Tài liệu Luận văn :“Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin trong nhà máy thủy điện Hòa Bình ” ppt

Luận văn

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



LỜI MỞ ĐẦU
Chúng ta được biết rằng: Có thể sử dụng nhiều nguồn năng lượng
khác nhau để phát điện. Trong đó năng lượng truyền thống như: Than, dầu,
khí đốt, hạt nhân, thuỷ năng được coi là các dạng năng lượng cơ bản, còn
năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thuỷ chiều và năng lượng
thuỷ chiều cự
c nhỏ là những dạng năng lượng mới. Với các nhà máy
nhiệt điện, người ta sử dụng nhiên liệu là than đá, dầu hơi đốt.
Nhà máy thuỷ điện lợi dụng năng lượng dòng chảy (bao gồm cả
động năng và thế năng). Người ta còn xây dựng nhà máy điện bằng cách
khai thác năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời
Ở nước ta có 3 nguồn nă
ng lượng chính đã được khai thác là than,
dầu khí, và năng lượng các lòng sông, suối lớn. Còn các nguồn năng lượng

khác như: Năng lượng hạt nhân, gió, thuỷ chiều, sóng biển, mặt trời đang
được nghiên cứu sử dụng.
Trong các nhà máy điện kể trên, thì phổ biến nhất là nhà máy thuỷ
điện và nhiệt điện. Mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm riêng.
Nhà máy thuỷ đ
iện gồm hàng loạt các ưu điểm sau :
- Hiệu suất nhà máy thuỷ điện có thể đạt được rất cao so với nhà máy
nhiệt điện.
- Thiết bị đơn giản, dễ tự động hoá và có khả năng điều khiển từ xa.
- Ít sự cố và cần ít người vận hành.
- Có khả năng làm việc ở phần tải thay đổ
i.
- Thời gian mở máy và dừng máy ngắn.
- Không làm ô nhiễm môi trường.
Mặt khác, nếu khai thác thuỷ năng tổng hợp, kết hợp với tưới tiêu,
giao thông và phát điện thì giá thành điện sẽ giảm xuống, giải quyết vấn đề
triệt để của thuỷ lợi và môi trường sinh thái của một vùng rộng lớn quanh
đó.

Vốn đầu tư xây dừng nhà máy thuỷ điện đòi hỏi lớn hơn so với xây
dựng nhà máy nhiệt điện. Nhưng giá thành 1 KWh của thuỷ điện rẻ hơn
nhiều so với nhiệt điện, nên tính kinh tế vẫn là tối ưu hơn. Tuy nhiên, người
ta cũng không thể khai thác nguồn năng lượng này bằng bất cứ giá nào.
Xây dựng công trình thuỷ điện thực chất là th
ực hiện một sự chuyển đổi
điều kiện tài nguyên và môi trường.
Sự chuyển đổi này có thể tạo ra một điều kiện mới, gía trị mới sử
dụng cho các lợi ích kinh tế xã hội nhưng cũng có thể gây ra những tổn thất
về xã hội và môi trường mà chúng ta khó có thể đánh giá hết được.
Người ta chỉ khai thác thuỷ năng tại các vị trí công trình cho phép về

điề
u kiện kỹ thuật, có hiệu quả kinh tế sau khi đã so sánh giữa lợi ích và tổn
thất.
Đối với những thành phố và khu công nghiệp lớn phải kết hợp nhiều
nhà máy nhiệt điện, điện nguyên tử và thuỷ điện. Chúng cần làm việc đồng
bộ sao cho đạt hiệu quả cao nhất.
Ở nước ta năng lượng của các dòng chảy trong sông, suối (thuỷ
nă
ng) rất phong phú, đứng hàng thứ 22 trên thế giới về tiềm năng thuỷ
điện. Nguồn năng lượng này được phân bố khắp đất nước.
Nhà nước và chính phủ đã có những sự đầu tư phát triển hệ thống
thủy điện như một số nhà máy lớn : Tuyên Quang, Sơn La, Hòa Bình …
Một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng điện năng là tần số

của lưới điện, tần số và sự suy giảm tần số của lưới nó phản ánh sự cung
cấp năng lượng đủ hay thiếu của hệ thống. Trong hệ thống các nhà máy
điện phải luôn luôn đảm bảo cung cấp đủ công suất cho tất cả các phụ tải
của hệ thống và có dự phòng, đảm bảo tần số lưới dao động 49.5-50.5 Hz.
Ở lưới
điện Việt Nam, tần số lưới điện bình thường là 50 Hz. Việc
giữ tần số ổn định cho lưới điện là một vấn đề quan trọng, vì nó giữ ổn định
cho mạng điện quốc gia. Khi tần số suy giảm dẫn đến giao động công suất

