Báo cáo Xây dựng cơ sở khoa học đề xuất gam thủy điện nhỏ Việt Nam. Đánh giá tổng quan về phát triển thuỷ điện nhỏ trên thế giới và ở Việt Nam

bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn viện khoa học thủy lợi báo cáo tổng kết chuyên đề xây dựng cơ sở khoa học đề xuất gam thủy điện nhỏ việt nam. đánh giá tổng quan về phát triển thuỷ điện nhỏ trên thế giới và ở việt nam thuộc đề tài kc 07.04: “nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng l−ợng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi tr−ờng” Chủ nhiệm chuyên đề: TS Hoàng Văn thắng 5817-12 16/5/2006 hà nội – 5/2006 Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 1 Mục lục Trang Ch−ơng I . Mở đầu 2 1.1 Sự cần thiết xây dựng gam thủy điện cực nhỏ 2 1.2 Một số khái niệm trong phân loại thiết bị thủy điện 2 Ch−ơng II Tổng quan về gam thủy điện cực nhỏ và thủy điện siêu nhỏ 6 2.1 Gam thủy điện cực nhỏ trên thế giới 6 2.2 Nghiên cứu và chế tạo thiết bị thủy điện ở Việt Nam 15 Ch−ơng III Cơ sở khoa học và ph−ơng pháp chung phân loại tua bin n−ớc 26 3.1 Mở đầu 26 3.2 Hệ số tỷ tốc Ns 26 3.3 Sự cần thiết tiêu chuẩn hóa loại tua bin 27 3.4 Những chỉ tiêu cơ bản đặt ra trong phân loại tua bin 27 3.5 Ph−ơng pháp phân loại tua bin theo N 29 3.6 Phân loại tua bin xung kích (TBXK) 34 3.7 Kết luận 36 Ch−ơng 4 Xác định phạm vi làm việc của tua bin xung kích hai lần và tua bin tia nghiêng cho thủy điện nhỏ 38 4.1 Những chỉ tiêu và công thức cơ bản trong tua bin xung kích hai lần, tua bin tia nghiêng và tua bin gáo 38 4.2 Xác định các chỉ tiêu ns, Q1’, N1’ của tua bin xung kích hai lần, tua bin gáo, tua bin tia nghiêng 39 4.3 Ph−ơng pháp xây dựng gam tua bin xung kích hai lần 42 Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 2 Ch−ơng I. Mở đầu 1.1. Sự cần thiết xây dựng gam thủy điện cực nhỏ. Kỹ thuật về thủy điện đã hình thành và phát triển hàng trăm năm nay, cùng với sự tiến bộ về khoa học và công nghệ nói chung công nghệ thủy điện cũng có những b−ớc phát triển v−ợt bậc với quy mô thiết bị ngày càng lớn, hiệu suất đ−ợc nâng cao, đặc tính, năng l−ợng và xâm thực ngày càng đ−ợc cải thiện, chi phí vật liệu/1kW công suất ngày càng giảm và giá thành thiết bị ngày càng hạ, độ bền đ−ợc nâng cao. Do tính chất đa dạng về chủng loại thiết bị và điều kiện sử dụng (nh− công suất, cột n−ớc, độ cao hút…) dẫn đến thiết bị thủy điện hết sức đa dạng. Nh−ng nhìn chung các nhà nghiên cứu và sản xuất thiết bị thủy điện trên thế giới đang h−ớng tới những tiêu chí chung là xây dựng gam thiết bị thủy điện có số l−ợng ít nh−ng đáp ứng một cách hiệu quả yêu cầu của thực tiễn. Việc nghiên cứu, đề xuất một gam máy có số l−ợng ít, tạo điều kiện cho xây dựng quy trình công nghệ hoàn chỉnh tạo ra sản phẩm có chất l−ợng cao là một đòi hỏi cấp bách. Qua khảo sát gam thủy điện cực nhỏ của Trung Quốc (phạm vi P ≤ 100 kW) có tới trên 100 kiểu loại kích cỡ tua bin khác nhau. Trong khi gam thủy điện cực nhỏ của một số hãng chỉ trong phạm vi 6 đến 10 loại thiết bị cũng đáp ứng đ−ợc cơ bản nhu cầu sử dụng nh− vậy. Hơn nữa thế giới đang h−ớng tới sử dụng các loại tua bin có phạm vi làm việc rộng (có vùng hiệu suất cao khi l−u l−ợng thay đổi từ 20 ữ 100%) và thiết bị bảo vệ, tự động hoá áp dụng kỹ thuật số đã làm cho chất l−ợng thiết bị thủy điện tăng cao và hạ giá thành. ở Việt Nam do sử dụng thông tin khoa học công nghệ thủy điện cũ, ảnh h−ởng của t− t−ởng đem công nghệ thủy điện lớn áp dụng cho thủy điện nhỏ nên gam thủy điện của ta quá phức tạp, chất l−ợng thấp và chi phí cao. Do vậy việc nghiên cứu và xây dựng lại gam thủy điện cực nhỏ là việc làm rất cần thiết. 1.2. Một số khái niệm trong phân loại thiết bị thủy điện. - Thiết bị thủy điện theo thông lệ quốc tế đ−ợc chia làm ba loại: thủy điện lớn, thủy điện vừa và thủy điện nhỏ. Tiêu chí phân loại dựa vào các thông số gồm: công suất, điện áp (t−ơng ứng với nó là đ−ờng kính bánh xe công tác: D1). Ví dụ: Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 3 ở cột n−ớc H = 100 m; P ≥ 30 MW đ−ợc coi là thủy điện lớn nh−ng ở cột n−ớc H = 3 m; P ≥ 0,6 MW đ−ợc coi là thủy điện lớn. Phạm vi thủy điện lớn theo phân loại của Liên Xô (cũ) cũng t−ơng đồng với một số n−ớc nh− hình 1 sau: Biểu đồ tổng hợp hệ loại mới của tuốc bin phản kích lớn Hình 1: Phạm vi thủy điện lớn theo công suất và cột n−ớc - Cũng t−ơng tự nh− vậy, thủy điện vừa và nhỏ cũng đ−ợc phân loại theo H và P. ở mỗi n−ớc lại có sự phân loại khác nhau, ví dụ nh− Nga và Trung Quốc cho thủy điện có P ≤ 25 MW là thủy điện nhỏ. Một số n−ớc không đ−a ra khái niệm thủy điện lớn, vừa và nhỏ mà đ−a ra khái niệm thiết bị thủy điện đồng bộ (compact turbine) để phân biệt với các thủy điện khác, đ−ợc thiết kế đơn chiếc theo đơn đặt hàng. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 4 Ngay trong thủy điện nhỏ cũng đ−ợc chia làm 4 cấp, có thể là theo phân loại của UNIDO, gồm: + Thủy điện nhỏ (small hydro): P = 1 MW ữ 10 MW + Thủy điện nhỏ (mini hydro): P = 100 kW ữ 1 MW + Thủy điện cực nhỏ (micro hydro): P = 5 kW ữ 100 kW + Thủy điện siêu nhỏ (pico hydro): P ≤ 5 kW Tuy vậy, khái niệm trên cũng chỉ là t−ơng đối, vì theo giả thiết ở trên với H = 3 m; P = 0,6 MW đã đ−ợc coi là thủy điện lớn vì D1 = 2,5 m - Việc phân loại thủy điện có ý nghĩa quan trọng vì những lý do nh− sau: + Các thủy điện lớn hoặc vừa ảnh h−ởng của 1% hiệu suất tới hiệu quả năng l−ợng là rất lớn nên th−ờng đ−ợc nghiên cứu và thiết kế theo đúng điều kiện làm việc của từng công trình, điều đó khiến cho chi phí nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tăng cao. Thời gian sản xuất thiết bị kéo dài nh−ng đem lại hiệu quả cho quá trình vận hành. + Các thủy điện nhỏ ảnh h−ởng 1 ữ 2% hiệu suất là không lớn nh−ng lại đòi hỏi thời gian sản xuất nhanh, chi phí có sức cạnh tranh. Do vậy ng−ời ta chấp nhận điểm làm việc không trùng hẳn với điểm tối −u của tổ máy. + Với thủy điện cực nhỏ và thủy điện siêu nhỏ thì việc tạo ra các tổ máy có giá thành thấp và độ bền cao là yếu tố quan trọng. Hơn thế nữa ở các trạm thủy điện không có điều tiết thì −u tiên phạm vi làm việc rộng hơn là điểm làm việc có hiệu suất rất cao. - Việc phân loại giúp cho công tác thiết kế công trình đ−ợc nhanh chóng. - Việc phân loại hợp lý giúp cho giảm chi phí ở các khâu: nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và quản lý vận hành. - Việc phân loại giúp cho tiếp cận với công nghệ mới, làm cho gam thiết bị thủy điện ngày càng −u việt hơn. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 5 Do vậy mặc dù công nghệ thủy điện đã đ−ợc phát triển từ hàng trăm năm nay nh−ng những năm gần đây thế giới vẫn tiếp tục đ−a ra các gam thủy điện nhỏ mới, rất phù hợp với điều kiện thực tiễn. - Việc phát triển công nghệ mới, vật liệu mới, đặc biệt là công nghệ thông tin đã tác động sâu sắc trong quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy cũng đòi hỏi phải xác định lại gam thủy điện. - Tính chất lao động xã hội, với chi phí cho nhân công ngày càng cao cũng đòi hỏi phải thay đổi cách nghĩ về gam thủy điện. - Để xây dựng gam thủy điện, ở n−ớc ta có lẽ sử dụng theo phân loại của UNIDO về công suất và hạn chế theo cột n−ớc theo cách làm của Liên Xô là hợp lý. - Trong báo cáo này chỉ đề cập tới gam thủy điện cực nhỏ và thủy điện siêu nhỏ tức là các tổ máy có P ≤ 100 kW và mở rộng tới 200 kW cho phù hợp với nhu cầu thủy điện cho các quy mô cấp xã ở Việt Nam. (Theo đánh giá, điều tra, một xã miền núi có số hộ từ 300 đến 800 hộ, công suất tiêu thụ điện khoảng 60 ữ 160 kW, kể cả tổn thất do t−ơng tác và các nhu cầu khác chọn Pmax = 200 kW là hợp lý) - Với thủy điện cực nhỏ, cột n−ớc đ−ợc xác định theo phạm vi sử dụng là: + Cột n−ớc cao: H ≥ 100 m (100 ữ 200 m) + Cột n−ớc trung bình: H = 10 ữ 100 m + Cột n−ớc thấp: H ≤ 10 m - Với thủy điện siêu nhỏ, cột n−ớc cao, đ−ợc sử dụng là H ≥ 5 m Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 6 Ch−ơng II. Tổng quan về gam thủy điện cực nhỏ và thủy điện siêu nhỏ 2.1. Gam thủy điện cực nhỏ trên thế giới. 2.1.1. Phát triển thủy điện cực nhỏ ở Trung Quốc. Trung Quốc là n−ớc có tiềm năng thủy điện phong phú đồng thời là n−ớc có công nghiệp thủy điện nhỏ phát triển mạnh và đa dạng, việc phân tích xu h−ớng phát triển thủy điện nhỏ của Trung Quốc có ý nghĩa quan trọng. Nh− các n−ớc xã hội chủ nghĩa khác, tr−ớc đây việc nghiên cứu và phát triển thủy điện của Trung Quốc đ−ợc phân công và chuyên môn hóa cao. Các mẫu cánh bánh xe công tác và buồng dẫn đ−ợc tập trung nghiên cứu (chủ yếu ở viện TRIED - Thiên Tân) và sau đó cung cấp cho các nhà máy sản xuất thủy điện vừa và nhỏ. Một số hãng lớn có nghiên cứu riêng (Tập đoàn Đông Ph−ơng, HARBIN) chủ yếu cho thủy điện lớn. Do ảnh h−ởng bởi xu h−ớng thủy điện lớn, nên gam thủy điện nhỏ của Trung Quốc rất nhiều chủng loại và kích cỡ gồm: + Tua bin h−ớng trục buồng hở, buồng xoắn kim loại, buồng kiểu ống, chữ S, trục đứng, trục ngang; + Tua bin tâm trục buồng hở, buồng xoắn kim loại, buồng kiểu chính diện, buồng kiểu trụ; + Tua bin tia nghiêng, một mũi phun trục ngang và đứng; + Tua bin gáo trục ngang; + Tua bin xung kích hai lần; Riêng tua bin xung kích hai lần, do quan niệm là loại tua bin có hiệu suất thấp nên ít đ−ợc sử dụng, thay vào đó là tua bin tâm trục. Vài năm gần đây Trung Quốc mới bắt đầu sử dụng tua bin xung kích hai lần. Phạm vi sử dụng các tua bin cho thủy điện cực nhỏ nh− sau: H = 1 ữ 100 m Q = 10 l/s ữ 2,5 m3/s P = 0,1 ữ 100 kW Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 7 Bảng 1. Các thông số cơ bản của gam thủy điện cực nhỏ ở Trung Quốc Phạm vi làm việc TT Loại tua bin D1 H (m) Q (m3/s) P (kW) 1 Tua bin h−ớng tâm, buồng hở; D1 = 