chênh cột áp trước đập và sau đập. Đập có hồ nước lớn để điều tiết lưu

lớn nhất trên thế giới hiện nay là công trình Tam Hiệp (Trung Quốc) N =

lượng lòng sông. Do đó nước sẽ chảy từ thượng lưu (trước đập) về hạ lưu (sau đập)

18200MW. Các nước Mỹ, Nga, Pháp, Canada, Nhật Bản, Trung Quốc là nhhững

rồi chảy vào buồng dẫn Turbine. Nước được buồng dẫn đưa đến bánh xe công tác.

nước có trữ lượng thuỷ điện lớn và có nền thuỷ điện phát trển.

Do tác dụng của áp lực nước lên cánh bánh xe công tác làm cho trục Turbine quay.

Việt nam có 124 hệ thống song với 2860 con sông có chiều dài lớn hơn 10km

Trục Turbine nối liền với trục Roto máy phát làm trục Roto quay. Roto được cung

với trữ lượng thuỷ năng trên lý thuyết là 271.3 tỷ KWh/năm và trữ năng kỹ thuật

cấp nguồn tự kích ban đầu nên có dòng điện chạy qua sẽ cảm ứng sang Stato sẽ phát

khoảng 90 tỷ KWh/năm.

điện cung cấp điện tới các trạm phân phối điện thông quan hệ thống máy biến áp.

Hiện nay chúng ta chỉ khai thác 20% trữ lượng dồi dào này. Hiện nay có các nhà
máy thuỷ điện Thác Bà công suất 108 MW, Hoà Bình 1920MW, Yaly 720 MW, Trị

Nguồn điện năng này sẽ từ trạm phân phối được đưa đi khắp cả nước thông qua các
hệ thống đường dây.

An 400MW, Thác Mơ 150 MW, ĐaMi 175MW, Hàm Thuận 300MW, Vĩnh Sơn
66MW, Sông Hinh 70 MW. Nước ta hiện nay thuỷ điện chiếm 60% công suất của
hệ thống điện Việt nam, vào những đầu thập niên 21 khi nhu cầu phát triển kinh tế

1.2.3. Phân loại nhà máy thuỷ điện
Tuỳ thuộc và vị trí địa lý mà nhà máy thuỷ điện được phân thành ba loại cơ bản:

tăng cao đòi hỏi nhiều nguồn năng lượng điện thì thuỷ điện là nguồn năng lượng rẻ
tiền nhất cần phải khai thác triệt để nhất khi nguồn than nước ta không nhiều mà chi

1.2.3.1. Nhà máy thuỷ điện ngang đập

phí sản suất nhiệt điện lại lớn hơn nhiều so với thuỷ điện. Không những công trình

Nhà máy thuỷ điện ngang đập là một phần công trình dâng nước, chịu áp lực

thuỷ điện đóng vai trò quan trọng trong công việc cung cấp năng lượng mà còn là

nước thượng lưu, đồng thời cũng là công trình lấy nước nối trực tiếp với Turbine.

công trình thuỷ lợi tổng hợp và tránh thiên tai. Lợi ích trong phòng chống lũ ở các

Cửa lấy nước cũng là thành phần cấu tạo của bản thân nhà máy. Do bản thân nhà

công trình thuỷ điện trên các hệ thống sông như sông Đà là vô cùng lớn. Sông Đà

máy nằm trong lòng sông nên loại nhà máy này gọi là nhà máy kiểu lòng sông. Với

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

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






Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

12

13

đặc điểm trên kết cấu của nhà máy ngang đập có công suất lớn, trung bình thường

hạ lưu của đập. Tuỳ vào cột nước công tác mà nhà máy thuỷ điện sau đập thường

lắp Turbine cánh quay trục đứng hoặc Turbine cánh quạt với cột nước < 20m.

dùng Turbine tâm trục, Turbine cánh quay cột nước cao hay Turbine cánh chéo.

Những tổ máy có đường kính bánh xe công tác d1 = 10 – 10.5m, công suất tổ máy

Nhà máy loại này phần điện được bố trí phía thượng lưu sau đập trước nhà máy còn

từ 120 – 150 MW, lưu lượng nước qua Turbine từ 650 – 700m3/s. Do lưu lượng

phía hạ lưu được bố trí hệ thống dầu và nước.

nước qua Turbine lớn lên kích thước buồng xoắn và ống hút cũng phải lớn, người ta
thường bố trí khoảng trống trong ống loe buồng hút để bố trí các phòng phụ.
Nhà máy này thường bố trí phần điện ở hạ lưu còn phần thượng lưu thì thường
bố trí đường ống dầu, nước và khí nén.

1.2.3.3. Nhà máy thuỷ điện đường dẫn
Trong sơ đồ khi khai thác thuỷ năng kiểu đường dẫn hoặc kết hợp nhà máy
thuỷ điện đứng riêng tách biệt khỏi công trình đầu mối. Cửa lấy nước đặt cách xa

Một đặc điểm quan trọng đối với nhà máy thuỷ điện ngang đập là về mùa lũ cột

nhà máy. Trong trường hợp công trình lấy nước là không áp thì cửa lấy nước nằm

nước công tác giảm, dẫn đến công suất giảm, trong một số trường hợp nhà máy có

trong thành phần của bể áp lực. Trong trường hợp công trình lấy nước là hầm có áp

thể ngừng làm việc. Để tăng công suất nhà máy trong thời kỳ lũ đồng thời giảm đập

thì cửa lấy nước được bố trí ở đầu đường hầm và là công trình độc lập. Đường dẫn

tràn, hiện nay trên thế giới người ta thiết kế nhà máy thuỷ điện ngang đập kết hợp

nước vào nhà máy thường là đường ống áp lực nhưng trong trường hợp trạm thuỷ

với hệ thống xả lũ.

điện đường dẫn cột nước thấp với đường dẫn là kênh dẫn thì có thể bố trí máy thuỷ

Phần qua nước của tổ máy bao gồm: Công trình lấy nước, buồng xoắn và ống

điện kiểu ngang đập.

hút cong. Đối với trạm thuỷ điện ngang đập cột nước thấp, lưu lượng lớn, chiều dài

Cả hai loại máy đường dẫn và sau đập đều sử dụng đường dẫn ống nước vào

đoạn tổ máy thường xác định theo kích thước bao ngoài buồng xoắn và ống hút.

Turbine nên không chịu áp lực trực tiếp từ phía thượng lưu, do đó kết cấu phần dưới

Mặt nằm ngang chiều rộng cửa lấy nước bằng chiều rộng mặt cắt cửa vào buồng

nước và biện pháp chống thấm đỡ phức tạp hơn. Nhà máy thường dùng với cột

xoắn và kích thước của nó phù hợp với điều kiện lưu tốc cho phép qua lưới chắn

nước từ 30 – 45m < H < 250 – 300m.

rác. Chiều ngang đoạn tổ máy và chiều dòng chảy phần dưới nước của nhà máy phụ
thuộc vào kích thước cửa lấy nước, buồng xoắn Turbine chiều dài ống hút, đồng

Ngoài cách phân loại cơ bản trên nhà máy thuỷ điện còn được phân loại theo vị
trí tương đối của bản thân nhà máy trong bố trí tổng thể.

thời với việc tính toán ổn định nhà máy và ứng suất nền có quan hệ với kích thước

+ Nhà máy thuỷ điện trên mặt đất.

phần dưới của nhà máy.

+ Nhà máy thuỷ điện ngầm được bố trí hoàn toàn trong lòng đất.
+ Nhà máy thuỷ điện trong thân đập.
Ngoài ra nhà máy thuỷ điện còn nhiều kết cấu đặc biệt khác như kết hợp xả lũ

1.2.3.2 Nhà máy thuỷ điện sau đập
Nhà máy được bố trí ngay sau đập nước. Khi cột nước cao hơn 30 – 45m thì bản

dưới đáy hoặc trong thân đập tràn, trong trụ pin, nhà máy thuỷ điện ngang đập với

thân nhà máy vì lý do ổn định công trình nên không thể là một thành phần của công

Turbine capxul, nhà máy điện thủy triều. Các loại nhà máy này là các nhà máy thuỷ

trình dâng nước ngay cả khi trong trường hợp tổ máy công suất lớn. Nếu đập dâng

điện đặc biệt.

nước là đập bêtông trọng lực thì cửa lấy nước và đường dẫn nước Turbine được bố

Về công suất nhà máy phân chia theo công suất lắp mới, cách phân loại này phụ

trí trong thân đập bê tông, đôi khi đường dẫn ống nước Turbine được bố trí ở phía

thuộc tổng quốc gia. Ở Việt nam sự phân loại theo tiêu chuẩn.