trong khu vực làm mất ổn định hệ thống và hệ thống sẽ tan rã nếu không xử
lý kịp thời.
Thông qua việc điều khiển tốc độ quay tuabin ta có thể điều chỉnh
tần số và phân bố công suất của máy phát từ đó có thể điều chỉnh tần số của
lưới điện và phân bố công suất của tổ máy sao cho chi phí vận hành là nhỏ
nhất. Do vậ
y sau khi tìm hiểu về nhà máy thủy điện, được sự giúp đỡ tận

tình của thầy giáo TS. Nguyễn Văn Hòa và các thầy cô trong bộ môn Điều
Khiển Tự Động, cùng với sự chỉ bảo dẫn dắt của các cô chú trong nhà máy
thủy điện Hòa Bình, chúng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp:
“Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin trong nhà
máy thủy điện Hòa Bình ”.
Bản
đồ án này gồm các chương:
Chương 1
: Tổng quát chung nhà máy thuỷ điện.
Chương 2
: Kết cấu của các thành phần cơ khí trong nhà máy thủy điện
Hòa Bình
Chương 3
: Hệ thống điều khiển tốc độ quay của Tuabin (Bộ điều tốc).
Chương 4
: Mô phỏng quá trình điều khiển tần số của bộ điều tốc bằng
Matlab.
Để hoàn thành tốt đồ án này, trước hết chúng em xin chân thành
cảm ơn tất cả các thầy cô giáo trong bộ môn Điều Khiển Tự Động –
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo hành trang kiến thức nhất định
và tạo mọi điều kiện trong học tập và nghiên cứu tại trườ
ng. Đặc biệt chân
thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Văn Hòa đã nhận hướng dẫn và giúp
đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện nhiệm vụ của đồ án và chúng
em cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các cô chú, các kỹ sư …tại
Phân xưởng Tự động - Nhà máy thủy điện Hòa Bình.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT CHUNG NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN.
1.1. Tổng quan về năng lượng điện và vai trò của nhà máy thủy
điện.

Năng lượng điện hay còn gọi là điện năng, là dạng năng lượng thứ
cấp được tạo ra từ nhiều nguồn năng lượng thứ cấp khác nhau như nhiệt
năng (dầu, khí đốt, than, năng lượng phóng xạ, năng lượng mặt trời…),
thủy năng (sông, suối, sóng biển, thủy chiều…), năng lượng gió… Đây là
loại năng lượng đóng vai trò quan trọng và
được sử dụng trên khắp thế giới
trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống ngày nay như công nghiệp, nông
nghiệp, giao thông, sinh hoạt …
Việc sử dụng dạng năng lượng khác để biến thành điện năng của mỗi
nước là tùy vào tình hình tài nguyên và đường nối phát triển của nước đó.
Thuỷ năng là một dạng năng lượng tái tạo được. Đây là đặc tính ưu
vi
ệt nhất của nguồn năng lượng này, các nguồn năng lượng khác như :
Nguyên tử, than, dầu … không thể tái tạo được. Trong quá trình biến đổi
năng lượng, chỉ có thuỷ năng sau khi biến đổi thành cơ năng và nhiệt năng
lại được tái tạo thành dạng thủy năng, còn các dạng năng lượng khác trong
quá trình biến đổi không tự tái tạo trong tự nhiên. Con người sử dụng
nguồn thuỷ năng
để phục vụ cho đời sống và sản xuất, đặc biệt là để phát
điện.
Tuỳ theo điều kiện từng nước mà tỷ lệ phát triển các loại nhà máy
điện có khác nhau. Theo số liệu năm 1978 thì nhìn chung trên toàn thế giới
năng lượng của thuỷ điện chiếm khoảng 1/3 tổng sản lượng điện năng.
Trong khi các nguồn khai thác than đã hơn 40 % thì các nguồn thuỷ năng
mới khai thác hơn 1,5 % (Điều đó không nói lên rằng sau này thuỷ điện sẽ
phát triển mạnh).
Theo thống kê năm 1978: Ở Châu âu tỷ lệ thuỷ điện chiếm khoảng
34% tổng sản lượng điện năng. Ở Liên Xô 19,8 %, Mỹ 18,6 %, Canada 95
%, Phần Lan 91,6 %, Triều Tiên 95-98 %, Na Uy 99 %, Thụy sỹ 99,5 %
trái lại ở nhiều nước châu Á và Châu Phi tuy nguồn thuỷ năng rất phong

phú nhưng tỷ lệ chưa đáng k
ể chính vì sự kìm hãm của chủ nghĩa đế quốc.

