chuong 11 nha may thuy dien

Nhà máy thủy điện là công trình thủy công trong đó bố trí các thiết bị động lực tuabin, máy phát điện, và các thiết bị phục vụ cho hệ thống làm việc bình thường nhằm sản xuất điện năng c

CHƯƠNG 11:

NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

Tìm hiểu, phân loại, các thiết bị chính của trạm thủy điện,

Xác định kích thước, kết cấu, đặc điểm

cấu tạo của 1 số nhà máy thủy điện

thường gặp

11.1 Khái niệm – Phân loại

- Nước ta có tiềm năng lớn về thủy năng

- Trữ năng lý thuyết khoảng 300 tỷ kWh

miền bắc: 51 tỷ kWhmiền trung: 19 tỷ kWhmiền nam: 10,5 tỷ kWh

- Những nhà máy thủy điện lớn:

Hòa Bình: 2000 MW

(1 MW = 1 triệu W)

Trị An: 400 MW

Thác Bà: 120 MW

Đa Nhim: 100 MWYaly: 690 MW

Thác Mơ: 150 MWVĩnh Sơn: 68 MWSơn La: 3600 MW

Và hàng nghìn thủy điện cỡ vừa và nhỏ,

siêu nhỏ đã và đang phục vụ điện cho các thị trấn, bản làng, và các gia đình ở các

vùng núi đông bắc, tây bắc, đông nam bộ Mặc dù nhà nước và ngành năng lượng đã quan tâm đến các vùng thị trấn và huyện lỵ nhưng do địa hình còn khó khăn, xa lưới

điện, ở phân tán, nên vẫn không có điện Nếu ở gần thủy năng, ta tận dụng để phát điện: thắp sáng, xay xát gạo, chạy máy

bơm, TV, radio, Đây là chỉ tiêu rất kinh tế

vì đầu tư nhỏ

Nhà máy thủy điện là công trình thủy công trong đó bố trí các thiết bị động lực

(tuabin, máy phát điện), và các thiết bị

phục vụ cho hệ thống làm việc bình

thường nhằm sản xuất điện năng cho các

hộ dùng điện

Loại và kết cấu của nhà máy phải đảm

bảo an toàn cho các thiết bị làm việc,

thuận lợi cho vận hành

Nhà máy thủy điện được chia thành 3 loại:

- Nhà máy thủy điện kiểu ngang đập:

Được xây dựng khi H = 35 – 40 m Bản

thân nhà máy là 1 phần công trình dâng

nước, nó thay thế 1 phần cho đập dâng Do

vị trí nhà máy nằm trong lòng sông nên còn gọi là nhà máy thủy điện kiểu lòng sông

- Nhà máy thủy điện kiểu sau đập:

Được bố trí ngay sau đập dâng nước Khi H

> 35-40m thì bản thân nhà máy vì lý do ổn định công trình không thể là 1 thành phần

của công trình dâng nước ngay cả trong

trường hợp tổ máy công suất lớn

Nếu đập dâng nước là đập bê tông trọng

lực thì cửa lấy nước và đường ống dẫn

nước tuabin được bố trí trong thân đập bê tông, đôi khi đường ống dẫn nước tuabin được bố trí ngay trên hạ lưu của đập

- Nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn:

Trong các sơ đồ khai thác thủy năng kiểu đường dẫn hoặc kết hợp, nhà máy thủy

điện đứng riêng biệt tách khỏi công trình

đầu mối Cửa lấy nước đặt cách xa nhà

máy, trường hợp công trình dẫn nước là

không áp thì cửa lấy nước nằm trong thành phần của bể áp lực

Trường hợp công trình dẫn nước là đường hầm có áp thì cửa lấy nước

bố trí ở đầu đường hầm và là 1 công trình độc lập Đường dẫn nước vào nhà máy thường là đường ống áp lực nhưng trong trường hợp trạm thủy

điện đường dẫn cột nước thấp với

đường dẫn là kênh dẫn nước thì có thể bố trí nhà máy thủy điện kiểu

ngang đập

- Nhà máy thủy điện trên mặt đất

- Nhà máy thủy điện ngầm

- Nhà máy thủy điện nửa ngầm (phần chủ yếu được bố trí trong lòng đất, phần mái che có thể bố trí hở phía trên)