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

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






Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

14

15

tốc độ quay của máy phát và bằng tốc độ quay đồng bộ. Ngoài hai bộ phận chủ yếu

TCVN: 5090
+ Nhà máy thuỷ điện lớn: N ≥ 1000MW

là Rotor và Stator máy phát còn hệ thống khác như hệ thống kích từ, hệ thống làm

+ Nhà máy thuỷ điện vừa: 15MW < N < 1000MW

mát máy, hệ thống bảo vệ, hệ thống phanh hãm tổ máy.

+ Nhà máy thuỷ điện nhỏ: N ≤ 15MW

+ Hệ thống kích từ máy phát: Một mặt cung cấp dòng kích từ cho máy phát,

Theo cột nước phân theo ba loại tuỳ theo cột nước công tác lớn nhất:
+ Nhà máy thuỷ điện có cột nước cao:
+ Nhà máy thuỷ điện có cột nước trung bình:
+ Nhà máy thuỷ điện có cột nước thấp:

Hmax > 400m

mặt khác nó còn là hệ thống điều chỉnh điện áp đầu ra máy phát cung cấp lưới điện
nguồn điện áp ổn định khi tải thay đổi.
+ Hệ thống phanh hãm tổ máy: Để giảm bớt thời gian máy phát đang quay

50m < Hmax < 400m
Hmax < 50m

với tốc độ nhỏ, khi có độ dày màn bôi trơn trong các ổ trục giảm đi đáng kể gây
nguy hại cho trục và ổ trục cần phải có hệ thống phanh tổ máy. Hệ thống phanh sử
dụng là các kích sử dụng khí nén áp suất 0,6 – 0,8 MP có gối đệm áp sát guốc

1.2.4. Cấu tạo nhà máy thuỷ điện
Nhà máy thuỷ điện các thiết bị nhà máy được chia thành các loại: Thiết bị động
lực, thiết bị cơ khí, thiết bị phụ và thiết bị điện.

phanh dưới đáy Roto. Quá trình phanh hãm khi tốc độ Roto còn khoảng 25% - 30%
tốc độ định mức.
+ Hệ thống làm mát: Khi làm việc với lõi sắt từ các cuộn dây điện đều sản

1.2.4.1.

sinh ra một lượng nhiệt lớn. Thông thường sử dụng các cánh quạt gắn bên trên và

Turbine thuỷ lực

Thiết bị động lực bao gồm Turbine và máy phát. Các bộ phận cơ bản của
Turbine là buồng dẫn nước vào, phần cơ khí thuỷ lực, bộ phận tháo nước, hệ thống

bên dưới Rotor, khi Rotor quay các cánh này tạo ra những chiếc quạt để quạt gió
qua các rãnh làm mát của Rotor và Stator máy phát, gió được đẩy từ trong ra ngoài.

điều khiển.

+ Hệ thống đo lường bảo vệ: Hệ thống này cung cấp những thông tin về tình

Phụ thuộc vào cột nước mà nhà máy sử dụng mà Turbine có thể là: cánh quay,
cánh quạt, tâm trục hay Turbine gáo.

trạng làm việc không bình thường của máy phát và tự động hoàn toàn việc dừng
khẩn cấp khi các thông số kỹ thuật vượt quá giá trị giới hạn. Hệ thống này bao gồm
các mạch bảo vệ bằng tín hiệu (âm thanh, ánh sáng). Hệ thống cảnh báo sẽ làm việc

1.2.4.2.

khi có sự sai lệch so với chế độ làm việc bình thường của một bộ phận nào đó của

Máy phát thuỷ điện

Máy phát điện là động cơ biến cơ năng của Turbine thành điện năng cung cấp
cho hệ thống điện. Máy phát thuỷ điện về nguyên tắc là máy phát thuỷ điện đồng bộ

tổ máy, còn tải sự cố chỉ trong trường hợp các chỉ số kỹ thuật vượt quá giá trị giới
hạn.

ba pha, các bộ phận chủ yếu của nó bao gồm Roto nối với trục Turbine trực tiếp hay
gián tiếp qua hệ thống truyền động. Roto là nhiệm vụ tạo nên từ trường quay làm

1.2.4.3. Các thiết bị cơ khí trong nhà máy thuỷ điện

xuất hiện dòng điện xoay chiều trong các cuộn dây trong các ổ cực của Stator máy

a. Cửa van trên thành ống dẫn Turbine

phát. Để đảm bảo tần số điện lưới không đổi, đạt tiêu chuẩn 50Hz thì yêu cầu Rotor

Các trạm thuỷ điện cột nước cao, cửa van trước buồng xoắn có công dụng tránh

máy phát quay với tốc độ không đổi khi có phụ tải và bằng tốc độ quay đồng bộ.

cho cánh hướng nước phải chịu áp lực nước khi ngừng làm việc, giảm tổn thất rò rỉ

Nếu trục Turbine và trục máy phát nối liền nhau thì tốc độ quay của Turbine bằng

qua cánh hướng nước và cơ bản bảo vệ cho cánh hướng nước khỏi bị phá huỷ do

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

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






Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

16

17

hiện tượng khí thực khi nước rò rỉ qua chúng với lưu tốc lớn. Khi bố trí cửa van

Các bộ phận chủ yếu là vỏ máy chứa đầu cách điện, ở trong nó là các cuộn dây

trước buồng xoắn nó còn bảo vệ cho các tổ máy khỏi bị quay lồng khi các hệ thống

và lõi thép từ. Máy biến áp được phân thành hai loại theo số cuộn dây. Loại hai

điều khiển ngừng làm việc. Đối với các trạm có phương thức cấp nước độc lập, cửa

cuộn dây và loại ba cuộn dây. Loại hai cuộn dây dùng để tăng áp lên một cấp điện

van được bố trí dưới buồng xoắn tất cả các trường hợp với cột nước hơn 300m, hoặc

áp. Loại ba cuộn dây dùng để tăng hai cấp điện áp cung cấp cho hệ thống điện khác

đường ống rìa trên 300- 400m. Đối với các trạm thuỷ điện cấp nước theo nhóm với

nhau. Theo số pha người ta chế tạo ra máy biến áp một pha, máy biến áp hai pha,

ống dẫn nước chung cho một số tổ máy thì cửa van được bố trí trên tất cả các ống

máy biến áp ba pha. Khả năng vượt tải tạm thời của máy biến áp trong một số ít giờ

riêng rẽ.

có thể đạt tới 30-40%, còn khả năng quá tải lâu dài đạt tới 5- 10%.

Van đĩa được áp dụng cho tất cả các đường ống có đường kính từ 0.5 – 8.5m,
với các đường kính nhỏ thì sử dụng cho các cột nước đến 600m. Đường kính ống

b. Hệ thống điện lực tĩnh
Phục vụ sản suất của bản thân trạm thuỷ điện chiếm khoảng 0.2 – 1.0% điện

lớn hơn 4m thì áp dụng cho cột nước dưới 170 – 230m.

năng sản suất. Các bộ phận tự dùng được chia thành ba loại: Loại không cho phép

b. Cửa van cửa ra ống hút

mất điện khi làm việc (Các hệ thống đầu, cấp nước kỹ thuật, khí nén, kích từ, phóng

Cửa van cửa ra ống hút với mục đích sửa chữa Turbine, khi đó cần phải đóng

hoả, điều khiển máy cắt cầu dao, điều khiển các cửa van công tác, chiếu sáng trong

cửa van này để bơm cạn nước buồng xoắn và ống hút. Cửa van này là cửa van trượt,

nhà); loại cho phép mất điện tạm thời trong một thời gian ngắn (Hệ thống tháo nước

phẳng, một tầng, nhiều tầng. Nó được để ở cửa ra, giữa hoặc đầu đoạn loe ống hút.

tổ máy, thoát nước rò rỉ, chiếu sáng ngoài trời); Các loại cho phép mất điện trong

Việc đóng mở van này có thể được bố trí cầu trục phía trên ống hút, thường là
kiểu trục kiểu chân rê hoặc tời di động trên dầm cố định.

một thời gian nhất định (hệ thống lọc và xử lý dầu, các xưởng sửa chữa, các kho
chứa).

c. Thiết bị nâng chuyển

Hệ thống điện dùng tuỳ theo loại mà sử dụng điện áp từ 220v- 10kv. Vì vậy cần

Thiết bị nâng chuyển chính trong nhà máy thuỷ điện là cầu phục vụ cho việc lắp

có máy biến hạ thế nối trực tiếp máy phát hoặc với hệ thống thanh góp điện áp máy

ráp và sửa chữa tổ máy.

phát.