Ví dụ ở nước ta: Thời kỳ Pháp thuộc hầu như không để lại một thuỷ
điện nào đáng kể, trong thời gian chiến tranh ta chủ trương phát triển các
thủy điện nhỏ ở các vùng miền núi như : Lạng Sơn, Quảng Ninh, Sơn La,
Lai Châu, giải quyết được ánh sáng, cơ sở xay xát, chế biến nhỏ, ở Thanh
Hoá có thuỷ điện Bàn Thạch gồm 3x320 KW=960 KW, lợi dụng bậ
c núi
Nông Giang.
Thuỷ điện Thác Bà bị bom đạn tàn phá nặng nề, sau này đã khôi
phục
được xong cả 3 tổ máy 3x36=108 MW, ở miền Nam có thuỷ điện Đa
Nhim, kiểu kênh dẫn, lợi dụng độ chênh mực nước giữa hai con
sông, công suất 160 MW.
Hiện nay, trữ năng lý thuyết của thuỷ điện trên cả nước ước tính 270-
300 tỷ KWh/năm, với công suất khoảng 32.10
6
KW. Nhưng trữ năng thuỷ
điện kỹ thuật (tiềm năng kinh tế) chỉ có khoảng 80 tỷ KWh, Với công suất
lắp máy 17.438 MW. Tiềm năng kinh tế kỹ thuật thuỷ điện nhỏ khoảng 60
tỷ KWh/năm, với công suất lý thuyết 10.000 MW.
Miền bắc nước ta có 1069 con sông lớn nhỏ, công suất thuỷ năng
ước lượng
6
13, 68.10 KW
với trữ lượng điện hàng năm trên 120 tỷ KWh,
khả năng xây dựng thuỷ điện ở các con sông chính sau :
- Sông Cả khoảng 34 vạn KW
- Sông Đà khoảng 254 vạn KW

- Sông Mã khoảng 25 vạn KW
- Sông Thao khoảng 52 vạn KW
- Sông Thái Bình khoảng 3,2 vạn KW
- Các hệ thống Nông Giang khoảng 3 vạn KW
Theo tính toán nếu xây dựng thuỷ điện được 4,8 triệu KW thuỷ điện
thì hàng năm sẽ thu được độ
9
20.10 KWh
, tiết kiệm được khoảng
6
20.10

tấn than đá.

Thấy được lợi thế này cùng với sự giúp đỡ của Liên Xô và các điều
kiện kỹ thuật cho phép, nước ta đã tiến hành điều tra khảo sát và xây dựng
thành công nhà máy Thuỷ điện Sông Đà với công suất đợt đầu khoảng 1,6
triệu KW gồm 8x200 MW, sau đó công suất có thể lên tới 3,2 triệu KW
(Hiện nay công suất nhà máy đạt 1.92 triệu KW). Xây dựng công trình này
nhằm sử dụng tổng hợp trong đó chố
ng lũ là vấn đề cấp bách. Công trình
này có thể làm hạ mực nước ở Hà Nội trong mùa lũ xuống 1,4 m.
Đầu tư về thuỷ điện của nước ta không quá lớn như các nước khác.
Ta có thể tự lực xây dựng thuỷ điện: Đầu tư cho thiết bị khoảng 30%, còn
lại các công trình khác có thể tự lực được.
Ngành thuỷ điện nước ta mở ra một triển vọ
ng vô cùng to lớn, đòi
hỏi một số lượng rất lớn các cán bộ thiết kế, thi công, vận hành rất giỏi, đủ
sức thăm dò giải quyết những vấn đề kỹ thuật do hoàn cảnh đất nước ta đề
ra, phải biết áp dụng những kỹ thuật tiến triển nhất vào trong lĩnh vực này.

Ngành ta đào tạo kỹ sư điện thiết kế, vận hành m
ạng hệ thống điện,
nhà máy điện và thuỷ điện, ta phải tự thiết kế thi công các nhà máy điện.
Người kỹ sư vận hành điện ở nhà máy thuỷ điện ngoài những kiến thức
tổng quát cần biết (công trình và thiết bị thuỷ lực) mà cần hiểu sâu về điều
tiết hồ chứa để vận hành được tốt. Đ
ây là một lĩnh vực nhiều lý thuyết khác
nhau.
1.2. Vấn đề tự động hóa trong nhà máy thủy điện


Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển của nhà máy thuỷ điên


Cấu trúc toàn bộ hệ thống có các bộ điều khiển vận hành trực tiếp trên các
bộ phận riêng rẽ. Trong mỗi tổ máy phát gồm các bộ phận điều khiển động
lực đầu tiên và các bộ điều khiển kích từ. Phần động lực đầu tiên bao gồm
tuabin và hệ thống thủy lực, do vậy các bộ điều khiển động lực đầu tiên
liên quan t
ới việc điều chỉnh tốc độ và điều khiển các biến số của hệ thống
cung cấp năng lượng. Chức năng của điều khiển kích từ là điều chỉnh điện
áp máy phát và công suất phản kháng. Công suất phát mong muốn của các
tổ máy phát đơn lẻ được xác định bởi các quá trình điều khiển phát điện
của hệ thố
ng.
Mục đích đầu tiên của điều khiển phát điện hệ thống là cân bằng
tổng công suất phát của hệ thống với phụ tải hệ thống và các tổn thất, vì
vậy tần số và công suất trao đổi với các hệ xung quanh được duy trì.
Điều khiển truyền tải bao gồm các thiết bị điều khiển điện áp và
công suất, như các bộ

bù phản kháng tĩnh, các bộ bù đồng bộ, các cuộn
cảm và điện dung chuyển mạch. Điều khiển các máy biến áp dịch pha và
truyền tải dòng một chiều điện áp cao (HVDC)
Các quá trình điều khiển đã mô tả ở trên góp phần cho sự thỏa mãn
vận hành của hệ thống bằng cách duy trì điện áp và tần số hệ thống và các
biến hệ thống khác trong giới hạn cho phép củ
a chúng.
Các đối tượng điều khiển phụ thuộc vào trạng thái vận hành của hệ
thống. Với các trạng thái bình thường, đối tượng điều khiển vận hành có
hiệu quả khi tần số và điện áp điều khiển gần với giá trị danh định.
1.3. Sơ đồ tổng quan về nhà máy thủy điện:.
1.3.1. Nguyên lý chung:
Nước trên sông, suối chảy từ nguồn ra biển, đi từ cao đến thấp mang
theo nó một năng lượng, năng lượng này gọi là thuỷ năng.
Để xác định năng lượng đó ta chia dòng chảy trên sông thành đoạn
ngắn có chiều dài là l, được giới hạn bởi các tiết diện I-I và II-II:




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

2
2
P
V
III
EZ
II I

g
α
γ
=++
−


2
2
P
V
II II II
EZ
II II II
g
α
γ
=++
−

Trong đó: ,,,
P
Z
V
α
γ
- áp năng, vị năng, vận tốc trung bình tại mặt cắt và hệ
số điều chỉnh động năng.
Hiệu năng lượng riêng của hai mặt cắt là năng lượng đơn vị của dòng
chảy trên đoạn sông có chiều dài l và được gọi là cột áp của đoạn sông, ký

hiệu là H.

22

12 11 22
-
2
III
P
PaVaV
HEE Z Z
III
gg
==−++

Nếu một đoạn sông có cột áp H, lưu lượng Q thì năng lượng dòng
chảy trên đoạn sông đó là:
QHdt
t
γ
∋=
∫
Hay
H
W
γ
∋
=

Trong đó: W – thể tích nước đoạn sông.

Công suất nước của dòng chảy trên đoạn sông là:
NQH
γ
=

Để sử dụng năng lượng của đoạn sông thì phải tập trung năng lượng
dòng nước phân bố trên đoạn sông đó tại một chỗ, tạo độ chênh mực nước
thượng và hạ lưu, nghĩa là phải tạo nên cột áp.
1.3.2. Sơ đồ nhà máy thủy điện:
Nhà máy thủy điện là một tổ hợp phức tạp, sử dụng nă
ng lượng của
sông suối, để sản xuất điện năng bao gồm 3 tuyến :
- Tuyến áp lực (tuyến đầu mối)
- Tuyến năng lượng.
- Tuyến hạ lưu.











Hình 1.3 Sơ đồ các tuyến của nhà máy thủy điện
• Các thiết bị chính trong nhà máy thủy điện.

Tuyến áp
lực

1.Hồ chứa
+ Bể áp lực
+ Bể lắng
cát
2. Đập tràn
3. Các van
xả

Tuyến năng lượng.
+Kênh vào
+Cửa van
+Đường hầm (gồm Tháp và van)
+Đường ống
Nhà máy :
+ Thiết bị cơ khí :
Chính : Tuabin cho từng tổ máy
Phụ : (các thiết bị khác)
+ Thiết bị điện kỹ thuật
Tổ máy
Tuabin
+ Tuabin, cánh hướng …
+ Bộ điều tốc
Máy phát
+ Máy phát

+ Hệ thống kích từ.





