Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật van tuyến tính trong thiết kế chế tạo điều tốc tự động cho các trạm thuỷ điện vừa và nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT VAN TUYẾN
TÍNH TRONG THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐIỀU TỐC TỰ
ĐỘNG CHO CÁC TRẠM THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ
NGÀNH: MÁY THỦY KHÍ
MÃ SỐ: ……….

NGUYỄN VĂN TUỆ

Người hướng dẫn khoa học: TS. HOÀNG SINH TRƯỜNG

HÀ NỘI 2006


-2Luận văn Thạc sĩ khoa học

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, luận văn này là cơng trình nghiên cứu khoa học của riêng
tơi. Các số liệu được trích dẫn đều có nguồn gốc rõ ràng. Kết quả nghiên cứu
chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào.
Học viên

Nguyễn Văn Tuệ
CH Máy thủy khí 2004 – 2006.

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006

-3Luận văn Thạc sĩ khoa học

MỤC LỤC
TRANG 1
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
Chương 1: MỞ ĐẦU
1.1 Xu hướng phát triển và tiềm năng thủy điện vừa và nhỏ ở nước ta.
1.1.1 Xu hướng phát triển thủy điện vừa và nhỏ.
1.1.2 Tiềm năng thủy điện vừa và nhỏ ở nước ta.
1.2 Máy điều tốc, nhiệm vụ và nguyên lý hoạt động.
1.2.1 Nhiệm vụ của máy điều tốc.
1.2.2 Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của máy điều tốc.
1.3 Những thành phần cấu tạo cơ bản máy điều tốc.
1.4 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn
của đề tài.
1.4.1 Mục đích của đề tài.
1.4.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
1.4.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Chương 2: TỔNG QUAN
2.1 Máy điều tốc cơ – thủy lực, sơ đồ nguyên lý làm việc.
2.2 Ưu nhược điểm của máy điều tốc cơ – thủy lực.
2.3 Xu hướng phát triển hiện nay.
Chương 3: VAN TUYẾN TÍNH
3.1 Tầm quan trọng của van tuyến tính.
3.2 Kỹ thuật sử dụng van tuyến tính.
3.2.1 Quá trình phát triển.
3.2.2 Phương thức hoạt động của van tuyến tính.
3.3 Cơng nghệ fieldbus, bước tiến mới trong lĩnh vực điều khiển tự động.

3.4 Việc ứng dụng công nghệ fieldbus trong van tuyến tính thủy lực.
3.5 Khả năng ứng dụng kỹ thuật sử dụng van tuyến tính trong thiết kế chế tạo
điều tốc điện – thủy cho các trạm thủy điện vừa và nhỏ.
Chương 4: ĐIỀU TỐC ĐIỆN - THỦY CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
ĐAKSRÔNG
4.1 Phương án chọn điều tốc tuabin cho nhà máy thủy điện Đaksrông.
4.1.1 Các thông số cơ bản và yêu cầu đối với hệ thống.
4.1.2 Phương án chọn điều tốc tuabin.
4.2 Cơ sở tính tốn các phần tử chính của hệ thống máy điều tốc.
4.2.1 Phương án chọn bộ nguồn.
4.2.2 Tính chọn một số phần tử của hệ thống.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006

Trang
1
2
3
6
6
6
7
13
13
13
20
22

22
25
25
26
26
31
32
35
35
37
37
37
45
46
55
60
60
60
65
68
68
70
91
93


-4Luận văn Thạc sĩ khoa học

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các dự án nguồn điện do tổng công ty điện lực Việt Nam làm

chủ đầu tư.
Bảng 1.2: Các dự án nguồn điện do doanh nghiệp ngồi tổng cơng ty
điện lực Việt Nam làm chủ đầu tư.
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ
Hình 1.1: Đường đặc tính điều chỉnh của máy điều tốc.
Hình 1.2: Đường đặc tính của máy điều tốc, trường hợp 2 tổ máy làm
việc song song có hệ số δ khác nhau.
Hình 1.3: Đường đặc tính điều chỉnh của hai tổ máy làm việc song song
Hình 1.4: Sơ đồ máy điều tốc có phản hồi mềm.
Hình 1.5: Mơ hình của một nhà máy thủy điện nhỏ sử dụng các cơng
nghệ kỹ thuật số tiên tiến.
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của một máy điều tốc cơ – thủy lực.
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của một máy điều tốc điện – thủy lực.
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý của một máy điều tốc điện – thủy lực.
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mạch hở.
Hình 3.2: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mạch kín.
Hình 3.3: Van phân phối tuyến tính điều khiển trực tiếp với hai cuộn
nam châm điện từ điều khiển.
Hình 3.4: Ký hiệu của van phân phối tuyến tính 4/4, có một cuộn nam
châm điện từ điều khiển.
Hình 3.5a: Van tuyến tính điều khiển gián tiếp khơng có phản hồi.
Hình 3.5b: Van tuyến tính điều khiển gián tiếp có phản hồi.
Hình 3.6: Fieldbus trong mơ hình lớp của cơng nghệ tự động hóa.
Hình 3.7: Van thủy lực servo-tuyến tính với giao diện fieldbus và điều
khiển điện tử kỹ thuật số.
Hình 3.8: Phương pháp liên kết các van sử dụng giao diện fieldbus.
Hình 3.9: Sự khác nhau giữa hệ thống điều khiển tập trung và điều