- Nhà máy thủy điện trong thân đập (trong thân đập bê tông, đập đất, giữa các trụ

chống của đập trụ chống

Phân theo vị trí tương đối của bản thân

nhà máy trong bố trí tổng thể:

Theo công suất:

Nhà máy thủy điện lớn:

Nlắp máy > 1000 MWNhà máy thủy điện vừa:

15 MW  Nlắp máy  1000 MWNhà máy thủy điện nhỏ:

Nlắp máy  1000 MW

Theo cột nước:

Nhà máy thủy điện cột nước lớn:

Hmax > 400 mNhà máy thủy điện cột nước vừa:

50 m  Hmax  400 mNhà máy thủy điện cột nước nhỏ:

Hmax  50 m

Kết cấu nhà máy thủy điện chia làm 2

Các bộ phận cơ bản của tuabin phản

kích là bộ phận dẫn nước vào buồng

xoắn, phần cơ khí thủy lực (trụ chống,

cánh hướng nước, bánh xe công tác), bộ phận tháo nước (ống hút), hệ thống thiết

bị điều khiển tuabin (thùng dầu áp lực, tủ điều tốc, máy tiếp lực)

Phụ thuộc vào H mà sử dụng tuabin cánh quay, cánh quạt, tâm trục, tuabin gáo

11.2.2 Máy phát thủy điện

Máy phát là động cơ biến cơ năng của

tuabin thành điện năng cung cấp cho hệ thống điện Về nguyên tắc là máy phát

đồng bộ 3 pha, các bộ phận chủ yếu

gồm: roto nối với trục tuabin trực tiếp

hoặc gián tiếp qua hệ thống truyền động Roto làm nhiệm vụ tạo nên từ trường

quay làm xuất hiện dòng điện xoay chiều trong các cuộn dây trong các ổ cực của stato máy phát Để đảm bảo tần số H = 50hz, cần thêm bộ phận kích từ, hệ

thống làm mát, chống cháy, nén nước,

Các thông số cơ bản của máy phát

Công suất định mức (công suất tác dụng)

là công suất hữu công tối đa của máy

phát Nmf , (kW)

Công suất toàn phần (công suất biểu

kiến): S , (kVA)

I U



 3 sin sin

S

U (kV): điện áp máy phát

Ở máy phát 3 pha, nó là điện áp đầu

ra của cực máy phát Điện áp định

mức của nó phụ thuộc vào công suất của máy phát và điện áp đường dây truyền tải với các mức như sau: 3,15 , 6,3 , 10,5 , 13,8 , 15,75 , 18 , 20 , 21 ,

24 kV

Với loại tuabin thông thường thì điện

áp máy phát được chọn thiết kế như sau:

Cường độ dòng điện của stato máy phát I (A) phụ thuộc vào công suất và điện áp

Hệ số công suất tác dụng cos  phụ thuộc vào yêu cầu của hệ thống lưới điện và

công suất máy phát

S (MVA)  125 126  360 > 360

Cos  0,8 0,85 0,9

Số vòng quay định mức:

p f

no  60 .

p: số đôi cực từ của stato máy phát

Hiệu suất MP điện phụ thuộc vào công

suất phát điện của MP (96,5 – 98%)

11.2.3 Các thiết bị cơ khí trong nhà máy thủy điện

a) Thiết bị nâng chuyển

Là cầu trục phục vụ cho lắp ráp và sửa

chữa Cầu trục chính bố trí cho gian

máy, tầm hoạt động của nó cho toàn bộ gian máy, phục vụ tháo lắp van trước

buồng xoắn thì sử dụng cầu trục riêng

Cầu trục chính có tải trọng rất lớn (1000 tấn) tùy thuộc vào trọng lượng vật cẩu lớn nhất (rotor) và kích thước nhà máy

có thể dùng cầu trục kép

b) Thiết bị điện

Thiết bị điện trong nhà máy thủy điện: dây dẫn điện từ máy phát, máy biến áp chính trạm phân phối điện, hệ thống điện tự