1.2.4.4.Thiết bị điện

1.2.4.5. Các hệ thống thiết bị phụ

Thiết bị điện của trạm thuỷ điện bao gồm: dây dẫn điện từ máy phát, máy biến
áp chính, trạm phân phối điện, hệ thống điện tự dùng, hệ thống đo lường và kiểm tra
và điều khiển, thiết bị điều trung tâm.

Các hệ thống thiết bị phụ bao gồm: Hệ thống dầu, cấp nước kỹ thuật, khí nén
phòng hoả, tháo nước sửa chữa và rò rỉ.
a. Hệ thống dầu.
Dung tích dầu của hệ thống bôi trơn thường chiếm khoảng 35% dung tích dầu

a. Máy biến áp chính
Nhằm nâng cao điện áp tải điện đi xa. Phụ thuộc vào trạm thuỷ điện cung cấp

vận hành. Dung tích dầu cách nhiệt máy biến thế phụ thuộc vào hình dạng và công

mà điện áp cao thế máy biến áp có thể là 35, 110, 220, 500kV hoặc cao hơn. Máy

suất của loại máy, thường cứ 1000kw cần 0,4T đối với máy biến thế lớn; 0,6 – 1T

biến áp chính về nguyên tắc được bố trí ngoài trời, chúng đòi hỏi việc làm mát bằng

đối với máy loại vừa. Ngoài số lượng dầu đó ra, theo điều kiện kỹ thuật và quy

không khí hoặc bằng nước.

phạm ở các trạm thuỷ điện cần phải có lượng dầu dự trữ sau đây: trong vận hành khi

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



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




Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

18

19

đã dự trữ đầy dầu cho một tổ máy cần phải cộng thêm một lượng dự trữ hao hụt

Hệ thống nén khí trong nhà máy chủ yếu để điều khiển tổ máy, hãm máy khi cắt

trong 45 ngày, trong hệ thống dầu bôi trơn cũng phải tăng thêm lượng dầu dự trữ

tải phục vụ cho việc điều khiển, kiểm tra đo lường, dùng khí nén khi tổ máy làm

như vậy. Đối với máy biến thế cần cộng thêm 1% lượng dầu toàn bộ của nó và máy

việc ở chế độ bù đồng bộ và độ cao hút ẩm.

cắt. Dung tích dầu ở một trạm thuỷ điện rất lớn có thể đạt tới hàng nghìn tấn. Bảo

vệ lượng dầu như vậy trong nhà máy cần phải có hệ thống chống nóng, phóng hoả.
Các trạm thuỷ điện, dầu dùng cho máy biến thế được chứa ở bể riêng. Trong vận
hành tuyệt đối không được nhầm lẫm các loại dầu.

Hệ thống khí nén của trạm bao gồm: máy nén khí, bình chứa khí, các đường ống
dẫn chính, các đường phụ dẫn đến các thiết bị.
d. Hệ thống tháo nước ở các tổ máy.
Khi kiểm tra, sửa chữa ống hút, buồng xoắn cần phải tháo cạn lượng nước có

Trong các hệ thống cung cấp dầu cần có các bộ lọc để loại trừ tạp chất và nước.

trong đó. Trạm thuỷ điện hệ thống này phải bố trí hệ thống tháo nước và tập trung

Những nhà máy thuỷ điện lớn thường có thiết bị dầu tái sinh chủ yếu để phục hồi

nước. Lưu lượng nước trong buồng xoắn và ống hút thường từ 8- 10 ngàn m3 . Khi

bản chất hoá lý của dầu. Đối với các trạm thuỷ điện nhỏ sự tái sinh dầu được thực

độ cao hút dương và mực nước thấp, buồng xoắn đặt cao hơn mức nước hạ lưu thì

hiện bằng các thiết bị đặt ở trạm dẫn dầu và từ đó đến tổ máy.

dùng phương pháp tự tháo, phần nước còn lại dùng máy bơm bơm xuống hạ lưu.

b. Hệ thống cung cấp nước kỹ thuật.

e. Hệ thống tiêu nước.

Nước dùng cho các máy thuỷ điện gồm: Nước làm mát máy phát, làm mát dầu

Hệ thống tiêu nước ở các trạm thuỷ điện chủ yếu giải quyết vấn đề thấm nước

các ổ chặn, đôi khi làm trơn các ổ chặn dưới Turbine, làm mát thiết bị khí nén, máy

qua bê tông, nền móng và khớp nối. Nó gồm các đường ống hoặc rãnh tiêu đặt ở

biến áp. Sông nước chủ yếu để làm mát máy phát.

cao trình rất thấp. Nước sẽ bơm ra khỏi nhà máy bằng máy bơm tự đóng mở tự

Hệ thống cung cấp nước kỹ thuật có thể dùng các nguồn nước khác nhau. Nguồn

động bằng rơle phao.

cung cấp nước tốt nhất cho nhà máy là thượng, hạ lưu nhà máy thuỷ điện. Nguồn
cung cấp nước kỹ thuật có mối quan hệ đến cột nước của trạm thuỷ điện.
+ Khi cột nước dưới 10m thì dùng máy bơm nước ở hạ lưu cung cấp cho tổ máy.

1.2.5. Hệ điều khiển công suất nhà máy thuỷ điện.
1.2.5.1.

Hệ điều chỉnh công suất tác dụng nhà máy thuỷ điện.

+ Khi cột nước dưới 10-15m đến 40-50m thì áp dụng hình thức lấy nước tự chảy

Điều chỉnh công suất tác dụng của máy phát chính là điều chỉnh lượng công suất

ở hồ chứa phía thượng lưu hoặc lấy nước ở đường ống Turbine đối với nhà máy

điện tử của máy phát điện phát vào lưới.Công suất điện từ của máy phát cực lồi

thuỷ điện sau đập.

được biểu thị bằng công thức sau:

+ Khi cột nước của trạm thuỷ điện hơn 40-50m thì lấy nước ở thượng lưu hồ
chứa hoặc đường ống Turbine qua thiết bị giảm áp.
Hệ thống đường ống cung cấp nước kỹ thuật thường bố trí dưới hạ lưu, thượng

Pdt 

mUE 0
mU 2
sin  
( x d  x q ) sin 2
xd
2 xd xq

(1-1)

Trong đó:

lưu đối với nhà máy thuỷ điện ngang đập hoặc trên buồng dẫn Turbine đối với nhà

m: số pha của máy phát.

máy thuỷ điện sau đập. Nước làm mát máy và các thiết bị khác sẽ theo đường ống

U: điện áp đầu cực máy phát.

chảy xuống hạ lưu.

E0: Sức điện động cửa máy phát khi không tải.
xd, xq: điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục của máy phát.

c. Hệ thống khí nén.

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



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




Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

20

 : góc lệch pha giữa U và E0 còn gọi là góc tải.

Máy phát điện nhà máy thuỷ điện Thác Bà là loại máy phát cực ẩn, vì vậy x d =

mUE 0
sin 
xd

quanh nhanh lên ta gọi đó là máy phát bị mất đồng bộ hay máy phát bị mất
ổn định tĩnh.
Khu vực 0 <  < 900 là khu vực vận hành ổn định.

xq . Do đó công suất điện từ:
Pdt 

21

(1-2)

Giả thiết có dòng điện kích từ Ilk = const, khi đó ta có sức từ động là hằng số, do
đó sức điện động E0 = hằng số. Vì dung lượng của hệ thống điện là vô cùng lớn so
với máy phát nên ta có thể coi điện áp và tần số là không đổi. Như vậy ta thấy rằng

Khu vực


2

<  là khu vực vận hành mất ổn định.