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60 cm 1,5 ữ 5 0,03 ữ 1,1 0,2 ữ 60 2 Tua bin h−ớng tâm, buồng chữ S, trục ngang; D1 = 12, 15, 20, 30, 50, 60 1 ữ 12 0,05 ữ 3 0,75 ữ 125 3 Tua bin h−ớng tâm, buồng xoắn kim loại trục đứng; D = 20, 30, 40 cm 4 ữ 12 0,18 ữ 1,1 5 ữ 50 4 Tua bin tâm trục, buồng xoắn kim loại hoặc buồng chính diện trục ngang, đứng; D1 = 20, 30, 42 cm 5 ữ 48 0,05 ữ 3 2 ữ 100 5 Tua bin tia nghiêng, một vòi phun, trục đứng 21 ữ 75 0,01 ữ 0.2 0,6 ữ 75 6 Tua bin tia nghiêng, một vòi phun, trục ngang; D1 = 20, 25, 32cm 30 ữ 100 0,05 ữ 0.5 12 ữ 125 7 Tua bin XK 2 lần, kiểu Ossberger, trục ngang 10 ữ 112 0,05 ữ 0.,4 2 ữ 100 2.1.2. Gam máy phát cho thủy điện cực nhỏ của Trung Quốc: Máy phát của thủy điện cực nhỏ của Trung Quốc, đ−ợc tiêu chuẩn hóa theo tiêu chuẩn Trung Quốc, t−ơng đ−ơng tiêu chuẩn IEC. Trong phạm vi công suất 5 ữ 100 kW có 26 Hình 2. Một số kết cấu trong gam thủy điện nhỏ của Trung Quốc (Nguồn: Micro hydro power Equipment in China– HRC) Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 8 kiểu loại. Với cấp điện áp 230 V/ 1 pha cho loại có công suất nhỏ và 230 V/ 400 V, 3 pha cho loại lớn. Các thông số kỹ thuật nh− ở bảng 2 sau. Bảng 2. Thông số kỹ thuật gam máy phát cho thủy điện cực nhỏ Kiểu máy phát Công suất (kW) Điện năng (V) C−ờng độ dòng điện (A) Tốc độ quay (v/ph) Tần số (HZ) Điện áp (V) Dòng điện kích thích (A) Hiệu suất (%) Trọng l−ợng (kg) STF 5-4/250 SFW 5-4/250 5 400 9,02 1500 50 35,0 9,8 84,7 104 STF 8-4/250 SFW 8-4/250 8 400 14,4 1500 50 34,5 15,0 86,0 113 STF 18-4/368 SFW 18-4/368 18 400 32,5 1500 50 28,6 23,9 83,7 250 STF 26-4/368 SFW 18-4/368 26 400 46,9 1500 50 35,7 23,9 85,5 280 STF 12-6/368 SFW 12-6/368 12 400 21,7 1000 50 20,7 30,0 82,6 260 STF 18-6/368 SFW 18-6/368 18 400 32,5 1000 50 26,5 30,0 84,9 290 STF 40-4/423 SFW 40-4/423 40 400 72,2 1500 50 21,3 47,8 89,0 450 STF 55-4/423 SFW 55-4/423 55 400 99,2 1500 50 25,7 48,5 87,8 520 STF 26-6/423 SFW 26-6/423 26 400 46,9 1000 50 23,8 42,6 86,4 460 STF 30-6/423 SFW 30-6/423 30 400 54,1 1000 50 23,9 48,5 86,9 460 STF 40-6/423 SFW 40-6/423 40 400 72,2 1000 50 29,6 48,5 88,0 530 STF 75-4/493 SFW 75-4/493 75 400 135,3 1500 50 22,0 42,0 88,9 710 STF 100-4/493 SFW 100-4/493 100 400 180,4 1500 50 32,0 47,0 91,1 830 STF 55-6/493 SFW 55-6/493 55 400 99,2 1000 50 32,0 36,0 89,3 750 STF 75-6/493 SFW 75-6/493 75 400 135,3 1000 50 40,4 50,0 90,6 850 STF 40-8/493 SFW 40-8/493 40 400 72,2 750 50 31,7 54,6 87,8 STF 55-8/493 SFW 55-8/493 55 400 99,2 750 50 45,8 45,7 89,2 STF 100-6/590 SFW 100-6/590 100 400 180,4 1000 50 24,0 120,0 90,1 STF 75-8/590 SFW 75-8/590 75 400 135,3 750 50 24,0 119,0 89,7 STF 100-8/590 SFW 100-8/590 100 400 180,4 750 50 29,0 122,0 90,9 Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 9 Ngoài ra, một số hãng sản xuất các máy phát sử dụng nam châm vĩnh cửu cho tổ máy có công suất từ 100 W ữ 5 kW. 2.1.3. Điều tốc cho thủy điện cực nhỏ: Cho tới những năm gần đây, Trung Quốc vẫn sử dụng các điều tốc cơ khí - thủy lực cho thủy điện cực nhỏ, nh− điều tốc TT35, TT75. Với bộ điều khiển quả văng và tích năng kiểu lò so. Các loại điều tốc này có kết cấu phức tạp, độ nhạy kém và giá thành cao, một số cơ quan nghiên cứu đã bắt đầu đ−a ra hai bộ điều tốc kiểu điện, điện tử và bộ điều tốc tải giả với bộ điểu khiển áp dụng kỹ thuật số. Một số thông tin về bộ điều tốc tải giả do Trung Quốc nghiên cứu và sản xuất nh− ở bảng 3 Bảng 3. Thông số kỹ thuật bộ điều tốc tải giả của Trung Quốc Máy phát điện Độ chính xác của điện áp Độ chính xác của tần suất Kiểu Công suất (kW) Pha Điện áp (V) A B A B CZK-3X 3 1 230 5 3 4 1 CZK-5X 5 1 230 5 3 4 1 CZK-8X 8 1/3 230/400 5 3 4 1 CZK-12X 12 3 230/400 3 1 2 0,2 CZK-18X 18 3 230/400 3 1 2 0,2 CZK-26X 26 3 230/400 3 1 2 0,2 CZK-40X 40 3 230/400 1,5 1 2 0,2 CZK-55X 55 3 230/400 1,5 1 2 0,2 CZK-75X 75 3 230/400 1,5 1 2 0,2 CZK-100X 100 3 230/400 1,5 1 2 0,2 Một số nhận xét: 1.So với gam thủy điện cực nhỏ của các n−ớc công nghiệp G7 và các n−ớc công nghiệp tiên tiến trên thế giới khác thì gam của Trung Quốc quá đa dạng, phức Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 10 tạp với khoảng 50 loại tổ máy khác nhau. Do vậy, sản xuất mang tính đơn chiếc, khó nâng cao chất l−ợng và hạ giá thành. 2. Gam thủy điện cực nhỏ sử dụng tua bin h−ớng tâm với D1 = 20, 25, 32 cm là không phù hợp, làm cho giá thành tăng cao khó quản lý vận hành. 3. Nhiều tổ máy có kết cấu buồng đúc bằng gang, không phù hợp với điều kiện sản xuất đơn chiếc của thủy điện nhỏ. 4. Gần đây Trung Quốc đã bắt đầu phát triển loại tua bin xung kích hai lần, bộ điều tốc tải giả là xu h−ớng mà thế giới quan tâm. 2.1.4. Gam thủy điện cực nhỏ của h∙ng EBARA. EBARA là một hãng nổi tiếng của Nhật về lĩnh vực bơm và thủy điện. Gam thủy điện cực nhỏ của hãng sử dụng 3 loại tua bin là tua bin h−ớng tâm, tua bin xung kích hai lần và thủy điện gáo. Ngoài ra, EBARA còn sử dụng bơm làm việc nh− tua bin cho các trạm thủy điện nhỏ nhằm hạ giá thành của thiết bị. Gam thủy điện cực nhỏ của EBARA nh− trên hình 3. Hình 3: Gam thủy điện cực nhỏ của EBARA Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 11 Phạm vi làm việc của các loại tua bin nh− ở bảng sau. Bảng 4. Phạm vi làm việc của tua bin Phạm vi làm việc STT Loại tua bin, D1 H (m) Q (m3/s) P (kW) 1 Tua bin h−ớng tâm kiểu ống 2,8 ữ 13,6 0,22 ữ 1,12 0,22 ữ 1,12 2 Tua bin xung kích hai lần 7 ữ 3,2 0,085 ữ 1,45 13 ữ 132 3 Tua bin gáo > 32 0,037 ữ 0,129 7 ữ 27 Bộ điều tốc: Hãng EBARA sử dụng bộ điều tốc kiểu tải giả cho thủy điện cực nhỏ. Nhận xét: 1. Hãng sử dụng rất nhiều tua bin h−ớng tâm kiểu ống cho vùng H = 3 ữ 12m và P = 9 ữ 80 kW (20 loại). Với mục đích tăng hiệu suất của tổ máy. Điều này cũng cho thấy phạm vi làm việc rất hẹp của tua bin h−ớng tâm kiểu propeller. Trong khi đó, để đáp ứng phạm vi làm việc với H = 7 ữ 32 m và P = 13 ữ 132 kW chỉ lần 4 loại tua bin xung kích hai lần (CA030, CS 200, CD 140, CD 260). 2. Gam thủy điện của EBARA có sử dụng một số loại bơm ly tâm (một hoặc hai cấp) thay thế vì thế mạnh của hãng là sản xuất bơm. Tuy vậy đặc tính năng l−ợng của các loại tua bin này thấp nên khả năng cạnh tranh kém. 2.1.5. Gam thủy điện nhỏ của h∙ng MEIDEN (Nhật). Hãng MEIDEN chuyên sản xuất thiết bị cho trạm thủy điện nhỏ có công suất ≤ 1000 kW. Để đáp ứng cho phạm vi làm việc: Q = 0,02 ữ 8 m3/s H = 5 ữ 200 m P = 10 ữ 2000 kW Hãng chỉ sử dụng tua bin xung kích hai lần kiểu Ossberger hai mũi phun. Máy phát đ−ợc nối với tua bin bằng bộ truyền bánh răng hoặc truyền động trực tiếp hoặc bằng bộ điều tốc kiểu điện - điện tử và điều tốc tải giả. Phạm vi làm việc của tổ máy nh− hình 4 sau: Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 12 Hình 4. Phạm vi làm việc của tua bin xung kích 2 lần của MEIDEN Nhận xét: 1. Đặc điểm nổi bật là MEIDEN sử dụng tua bin xung kích hai lần cho toàn bộ gam thủy điện nhỏ và thủy điện cực nhỏ. Với kết cấu chung là tua bin - bộ truyền - máy phát, bộ điều tốc điện tử - điện hoặc tải giả. Với ph−ơng thức trên hãng dễ dàng đầu t− công nghệ để nâng cao chất l−ợng sản phẩm. 2. Để bù lại sự giảm hiệu suất do bộ truyền hãng đã gam hoá bằng cách chia nhiều khung bề rộng bánh xe công tác B nhằm làm cho tua bin luôn làm việc ở vùng có hiệu suất cao. 2.1.6. Gam thủy điện nhỏ và cực nhỏ của Ossberger. Hãng Ossberger do Ossberger (Đức) sáng lập, đồng thời ông cũng là ng−ời phát minh ra loại tua bin xung kích hai lần Ossberger nổi tiếng đ−ợc sử dụng rộng rãi trên thế giới. Cho tới nay hàng đã đ−ợc xuất và bán ra đ−ợc nhiều tổ máy và sử dụng ở nhiều n−ớc. Gam thủy điện nhỏ của Ossberger gồm hai loại tua bin: tua bin h−ớng tâm kiểu S và tua bin xung kích hai lần. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 13 2.1.7. Gam thủy điện nhỏ và cực nhỏ của h∙ng Cink. Mặc dù nguyên lý tua bin xung kích hai lần có cánh h−ớng cung tròn đã đ−ợc nêu ra từ lâu nh−ng mãi tới năm 1993 Cink (một kỹ s− ng−ời Czech) mới áp dụng vào thực tế. Chỉ một thời gian ngắn tua bin Cink đã phát triển mạnh do những −u điểm nh−: - Vùng hiệu suất cao rất rộng từ Q0 = 15 ữ 100% - Hiệu suất đỉnh cao ηmax = 89% - Có khả năng sử dụng hiệu quả cột áp sau bánh xe công tác với Hs = 2 ữ 4m - Tổ máy rất gọn nhẹ - Có khả năng sử dụng cả ở vùng cột áp thấp H = 1 ữ 2m Do vậy, đã đ−ợc một số hãng trên thế giới phát triển tua bin xung kích hai lần theo h−ớng này (nh− IREM, Italy, GILKES, Anh). Phạm vi làm việc của tua bin Cink đ−ợc công bố: H = 1,5 ữ 200 m Q = 0,01 ữ 5m3/s P = 1 KW ữ 5000 kW Phạm vi sử dụng và đồ thị hiệu suất - l−u l−ợng nh− ở các hình 5 sau a) Phạm vi sử dụng b) Quan hệ hiệu suất với l−u l−ợng Hình 5: Phạm vi sử dụng và quan hệ hiệu suất - l−u l−ợng của tua bin Cink Hãng Cink còn giới thiệu các loại tua bin xung kích hai lần cột n−ớc thấp, sử dụng chủ yếu là cột áp hút, và các loại tổ máy thủy điện “đóng gói” trong container Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 14 2.1.8. Gam thủy điện cực nhỏ của IREM, Italy. Hãng IREM giới thiệu một gam thủy điện cực nhỏ với các loại tua bin có kết cấu khá đặc biệt gồm: - Tua bin xung kích hai lần kiểu Cink: H = 5 ữ 60 m P = 1 ữ 80 kW - Tua bin gáo có buồng dẫn n−ớc đặc biệt kiểu buồng xoắn mặt cắt vuông. H = 10 ữ 180 m P = 0,05 ữ 80 kW Với bộ điều tốc tải giả đ−ợc tiêu chuẩn hóa theo cấp công suất khác nhau. Nhận xét: 1. Gam thủy điện cực nhỏ của IREM rất đáng chú ý chỉ gồm 5 loại tua bin gáo và 4 loại tua bin xung kích hai lần cho vùng làm việc của hầu hết các trạm thủy điện cực nhỏ có cột n−ớc tới 180 m. 2. Hãng đ−a ra hai loại tua bin gồm tua bin xung kích hai lần kiểu Cink và tua bin gáo đặc biệt với nhiều vòi phun khiến cho tổ máy có phạm vi làm việc rất rộng. 3. Với ph−ơng pháp gam hóa nh− vậy, hãng đã giảm chi phí rất lớn cho nghiên cứu, thiết kế và chế tạo, dễ đầu t− nâng cao chất l−ợng tổ máy. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 15 2.1.10. Nhận xét chung. 1. Nhìn chung gam thủy điện cực nhỏ của thế giới đều sử dụng hai loại tua bin cơ bản là tua bin h−ớng tâm và xung kích hai lần: - Tua bin h−ớng tâm đ−ợc sử dụng cho vùng cột n−ớc thấp (H ≤ 10 m) với −u điểm là tỷ tốc cao và khả năng sử dụng cột n−ớc HS. Hãng Cink đ−a ra loại tua bin xung kích hai lần cột n−ớc thấp có khả năng sử dụng cột n−ớc HS là một vấn đề mới, nếu đạt đ−ợc các thông số nh− thông tin của hãng thì đây là loại tua bin có khả năng cạnh tranh cao với tua bin h−ớng tâm. - Tua bin xung kích hai lần đ−ợc sử dụng cho vùng có H = 5 ữ 100 m. Một số hãng mở rộng cho vùng có H ≤ 200m. Đây là loại tua bin đ−ợc sử dụng rất rộng rãi cho thủy điện cực nhỏ và thủy điện nhỏ vì dễ chế tạo, độ bền cao, khung làm việc rộng. 2. Tua bin gáo đ−ợc sử dụng cho vùng có cột n−ớc cao. Hãng IREM đ−a ra loại kết cấu tua bin gáo khá đặc biệt và có khả năng áp dụng cho thủy điện nhỏ. 3. Tua bin tâm trục ít đ−ợc sử dụng cho thủy điện cực nhỏ. Thông th−ờng các hãng có sử dụng với P ≥ 50 kW ở một số vùng hẹp cho thủy điện cực nhỏ. 4. Tua bin tia nghiêng đ−ợc sử dụng cho một số vùng cho thủy điện cực nhỏ, đặc biệt là vùng có công suất thấp (P ≤ 20 kW) và vùng giữa của tua bin gáo và tua bin tia nghiêng. 5. Bộ điều tốc cho thủy điện cực nhỏ chủ yếu là bộ điều tốc tải giả. Với vùng có công suất có thể sử dụng bộ điều tốc điện - điện tử. Từ xu h−ớng chung của thế giới, có thể xây dựng h−ớng cơ bản của thủy điện cực nhỏ ở Việt Nam theo h−ớng chọn lọc những công nghệ tối −u nhất gồm: - Tua bin xung kích hai lần kiểu Cink - Tua bin h−ớng trục buồng hở và buồng chữ S - Bộ điều tốc tải giả và điện tử - điện - Tua bin tia nghiêng và tâm trục cho một số vùng hẹp 2.2. Nghiên cứu và chế tạo thiết bị thủy điện ở Việt Nam. Chế tạo thiết bị cho thủy điện nhỏ ở Việt Nam có thể chia làm 3 giai đoạn: 2.2.1. Giai đoạn 1954 ữ 1975. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 16 Sau ngày hoà bình lập lại ở miền Bắc, ngành thủy điện đ−ợc quan tâm và phát triển mạnh, khoảng 300 trạm thủy điện nhỏ đã đ−ợc xây dựng trong giai đoạn này, trong đó số trạm có công suất P ≤ 50 kW chiếm 91% số l−ợng. Phần lớn thiết bị nhập từ các n−ớc xã hội chủ nghĩa nh− Trung Quốc, Liên Xô, Bungari, Hungari, Tiệp Khắc. Về chủng loại: phần lớn là tua bin h−ớng trục và tâm trục. Trong giai đoạn này, một số nhà máy ở trung −ơng và địa ph−ơng đã sản xuất các loại thủy điện nhỏ có công suất P = 5 ữ 60 kW bao gồm: - Tua bin tâm trục theo mẫu PO300 φ 35, 42. - Tua bin h−ớng trục cánh bằng gỗ, bằng thép tấm gò, hàn. - Tua bin xung kích hai lần có kết cấu đơn giản. Do nguồn thiết bị đ−ợc viện trợ khá nhiều và phân công hợp tác trong khối SEV nên ở Việt Nam không phát triển ngành chế tạo thiết bị thủy điện nhỏ. 2.2.2. Giai đoạn 1975 ữ 1990. Sau khi miền Nam hoàn toàn giải phóng, do nhu cầu phát triển kinh tế, ta đã lập kế hoạch phát triển hàng loạt trạm thủy điện nhỏ ở cả hai miền Nam, Bắc. Năm 1976, dự án phát triển thủy điện Kẻ Gỗ đ−ợc Bộ Thủy lợi (cũ) xây dựng bao gồm: thiết kế, chế tạo tổ máy tua bin h−ớng tâm buồng kín, trục đứng với cột n−ớc H = 14 ữ 20m, công suất P = 1000 kW. Bộ Thủy lợi đã cử một nhóm chuyên gia sang học tập và nghiên cứu tại Liên Xô. Một bộ thiết kế t−ơng đối hoàn chỉnh ra đời, đánh dấu b−ớc phát triển đầu tiên trên quy mô lớn của ngành chế tạo thiết bị thủy điện. Song song với công tác thiết kế, phòng thí nghiệm tua bin kín và hở đã đ−ợc nghiên cứu và xây dựng tại Viện Khoa học Thủy lợi, mô hình tua bin h−ớng tâm theo mẫu ΠΛ 30/587, D1 = 25 cm đã đ−ợc chế tạo. Năm 1980, ch−ơng trình nghiên cứu thủy điện 06 - 02 đ−ợc thiết lập, trong đó có trên 50 đề tài về thủy điện. Tuy nhiên sau đó, do sự phân cấp giữa hai ngành thủy lợi và điện lực, các công việc trên đã không đ−ợc thúc đẩy. Trong khi đó, do nhu cầu của sản xuất, các nhà máy, viện nghiên cứu, tr−ờng đại học đã đẩy mạnh chế tạo thiết bị thủy điện nh− Nhà máy Công cụ số 1, Công ty thiết bị điện Đông Anh, Viện Khoa học Thủy lợi, Tr−ờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Đà Nẵng, Nhà máy Cơ khí Thủy lợi, Nhà máy cơ khí 276 (Tp Hồ Chí Minh), Viện Nghiên cứu máy … Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 17 Kết quả là trong vòng 10 năm, trên 100 tổ máy thủy điện có công suất từ 5 ữ 2100 kW đã đ−ợc chế tạo, lắp đặt. Có thể đánh giá đây là giai đoạn rất quan trọng trong quá trình phát triển ngành chế tạo thiết bị thủy điện. Tuy nhiên, trong giai đoạn này có những thành công và thất bại. Trong vòng khoảng 10 năm ta đã chế tạo và lắp đặt hàng trăm trạm thủy điện nhỏ, đóng góp không nhỏ vào công cuộc phát triển kinh tế, xã hội của nhiều vùng thuộc miền núi phía Bắc, miền Trung và Tây Nguyên, góp phần tiết kiệm ngoại tệ cho đất n−ớc, đặc biệt trạm thủy điện Phú Ninh với công suất 2 x 1000 kW có các thiết bị nh− tua bin, điều tốc, thiết bị phụ khác đ−ợc chế tạo trong n−ớc đ−ợc đ−a vào lắp đặt và vận hành ổn định. Các trạm thủy điện có công suất lớn nh− Eadrang II, Duy Xuyên và hàng trăm trạm thủy điện khác chứng tỏ khả năng sản xuất thiết bị thủy điện trong n−ớc. Điều này đặc biệt có ý nghĩa nên so sánh năng lực nghiên cứu và sản xuất thiết bị thủy điện của ta với nhiều n−ớc khác trong khu vực và trên thế giới. Trong quá trình phát triển nh− vậy đã đào tạo và tr−ởng thành đội ngũ cán bộ nghiên cứu, chế tạo, công nhân chế tạo, lắp ráp thiết bị thủy điện. Tuy vậy bên cạnh đó cũng bộc lộ nhiều yếu kém: - Theo thống kê sơ bộ có trên 10 công trình do sự h− hỏng thiết bị đã không vận hành đ−ợc nh− trạm thủy điện Sông Vố (Bình Định) công suất 200 kW, trạm thủy điện Sông Mực (Thanh Hoá) công suất 2000 kW, trạm thủy điện Nậm Mạ (Hà Giang) công suất 3000 kW. Hàng chục tổ máy nhỏ của các nhà máy sản xuất không sử dụng đ−ợc. - Rất nhiều tổ máy khi đ−a vào vận hành bộc lộ nhiều yếu kém nh− hiệu suất thấp, hay bị h− hỏng. - Nhiều tổ máy lắp đặt không phù hợp với điều kiện làm việc, gây tốn kém. Ví dụ nh− có trạm thủy điện sử dụng tua bin F 10/50 cho trạm thủy điện có công suất H = 27m, phát công suất 30 kW, F 30/50 cho trạm thủy điện có H = 5m, phát công suất 40 kW, … nhiều tổ máy của ta có kích th−ớc to hơn rất nhiều tổ máy cùng loại nhập từ n−ớc ngoài. - Ngay trong công tác khảo sát, thiết kế, sơ đồ hệ thống bảo vệ tổ máy … đều không có chỉ dẫn đầy đủ dẫn tới các trạm thủy điện của ta làm việc kém hiệu quả. Những yếu kém trên đòi hỏi phải có một quá trình nghiên cứu tổng kết, vạch ra b−ớc đi thích hợp để thúc đẩy nghành chế tạo thiết bị thủy điện phát triển. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 18 Bảng 5. Hiện trạng thiết bị thủy điện một số trạm thủy điện. TT Tên công trình Số tổ máy Tên thiết bị Công suất Cột n−ớc Điều tốc Đặc điểm 1 Phú Ninh 2 4K-69 1000 8ữ13,6 - Tua bin h−ớng trục, cánh quay theo mùa D1= 123 cm, theo mẫu 4K-64. Buồng xoắn kim loại, trục đúng. Điều tốc cơ khí- thuỷ lực. Làm việc ổn định 2 Sông mực 2 ∏Λ 30/587 1000 14ữ18 - Tua - bin h−ớng trục, cánh quay theo mùa, buống xoắn kim loại, trục đứng. Máy phát tự chế, điều tốc ĐT 1500 kiểu điện tẻ – thuỷ lực. Không làm việc đ−ợc - đã thanh lý 3 Đồng Lê - Nh− trên, ch−a lắp đặt 4 CCq1-DK-25 40 Theo mẫu GANZ (Hunggari) 16ữ20 8ữ17 - Tổ máy h−ớng trục, buồng xoắm trục đứng, có cơ cấu thùng chụp, điều tốc tự động kiểu quả văng. Chất l−ợng chế tạo tốt, nh−ng điều tốc không ổn định. 5 Tua – bin Francis Quỳ Tam, Bình Điền, Đồng Lê 5 F30/50 40ữ200 4ữ18 ĐT-700 - Tua-bin tâm trục, trục ngang buồng xoắn kim loại, sử dụng ổ ba bít - Cánh chế tạo theo công nghệ rèn dập hàn - Chất l−ợng tốt, hệ thống tự động hoá không ổn định 6 Việt Lâm 5 F10/50 400 92 ĐT75 - Tua bin tâm trục, buồng xoắn gang đúc, trục ngang, sử dụng mẫu cánh F10. Kết cấu ổ ch−a tốt hay bị hỏng 7 Nậm Má 2 F10/90 1500 120 DT 1000 - Tua bin tâm trục ngang, sử dụng mẫu cánh F10, D1=90 Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 19 cm, cánh đúc liền - Tổ máy bị xâm thực, gây nổ mạnh, không hoạt động đ−ợc, phải thay bằng thiết bị của Trung Quốc 8 Tua bin gáo Bạch Mã, Trà Bồng, A L−ới 6 P26 135ữ200 80ữ120 DT75 - Tua-bin tâm trục ngang, cánh bằng thép hợp kim, hàn với thân. -Tổ máy làm việc ổn định - Do sử dụng máy phát vòng quay thấp nên kích th−ớc lớn so với thiết bị nhập cùng loại 9 Thác Bay 2 P13 400 2400 DT75 Nh− trên, dùng cánh Ns=13 10 Thông Gót, Bản Hoàng F30/50 F10/50 100 ữ250 10ữ25 Tổ máy tâm trục, trục ngang, sử dụng mẫu cánh F30 11 Duy Sơn 2 G06- 66/1x7,0 Tua bin gáo 2 vòi phun 12 Khe Sanh Tua - bin h−ớng trục Tua bin tâm trục, bánh xe công tác kiểu F13, D1 = 42 cm 13 Sông Ba 14 Một số tổ máy buồng hở 15 Nhóm tua - bin XK 2L 16 F13/84 2100 Tua bin tâm trục kiểu F13, D1 = 84 cm Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 20 Bảng 6. Công trình đ−ợc lắp đặt thiết bị thuỷ điện đ−ợc sản xuất tại Đại học Bách Khoa Hà Nội. TT Tên công trình Tên thiết bị Số l−ợng Công suất Cột n−ớc Đặc điểm 1 Thông Gót, Bản Hoàng 4K84 2 200 6 ữ12 Tua – bin h−ớng trục, buồng hở, trục ngang 2 Khe Song (Quảng Ninh) 10 5 ữ20 2ữ10 3 Các loại tua bin ống Po 82 2 200 20 Tua bin tâm trục, buồng xoắn kim loại trục ngang, bánh xe công tác kiểu PO82 4 Iakren 5 Phục hồi các tổ máy của trạm thuỷ điện Suối Vàng 6 Các tổ máy Micro Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 21 Bảng 7 TT Tên công trình Tên thiết bị Số l−ợng Công suất Cột n−ớc Đặc điểm Tua bin h−ớng trục 1 Tua bin hở D1 = 40ữ120 m K70 20ữ150 2ữ6 