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006

-5Luận văn Thạc sĩ khoa học

khiển phân cấp.
Hình 3.10: Cấu trúc dữ liệu CAN.
Hình 3.11: Mơ hình một hệ thống kết nối sử dụng giao diện fieldbus.
Hình 3.12: Cài đặt phần mềm cho van tuyến tính kỹ thuật số.
Hình 3.13: Các van tuyến tính kỹ thuật số thế hệ mới của ATOS.
Hình 3.14: Các van tuyến tính và Servo thế hệ mới của MOOG.
Hình 3.15: Rotor của tuabin gió với van tuyến tính-servo điều khiển kỹ
thuật số.
Biểu đồ 4.1: Dải công suất tối ưu cho tuabin Francis công suất nhỏ,
chọn theo cột nước tính tốn và lưu lượng.
Hình 4.2: Bánh xe cơng tác kiểu Francis.
Hình 4.3: Van đĩa.
Hình 4.4: Tuabin Francis trục ngang cơng suất nhỏ và máy phát.
Hình 4.5: Sơ đồ điều khiển của hệ thống với giao diện fieldbus.
Hình 4.6a: Tủ điện điều khiển.
Hình 4.6b: Bộ nguồn máy điều tốc.
Hình 4.7: Bình tích năng kiểu màng, nạp khí Nitơ.
Hình 4.8: Mơ hình tính tốn bình tích năng.
Biểu đồ 4.9: Đường đặc tính lưu lượng các loại van do ATOS chế tạo.
Hình 4.10: Nguyên lý cấu tạo của van tuyến tính DPZO với giao diện
fieldbus.
Hình 4.11: Sơ đồ các chân tín hiệu, chân nguồn và các hàm cơ bản của
van DPZO.
Hình 4.12: Van DPZO và các kích thước lắp đặt.
Hình 4.13: Các kích thước bể dầu.
Hình 4.14: Quy cách đặt ống hút và xả so với đáy bể.
Hình 4.15: Bộ nguồn thủy lực.

Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống.

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


-6Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 Xu hướng phát triển và tiềm năng thủy điện vừa và nhỏ ở nước ta.
1.1.1 Xu hướng phát triển thủy điện vừa và nhỏ.
Từ trước đến nay, năng lượng vẫn là vấn đề được quan tâm hàng đầu
của các quốc gia. Ngoài các nguồn năng lượng truyền thống như than, dầu mỏ
và khí đốt thì thủy điện là một nguồn năng lượng đang được khai thác một
cách triệt để nhằm đáp ứng các nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng. Trên
thế giới cũng như ở Việt Nam, rất nhiều các cơng trình thủy điện lớn và nhỏ
đã và đang được triển khai xây dựng.
Người ta nhận thấy mặc dù các cơng trình thủy điện lớn cung cấp điện
cho khoảng 20% dân số tồn cầu song nó lại có ảnh hưởng lớn tới thổ
nhưỡng, địa chất, nguồn nước, khí hậu,… Các hồ chứa của các nhà máy thuỷ
điện ở các vùng nhiệt đới có thể sản sinh ra một lượng lớn khí methane và
carbon dioxide. Nguyên nhân của hiện tượng này là do các xác thực vật mới
bị lũ quét và các vùng tái bị lũ tràn ngập nước, mục nát trong một mơi trường
kỵ khí và tạo thành methane, một khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh. Methane
bay vào khí quyển khi nước được xả từ đập để làm quay tuabin. Theo bản báo
cáo của Cao ủy thế giới về đập, ở nơi nào đập nước lớn so với cơng suất phát
điện (ít hơn 100 Watt trên mỗi km2 diện tích bề mặt) và khơng có việc phá
rừng trong vùng được tiến hành trước khi thi công đập nước, khí gas gây hiệu
ứng nhà kính phát ra từ đập có thể cao hơn những nhà máy nhiệt điện thông

thường. Một cái hại nữa của các đập thuỷ điện lớn là việc tái định cư dân
chúng sống trong vùng hồ chứa. Trong nhiều trường hợp không một khoản
bồi thường nào có thể bù đắp được sự gắn bó của họ về tổ tiên và văn hoá gắn
liền với địa điểm đó vì chúng có giá trị tinh thần rất lớn đối với họ. Hơn nữa,
về mặt lịch sử và văn hố các địa điểm quan trọng có thể bị biến mất, như dự
Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


-7Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

án Đập Tam Hiệp ở Trung Quốc, đập Clyde ở New Zealand và đập Ilisu ở
đông nam Thổ Nhĩ Kỳ,… Một số dự án thuỷ điện cũng sử dụng các kênh đào,
để làm chệch hướng một con sơng tới độ dốc ít hơn để tăng cột áp của nhà
máy. Trong một số trường hợp, tồn bộ con sơng có thể bị đổi hướng để trơ
lại đáy dịng sơng. Ví dụ như sơng Tekapo và Pukaki (New Zealand). Người
ta lo ngại rằng, nếu con sông được sử dụng làm thủy điện chảy qua nhiều
vùng đất khác nhau thì mức độ ảnh hưởng sẽ gia tăng nghiêm trọng tại các
vùng đất rộng lớn, thậm chí ảnh hưởng tới nhiều quốc gia. Vì thế, các nhà
nghiên cứu phát triển thủy điện đã kêu gọi các chính phủ đổi hướng sang xây
dựng các nhà máy thủy điện loại vừa và nhỏ, chỉ cung cấp điện cho một vùng
hoặc khu vực nhỏ, vừa không gây hao tốn tài ngun, nhân lực vừa bảo đảm
gìn giữ mơi trường sống tốt lành.
Do tính ưu việt của nó, thủy điện vừa và nhỏ đã được rất nhiều nước
trên thế giới quan tâm phát triển. Ngoài các ưu điểm như vốn đầu tư khơng
lớn, khơng địi hỏi phải sử dụng các thiết bị thủy điện quá phức tạp, không
phải xây dựng các hồ chứa nước lớn, tiết kiệm được nguồn năng lượng truyền
thống,... thì một ưu điểm nổi trội của loại hình này là Thủy điện vừa và nhỏ ít
làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh và khả năng tự cung tự cấp điện

