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

lời Mở đầu Chóng 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 cực 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 năng lượng chính đã được khai thác là than, dầu khí, và năng lượng các lòng sông, suối lớn. Còn các nguồn năng lượng khác nh­: 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 điện 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. Ýt sự cố và cần Ýt người vận hành. Có khả năng làm việc ở phần tải thay đổi. Thời gian mở máy và dừng máy ngắn. Không làm ô nhiễm môi 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 thực 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 Ých 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 điều kiện kỹ thuật, có hiệu quả kinh tế sau khi đã so sánh giữa lợi Ých 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 năng) 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 nh­ 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 vậy 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 trường. 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 còng 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 việt nhất của nguồn năng lượng này, các nguồn năng lượng khác nh­ : 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 kể 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 bậc 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 32.106 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 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 , tiết kiệm được khoảng 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 chống 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 nh­ 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 vọng 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 mạng 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. Đây là một lĩnh vực nhiều lý thuyết khác nhau. 1.2. Vấn đề tự động hóa trong nhà máy thủy điện Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển của nhà máy thuỷ điên Cấu trúc toàn bộ hệ thống có các bộ điều khiển vận hành trực tiếp trên các bộ phận riêng rẽ. Trong mỗi tổ máy phát gồm các bộ phận điều khiển động lực đầu tiên và các bộ điều khiển kích từ. Phần động lực đầu tiên bao gồm tuabin và hệ thống thủy lực, do vậy các bộ điều khiển động lực đầu tiên liên quan tới việc điều chỉnh tốc độ và điều khiển các biến số của hệ thống cung cấp năng 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 thống. Mục đích đầu tiên của điều khiển phát điện hệ thống là cân bằng tổng công suất phát của hệ thống với phụ tải hệ thống và các tổn thất, vì vậy tần số và công suất trao đổi với các hệ xung quanh được duy trì. Điều khiển truyền tải bao gồm các thiết bị điều khiển điện áp và công suất, nh­ các bộ bù phản kháng tĩnh, các bộ bù đồng bộ, các cuộn cảm và điện dung chuyển mạch. Điều khiển các máy biến áp dịch pha và truyền tải dòng một chiều điện áp cao (HVDC) Các quá trình điều khiển đã mô tả ở trên góp phần cho sự thỏa mãn vận hành của hệ thống bằng cách duy trì điện áp và tần số hệ thống và các biến hệ thống khác trong giới hạn cho phép của chúng. Các đối 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: Trong đó: - 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. Nếu một đoạn sông có cột áp H, lưu lượng Q thì năng lượng dòng chảy trên đoạn sông đó là: Hay Trong đó: W – thể tích nước đoạn sông. Công suất nước của dòng chảy trên đoạn sông là: 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 năng 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. TuyÕn n¨ng l­îng. +Kªnh vµo +Cöa van +§­êng hÇm (gåm Th¸p vµ van) +§­êng èng Nhµ m¸y : + ThiÕt bÞ c¬ khÝ : ChÝnh : Tuabin cho tõng tæ m¸y Phô : (c¸c thiÕt bÞ kh¸c) + ThiÕt bÞ ®iÖn kü thuËt Tæ m¸y Tuabin + Tuabin, c¸nh h­íng … + Bé ®iÒu tèc M¸y ph¸t + M¸y ph¸t + HÖ thèng kÝch tõ. H¹ l­u 1. Kªnh x¶ 2. C¸c cöa van h¹ l­u TuyÕn ¸p lùc 1.Hå chøa + BÓ ¸p lùc + BÓ l¾ng c¸t 2. §Ëp trµn 3. C¸c van x¶ Hình 1.3 Sơ đồ các tuyến của nhà máy thủy điện Các thiết bị chính trong nhà máy thủy điện. Hình 1.4 Sơ đồ bố trí các thiết bị trong nhà máy thủy điện Cửa nhận nước 3. Bình tạo áp lực Hầm dẫn 4. Nhà van 5. Èng áp lực 9. Hệ thống dầu áp lực và bộ điều tốc 6. Tuabin 10. Hệ thống nước làm mát 7. Máy phát 11. Èng 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 ứng 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 dẫn) 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 cột 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 Sù 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 việc 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, Ên Độ và Trung Quốc đã sử dụng bánh xe nước dưới dạng thiết bị biến đổi năng 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 Ýt 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 người 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 kiểu tuabin đã được ra đời nh­: 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 chóng 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 sử 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: 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 cửa vào luôn lớn hơn ở cửa ra. Dòng chảy qua tuabin là dòng liên tục điền đầy toàn bộ máng dẫn cánh. Trong vùng bánh xe công tác tuabin, dòng chảy biến đổi cả động năng và thế năng. Trong đó vận tốc dòng chảy qua tuabin tăng dần, áp suất giảm dần. Máng dẫn của cánh hình côn nên gây ra độ chênh áp mặt cánh, từ đó tạo ra momen quay. Tuabin phản lực và xung lực có tính năng và phạm vi sử dụng khác nhau. Tuabin phản lực dùng cho trạm có cột nước thấp, 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 đó 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 sử 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 Ýt thay đổi (hình 1.8 d). Tuabin tâm trục có cột nước cao nhất thế 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 nh­ bầu cánh của tuabin hướng trục cánh điều chỉnh. Loại tuabin này làm việc 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): Tuabin gáo ( còn gọi là tuabin Pelton) HÌNH VẼ 1.5/7 THANH 1.9: Trong đó : 1- Èng dẫn 2- Mòi 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 lượng 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 một góc nghiêng. Bánh công tác gồm các cánh cong gắn chặt lên hai đĩa bên bánh công tác có hình dạng đơn giản hơn dạng gáo nên dễ chế tạo. Vòi phun của loại này tương tự nh­ 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 hót tuabin. Trong đó bánh công tác là bộ phận chính làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng. 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 điện thì một bộ phận quan trọng giúp cho sự đồng bộ này là máy điều tốc. Trong các trạm thuỷ điện còn có các thiết bị phụ trợ khác nh­: các tổ máy bơm, các tổ máy nén khí, thiết bị nâng hạ, hệ thống 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 đập 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. 2.2.Cửa nhận nước nhà máy thuỷ điện Hoà Bình Cửa nhận nước là cửa quan trọng của nhà máy thủy điện, nó là cửa ngõ khi vào nhà máy. Tại đây dòng nước được lọc rác bằng lưới chắn rác, sau đó được dẫn vào tuabin. Dòng nước này được điều chỉnh bởi cửa sửa chữa và cửa vận hành. Như vậy cửa nhận nước đã thực hiện một điều chỉnh trong toàn bộ hệ thống của nhà máy. Trong đó : Cẩu trục chân đê: Nhiệm vụ điều khiển gầu cào rác, nâng hạ gầu cào rác và di chuyển tới nơi thải rác. Bên cạnh đó, nó còn thực hiện việc nâng hạ lưới chắn rác phục vụ cho việc tu sửa lưới chắn rác. Gầu cào rác: Để vớt rác ra khỏi lưới rác và vận chuyển tới nơi thải rác từ lưới chắn rác thu gom được. Xi lanh thủy lực nâng hạ : Nhiệm vụ nâng hạ cửa vận hành. Ổ hướng: Nhiệm vụ định hướng cho trục của xilanh thủy lực đúng hướng vì trục của xilanh dài. Lưới chắn rác: Ngăn các vật trôi theo dòng nước không cho vào trong đường ống áp lực để không gây sự cố cho tổ máy. Cửa sửa chữa: Có nhiệm vụ đóng nhanh cửa nhận nước vào tuabin, bảo vệ tuabin khi có sự cố. Thường đóng trong trường hợp nước tĩnh để không gây chấn động. Tuy nhiên trong trường hợp cần đóng nhanh khi dòng chảy lớn vẫn phải đảm bảo an toàn. Cửa vận hành: Nó được điều chỉnh bởi xilanh thủy lực chính và được thiết kế dùng trọng lượng đóng lại ở điều kiện dòng không bình thường. 2.3. Bộ dẫn động thuỷ lực nâng hạ cánh phai đập tràn xả đáy Công dông : Nâng cánh phai dưới áp lực Giữ cánh pha ở tận cùng phía trên Hạ cánh phai xuống đến vị trí đóng hoàn toàn của xả đáy Nâng tự động cánh phai về vị trí ban đầu khi bị lún xuống 300mm Trong đó : Cẩu trục chân đê : Nâng hạ phai sửa chữa xả mặt và phai sửa chữa xả sâu. Thiết bị dầu áp lực : Tạo áp lực dầu để điều khiển xilanh thủy lực. Xilanh thủy lực : Nâng hạ van cung xả. Van cung xả mặt. Phai sửa chữa xả mặt. Van cung xả sâu. Phai sửa chữa xả mặt. 2.3.1. Đập tràn xả đáy bao gồm 12 cửa van cánh cung có kích thước (6x10) m được chuyển động nhờ các xi lanh thuỷ lực, một cánh phai tương ứng với một xi lanh thuỷ lực. 2.3.2. 12 cánh phai này được chuyển động nhờ có 6 bộ dẫn động thuỷ lực.Thành phần của mỗi bộ dẫn động thuỷ lực bao gồm : (Máy bơm, Bảng panen, Xilanh thuỷ lực, Khối điều khiển, Thùng dầu, Trụ điều khiển, Trụ xi lanh, Èng dẫn dầu ). 2.4. Hệ thống khí nén OPY – 220/110 KV 2.4.1 Khái niệm : Hệ thống khí nén dùng để cung cấp khí nén cho các máy ngắt không khí, khí nén này có tác dụng dập hồ quang giữa các cực khi cắt mạch điện, truyền động, hoặc để thông gió bên trong máy ngắt đề phòng hơi Èm ngưng tụ tại đó. Các thiết bị hệ thống khí OPY đảm bảo Duy trì tự động áp lực 32 kg/cm2 và 20 kg/cm2 ở các hệ thống khí nén 220 KV và 110 KV Sấy nhiệt độ không khí tới độ Èm tương đối cần thiết Độ tổn hao cố định không khí để thông gió và dẫn trong hệ thống bằng 70m3 /giê, khi đó áp lực đủ trong các bình chứa khí, sau thời gian các máy nén khí tạm dừng làm việc 2 tiếng đồng hồ mà vẫn đảm bảo độ Èm không khí theo yêu cầu. Thời gian khôi phục đầy đủ áp lực trong hệ thống sau khi có sự cố nặng nhất là bé hơn 2 giờ mà không cần phải chạy máy nén khí dự phòng. 