Sử dụng Bánh công tác kiểu K70, buồng hở, trục đứng Tua bin tâm trục 2 Ialop P0300 4 20ữ100 10ữ25 3 Di làng, Than Uyên, Minh Xuân, Khe Viễn, Kiện Thành F13 20ữ100 Sử dụng bánh công tác mẫu F13. Tua bin buồng xoắn, trục ngang 4 Phụ hồi một số tổ máy thuỷ luân của Trung Quốc K70 20ữ40 2ữ5 Sử dụng các tua bin XK 2L kiểu Ossberger 5 Nhóm xung kích 2 lần 6 Chế tạo điều tốc DT180 Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 22 Bảng 8. Công trình lắp đặt thiết bị thủy điện tại Viện Khoa học Thuỷ lợi TT Tên công trình Tên thiết bị Số l−ợng Công suất Cột n−ớc Đặc điểm Tua bin h−ờng trục 1 Phụ hồi một số tổ máy thuỷ luân của Trung Quốc 2 Tổ máy Tân Lập 4K-84 3 70ữ100 4ữ8 Tua bin h−ớng trục buồng hở, trục đứng 3 Nậm Công K20/661 2 135ữ200 9ữ12 Tua bin h−ớng trục ngang, Bánh công tác mẫu ΠΛ20/661 4 Các tổ máy nhỏ khác Th−ờng đ−ợc sử dụng mẫu 4K-84 Tua bin tâm trục 1 E30, Biển Hồ, Sông Vố F30/5; F30/42 10 60ữ125 10ữ25 Nhóm tua bin tâm trục, trục ngang, sử dụng BCT F30 2 F10/50, F10/60 Đắc Lắc, Bắc Cạn F10/50,60 4 125ữ200 25ữ40 Nhóm tua bin tâm trục, trục ngang sử dụng BCT F10 3 EaH’leo F13/50 135 4 Tà Sa Po82 5 Xuân Minh (Hoà Bình) G13 1 40 kW 240 Tua bin gáo, trục ngang, 1 vòi phun 6 Nhóm Tua bin xung kích 2 lần Tua bin XK 2L D1=25ữ50 kiểu Ossberger vòi phun kép 7 Điều tốc điện tử – thuỷ lực. Điều tốc giả Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 23 2.2.3. Giai đoạn 1990 ữ 2000. Giai đoạn này, ngành chế tạo thiết bị thủy điện phát triển chậm lại do những lý do cơ bản sau: - Trạm thủy điện Hoà Bình đã đ−a toàn bộ số tổ máy vào làm việc, nhiều công trình điện lớn đ−ợc xây dựng nh− Trị An, Thác Mơ, Vĩnh Sơn …. Hệ thống l−ới điện phát triển. - Sau một số thất bại của ngành thủy điện nhỏ, về cả công trình và thiết bị, nhiều địa ph−ơng ngại đầu t− thủy điện nhỏ. - Sau khi bình th−ờng hóa quan hệ Việt Nam - Trung Quốc, thiết bị thủy điện đ−ợc nhập khẩu dễ dàng từ Trung Quốc. Tuy vậy, do nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội khu vực vùng sâu, vùng xa, giai đoạn này các trạm thủy điện có công suất P = 10 ữ 500 kW đ−ợc phát triển ổn định, thủy điện pico (công suất từ 200 ữ 1000W) cũng phát triển rất mạnh. Dự kiến giai đoạn sau năm 2000: Từ năm 1998, do nhu cầu nguồn điện tăng nhanh, chính sách phát triển năng l−ợng tái tạo, năng l−ợng mới có quy mô toàn cầu đã đ−ợc tác động mạnh mẽ tới việc phát triển thủy điện nhỏ ở n−ớc ta, hàng loạt trạm thủy điện nhỏ đang đ−ợc đầu t−, đồng thời các tổ chức quốc tế nh− WB, UNDP cũng đang phối hợp với Chính phủ Việt Nam xây dựng chính sách phát triển thủy điện nhỏ, cho thấy trong giai đoạn tới, thủy điện nhỏ sẽ đ−ợc phát triển mạnh. Điều đó đòi hỏi nhanh chóng xây dựng tiềm lực khoa học - công nghệ thủy điện nhỏ để phục vụ nhu cầu của đất n−ớc. 2.2.4. Tổng hợp, phân tích kết quả nghiên cứu, sản xuất thiết bị thủy điện nhỏ ở Việt Nam. Các cơ sở sản xuất trong n−ớc đã sử dụng các loại bánh xe công tác thuộc hai nhóm: - Nhóm tỷ tốc cao nh− K70, 4K - 84, ΠΛ 10/592 - Nhóm tỷ tốc trung bình: 4K - 69, ΠΛ 20/661; ΠΛ 30/587 Về kết cấu: - Sử dụng loại kết cấu buồng hở trục đứng cho vùng cột n−ớc H ≤ 5m. Kết cấu buồng hở trục ngang cho vùng H ≤ 8m (nh− trạm thủy điện Khe Soong, Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 24 Quảng Bình có công suất 400KW) - Kết cấu buồng xoắn kim loại trục đứng cho cột n−ớc H = 8 - 20 m ở hàng loạt các trạm thủy điện nh− tổ máy CCQ - DK - 25, trạm thủy điện Phú Ninh, Sông Mực, Nậm Công … với đ−ờng kính bánh xe công tác D1 = 25 -132cm. - Trong vòng 10 năm trở lại đây, một số tua bin h−ớng trục dòng thẳng đã đ−ợc chế tạo tại Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Khoa học Thủy lợi, Công ty Thiết bị Điện Đông Anh … với D1 = 20 - 80 cm - Các loại thiết bị thủy điện kết cấu mới nh− loại Kapsun, loại buồng xi phông ch−a đ−ợc chế tạo ở Việt Nam. 2.2.5. Kết luận. 1. Ngành thủy điện nhỏ của Việt Nam có lịch sử trên 70 năm và phát triển mạnh từ sau ngày hoà bình lập lại ở miền Bắc năm 1954. So với nhiều n−ớc khu vực, n−ớc ta có trình độ thủy điện khá cao. 2. Việt Nam cũng đã đạt đ−ợc nhiều thành tích trong nghiên cứu và chế tạo thiết bị thủy điện với hàng trăm tổ máy có công suất từ nhỏ tới hơn 2000 kW với nhiều chủng loại kết cấu khác nhau. 3. Việc phát triển thủy điện nhỏ có ý nghĩa quan trọng, góp phần đẩy nhanh phát triển kinh tế, xã hội khu vực miền núi, vùng sâu, vùng xa. Sản xuất thiết bị thủy điện đã góp phần tiết kiệm ngoại tệ cho đất n−ớc. 4. Thông qua nghiên cứu và sản xuất đã đào tạo đ−ợc đội ngũ cán bộ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, lắp ráp và quản lý vận hành thủy điện nhỏ. 5. Tuy vậy do phát triển nhiều khi còn mang nặng phong trào, việc đầu t− ch−a đầy đủ cho công tác nghiên cứu nên chúng ta cũng gặp phải nhiều thất bại: 5.1. Nhiều trạm thủy điện trong đó có những trạm công suất tới 3000 kW không vận hành đ−ợc. Phải thanh lý hàng chục tổ máy với tổng công suất tới hơn 7000 kW, gây thiệt hại đáng kể cho nền kinh tế. 5.2. Phần lớn các tổ máy ch−a đủ điều kiện đánh giá về hiệu suất có thể thấy ở nhiều trạm có hiệu suất thấp. 5.3. Nhiều tổ máy hay bị h− hỏng Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 25 Qua đánh giá h− hỏng của trạm thủy điện trong thời gian qua, tổng số tạm còn hoạt động là 331/543 trạm. Số h− hỏng chiếm gần 38%, số còn lại phát huy hiệu quả 50 - 85% công suất thiết kế. Nguyên nhân h− hỏng có thể kể tới gồm: + Công tác thiết kế công trình th−ờng thiên lớn trong khi trạm làm việc độc lập mùa khô hiệu quả phát điện thấp. + Phần lớn công trình h− hỏng là loại công suất thấp (chiếm tới 95%) P ≤ 40 kW, đầu t− ban đầu không đầy đủ, phần công trình thủy công bị h− hỏng rất nhiều. + Trải qua hai cuộc chiến tranh, nhiều công trình bị phá hoại, hoặc không có phụ tùng thay thế. + Quản lý kém, ch−a có cơ chế, chính sách hợp lý. 5.4. Về chế tạo và cung cấp thiết bị cũng có những hạn chế nh− sau: - Nguồn tài liệu cơ bản nh− bản vẽ cánh, đ−ờng đặc tính thu nhận từ nhiều nguồn, không đánh giá đ−ợc chất l−ợng. Do vậy khó khẳng định chất l−ợng thiết bị. - Nhiều bánh xe công tác với Ns khác nhau đang sử dụng ở Việt Nam có chất l−ợng năng l−ợng và xâm thực ch−a cao, kém hơn các loại cùng loại của thế giới. Điều này có thể làm cho sản phẩm của Việt Nam sản xuất không đủ tiêu chuẩn để đấu thầu thiết bị. - Công nghệ chế tạo ch−a đạt độ chính xác cao, vật liệu sử dụng có chất l−ợng thấp. - Công nghệ tính toán, thiết kế đơn giản, l−ợng d− của ổ trục, phần dẫn dòng đều lớn. - Các thiết bị cho bảo vệ và tự động hoá hoặc không có hoặc rất lạc hậu nên tổ máy dễ bị h− hỏng. Từ nhiều nguyên nhân đó cho thấy cần phải có kế hoạch để nghiên cứu về thiết bị thủy điện nhỏ. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 26 Ch−ơng III. Cơ sở khoa học và ph−ơng pháp chung phân loại tua bin n−ớc 3.1. Mở đầu. Trong lịch sử phát triển ngành thủy điện có nhiều ph−ơng pháp phân loại tua bin n−ớc. Cho tới nay tồn tại hai ph−ơng pháp phân loại chính: - Phân loại theo cột n−ớc - Phân loại theo hệ số tỷ tốc Ns Cả hai cách phân loại này đều thể hiện đặc tính xâm thực, khả năng thoát, khả năng quay nhanh của tua bin. ở các tổ máy lớn, việc phân loại theo cột n−ớc (nh− gam thủy lực cỡ lớn của Liên Xô) là hợp lý vì ở quy mô này không có hiện t−ợng trùng lặp các vùng làm việc của các loại tua bin khác nhau. Nh−ng ở trạm thủy điện nhỏ, việc phân loại theo cột n−ớc sẽ gặp khó khăn trong việc lựa chọn và phân loại thiết bị. Ví dụ nh− tua bin xung kích hai lần có Ns = 750 ữ 800 hoặc vùng của tua bin tâm trục có Ns = 300. Việc phân loại theo Ns sẽ làm tăng thêm tính linh hoạt cho việc lựa chọn thiết bị thủy điện nhỏ. 3.2. Hệ số tỷ tốc Ns. Thông th−ờng các thông số cơ bản cho tr−ớc khi thiết kế hoặc lựa chọn tổ máy cho trạm thủy điện bao gồm: công suất (KW), cột n−ớc (m), số vòng quay (v/ph). Trong ngành chế tạo thiết bị để biểu thị các đặc tr−ng tổng hợp theo 3 thông số kể trên, ng−ời ta dùng một đại l−ợng tổng hợp gọi là hệ số tỷ tốc Ns. Hệ số tỷ tốc Ns đ−ợc định nghĩa là số vòng quay của một tua bin có đ−ờng kính bánh xe công tác D1 = 1m làm việc với cột n−ớc H = 1m và phát ra công suất 1 kW (theo định nghĩa cũ là 1 mã lực) 4 HH HnN S = (3.1) Tính theo thông số quy dẫn: 1113,3 2 11.81,94 1 1 QHHDQ HHD Hn SN ηηη == (3.2) (Theo định nghĩa cũ NsNsQnNs 86,065,3 1 ' 1 == η Phân loại tua bin theo Ns nh− bảng sau: Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 27 Bảng 9. Phân loại tua bin theo tỷ tốc Ns ST T Loại tua bin Tỷ tốc thấp Tỷ tốc trung bình Tỷ tốc cao 1 Tua bin h−ớng trục 270 ữ500 500 ữ 700 750 ữ 1000 2 Tua bin tâm trục 60 ữ 150 150 ữ 220 220 ữ 350 3 Tua bin xung kích hai lần 42 ữ 80 80 ữ 120 120 ữ 170 4 Tua bin gáo 8/19 14/35 22/60 5 Tuabin tia nghiêng 20 40 70 (Chú ý: ở đây Ns tính theo định nghĩa cũ) Ns = 0,86 ηs (3.3) 3.3. Sự cần thiết tiêu chuẩn hóa loại tua bin. Điều kiện làm việc của trạm thủy điện rất khác nhau. Với trị số l−u l−ợng, cột n−ớc, công suất từ cực nhỏ đến cực lớn. Ngay ở trạm thủy điện có cùng các thông số cơ bản nh− nêu trên thì việc lựa chọn thiết bị cũng bị chi phối bởi nhiều yếu tố khác nh− tính chất của phụ tải, chế độ của dòng chảy (sự thay đổi độ cao hút, cột n−ớc, l−u l−ợng …) do đó để thoả mãn các điều kiện đặt ra của trạm thủy điện thì số l−ợng, chủng loại thiết bị cũng rất lớn. Việc tiêu chuẩn hóa nhằm hai mục tiêu: - Lựa chọn đ−ợc những chủng loại thích hợp, những chủng loại thiết bị này đ−ợc lựa chọn gắn liền với tự nhiên, trình độ công nghệ, đặc điểm nền kinh tế của từng n−ớc. - Đ−a ra một số l−ợng ít nhất nh−ng có thể đáp ứng các yêu cầu của thực tiễn đặt ra. ở n−ớc ta việc tiêu chuẩn hóa thiết bị thủy điện giúp cho việc định h−ớng nghiên cứu và sản xuất có hiệu quả nhất, giúp cho việc nhập khẩu thiết bị cũng nh− nhập khẩu công nghệ thích hợp. Hơn nữa trong giai đoạn tới, việc hội nhập với nền kinh tế thế giới nếu không xây dựng hệ tiêu chuẩn, đăng ký, kiểm tra chất l−ợng theo hệ thống tiêu chuẩn quốc tế, chúng ta sẽ không thể đ−a thiết bị thủy điện do ta sản xuất để bán, ngay cả với thị tr−ờng trong n−ớc. - Trong phần này chỉ đề cập đến một phần các mục tiêu trên. 3.4. Những chỉ tiêu cơ bản đặt ra trong phân loại tua bin. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 28 3.4.1. Tua bin phản kích. - Tua bin phản kích + Tua bin h−ớng trục cánh cố định và cánh quay + Tua bin tâm trục Tua bin h−ớng chéo chỉ sử dụng cho thủy điện nhỏ trung bình và lớn - Các yếu tố khác cần phải kể đến trong ký hiệu tua bin + H−ớng của trục: trục đứng, trục ngang và trục xiên + Kiểu buồng: buồng hở có áp, buồng hở không áp, buồng kiểu ống, buồng kiểu xi phông, buồng xoắn bê tông, buồng xoắn kim loại. Với tua bin phản kích, hệ thống ký hiệu nh− sau: Hình 6. Qui cách và ký hiệu TBPK 3.4.2. Tua bin xung kích. Tua bin xung kích cho thủy điện bao gồm: - Tua bin gáo - Tua bin tia nghiêng - Tua bin xung kích hai lần Khác với tua bin phản kích, trong tua bin xung kích việc phân chia theo Ns chỉ mang ý nghĩa t−ợng tr−ng, có hai cách để tiêu chuẩn hoá tua bin xung kích: ph−ơng pháp t−ơng tự tỷ tốc cố định và ph−ơng pháp tỷ tốc biến đổi. Với mỗi tỷ số ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ 0 1 d D khác nhau, sẽ có loại tua bin với Ns khác nhau. Nếu ký hiệu 1 TBPK có một chỉ tiêu Ns nhất định, cùng một đ−ờng đặc tính thì khi tính t−ơng Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 29 tự tỷ tốc nh− mới tua bin phản kích khi chỉ số ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ 0 1 d D không đổi nh−ng khi ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ 0 1 d D khác thì cần phải tính toán hàng loạt thông số. Trong phân loại tua bin xung kích ngoài các chỉ tiêu đã nêu trong mục (3.4.2) cần phải đ−a vào các thông số: - Số vòi phun - Đ−ờng kính vòi phun Ký hiệu gam tua bin xung kích Hình 7. Quy cách ký hiệu tua bin xung kích 3.5. Ph−ơng pháp phân loại tua bin theo Ns: Giả thiết trong gam thủy điện nhỏ có hai lọai bánh xe công tác có trị số Ns gần nhau là Ns (n+1) và Nsn. Nếu tỷ số ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ + s s n nn )1( nhỏ xấp xỉ bằng 1thì số l−ợng tua bin cần nghiên cứu sẽ rất lớn. Ng−ợc lại ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ + s s n nn )1( lớn thì việc lựa chọn loại tua bin sẽ không đáp ứng đ−ợc các điều kiện sản xuất đặt ra. Việc phân loại theo Ns nh− thế nào cho hợp lý là một quá trình nghiên cứu, sản xuất và tổng kết rất lâu dài. ở đây trình bày việc xác định Ns hợp lý nhất. Việc phân chia gam thủy điện theo Ns đạt đ−ợc khi với một số trạm thủy điện bất kỳ ta đều chọn đ−ợc tổ máy: - Bảo đảm công suất - Có hiệu suất cao Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 30 - Có chỉ tiêu xâm thực hợp lý 3.5.1. Phân loại Ns theo chỉ tiêu về hiệu suất thủy lực. Phân loại tua bin theo Ns dựa vào chỉ tiêu hiệu suất thủy lực đ−ợc làm nh− sau: với mỗi yêu cầu bất kỳ thực tế đặt ra nh− cột n−ớc, l−u l−ợng, vòng quay, ta đều lựa chọn đ−ợc loại bánh xe công tác thích hợp mà hiệu suất làm việc của nó giảm không quá một l−ợng ∆η cho tr−ớc. Trị số ∆η này với mỗi n−ớc cho khác nhau. Bảng 10 cho trị số ∆η trong gam thủy điện nhỏ của Liên Xô [ ]1 . Bảng 10. Trị số ∆η theo quy mô thủy điện nhỏ Loại tua bin Thủy điện nhỏ Thủy điện trung bình Thủy điện lớn ∆η% 6 - 7 3 - 4 1 - 1,5 Dựa vào điều kiện nêu trên, qua phân tích hàng loạt tua bin đã nghiên cứu và sản xuất quy phạm thủy điện của Liên Xô đã đ−a ra dãy Ns nh− sau với: Ns (n+1) = 1,4 Ns(n) - 18 (3-4) Bảng 11. Dãy tua bin cỡ lớn của Liên Xô, phân loại theo chỉ tiêu hiệu suất STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ns 80 95 115 145 190 200 330 400 630 875 Bảng 12. Tua bin cỡ nhỏ của Liên Xô, phân loại theo chỉ tiêu hiệu suất TT 1 2 3 Ns 130 200 300 3.5.2. Phân loại Ns của tua bin phản kích theo điều kiện xâm thực. Khi lựa chọn tua bin phản kích cho trạm thủy điện một điều kiện rất quan trọng là tổ máy làm việc trong điều kiện không bị xâm thực với cao trình đặt máy hợp lý. Thực nghiệm và lý thuyết cho thấy quan hệ giữa hệ số xâm thực của tổ máy σ và tỷ tốc Ns có quan hệ nh− sau [ ]1 - Với TBTT, 2 100 0319,0 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= snσ (3.5) Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 31 - Với TBHT, 3 100638 128,0 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛+= snσ (3.6) ở trạng thái giới hạn khi bắt đầu xảy ra hiện t−ợng xâm thực, ta có σ = σCT (hệ số khí thuộc công trình) từ (3.5), (3.6) ta có: H HHHn bhsas −−=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ 2 100 0319,0 (3.7) H HHHn bhsas −−=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛+ 3 100638 128,0 (3.8) Trong đó: Ha: cột n−ớc t−ơng ứng áp suất khí quyển nơi đặt máy Hs: độ cao hút Hbh: cột n−ớc ứng với áp suất hơi bão hoà tại điểm lắp máy và nhiệt độ của n−ớc qua tổ máy. Điều kiện để xây dựng gam tua bin theo khả năng xâm thực nh− sau: gọi hai tua bin liên tiếp trong dãy có Ns(n+1) và Nsn. Với Ns(n+1) > Nsn ta luôn có σn > σ(n+1) Giả sử khi làm việc ở cột n−ớc H, độ cao hút Hs xác định theo σ(n+1) không xảy ra xâm thực. Khi tăng cột n−ớc H trị số Hs nhỏ đi tới một mức nào đó Hs < (Hs)min lúc đó phải chọn loại tua bin có Ns = Nsn. Nhờ đó có thể đặt tua bin ở độ cao (Hs)max. Thực tế cho thấy - Với tua bin tâm trục Hsmin = 0, Hsmax = 3m - Với tua bin h−ớng trục Hsmin = 1, Hsmax = 2m Thay vào công thức (3.7), (3.8) ta có: Với TBTT: H HHHn bhsas −−=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ min2 100 0319,0 (3.9) H HHHn bhsas −−=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ max2 100 0319,0 (3.10) Với TBHT: H HHHnn bhsas −−=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++ min 3 100 )1( 638 128,0 (3.11) Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 32 H HHHnn bhsas −−=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++ max 3 100 )1( 638 128,0 (3.12) Lấy Ha – Hbh ≈ 10 (m) ta có: Với TBTT: Ns(n+1) = 1,2 Nsn (3.13) Với TBHT: 3 3 100 38,170100)1( ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛+=+ nnnN ss (3.14) Sử dụng quan hệ trên xây dựng đ−ợc gam tua bin phản kích nh− sau: - Với tua bin tâm trục Bảng 13. Phân loại tua bin tâm trục theo Ns TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ns 80 96 115 138 165 188 215 258 300 - Với tua bin h−ớng trục Bảng 14. Phân loại tua bin h−ớng trục theo Ns TT 10 11 12 13 14 Ns 460 590 700 815 935 Tổ hợp cả hai điều kiện hiệu suất và xâm thực cho thấy nếu đã thoả mãn điều kiện xâm thực thì luôn v−ợt xa các yêu cầu về hiệu suất. Tham khảo hàng loạt gam tua bin phản kích của nhiều n−ớc (Liên Xô, Trung Quốc, Pháp, Nhật…) cho thấy gam lý thuyết tổng quát của tua bin phản kích có phạm vi: Ns = 60 - 1000 Trong đó: Tua bin tâm trục: Ns = 80 - 350 Tua bin h−ớng trục: Ns = 400 - 1000 Gồm 10 - 14 cấp tua bin tâm trục và 4 - 5 cấp tua bin h−ớng trục. 3.5.3. Kích th−ớc tiêu chuẩn của tua bin phản kích. Các kích th−ớc cơ bản của tua bin phản kích đều lấy trị số đ−ờng kính bánh xe công tác D1 làm chuẩn so sánh. Trong cùng kiểu tua bin việc phân cấp đ−ờng kính bánh xe công tác có ý nghĩa quan trọng, ảnh h−ởng đến hiệu suất làm Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 33 việc thực tế của tua bin. Chia nhiều cấp bánh xe công tác có lợi cho việc lựa chọn tua bin có hiệu suất cao nh−ng làm cho công tác thiết kế tăng khối l−ợng, đồng thời làm tăng giá thành thiết bị. Hơn nữa, vòng quay của máy cũng ảnh h−ởng tới việc lựa chọn đ−ờng kính D1, ng−ợc lại việc lựa chọn quá ít cấp D1 sẽ làm hạn chế việc lựa chọn thiết bị có hiệu suất cao đồng thời ở một số tổ máy, do chọn d− quá lớn công suất sẽ làm tăng giá thành của tổ máy hơn nữa vùng hiệu suất cao sẽ rất hẹp. Việc lựa chọn các cấp bánh xe công tác D1 đ−ợc dựa vào chỉ tiêu suy giảm hiệu suất: giả sử trong cùng điều kiện cột n−ớc làm việc để tổ máy phát ra đ−ợc công suất thiết kế ta chọn đ−ợc hai tổ máy có đ−ờng kính bánh xe công tác là D1n và D1(n+1) liền nhau. Đ−ờng đặc tính công suất nh− ở hình 8. η% 1 2 ∆η η 1 η1 Hình 8. Đ−ờng đặc tính công suất của hai tua bin có D1n và D1 (n+1) Trong phạm vi từ 50% đến 100% Ndm hiệu suất trung bình t−ơng ứng là ηn và ηn+1. Tỷ số ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ + n n D D 1 )1(1 lớn hay nhỏ sẽ ảnh h−ởng đến giá trị ∆η = ηn - ηn+1 theo gam thủy điện nhỏ của Liên Xô, %87 −=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡∆ nη η . [ ]1 Từ đó, xác định đ−ợc ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ + n )(n D D 1 11 =1,1 và tỷ số công suất 4,1)1( ≈⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ + n n P P Từ cơ sở trên, gam thủy điện nhỏ của Liên Xô, Trung Quốc đã lấy dải D1 nh− sau: Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 34 Bảng 15. Cấp đ−ờng kính bánh xe công tác D1 của tua bin tâm trục STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 D1 (cm) 30 35 42 50 59 71 84 100 120 140 160 - Với tua bin h−ớng tâm do có thể điều chỉnh phạm vi làm việc theo góc đặt cánh lá cánh bánh xe công tác, nên trị số ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ + n )(n D D 1 11 đ−ợc lấy lớn hơn. Bảng 16. Cấp đ−ờng kính bánh xe công tác D1 của tua bin h−ớng trục STT 1 2 3 4 5 6 7 8 D1 (cm) 30 40 60 80 100 120 140 160 Tuy nhiên xu h−ớng hiện nay, do tính linh hoạt trong sản xuất thiết bị thủy điện nên có xu h−ớng tăng một số cấp bánh xe công tác D1. ở các n−ớc công nghiệp tiên tiến khác cấp đ−ờng kính bánh xe công tác D1 dày hơn, do vậy có thể lựa chọn thuận lợi hơn. Nhiều hãng sử dụng 2 cấp D1 với cùng một phần dẫn dòng. Ví dụ: dãy đ−ờng kính bánh xe công tác của tua bin tâm trục do hãng Fujielectric đ−a ra: D1=56, 60, 63, 71, 80, 85, 90, 95, 100, 106, 112, 118, 132, 140, 150, 160. 