Ta lại có công suất của Turbine được xác định qua cột nước và lưu lượng
qua Turbine với công thức: N = 9,81QH

(1-3)

Như vậy điều chỉnh công suất tác dụng của máy phát chính là điều chỉnh
tần số của máy phát. Khi tải tăng để tần số ổn định thì khi đó hệ thống điện sẽ

công suất điện từ chỉ phục thuộc vào góc lệch qua pha  .

phải tăng công suất tác dụng tức là tăng lưu lượng nước chảy vào Turbine.

Ta có: Pdt = f(  ) gọi là đặc tính công suất của máy phát.

Đối với hệ thống chỉ có một tổ máy phát hoạt động độc lập thì đặc tính

Góc  có ba ý nghĩa quan trọng:

điều chỉnh là một đường nằm ngang.

 là góc lệch pha về thời gian giữa E0 và U.

 là góc lệch pha về không gian giữa sức từ động tổng sinh ra U và sức từ động

n

F0 sinh ra E0.
 là góc độ điện giữa trục cực từ và trục sức điện động tổng.

Quá trình điều chỉnh là khi ta tăng công suất cơ đưa vào máy tức là đưa lưu
lượng nước vào Turbine, khi đó mô men quay M1 của máy phát tăng lên làm cho

ndm

Roto của máy phát quay nhanh lên, do đó góc lệch pha  lớn lên làm cho mômen
điện từ Mdt tăng lên cho đến khi Mdt = M1, tốc độ của Roto được giữ đồng bộ quá
trình cân bằng mới được thiết lập, nhờ sự thay đổi của góc  mà trạng thái cân bằng

này có tính chất ổn định tĩnh.
Từ đó ta có một số nhận xét sau:
- Muốn điều chỉnh công suất tác dụng của máy phát điện ta chỉ việc điều chỉnh
công suất cơ đưa vào máy khi đó máy phát sẽ tự động điều chỉnh góc  để
thay đổi công suất điện từ nghĩa là thay đổi công suất tác dụng phát ra của

P1

P2

P3

P4

P

Hình 1-1 Đồ thị đặc tính một máy hoạt động.
Bộ điều tốc có đặc tính điều chỉnh như vậy là bộ điều tốc có phản hồi mềm. Sai
lệch tĩnh của hệ bằng không. Như vậy với bộ điều tốc này sẽ nhận bất giá trị của tải

máy phát cho đến một trị số cân bằng mới.
- Nếu tiếp tục tăng công suất cơ đến góc  >900 thì khi đó Pdt sẽ giảm đi, do đó

đều đảm bảo tần số ổn định. Tuy nhiên với hệ thống gồm nhiều tổ máy hoạt động

khôngđảm bảo sự cân bằng về công suất. Công suất thừa sẽ kéo theo Rotor

song song thì đặc tính này vô hướng. Vì khi đó tần số sẽ không phụ thuộc vào tải.

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

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




Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

22

23

Như vậy bộ điều tốc không thể làm nhiệm vụ phân phối phụ tải cho các tổ máy làm
việc song song.
Trong thực tế đối với hệ thống làm việc với nhiều tổ máy thì các đường đặc

MC1

MC2

MC3

BA1

BA2

BA3

MC1

MC2

MC3

tính trong tổ máy là những đường dốc (có sai lệch tĩnh) bởi khi đó các tổ máy sẽ
làm nhiệm vụ phân phối phụ tải.
Để làm rõ hơn quá trình phân phối phụ tải của các tổ máy. Ta xét hệ thống gồm
hai tổ máy có công suất như nhau, hoạt động song song nhận phân phối 100% phụ
tải.
n

Rp1

Rp2

Rp3

MF1

MF2

MF3

n0
b1
ndm

b2

50%

P

P2

P1

P

CK1

Tổ máy 1 nhận được phụ tải là P1, tổ máy 2 nhận được phụ tải là P2 . Ta nhận
càng dốc nhận phân phối tải bé hơn. Như vậy ta có biểu đồ phân phối phụ tải.

20%

CK2

CK3

Hình 1-3 Biểu đồ phân bố phụ tải các tổ máy

Hình 1-2 Đồ thị đặc tính hai máy hoạt động song song.
thấy đường đặc tính b2 dốc hơn b1 và P1 > P2, điều đó chứng tỏ đường đặc tính

30%

1.2.5.2.

Hệ điều chỉnh công suất phản kháng nhà máy thuỷ điện.

Điều chỉnh công suất phản kháng nhà máy thuỷ điện chính là điều chỉnh giá trị
điện áp ra máy phát.
Công suất biểu diễn của máy phát biểu diễn bởi công thức:
Q=

mUE 0
mUE 0
mU 2
mU 2
cos 
( xd  xq ) 
cos 
xd
2 xd xq
xd
xd

(1-4)

Coi tốc độ quay của Turbine là không đổi, lưu lượng chảy vào của Turbine là
không đổi vì vậy công suất cơ phát ra của Turbine không đổi chính vì vậy  không
đổi, điện áp U phát ra ổn định không đổi. Như vậy quá trình điều chỉnh công suất

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

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




Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

24

phản kháng máy phát chính là quá trình thay đổi E0 chính là quá trình thay đổi giá
trị dòng kích từ máy phát.

25

CHƢƠNG II: CẤU TRÚC VÀ HỆ ĐIỀU CHỈNH TURBINE
2.1. Khái niệm cơ bản.

Khi tăng Ikt lên sẽ làm cho E0 tăng khi đó Q sẽ tăng.

Turbine là dụng cụ biến năng lượng dòng chảy của nước thành năng lượng

Khi giảm Ikt xuống thì sẽ làm cho E0 giảm khi đó Q sẽ giảm.

quay cơ học. Do đó Turbine không những quyết định đến chất lượng điện mà còn

Ta có đồ thị phản kháng điều chỉnh công suất phản kháng:

ảnh hưởng đến kết cấu nhà máy của trạm thuỷ điện. Đặc biệt trong một vài bộ phận

U

của Turbine như buồng dẫn và ống thoát nước thường có kích thước rất lớn, nó ảnh
hưởng quyết định rất lớn đến kích thước và bộ phận dưới của nhà máy thuỷ điện.

U10
Ikt2
U20
U1
U2
Ikt1

Q1

Q2

Q

Hình 1-4 Đồ thị đặc tính công suất phản kháng.
Như vậy khi phát ra càng lớn công suất phản kháng thì U càng giảm muốn ổn
định điện áp U thì khi đó bộ điều chỉnh hệ thống kích thích sẽ tác động làm tăng
dòng kích từ (Ikt1 đến Ikt2).
Trong các tổ máy phát ra công suất S = P + iQ không đổi vì vậy tổ máy nào
càng phát ra nhiều công suất tác dụng P thì phát ra càng ít công suất phản kháng.

Hình 2-1 Mặt bằng cắt dọc Turbine nước.
Nước từ ống áp lực chảy qua buồng dẫn Turbine 4 sau đó đi qua bộ phận hướng
nước 2 rồi vào buồng bánh xe công tác cuối dùng theo ống hút 13 xuống hạ lưu của

nhà máy. Trong quá trình đó dòng chảy qua bánh xe công tác tạo ra lực tác động lên
bánh xe công tác sinh ra mô men quay làm quay Turbine máy phát. Turbine quay
làm quay máy phát sinh ra nguồn điện cấp ra bên ngoài.
Trục Turbine có hai đầu, đầu dưới có bích nối với vành trên của bánh xe công
tác còn đầu trên cũng có bích nối với Rotor của máy phát điện. Stator của máy phát
điện được tì lên khối bê tông lớn của nhà máy.

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



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




Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

26

27

Toàn bộ phần quay của tổ máy phát điện thuỷ lực bao gồm bánh xe công tác,

hình cô nên gây ra độ chênh áp giữa mặt cánh từ đó tạo ra mô men quay. Turbine

trục và Rotor của máy phát điện có một hệ thống ổ trục gồm: Ổ trục hướng và ổ trục

phản lực dùng cho trạm có mức nước thấp còn Turbine xung lực dùng cho trạm

chặn không cho chuyển vị theo phương thẳng đứng. Tải trọng đè lên ổ trục chặn (ở

mức nước cao và lưu lượng nhỏ.

tổ máy trục đứng) gồm có trọng lượng phần quay của tổ máy và áp lực nước dọc
trục tác dụng lên bánh xe công tác. Ổ trục chặn thường bố trí trên nắp Turbine còn ở
các tổ máy nằm ngang tải trọng đó chỉ do áp lực nước.