1.4.2. Cấu tạo hệ thống nén khí : Hệ thống này bao gồm: có 4 máy nén khí (trong đó có 3 máy làm việc, 1 để dự phòng) và 3 côm chai chứa mỗi cụm có dung tích 3m3. Mỗi máy nén cung cấp riêng cho từng cụm chai đặc biệt máy nén dự phòng có thể cấp đồng thời cho cả 3 côm. Kết cấu riêng của các máy nén khí : Có pít tông định hướng cố định và các xi lanh lắp vuông góc với nhau khi pít tông chuyển động tạo chân không thì không khí tràn đầy vào Xi lanh qua van hút, lượng không khí đủ thì pít tông chuyển động ngược lại van hút đóng lại không khí được nén tới một áp lực nhất định sau đó được đưa qua van đẩy. 2.5. Hệ thống khí nén cao và hạ áp gian máy trong nhà máy. Công dông: Hệ thống khí nén hạ áp dùng để cung cấp khí nén áp lực 0,8 Mpa (8 kg/cm2) cho các hộ tiêu thụ sau : Hệ thống phanh các tổ máy. Các đồng hồ thuỷ khí. Các dông cụ làm việc bằng khí nén dùng trong các công tác sửa chữa của hệ thống 2.6. Hệ thống dầu xả của các biến thế tự ngẫu và các máy biến thế tự dùng. Công dụng : Hệ thống này có tác dụng thu gom dầu, lọc dầu, xả nước mưa, xả nước ngầm cho hệ thống cứu hoả. ..của các máy biến thế tự ngẫu và các máy biến thế tự dùng ở hệ thống khí nén (OPY). 2.7. Hệ thống dầu tuabin. Hệ thống dầu tuabin đảm nhiệm mọi công việc tiếp nhận bảo quản làm sạch, phân phối kiểm tra số lượng, chất lượng loại dầu T/7-30 đang sử dụng tại nhà máy thuỷ điện Hoà Bình.Thiết bị dầu tuabin được bố trí tại nhà bờ trái và gian máy. Hệ thống ở gian máy được nối với hệ thống đặt ở nhà bờ trái qua tuyến ống công nghệ nằm ở hầm giao thông. 2.8. Thiết bị dầu áp lực (MHY) và hệ thống làm mát dầu. Thiết bị dầu áp lực dùng để cung cấp dầu áp lực T/7-30 (OCT 9972-74) hoặc dầu tương đương với nó cho bộ điều chỉnh tốc độ tuabin. Để thao tác điều tốc cần có hệ thống dầu áp lực làm nguồn cung cấp năng lượng, thiết bị dầu áp lực là khâu trung gian truyền lực cho động cơ sexcvomoto. Hệ thống MHY gồm có : Bình chứa dầu áp lực MHY, tổ máy bơm dầu, rơle điều khiển và thiết bị làm mát dầu được nối với nhau và nối với hệ thống thuỷ lực bằng các đường ống. *Bình chứa dầu áp lực MHY chứa dung tích 12.5 m3 có kết cấu hình trụ làm bằng kiểu hàn, đáy hình elíp làm bằng thép tấm, bình có cửa chui để kiểm tra và sửa chữa, có các chân để lắp đặt lên móng, các tai cheo để vận chuyển, có mặt bích và các ống để nối với các ống dẫn dầu và khí. Có trang bị các áp kế, ống thuỷ báo mức dầu, van khí một chiều, các đát trích báo mức, đát trích áp lực và các van khác. Trong bình dầu chỉ chiếm 3040% thể tích, phần còn lại là không khí nén. Nhờ tính đàn hồi của không khí nén mà sóng áp lực sinh ra khi thao tác điều chỉnh tuabin được giảm đi nhiều. Lượng dầu và áp lực dầu trong bình là nguồn dự trữ năng lượng, nên giảm nhẹ công suất bơm dầu(so với việc dùng bơm trực tiếp vào bộ phận điều chỉnh ). Trong quá trình làm việc, dầu và không khí nén trong bình bị hao hụt do rò rỉ. Vì vậy cần thường xuyên kiểm tra và bổ xung dầu vào bình chứa bằng hệ thống bơm, còn không khí nén được cung cấp bởi các hệ thống nén khí. Áp lực khí nén trong bình chứa dầu thường là 25, 40, do thao tác điều khiển động cơ secvo làm áp lực trong bình chứa sụt xuống. Khi áp lực trong bình sụt xuống 23 so với bình thường thì các bơm dầu hoạt động nhờ các rơle áp lực. Khi áp lực đạt bình thường thì rơ le tự động điều chỉnh dừng máy bơm. * Èng thuỷ báo mức dầu của bình MHY được lắp trên thành bình dầu khí, dùng để kiểm tra bằng mắt thường mức dầu trong bình MHY. Èng thuỷ có các van chặn, ống trong suốt đánh dấu thang đo và vá trong suốt bảo hiểm. * Van chặn gồm có van chặn trên và van chặn dưới, ngoài ra còn có các van bi một chiều. Trường hợp ống đo dầu bị vỡ thì các viên bi sẽ đậy các lỗ thông, không cho dầu chảy ra ngoài. Thang đo của ống thuỷ có các vạch chia độ tính bằng % so với thể tích bình dự trữ. * Van không khí một chiều được lắp trên đường ống dẫn có áp lực nối bình MHY với bình chứa khí của nhà máy và dùng để ngăn không khí không cho ra khỏi bình MHY sau khi nạp. * Bộ điều chỉnh mức dầu ở bình MHY. Bộ điều chỉnh mức dầu PYM-3 dùng để nạp bổ xung không khí vào bình MHY trong suốt quá trình MHY làm việc. Mức dầu trong bình MHY tăng quá mức (35% thể tích bình MHY) khoảng từ 15-20mm thì phao bộ điều chỉnh nổi lên và đẩy con đợi để mở van. Không khí từ bình chứa khí của nhà máy qua bộ lọc và đi vào bình MHY. Nếu mức dầu tụt quá mức thì phao cũng tụt xuống, giải phóng van bi áp lực dư của không khí sẽ làm bịt kín van. * Bể xả dầu. Bể xẩ dầu có kết cấu kim loại hàn bằng thép tấm dùng để thu gom dầu từ hệ thống thuỷ lực, lọc và khử không khí trong dầu. * Để duy trì chế độ nhiệt bình thường trong hệ thống thuỷ lực, MHY được nắp thiết bị làm mát dầu (MY-3b) có trị số chỉnh định chạy bơm ở 42 độ C và cắt bơm ở 38 độ C phát tín hiệu ở 37 độ C nhờ đát trích nhiệt độ báo hiệu. * Nhiệt độ toả ra trong hệ thống thuỷ lực do tổn thất năng lượng được làm nguội bằng phương pháp bức xạ tự nhiên và phương pháp đối lưu qua thiết bị làm mát dầu. Nhờ đó đảm bảo duy trì nhiệt độ môi trường trong phạm vi cho phép. 2.9. Hệ thống cấp nước kỹ thuật tổ máy và biến thế. Hệ thống cấp nước kỹ thuật phải được đảm bảo cấp nước sạch không ngừng cho các hộ tiêu thụ như: Bộ làm mát không khí, bộ làm mát dầu ổ hướng tuabin, ổ đỡ, ổ hướng máy phát, hệ thống cấp dầu điều khiển tổ máy, bộ làm mát hệ thống thiết bị bán dẫn động lực kích thích máy phát và các bộ phận có nhu cầu làm mát khác, để giữ ổn định cho các thiết bị đó trong quá trình làm việc. Lượng nước sạch này được thiết kế tính toán sao cho lưu lượng và áp lực của nước phải đảm bảo yêu cầu. Cấu tạo : Nó gồm có hai hệ thống : Hệ thống nước làm mát tổ máy bao gồm cả hệ thống làm mát bộ biến đổi thiristor. Hệ thống nước làm mát nhóm biến thế một pha. 2.10. Hệ thống cung cấp nước sản xuất nhà máy thuỷ điện Hoà Bình. Hệ thống cung cấp nước sản xuất đảm bảo dẫn nước sạch đến cho các thiết bị tiêu thụ để giữ nhiệt độ theo quy định va bôi trơn các thiết bị đang vận hành của nhà máy thuỷ điện ở tất cả các chế độ ổn định, quá độ của tổ máy. 2.11. Hệ thống trạm bơm thải sau cứu hoả các máy biến áp và hầm cáp: Trạm bơm thải nước và dầu dùng để bơm thải nước sau cứu hoả các máy biến áp và hầm cáp ở cao độ 24,6m. Trạm bơm nằm ở cao độ 9,8m trong gian máy biến áp. Để gom nước cứu hoả máy biến áp, các hầm cáp ở cao độ 24.6m và xả dầu sự cố ở các máy biến áp và cáp dầu áp lực, người ta làm bể số 2 ở cao độ 8.6m trong gian máy biến áp. 2.12. Hệ thống làm khô phần nước qua các tổ máy của nhà máy thuỷ điện. Hệ thống làm khô dùng để tháo cạn nước ở các bộ phận phần nước hạ lưu và giữ cho chóng trong tình trạng khô ráo để sữa chữa, những bộ phận này gồm có: Phần nước của ống dẫn nước có áp lực, buồng xoắn, buồng bánh xe công tác và ống xả. 2.13. KÕt cấu các thành phần cơ khí của tổ máy thuỷ lực. 2.13.1. Công dụng : Máy tuabin thuỷ lực trục đứng kiểu PO 150/810-B-567,2 dùng để dẫn động cho máy phát điện 3 pha có công suất định mức 240.000KW. Điều khiển tuabin được thực hiện bằng bộ điều tốc thuỷ lực, trong hộp với thiết bị dầu áp lực MHY. Tổ máy có khả năng làm việc ở cả chế độ bù. 2.13.2. Một số thông số kỹ thuật. Kiểu tuabin trục đứng hướng tâm : PO150/810-B-567,2 Đường kính bánh xe công tác : 5672 mm Chiều quay : Phải Cột áp tính toán : 88 m Cột áp tối đa : 109 m Cột áp tối thiểu : 60 m Công suất định mức : 245 MW Lưu lượng nước qua tuabin ở công suất định mức và cột áp tính toán : 301,5 m3/h Tần sè quay định mức : 125 vòng /phút Tần sè quay lồng tốc : 240 vòng /phút Hiệu suất tối đa ở cột áp định mức : 95 % Tải trọng tính toán tối đa trên ổ đỡ : 16,1 tấn Tổng tổn thất tính toán ở ổ đỡ : 380 KW áp lực trung bình trên xéc măng ở tải trọng tính toán : 31,5 kg/cm2 áp lực tối đa xéc măng chịu được : 7,6 kg /cm2 Số lượng xéc măng : 16 Khối lượng dầu trong bể : 10 m3 Loại dầu tuabin : T/7.30/OCT9972-74 Tốc độ quay tuabin : 20,6 m/s Độ lệch tâm : 9% 2.13.3. Kết cấu của tuabin. 2.13.3.1. Bánh xe công tác : (đường kính 5672 mm, chiều quay phải ) Là bộ phận làm việc chính của tuabin dùng để biến đổi năng lượng dòng chảy của nước thành cơ năng quay rôto máy phát, bánh xe công tác gồm có vành trên 16 cánh và vành dưới được hàn với nhau bằng hàn điện, ở phía dưới của vành trên có các bulông bắt ghép nắp rẽ dòng. Nắp này tạo nên sự đổi hướng của dòng chảy từ hướng kính sang hướng dọc trục một cách êm dịu, để tháo nước từ buồng phía trên bánh xe công tác ở vành trên có 10 lỗ xả D 130mm, để giảm bớt tổn thất năng lượng rò rỉ giữa bánh xe công tác và nắp tuabin và vành dưới của cánh hướng với vành dưới của bánh xe công tác có rãnh chèn hình răng lược. *Buồng bánh xe công tác : Là chỗ lắp đặt bánh xe công tác, buồng bánh xe công tác có dạng hình trụ. Khe hỡ giữa buồng và bánh xe công tác nằm trong phạm vi (0.00050.001)D. Trong đó D là đường kính bánh xe công tác. Nước được đổ vào bánh xe công tác qua các cánh hướng (lưu lượng nước là 301,5 m3/h) 2.13.3.2. Cánh hướng nước (bộ phận hước dòng): nằm ở phía stato Bộ máy cánh hướng nước điều chỉnh lưu lượng nước qua tuabin khi thay đổi công suất tổ máy cũng như ngăn không cho nước vào bánh xe công tác lúc dừng máy. Các cánh hướng được bố trí đều xung quanh và được gắn vào hai vành trên và dưới. Cánh hướng nước có dạng hình trụ và gồm những bộ phận sau: Số lượng cánh hướng là 20 cánh. Đều có 3 gối đỡ và được đúc bằng thép cácbon, các cánh đều có bạc định hướng làm bằng thép trong có phủ một lớp vật liệu chống mài mòn mà không cần bôi trơn. Ổ đỡ giữa và dưới được làm kín bằng gioăng cao su định hình, tất cả các gối trục của cánh hướng đều được ốp bọc bằng thép không rỉ. Ổ đỡ giữa cũng đồng thời là ổ chắn để bắt giữ chặt cánh hướng khỏi bị lực nước nâng lên trên. Để giảm bớt lượng nước rò qua cánh hướng đã đóng khi lắp ráp phải mài nhẵn các bề mặt tiếp giáp giữa các cánh, còn gioăng cao su giữa các khe rãnh của nắp tuabin và vành đỡ dưới là để chèn kín nước ở các đầu cánh. Mỗi cánh đều được treo lên nhờ bulông ở trên nắp chuyên dùng qua tay đòn và mặt bích của gối đỡ. Nắp này Ðp chặt vào nắp tuabin và cũng nhờ các bulông treo này để điều chỉnh vị trí nâng cánh và các khe hở ở hai đầu cánh việc quay