cho các vùng sâu, vùng xa, ít dân cư.
1.1.2 Tiềm năng thủy điện vừa và nhỏ ở nước ta.
Việt Nam là một quốc gia được thiên nhiên ưu đãi có hệ thống sơng
ngịi phong phú, đa dạng trải khắp chiều dài đất nước nên rất thuận lợi cho
việc phát triển thủy điện. Tính tới thời điểm năm 2003, tổng công suất của các
nhà máy thủy điện đã xây dựng xấp xỉ 4.000 MW và các nhà máy đang xây
dựng có tổng cơng suất gần 1.000 MW. Tuy nhiên, theo các số liệu thống kê,

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


-8Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

mới chỉ có khoảng 1/4 tiềm năng thủy điện ở nước ta được khai thác để phục
vụ sản xuất dân sinh.
Theo kế hoạch phát triển ngành thủy điện từ nay đến năm 2010, nước ta
sẽ xây dựng các dự án thủy điện đặc biệt là dự án thủy điện Sơn La ở phía
Tây Bắc với tổng cơng suất từ 2.400÷3.600 MW. Dự kiến đến năm 2010, tổng
công suất lắp đặt các nhà máy thủy điện ở nước ta sẽ đạt từ 9.000-10.000 MW
và đến năm 2020 sẽ khai thác triệt để lượng cơng suất thủy điện có thể sử
dụng ở nước ta.
Điều kiện tự nhiên của nước ta cũng rất thuận lợi cho việc phát triển
thủy điện vừa và nhỏ. Trong tình hình khủng hoảng thiếu năng lượng điện
hiện nay do nhu cầu sử dụng điện tăng nhanh thì việc cung cấp điện cho các
vùng sâu, vùng xa từ nguồn điện của các nhà máy điện lớn sẽ càng khó khăn.
Việc xây dựng thủy điện vừa và nhỏ không cần đầu tư vốn lớn, có thể tranh
thủ huy động vốn từ các xí nghiệp nhỏ hay tư nhân. Bởi vậy, sử dụng các kinh
nghiệm của thế giới về việc phát triển thủy điện vừa và nhỏ ở nước ta trở nên

cần thiết và đang được Nhà nước hết sức quan tâm.
Qua các bảng thống kê dưới đây (theo nguồn: Tổng công ty Cơ Điện –
Xây dựng nông nghiệp và Thủy lợi) cho thấy sự xây dựng và phát triển rất
nhanh chóng các trạm thủy điện vừa và nhỏ ở Việt Nam.

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


-9Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

Bảng 1.1
CÁC DỰ ÁN NGUỒN ĐIỆN DO TỔNG CÔNG TY ĐIỆN LỰC VIỆT
NAM LÀM CHỦ ĐẦU TƯ
(Ban hành kèm theo Quyết định số 40/2003/QĐ-TTg ngày 21 tháng 3 năm
2003 của Thủ tướng Chính phủ)
I. CÁC NGUỒN ĐIỆN VẬN HÀNH GIAI ĐOẠN 2003-2005
STT

Tên nhà máy

Công suất -

Năm vận hành

MW
1

Đuôi hơi Phú Mỹ 2.1

160

2003

2

Đuôi hơi của Phú Mỹ 2.1 MR

160

2005

3

TBKHH Phú Mỹ 4

450

2003 - 2004

4

Nhiệt điện than ng Bí MR

300

2005

5

Thuỷ điện Sê San 3

273

2005 - 2006

II. CÁC NGUỒN ĐIỆN VẬN HÀNH GIAI ĐOẠN 2006 - 2010
6

Thủy điện Tuyên Quang

7

Thủy điện Đại Ninh

8

342

2006 - 2007

2 x 150

2007 - 2008

Thủy điện A Vương 1

170

2007

9

Mở rộng Thủy điện Thác Mơ

75

2008

10

Thủy điện Quảng Trị

70

2007

11

Thủy điện Đak Rinh

100

2007

12

Thủy điện PleiKrong

110

2008

13

Thủy điện Bản Lả (Nghệ An 1)