dùng, hệ thống đo lường kiểm tra và điều khiển, thiết bị điều khiển trung tâm

Điện áp đầu ra của MP phụ thuộc vào

công suất (3,5-24 kV), việc truyền tải từ

MP điện đến máy biến áp với dòng điện lớn đòi hỏi dây dẫn tiết diện lớn và tổn

thất điện năng cũng lớn, máy biến áp phải

bố trí gần MP vì dây dẫn đắt tiền, hw lớn

Công suất MP điện dưới 100 MVA đoạn dây dẫn này thường để trần, khi công

suất lớn hơn thì thường là các cáp điện chuyên dùng

Máy biến áp chính nhằm nâng cao điện

áp để tải điện đi xa, phụ thuộc vào hệ

thống mà trạm thủy điện cung cấp, điện

áp cao thế của TBA có thể là 35, 110,

220, 500 kV hoặc cao hơn MBA chính được bố trí ngoài trời, được làm mát

bằng không khí hoặc nước

Cấu tạo các bộ

phận

chính của MBA trên hình

11.4.a

hình 11.4.a

MBA đặt trên hệ thống đường ray chung cho toàn trạm và có thể vận chuyển vào gian máy để sửa chữa

MBA được phân làm 2 loại theo số cuộn dây:

- MBA 2 cuộn dây: để tăng điện áp MP lên 1 cấp điện áp

- MBA 3 cuộn dây: để tăng điện áp lên 2 cấp khác nhau cung cấp cho 2 hệ thống khác nhau

Nhãn hiệu MBA phải thể hiện công suất,

điện áp, phương pháp làm mát, số pha và khả năng làm mát ngoài trời

Khả năng vượt tải tạm thời của MBA trong

1 số ít giờ có thể đạt 30-40%, khả năng

vượt tải lâu dài có thể đạt 5-10%

Kích thước sơ bộ của MBA có thể xác

định theo đồ thị hình 14b, đường nét liền trong biểu đồ xác định trọng lượng toàn bộ MBA, còn nét đứt là trọng lượng phần

ruột Lượng dầu sơ bộ tính ở mức 1kg cho

1 kVA công suất

Hệ thống điện tự phục vụ cho sản xuất của bản thân trạm thủy điện chiếm 0,2-1% điện năng sản xuất Các hộ tự dùng được chia làm 3 loại:

- Loại không cho phép mất điện khi làm

việc: các hệ thống dầu, cáp nước kỹ thuật, khí nén, kích từ, phòng hỏa, điều khiển

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

- Loại cho phép mất điện tạm thời: hệ

thống tháo nước tổ máy, thoát nước rò rỉ, chiếu sáng ngoài trời

- Loại cho phép mất điện trong thời gian dài:

hệ thống lọc, xử lý dầu, xưởng sửa chữa,

kho chứa

Hệ thống điện tự dùng tùy theo từng loại

thiết bị sử dụng điện áp từ 220V – 10 kV Vì vậy cần có MBA hạ thế nối trực tiếp với MP hoặc hệ thống thanh góp điện áp MP

Trong các nhà máy điện bố trí các thiết bị

phân phối điện áp MP Các thiết bị này

được lắp theo cụm (bộ) để khi sửa chữa có thể thay thế dễ dàng, lắp dọc theo nhà máy, trong gian máy cao 4-5m, rộng 6-8m

11.3 Kết cấu và kích thước phần dưới nước và phần trên nước của nhà máy thủy điện

11.3.1 Các kết cấu phần dưới nước của nhà máy

a)Thiết bị bố trí phần dưới nước của nhà máy

Dọc theo chiều dài nhà máy (vuông góc

với chiều dài dòng chảy), phần dưới

nước gồm nhiều khối tuabin giống nhau, ngoài cùng là sàn lắp ráp

Tùy điều kiện địa chất nền và chiều dài,

toàn bộ nhà máy là 1 khối liền hoặc cách nhau bằng các khe lún ngang cắt nhà máy thành nhiều đoạn Trong mỗi đoạn gồm 1 hoặc 1 số tổ máy, riêng phần sàng lắp ráp

do chịu tải trọng khác nhau nên thường

được tách riêng khỏi các khối tuabin

Phần dưới nước tính từ dưới lên có tầng ống hút, tầng tuabin Về phía thượng lưu thường bố trí 1 số hành lang như hành

lang tháo cạn nước buồng xoắn và ống

hút, hành lang tập trung nước thấm, hành lang phụt vữa xi măng và kiểm tra

Ở tầng tuabin, ngoài tuabin còn đặt các

thiết bị phụ trợ của trạm thủy điện, các hệ thống này nhằm bảo vệ sự làm việc bình