3.6. Phân loại tua bin xung kích (TBXK). 3.6.1. Gam tua bin xung kích: gồm ba loại tua bin có Ns = 8 ữ 170 là: - Tua bin gáo. - Tua bin tia nghiêng. - Tua bin xung kích hai lần. Khác với phân loại trong tua bin phản kích, tua bin xung kích không phân loại theo điều kiện xâm thực, chỉ phân loại theo điều kiện năng l−ợng. Hơn nữa vùng hiệu suất tua bin xung kích rất phẳng, do vậy mà dựa vào các tiêu chuẩn đã cho thì dải tua bin xung kích sẽ rất th−a. Công suất của tua bin phản kích không những phụ thuộc vào đ−ờng kính bánh xe công tác D1 mà còn phụ thuộc vào đ−ờng kính vòi phun d0. Vì vậy khi tiêu chuẩn hóa tua bin xung kích tr−ớc hết là đề xuất chuỗi đ−ờng kính mũi phun một cách hợp lý. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 35 Trên hình 9 biểu diễn đặc tính công tác η = f(N) của một tua bin gáo, đ−ờng cong 2 biểu diễn trị số của hiệu suất khai thác trung bình (ηKTTB = f(NKTTB) và độ suy giảm hiệu suất ∆ηKTTB = f(NKTTB) [1] Hình 9. Đ−ờng đặc tính công tác của mô hình TBG với n1 = 38,4 v/ph Với TBG, nếu thừa nhận trị số giảm cho phép của hiệu suất ∆η =7 - 8% thì có thể khai thác công suất trong giới hạn: .125,0 −= dmP P Khi đó, tỷ số đ−ờng kính vòi phun: 2 25,0 1)1( ==+ on no d d (3.15) Nếu lấy domin = 2,5 cm thì chuỗi do là: 2,5; 5; 10; 20 cm. Tức là số cấp do rất ít. Điều đó tuy đơn giản cho công việc tiêu chuẩn hoá, nh−ng lại làm cho sản xuất ở nhiều tr−ờng hợp trở lên tốn kém. Do đó, trên thực tế, chuỗi đ−ờng kính vòi phun do tăng lên khá nhiều, ví dụ: cấo đ−ờng kính do gam TĐN của Liên Xô nh− sau: Bảng 17. Cấp đ−ờng kính mũi phun do của TBG của Liên Xô do (cm) 2,5 3,6 5, 6,5 8,2 do don 1+ 1,44 1,39 1,30 1,26 1,22 T−ơng ứng với nó, tỷ số giữa công suất toàn phần (khi cùng cột n−ớc) của hai tua bin có do gần giảm từ 1,44 2 = 2,07 đến 1,222 = 1,49 lần. Mức giảm hiệu Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 36 suất trung bình từ 3% (ứng với do = 2,5 - 3,6 cm) và 1% (với do = 8,2 - 10 cm) là những chỉ tiêu hoàn toàn chấp nhận đ−ợc. 3.6.2. Lựa chọn chuỗi đ−ờng kính bánh xe công tác. Đ−ờng kính bánh xe công tác D1 của tua bin xung kích đ−ợc lựa chọn xuất phát từ các thông số: - Đ−ờng kính vòi phun d0 - Tỷ số od D (đối với tua bin gáo, tua bin TN) - Số vòng quay của máy phát - Số vòi phun Z 3.7. Kết luận. 1. Cơ sở chung để phân loại tua bin phản kích là phân loại theo tỷ tốc Ns, quy mô đ−ợc phân loại bởi đ−ờng kính bánh xe công tác D1 với phạm vi Ns = 80 ữ 1000. Trong đó: - Tua bin h−ớng tâm có Ns = 400 ữ 1000 đ−ợc chia làm khoảng 5 cấp với Ns(n+1) =100 3 100 38,170 ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡+ Nsn - Tua bin tâm trục đ−ợc chia làm 10 cấp với Ns(n+1) = 1,2Nsn giới hạn d−ới hay trên của gam tua bin phản kích phụ thuộc vào công suất, cột n−ớc, công nghệ chế tạo. Chẳng hạn với công nghệ mới, sử dụng các loại tua bin ống, tua bin cáp sun có thể hạ thấp cao trình đặt máy thì có thể sử dụng tua bin có Ns = 1000 hoặc vùng Ns thấp trong tua bin tâm trục chỉ dùng cho trạm thủy điện cột n−ớc lớn (tới 500m) và công suất cao. - Xu h−ớng của thế giới là đ−a ra các gam thiết bị với vùng làm việc rất phù hợp với điều kiện thực tiễn, do vậy gam tua bin nhỏ ngày càng tăng về cấp Ns (ví dụ: gam tua bin tâm trục của hãng Fuji Electric với Ns từ 80 ữ 335 có 14 cấp). Điều này dễ dàng đ−ợc thực hiện vì công nghệ tính toán, thiết kế và chế tạo ngày càng hiện đại. * Đ−ờng kính bánh xe công tác D1 của tua bin h−ớng tâm cho thủy điện nhỏ có giới hạn trên là D1 = 200 cm; do rất dễ chế tạo nên TBHT đ−ợc dùng rộng rãi cho TĐCN với D1 = 10, 12 cm. Trong dải công suất cao hơn (P ≥ 10 kW) thì nhìn chung tổ máy đ−ợc sản xuất đơn chiếc, để tiết kiệm cho sản xuất thì chế độ Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 37 làm việc của tua bin còn đ−ợc điều chỉnh theo góc đặt của cánh. Do vậy các kích th−ớc của bánh xe công tác th−a hơn (bảng 16) . Riêng các tổ máy thủy điện siêu nhỏ (pico hydro) vì sản xuất hàng loạt nên việc xác định bánh xe công tác phải rất cụ thể và chính xác. Tua bin đ−ợc sản xuất và thử nghiệm theo từng chế độ làm việc đ−ợc đặt ra. Trên thực tiễn, đã chế tạo các loại tua bin pico có D1 = 10, 12, 13, 15, 18, 20, 25 cm. Các cấp bánh xe công tác nh− vậy là quá nhiều phần này cần có một chuyên đề nghiên cứu riêng * Đ−ờng kính bánh xe công tác của tua bin tâm trục trong phạm vi D1 = 20 ữ 160 cm, giới hạn đ−ợc quy định bởi tính chất công nghệ và so sánh sử dụng giữa tua bin tâm trục và tua bin xung kích hai lần. Xu h−ớng chung là không sử dụng tua bin tâm trục ở dải công suất quá thấp nên trong tua bin tâm trục có thể lựa chọn D1min = 42cm với tua bin tâm trục có Ns thấp và D1min = 0.5 với tua bin tâm trục có Ns = 220 ữ 300. Dãy tua bin tâm trục có D1(n+1) = 1,1 D1n nh− ở bảng 15. Tuy vậy cũng nh− phân tích ở phần trên, xu h−ớng ngày càng nhỏ. 2. Phân loại tua bin xung kích. Tua bin xung kích có thể đ−ợc tiêu chuẩn hoá theo hai ph−ơng pháp: - Ph−ơng pháp t−ơng tự tỷ tốc bằng nhau (nh− tua bin phản kích) - Ph−ơng pháp tỷ tốc biến đổi Khác với tua bin phản kích, công suất tua bin xung kích không những phụ thuộc vào D1 mà phụ thuộc vào đ−ờng kính vòi phun d0. Khi gam hóa tua bin phản kích cần đ−a vào hai chỉ tiêu: - Ns hay od D1 - d0 (t−ơng ứng D1 trong tua bin phản kích) Nh− vậy cùng 1 bánh xe công tác, có thể có nhiều trị số Ns ứng với d0 khác nhau. - Đ−ờng hiệu suất của tua bin phản kích rất phẳng, nên việc phân loại theo chỉ tiêu hiệu suất nh− trình bày ở bảng 16 cho dãy đ−ờng kính vòi phun do rất ít. Điều đó làm cho việc chế tạo tua bin trở nên không kinh tế, đồng thời các chỉ tiêu về xâm thực không đặt ra với tua bin xung kích. Cơ sở để phân loại tua bin xung kích chính là các chỉ tiêu kinh tế trong chế tạo tua bin. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 38 Ch−ơng 4 . Xác định phạm vi làm việc của tua bin xung kích hai lần và tua bin tia nghiêng cho thủy điện nhỏ 4.1. Những chỉ tiêu và công thức cơ bản trong tua bin xung kích hai lần, tua bin tia nghiêng và tua bin gáo. Bảng 18. Chỉ tiêu và công thức cơ bản trong TBXK2L, tua bin nghiêng, tua bin Gáo T T Các chỉ tiêu Tua bin gáo Tua bin Tia nghiêng Tua bin xung kích 2 lần 1 Vận tốc dòng chảy tại vòi phun v gHv 2.ϕ= gHv 2.ϕ= gHv 2.ϕ= 2 Hệ số l−u tốc ϕ ϕ = 0,96-0,98 ϕ = 0,96 - 0,98 ϕ = 0,95-0,97 3 Hệ số co hẹp tại mũi phun ε ε = 1,1-1,2 ε = 1,1-1,2 ε = 1 4 Tỷ số od D1 có thể sử dụng od D1 =7-93 od D1 = 3,5-9,5 5 Tỷ số od D1 th−ờng sử dụng od D1 = 8 - 18 od D1 = 3,5 - 6 6 Tỷ số 1D B (với TBXK 2l) 0,3 - 3,5 Chủ yếu 0,3-1,5 7 Trị số vòng quay qui dần tối −u (n1t−) 39 - 41 39 - 41 41 - 43 8 Góc vào α1 Góc ra α2 11o - 15o 167o - 171o 22,5o - 25o 165o - 168o 15o 165o 9 Hiệu suất đỉnh đã xác định đ−ợc (%) 91 - 92 84 - 85 83 - 84 Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 39 4.2. Xác định các chỉ tiêu ns, Q1’, N1’ của tua bin xung kích hai lần, tua bin gáo, tua bin tia nghiêng . 4.2.1. Tua bin gáo. Q = v. F0 (4.1) gHv 2ϕ= (4.2) 4 2 0dFo ∏= (4.3) HDQQ 21 ' 1= . (4.4) Trong đó: Q: l−u l−ợng lớn nhất qua tua bin v: vận tốc trung bình dòng chảy tại vòi phun η: hệ số l−u tốc vòi phun, η = 0,96 ữ 0,98 d0: đ−ờng kính dòng tia tại mặt cắt co hẹp D1’: đ−ờng kính bánh xe công tác Q1’: l−u l−ợng đơn vị Từ các công thức trên, ta có với ϕ = 0,98 Q1’max = 3,41 2 1 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ D do (m3/s) (4.5) Với tổ máy có nhiều vòi phun (z) Q1’max = 3,14 2 1 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ D do Z (m3/s) (4.6) Tỷ tốc Ns = 3,13 tbQn η'1'1 (m.kW) (4.7) Trong đó: ηTB: Hiệu suất tua bin ηTB = 90 ữ 91.5% ở chế độ tối −u = 88 ữ 89% ở chế độ l−u l−ợng lớn nhất n’1t− = 39 ữ 41, chọn n’1t−= 40 Khảo sát kết quả nghiên cứu của các hãng n−ớc ngoài nh− Công ty điện cơ Côn Minh (KEM, Trung Quốc), Fuji Electric (Nhật), Q’1tu = 62 - 75%Q’1max Kết quả tính toán ta có: Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 40 Tại điểm tối −u: Z D dN os 1 167= (m.kW) (4.8) Z D dQ o 2 1 ' 3,2 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= (m3/s) (4.9) Tại điểm l−u l−ợng lớn nhất: Ns = Z D do 1 216 (m.kW) (4.10) Z D dQ o 2 1 ' 1 41,3 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= (m3/s) (4.11) Trong thực tế sử dụng 1581 ữ= od D lúc đó với TBG (mũi phun): Ns max = 4,4 ữ 27 (m.kW) Q’max = 15 ữ 53 (l/s) 4.2.2. Các công thức xác định Ns, Ns, Q1’ cho tua bin tia nghiêng. Xây dựng t−ơng tự nh− trên, với các chỉ tiêu đ−ợc lựa chọn: η1’ = 40 % ηmax = 85% 81 max)1'( ≈ Q η % Kết quả: 2 1 ' max1 41,3 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= D dZQ o (m3/s) (4.12) Z D dQ otu 2 1 ' 45,2 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= (m3/s) (4.13) Z D dNs o ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= 1 max 210 (m.kW) (4.14) Z D d Ns otu ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= 1 151 (m/kW) (4.15) Trong thực tế, th−ờng cho với tua bin một vòi phun, có 5,94,31 −= od D Với tua bin 1 mũi phun, có: ZZNs )6222(210 5,9 1 4,3 1210max ữ=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ữ= (m/kW) (4.16) Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 41 Q’ max = 38 - 295 (l/s) 4.2.3. Các công thức xác định Q’1; Ns; η’1 cho tua bin xung kích hai lần. L−u l−ợng qua tua bin phụ thuộc vào kích th−ớc vòi phun L φ D R1 Hình 10. Diện tích vòi phun so với bánh xe công tác Q = v.F = Vm.sinα.F = αϕ sin.2.. 