cánh hướng thực hiện nhờ 4 xécvômôtơ được truyền qua vành điều chỉnh thanh giằng. Bản giằng tay đòn để truyền đến cho cánh hướng, Tay đòn được ghép với nhau bằng các chốt sắt, chốt sắt là khâu yếu nhất làm chức năng bảo vệ cánh hướng khỏi gẫy khi điều chỉnh không đều các thanh giằng hoặc các vật lạ lọt vào giữa các khe hở của cánh hướng. Các khớp bản lề của phần cơ khí quay động cơ đều có đặt các ống lót bằng nhựa pôlime tổng hợp không yêu cầu bôi trơn trong quá trình vận hành thanh giằng cánh hướng nước có thể điều chỉnh được chiều dài. Có thể làm cho các cánh hoàn toàn sát kín với nhau khi các cánh hướng nước đóng hết, gối đỡ tiếp nhận lực dọc trục của rôto, tổ máy cũng như mômen xoắn do ổ trục của tổ máy tạo ra kho rôto quay, để cố định cánh hướng ở vị trí mở hết, hoặc đóng hết có đặt 4 chốt hãm chịu được lực tổng hợp của 4xécvômôtơ. Việc quay các cánh hướng nước, khi khởi động và ngừng máy được thực hiện bằng 4 xéc vô mô tơ trục thẳng đứng tác động 2 chiều. Đường kính của pittông là 500 mm và hành trình của pittông là 730 mm áp lực định mức của xéc vô mô tơ lấy từ hệ thống điều chỉnh là 40kg/cm2. Cấu trúc của xéc vô mô tơ có 1 ống xi lanh thép kiểu hàn có các nắp được bắt chặt 2 đầu bằng gioăng, pittông gang, thanh giằng của xéc vô mô tơ có 1 đầu tự do được lắp vào lỗ của chốt trục. Chốt này được nối khớp với bản lề với vành điều chỉnh và có các ê cu chặn để bắt kẹp các thanh giằng với nó và cũng nhờ các ê cu này để đảm bảo điều chỉnh thanh giằng theo hướng dọc trục. Trong xéc vô mô tơ có hệ thống điều tiết làm chậm chuyển động của pittông ở cuối hành trình đóng có hệ thống xả dầu từ 2 khoang của xéc vô mô tơ vào tổ máy vét dầu. 2.13.3.3. Buồng xoắn stato : Là bộ phận dẫn nước vào bánh xe công tác có cấu tạo hình xoắn có tiết diện thay đổi không khép kín gồm có 20 khâu và một ống nối được cấu tạo từ thép tấm có độ dày khác nhau. Để vào được buồng xoắn có một lỗ tròn và có nắp đậy. 2.13.3.4. Èng hót : Tác dụng Dẫn nước từ bánh xe công tác tuabin xuống hạ lưu với Ýt tổn thất thủy lực nhất. Sử dụng được phần lớn động năng còn lại của nước sau khi ra khỏi bánh xe công tác. Khi đặt bánh xe công tác cao hơn mực nước hạ lưu hơn mực nước hạ lưu để tiện sửa chữa và giảm bớt khối lượng nhà máy thủy điện, nhờ có ống hút mà phần cột nước từ bánh xe công tác đến mức nước hạ lưu được sử dụng. 2.13.3.5. Stato tuabin : Nhận toàn bộ tải trọng của tổ máy, khối bê tông phía trên và lực Ðp do áp suất nước trong buồng xoắn, cánh hướng bánh xe công tác tạo nên. 2.13.3.6. Cấu trúc của roto gồm có hai phần : Phần đai trên và đai dưới cấu tạo từ 4 phần gắn với các vành đó là 48 trụ chịu lực, trong đó 5 trụ ở vành đầu vào buồng xoắn được chế tạo từ thép đúc còn các trụ khác được làm bằng thép tấm, đai trên của stato được nối đai tăng cường chịu áp lực bằng bê tông cốt sắt. 2.13.3.7. Trục tuabin : Truyền mô men quay từ bánh xe công tác đến trục của máy phát có cấu tạo nguyên khối, kiểu rỗng có vành riêng để lắp ổ hướng tuabin, đường kính trục là 1500 mm. Độ dày thành trục là 130 mm, tổng chiều dài là 6800 mm, đường kính của vành chỗ lắp ổ hướng là 1900 mm, mặt dưới của trục được nối bằng 20 bu lông M140 với mặt trên của bánh xe công tác tương tự như vậy đối với điểm nối của trục tuabin và roto máy phát. 2.13.3.8. Ổ hướng : Có tác dụng định vị trí của trục tuabin. Trong quá trình làm việc ổ hướng chịu tác dụng của lực hướng kính do không cân bằng về lực cơ thuỷ lực và lực điện của roto. Ổ hướng gồm có 12 xéc măng bằng thép trên bề mặt có phủ một lớp ba bít qua ống lót cách điện. Vỏ của ổ hướng : Bằng thép và được bắt chặt lên nắp tuabin nhờ bu lông và chốt định vị, phía dưới vỏ ổ hướng là thùng dầu có thể tích 1m3 để bôi trơn các xéc măng. Việc tuần hoàn dầu trong ổ hướng được thực hiện khi các trục quay nên nó có tính năng giống như bơm li tâm dẫn dầu trong thùng dầu và khoang giữa các xéc măng và vỏ của ổ hướng làm cho mức dầu ở đó đẩy lên tới mức cần để bôi trơn các xéc măng. Sau đó dầu qua lỗ ở thanh đứng của vỏ và đi theo đường ống xả đến 12 bộ làm mát bằng xung quanh thùng dầu dưới, từ dưới lên và tiếp tục vào thùng dầu. Do đó trong qúa trình làm việc phải thường xuyên kiểm tra mức dầu, nhiệt độ của dầu và nhiệt độ các xéc măng bằng các đát trích để biết tình trạng làm việc của tổ máy. 2.13.4. Các phần tử của hệ thống điều chỉnh tốc độ tuabin : Bộ điều tốc Thiết bị dầu áp lực Thiết bị tự động MHY Thiết bị tự động tuabin . Các thành phần của bộ điều tốc thuỷ lực Tủ điều tốc Bảng thiết bị Cơ cấu phản hồi Thiết bị chỉ huy Dầu áp lực từ bình chứa MHY được dẫn theo đường ống tới khối ngăn kéo chính, từ đây có 3 đường ống dẫn tới ngăn kéo sự cố rồi sau đó dẫn dầu tới các xéc vô mô tơ. Ngăn kéo sự cố : Có đường ống phụ nối với đường ống dầu áp lực và thông với bình chứa MHY, nó được sử dụng để đóng cánh hướng nước trong trường hợp bộ điều tốc bị hỏng, ngăn kéo có truyền động điện từ để điều khiển ngăn kéo sự cố. Khi tổ máy làm việc bình thường dầu dễ dàng chảy qua ngăn kéo sự cố, còn khi bộ điều tốc bị hỏng và tốc độ quay của roto tăng cao thì rơ le tần số quay sẽ được tín hiệu đi khởi động ngăn kéo sự cố có bộ dẫn động điện từ. Sau khi ngăn kéo sự cố tác động khi đó dầu sẽ được nối thông với khoang đóng các xéc vô mô tơ cánh hướng với đường dầu áp lực, còn khoang mở thông với đường xả do đó cánh hướng nước được đóng lại. Để đưa ngăn kéo sự cố trở lại vị trí đóng bình thường thì trước tiên ta phải cắt mạch điện cho ngăn kéo có truyền động điện từ để kiểm tra áp lực dầu trong buồng xéc vô mô tơ bằng các đồng hộ đo áp lực mạch phản hồi và đưa các phần tử của bộ điều tốc thuỷ lực về vị trí ban đầu. Cáp truyền : Thực hiện phản hồi cơ giữa cánh hướng nước và tủ điều tốc sẽ làm cho thiết bị chỉ huy (thực chất là các tiếp điểm hành trình) chuyển động và nó cho những tín hiệu khác nhau tuỳ theo vị trí của cánh hướng nước. Các tổ máy bơm vét dầu : Sử dụng để thu dọn dầu từ các cơ cấu điều chỉnh và kiểm tra tuabin còng nh­ định kỳ bơm dầu vào bể xả, ngoài ra còn dùng để tháo xả dầu cho đường ống của hệ thống điều chỉnh và tốc độ Thiết bị chỉ huy : Đảm bảo ghép và tách các mạch của hệ thống tự động điều khiển ở các vị trí xác định của cánh hướng. Thiết bị dầu áp lực và thiết bị tự động MHY : Dùng để cung cấp dầu áp lực cho các phần thuỷ lực của hệ thống điều chỉnh. Thiết bị tự động MHY : Dùng để tự động điều khiển các bộ phận của MHY thiết bị này được xác định trên cơ sở sử dụng các hệ thống không tiếp điểm và gồm có : Phần thông báo, Phần lôgic, và cơ cấu chấp hành. Ngoài ra còn một số các van xả để tháo hết nước khi cần sửa chữa hoặc kiểm tra tổ máy khi dõng. 2.13.5. Kết cấu của máy phát thuỷ lực : 2.13.5.1. Máy phát thuỷ lực : (kiểu CB1190/215 ) Trục của máy phát điện được nối trực tiếp với trục tuabin nên máy phát sẽ quay cùng với tốc độ quay của tuabin, do vậy việc điều chỉnh tần số và điện áp cảu máy phát chính là việc điều khiển tốc độ của tuabin thủy lực. Máy phát là nơi biến cơ năng do nước sinh ra thành điện năng phát lên lưới điện quốc gia. Được cấu tạo theo kiểu ô dù có 1 ổ đỡ được tỳ nên nắp tuabin và có 1 ổ hướng ở phần trung tâm của giá chữ thập trên. 2.13.5.2 Stato máy phát (phần đứng yên ): Vỏ của stato có cấu tạo từ thép tấm được hàn lại với nhau, stato được ghép vào bệ nhờ các bu lông bệ. Lõi của stato được được ghép bằng thép kỹ thuật điện cán nguội và được sơn cả hai mặt bằng sơn cách điện chịu nhiệt. Theo chiều cao của lõi thép được chia thành 41 ngăn mà giữa các ngăn có khe hở không khí làm mát. Cuộn dây của stato có dạng thanh dẫn uốn sóng hai lớp có 4 nhánh song song trên một pha và có 6 đầu ra trung tính. Số rãnh : Z= 576 Số cực : 2P=48 pha Số rãnh cho một cực và một pha : g=4 Bước quấn dây : 1-15-25 Số nhánh song song : a=4. 2.13.5.3 Roto máy phát (phần chuyển động ): Gồm có đĩa roto, thân roto có gắn đĩa phanh, các cực có cuộn dây kích từ và cuộn cảm, vành chổi than và may ơ của ổ đỡ. Đĩa roto là cấu trúc hàn đúc gồm có : Sáu nan hoa tiết diện hình hộp có thể tháo ra được. Phần trung tâm có ống lót đúc, đĩa gân và các tấm nối để bắp giữ các nan hoa. Mặt trong phía dưới của ống được đấu ghép với trục tuabin bằng các bu lông, mặt bích trên ống lót roto nối với trục phụ. 2.13.5.4 Máy phát phụ. Máy phát phụ dùng để cung cấp cho hệ thống kích thích độc lập bằng thiristor của máy phát thuỷ lực. Stato máy phát phụ được Ðp vào chân giá chữ thập trên còn roto được gắn vào khung bệ của roto máy phát thuỷ lực. 2.13.5.5. Máy phát điều chỉnh. Máy phát điều chỉnh thực chất là bộ xung tần số cho bộ điều tốc thuỷ lực của tuabin và nó cũng được làm máy phát đồng bộ 3 pha với phần kích thích bằng nam châm vĩnh cửu được nắp trên các cửa của roto. Để từ hoá các nam châm, mỗi cực từ có một cuộn dây đặc biệt. Cần phải tiến hành nạp từ điện áp stato thấp dưới 110 V. Tiến hành nạp từ bằng dòng một chiều 600 A, thời gian nạp không quá 1 giây. Trong thời gian làm việc, cuộn dây nạp từ phải được nối ngắn mạch. 2.13.5.6. Hệ thống thông gió. Để làm mát phần tác dụng của máy phát chính có dùng hệ thống thông gió tuần hoàn làm mát bằng không khí. Roto máy phát làm việc giống như quạt li tâm tạo nên áp lực gió làm mát cần thiết, làm mát các cực từ roto, cuộn dây và lõi thép stato và đi vào các bộ làm mát gió bằng nước, khi ra khỏi bộ làm mát khí theo hướng gió khép kín quanh stato, không khí lạnh được chia làm hai đường quay trở lại roto. Các bộ làm mát khí được nắp vào thân stato máy phát chính. 