300

2008

14

Thủy điện Đồng Nai 3

180

2009

Thủy điện Đồng Nai 4

340

2010

Thủy điện Sông Tranh 2

120

2009

15

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


- 10 Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

16

Thủy điện Sông Côn 2

70

2010

17

Thủy điện Sông Ba Hạ

250

2010 - 2011

18

Thủy điện Thượng Kon Tum

220

2010 - 2011

19

Thủy điện Buôn Kuốp

280

2008 - 2009

20

Thủy điện Bản Chát

200

2010

21

Thủy điện An Khê + Ka Nak

163

2009

22

Thủy điện Buôn Tua Srah

85

2009

23

Thủy điện Sre Pok 3

180

2009 - 2010

24

Thủy điện Sê San 4

330

Sau 2010

25

Nhiệt điện dầu - khí Ơ Mơn I

600

2006 - 2007

26

Nhiệt điện than Ninh Bình MR

300

2007

27

Nhiệt điện than ng Bí MR

tổ máy 2, 300

2008

28

Nhiệt điện Nhơn Trạch

600 (*)

2007 - 2008

29

Nhiệt điện Nghi Sơn

600

2010 - 2011

30

Nhiệt điện Hải Phòng

600 (**)

2006 - 2007

31

Nhiệt điện Quảng Ninh

600

2008 - 2009

32

Nhiệt điện Ơ Mơn II (theo

750

2010 - 2011

cơng nghệ TBKCTHH)
(*) Giai đoạn 1: 600 MW
(**) Giai đoạn 1: Theo công nghệ đốt than

[nguồn: Tổng công ty Cơ Điện – Xây dựng nơng nghiệp và Thủy lợi]

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


- 11 Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

Bảng 1.2
CÁC DỰ ÁN NGUỒN ĐIỆN DO DOANH NGHIỆP NGOÀI TỔNG
CÔNG TY ĐIỆN LỰC VIỆT NAM LÀM CHỦ ĐẦU TƯ
(Ban hành kèm theo Quyết định số 40/2003/QĐ-TTg ngày 21 tháng 3 năm
2003 của Thủ tướng Chính phủ)
I. CÁC NGUỒN ĐIỆN VẬN HÀNH GIAI ĐOẠN 2003-2005
STT

Tên nhà máy

Công suất -

Năm vận hành

MW
1

Thuỷ điện Cần Đơn

72

2003

2

Nhà máy điện Phú Mỹ 3

720

2003

3

Nhà máy điện Phú Mỹ 2.2

720

2004

4

Nhiệt điện Na Dương

100

2004

5

Nhiệt điện Cao Ngạn

100

2005

Tổng

1.712

II. CÁC NGUỒN ĐIỆN VẬN HÀNH GIAI ĐOẠN 2006 - 2010
STT

Tên nhà máy

Công suất -

Năm vận hành

MW
1

Thuỷ điện Cửa Đạt

97

2008

2

Thuỷ điện Sê San 3A

100

2006

3

Thuỷ điện Bắc Bình

35

2006

4

Thuỷ điện Srok Phu Miêng

54

2006

5

Thuỷ điện Ngòi Bo

20

2006

6

Thuỷ điện Ngòi Phát

35

2006

7

Thuỷ điện Nhạn Hạc & Bản Cốc

32

2006

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


- 12 Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

8

Thuỷ điện La Ngâu

38

2006

9

Thuỷ điện Bình Điền

20

2006

10

Thuỷ điện Trà Som

24

2006

11

Thuỷ điện Eak Rông Rou

34

2006

12

Thuỷ điện Bảo Lộc

23

2006

13

Thuỷ điện Đại Nga

20

2006

14

Thuỷ điện Đak Rti’h

72

2006

15

Thuỷ điện Thác Muối

53

2007

16

Thuỷ điện Na Le

90

2007

17

Thuỷ điện Cốc San - Chu Linh

70

2007

18

Thuỷ điện Đan Sách

6

2007

19

Thuỷ điện Đa Dâng Đachamo

16

2007

20

Thuỷ điện Nậm Mu

11

2008

21

Thuỷ điện Sông Hiếu

5

2008

22

Thuỷ điện Eak Rông Hnăng

65

2008

23

Thuỷ điện Iagrai

9

2008

24

Nhiệt điện Cà Mau

720

2006

25

Nhiệt điện Cẩm Phả

300

2006

[nguồn: Tổng công ty Cơ Điện – Xây dựng nông nghiệp và Thủy lợi]
Ngoài ra, trong phần phụ lục 1 và 2 ta cũng thấy được tiềm năng thủy điện
vừa và nhỏ hết sức dồi dào của Việt Nam, qua các dự án quy hoạch phát triển
thủy điện trên các lưu vực sông Việt Nam; Danh mục các trạm thủy điện công
suất vừa và nhỏ và bài viết về tiềm năng thủy điện Việt Nam và kế hoạch khai
thác đăng trên tạp chí điện lực số 9 – 2006.