Hạ lưu

1. Kênh xả
2. Các cửa
van hạ lưu


Hình 1.4 Sơ đồ bố trí các thiết bị trong nhà máy thủy điện
1. Cửa nhận nước 3. Bình tạo áp lực
2. Hầm dẫn 4. Nhà van
5. Ống áp lực 9. Hệ thống dầu áp lực và bộ
điều tốc
6. Tuabin 10. Hệ thống nước làm mát
7. Máy phát 11. Ống xả
8. Hệ thống kích thích máy phát 12. Cửa hạ lưu
Trong thực tế
có 3 phương pháp tập trung năng lượng của dòng nước
tương ứng với ba sơ đồ nhà máy thủy điện: Nhà máy thủy điện kiểu lòng
sông, nhà máy thuỷ điện đường dẫn và nhà máy thuỷ điện kiểu tổng hơp.
1.3.2.1. Nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông (hay sau đập).
Để tập trung năng lượng người ta dùng đập cột áp H là độ chênh
mực nước trước và sau đập (tương ứ
ng thượng lưu và hạ lưu). Đập có hồ
chứa nước lớn để điều tiết lưu lượng dòng sông.

Nhà máy thường đặt sau đập đối với cột nước lớn, hoặc là một bộ
phận của đập đối với cột nước nhỏ. Các trạm thuỷ điện với phương pháp
tập trung năng lượng bằng đập gọi là nhà máy kiểu lòng sông hay sau đập.
Nó áp dụng cho các con sông ở đồng bằng, trung du nơi có độ dốc lòng
sông nhỏ, lưu lượng sông lớn. Trong thực tế, chiều cao của đập bị hạn chế
bởi kỹ thuật đắp đập và diện tích bị ngập. Cột áp ở các trạm thủy điện này
không lớn, thông thường không lớn hơn 30 – 40m. Tuy nhiên, nhà máy

thủy điện kiểu này đã đạt cột áp cao nhất H = 300m là nhà máy thủy điện
Nurec ở Liên Xô.
Nhà máy thủy điện Thác Bà trên sông Chảy là nhà máy thủy điện
lòng sông có cột áp H = 37m, N = 40MW, ba tổ máy.


Hình 1.5 Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông

1.3.2.2. Nhà máy thủy điện đường dẫn:
Nước được ngăn bởi một đập thấp rồi chảy theo đường dẫn (Kênh,
máng, tuy – nen, ống dẫ
n) đến nhà máy thủy điện.
Ở đây cột áp cơ bản là do đường dẫn tạo nên, còn đập chỉ để ngăn
nước lại để đưa vào đường dẫn. Đường dẫn có độ dốc nhỏ hơn độ dốc lòng
sông. Kiểu trạm này thường dùng ở các sông suối có độ dốc lòng sông lớn
và lưu lượng nhỏ.
Trạm thủy điện Đa Nhim (Ninh Thuận) có cộ
t nước H = 800m, N =
160MW ( bốn tổ máy 40 MW/ tổ máy).
Trạm thủy điện có cột nước lớn nhất thế giới hiện nay là trạm Bogota
(Colombia) có H = 2000m, N = 500MW.

Hình 1.6 Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu kênh dẫn.
1.3.2.3. Nhà máy thủy điện tổng hợp:


Hình 1.7 Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu tổng hợp.
Năng lượng nước được tập trung là nhờ đập và cả đường dẫn. Cột áp
của trạm gồm 2 phần: một phần do đập tạo nên, phần còn lại do đường dẫn
tạo nên.
Nhà máy kiểu này
được dùng cho các đoạn sông mà ở trên sông có
độ dốc nhỏ thì xây đập ngăn nước và hồ chứa, còn ở phía dưới có độ dốc
lớn thì xây dựng đường dẫn.
Nhà máy thủy điện Hoà Bình (H = 88m, N = 220MW, 8 tổ máy) và
Trị An (H = 50 m, N = 100MW, 3 tổ máy) là trạm kiểu tổng hợp.

1.4. Tuabin nước trong nhà máy thủy điện .
Tuabin nước là một trong các thiết bị quan trọng nhất của nhà máy
thủy điện, nhiệm vụ chính là chuyển đổi thủy năng thành cơ năng làm quay
rôto máy phát và sinh ra điện năng.
1.4.1 Sự ra đời của tuabin thủy lực.
Tuabin nước là loại máy thuỷ lực đầu tiên loài người dùng để sử
dụng nguồn năng lượng thiên nhiên để phục vụ đời sống và sản xuất, trước
tiên là trong công vi
ệc lấy nước và chế biến lương thực.
Tuabin nước đầu tiên là những bánh xe nước đơn giản sử dụng động
năng của dòng chảy. Cho tới nay lịch sử chưa xác định được ai là người
đầu tiên phát minh ra bánh xe nước. Người ta biết rằng hàng nghìn năm
trước công nguyên ở Ai Cập, Ấn Độ và Trung Quốc đã sử dụng bánh xe
nước dưới dạng thiết bị biến đổi nă

ng lượng. Đến nay ở nước ta bánh xe
nước vẫn còn được sử dụng trên các suối vùng núi và trung du.