2.2.1. Turbine phản kích.
Là loại Turbine được sử dụng rộng rãi nhất bao gồm cột nước từ 1,5 đến 600 m.
Turbine phản kích bao gồm hệ Turbine tâm trục, cánh quay và các hệ Turbine mới:
cánh chéo, cánh kép và capxun. Nhìn chung loại Turbine này sử dụng một phần thế

2.2. Phân loại các loại Turbine.
Ta xét phân loại Turbine theo dạng năng lượng của dòng chảy qua bánh xe công

năng và một phần động năng của dòng nước. Bánh xe công tác của Turbine phản

tác. Năng lượng dòng chảy truyền qua bánh xe công tác Turbine bằng độ chênh lêch

kích làm việc trong môi trường chất lỏng liên tục và áp lực nước ở trước bánh xe

giữa hai thiết diện ở trên thượng lưu và hạ lưu.

công tác thường lớn hơn rất nhiều so với sau nó. Khi chảy qua kênh tạo bởi mặt

H  (Z1  Z 2 ) 

Trong đó:

P1  P2





 V   2V
2
1 1

2
2

2g

(2-1)

Z1: Cột nước phía tiết diện vào Turbine.

cong của các dòng nước sẽ thay đổi hướng lên nó và làm quay bánh xe công tác.
Phụ thuộc hướng dòng chảy tác động lên nó mà người ta chia Turbine phản lực
thành nhiều loại: Turbine hướng trục, Turbine tâm trục, Turbine hướng chéo.

Z2 : Cột nước phía tiết diện ra của Turbine.
P1 : Áp suất tiết diện vào Turbine.

2.2.2. Turbine hƣớng trục.

P2 : Áp suất tiết diện ra Turbine.
V1 : Vận tốc tại tiết diện vào Turbine.
V2 : Vận tốc tại tiết diện ra Turbine.
Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng này người ta chia Turbine thành hai loại
Turbine phản lực và Turbine xung lực.
Trong Turbine xung lực, chỉ có động năng của dòng chảy tác dụng lên bánh xe
công tác còn thế năng bằng không. Hệ Turbine này chỉ phát ra công suất nhờ động
năng của dòng chảy, còn áp suất cửa ra và cửa vào của Turbine bằng áp suất khí
trời.
Turbine phản lực làm việc nhờ cả hai phần động năng và thế năng, mà chủ yếu
là thế năng của dòng chảy. Trong Turbine này áp suất tại cửa lớn và cửa ra, trong
bánh xe công tác dòng chảy biến đổi cả về thế năng và động năng. Trong đó vận tốc
dòng chảy chảy qua Turbine tăng dần còn áp suất thì giảm dần. Máng dẫn của cánh

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



Hình 2-2 Cấu trúc turbine hướng trục

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




Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

28

Có vành dưới nên nó chịu tác dụng lực kiểu dầm côngxôn tại nơi tiếp giáp cánh
và bầu. Là loại Turbine trong đó hướng chuyển động của dòng chảy trong phạm vi
bánh xe công tác song song với trục quay của Turbine.

29

Trong Turbine tâm trục hướng dòng chảy của vùng bánh xe công tác ban đầu
theo hướng tâm, sau đó chuyển sang phương song song với trục.
Turbine này được gọi là Turbine Franxic. Nó được sử dụng rộng rãi trong phạm

Turbine hướng trục có thể là loại cánh cố định hoặc là loại cánh điều chỉnh bánh
xe công tác gồm nhiều cánh được gắn với bầu. Nếu cánh được gắn chặt bầu thì gọi

vi cột nước cao H = 30-600m. Đối với trạm nhỏ Turbine này có thể làm ở cột nước
H > 4m.

là Turbine hướng trục cánh cố định. Nếu cánh có thể quay quanh trục thì gọi là

Bánh xe công tác loại này thường rất khác so với bánh xe của loại Turbine

Turbine hướng trục cánh điều chỉnh. Cánh có hình không gian cong có số cánh từ 3

hướng trục. Bánh xe công tác gồm có hệ thống gắn chặt với hai vành đĩa trên dưới

đến 9. Loại Turbine này làm việc với cột nước 1,5 đến 40m. Turbine hướng trục

tạo thành khối cứng. Cánh có dạng cong không gian có số cánh từ 12 đến 22 cánh.

cánh cố định thường được dùng cho các trạm thuỷ điện vừa và nhỏ. Turbine hướng

Turbine tâm trục có hiệu suất cao nhưng cánh cố định nên chỉ thích hợp với trạm có

trục có cánh điều chỉnh dùng cho các trạm thuỷ điện lớn. Turbine hướng trục cánh

cột nước ít thay đổi. Ở nước ta nhà máy thuỷ điện Trị An, Hoà bình, Yaly, Thác Mơ

điều chỉnh có hiệu suất cao hơn trong phạm vi điều chỉnh rộng. Tuy nhiên các loại

dùng Turbine tâm trục cỡ lớn và trung bình. Còn các trạm Tasa, Na ngần, Suối củn

cánh điều chỉnh phức tạp và cơ chế điều chỉnh nằm trong bầu bánh công tác. Nhà

dùng các Turbine tâm trục cỡ nhỏ.

máy thuỷ điện Thác Bà sử dụng loại Turbine này với cánh có điều chỉnh công suất
2.2.4. Turbine hƣớng chéo.

40KW.
2.2.3. Turbine tâm trục.

Hình 2 -4 Cấu trúc turbine hướng chéo
Để kết hợp với ưu điểm của hai loại Turbine hướng chéo. Dòng chảy chạy vùng
bánh xe công tác có hướng tạo với trục quay một góc nào đó. Bầu cánh hình nón
chứa toàn bộ cơ cấu điều chỉnh như Turbine hướng trục có cánh điều chỉnh.

Hình 2-3 Cấu trúc turbine tâm trục

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

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




Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

30

31

Loại Turbine này làm việc với cột nước H = 30 – 150m. Nó có thể là Turbine

chảy ra khỏi vòi phun với vận tốc đủ lớn tác động lên các cánh gáo tạo ra môme

điều chỉnh cánh nên phạm vi điều chỉnh công suất hiệu suất cao tương đối rộng so

quay. Ngoài ra vòi phun còn làm nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng qua bánh xe công

với Turbine tâm trục.

tác.
Turbine gáo làm việc với cột nước H =40 – 3000m và lớn hơn. Trạm thuỷ điện
Đa nhim dùng Turbine gáo có công suất tổ máy là N = 40MW.

2.2.5. Turbine xung lực

Turbine xung lực có các bộ phận chính vòi phun điều chỉnh lưu lượng, bánh xe
công tác, vỏ, trục, bộ phận cắt dòng. Đặc điểm chung của Turbine xung kích là

2.2.7. Turbine tia nghiêng.

dòng chảy khi ra khỏi vòi phun tác động vào cánh bánh xe công tác ở dạng tia tự do

Turbine này khác Turbine gáo là dòng chảy từ vòi phun vào bánh xe công tác

trong môi trường áp lực không khí, chỉ cần sử dụng một phần động năng v2/2g và

dưới một góc nghiêng. Bánh xe công tác có hình cong gắn chặt lên hai đĩa bên trái

chỉ có một số bánh xe công tác đồng thời chịu tác động của tia nước, mặt khác bánh

bánh xe công tác có hình dạng đơn giản hơn Turbine gáo nên dễ chế tạo. Vòi phun

xe công tác bao giờ cũng đặt cao hơn mực nước hạ lưu. Turbine xung kích có ba hệ:

này như của Turbine gáo.

gáo, tia nghiêng và xung kích 2 lần.

Turbine nghiêng được lắp tại các trạm thuỷ điện nhỏ. Hiệu suất Turbine này nhỏ
hơn Turbine gáo.

2.2.6. Turbine gáo.
2.2.8. Turbine tác dụng kép.
Dòng chảy từ vòi phun tác dụng lên bánh xe công tác hai lần: dòng chảy từ
ngoài vào tâm sau đó lại hướng từ tâm ra ngoài nên gọi là Turbine tác dụng kép.