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


- 13 Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

1.2 Máy điều tốc, nhiệm vụ và nguyên lý hoạt động.

Đối với các trạm thủy điện, ngoài tuabin và máy phát điện cịn có một
bộ phận với vai trị hết sức quan trọng đó là hệ thống điều chỉnh tuabin hay
còn được gọi một cách đơn giản là “Máy điều tốc”.
1.2.1 Nhiệm vụ của máy điều tốc.
Nhiệm vụ của máy điều tốc là đảm bảo chất lượng của nguồn điện. Cụ
thể như:
- Ổn định tần số điện máy phát.
- Phân bố phụ tải của các tổ máy làm việc song song trong một trạm
thủy điện.
- Thực hiện quá trình mở và tắt máy trong điều kiện bình thường và
trong điều kiện có sự cố.
Hiện nay, với việc ứng dụng các công nghệ điều khiển tự động hiện
đại, máy điều tốc hiện nay cịn có khả năng đảm nhận các nhiệm vụ mang tính
phức tạp hơn như:
- Phân bổ chế độ làm việc cho từng tổ máy theo giờ trong ngày.
- Phân bố phụ tải cho các trạm thủy điện trong cùng một khu vực hay
rộng hơn là cả một vùng, thậm chí cả một quốc gia.
…
1.2.2 Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của máy điều tốc.
1) Khi giữ vai trò ổn định tần số dòng điện máy phát trong một tổ máy.
Trong quá trình làm việc của trạm thủy điện, phụ tải luôn thay đổi (tùy
thuộc vào nhu cầu tiêu thụ điện năng) dẫn đến sự thay đổi tần số dịng điện,
sự thay đổi này có thể vượt quá giới hạn cho phép.
Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


- 14 Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

Trong quy trình kỹ thuật vận hành điện quy định độ sai lệch tạm thời
của tần số điện xoay chiều với giá trị định mức (50Hz) trong khoảng ±0,2%.
Tần số (hay số chu kỳ biến thiên của dòng điện xoay chiều trong 1
giây) phụ thuộc vào tốc độ quay của rơto máy phát:

f=

p
.n
60

trong đó:
f - tần số (Hz).
p - số đôi cực của máy phát.
n - tốc độ quay của rơto máy phát (vịng/phút).
Do số đơi cực p của máy phát là cố định nên tần số f chỉ phụ thuộc vào
tốc độ quay n của rôto máy phát, mặt khác phương trình cơ bản đặc trưng cho
sự chuyển động của rơto tổ máy có dạng:

J

dω
= MT − MC
dt

(1.1)

trong đó:
J - mơmen qn tính của rơto tổ máy.
ω - vận tốc góc của rơto tổ máy.

M T - mơmen của tuabin.
M C - mômen cản (phụ thuộc vào phụ tải).
Từ phương trình (1.1) ta nhận thấy trạng thái làm việc của hệ thống có
thể mơ tả qua 3 phương trình:

J.

dω
=0
dt

(*)

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


- 15 Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

J.ω = const

(**)

MT – MC = 0

(***)

Tương ứng với ba phương trình là ba nguyên lý điều chỉnh tuabin.
Theo (*) ta có máy điều tốc theo gia tốc, có nhiệm vụ điều chỉnh gia

tốc, sao cho

dω
= 0.
dt

Theo (**) ta có máy điều tốc theo vận tốc góc ω, có nhiệm vụ theo dõi
sự thay đổi của vận tốc góc ω và tác động sao cho J.ω = const.
Theo (***) ta có máy điều tốc theo mơmen, có khả năng theo dõi sự
thay đổi của mômen M C để điều chỉnh mômen động lực của tuabin M T , sao
cho M T =M C . Điều này có thể đạt được bằng hai cách:
- Điều chỉnh M T thông qua việc điều chỉnh lưu lượng qua tuabin sao
cho M T = M C .
- Điều chỉnh M C thông qua việc điều chỉnh tổng mômen cản của phụ
tải (tải giả), sao cho M C = M T (cách này thường chỉ áp dụng với các
trạm có cơng suất cực nhỏ)
Trong các loại điều tốc kể trên, máy điều tốc hiện đang được sử dụng
rộng rãi là loại điều chỉnh dựa trên nguyên lý M T = M C .
Ta nhận thấy, việc duy trì sự cân bằng giữa mơmen của tuabin và
mômen cản (M T = M C ) cũng sẽ giữ cho vận tốc góc ω là một hằng số (ω =
const; hay

dω
= 0 ).
dt

Mômen cản M C phụ thuộc vào phụ tải của máy phát điện, cịn mơmen
của tuabin M T được quyết định bởi công suất của tuabin N, giữa M T và N có
quan hệ như sau:
Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006

- 16 Luận văn Thạc sĩ khoa học

M T = 102

Chương 1: Mở đầu

N
;
ω

Hay M T =

γ.Q.H.η
ω

(1.2)

Trong điều kiện làm việc bình thường với cột áp trong ngày hầu như
khơng thay đổi, hiệu suất tuabin không đổi, từ (1.2) ta thấy rằng mômen M T
của tuabin phụ thuộc vào lưu lượng Q. Như vậy, nhiệm vụ cơ bản của máy
điều tốc là làm thay đổi lưu lượng qua tuabin để thay đổi mômen tuabin sao
cho bằng mômen cản và giữ cho số vịng quay khơng đổi.
2) Khi làm nhiệm vụ phân bố phụ tải cho các tổ máy làm việc song
song.
Hầu hết các trạm thủy điện đều có nhiều hơn 1 tổ máy làm việc song
song trong một hệ thống lưới điện chung, điều này địi hỏi phải có sự điều
chỉnh sự làm việc song song giữa các tuabin cho phù hợp với quy định về tần
số dòng điện. Đối với các tổ máy làm việc song song, khi thay đổi độ mở của

hệ thống cánh hướng dịng sẽ khơng làm thay đổi số vòng quay của tuabin mà
chỉ phân bố lại phụ tải cho các tổ máy.
Ta nghiên cứu sự làm việc

n

song song của các tuabin dựa trên

B

đường đặc tính của các máy điều tốc.