Hình 1.8 Bánh xe nước
Tại Pháp từ thế kỷ IV đã có máy xay xát chạy bằng năng lượng của
nước. Tuy nhiên mãi đến thế kỷ thứ XVI với sự phát triển của chủ nghĩa tư
bản thì việc sử dụng năng lượng nước mới có những cải tiến lớn. Nhưng từ
bánh xe nước tới tuabin nước loài người phải trải qua tìm kiếm nghiên cứu
lâu dài.
Năm 1934 kỹ sư người Pháp là Fuaray đã chế tạo thành công tuabin
nước đầu tiên.


Hình 1.9 Tuabin nước
Sau đó ít năm, năm 1937 người thợ mộc Nga- Xaphon cũng chế tạo
tuabin nước kiểu li tâm. Năm 1838 Hopd (Mỹ) đã cải tạo tuabin li tâm trên
thành tuabin hướng tâm.
Năm 1847-1849 một kỹ sư mỹ là Dran Franxic đã cải tiến tuabin
Hopd thành tuabin tâm trục có hiêu suất cao hơn. Ngày nay người ta gọi
tuabin tâm trục là tuabin Franxic
Năm 1837-1841 Ghensen (Đức) và Jonvan (Pháp) đã chế tạo tuabin
hướng trục cánh cố định. Sau đó năm 1912-1924 một giáo sư ngườ
i Tiệp
Khắc cũ là Kaplan cải tiến tuabin hướng trục cánh cố định thành tuabin
hướng trục cánh điều chỉnh gọi là tuabin Kaplan. Do điều chỉnh cánh làm
tăng hiệu suất trong một phạm vi điều chỉnh công suất rộng.
1880 Penton (Mỹ) đã cải tiến bãnh xe nước và phát minh ra tuabin
gáo. Vì thế tuabin gáo còn gọi là tuabin Penton.
Ngày nay các loại tuabin nước kể trên đã được cải tiến và hoàn thiện
ở mức độ cao. Nhiều ki

ểu tuabin đã được ra đời như: Tuabin hướng chéo,
tuabin dòng thẳng (Capsun), tuabin bơm.

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

1.4.2. Phân loại và phạm vi s
ử dụng của tuabin:
* Phân loại theo dạng năng lượng của dòng chảy qua tuabin:

Hình 1.10 Sơ đồ nhà máy thủy điện
Ta khảo sát các thành phần năng lượng của dòng chảy. Năng lượng
đợn vị của dòng chảy truyền cho bánh xe công tác tuabin bằng độ chênh
năng lượng riêng giữa hai tiết diện trước và sau đó:

()
22
12 11 22
11
2
PP V V
HZZ
g
αα
γ
−−
=−+ +

Thế năng Động năng
Vậy năng lượng riêng gồm hai phần : động năng và thế năng.
Tùy thuộc vào dạng năng lượng này mà chia tuabin nước thành hai
hệ khác nhau: tuabin xung lực và tuabin phản lực.

Trong tuabin xung lực, chỉ có phần động năng của dòng chảy tác
dụng lên bánh xe công tác còn phần thế năng bằng không. Hệ tuabin này
phát ra công suất nhờ động năng của dòng chất lỏng, còn áp suất ở cửa vào
và cửa ra của tuabin là áp suất khí trời.
Tuabin phản lực là loại tuabin làm việc nhờ cả hai phần thế năng và
động năng, mà chủ yếu là thế năng của dòng chảy. Trong hệ tuabin này, áp
suất ở cử
a vào luôn lớn hơn ở cửa ra. Dòng chảy qua tuabin là dòng liên tục
điền đầy toàn bộ máng dẫn cánh. Trong vùng bánh xe công tác tuabin,
dòng chảy biến đổi cả động năng và thế năng. Trong đó vận tốc dòng chảy
qua tuabin tăng dần, áp suất giảm dần. Máng dẫn của cánh hình côn nên
gây ra độ chênh áp mặt cánh, từ đó tạo ra momen quay.
Tuabin phản lực và xung lực có tính năng và phạm vi sử dụng khác
nhau. Tuabin phản lực dùng cho trạm có cột nước thấ
p, lưu lượng lớn còn
tuabin xung lực dùng cho trạm có cột nước cao, lưu lượng nhỏ.
1.4.2.1 Tuabin phản lực:
Tuabin phản lực là hệ tuabin được sử dụng rộng rãi nhất, bao gồm
phạm vi cột nước từ 1,5m đến 600m.
Tùy thuộc vào hướng dòng chảy của dòng nước đi qua cánh bánh xe
công tác mà chia tuabin phản lực thành nhiều loại: tuabin hướng trục,
tuabin tâm trục, tuabin hướng chéo.
a. Tuabin hướng trục:
Tuabin hướng trục là loại tuabin trong đ