2.13.5.7. Hệ thống phanh. Để phanh roto khi ngừng máy và khi sửa chữa. tổ máy có bố trí 24 bé phanh kích, các phanh này có các êcu và các vít nâng 3 ngả để giữ roto, ở trạng thái nâng phanh làm việc. Thiết bị phanh gồm có van chặn không khí có bộ dẫn động điện áp kế. .. và có khả năng điều khiển bằng tay. 2.13.5.8. Hệ thống kiểm tra nhiệt độ. Máy phát được kiểm tra nhiệt độ nhờ các bộ biến đổi nhiệt điện trở và nhiệt điện kế áp lực có tín hiệu được nắp ở đầu nối để kiểm tra nhiệt độ của lõi sắt stato máy phát cả 3 pha, kiểm tra nhiệt độ các xéc măng của ổ đỡ và ổ hướng, trong bể dầu cũng có lắp các nhiệt điện trở nhiệt kế áp lực có tín hiệu. 2.13.5.9. Hệ thống cứu hoả. Máy phát thuỷ lực được trang bị hệ thống cứu hoả bằng nước phun. Thiết bị dập lửa máy phát chính có cấu tạo từ hai vòng ống dẫn bố trí xung quanh phần trên và dưới stato. Theo vòng tròn của ống góp có rất nhiều lỗ nhỏ trong đó có lắp các ống phun. Nguốn cung cấp nước cứu hoả máy phát thuỷ lực phải là nguồn độc lập. Máy phát phụ cũng được bố trí 1 ống phòng hoả riêng, trên đường ống dẫn có lắp thiết bị van chặn tác động điện. 2.14. Máy biến áp. Máy biến áp là một thiết bị điện từ đứng yên, làm việc trên nguyên tắc cảm ứng điện từ, biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp máy phát lên cấp điện áp truyền tải 110kV, 220kV, 500kV... với tần số không thay đổi. Công suất của máy biến áp được tính sao cho có thể đáp ứng được công suất tối đa của máy phát. * Các loại máy biến áp được dùng trong nhà máy thuỷ điện Hoà Bình. Các máy biến áp 1 pha, 2 cuộn dây kiểu //-105000/220-85-TB-B dùng để đấu nối 3 pha và lắp đặt vào khối máy phát biến áp. Máy biến áp tự ngẫu 3 pha, 3 cuộn dây kiểu ATD//TH6-3000/220/110-TL, có bộ điều chỉnh điện áp dưới tải, dùng để liên lạc OPY-220 và cung cấp cho tự dùng nhà máy. Máy biến áp 3 pha, 2 cuộn dây kiểu TMH-6300/35-74-71 có bộ điều chỉnh điện áp dưới tải, máy biến áp này được đấu vào các cuộn dây 35 KV của máy biến áp tự ngẫu và các thanh dẫn điện áp máy phát, dùng để cung cấp điện tự dùng cho nhà máy. 2.15. Kháng điện Chức năng chính của kháng điện là hạn chế dòng điện khi có sự cố sảy ra nh­ ngắn mạch, quá điện áp khí quyển(nh­ do sét đánh) 2.16. Máy cắt Máy cắt dùng để đóng cắt điện áp ở chế độ bình thường và tác động cắt tải hay máy phát ra khỏi lưới điện khi có sự cố sảy ra theo dòng điện. 2.17. Dao cách ly và dao nối đất. Chức năng tạo sự an toàn khi có nhu cầu kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa phần mạng điện của hệ thống. Tùy thuộc vào vị trí dao cách ly mà nó có những chức năng nhất định. Như dao cách ly đặt nối đất của đường dây có tác dụng giải phóng các điện áp dư trên mạng điện mà đã ngắt ra khỏi nguồn điện nhằm đảm bảo an toàn khi kiểm tra và sửa chữa. Toàn bộ thao tác này được thực hiện bằng động cơ. 2.18. Hệ thống chống sét. Có tác dụng bảo vệ đường dây, các thiết bị động lực khác khi có hiện tượng quá điện áp hệ thống hoặc quá điện áp khí quyển sinh ra. 2.19. Thanh cái Là nơi tập trung chuyển công suất điện áp từ hệ thống máy phát lên lưới điện và đến các hộ tiêu thụ khác. 2.20. Biến điện áp (TU) và biến dòng điện (TI) Biến điện áp và biến dòng điện thuộc bộ phận đo lường và chỉ thị có tác dụng biến các điện áp siêu cao, cao, trung và hạ thế về các cấp điện áp nhỏ có thể tiếp xúc được các thiết bị đo lường và hiển thị các thông số của nhà máy và đường dây. 2.21. Hệ thống điện tự dùng. Hệ thống điện tự dùng công suất lấy ra từ đầu cực máy phát hay một phần công suất điện áp đưa vào trạm điện để phục vụ các hộ tiêu thụ nhỏ đây là việc nội bộ trong nhà máy thủy điện. CHƯƠNG 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY TUABIN (BỘ ĐIỀU TỐC) CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÒA BÌNH: 3.2. Hệ thống điều khiển tốc độ quay của tuabin: Các chương trước, chúng ta đã tìm hiểu về các thiết bị trong nhà máy, gồm cả các thiết bị cơ và điện, đặc biệt là tuabin thủy lực. Song hệ thống dầu áp lực và bộ điều tốc là các thiết bị quan trọng trong nhà máy thủy điện, có nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ tuabin phục vụ cho điều chỉnh tần số để hệ thống điện luôn luôn ổn định. Vì vậy chương này chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu nghiên cứu về nhiệm vụ cũng như nguyên lý hoạt động của bộ điều tốc. Hình vẽ tổng quan hệ thống dầu áp lực và bộ điều tốc (HÌNH CHỤP SAU 3.1) Hệ thống dầu áp lực gồm có : Thùng chứa dầu áp lực. 1.4 Hệ thống làm mát dầu Bảng điều khiển 1.5 Hệ thống trao đổi dầu Máy bơm dầu Hệ thống điều tốc điện thủy lực: 2.1 Tủ điều tốc 2.2 Tủ khởi động bộ điều tốc 2.3 Van sự cố bộ điều chỉnh van định hướng xecvomoto 2.4 Thiết bị phản hồi 2.5 Bộ bảo vệ tần số và chống lồng tốc. Hệ thống tự động điều chỉnh tuabin: 3.1 Tủ điều khiển tự động 3.6 Đo mức dầu ổ trục 3.2 Bảng dụng cụ đo và điều khiển 3.7 Đo độ mở trục ổ hướng 3.3 Vòng hướng đo nhiệt độ 3.8 Đo mức nước nắp tuabin 3.4 Đồng hồ đo lưu lượng 3.9 Đo áp suất của nước dưới 3.5 Khóa van cánh hướng bánh xe công tác. * Nhiệm vụ và nguyên lý làm việc của bộ điều tốc: 3.2.1. Nhiệm vụ: - Giữ số vòng quay của tổ máy không thay đổi (thay đổi trong giới hạn cho phép ) trong phạm vi thay đổi phụ tải của máy phát. - Phân bố phụ tải của các tổ máy làm việc song song. - Thực hiện qúa trình mở và tắt máy trong điều kiện bình thường và trong điều kiện có sự cố. 3.2.2. Nguyên lý làm việc: Phương trình chuyển động của rôto máy phát có dạng: MT - MC =J . (1) Trong đó : MT - Mômen của tuabin. MC - Mômen cản, phụ thuộc vào phụ tải. J – Mô men quán tính của roto tổ máy - Vận tốc góc. Mômen của tuabin được xác đinh theo công thức: MT = ; hoặc MT = . (2) Trong đó : Q lưu lượng nước H Chiều cao cột nước N Công suất tuabin Hiệu suất của tuabin Từ biểu thức (2) ta thấy trong điều kiện trạm làm việc, cột áp suất trong ngày hầu nh­ không thay đổi, hiệu suất gần nh­ không đổi, mômen của tuabin phụ thuộc vào lưu lượng. Nhiệm vụ cơ bản của bộ điều tốc là làm thay đổi lưu lượng qua tuabin, để thay đổi mômen tuabin sao cho bằng mômen cản và giữ cho số vòng quay không đổi. Từ phương trình (1), trạng thái làm việc của hệ thống có thể mô tả qua 3 phương trình: J = 0 (3) J = const (4) MT - MC = 0 (5) Tương ứng với ba phương trình này, ta có ba nguyên lý điều chỉnh tuabin: * Theo phương trình (3) người ta chế tạo ra bộ điều tốc có nhiêm vụ điều chỉnh gia tốc sao cho d/dt =0. Bộ điều tốc này gọi là điều tốc gia tốc. * Theo phương trình (4) người ta chế tạo ra bộ điều tốc thay đổi sự thay đổi của vận tốc góc và tác động sao cho J = const. * Theo phương trình (5) người ta chế tạo ra bộ điều tốc có khả năng theo dõi sự thay đổi của mômen MC, hay là theo dõi sự thay đổi của phụ tải, để điều chỉnh mômen động lực của tuabin MT, sao cho MT cân bằng với MC. Có thể đạt được điều này bằng hai cách: Điều chỉnh MT thông qua việc điều chỉnh lưu lượng qua tuabin, sao cho MT = MC. Điều chỉnh MC thông qua việc điều chỉnh tổng mômen cản của phụ tải, sao cho MT = MC. Theo hướng này ta có loại điều tốc điều chỉnh phụ tải. Nhà máy thuỷ điện Hoà Bình dùng tuabin tâm trục, nên việc điều chỉnh thực hiện nhờ hệ thống cánh hướng dòng, từ đó điều chỉnh dễ dàng MT theo MC . 3.3. Cấu tạo và hoạt động của phần cơ khí của tủ điều tốc Tủ điều tốc kiểu )/P-150-11 là phần cơ khí thủy lực của bộ điều chỉnh điện thủy lực dùng để tự động điều chỉnh tần số quay và điều khiển tuabin thủy lực hướng tâm, hướng trục ở các chế độ khác nhau, đồng thời dùng để điều chỉnh riêng và điều chỉnh theo nhóm công suất hữu công của tổ máy. Trọn bộ điều tốc gồm có: tủ điều tốc, bảng thiết bị điện, cơ cấu liên lạc ngược và máy chỉ huy. Các số liệu kỹ thuật: - Đường kính quy ước của ngăn kéo chính:150mm - Áp lực làm việc của dầu trong hệ thống điều chỉnh: 40kg/cm2 - Mác dầu trong hệ thống điều chỉnh (Dầu tuabin): T/7-30 - Nhiệt độ dầu của hệ thống điều chỉnh: +10..50oC - Thời gian làm việc của động cơ bộ hạn chế độ mở từ 0 đến 100% hoặc ngược lại: 10..30s - Hành trình lớn nhất của bộ biến đổi điện thủy lực: +(-)6mm - Kích thước tủ điều tốc (Không có ngăn kéo chính): 500x500x1715 - Trọng lượng tủ điều tốc: 1610kg Cấu tạo tủ điều tốc: Tủ điều tốc gồm các bộ phận chính sau đây: Bộ biến đổi điện thủy lực Ngăn kéo chính Cơ cấu hạn chế độ mở Cơ cấu điều chỉnh theo cột nước Cơ cấu liên lạc ngược điều chỉnh theo cột nước Trục của các bộ hạn chế Trục liên lạc ngược Bộ phát tín hiệu đứt dây cáp phản hồi Bộ lọc dầu kép Ở mặt trước của tủ điều tốc có lắp vô lăng điều khiển cơ cấu hạn chế độ mở, nhờ vậy có thể điều khiển tổ máy bằng tay và khoá điều khiển cơ cấu thay đổi tần số và công suất khi tô máy làm việc ở chế độ phát điện và các đồng hồ cần thiết để theo dõi sự làm việc của tổ máy và của bộ điều tốc. - Đồng hồ tốc độ điện báo tần số quay của tổ máy - Đồng hồ chỉ độ mở của máy hướng nước và vị trí của bộ hạn chế. - Đồng hồ cân bằng chỉ giá trị và chiều dòng điện điều khiển trong cuộn dây của bộ biến đổi điện thủy lực - Các đèn tín hiệu báo vị trí các chốt vành điều khiển - Áp kế báo áp lực dầu đưa vào bộ biến đổi điện thuỷ lực và các bộ báo cột nước nằm ở trong tủ điều tốc. - Dây cáp phản hồi cơ và tất cả các đường ống dẫn đến tủ điều tốc từ phía dưới. Nguyên lý hoạt động: 3.3.1: Bộ biến đổi điện thủy lực [] gồm các bộ biến đổi điện từ [M)/7]-1 và bộ khuếch đại thủy lực-2. Bộ biến đổi điện từ là bộ phân gắn liền phần điện và cơ khí thủy lực của bộ điều tốc. Nó là một hệ thống điện từ làm việc trên nguyên lý tác động tương hỗ giữa từ trường của cuộn 1.3 và nam châm vĩnh cửu 1.4. Nếu trong cuộn dây có dòng điện đi qua thì cuộn dây sẽ chuyển động do tác động của lực điện từ giá trị và chiều chuyển động này tương ứng với giá trị và chiều tín hiệu điện vào cuộn dây. Cuộn dây 1.3 truyền chuyển động với bản chắn 1.5, khi bản chắn này chuyển động sẽ làm thay đổi áp lực dầu trong các khoang của bộ khuếch đại thủy lực, làm cho pittông 2.1 dịch chuyển lên trên hoặc xuống dưới ứng với chiều chuyển động của cuộn dây. Khi pittông 2.1 rời khỏi vị trí giữa thì khoang trên pittông sẽ thông với hoặc là đường dầu áp lực hoặc là đường dầu xả, do đó làm cho pittông chuyển động xuống dưới hoặc lên trên cho đến khi mạch phản hồi thông qua đát trích chuyển dịch 2.6 tác động cắt tín hiệu điều khiển vào cuộn dây1.3. Để nâng cao độ nhạy của bộ khuếch đại thuỷ lực 2, người ta dùng dòng điện xoay chiều vào cuộn dây 1.3 để tạo rung cho hệ thống chuyển động của bộ biến đổi điện từ. Biên độ dao động trên cần pittông 2.4 = +[-]0.15..0.2. Thông qua các mối liên kết cơ khí thuỷ lực tương ứng, độ dao động được truyền tới kim ngăn kéo kích thích 8.4. Đồng hồ cân bằng 10 báo giá trị về chiều dòng điện điều khiển trong cuộn dây. Áp lực dầu làm việc trong bộ khuếch đại thuỷ lực là 18-20kg/cm2. Tiết lưu 4 tách dùng để giảm áp lực từ 40kg/cm2 xuống trị số nêu trên. Khi điều khiển tổ máy bằng tay thì bộ khuếch đại thuỷ lực được tách ra bằng cách bẻ cần 2.3 về vị trí “Bằng tay” khi đó áp lực dầu sẽ đưa pittông 2.4 lên vị trí trên cùng và không hạn chế độ chuyển dịch củ thanh truyền 8.6 và kim 8.4. 