A

A

Mỗi máy điều tốc đều có một đường

B

đặc tính điều chỉnh, đường đặc tính
N

của máy điều tốc cho ta thấy mối liên

0

hệ giữa số vòng quay của tuabin với

Hình 1.1: Đường đặc tính điều chỉnh

phụ tải n = f(N).

của máy điều tốc.

Thông thường, đường đặc tính của máy điều tốc có dạng gần như
đường thẳng nằm nghiêng, độ nghiêng phụ thuộc vào phản hồi. Máy điều tốc
có phản hồi mềm thì đường đặc tính điều chỉnh của nó có dạng là một đường
Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


- 17 Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

nằm ngang (AA), cịn đối với máy điều tốc có phản hồi cứng thì đường đặc
tính điều chỉnh của nó là một đường nghiêng (BB), hình 1.1.
Máy điều tốc có phản hồi cứng có số vịng quay lúc trước và sau khi
kết thúc điều chỉnh không bằng nhau. Để đánh giá độ chênh lệch số vòng
quay n người ta dùng hệ số sai lệch δ. Hệ số sai lệch δ được xác định theo
cơng thức:

δ=

n max − n min
.100%
n0

(1.3)

Trong đó n max là số vịng quay khơng tải, n min là số vịng quay tồn tải
và số vịng quay đồng bộ n 0 .

δ=2

Hay:

n max − n min
.100%
n max + n min

Để thay đổi hệ số sai lệch δ người ta thường dùng cơ cấu đặc biệt để
thay đổi hệ số truyền của phản hồi (tỷ số truyền của xylanh lực và thanh
truyền). Hiện nay hệ số sai lệch δ cho phép của các máy điều tốc nằm trong
khoảng từ (2 ÷ 6)%.
n

n
B2
B1

A2
A1
O1
O2

O1
O2
B2
B1

A2
A1

n1max.
n1min.

N 0

0
N1 .

∆N1 .
N1max.

N
N2 .

∆N2.
N2max.

Hình 1.2: Đường đặc tính của máy điều tốc, trường hợp 2 tổ máy làm
việc song song có hệ số δ khác nhau.
Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


- 18 Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

Ta nghiên cứu sự làm việc song song của 2 tổ máy có hệ số sai lệch δ
khác nhau (δ 1 ≠ δ 2 ), với hai đường đặc tính điều chỉnh được cho trên hình 1.3.
Ở chế độ làm việc ổn định, với số vòng quay định mức ứng với đường O 1 O 1 ,
tổ máy 1 có đường đặc tính điều chỉnh A 1 A 1 , tổ máy 2 có đường đặc tính điều
chỉnh B 1 B 1 . Công suất của tổ máy 1 là N 1 , công suất của tổ máy 2 là N 2 .
Khi phụ tải tăng, số vòng quay của 2 tổ máy sẽ giảm đi một giá trị ∆n
ứng với vị trí đường O 2 O 2 . Phụ tải tăng ở tổ máy 1 là ∆N 1 và ở tổ máy 2 là
∆N 2 . Máy điều tốc làm việc, thay đổi lưu lượng qua tuabin sao cho M T = M C
và đưa số vòng quay của tuabin trở lại số vòng quay định mức, tức là trở lại vị
trí đường O 1 O 1 . Lúc này đường đặc tính điều chỉnh của hai máy điều tốc trên
sẽ trở thành đường A 2 A 2 và B 2 B 2 song song với đường A 1 A 1 và đường
B 1 B 1 . Yêu cầu đặt ra là cần xác định cơng thức tính ∆N 1 và ∆N 2 của tổ máy 1
và tổ máy 2.
Xét biểu đồ đối với tổ máy 1. Ta có 2 tam giác (được gạch chéo) là
đồng dạng, nên:

∆n n 1max − n 1min
=
N1max
∆N1

(1.4)

Mặt khác, từ công thức (1.3) ta có: n 1max – n 1min = δ 1 .n 0 .
Thay vào công thức (1.4), ta được:

∆N1 =
Tương tự, ta có: ∆N 2 =

∆n

.N1max
δ1 .n 0

∆n
.N 2 max
δ 2 .n 0

Tổng số phụ tải thay đổi trên cả hai máy điều tốc là:

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


- 19 Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

∆N = ∆N 1 + ∆N 2
Một cách tổng quát, ta có:

∆N i =

∆n
.N i max
δ i .n 0

(1.5)

Trong đó, i là tổ máy thứ i trong trạm thủy điện có nhiều tổ máy làm
việc song song.
Khi phụ tải của hệ thống giảm, quá trình diễn ra ngược lại, đường đặc