ó hướng chuyển động của
dòng chảy trong phạm vi bánh xe công tác song song với trục quay tuabin
(hình 1.8a,b )
Tuabin hướng trục có thể là loại cánh cố định hoặc là loại cánh điều
chỉnh bánh công tác gồm nhiều cánh được gắn với bầu. Nếu cánh được gắn
chặt với bầu thì gọi là tuabin hướng trục cánh cố định ( tuabin chong chóng
). Nếu cánh có thể quay quanh trục cánh cố định thường dùng cho các trạm

cỡ nhỏ và trung bình. Tuabin hướng trục cánh điều chỉnh được sử dụng cho
cỡ trung bình và lớn.
Tuabin hướng trục cánh điều chỉnh phức tạp vì cơ cấu điều chỉnh
cánh nằm trong bầu bánh công tác.

Hình 1.11 Tuabin hướng trục
b. Tuabin tâm trục (Hay còn gọi là tuabin Francis).
Trong tuabin tâm trục, hướng của dòng chảy ở vùng bánh công tác
ban đầu theo phương hướng tâm, sau đó chuyển sang phương song song
với trục.
Tuabin này còn gọi là tuabin Francis. Nó được s
ử dụng rộng rãi
trong các trạm có cột nước cao : H = 30-600m. Đối với các trạm nhỏ tuabin
này có thể làm việc với cột nước H > 4m.
Bánh công tác gồm hệ thống cánh gắn chặt với hai vành đĩa trên và dưới
thành một khối cứng. Cánh có dạng cong không gian và số cánh có từ 12
đến 22.
Tuabin tâm trục có hiệu suất cao nhưng cánh cố định nên chỉ thích
hợp với trạm có cột nước ít thay đổi (hình 1.8 d).
Tuabin tâm trục có cột nước cao nhất th
ế giới H = 620m ở Khot-xen-
van (Đức).

Ở nước ta các nhà máy thuỷ điện: Trị An, Hoà Bình, YaLy, Thác Mơ
dùng tuabin tâm trục cỡ lớn và trung bình, còn trạm Ta Sa, Na Ngần, Suối
Cùn…dùng tuabin tâm trục cỡ nhỏ.


Hình 1.12 Tuabin tâm trục
c. Tuabin hướng chéo:
Tuabin hướng chéo kết hợp ưu điểm của cả hai loại tuabin tâm trục
và hướng trục cánh điều chỉnh
Dòng chảy qua vùng bánh xe công tác của tuabin này có hướng tạo
với trục quay một góc nào đó (thường 45-60 độ). Bầu cánh là hình nón.
Bầu cánh chứa toàn bộ cơ cấu điều chỉnh cánh như bầu cánh của tuabin
hướng trục cánh điều chỉnh.
Loại tuabin này làm vi
ệc trong phạm vi cột nước H = 30-150m. Nó có thể
điều chỉnh cánh nên phạm vi điều chỉnh công suất có hiệu suất cao tương
đối rộng so với tuabin tâm trục.

Hình 1.13 Tuabin hướng chéo
1.4.2.2 Tuabin xung lực (xung kích):
a. Tuabin gáo ( còn gọi là tuabin Pelton) HÌNH VẼ 1.5/7 THANH
1.9:
Trong đó : 1- Ống dẫn 2- Mũi phun 3- Hướng tia nước
4- Cánh gáo 5- Trục 6- Vở tuabin

Tuabin gáo là loại tuabin xung lực được sử dụng nhiều nhất. Phần
dẫn dòng của nó gồm bánh công tác và vòi phun. Bánh công tác gồm nhiều
cánh hình gáo được gắn chặt lên bánh công tác.
Bánh công tác gắn liền trên trục tuabin, trục này nối với trục máy phát.
Thông thường tuabin gáo đặt ngang, chỉ có một số tuabin cỡ lớn có tổ máy