3.3.2: Ngăn kéo chính 8 về mặt cấu tạo được hợp nhất với ngăn kéo kích thích 8.4 và xéc vô mô tơ phụ 8.2. Lò xo đảm bảo Ðp giữa kim ngăn kéo kích thích 8.4 với thanh truyền 8.6 và hệ thống truyền động, bằng thanh truyền do ngăn kéo chính điều khiển và do tính sai áp của kim ở ngăn kéo kích thích nên giữa các đĩa của nó tạo ra hướng áp lực. Do tính sai áp của thân ngăn kéo chính 8.3 nên tạo ra lực hướng lên phía trên, cân bằng với lực từ phía pittông xéc vô mô tơ phụ 8.2. Kim 8.4 chuyển động lên trên và xuống dưới nhờ tác động của thanh truyền 8.6 sẽ làm cho áp lực trong khoang trên pittông 8.4 thay đổi, phá vỡ cân bằng lực tác động cần pittông, do đó pittông chuyển về hướng tương ứng (Lên trên hoặc xuống dưới) thông qua thanh truyền 8.6 đẩy kim ngăn kéo kích thích 8.4 về vị trí giữa. Thân ngăn kéo chính 8.3 chuyển động cùng với pittông, đẩy dầu áp lực vào một khoang của xéc vô mô tơ máy hướng nước và thông khoang kia với đường dầu cả. Thời gian mở và đóng của xéc vô mô tơ máy hướng nước được điều chỉnh bằng các êcu 8.1, trong đó êcu trên hạn chế hành trình xuống dưới của thân ngăn kéo chính và chỉnh thời gian đóng, còn êcu dưới hạn chế hành trình lên phí trên và chỉnh thời gian mở. 3.3.3: Cơ cấu hạn chế độ mở [MOO] Nhờ có cơ cấu hạn chế độ mở có thể ngừng và khởi động tổ máy điều khiển bằng tay và hạn chế độ mở cánh hướng nước. Cơ cấu có 2 bộ truyền động độc lập, bộ truyền động bằng tay 14.1 và bộ truyền động tự động 14.2. Khi động cơ chay hoặc quay vô lăng thì cần 14.7 sẽ truyền động làm quay trục hạn chế 18. Trục hạn chế quay sẽ tác động lên ngăn kéo chính 8 và sẽ làm cho thân ngăn kéo chuyển động. Do ngăn kéo chuyển động, xéc vô mô tơ máy hướng nước sẽ thay đổi vị trí của mình và thông qua cáp liên lạc ngược 22 làm quay trục liên lạc 19 đẩy thân ngăn kéo về vị trí giữa. Để hạn chế độ mở máy hướng nước, cơ cấu độ mở được đưa về vị trí ứng với độ mở cho phép lớn nhất tuỳ theo điều kiện vận hành. Khi máy hướng nước dịch chuyển về phía mở đạt tới độ mở đó thì liên lạc ngược thông qua trục liên lạc ngược 19 đẩy thân ngăn kéo về phía giữa và máy hướng nước ngừng chuyển động. Động cơ điện 14.2 dừng lại ở vị trí ngoài cùng nhờ các công tắc hành trình đầu cuối: Đóng 14.3, mở 14.4. 3.3.4: Cơ cấu hiệu chỉnh bộ điều chỉnh theo cột nước 15. Độ mở vào tuabin bị hạn chế nhờ cam 15.3, thông qua thanh truyền 18.2 và 18.4 tác động liên tục bộ hạn chế 18, đưa nó về vị trí ứng với độ mở cho phép lớn nhất của máy hướng nước ở cột nước đó. Cam 15.3 được chế tạo phù hợp với đường giới hạn công suất của tổ máy được xác định bởi đặc tính vận hành. 3.3.5: Cơ cấu liên lạc ngược điều chỉnh theo cột nước 17 đảm bảo cắt tín hiệu đến động cơ 15.1 của cơ cấu chỉnh bộ điều chỉnh theo cột nước khi cơ cấu điều chỉnh theo cột nước đạt tới vị trí ứng với cột nước đang làm việc. 3.3.6: Trục bộ hạn chế 18 lùa chon giá trị lớn nhất hạn chế độ mở máy hướng nước trong các giá trị hiện có ở thời điểm đó ở cơ cấu hạn chế độ mở 14 và han chế theo cột nước 15. 3.3.7: Trục liên lạc ngược 19 dùng để truyền tín hiệu liên lạc ngược từ xéc vô mô tơ máy hướng nước. Trục có quả tạ 19.3 để kéo căng dây cáp 22. Để trục không bị quay qúa trong trường hợp đứt dây cáp, người ta lắp chốt hạn chế 20.2 trên bệ máy, ở dưới qủa tạ người ta có lắp bộ phận hình dẻ quạt 19.5 để dây cáp truyền chuyển động của xéc vô mô tơ máy hướng nước đến đồng hồ chỉ độ mở của máy hướng nước 13. Vị trí bộ phận hình dẻ quạt trên quả tạ có thể được điều chỉnh nhờ cam lệch tâm. 3.3.8: Bộ lọc dầu kép 5 dùng để lọc thêm dầu vào các cơ cấu nằm trong tủ điều tốc. Cấu tạo bộ lọc đảm bảo có thể dùng dầu sạch để vệ sinh và rửa phần lưới lọc không làm việc và không phải tháo nó ra khỏi vỏ. Ngoài ra còn các đồng hồ cần thiết để theo dõi sự làm việc của tổ máy và của bộ điều tốc. - Đồng hồ tốc độ điện báo tần số quay của tổ máy - Đồng hồ chỉ độ mở của máy hướng nước và vị trí của bộ hạn chế. - Đồng hồ cân bằng chỉ giá trị và chiều dòng điện điều khiển trong cuộn dây của bộ biến đổi điện thủy lực - Các đèn tín hiệu báo vị trí các chốt vành điều khiển - Áp kế báo áp lực dầu đưa vào bộ biến đổi điện thuỷ lực và các bộ báo cột nước nằm ở trong tủ điều tốc. - Dây cáp phản hồi cơ và tất cả các đường ống dẫn đến tủ điều tốc từ phía dưới. Quá trình hoạt động ở các chế độ khác nhau của tủ điều tốc: * Khởi động tổ máy: Vị trí của các cơ cấu và các bộ phận riêng biệt trước khi khởi động tổ máy như sau : Van 7 trong tủ điều tốc mở, áp lực dầu bằng 18-20kg/cm2. Cần 2.3 của bộ biến đổi điện thuỷ lực nằm ở vị trí Tự động. Cơ cấu hạn chế mở nằm ở vị trí tương ứng với vị trí máy hướng nước đóng hoàn toàn. Kim đỏ của đồng hồ 13 nằm ở chấm đỏ kể từ phía 0 của thang đo. Kim đen chỉ máy hướng nước đóng hoàn toàn. Đèn tín hiệu 12 báo xéc vô mô tơ máy hướng nước đã tháo chốt ( Đèn xanh sáng). Khi phát tín hiệu khởi động, động cơ 14.2 đóng điện đẩy cần 14.7 của bộ hạn chế độ mở lên phía trên. Khi cần bắt đầu chuyển động thì tiếp điểm cuối14.3 tác động và phát tín hiệu điều khiển vào cuộn dây của bộ biến đổi điện thủy lực làm việc nhở tín hiệu của bộ hạn chế điện trên bảng thiết bị điện. Tổ máy bắt đầu quay, khi tần số quay gần bằng tần số quay định mức và máy hướng nước mở đến độ mở không tải thì tiến hành đồng bộ và hoà tổ máy vào lưới. Khi đóng máy ngắt của máy phát thì bộ hạn chế điện được cắt ra. Tổ máy có thể mang tải đến phụ tải cho phép lớn nhất của cột nước đó. * Ngừng máy : Khi phát tín hiệu ngừng tổ máy bình thường thì cơ cấu thay đổi tần số và công suất sẽ giảm bớt phụ tải của tổ máy bằng cách đóng bớt máy hướng nước của tuabin. Khi máy hướng nước đạt tới độ mở không tải thì tổ máy được cắt khỏi lưới nhờ tiếp điểm hành trình của máy chỉ huy, lúc đó động cơ bộ hạn chế độ mở đóng điện làm việc về phía đóng, máy hướng nước đóng hoàn toàn, tổ máy ngừng. Tiếp điểm hành trình tác động cắt điện động cơ. * Tổ máy làm việc dưới tải: Tần số trong lưới điện tăng lên làm cho tần số quay của tổ máy cũng tăng lên. Khi tần số đó vượt quá giá trị số bộ nhạy của bộ điêu tốc thì trên bảng điện sẽ tạo ra tín hiệu tỷ lệ với độ sai lệch tần số và có chiều hướng khôi phục trạng thái cân bằng, nghĩa là có chiều hướng đóng bớt máy hướng nước. * Sa thải phụ tải: Khi máy ngắt của máy phát nhảy, bảng thiết bị điện hình thành tín hiệu “Đi đóng” truyền qua bộ biến đổi thuỷ lực, do đó thân ngăn kéo chính 8.3 chuyển động hết xuống dưới và máy hướng nước đóng lại với tốc độ lớn nhất mà điều kiện đảm bảo điều chỉnh cho phép. * Ngừng sự cố tổ máy. Nếu sau khi máy ngắt của máy phát nhảy mà thân ngăn kéo chính không chuyển động xuống dưới và công tắc hành trình củ mạch bảo vệ chống lồng tốc 21 không nhả ra thì ngăn kéo sự cố sẽ tác động khi tần số quay của tổ máy đạt bằng 115% tốc độ định mức và ngăn kéo sự cố sẽ đóng máy hướng nước không qua ngăn kéo chính của bộ điều tốc. Ngăn kéo sự cố cũng tác động để đóng máy hướng nước khi bất kỳ bảo vệ cơ khí thuỷ lực vào làm việc mà máy hướng nước không đóng lại được bằng ngăn kéo chính của bộ điều tốc. Khi lồng tốc 170% nguyên lý làm việc của ngăn kéo sự cố có bộ truyền động điện tử. Việc ngừng sự cố tổ máy do các nguyên nhân không liên quan tới lồng tốc được thực hiện bằng cách đống điện động cơ của các cơ cấu hạn chế độ mở. Trong trường hợp này máy phát được cắt khỏi lưới điện nhờ công tắc hành trình của máy chỉ huy khi các máy hướng nước đạt tới độ mở không tải. * Điều khiển bằng tay. Để điều khiển bằng tay, cần của bộ biến đổi điện thuỷ lực 2.3 phải đưa về “Bằng tay” lúc đó khoang trên pittông 2.4 củ bộ biến đổi điện thuỷ lực sẽ thông với đường dầu xả và pittông chuyển động lên trên, lại trừ khả năng làm việc tự động của điểu tốc qua bộ biến đổi điện thuỷ lực. Trong trường hợp này phải dung vô lăng của cơ cấu hạn chế độ mở 14.1 để khởi động, ngừng, duy trì tần số quay và thay đổi phụ tải của tổ máy. Khởi động tổ máy ở chế độ điều khiển bằng tay nh­ sau: Quay vô lăng 14.1 để đưa cần bộ hạn chế 14.7 về vị trí độ mở khởi động bằng cách căn cứ vào chỉ số đồng hồ vị trí máy hướng nước 13. Dùng vô lăng 14.1 của cơ cấu hạn chế độ mở 14 chỉnh độ mở không tải phù hợp để đạt tần số quay định mức 100%. Ngừng tổ máy bằng cách quay vô lăng 14.1 về phía đóng. Khi đó tổ máy phải tự động cắt khỏi lưới khi máy hướng nước đạt tới độ mở không tải. * Trình tự chuyển tổ máy từ điều khiển bằng tay ra điều khiển tự động và ngược lại. Khi chuyển từ điều khiển bằng tay sang tự động phải dùng khoá 9 để đưa kim đồng hồ cân bằng 10 đến vạch 1-1.5 về phía “Tăng” sau đó chuyển cần 2.3 về vị trí “Tự động”. Sau khi thực hiện thao tác trên, dung khoá 9 phát tín hiệu “Giảm” cho đến khi kim đồng hồ cân bằng 10 nằm về vạch “0” trên đồng hồ 13. Kim đen chỉ vị trí máy hướng nước cách kim đỏ hạn chế độ mở một Ýt, dùng vô lăng 14.1 để đưa cần 14.7 về vị trí mở hết. Khi chuyển từ điều khiển tự động sang bằng tay thì phải quay vô lăng 14.1 của cơ cấu hạn chế độ mở về phía đóng đến khi nào trên đồng hồ 13 kim đỏ và kim đen trùng nhau, lúc đó trên đồng hồ cân bằng sẽ xuất hiện tín hiệu nhỏ về phía tăng sau đó chuyển cần 2.3 về vị trí “Bằng tay”. Thực hiện nghiêm túc trình tự thao tác ở mục 5.6 khi chuyển từ điều khiển tự động sang điều khiển bằng tay và ngược lại sẽ đảm bảo phụ tải của tổ máy sẽ không thay đổi. Chỉ ở chế độ điều khiển bằng tay hoặc khi máy đã ngừng mới được phép đóng và mở van 7. 3.4. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của ngăn kéo đóng sự cố máy hướng nước. 3.4.1: Tổ máy ngừng sự cố nhờ ngăn kéo sự cố được điều khiển bằng điện thủy lực. Ngăn kéo sự cố gồm có: - Bản thân ngăn kéo sự cố đường kính 150mm. - Ngăn kéo điều khiển cuộn điện từ. - Bộ tiết lưu. 3.4.2: Ngăn kéo sự cố được lắp đặt trên các ống điều khiển, nối ngăn kéo chính của bộ điều tốc với các xéc vô mô tơ máy hướng nước. Đầu nối với ngăn kéo sự cố có các đường ống: Èng áp lực từ MHY. Èng xả dầu về MHY. Èng nối với xécvômôtơ lắp trong ngăn kéo, vào khoang B. - Èng tháo dầu về bơm vét dầu. Khi tổ máy ở chế độ điều khiển bình thường, thân ngăn kéo 1.1 nằm ở vị trí ngoài cùng bên phải và không ngăn cản dòng dầu từ ngăn kéo của bộ điều chỉnh tới xécvômôtơ máy hướng nước. Ngăn kéo sự cố được điều khiển nhờ xécvômôtơ láp ở bên trong. Khi ngăn kéo sự cố phát tín hiệu ngừng tổ máy thì khoang “B” của xécvômôtơ bên trong thông với đường dầu xả, dầu áp lực ở khoang “A” đẩy thân ngăn kéo 1.1 từ vị trí ngoài cùng bên phải sang bên trái. Do đó bịt kín ống điều khiển từ ngăn kéo chính tới các xécvômôtơ. Khoang “A” đóng của xécvômôtơ máy hướng nước thông với đường dầu áp lực, còn khoang “B” mở của xécvômôtơ thông với đường dầu xả. Do đó xécvômôtơ máy hướng nước đóng lại. 3.4.3: Ngăn kéo điều khiển cuộn điện từ: Ngăn kéo điều khiển 3 có cuộn điện từ 2 dùng để điều khiển bằng tay và tự động ngăn kéo sự cố. Khi tổ máy ở chế độ điều khiển bình thường thì cuộn điện từ 2 không có điện, kim 3.1 nằm ở vị trí cuối cùng. Ngăn kéo thông khoang B của xéc vô mô tơ lắp bên trong với áp lực cố định thân ngăn kéo 1.1 ở vị trí ngoài cùng bên phải. Khi cuộn dây điện từ 2 có điện sẽ hút lõi cảm ứng 2.1 cùng cần 3.1 lên trên và chốt lại làm thông khoang “B” của xéc vô mô tơ với đường dầu xả. Khỉ giải trừ liên động, lõi cảm ứng từ 2.1 cùng với kim 3.1 được tháo ra khỏi chốt và được lò xo kéo xuống dưới khoang B của xéc vô mô tơ lắp bên trong được thông với đường áp lực. Ngăn kéo điều khiển 3 có thể được giải trừ liên động bằng nút 2.3 hoặc từ bàn điều khiển từ xa. Ngăn kéo được điều khiển bằng tay bằng cách Ên lên cần 2.2 đến khi lõi điện từ 2.1 cùng kim 3.1 được cố định ở vị trí trên cùng. 3.4.4 Bộ trích lưu: Bộ trích lưu 4 được lắp trên ống xả dầu của ngăn kéo sự cố số 1, nó dùng để xác định thời gian đóng xéc vô mô tơ máy hướng nước bằng ngăn kéo sự cố theo đúng thời gian đảm bảo điều chỉnh. 3.5. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của phần điện của bộ điều tốc (Hình vẽ 3.2. sơ đồ phần điện của bộ điều tốc) Tần số là thông số cần điều chỉnh trong suốt quá trình hoạt động của hệ thống và nhiệm vụ của các bộ điều tốc là điều chỉnh tần số đạt bằng giá trị đặt trong khoảng thời gian ngắn nhất, mà không có dao động lớn gây ảnh hưởng tới chất lượng điện năng của hệ thống. Khi tổ máy chưa hòa vào lưới (tức chưa tham gia vào quá trình phát điện) thì việc điều chỉnh tần số được thực hiện thông qua điều chỉnh tốc độ quay của tuabin. Khi tốc độ của tuabin đạt tốc độ định mức (125vòng/phút) tương ứng với tần số 50hz (có thể sai khác 0.1- 0.15hz), cộng thêm các điều kiện thỏa mãn của điện áp và góc pha giữa tổ máy và lưới(), thì cho phép tổ máy hòa lưới (tức tham gia vào quá trình phát điện). Lúc này vấn đề điều chỉnh tần số không còn là nhiệm vụ của riêng một tổ máy nữa mà là vấn đề chung của toàn hệ thống điện. Do đó việc điều chỉnh tần số thông qua điều chỉnh lượng công suất tác dụng cân bằng với công suất phụ tải (luôn luôn biến đổi). * Khi tổ máy chưa hòa vào lưới điện. Khâu đặt tần số có thể được thực hiện tự động hoặc bằng tay. Dùng khóa H13K6 để tăng tần số khi khóa này đóng và khóa H13K7 để giảm tần số khi khóa này đóng. Thông qua khâu H5 có vai trò giống một khâu tích phân nhiệm vụ là nhớ giá trị tần số và giữ nó không đổi trong một khoảng thời gian đủ dài. Đầu ra H5 ta có giá trị đặt tần số, giá trị đặt này được so sánh với giá trị thực phản hồi từ tổ máy tuabin. Đo tốc độ quay của tuabin dùng một máy phát điều chỉnh gắn đồng trục với trục tuabin có cấu tạo giống hệt máy phát điện chính nhưng nhỏ hơn nhiều và phần kích từ là khối nam châm vĩnh cửu. Đầu ra là điện áp xoay chiều một pha 100-110V ( ) sau khi qua máy biến áp T1 để điện áp phù hợp với khâu biến đổi. Từ biểu thức điện áp ta biết được tần số thực tế của tuabin. Tuy nhiên để so sánh với tần số mẫu ta cần biến đổi thành điện áp một chiều bằng bộ biến đổi tần-áp H6. Điện áp đầu ra có thể được hiệu chỉnh đặc tính quá độ bằng cách thay đổi các khóa chuyển để thay đổi điện dung C của tụ điện từ đó thay đổi được hằng số thời gian của khâu vi phân. Hiệu sai lệch tần số mẫu và tần số thực của tuabin được cho qua khâu tích phân tần số H3A4 . Khâu tích phân này nhằm đảm bảo chất lượng điều khiển, bộ điều khiển sẽ tác động cho tới khi sai lệch bằng 0, điều đó rất quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng điện năng ở trạng thái xác lập. Đầu ra của H3A4 một phần sẽ phản hồi lại qua khâu khuếch đại nối song song khâu vi phân thực có hằng số thời gian có tác dụng ổn định hệ thống và nâng cao đặc tính quá độ. Một phần đưa tín hiệu tới bộ khuếch đại thủy lực H9 để khuếch đại lần một tín hiệu đi điều khiển. Tín hiệu này được khuếch đại lần 2 bằng khâu H9’ trước khi đưa vào ngăn kéo chính. Ngăn kéo chính thực chất nó là một xi lanh thủy lực là khâu trung gian truyền áp lực từ bình dầu áp lực MHY tới các secvomoto cánh hướng nước. Ở đây nó có hai đầu ra tương ứng với việc đóng hay mở cánh hướng nước, ở chế độ mở thì khoang mở sẽ thông với đường dầu áp lực còn khoang đóng thông với đường dầu xả, ở chế độ đóng thì ngược lại. Hàm truyền của nó xấp xỉ là khâu tích phân. Đầu ra ngăn kéo chính một phần phản hồi lại trước H9’ một phần truyền tác động tới xecvomoto để điều khiển cánh hướng nước. Xecvomoto có cấu tạo giống ngăn kéo chính nhưng cơ chế làm việc đơn giản hơn. Khi có lệnh đóng hoặc mở cánh hướng nước từ ngăn kéo chính các secvomoto sẽ làm việc đẩy vào hay kéo ra tương ứng với việc đóng hay mở cánh hướng nước. Hàm truyền của secvomoto cũng là một khâu tích phân. Vị trí của cánh hướng được đo bằng biến áp quay có nguồn nuôi 12V- 400Hz đầu ra là điện áp xoay chiều được biến đổi thành điện áp một chiều qua khâu vi phân thực hằng số thời gian trước khi phản hồi lại trước khối H9. Độ mở cánh hướng nước ảnh hưởng trực tiếp lượng nước vào tuabin, do đó làm thay đổi được tốc độ quay tuabin, nếu cánh hướng mở nhiều thì lượng nước vào tuabin lớn tốc độ quay tuabin tăng và ngược lại nếu cánh hướng mở Ýt thì lượng nước vào tuabin giảm đi nên tốc độ quay của tuabin sẽ giảm. * Khi tổ máy hòa vào lưới (tổ máy mang tải) Khi tốc độ quay của tuabin đạt tốc độ định mức (125 vòng/phút) tương ứng với tần số 50 Hz cùng các điều kiện thỏa mãn về điện áp và pha giữa tổ máy và lưới ta tiến hành hòa lưới tổ máy vào hệ thống, tổ máy bắt đầu phát công suất hữu công. Cùng lúc đó giá trị đặt công suất (đã được trung tâm điều động nhà máy phân phối công suất cho tổ máy sao cho đạt lợi Ých kinh tế nhất) được áp đặt. Giá trị đặt được tạo ra tương tự việc tạo ra giá trị đặt tần số có thể tự động hoặc bằng tay, bằng hai khóa H13K6 để tăng công suất và khóa H13K7 để giảm công suất. Giá trị này cũng được giữ bởi khối tích phân H5A5, tín hiệu này được cộng với tín hiệu phản hồi sau khối tích phân tần số H3A4. Công suất phản hồi có thể được lấy sau máy phát chính qua các bộ biến áp BU và biến dòng BI hoặc thông qua thiết bị IPM, thiết bị này có nhiệm vụ đo và tính toán công suất ra của máy phát từ đó chuyển đổi thành dòng điện tương ứng với công suất tính toán. Dòng này qua các điện trở tạo thành áp đặt vào trước khâu khuếch đại thủy lực H9. Nh­ vậy khi tổ máy hòa lưới việc điều chỉnh tần số được điều khiển thông qua điều chỉnh công suất tác dụng của tổ máy. Ví dụ : Hệ thống đang làm việc ổn định ở tần số 50 Hz đột nhiên có sự mất cân bằng phụ tải, giả sử phụ tải tăng làm cho tần số có xu hướng giảm, khi đó nhiệm vụ của trung tâm điều độ (trung tâm phân phối) công suất sẽ tính toán và đặt cho tổ máy một công suất phát mới (lớn hơn giá trị cũ) nhưng phải đảm bảo tổ máy duy trì được giá trị công suất này, theo đó sẽ tác động vào cánh hướng làm cánh hướng mở to ra, tốc độ tuabin tăng lên do đó có thể khắc phục được sự giảm tần số. Trong trường hợp tổ máy không thể đáp ứng được công suất phụ tải, để bảo vệ tổ máy không bị quá tải gây hư hỏng thì cho phép cắt bớt phụ tải không quan trọng để phục hồi tần số. 3.6. Vấn đề điều chỉnh tần số và công suất tác dụng trong hệ thống điện 3.6.1. Những vấn đề chung Nh­ ta đã biết tần số là chỉ tiêu chung về chất lượng điện năng của toàn hệ thống, vì trong hệ thống điện hợp nhất ở chế độ làm việc bình thường, tần số ở mọi điểm đều giống nhau. Tần số sẽ thay đổi khi xảy ra mất cân bằng giữa tổng công suất tác dụng của các động cơ sơ cấp (tuabin) kéo máy phát điện với phụ tải tác dụng của hệ thống điện . Cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống điện ở chế độ bình thường: Trong đó : : Công suất của tuabin kéo máy phát. : Công suất của phụ tải điện. : Tổn thất công suất tác dụng trong hệ thống điện. Mô men kéo của tuabin. Trong đó : : Hằng số : Lưu lượng nước vào tuabin : Độ chênh áp suất đầu và cuối tuabin. : Hiệu suất tuabin Tần sè f của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ góc của máy phát điện theo quan hệ Trong đó : p – Số đôi cực của máy phát điện n- Số vòng quay của máy phát điện Phụ tải điện của hệ thống tạo nên mômen cản trên trục tuabin. Công suất của từng loại phụ tải điện khác nhau phụ thuộc vào tần số dòng điện theo những quan hệ khác nhau. Chẳng hạn công suất tiêu thụ bởi các đèn sợi nung và các loại phụ tải nhiệt hầu nh­ không phụ thuộc vào tần số, công suât tiêu thụ bởi động cơ của máy móc gia công kim loại phụ thuộc bậc nhất tần số. Công suất của các loại bơm, quạt tùy theo kết cấu, độ nghiêng của cánh có thể phụ thuộc bậc hai, ba vào tần số... Nói chung đối với phụ tải tổng hợp của hệ thống tùy theo tương quan giữa các thành phần phụ tải mà quan hệ giữa công suất tác dụng và tần số sẽ thay đổi. Trong đó : , - Tương ứng là sự thay đổi của tần số và công suất tác dụng. , - Tần số và công suất danh định . Để thấy rõ sự thay đổi tương quan giữa công suất tác dụng và tần số ta khảo sát đường đặc tính tĩnh của tuabin và của phụ tải. Thay đổi tần số (hay tốc độ quay) sẽ làm thay đổi mô men quay của phụ tải. Quan hệ này được biểu diễn bằng đường cong trên hình vẽ đặc trưng cho đặc tính tĩnh của phụ tải. Tần số của hệ thống điện được