Vòi phun của Turbine này có dạng tiết diện chữ nhật chứ không phải tiết diện tròn.
Thay đổi lưu lượng nhờ thay đổi tiết diện thành trong vòi phun.
Turbine tác dụng kép được ứng dụng cho các trạm thuỷ điện cỡ nhỏ N = 5100KW.

Hình 2 -5. Cấu trúc turbine gáo.
Là loại Turbine sử dụng nhiều nhất. Phần dẫn dòng của nó gồm bánh xe công
tác và vòi phun. Bánh xe công tác gồm nhiều cánh hình gáo được gắn liền lên trên
bầu đĩa bánh công tác. Bánh công tác gắn liền trên trục Turbine, trục này gắn với
máy phát. Thông thường Turbine gáo đặt ngang chỉ có một số Turbine cỡ lớn đặt
thẳng đứng. Vòi phun gồm có các ống hình côn nối với ống dẫn, trong ống dẫn hình
côn có điều chỉnh lưu lượng ra. Dòng chảy theo ống dẫn vào vòi phun, từ đó dòng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



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




Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

32

33

thì Stato và bộ phận hướng nước là một kết cấu cố định vào bánh xe công tác. Lúc

2.3. Cấu tạo Turbine Kaplan
Là loại Turbine hướng trục cánh quay với bánh xe công tác có thể điều chỉnh

đó việc điều chỉnh lưu lượng nhờ van trụ lắp ngoài các cánh hướng cố định.

được.

Hình 2 – 6b. Mô hình turbine Kaplan.

2.3.2. Stato.
Stato Turbine có tác dụng đỡ toàn bộ tải trọng gồm có trọng lượng toàn bộ tổ
máy, sàn nhà và bệ máy phát điện, áp lực nước tác dụng lên bánh xe công tác và
khối bê tông phủ lên nó. Có hai kiểu là kiểu cột riêng rẽ và kiểu vòng. Turbine cánh
quay sử dụng Stator kiểu vòng để tăng độ cứng. Stator lực là kết cấu chuẩn được lắp
đặt đầu tiên. Số lượng các cột chống bằng nửa số lượng cánh hướng nước.
2.3.3. Bộ phận hƣớng nƣớc.

Hình 2 – 6a Cấu tạo của turbine Kaplan.

Bộ phận hướng dòng có tác dụng:
+ Hình thành dòng chảy nhất định ở trước bánh xe công tác.

2.3.1. Buồng turbine
Buồng turbine có tác dụng dẫn nước điều đặn vòng quanh bộ phận hướng nước

+ Điều chỉnh lưu lượng nước đi qua Turbine do đó thay đổi công suất phát của

của Turbine, gồm các kiểu hở: hở chính diện, xoắn bêtông và xoắn kim loại. Buồng

Turbine. Bộ phận hướng dòng gồm có hai thành phần chính: Các cánh hướng và cơ

hở có cấu tạo đơn giản và có đặc tính thuỷ lực tốt hơn các kiểu buồng khác trong

cấu quay cánh hướng. Mỗi cánh hướng có thân và trục cánh, các cánh có thể quay

điều kiện cột nước H < 10m và đường kính d1 < 1,6m. Sau khi nước qua buồng

quanh trục để thay đổi độ mở a0 của bộ phận hướng nước. Độ mở a0 được tính bằng

Turbine, nước sẽ chảy đến Stator và bộ phận hướng nước. Đối với Turbine cỡ nhỏ

khoảng cách nhỏ nhất giữa hai cánh kế tiếp nhau.

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

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






Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

34

Vị trí đóng hoàn toàn thì đầu mút các cánh tiếp xúc nhau (a0 = 0) và nước không
thể đi vào bánh xe công tác. Còn vị trí mở hoàn toàn (a0 = a0max) thì lúc đó lưu

lượng chảy vào bánh xe công tác lớn nhất. Áp lực nước tác dụng lớn nhất lên bộ

35

phụ thuộc vào cột nước H. Nếu H lớn số lượng cánh bánh xe công tác sẽ tăng tỷ số
b
d2
cũng như độ cao tương đối 0 sẽ giảm.
d1
d1

phận cánh hướng khi cánh hướng đóng hoàn toàn.
Muốn quay được cánh hướng, cơ cấu quay cánh hướng phải có đủ lực để thắng

2.3.5.Trục và ổ trục.

được áp lực nước P tác dụng lên cánh hướng và lực ma sát trong chi tiết các bộ

Là kết cấu chịu lực chính của Turbine.

phận cánh hướng. Đồng thời phải đảm bảo khả năng quay các cánh hướng theo trị

Trục Turbine là để truyền mômen xoắn từ bánh xe công tác đến Rotor của máy

số độ mở a0. Hệ thống làm quay cánh hướng phải có lực rất lớn, vì vậy thường dùng

phát điện. Trục Turbine đứng là đoạn hình ống thành mỏng và có bích ở hai đầu.

là hệ thống thuỷ lực, cơ cấu điều chỉnh có thể là điện hoặc cơ. Hệ thống thuỷ lực là

Phía trong rỗng để lắp ống dẫn dầu hoặc để dẫn khí xuống phía dưới bánh xe công

cơ cấu pittông xilanh, pittông thông qua hệ thống thanh truyền để nối với vành điều

tác.

chỉnh góc mở cánh hướng. Pittông dịch chuyển trong xilanh nhờ quá trình chênh áp

Ổ trục hướng có hai loại là ổ trục bôi trơn bằng dầu và ổ trục bôi trơn bằng
nước. Các tấm bạc làm bằng cao su cứng được bôi trơn bằng nước. Đối với ổ trục

ở hai phía pittông.

bôi trơn bằng dầu thì các tấm bạc làm bằng hợp kim babit.
2.3.4. Bánh xe công tác Turbine.
Là bộ phận quan trọng nhất làm biến đổi thuỷ năng thành cơ năng.

2.3.6. Bộ phận phụ của Turbine.

Cấu trúc của bánh xe công tác gồm có: Bầu, cánh, chap nước và bộ phận cánh

Để đảm bảo sự làm việc bình thường của Turbine, phải có các bộ phận phụ bố

quay bánh xe công tác. Tâm của phần cầu trùng với tâm của trục cánh quay. Khi

trí cạnh tổ máy, đó là: van phá chân không, van xả tải, thiết bị tháo nước rò rỉ, thiết

làm việc cánh quay Turbine hướng trục chịu tác dụng của áp lực nước.

bị dầu bôi trơn.

Khác với cánh Turbine tâm trục các cánh ở đây không có mômen uốn lớn nhất.
Áp lực nước tác dụng lên bánh xe công tác có thể đạt tới 240 tấn. Cũng như bộ phận

2.3.6.1. Van phá chân không.

cánh hướng, phải sử dụng động cơ tiếp lực dầu cao áp mới có thể làm quay được

Khi đóng nhanh bộ phận hướng nước do phụ tải của tổ máy bị cắt đột ngột, áp

bánh xe công tác. Động cơ tiếp lực được đặt trong bầu. Bộ phận cánh quay gồm có

suất phía trước bánh xe công tác bị giảm đi rất nhiều làm cho nước từ hạ lưu chảy

trục cánh, động cơ tiếp lực hệ thống thanh truyền nối liền với pittông của động cơ

ngược lên bánh xe công tác với giá trị rất lớn va đập vào Rotor tổ máy gây hỏng

tiếp lực.

Turbine và tổ máy phát. Có thể ngăn ngừa hiện tượng trên nhờ đặt trên nắp Turbine

Khác với turbine tâm trục, bánh xe công tác được bố trí thấp hơn bộ phận cánh
hướng và đặt bên trong buồng bánh xe công tác. Đường kính lớn nhất của buồng

một hay hai van phá chân không, van này có lỗ thông với phía dưới bánh xe công
tác Turbine.

được xem như là đường kính tiêu chuẩn của cánh quay. Hình dạng bánh xe công tác

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



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




Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

36

 tl gH

2.3.6.2. Van Turbine.

w

Q

Van Turbine được bố trí ở ống áp lực và Turbine có tác dụng đóng không cho

Trong đó:

các trạm có cột nước cao. Van công tác được đóng xuống dòng nước đang chảy với

 tl là hiệu suất thuỷ lực.