360 ... 0 1 gHDB o Φ∏ (4.17) Trong đó: Q: l−u l−ợng lớn nhất qua tua bin F: diện tích vòi phun v: thành phần vận tốc h−ớng tâm α: góc giữa thành phần vận tốc tuyệt đối và vận tốc thu α = 160 Φ: là góc ôm của mũi phun (o), Φ = 100 - 120o; B: là bề rộng mũi phun. ϕ: Hệ số vận tốc mũi phun ϕ = 0,95 ữ 0,97. Lấy ϕ = 0,96 Kết quả: Qmax = (0,96 – 1,15) B. D1. H (4.18) 1 max ' 1 )15,196,0( D BQ ữ= (4.19) Tại điểm tối −u: 1 ' 1 )95,079,0( D BQ tu ữ= (4.20) Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 42 Tại điểm 'max1Q với η’1tu = 43; η’(Q max)= 0,8 Nsmax= (118-129) 1D B (4.21) Tại điểm tối −u: η’1= 43; η ≈ 83,5 - 84%; Q’1tu = 82% Qmax Ns = (100 -110) 1D B (4.22) Với 5,33,0 1 −= D B ; ta có: 5,33,0 1 ' max1 ữ== D BQ (m3/s) 30255,085,0 1 ' 1 ữ== D BQ tu (m3/s) 32468125 1 max ữ== D BNs (m.kW) 19657105 1 ữ== D BNstu (m.kW) 4.3. Ph−ơng pháp xây dựng gam tua bin xung kích hai lần. 4.3.1. Mục tiêu xây dựng gam tua bin xung kích hai lần. Xây dựng gam tua bin xung kích hai lần, nhằm đ−a ra các chỉ tiêu cơ bản gồm: - Dãy đ−ờng kính bánh xe công tác D1 - Tỷ số giữa bề rộng vòi phun và đ−ờng kính bánh xe công tác 1D B - Phạm vi sử dụng của từng loại tua bin 4.3.2. Một số quan điểm khi xây dựng gam tua bin xung kích hai lần. Tổng kết gam tua bin xung kích hai lần trên thế giới có hai xu h−ớng sau: - Sử dụng rộng rãi tua bin xung kích hai lần cho phạm vi H ≤ 100m, P ≤ 1000 kW. Khắc phục vấn đề tỷ tốc thấp bằng biện pháp sử dụng bộ truyền bánh răng. Đại diện là các hãng của Nhật, Đức và các n−ớc công nghiệp tiên tiến. - Sử dụng kết hợp tua bin xung kích hai lần và một số loại tua bin khác cho phạm vi nêu trên nhằm có thể nối trực tiếp giữa tua bin và máy phát đồng Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 43 thời có thể chế tạo một số máy phát có số vòng quay thấp, đại diện là Trung Quốc và một số n−ớc khác. Theo chúng tôi, do điều kiện chế tạo bộ truyền bánh răng với số l−ợng đơn chiếc ch−a đ−ợc tốt, giá nhân công ở các khâu thiết kế, chế tạo không cao thì nên chọn ph−ơng pháp xây dựng gam xung kích hai lần theo quan điểm thứ hai. 4.3.3. Cấp đ−ờng kính bánh xe công tác. - Trong tua bin xung kích hai lần, việc lựa chọn đ−ờng kính bánh xe công tác quyết định tới vị trí làm việc của tua bin trên đ−ờng η’1 = const và tỷ số 1D B quyết định vị trí làm việc của tua bin trên đ−ờng Q1’ = const. Kết hợp cả hai chỉ tiêu này xác định điểm làm việc trên đ−ờng đặc tính tổng hợp. - Nếu chọn n1’ = 37 ữ 50, n’1tu = 43, thì khi hiệu suất tua bin thay đổi trong phạm vi từ 80% đến 83,5% ηmax = 83,5%. T−ơng ứng với nó: 35,1 37 50 1 )1(1 ==+ n n D D - Nếu chọn cặp n1’ = 40 ữ 50, hiệu suất thay đổi trong phạm vi η0 = 82 ữ 83,5 % (∆η = 1,5%). T−ơng ứng với nó: 25,1 40 50 1 )1(1 ==+ n n D D Với thủy điện nhỏ, sự thay đổi hiệu suất nh− vậy là phù hợp với yêu cầu của thực tiễn. Nếu chọn D1min theo điều kiện công nghệ là D1 = 20 cm. Ta có dãy D1 nh− sau: D1 = 20; 25; 31,25; 39; 48,8; 61; 76,3cm Lấy chẵn D1 = 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100 cm. Kết quả này phù hợp với tiêu chuẩn mà nhiều hãng n−ớc ngoài đã công bố. Tuy nhiên, một quan điểm khác là tăng độ dày của cấp D1 lên theo số chẵn: D1 = 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 cm Trong nhóm thủy điện cực nhỏ, công suất trong phạm vi ≤ 200 kW, D1 = 20, 25, 30, 35, 40 cm thì theo quan điểm trên số tăng cấp D1 = 35 cm nh−ng sẽ làm cho gam thủy điện tốt hơn vì vùng D1 = 30 ữ 40 cm đ−ợc sử dụng rất rộng rãi cho thủy điện cực nhỏ. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 44 4.3.4. Tỷ lệ 1D BKB = . KB có vai trò quan trọng, quyết định phạm vi làm việc của tua bin xung kích hai lần. Nếu tổ máy làm việc với công suất ổn định, KB đ−ợc chọn sao cho điểm làm việc nằm gần với vùng hiệu suất lớn nhất. Nếu tổ máy làm việc trong điều kiện công suất thay đổi lớn, KB đ−ợc lựa chọn sao cho điểm làm việc với độ mở lớn nhất trùng với điểm Q1’ max. Tham khảo gam tua bin xung kích hai lần của một số hãng có các thông số nh− bảng 19 sau: Bảng 19. Thông số D1; 1D B và B của một số hãng TT Tên hãng D1 (cm) 1D B &B (cm) 1 TRIED (Trung Quốc) 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100 1D B = 0,25; 0,32; 0,4; 0,5; 0,63, 0,8; 1,0; 1,25; 1,6 B = 8; 10; 13; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80 2 Fufielectric (Nhật) 31,5; 40; 50; 63; 80; 100; 125 1D B = 0,5 ữ 3,55 B = 1 5,2 D H 3 CINK (CH Czech) 25; 34; 45; 60; 90 Theo quan điểm của chúng tôi, trong điều kiện Việt Nam nên chọn tỷ số chính xác theo thông số của trạm thủy điện. Trong quá trình xây dựng gam, có thể lấy bề rộng theo D1 và B.D1, dãy B.D1 = KB =1,25, trị số BD1 còn phụ thuộc vào kích th−ớc chẵn của B khi biết tr−ớc D1. Dãy B.D1 đ−ợc lựa chọn nh− sau. B.D1(cm) = 120, 160, 200, 320, 416, 512, 640, 800, 1024, 1280, 1600, 2000, 2500, 3150. Ví dụ: D1/B = 20/6; 20/8; 20/10; 20/13; 20/16; 25/6,4; 25/8; 25/10,4; 25/12,8 32/10; 32/13; 32/16; 32/20; 32/25; 32/32; 32/40; 40/8; 40/10,4; 40/13; 40/16; 40/20; 40/25,6; 40/32; 50/8; 50/10; 50/12,8; 50/16; 50/20,5. 4.3.5. Xác định phạm vi làm việc của tua bin xung kích hai lần, ph−ơng pháp gam hoá. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 45 - Do thông số làm việc của tua bin xung kích hai lần phụ thuộc vào cả D1 và B nên trong thí nghiệm mô hình, chỉ tiêu này rất khó thực hiện vì tạo ra số mô hình quá lớn. Trong thực tế có thể sử dụng ph−ơng pháp thí nghiệm cho một giá trị và khi tính toán sẽ sử dụng ph−ơng pháp đánh giá sự biến đổi hiệu suất để hiệu chỉnh (ph−ơng pháp tỷ tốc biến đổi). - Trong xây dựng biểu đồ phạm vi sử dụng, thống nhất lấy chỉ tiêu. 25,1 )1( 1 1 =+ nD nD và 25,1)1( =+ Bn nB . Trong thực tế có thể tính toán B chính xác theo thông số của trạm thủy điện. - Để xác định phạm vi làm việc của tua bin xung kích hai lần có thể sử dụng ph−ơng pháp xây dựng biểu đồ quan hệ B.D1 = const, P = const trong hệ toạ độ Đề các có hai trục là log P và log H nh− sau: Ta có: Q = (0.96 ữ 1.15) B.D1. H (4.23) Hệ số k = 0.96 ữ 1.15 có là do phạm vi góc vào φ. Có thể chọn từ φ = 1000 ữ 1200, chọn kQ = 1, ta có Q = B.D1. H Log Q = ).log(log 2 1 1DBH + (4.24) Nếu B. D1 = const, quan hệ logQ và log H là đ−ờng thẳng có hệ số góc tgα = 2 1 . Đ−ờng quan hệ P = const xây dựng nh− sau: P = 9,81.η.Q.H (4.25) η = ηTB.ηmF.ηTđ (4.26) ηTB: Hiệu suất Tua bin ηmF: Hiệu suất Máy phát ηTđ: Hiệu suất truyền động Trong tính toán chọn ph−ơng án, có thể coi ηTđ = 1, Hiệu suất máy phát điện chọn theo tiêu chuẩn IEC. Hiệu suất tua bin xung kích 2 lần có thể xác định. ηTB = 83 ữ 84% ở vùng tối −u. ηTB = 79 ữ 80% ở vùng n1’ tối −u và Q1’ max Hiệu suất máy phát: ηmF = 84 ữ 86% với P = 5 - 50kW Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 46 ηmF = 86 ữ 90% với P = 50 - 200kW Lấy giá trị trung bình, ta có: P = 6,6.Q.H Với P = 5 - 50kW P = 7.Q.H Với P = 50 - 200kW Kết quả xây dựng trên biểu đồ logarít nh− sau: Hình 11. Biểu đồ xác định phạm vi làm việc tua bin xung kích nghiêng. + Đ−ờng quan hệ số vòng quay t−ơng ứng với cột n−ớc khi D1 = const Theo quan hệ: 1 1 ' . D Hnn = Khi cho các giá trị n1’ t−ơng ứng với đ−ờng kính bánh xe công tác D1, sẽ xác định đ−ợc phạm vị sử dụng của tua bin. Tham khảo đặc tính tua bin mô hình của hãng TRIED, có: biểu đồ quan hệ giữa các đại l−ợng tính toán của tua bin ( q=0.004 - 2 m3/s, H= 1-120 m, N=0.1-250 KW) Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 47 n1’ min = 38 n1’ max = 50 n1’ Tb = 43 Kết quả tính toán trị số cột n−ớc với trị số vòng quay nh− bảng 20 sau: Bảng 20. Kết quả tính toán trị số cột n−ớc với trị số vòng quay D1 nTb H 20 25 32 40 50 63 Hmin 36 56 HT− 48 76 1500 Hmax 62 97 Hmin 16 25 41 64 HT− 22 34 55 86 1000 Hmax 28 43 71 110 Hmin 9 14 23 36 56 89 HT− 12 19 31 49 76 120 750 Hmax 16 24 40 62 97 Hmin 15 23 36 57 HT] 20 31 49 77 600 Hmax 26 40 62 99 Hmin 16 25 40 HT− 22 34 54 500 Hmax 28 43 69 429 HT− 25 40 Từ kết quả xây dựng các quan hệ trên có thể đ−a ra một số nhận xét về phạm vi làm việc của tua bin xung kích 2 lần nh− bảng 21 sau: Bảng 21. Phạm vi làm việc của tua bin XK 2L 1. Loại tua bin: D1 = 25cm; n = 1000v/ph; B = 10 - 16 cm; = 1D B 0,4 ữ 0,64 H (m) 25 30 40 45 P (kW) 15, 20, 30 20, 30, 40, 50 30, 40, 50 30, 40, 50, 60 75 Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 48 2. Loại tua bin: D1 = 32cm; n = 1000v/ph; B = 10 - 20 cm; = 1D B 0,3 ữ 0,6 H (m) 40 50 60 70 P (kW) 40 ữ 125 40 ữ 160 75 ữ 200 75 ữ 200 3. Loại tua bin: D1 = 40cm; n = 1000v/ph; B = 8 - 16 cm; = 1D B 0,2 ữ 0,4 H (m) 65 70 80 ữ 90 100 P (kW) 100 ữ 300 125 ữ 300 160 ữ 350 200 ữ 400 4. Loại tua bin: D1 = 40cm; n = 750 v/ph; B = 16 - 32 cm; = 1D B 0,4 ữ 0,8 H (m) 35 40 50 60 P (kW) 100 ữ 200 100 ữ 200 160 ữ 300 200 ữ 400 5. Loại tua bin: D1 = 50 cm; n = 750 v/ph; B = 20 - 25 cm; = 1D B 0,4 ữ 0,5 H (m) 60 70 80 90 ữ 100 P (kW) 250 ữ 400 250 ữ 500 320 ữ 600 320 ữ 600 6. Loại tua bin: D1 = 32 cm; n = 750 v/ph; B = 32 ữ 50 cm; = 1D B 1 ữ 1,56 H (m) 20 30 40 P (kW) 50 ữ 125 75 ữ 160 125 ữ 250 + Khảo sát vùng cột áp thấp H ≤ 20m. Vùng cột áp thấp H ≤ 20m là vùng khó lựa chọn thiết bị cho thủy điện nhỏ và cực nhỏ. Xét trong phạm vi công suất P ≤ 200 kW, có thể sử dụng một số loại tua bin : Tua bin H−ớng trục, Tua bin Tâm trục, Tua bin Xung kích 2 lần (loại siêu nhỏ còn sử dụng Tua bin Tia Nghiêng) việc lựa chọn thiết bị cho vùng này gặp một số trở ngại sau: - Sử dụng Tua bin h−ớng trục có −u điểm là số vòng quay cao có thể nối trực tiếp với máy phát nh−ng nh−ợc điểm là phạm vi làm việc hẹp, hiệu suất giảm nhanh khi l−u l−ợng giảm. - Sử dụng Tua bin Tâm trục có −u điểm là đặc tính năng l−ợng tốt hơn, nh−ng kết cấu phức tạp, giá thành cao. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 49 - Sử dụng Tua bin Xung kích 2 lần có giá thành hạ, phạm vi làm việc rộng nh−ng số vòng quay thấp, phải sử dụng bộ truyền và không sử dụng tới cột n−ớc sau bánh công tác. Tổng hợp thông tin của nhiều hãng cho thấy, gam thủy điện ở khu vực này đ−ợc lựa chọn nh− sau (xét trong phạm vi P < 200 kW). - Sử dụng Tua bin H−ớng trục kiểu ống với H ≤ 12m - Sử dụng Tua bin Xung kích 2 lần, có bộ truyền động đai hoăch bánh răng - Có thể sử dụng Tua bin Tâm trục với P ≥ 50 kW. Trong điều kiện n−ớc ta, có thể sử dụng nh− sau: - Vùng P ≤ 50 kW nên sử dụng Tua bin Xung kích 2 lần truyền động đai, một vùng nhỏ H = 15 ữ 25 m có thể sử dụng Tua bin có D1 = 20 cm nối trực tiếp máy phát 1000 v/ ph với P = 20 ữ 40 kW. - Vùng có P > 50 kW có thể xem xét so sánh giữa tua bin Tâm trục và tua bin Xung kích 2 lần. Vùng cột n−ớc thấp H < 15 m chỉ nên so sánh TTHT và tua bin Xung kích 2 lần, có thể lựa chọn tua bin Xung kích 2 lần cho vùng H = 5 ữ 20m nh− bảng 23 sau. Bảng 23. Các thông số của tua bin xung kích 2 lần D1 (cm) 20 25 32 40 50 B (cm) 8 ữ 16 16 ữ 20 20 ữ 40 40 ữ 50 40 ữ 50 1D B 0,4 ữ 0,8 0,64 ữ 0,8 0,625ữ1,25 1 ữ 1,25 0,8 ữ 1 P (kW) 0,5 ữ 30 5 ữ 20 5 ữ 40 20 ữ 125 40 ữ 160 Kết luận: Chỉ xét riêng về tua bin Xung kích 2 lần, trong phạm vi H < 100m, P ≤ 200 kW có thể rút ra một số kết luận sau: 1. Vùng H = 25 ữ 100 m, có thể sử dụng tua bin Xung kích 2 lần, nối trực tiếp với máy phát có n = 1000 v/ph , n = 750 v/ph, với D1 = 25,32 và 40 cm, B = 10 ữ 40cm 2. Vùng có H < 25 m, nếu P < 50 kW nên sử dụng tua bin Xung kích 2 lần có bộ truyền đai, với máy phát có số vòng quay n = 1000 và 1500 v/ph. 3. Vùng có công suất thấp nên sử dụng tua bin Tia nghiêng. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 50 4. Vùng cột n−ớc thấp H ≤ 12 m nên so sánh giữa tua bin H−ớng trục và Tua bin Xung kích 2 lần. 5. Vùng H 50 kW nên so sánh giữa tua bin Xung kích 2 lần và tua bin Tâm trục. 6. Các thông số cơ bản của Tua bin Xung kích 2 lần có thể xem trên bảng 22 4.3.6. Xác định phạm vi làm việc của Tua bin Tia nghiêng cho Thủy điện cực nhỏ. 4.3.6.1. Các thông số cơ bản. - Trong báo cáo về nghiên cứu, thiết kế Tua bin Tia nghiêng trong đề tài đã lựa chọn Tua bin Tia nghiêng có các thông số cơ bản sau: + Kiểu Tua bin: Trục ngang, 2 mũi phun. + Tỷ số 4 1 = D do + Tỷ số 25,1 )( )1( 1 1 =+ nD nD 4.3.6.2. Ph−ơng pháp xây dựng gam Tua bin Tia nghiêng. Có 2 ph−ơng pháp xây dựng gam Tua bin Tia nghiêng. 1. Ph−ơng pháp tỷ tốc cố định: Giống nh− gam hoá các Tua bin phản kích: Mỗi loại Tua bin t−ơng ứng với một số Ns nhất định. Một số hãng trên thế giới đã sử dụng ph−ơng pháp này để xây dựng gam tua bin tia nghiêng (VD: hãng GILES (Anh) đã xây dựng gam Tua bin Tia nghiêng với 5` = od D ). Ph−ơng pháp này có −u điểm cơ bản là đơn giản hoá cho ng−ời sử dụng. Tuy nhiên nó còn có nh−ợc điểm là làm hẹp phạm vi lựa chọn của mỗi tổ máy, để bù lại hãng này đã sử dụng ph−ơng pháp tăng số cấp Bánh công tác .1,1 )1( 1 1 =+ nD nD 2. Ph−ơng pháp tỷ tốc biến đổi: Ph−ơng pháp này khác với ph−ơng pháp th−ờng sử dụng với một Bánh công tác, có thể sử dụng một số mũi phun có do khác nhau. Ưu điểm của ph−ơng pháp này là mở rộng phạm vi sử dụng cho phát triển loại Bánh công tác, nh−ng nó có nh−ợc điểm khi tính toán, Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 51 thiết kế không xác định đ−ợc chính xác thông số làm việc mà phải điền vào các hệ số để hiệu chỉnh hiệu suất. Tuy vật, với thủy điện cực nhỏ sử dụng ph−ơng pháp này là phù hợp. 4.3.6.3. Đ−ờng kính bánh công tác và đ−ờng kính dòng tia. Sử dụng ph−ơng pháp gam hoá tỷ tốc biến đổi trong đó ph−ơng án cơ sở là 41 = od D và với Thủy điện siêu nhỏ có 5,31 = od D . Cấp đ−ờng kính bánh công tác theo nghiên cứu và sản xuất có thể phân làm 2 loại: - Loại Bánh công tác cho Thủy điện cực nhỏ: có thể chế tạo Bánh công tác bằng công nghệ gia công áp lực từng lá cánh, với chiều dày cánh không đổi. Ph−ơng pháp này tuy hiệu suất giảm, nh−ng bù lại giá thành thấp dễ gia công hàng loạt. Theo công nghệ này có thể chọn dãy đ−ờng kính bánh công tác nh− sau: D1 = 10; 12,5; 15; 20 (cm) - Loại Bánh công tác cho Thủy điện nhỏ, công suất P ≥ 20 kW, cánh bánh công tác đ−ợc gia công có bề dày biến đổi đảm bảo tua bin có độ bền và hiệu suất cao hơn. Theo công nghệ này, có thể chọn dãy đ−ờng kính Bánh công tác nh− sau: D1 = 25; 32; 40; 50; 63 (cm) Nh− vậy với loại Thủy điện siêu nhỏ, 25,1)1( 1 1 =+ nD nD ữ1,5 Loại Thủy điện nhỏ, =+ nD nD 1 1 )1( 1,25. Với 5,31 = od D & 4, dãy đ−ờng kính dòng tia do nh− sau: do = 2,8; 3,75; 5,0; 6,25; 8,0; 10; 12,5 (cm) 4.3.6.4. Xây dựng biểu đồ xác định vùng làm việc . 1. Đ−ờng quan hệ tua bin Tia nghiêng cở nhỏ do = const trong hệ toạ độ logQ ~ logH. + Q = v.Fo = 4 . .2. 2 odgH πϕ ⇔ LogQ = 2 4 .2.loglog 2 1 odgH πϕ+ = Hlog 2 1 + 0,5324 + 2.logdo. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 52 ứng với mỗi giá trị do ta có đ−ờng do = const là đ−ờng thẳng có hệ số góc tgα = 2 1 . 2. Đ−ờng quan hệ P = const trong hệ toạ độ logQ _ logH. Ta có: P = 9,81.Q.H.η η = ηTb.ηmF.ηTđ . Trong đó: ηTb : Hiệu suất Tua bin ηmF : Hiệu suất máy phát ηTđ : Hiệu suất bộ truyền động, ηTđ = 1. ở đây ηTb lấy ở vùng có n’i tối −u và Q1’ lớn nhất, hiệu suất máy phát lấy theo tiêu chuẩn IEC. Hiệu suất tổng cho vùng thủy điện siêu nhỏ lấy theo kết quả nghiên cứu và khảo sát gần đây nhất, η= ηTb.ηmF ≈ 50 ữ 55% (Trị số thấp ứng với D1 = 10 cm & trị số cao ứng với D1 = 15 ữ 20 cm) cho giải công suất nhỏ (200W ữ 2kW). - Hiệu suất của tua bin theo kết quả thí nghiệm mô hình của Viện nghiên cứu truyền động điện Thiên Tân - Trung Quốc (TRIED). ηmax = 84,5%. - Theo kết quả nghiên cứu của I.N.Xmirnov [ ], khi do < 55mm hiệu suất tua bin giảm nh− biểu đồ sau: Đ −ờ ng k ín h m ũ i p hu n ( d o) Giá trị giảm hiệu suất(∆η%) Hình 12. Quan hệ giữa do và hiệu suất thủy lực ηTL [ ] ZU.U.Edel - Tua bin gáo, lý thuyết, thực nghiệm và tính toán. Bản tiếng Nga. Moskva – Leningrat – 1963. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 53 Ngoài ra, với thủy điện nhỏ, yếu tố ảnh h−ởng hiệu suất do công nghệ phải đ−ợc kể tới. Kết quả tính toán, tại điểm Q1’lớn nhất có: ηTB ≈ 78 ữ 80% ηmF = 84 - 86% với P = 5 ữ 50kW. ηmF = 86 - 90% với P = 50 ữ 200kW. Lấy các giá trị trung bình, kết quả. P = 5.Q.H cho vùng P = 200 - 2kW do = 20 ữ 40 mm. P = 6,6.Q.H cho vùng P = 5 - 50kW do = 40 ữ 60 mm. P = 7.Q.H cho vùng P = 50kW - 200kW. do ≥ 60 ữ 100 mm. Từ các kết quả trên, thay các giá trị công suất vào xác định đ−ợc các đ−ờng do = const. Trong hệ tọa độ đề các có các trục là logQ và logH (xin xem hình 11). 4.3.6.5. Xây dựng đ−ờng quan hệ cột n−ớc, số vòng quay với từng cấp đ−ờng kính bánh công tác D1. Để thuận lợi cho lựa chọn phạm vi làm việc của tua bin tia nghiêng, quan hệ H ~ n đ−ợc xây dựng trên trục logH nhờ dựa vào quan hệ. 1 1 ' D Hn n = (4.23) 2 1 1 ' . ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= n Dn H (4.24) Trị số n1’ của tua bin tia nghiêng đ−ợc xác định nh− sau. n1’ min = 35; n1’TƯ = 40; n1’max = 45 Kết quả tính toán nh− bảng 24 sau. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 54 Bảng 24. Quan hệ giữa cột n−ớc với số vòng quay và đ−ờng kính bánh công tác. D1 (cm) nTb (v/ph) 10 12 15 20 25 32 40 Hmin 10 15 25 44 HT− 14 20 32 56 1500 Hmax 20 27 42 74 Hmin 5 7 10 20 30 50 79 HT− 6,25 9 14 25 39 64 100 1000 Hmax 10 12 20 33 51 84 130 Hmin 10 17 28 44 HT− 14 22 36 56 750 Hmax 19 29 47 73 4.3.6.6. Xác định phạm vi làm việc của tua bin cực nhỏ trong phạm vi H ≤ 100m, P ≤ 200 kW. Các tiêu chuẩn lựa chọn. - Phạm vi làm việc ứng với mỗi số vòng quay của máy phát đ−ợc xác định trong giới hạn Hmin - Hmax - Công suất lớn nhất đ−ợc xác định nhờ đ−ờng do = const. Tuy nhiên, đ−ợc nhân 2 do tổ máy có 2 máy phát. - Công suất nhỏ nhất có thể chọn là đ−ờng giới hạn 2 min)( 00 d d = . Tuy nhiên, do 25,1 )1( =+ on no d d nên chỉ nên chọn 25,1 min)( 00 d d = hay là chọn do nhỏ hơn ở liền kề. Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 55 - Loại tua bin: n = 1000v/ph; D1 = 10 cm; do ≤ 2,8 cm H (m) 4 6,5 8 12 P (W) 100 100 ữ 200 200 ữ 500 500 1000 Số mũi phun (Z) 1 1 2 1 2 - Loại tua bin: n = 1000v/ph; D1 = 10 cm; do ≤ 2,8 cm H (m) 12 8 ữ 20 P (W) 500 1000 500, 1000 500 Số mũi phun (Z) 1 2 1 2 - Loại tua bin: n = 1500v/ph; D1 = 15 cm; do ≤ 3,75 cm H (m) 20 30 40 P (W) 2,5 5 5 10 7,5 15 Số mũi phun (Z) 1 2 1 2 1 2 - Loại tua bin: n = 1500v/ph; D1 = 20 cm; do ≤ 5 cm H (m) 40 50 60 70 P (W) 10;15;7,5 20; 30 10; 20 30;40 15; 20 30; 40; 50 20;30 40;50 Số mũi phun (Z) 1 2 1 2 1 2 1 2 - Loại tua bin: n = 1000v/ph; D1 = 20 cm; do ≤ 5 cm H (m) 20 30 35 P (W) 5 7,5; 10 7,5 10; 15 10 20 Số mũi phun (Z) 1 2 1 2 1 2 - Loại tua bin: n = 1000v/ph; D1 = 25 cm; do ≤ 6,25 cm H (m) 30 40 50 P (W) 10; 15 20; 30 15; 20 30; 40 20; 30 40; 50; 60 Số mũi phun (Z) 1 2 1 2 1 2 - Loại tua bin: n = 1500v/ph; D1 = 25 cm; do ≤ 6,25 cm H (m) 70 80 90 100 P (W) 20;30;40 20; 30; 40; 50; 60 20; 30; 40; 50; 60 30; 40; 50; 60 Số mũi phun (Z) 1 1 1 1 Báo cáo xây dựng cơ sở Khoa học đề suất gam thủy điện nhỏ Đề tài KC07 - 04 Viện khoa học Thủy lợi 56 - Loại tua bin: n = 1000 v/ph; D1 = 32 cm; do ≤ 8 cm H (m) 50 60 70 80 P (W) 30;40;50 60;75;100 30;40;50;60 75;100 40;50;60;75 100;125 75;100 Số mũi phun (Z) 1 2 1 2 1 2 1 - Loại tua bin: n = 1000v/ph; D1 = 40 cm; do ≤ 10 cm H (m) 80 90 100 P (W) 60;75;100;125;160 60;75;100;125;160;200 75;100;125;160;200 Số mũi phun (Z) 1 1 1