xác định tại điểm cắt của đặc tính 1 (tuabin) và đặc tính (phụ tải) ở đó mô men kéo của tuabin cân bằng với mô men cản của phụ tải Hình vẽ 3.3 Đường đặc tính tĩnh tuabin (1,2,3) và phụ tải (,,). Khi số lượng phụ tải trong hệ thống điện thay đổi, đặc tính tĩnh của phụ tải sẽ bị dịch chuyển. Chẳng hạn khi đấu thêm phụ tải, đặc tính này sẽ bị dịch chuyển sang bên phải () và sẽ cắt đặc tính tuabin tại điểm , tương ứng với tần số . Khi cắt bớt phụ tải, đặc tính sẽ bị dịch chuyển sang trái () và sẽ cắt đặc tính 1 của tuabin tại , tương ứng với tần số . Nh­ vậy khi phụ tải thay đổi sẽ làm cho tần số thay đổi: Để đảm chất lượng điện năng không cho phép tần số của hệ thống thay đổi nhiều. Vì vậy khi phụ tải thay đổi, để giảm mức thay đổi tần số, bắt buộc phải thay đổi đặc tính tĩnh của tuabin. Chẳng hạn khi phụ tải tăng phải dịch chuyển đặc tính tĩnh của tuabin sang phải (đường 2). Khi Êy điểm cắt nhau giữa đặc tính tuabin (2) và phụ tải () tại tương ứng với tần số >. Tương tự khi phụ tải giảm ta phải dịch chuyển đặc tính tuabin sang trái (3) và điểm cắt nhau giữa đặc tính 3 và tại tương ứng với tần số < . Nhờ sự dịch chuyển đặc tính tuabin mà độ lệch tần số < Tập hợp các điểm , , hình thành đặc tính điều chỉnh của tuabin f(M) hoặc f(P). Đặc tính điều chỉnh của tuabin được đặc trưng bằng hệ số phụ thuộc tương đối (còn được gọi là hệ số tĩnh) Thông thường của đặc tính điều chỉnh tuabin trong hệ thống điện nằm trong giới hạn =0.020.06. Trị số càng bé càng chứng tỏ hệ thống càng khỏe, nghĩa là với một mức biến đổi công suất nh­ nhau, thì mức biến đổi của tần số trong hệ thống có bé hơn sẽ Ýt biến đổi hơn. Điều chỉnh tần số (hay số vòng quay) của tuabin được thực hiện bằng cách thay đổi năng lượng vào tuabin, nó liên quan trực tiếp tới tiêu hao năng lượng, nhiên liệu và là một bài toán tối ưu hóa phức tạp phụ thuộc nhiều yếu tố như đặc tính tiêu hao nhiên liệu của tổ máy, chi phí vận hành của nhà máy điện, tổn thất công suất trên lưới khi thay đổi phương thức huy động công suất của cả nhà máy điện . Nh­ vậy điều chỉnh tần số trong hệ thống điện liên quan hữu cơ với việc điều chỉnh và phân bổ công suất tác dụng giữa các tổ máy và nhà máy điện trong hệ thống điện . Hệ thống điện càng lớn. Yêu cầu về độ chính xác điều chỉnh tần số càng cao, vì độ lệch tần số sẽ ảnh hưởng tới trào lưu công suất giữa nhiều nhà máy điện và giữa các khu vực khác nhau của hệ thống. Do đó trung tâm điều động hệ thống điện xuất phát từ điều kiện vận hành tối ưu của hệ thống từ đó đưa ra phương thức huy động công suất của từng nhà máy điện, công suất trao đổi giữa các đường dây liên lạc cần được khống chế trong các tình huống vận hành khác nhau. 3.6.2. Máy điều chỉnh tốc độ quay của tuabin. Máy điều chỉnh tốc độ quay tuabin có nhiệm vô tù động thay đổi mô men quay của tuabin bằng cách điều tiết lượng nước vào tuabin. Để điều tiết năng lượng nước vào tuabin người ta dùng hệ thống cánh hướng nước. Trong hệ thống điều tốc của nhà máy, các máy điều tốc sơ cấp của tuabin ngoài nhiệm vụ điều chỉnh tần số (tốc độ quay) của tuabin mà còn tham gia vào quá trình phân bổ công suất tác dụng giữa các tổ máy trong hệ thống điện . Máy điều chỉnh tốc độ trong nhà máy được chế tạo theo nguyên lý điều chỉnh gián tiếp thông qua khâu khuếch đại thủy lực có cấu tạo đa dạng và phức tạp, nhưng gồm những phần tử chính sau : Hình vẽ 3.4 Cấu trúc và sơ đồ chức năng máy điều tốc tuabin Trong đó : Phần tử đo lường : Bộ phận để phát hiện độ lệch tần số quay của tổ máy khỏi giá trị đặt, độ lệch tần số của điện áp máy phát điện, gia tốc tuabin hay thông số điều chỉnh khác. Phần tử khuếch đại : Thường là bộ khuếch đại từ hay khuếch đại thủy lực. Cơ cấu thừa hành thủy lực (goi là xecvomoto) : Làm nhiệm vụ tác động trực tiếp vào bộ phận điều tiết để thay đổi năng lượng vào tuabin. Phần tử điều chỉnh : Thực hiện chức năng phản hồi cứng hoặc mềm theo vị trí của cơ cấu thừa hành thủy lực 3 Phần tử đặt (chỉnh định) : Cơ cấu đặt và hiệu chỉnh tốc độ quay Ngoài ra còn có các thiết bị phụ khác nh­ cơ cấu hạn chế độ mở của cánh hướng nước, cơ cấu giới hạn cột nước … Các máy điều tốc tuabin hiện đại được phân thành các loại: kiểu cơ thuỷ lực và điện thuỷ lực. Máy điều tốc kiểu cơ thuỷ lực có phần tử đo lường để phát hiện độ lệch số vòng quay là hệ thống quả văng ly tâm có sơ đồ đơn giản sau: Hình3.5 Sơ đồ nguyên lý máy điều chỉnh tốc độ quay của tuabin kiểu hướng tâm Trong đó : 1- Là phần tử đo lường 3-Cơ cấu thừa hành thủy lực 2- Là phần tử khuếch đại 4-Phần tử hiệu chỉnh 5- Phần tử đặt ( Cơ cấu đặt) Nguyên lý làm việc của bộ điều tốc : Giả sử hệ thống đang làm việc ổn định ở một giá trị tốc độ hệ thống cân bằng khi đó pittông của hộp dầu khuếch đại 2 ở vị trí giữa đóng hoàn toàn hai cửa trên và dưới của pittông 3 (xecvomoto) điểm C phải ở vị trí . Vì lý do nào đó làm tốc độ tuabin thay đổi, chẳng hạn làm giảm, các quả văng ly tâm 1 cụp lại đẩy vòng trượt từ vị trí A0 xuống vị trí A’, điểm B tạm thời không thể di chuyển vì cả cửa trên và cửa dưới của pittông 3 bị đóng kín bằng pittông của hộp dầu khuếch đại 2 nên lực tại điểm B lớn hơn rất nhiều lực tại điểm C. Do đó điểm C phải bị dịch chuyển đến C’ làm cho pittông của hộp dầu khuếch đại 2 di chuyển xuống dưới làm cho các cửa dầu áp lực được mở ra cụ thể cửa dưới thông với đường dầu áp lực và cửa trên thông với đường dầu xả (dầu hồi lưu). Pittông 3 được đẩy lên, tác động vào cơ cấu điều tiết năng lượng(Cánh hướng nước) để tăng lượng nước vào tuabin. Tác động điều chỉnh này làm tăng số vòng quay của tuabin và đưa các điểm A và C từ vị trí A’, C’ dịch chuyển lên phía trên. Việc dịch chuyển lên trên bao nhiêu còn tùy thuộc vào vị trí của pittông 3 tác động vào điểm B thông qua cơ cấu phản hồi 4. Quá trình điều chỉnh sẽ sảy ra cho đến khi điểm C chưa trở về vị trí ban đầu , nghĩa là cho tới khi các cửa dầu của hộp dầu khuếch đại đóng lại hoàn toàn. Để chỉnh định tốc độ quay ta dùng cơ cấu đặt (CCĐ), tác động vào CCĐ bằng tay hay thông qua động cơ điện, có thể dịch chuyển điểm M lên trên điểm N xuống vị trí động thái này làm cho pittông 2 bị đẩy xuống dưới, mở thêm cánh hướng tăng lượng nước vào tuabin, điều này sẽ làm tăng tốc độ quay tuabin (tần số ) nếu máy làm việc riêng lẻ còn nếu máy làm việc song song thì sẽ làm tăng công suất phát của tổ máy trong hệ thống. Tuy nhiên nhược điểm của hệ thống này là ở trạng thái ổn định mới tốc độ (tần số ) của tuabin không trở lại vị trí ban đầu mà giữ ở một giá trị có thể lớn hơn hay nhỏ hơn giá trị ban đầu. Gọi là hệ thống điều tốc với phản hồi cứng. Điều này được khắc phục thay bằng cơ cấu phản hồi mềm (Hình 3.3b) ở dạng một bộ cản dịu thủy lực. Bộ cản dịu là một hộp dầu gồm xilanh và pittông, dầu hai phía của pittông thông với nhau bằng một ống nhỏ có van điều chỉnh, hộp dầu gắn với điểm B qua lò so và hệ thống đòn, như vậy khoảng cách giữa điểm B và pittông 3 có thể thay đổi được (liên hệ mềm) Trong quá trình thay đổi phụ tải của tuabin thoạt đầu bộ cản dịu làm việc như một khâu phản hồi cứng vì pittông trong xi lanh bộ cản dịu không thể chuyển động nhanh được, điều này ngăn được hiện tượng quá điều chỉnh. Sau đó dưới tác động của lò so làm pittông của bộ cản dịu dịch chuyển dần, đẩy dầu từ mặt này của pittông sang mặt kia. Quá trình này chỉ kết thúc khi cả điểm C và điểm B trở về vị trí ban đầu, do đó điểm A còng trở lại vị trí ban đầu tương ứng với giá trị tốc độ quay ban đầu của tuabin. Máy điều tốc tuabin của nhà máy thủy điện Hòa Bình là loại máy kiểu điện – thủy lực : Nguyên lý làm việc của máy điều tốc kiểu điện thủy lực tương đối giống với máy điều tốc kiểu cơ thủy lực chỉ khác là sử dụng sơ đồ điện để thực hiện các khâu đo lường, tiền khuếch đại, hiệu chỉnh và đặt thông số… Cho phép đơn giản phần thuỷ lực của hệ thống và dễ dàng đưa thêm các tín hiệu nh­ phân bố công suất tác dụng tín hiệu hiệu chỉnh tần số…vào hệ thống điều tốc. Tần số của điện áp xoay chiều đầu cực máy phát được đưa vào bộ phận đo lường điện của máy điều tốc. Khi xuất hiện độ lệch tần số thông qua bộ tiền khuếch đại tín hiệu điện được cấp cho cuộn dây quấn xung quanh một lõi bằng nam châm. Dưới tác dụng của lực điện trường cuộn dây sẽ dịch chuyển lên xuống tùy thuộc vào độ lệch hay . Giả sử cuộn dây sẽ chuyển động xuống dưới làm cho điểm dịch chuyển xuống dưới và tạm thời điểm không dịch chuyển. Do đó pittông của hộp dầu khuếch đại dịch xuống dưới làm cửa dưới của xilanh 3 thông với đường dầu áp lực còn cửa trên thông với đường dầu hồi lưu, pittông 3 chuyển động lên trên tác động vào cánh hướng nước làm tăng lượng nước vào bánh xe công tác tuabin, tần số dần được nâng lên. Khi tần số vượt quá giá trị đặt sự điều chỉnh được thực hiện ngược lại. Tùy thuộc vào cơ cấu phản hồi ta cũng có kiểu phản hồi cứng và phản hồi mềm. Nếu là phản hồi cứng thì cơ cấu phản hồi thường là một khâu khuếch đại khi đó ở trạng thái ổn định tần số thực tế sẽ lớn hơn giá trị đặt một lượng đúng bằng lượng phản hồi về. Nếu là khâu phản hồi mềm thì cơ cấu phản hồi thường là khâu vi phân thực có thời gian điều chỉnh đủ dài do đó ban đầu nó cũng làm việc giống khâu phản hồi cứng để giảm độ quá điều chỉnh tần số. Sau thời gian cơ cấu phản hồi mất tác dụng (đầu ra phản hồi bằng 0) khi đó trạng thái xác lập chỉ diễn ra khi tần số đo bằng tần số đặt. Hình3.6 Sơ đồ nguyên lý đơn giản hoá của máy điều tốc tuabin kiểu điện thủy lực. Vì khâu điều tiết năng lượng vào tuabin đòi hỏi công suất lớn (nh­ điều khiển đóng mở cánh hướng nước) nên máy điều chỉnh thường có nhiều hơn một tầng khuếch đại. 3.6.3. Tác động tương hỗ giữa các máy điều tốc tuabin. Khi các máy phát điện làm việc song song trong hệ thống điện chúng có tần số giống nhau và giữa các máy phát có một sự phân bố xác định về công suất tác dụng. Hình 3.7 Phân bố phụ tải giữa các tổ máy làm việc song song khi tần số thay đổi Nếu nh­ khi phụ tải thay đổi một lượng làm cho tần số thay đổi một lượng ( là tần số trước khi phụ tải thay đổi) thì công suất của máy thứ nhất thay đổi một lượng còn máy phát thứ hai thay đổi một lượng với : Từ hình vẽ trên ta thấy máy phát điện nào có