U2 là vận tốc theo vận tốc quay tai mép ra bánh xe công tác.

việc. Hệ thống đóng mở là hệ thống thuỷ lực điều khiển tự động từ xa.

b0 là chiều cao cánh hướng.
 0 là góc quanh cánh hướng.

2.4. Các thông số đặc tính Turbine.

 2 góc đặt bánh quay công tác.

2.4.1. Cột áp Turbine.
Cột áp Turbine được xác định bằng hiệu năng lượng riêng giữa tiết diện vào của
Turbine và tiết diện ra.





1V1 2   2V22
2g

2.4.3. Công suất.
Công suất được xác định theo cột áp và lưu lượng qua Turbine theo công thức:

Cột áp Turbine xác định theo công thức:
P1  P2

(2-3)

U1 là vận tốc theo vận tốc quay tai mép vào bánh xe công tác.

vận tốc lớn đòi hỏi phải đủ sức nặng, lực đóng phải lớn và luôn ở vị trí sẵn sàng làm

H  Z1  Z 2 

 U 22

U 1ctg 0 U 2

ctg 2
2r1b0
F2

nước chảy vào trong Turbine khi có sự cố trong đường dẫn hay tổ máy cũng như khi
sửa chữa chúng. Turbine cỡ lớn dùng các loại van: van đĩa, van cầu, van kim dùng

37

N

(2-2)

QH
102

 9.81QH

(2-4)

Công suất hữu ích là công suất trên trục turbine bao giờ cũng nhỏ hơn công suất

Trong đó:

vì trong quá trình biến đổi luôn có tổn thất. Công thức xác định:

Z1: Cột nước phía tiết diện vào Turbine.

Nh = N. t

Z2: Cột nước phía tiết diện ra của Turbine
P1: Áp suất tiết diện vào Turbine.

(2-5)

2.4.4. Hiệu suất.

P2: Áp suất tiết diện ra Turbine.

Hiệu suất Turbine xác định theo công thức:

V1: Vận tốc tại tiết diện vào Turbine.

 t = Nh /(9,81QH)

V2: vận tốc tại tiết diện ra Turbine.

(2-6)

Hiệu suất Turbine là tích ba hiệu suất:
 t =  tl . 0 .  ck

2.4.2. Lƣu lƣợng Turbine.
Là lượng nước chảy qua Turbine trong một đơn vị thời gian. Kí hiệu là Q (m3/s).

Trong đó:

(2-7)

 tl : Hiệu suất thuỷ lực.

Lưu lượng là đại lượng quan trọng làm thay đổi công suất Turbine phù hợp so với

 0 : Hiệu suất thể tích do tổn thất rò rỉ.

thay đổi của tải.

 ck : Hiệu suất cơ khí do tổn thất cơ khí.

Khi dòng chảy chảy qua bộ phận cánh hướng và sau đó qua bánh xe công tác, ta
có công thức tính lưu lượng như sau:

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



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

Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

38

2.4.5. Đƣờng kính bánh xe công tác và số vòng quay của Turbine.

39

2.5.2. Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh Turbine.

Kích thước hình học của bánh xe công tác đặc trưng bởi đường kính d1.

Trong quá trình làm việc của trạm thuỷ điện nhu cầu điện năng luôn luôn thay

Số vòng quay của Turbine thông thường chính là số vòng quay của máy phát. Vì

đổi trong phạm vi rất rộng. Nếu không có biện pháp điều chỉnh công suất do tác

vậy khi chọn số vòng quay Turbine phải chú ý đến số vòng quay đồng bộ máy phát.

dụng của động cơ Turbine phát ra cho lưới điện thì sẽ thay đổi tần số điện quá giới

N

Trong đó:

60 f
N
p

(2-8)

hạn cho phép. Trong khi đó quy trình điện kỹ thuật vận hành, quy trình tần số không
đổi, sai lệch tần số điện xoay chiều với giá trị định mức không quá: 0.2%.

p là số đôi cực máy phát.

Tần số hoặc chu kì biến thiên của dòng điện trong một giây phụ thuộc vào vận

Hai đại lượng này đặc trưng cho kích thước và cỡ Turbine. Chúng có mối quan

tốc quay hoặc số vòng quay máy phát.

hệ mật thiết với nhau và được xác định bởi cột áp và lưu lượng của Turbine.

f 

Turbine có công suất lớn thì đường kính lớn. Nhưng Turbine có cột càng lớn thì số
Trong đó:

vòng quay càng lớn và kích thước càng nhỏ.

p.n
60

(2 - 9)

f : Là tần số (Hz).
P: Số đôi cực của máy phát.
N: Số vòng quay Rôto của máy phát (vòng/phút).

2.5. Hệ thống điều chỉnh Turbine nƣớc.

Trong đó với kết cấu máy đã định (p = const) thì tần số phụ thuộc vào tốc độ

2.5.1. Các yêu cầu với hệ thống điều tốc Turbine.
- Làm việc trong tất cả các chế độ khác nhau của Turbine: Điều chỉnh tần số,

quay máy phát. Mặt khác theo phương trình chuyển động cơ bản ta có:
Jd  /dt = Md – Mc

điều chỉnh công suất, điều chỉnh nhóm các tổ máy.
- Đảm bảo công suất phát, hạn chế công suất lớn nhất, công suất nhỏ nhất của

(2-10)

Trong đó: J: Là mô men quán tính của Roto tổ máy thuỷ lực.
 : Tốc độ góc của Roto tổ máy.

Turbine phù hợp với cột nước và mức nước hạ lưu.

Md: Là mô men chuyển động của Turbine.

- Cho phép chuyển từ chế độ làm việc này sang chế độ làm việc khác: Tại chỗ

Mc: Là Roto chuyển động của rôto tổ máy.

hoặc từ xa.

t: Là thời gian.

- Đáp ứng nhanh khi tải đột biến.
- Tự động khởi động hoặc dừng tổ máy trong điều kiện không có dòng xoay

Như vậy muốn cho w = const thì d  /dt = 0 tức là Md = Mc.
Mô men cản phụ thuộc vào tải nhà máy phát điện, còn mô men chuyển động

chiều của hệ thống từ dùng làm nhà máy.
- Chống luồng tốc: Khi tải bị cắt đột ngột, hệ thống điều chỉnh gặp phải sự cố

phục thuộc vào công suất của Turbine có công thức liên hệ sau:
Md = Nt /  =  QH / 

khi đó hệ thống dự phòng hoạt động đóng cánh Turbine và các cửa van trước

(2-11)

Từ phương trình ta thấy chỉ có điều chỉnh mômen chuyển động (hoặc công suất

Turbine.
- Tự động điều khiển tổ máy ổn định ở các chế độ làm việc: Chạy không tải,
mang tải độc lập và mang tải trên lưới.

Turbine) bằng cách đổi lưu lượng Q, cột áp H, hiệu suất  . Việc thay đổi H và  về
mặt kĩ thuật khó thực hiện và bất hợp lý. Thông thường người ta điều chỉnh lưu
lượng Q.

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



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




Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

40

 tl gH

Theo công thức (2-3) ta có: Q 

w

41

2.5.3. Đặc tính của hệ thống điều chỉnh Turbine.

 U 22

Xét đặc tính điều chỉnh n = f(P) khi H = const và a = const. (a là góc mở cánh

U 1ctg 0 U 2

ctg 2
2r1b0
F2

hướng)

Như vậy lưu lượng thức tế chỉ thay đổi khi ta thay đổi một trong 3 đại lượng b 0,

Khi đó đặc tính điều chỉnh là một đường dốc:

n

 0 , 2

+ Chiều cao cánh hướng b0.
+ Góc ra của cánh hướng  0 .
+ Góc ra đặt cánh bánh công tác  2 .
+ Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi b 0 có thể thực hiện được bằng van
chóp. Cách điều chỉnh này có thể ứng dụng cho Turbine cỡ nhỏ. Đối với Turbine cỡ

n0

a2

n1
n2

a1

a3

lớn thì điều chỉnh b0 khó khăn phức tạp về mặt kết cấu, gây tổn thất nhiều về thuỷ
lực.
+ Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng được sử dụng
rộng rãi nhất. Đối với 3 loại Turbine (hướng trục, hướng chéo, tâm trục) người ta
thay đổi lưu lượng bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng. Khi góc cánh hướng thay

P1

P2

P

Hình 2- 7. Đường đặc tính cơ bản của Turbine.