tính điều chỉnh được tịnh tiến xuống phía dưới.
Như vậy, khi tải thay đổi, giả sử tải tăng thì mỗi tổ máy sẽ phải gánh
thêm một phần công suất tỷ lệ nghịch với hệ số sai lệch của mỗi tổ máy, có
nghĩa là tổ máy có hệ số sai lệch δ lớn sẽ chịu sự thay đổi tải nhỏ, tổ máy có
hệ số sai lệch δ nhỏ sẽ chịu sự thay đổi tải lớn.
Qua sự phân tích trên ta thấy rằng, nếu như đường đặc tính điều chỉnh
của các tổ máy không phải là đường nằm nghiêng mà là đường nằm ngang
(máy điều tốc có bộ phận phản hồi mềm) thì sự phân phối phụ tải giữa các tổ
máy làm việc song song sẽ không ổn định. Do δ 1 = δ 2 = δ i = 0, nên từ công
thức (1.5) ta thấy rằng ∆N i là một đại lượng vơ định, điều đó đồng nghĩa với
việc phụ tải mà mỗi tổ máy đảm nhận không phải là một giá trị xác định mà
luôn thay đổi.
Trong thực tế vận hành, người ta thường sử dụng một tổ máy có đường
đặc tính điều chỉnh nằm ngang (hệ số sai lệch δ = 0), cịn tổ máy 2 có đường
đặc tính điều chỉnh là một đường dốc (hệ số sai lệch δ ≠ 0) sẽ làm việc với
một phụ tải nhất định. Như vậy, phần dao động phụ tải của cả hệ thống ∆N
đều do tổ máy thứ nhất (có δ = 0) đảm nhận, còn tổ máy 2 sẽ làm việc với phụ
tải không đổi bằng công suất định mức của nó. Từ đó ta rút ra được, trong quá
Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


- 20 Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

trình vận hành muốn cho một hoặc vài tổ máy làm việc với cơng suất khơng
thay đổi thì ta điều chỉnh để cho đường đặc tính điều chỉnh của chúng có độ
dốc tương đối lớn, cịn đối với các tổ máy được dùng để đảm nhận phần phụ
tải thay đổi của hệ thống thì điều chỉnh cho đường đặc tính điều chỉnh của
chúng có độ dốc nhỏ hoặc δ = 0.

Xét về mặt phụ tải, ta có thể coi các tổ máy có hệ số sai lệch δ ≠ 0 là
các tổ máy làm việc ở phần gốc của biểu đồ phụ tải, cịn các tổ máy có hệ số
sai lệch δ = 0 là các tổ máy làm việc ở phần ngọn của biểu đồ phụ tải.
Nếu như xét về ý nghĩa đảm bảo tần số của cả hệ thống khơng đổi, ta
nói tổ máy có hệ số sai lệch δ = 0 là tổ máy chủ đạo hay tổ máy điều tần.
n

n

B1

−∆N1 . ∆N1 .
O1
B1

N

N 0

0

N2 .

N1 .
N1max.

Hình 1.3: Đường đặc tính điều chỉnh của hai tổ máy làm việc song
song (tổ máy số 1 làm nhiệm vụ điều tần).
Mở rộng ra cho trường hợp có nhiều trạm thủy điện cùng làm việc song
song trong một hệ thống lưới điện thì yêu cầu đối với trạm thủy điện đóng vai

trị chủ đạo (hay điều tần) là phải có cơng suất và dung tích hồ chứa đủ lớn,
đồng thời đảm nhận phụ tải ngọn.

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


- 21 Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

1.3 Những thành phần cấu tạo cơ bản máy điều tốc.

Hình 1.4: Sơ đồ ngun lý của máy
điều tốc có phản hồi mềm.
1_xylanh thủy lực; 2,3,9,10_cơ cấu
thanh truyền phản hồi; 4_đường ống
dẫn dầu; 5_động cơ điện; 6_cơ cấu
quả văng; 7_van thủy lực điều khiển;
8_con trượt điều khiển; 11_hộp giảm
tốc; 12_trục vít; 13,14_vít điều chỉnh;
15_thanh truyền; 16_bộ giảm chấn
thủy lực; 17,18_van phân phối chính
Máy điều tốc là sự tổng hợp của nhiều cơ cấu thiết bị, mỗi một cơ cấu
thiết bị đảm nhận một chức năng, cụ thể như:
- Cơ cấu cảm biến và đo lường: nhận biết sai lệch về số vịng quay và
sự thay đổi vị trí của cơ cấu điều chỉnh.
- Cơ cấu điều chỉnh: bộ phận trực tiếp thay đổi mômen lực chuyển
động của tuabin.
- Cơ cấu chấp hành: thực hiện sự liên hệ cần thiết giữa cơ cấu cảm
biến, đo lường và cơ cấu điều chỉnh, thực hiện việc dịch chuyển cơ

cấu điều chỉnh đến vị trí tương ứng với tín hiệu của cơ cấu cảm biến
đo lường.
- Cơ cấu ổn định: có tác dụng làm tăng tính ổn định và chất lượng của
q trình điều chỉnh.

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


- 22 Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

- Cơ cấu phụ trợ: đảm nhận các chức năng như hiệu chỉnh, khống chế
độ mở v.v…
Trên hình 1.4 là sơ đồ nguyên lý của một máy điều tốc có cơ cấu phản
hồi mềm.
1.4 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực
tiễn của đề tài.
1.4.1 Mục đích của đề tài.
Từ kinh nghiệm tích lũy qua thực tế thế giới cho thấy một trong những
đặc điểm nổi bật của thủy điện vừa và nhỏ, đó là tỷ trọng đầu tư cho thiết bị
chiếm tỷ lệ cao so với các cơng trình thủy điện lớn. Thường thì thiết bị thủy
điện vừa và nhỏ chiếm tỷ lệ 30% đến 40% vốn đầu tư ban đầu. Trường hợp
đặc biệt, con số này có thể lên đến 50%. Điều đó cho thấy tầm quan trọng của
việc đầu tư nghiên cứu nhằm hoàn thiện thiết bị thủy điện vừa và nhỏ. Hiện
nay trên thế giới, cùng với sự ứng dụng nhiều các thành quả khoa học và công
nghệ mới, thủy điện vừa và nhỏ đã hoàn toàn thay đổi chất lượng nguồn năng
lượng của mình, kết quả là mọi sự nhìn nhận về thủy điện vừa và nhỏ đã phải
thay đổi.
Đóng góp phần khơng nhỏ cho sự thay đổi đó phải kể đến việc ứng