đặc tính điều chỉnh f(P) Ýt dốc hơn máy đó sẽ có lượng thay đổi phụ tải nhiều hơn. Phương trình đặc tính điều chỉnh tĩnh có dạng : Do đó khi có n tổ máy làm việc song song ta có hệ phương trình : ……………… Với ràng buộc Từ đây ta tính được lượng công suất thay đổi của tổ máy thứ j là : Nghĩa là phụ tải phân bố giữa các tổ máy tỷ lệ nghịch với hệ số tĩnh của đặc tuyến điều chỉnh. Tổng công suất của các tổ máy phụ thuộc vào tần số. Tuy nhiên bản thân phụ tải cũng phụ thuộc vào tần số, khi tần số thay đổi trong một phạm vi không lớn công suất của phụ tải có thể xem nh­ phụ thuộc tuyến tính vào tần số. Khi các máy điều tốc tuabin có đặc tính phụ thuộc nếu phụ tải tổng tăng làm cho tần số của hệ thống giảm, tần số giảm kéo theo công suất tiêu thụ của phụ tải giảm. 3.6.4. Ảnh hưởng của ngưỡng không nhậy lên tác động tương hỗ của máy điều tốc tuabin. Các máy điều tốc thực tế đều có một ngưỡng không nhạy nhất định chủ yếu do ma sát ở các ổ trục và của bản thân các bộ phận trong cơ cấu điều chỉnh. Vì vậy ở trạng thái cân bằng ban đầu tương ứng với một tốc độ quay nào đó, muốn cho máy điều tốc phản ứng được với độ lệch tốc độ thì phải vượt quá một ngưỡng nhất định gọi là ngưỡng không nhậy của máy điều tốc. Đặc tính điều chỉnh với ngưỡng không nhạy trình bày theo hình vẽ dưới dạng một miền không nhậy. Khi có ngưỡng không nhậy, việc phân bố công suất giữa các tổ máy sẽ tồn tại một khoảng không xác định . , Trong đó: - công suất danh định của tổ máy, MW; - ngưỡng không nhậy theo tần số, %; S – hệ số phụ thuộc, %; Vùng bất định của phụ tải tổ máy do ngưỡng không nhậy của máy điều tốc. Chẳng hạn, khi s = 5%, = 0.25% đối với tổ máy có công suất = 300MW mức bất định của phụ tải sẽ bằng: Ngưỡng không nhậy của đặc tính điều chỉnh làm cho một số tổ máy không tham gia vào điều chỉnh tần số. Để nâng cao chất lượng điều chỉnh tần số cần giảm hệ số phụ thuộc S của đặc tính điều chỉnh tuy nhiên khi hệ số phụ thuộc giảm, mức bất định của phụ tải tăng lên. Vì vậy đối với các máy điều tốc có ngưỡng không nhậy cao bắt buộc phải đặt hệ số phụ thuộc cao. Khi có nhiều tổ máy làm việc song song chế độ cân bằng của từng tổ máy sẽ được thiết lập một cách khác nhau trong giới hạn của ngưỡng không nhậy. Trong số các tổ máy này sẽ có một số tổ máy phản ứng với độ lệch tần số, có nghĩa là nhìn chung toàn hệ thống sẽ không có ngưỡng không nhậy. Tuy nhiên khi độ lệch tần số không vượt quá ngưỡng không nhậy của một số tổ máy, chúng sẽ không phản ứng và không tham gia vào quá trình điều chỉnh tần số, vì thế độ phụ thuộc đẳng trị của đặc tính điều chỉnh sẽ lớn hơn trị số tính được theo biểu thức (3.11). Thực tế điều này có nghĩa là cần phải đưa thên một số hệ số hiệu chỉnh a>1 vào biểu thức (3.11) để tính đến ngưỡng không nhậy của đặc tính điều chỉnh của một tổ máy trong hệ thống. Thường thì trong chế độ sự cố độ lệch tần số vựơt quá ngưỡng không nhậy của tất cả các tổ máy trong hệ thống, còn trong chế độ làm việc bình thường, bé nên chỉ có một số tổ máy có ngưỡng không nhậy hẹp mới có thể phản ứng. Số lượng tổ máy có thể phản ứng theo độ lệch đã cho có thể được xác định theo biểu thức: , Trong đó: n – số lượng các tổ máy được giao nhiệm vụ điều chỉnh tần số của hệ thống. 3.6.5: Phương pháp điều chỉnh tần số và công suất tác dụng trong nhà máy thủy điện Hòa Bình 3.6.5.1. Điều chỉnh bằng một tổ máy với đặc tính điều chỉnh độc lập: Phương pháp này có thể sử dụng để điều chỉnh tần số với đặc tính độc lập trong một hệ thống điện nhỏ làm việc độc lập. Để điều chỉnh tần số người ta tách ra một tổ máy có đặc tính điều chỉnh được đặt ở chế độ độc lập. Tổ máy này sẽ tiếp nhận mọi biến động phụ tải của hệ thống trong giới hạn công suất có thể điều chỉnh được của nó. Phụ tải của tất cả các tổ máy còn lại ở cuối quá trình điều chỉnh sẽ trở về lại trị số trước khi xảy ra biến động (không thay đổi). 3.6.5.2. Phương pháp điều chỉnh theo độ lệch tích phân của tần số. Độ lệch tích phân của tần số được xác định theo biểu thức: Trong đó: - thời điểm ban đầu khi ; - độ lệch tương đối tức thời của tần số; . Độ lệch tích phân của tần số có những đặc điểm sau đây: Đại lượng giống nhau với mọi tổ máy điện làm việc song song trong hệ thống điện nếu nh­ thời điểm bắt đầu đo độ lệch được chọn nh­ nhau; Khi phụ tải của hệ thống thay đổi và tần số lệch khỏi trị số cho trước, đại lượng sẽ biến thiên về cùng một phía với phụ tải tổng của hệ thống. Nếu phụ tải tổng tăng, tần số giảm và sẽ tăng theo thời gian; nếu phụ tải tổng giảm, tần số tăng và giảm. sẽ thay đổi cho đến khi vẫn còn độ lệch về tần số khỏi giá trị cho trước, khi , nghĩa là khi công suất cân bằng, không thay đổi. Những tính chất này của độ lệch tích phân tần số cho phép sử dụng nó nh­ một thông số điều khiển khi xây dựng các hệ thống tự động điều chỉnh tần số và công suất tác dụng trong hệ thống điện. Thật vậy, phụ tải giữa các tổ máy điều chỉnh tần số được phân bố trong quá trình điều khiển bằng cách so sánh phụ tải thực tế của tổ máy với trị số đặt trước . Tác động của hệ thống điều chỉnh mỗi tổ máy được mô tả bằng phương trình: Để đảm bảo điều kiện phân bố tối ưu công suất giữa các tổ máy khi chế độ làm việc của hệ thống thay đổi phải tự thay đổi trị số công suất đặt của tổ máy theo một tiêu chuẩn tối ưu cho trước. Dưới tác động của các tín hiệu và công suất phát của tổ máy sẽ được thay đổi. Trong chế độ xác lập tần số sẽ trở lại trị số danh định, còn phân bố phụ tải sẽ tối ưu nghía là: ; . CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 4.1. Sơ đồ chức năng và sơ đồ khối của bộ điều tốc nhà máy thủy điện Hòa Bình: Hình 4.1 Sơ đồ chức năng Sơ đồ chức năng của bộ điều tốc Hình vẽ trên mô tả sơ đồ chức năng của hệ thống tự động điều chỉnh tần số và công suất hữu công của tổ máy khi phát điện vào hệ thống nhờ bộ điều chỉnh tốc độ )/P 2 I. Máy phát điều chỉnh được lắp đặt trên cùng một trục với máy phát chính. Nó được dùng như một tín hiệu đo tần số quay, truyền vào đầu vào của phần tử cảm biến tần số.Tín hiệu sai lệch tần số quay do phần tử cảm biến phát ra được cộng với giá trị tần số đặt trước của MUY, rồi đưa vào đầu vào của mạch tích phân tần số. Tín hiệu tần số MUY, công suất MUM được cộng lại và truyền vào đầu vào bộ khuếch đại 2 tầng.Sau đầu ra bộ khuếch đại tín hiệu đi vào cuộn dây điều tốc làm chuyển dịch màng rung, thông qua bộ khuếch đại thuỷ lực làm chuyển dịch kim ngăn kéo kích thích, pittông ngăn kéo chính và do đó làm thay đổi phụ tải tổ máy. Tín hiệu từ bộ điều chỉnh nhóm công suất hữu công và điều chỉnh riêng lẻ được truyền tới đầu vào MUM. Bộ điều tốc được điều khiển bằng các khoá SLC nằm trên bảng điện điều tốc (1GCC), ở tủ điều tốc và phòng điều khiển trung tâm (SCC) . Khi máy chạy không tải và cắt máy cắt các khoá (SLC) tự động chuyển đổi từ MUM sang cơ cấu thay đổi tần số MUY, cơ cấu này cho phép thay đổi tần số đều đặn từ 45 đến 55 Hz khi máy chạy không tải. Hình 4.2 Sơ đồ khối Hình vẽ sơ đồ khối: Các thông số điều chỉnh X,Z ứng với tần số f và công suất P được hình thành nhờ các bộ biến đổi tần số đo lường H6 và công suất IPM. Tín hiệu mạch phản hồi bên trong Y theo vị trí trục xecvômôtơ chính và Y2 theo vị trí cần chuyển động của bộ biến đổi điện thuỷ lực (được tạo thành nhờ các bộ biến đổi cảm ứng).Một trong các đặc điểm của bảng điện điều tốc là ở đó không có các thiết bị truyền đông điện cơ để tạo tín hiệu chỉ huy X0 và Z0, ở đây những cơ cấu này được thay bằng các bộ phận ( Bộ tích phân H5 và H5’ ) có thể duy trì trong thời gian dài tín hiệu tích phân không đổi. Các thiết bị phát này được điều khiển nhờ các khoá SLC1 các khóa này lắp ở mặt trước của bảng điện, ở mặt trước tủ điều tốc và trên bàn điều khiển trung tâm (SCC). Khi điều tốc ở vị trí cân bằng tín hiệu đầu ra của bảng điện (Sau bộ khuếch đại H9) bằng không (j=0). Nếu một trong các tín hiệu đầu vào bất kỳ của bảng điện (X,Z,X0,Z0) thay đổi sẽ làm cho dòng điện (j) bị thay đổi tương ứng. Dòng điện đó khi vào cuộn dây điều tốc sẽ làm cho trục điều tốc bị dịch chuyển tương ứng. Do điều tốc nối với ngăn kéo của xecvômôtơ chính (CM) nên xecvômôtơ chính cũng dịch chuyển trục của mình, làm cho độ mở của máy hướng nước của tuabin bị thay đổi tương ứng. Khi đó các tín hiệu phản hồi ngược Y và Y2 khi vào bảng điện sẽ làm cho dòng điện j trở về 0 còn trục của điều tốc và kim ngăn kéo kích thích nối với nó sẽ trở về vị trí ban đầu (giữa). 4.2. Sơ đồ dưới dạng Simulink. Hinh 4.3 Sơ đồ rút gọn Trong đó : Ty : Hằng số thời gian tích phân (0.02s) Bp : Hệ số rơi tốc cố định (0-10% tương ứng 1-10) Bt : Hệ số rơi tốc tạm thời (1-100% tương ứng 0-100) Td : Hằng số thời gian gia tốc (0-20) Tnkc : Hằng số thời gian của ngăn kéo chính (0.02s) Ts : Hằng số thời gian của xecvomoto (0.02s) K : Hệ số khuếch đại tuabin (10) Tt : Hằng số thời gian tuabin (15s) Tp : Hằng số thời gian công suất (0-50s) Tn : Hằng số thời gian (0-1.5s) T : Là kí hiệu của tuabin G : là kí hiệu của máy phát PMG : Là máy phát điều chỉnh IBM : Thiết bị biến đổi công suất thành dòng điện TU, TI : Là biến dòng và biến áp 4.3 Nguyên tắc cơ bản của quá trình điều tốc. Các khái niệm cơ bản của quá trình điều tốc được minh họa rõ nét trong trường hợp tổ máy phát cấp riêng cho một phụ tải cục bộ như hình vẽ sau : Trong đó: PL : Công suất phụ tải Pm : Công suất cơ Pe : Công suất điện Hình 4.4 Máy phát cấp cho phụ tải cô lập Khi phụ tải thay đổi làm cho công suất điện Pe thay đổi, làm mất cân bằng giữa công suất điện Pe và công suất cơ, đây là nguyên nhân làm cho tốc độ thay đổi tăng hay giảm tùy vào Pe nhỏ hơn hay lớn hơn Pm. Nhiệm vụ bộ điều tốc lúc này là dựa vào sai lệch tốc độ thực tế và tốc độ đặt để điều chỉnh cánh hướng nước thay đổi lượng nước vào tuabin và do đó làm thay đổi tốc độ cho tới khi tốc độ tuabin bằng với tốc độ đặt thì bộ điều tốc mới thôi tác động. * Bộ điều tốc đẳng thời. Bộ điều tốc đẳng thời điều chỉnh cánh hướng tuabin đưa tần số về giá trị danh định. Tốc độ roto đo được được so sánh với giá trị đặt . Tín hiệu sai lệch được khuếch đại và tích phân sinh ra tín hiệu điều khiển Dy tác động lên cánh hướng tuabin, sau đây là hệ thống với các