đổi thì lưu lượng cũng thay đổi.
+ Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi góc bánh quay công tác  2 được ứng

Trên đồ thị ta có chế độ làm việc bình thường thì với tải định mức P 1 thì

dụng kết hợp với điều chỉnh cánh hướng  0 . Turbine hướng trục và Turbine cánh

Turbine quay với vận tốc định mức n1, vận tốc không tải n0 và góc mở cánh hướng

quay có thể được điều chỉnh kép cùng một lúc thay đổi cả hai đại lượng  0 và  2 .

định mức a1. Khi tải tăng đến giá trị P2 sẽ làm cho vận tốc bị giảm xuống n2. Để ổn

Nhờ điều chỉnh này dòng đi ra khỏi cánh hướng luôn phù hợp với góc nghiêng của

cánh bánh xe công tác. Hiệu suất lớn nhất không thay đổi trong phạm vi lớn khi
thay đổi công suất.
Trong thực tế điều chỉnh Turbine có khi phụ tải tăng thì số vòng quay của máy

định tốc độ khi tăng tải thì ta phải điều chỉnh góc mở cánh hướng tới góc mở a 2.
Như vậy khi tải thay đổi các giá trị P1,P2, P3, P4, P5 thì phải đảm bảo tần số thì góc
mở cánh hướng sẽ phải thay đổi ứng với giá trị a1, a2, a3, a4, a5.
Ta có họ các đặc tính:

phát điện giảm. Ngược lại, giảm phụ tải thì số vòng quay của máy phát điện giảm.
Chính vì vậy cần phải thay đổi góc mở cánh hướng để thay đổi lưu lượng giữ cho số
vòng quay không đổi và tần số luôn ổn định với tần số định mức.

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



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




Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

42

a

n
nlt
n04
n03
n02
ndm
n01
n1
n2

43

amax

amax
a4
a3
a2
adm
a1

a4
a3
P1

Pdm

P2

P3

P4

Pmax P

Hình 2-8. Họ các đặc tính khi a thay đổi.

a2
adm
a1
amin

Trên đồ thị đặc tính điều chỉnh biểu diễn mối quan hệ n = f(P), (H = const).

P1

Thực tế ta thấy đường thẳng n = f(P) là một đường dốc, bởi nếu là đường nằm
ngang (với bộ điều tốc phản hồi mềm) thì nó là đặc tính vô hướng không phụ thuộc

Pdm

P2

P3

P4

Pmax P

Hình 2-9. Đặc tính điều chỉnh turbine máy phát.

vào tải, như vậy bộ điều tốc không thể làm nhiệm vụ phân bố phụ tải cho các tổ

Từ đồ thị ta nhận thấy P = 0 thì độ mở a vẫn khác 0. Bởi vì cần phải có một lưu

máy làm việc song song. Tần số làm việc định mức là nđm. Chế độ tải định mức Pđm

lượng không tải Qkt ứng với độ mở cánh hướng nhỏ nhất amin thì mới khắc phục tổn

khi đó Turbine sẽ quay với tốc độ định mức (nđm) và khi đó hướng cánh quạt mở ở

thất trong Turbine mà chưa phát ra công suất có ích. Từ đồ thị ta thấy a = f(Q) là

ađm (như trên hình vẽ). Khi phụ tải thay đổi ứng với giá trị P1, P2, P3, P4, Pmax thì khi

một hàm phi tuyến. Như vậy với đối tượng mang phi tuyến khi sử dụng bộ điều

đó tốc độ của Turbine sẽ thay đổi theo đường đặc tính. Như vậy đảm bảo cho tốc độ

chỉnh truyền thống chất lượng điều chỉnh sẽ không cao.

quay của Turbine không đổi thì phải tác động mở cánh hướng ứng với góc mở a1,
a2, a3, a4, amax. (amax là góc mở lớn nhất ứng với phụ tải tăng lớn nhất). Như vậy từ

Xét đặc tính điều chỉnh n= f(P) khi H thay đổi (a = const)

n

sự thay đổi của phụ tải ta đã xác định được độ mở của cánh hướng để đảm bảo n =
const, H = const.

Từ đó ta xác định được đường đặc tính công tác biểu diễn a = f(P). Ta có đồ thị
đặc tính là quỹ tích của các điểm (a1, P1); (a2, P2); (a3, P3); (a4, P4); (a5; P5).

n0
n1

H3
H2
H1

Từ đó ta xây dựng được đồ thị đặc tính điều chỉnh a = f(P) với n = const, H = const.

P1

P2

P3

P

Hình 2- 10. Đường đặc tính cơ với H thay đổi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



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

Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

44

Như vậy các đường đặc tính H thay đổi gần giống với các đường đặc tính góc

45

4

mở cánh hướng a thay đổi. Khi H càng lớn thì lượng tải phát ra càng lớn hơn và góc
điều chỉnh mở theo hướng tăng góc a càng bé. Nếu H quá lớn hơn giá trị cho phép
khi đó phải điều chỉnh đóng cánh hướng nước để giảm bớt lưu lượng nước chảy
vào. Khi H xuống thấp một giá trị Hmin khi đó dùng góc amax thì tôc độ vẫn ở dưới

H'

2
S

H

mức làm việc. Khi đó một số loại Turbine việc điều chỉnh cánh hướng phải kết hợp

S'

với điều chỉnh bánh xe công tác (tăng diện tích tiếp xúc giữa cánh với nước) khi đó
mới đảm bảo tốc độ trở về giá trị định mức.

1
3

2.5.4. Phân loại bộ điều tốc.
Trên cơ sở nghiên cứu và phân tích dưới từng góc độ khác nhau người ta có
nhiều cách khác nhau để phân loại bộ điều tốc.
Nếu xét theo nguyên lý tác động có thể chia bộ điều tốc thành 2 loại sau:
2.5.4.1. Bộ điều tốc tác động trực tiếp.
Tín hiệu sai lệch qua khuếch đại truyền trực tiếp đến bộ điều chỉnh không
thông qua một cơ cấu trung gian nào.

DÉn n¦íc
vµo Turbine
Hình 2-11. Sơ đồ nguyên lý bộ điều tốc tác động trực tiếp.

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



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




Luận văn tốt nghiệp Cao học

Luận văn tốt nghiệp Cao học

46

Trong các loại bộ điều tốc này thì bộ điều tốc điện thuỷ lực hiện nay được dùng

2.5.4.2. Bộ điều tốc gián tiếp.
Quá trình truyền tín hiệu đến bộ phần điều chỉnh còn qua một số phần tử
trung gian là tăng độ chính xác và ổn định hệ thống.

phổ biến hơn cả. Bộ điều tốc thuỷ lực có dạng như hình vẽ sau:
Trong bộ điều tốc turbine thuỷ lực thì cơ cấu chi tiết bên trong được mô hình
hoá như hình 2-14 như sau:

4

H'

47

2

Z

S

H

S'

1

3

DÇu håi

DÇu tõ
nguån

DÇu håi

§ãng më

Hình 2-12. Sơ đồ nguyên lý bộ điều tốc tác động gián tiếp.
-

Nếu xét theo đặc điểm sơ đồ điều chỉnh thì bộ điều tốc gồm các loại sau:
Hình 2.14. Cấu tạo chi tiết bộ điều tốc cơ khí thuỷ lực.

+ Bộ điều tốc có phản hồi.
+ Bộ điều tốc không có phản hồi (phản hồi hay còn gọi là mối liên hệ

-

Theo sơ đồ kí hiệu thứ tự sau:
1. Ống cung cấp dầu áp lực.

ngược).
Nếu xét theo phương pháp điều chỉnh Bộ điều tốc được phân loại như sau:

2. Van tự cho khởi động và ngắt.

+ Bộ điều tốc cơ khí.

3. Bộ chuyển đổi.

+ Bộ điều tốc cơ thuỷ lực.

4. Bộ điều chỉnh Turbine.

+ Bộ điều tốc điện thuỷ lực.

5. Điều khiển Pittông.
6. Van Pilot.
7. Van phân phối chính.

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



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