dụng ngày càng rộng rãi các hệ thống điều khiển tự động cùng kỹ thuật vi xử
lý trong quá trình vận hành và điều khiển các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ.
Sự hoàn thiện của máy điều tốc tua bin thủy điện cũng là một trong những yếu
tố quan trọng làm nên sự thay đổi lớn đó.
Với mục tiêu giảm giá thành đầu tư và đơn giản trong vận hành các nhà
máy thủy điện vừa và nhỏ, theo logic đơn giản người ta có thể cho rằng ở đây
chỉ cần sử dụng những máy điều tốc tuabin có nguyên lý đơn giản và rẻ nhất
so với những máy điều tốc của các nhà máy thủy điện lớn. Tuy nhiên, nếu tiếp
Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


- 23 Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

cận vấn đề này từ góc độ “điều khiển đồng bộ” nhà máy thủy điện vừa và nhỏ
chứ không chỉ đơn thuần là “điều tốc” thì chúng ta lại phải thay đổi quan
niệm trên. Các kết quả nghiên cứu trên thực tế tại Mỹ, Nga và ngay cả Trung
Quốc cho thấy tại các nhà máy thủy điện lớn, điều tốc tua bin chỉ là một phần
trong hệ thống tự động điều khiển cũng như bảo vệ tổ máy trong quá trình
làm việc. Trong khi đó, đối với nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, việc lắp đặt
riêng biệt các hệ thống điều tốc, điều khiển tự động và bảo vệ tổ máy sẽ dẫn
đến nhiều tốn kém trong đầu tư ban đầu. Ở đây, phương án tối ưu được lựa
chọn phổ biến trên thế giới, đó là tổ hợp các chức năng trên vào cùng với điều
tốc tua bin. Với xu hướng tiến tới nhà máy thủy điện vừa và nhỏ hoàn toàn tự
động, việc ứng dụng những kỹ thuật tiên tiến trong điều khiển với các bộ vi
xử lý mạnh tưởng như làm phức tạp thêm cho nhà máy thủy điện, nhưng thực
tế lại cho thấy điều ngược lại. Với ứng dụng kỹ thuật mới, việc vận hành, bảo
dưỡng sửa chữa các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ được đơn giản đi nhiều
nhờ sử dụng nhiều tổ hợp, linh kiện tiêu chuẩn. Điều mà trước đây chưa thể

có được. Trên hình 1.5 là mơ hình của một nhà máy thủy điện nhỏ, với việc
ứng dụng các công nghệ kỹ thuật số tiên tiến trong điều khiển tự động hóa các
q trình.

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006


Hình 1.5: Mơ hình của một nhà máy thủy điện nhỏ sử dụng các công nghệ kỹ thuật số tiên tiến.

- 24 -

Luận văn Thạc sĩ khoa học

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006

Chương 1: Mở đầu


- 25 Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1: Mở đầu

1.4.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Như ở phần trên đã trình bày, nhằm tăng cường khả năng chủ động sản
xuất các trang thiết bị điều khiển tự động mang tính hiện đại hóa cao, nâng
cao năng lực cạnh tranh trước xu thế hội nhập khu vực và toàn thế giới… Đề
tài tập trung nghiên cứu về cơng nghệ van tuyến tính thế hệ mới và khả năng
ứng dụng của nó trong việc thiết kế chế tạo các máy điều tốc tự động điện –
thủy cho các trạm thủy điện cỡ vừa và nhỏ.
1.4.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

Về mặt khoa học, đề tài mang tính nghiên cứu ứng dụng các thành tựu
khoa học công nghệ tiên tiến vào trong các lĩnh vực của sản xuất và đời sống.
Đây là một ý nghĩa khoa học hết sức sâu sắc, mỗi ngành khoa học chỉ có thể
phát triển khi các kết quả nghiên cứu của nó được nghiên cứu ứng dụng phục
vụ con người.
Về mặt thực tiễn, đề tài mang tính thực tiễn cao do là một phần trong
nội dung nghiên cứu của Dự án khoa học công nghệ quy mô lớn của Nhà
nước: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lắp đặt và vận hành thiết bị thủy điện
cho nhà máy thủy điện Đaksrơng cơng suất 20MW”, (Thuộc chương trình
phát triển khoa học công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước giai đoạn 2005 –
2010). Việc nghiên cứu tự thiết kế chế tạo các trang thiết bị điều khiển tự
động, hiện đại trong cơng nghiệp nói chung và thiết bị điều chỉnh tuabin thủy
điện nói riêng sẽ giúp cho đội ngũ kỹ sư và cơng nhân Việt Nam có thêm kinh
nghiệm và nâng cao tay nghề, thu nhập, một mặt giúp cho các doanh nghiệp
Việt Nam có thêm các thế mạnh cạnh tranh trước xu thế hội nhập với thế giới.

Nguyễn Văn Tuệ_CH Máy thủy khí 2004 - 2006