thường của các thiết bị chính: hệ thống

cung cấp dầu mỡ, hệ thống thiết bị cung

cấp nước kỹ thuật, hệ thống thiết bị tháo

nước sửa chữa tổ máy, hệ thống tiêu nước nhà máy, hệ thống cáp điện Ngoài ra còn

bố trí kho chứa, phòng phụ, máy tiếp lực,

cơ cấu điều chỉnh

Dưới sàn lắp ráp thường bố trí các xưởng, kho, phòng axit, ắc qui, máy bơm, giếng

tập trung nước

b) Các kết cấu chủ yếu phần dưới nước

Phần dưới nước gồm:

- Bộ phận dẫn nước: buồng xoắn

ống hútđường ống tuabin

- Kênh xả (đối với tuabin xung kích)

Tùy thuộc loại nhà máy và loại tuabin dưới nước có khác nhau

Trạm thủy điện ngang đập: phần dưới nước của nhà máy ngoài buồng xoắn, ống hút, còn

có cửa liên kết với nhà máy, dẫn nước trực tiếp vào buồng xoắn

Trạm thủy điện sau đập và đường dẫn nước chủ yếu phần lớn là buồng xoắn và ống hút, nước vào buồng xoắn qua đường ống áp lực đặt trong thân đập hoặc đường ống áp lực

đặt lộ thiên (nhà máy thủy điện đường dẫn) Khi nhà máy thủy điện lắp tuabin xung kích gáo thì phần dưới nước của nhà máy đơn

giản vì không có buồng xoắn tuabin và hình dạng phức tạp của ống hút, nó chỉ là kênh

dẫn xả nước ra hạ lưu

c) Nguyên tắc xác định kích thước và các cao trình chủ yếu

Trạm TĐ cột nước thấp, Q lớn với

buồng xoắn bê tông thì kích thước

chiều dài đoạn tổ máy thường do kích thước buồng xoắn quyết định, đây là

kích thước bao ngoài lớn nhất đảm bảo cho đoạn tổ máy bố trí các thiết bị (hình 11.5.I)

Ở trạm TĐ cột nước trung bình kích

thước đoạn tổ máy thường xác định bởi kích thước mặt bằng vòng ngoài buồng xoắn, đồng thời xem xét việc bố trí 1 số thiết bị phục vụ cho vận hành tổ máy, các

mố trụ bố trí giữa các tổ máy (hình

11.5.III)

Ở TTĐ cột nước cao, do lưu lượng nhỏ, kích thước mặt bằng vòng ngoài buồng

xoắn, do đó chiều dài đoạn tổ máy phụ

thuộc vào kích thước mặt bằng máy phát,

vị trí các thiết bị ở tầng máy phát và lối đi lại để đảm bảo vận hành bình thường

Ở TTĐ đường dẫn cột nước cao, dùng

ống hút hình loe, buồng xả nước có mặt cắt hình vuông với chế độ thủy lực có áp hoặc không có áp thì kích thước chiều dài đoạn tổ máy không được nhỏ hơn 4D1

(hình 11.5.IV)

Ở TTĐ lắp tuabin xung kích, khi xác định

kích thước phần dưới nước khác hẳn với

phương pháp đã trình bày ở trên, vì loại

tuabin này không có buồng xoắn và buồng hút, cuối đường ống áp lực là vòi phun,

nước từ tuabin chảy ra dưới dạng tự do Vì vậy, kích thước đoạn tổ máy của loại tuabin này xác định trên cơ sở bố trí các thiết bị

phụ và các yêu cầu khác để đảm bảo vận hành tổ máy (hình 11.5.V)

Có thể bố trí cửa van trong hành

lang tháo lũ và van sửa chữa cuối ống hút Nếu diện tích tầng ống hút rộng

và cao trình mực nước hạ lưu cao nhất cho phép thì

bố trí van (hình

11.5.VIII)

Khi đoạn loe của ống hút tương đối dài, để giảm chiều dài trụ pin, bố trí dẫn van sửa chữa ở đoạn ống loe và dùng 1 dầm đậy lại Khi muốn thả van sửa chữa xuống thì trước tiên phải cẩu dầm đó ra (hình

11.5.II)