đặt đứng.
Vòi phun gồm có ống hình côn nối với ống dẫn, trong ống hình côn có
kim điều chỉnh lưu lượ
ng ra của vòi phun. Ở đây dòng chảy theo ống dẫn
vào vòi phun, từ đó dòng chảy ra khỏi vòi phun với vận tốc đủ lớn tác dụng
vào các cánh gáo và tạo thành momen quay.
Ngoài ra vòi phun làm nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng qua bánh công
tác. Tuabin gáo làm việc với cột nước H = 40-300m và lớn hơn nữa. Ở
nước ta trạm thuỷ điện Đa Nhim dùng tuabin gáo có công suất một tổ máy
N = 40MW.
b. Tuabin tia nghiêng:
Tuabin này khác với tuabin gáo là dòng chảy vào vòi phun hướng
vào bánh công tác dưới m
ột góc nghiêng. Bánh công tác gồm các cánh
cong gắn chặt lên hai đĩa bên bánh công tác có hình dạng đơn giản hơn
dạng gáo nên dễ chế tạo. Vòi phun của loại này tương tự như vòi phun của
tuabin gáo.
Tuabin tia nghiêng được lắp cho những trạm thuỷ điện nhỏ. Hiệu
suất của tuabin này thường nhỏ hơn hiệu suất của tuabin gáo.
c. Tuabin tác dụng kép (Tuabin xung kích hai lần ) (HÌNH VẼ 2.6):
Dòng chảy từ vòi phun tác dụng lên bánh công tác hai lần : dòng
chảy đi từ ngoài vào tâm sau
đó lại hướng từ tâm ra ngoài, nên gọi loại này
là tuabin tác dụng kép. Vòi phun của tuabin này có tiết diện chữ nhật chứ
không phải tiết diện tròn.
Ở đây thay đổi lưu lượng bằng cách thay đổi một thành trong để thay
đổi tiết diện vòi phun.

Tuabin tác dụng kép còn có tên gọi là tuabin xung kích hai lần, hay
tuabin Banki. Nó được dùng cho các trạm thuỷ điện cỡ nhỏ N = 5-100KW.

1.4.3. Các bộ phận chính của tuabin nước:
Trong tuabin nước, bộ phận ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tuabin đó là
phần dẫn dòng. Phần dẫn dòng gồm có ba bộ phận chính:
- Buồng dẫn tuabin.
- Bánh công tác.
- Buồng hút tuabin.
Trong đó bánh công tác là bộ phận chính làm nhiệm vụ biến đổi
năng lượ
ng. Hai bộ phận buồng dẫn và buồng hút không trực tiếp biến đổi
năng lượng nhưng vai trò của chúng rất quan trọng giúp bánh công tác làm
nhiệm vụ biến đổi năng lượng có hiệu quả tốt.
Các bộ phận phụ của phần dẫn dòng gồm có: các van điều chỉnh lưu
lượng dòng chảy, van đóng nhanh khi có sự cố, lưới chắn rác…
Nếu tuabin làm việc đồng bộ với máy phát đ
iện thì một bộ phận quan
trọng giúp cho sự đồng bộ này là máy điều tốc.
Trong các trạm thuỷ điện còn có các thiết bị phụ trợ khác như: các tổ
máy bơm, các tổ máy nén khí, thiết bị nâng hạ, hệ thống điện…Ở đây ta chỉ
xét bộ phận chính của phần dẫn dòng tuabin.







CHƯƠNG 2 : TỔNG QUÁT CHUNG NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN HOÀ
BÌNH
2.1.Đường năng lượng của nhà máy thuỷ điện Hoà Bình: Thủy
năng - Cơ năng - Điện năng:

Nhà máy thủy điện Hoà Bình được thiết kế theo phương pháp nhà
máy thủy điện kiểu tổng hợp. Năng lượng nước được tập trung là nhờ đập
và cả đường dẫn.
Cột áp của trạm gồm 2 phần: một phần do đập tạo nên, phần còn lại
do đường dẫn tạo nên. Kiểu thiết kế này áp dụng cho các đoạn sông mà ở
trên sông có độ dốc nhỏ thì xây đậ
p ngăn nước và hồ chứa, còn ở phía dưới
có độ dốc lớn thì xây đường dẫn.
Nước được tập trung trên hồ chứa nhờ đập sau đó được chảy qua các
đường dẫn tới tuabin. Nhà máy thuỷ điện Hoà Bình có 8 tổ máy tương ứng
với 8 đường dẫn và 8 tuabin. Nước chảy tới tuabin qua đường dẫn rồi tới
buồng xoắn.
Buồng xoắn sẽ thay đổi dòng chảy từ
hướng tâm sang hướng trục
qua cánh hướng nước tới bánh xe công tác. Nước chảy làm bánh xe công
tác quay và kéo theo rôto của máy phát điện quay. Rô to quay làm bộ phận
máy phát hoạt động và phát ra điện. Tuyến năng lượng của nhà máy được
thể hiện rất rõ qua hình vẽ kèm theo.