11.3.2 Các kết cấu phần trên nước của nhà máy

Kết cấu và kích thước của phần trên nước của nhà máy TĐ có liên quan chặt chẽ đến việc bố trí các thiết bị trong gian máy Phần xây lắp bên trên của nhà máy TĐ có thể

dùng 1 trong các hình thức sau: nhà máy kín, nhà máy hở, nhà máy nửa hở

a) Kết cấu nhà máy thủy điện kiểu kín (hình 11.6 I, II)

Kết cấu phần trên của nhà máy TĐ kiểu

kín bao giờ cũng phức tạp và giá thành đắt hơn so với nhà máy kiểu hở và nửa hở

Phần này có kết cấu như 1 nhà máy công nghiệp, bên trong có cầu trục chạy suốt

nhà máy phục vụ công việc lắp ráp và sửa chữa tổ máy Các thiết bị được bảo vệ,

che chở khỏi điều kiện thời tiết khí hậu

xấu, đảm bảo lắp ráp, sửa chữa trong bất

kỳ điều kiện nào

b) Kết cấu nhà máy thủy điện kiểu nửa hở (hình 11.6 III)

Loại nhà máy này cho phép giảm được

kích thước phần xây lắp bên trên nhưng

phải đảm bảo điều kiện vận hành của các thiết bị Phần trên rất thấp nhằm để tăng

tốc độ thi công của nhà máy Cầu trục

chính đặt ngoài, tất cả các thiết bị được bố trí trong gian máy Trên mỗi tổ máy có nắp đậy, có thể tháo lắp được, khi sửa chữa

lắp ráp cầu trục chính sẽ di chuyển đến vị trí nhất định để thao tác hoặc có thể dùng con lăn đẩy sang 1 bên

đậy tổ máy dùng con

lăn kéo bằng tời sẽ

giảm được thời gian

mở gian máy, sau đó

cầu trục

chuyển thiết bị đến và đưa vào vị trí của nắp

Chiều cao gian máy của TTĐ kiểu nửa hở, tùy thuộc vào điều kiện lắp ráp vận hành của tổ máy, công tác sửa chữa thường

xuyên không cần cầu trục chính

Ưu điểm là giảm được giá thành xây lắp bên trên, công tác lắp ráp nhanh hơn, tổ

máy thứ nhất có thể đưa vào vận hành

sớm Loại nhà máy này có thể áp dụng

trong điều kiện khí hậu khác nhau

c) Kết cấu nhà máy thủy điện kiểu hở

Không có gian máy, chỉ có 1 hệ thống cột

đỡ dầm cầu trục, mọi thao tác ở ngoài trời

Các nhà máy có nắp che bảo vệ, các thiết bị phụ bố trí ở tầng khác của nhà máy và dưới gian lắp ráp Khi sửa chữa, lắp ráp đều thao tác ở ngoài trời, đây là điều kiện không thuận lợi với những vùng nóng.

11.4 Hệ thống thiết bị phụ và nguyên tắc

bố trí trong nhà máy thủy điện

11.4.1 Mục đích yêu cầu khi bố trí thiết bị phụ

Hệ thống thiết bị phụ chủ yếu để đảm bảo chế

độ vận hành bình thường của tổ máy chia làm

2 nhóm:

suất dầu 16-40 at.

- Hệ thống cung cấp nước kỹ thuật trong nhà máy: để làm mát máy phát, các ổ chặn tuabin, làm mát máy biến thế,

phòng khi cứu hỏa

- Hệ thống khí nén để điều khiển tổ máy

và hãm máy khi cắt tải, phục vụ cho việc kiểm tra đo lường, dùng khí nén đẩy

nước trong ống hút khi tổ máy làm việc ở chế độ bù đồng bộ với chiều cao hút âm

Hs < 0

- Hệ thống thoát nước và tháo cạn khi

sửa chữa hay kiểm tra tổ máy cần phải bơm cạn nước trong buồng xoắn và ống hút Đối với lượng nước thấm phải bố trí hầm tập trung nước và tiêu nước, tất cả các thiết bị trên bố trí trong các phòng

riêng đặt trong nhà máy

b) Nhóm thứ hai: gồm các thiết bị điện và đường dây dẫn điện của bộ phận phân phối điện áp thấp, điện tự dùng cho

các bộ phận điều khiển

11.4.2 Các hệ thống thiết bị phụ

a) Hệ thống dầu

Ở các TTĐ, thiết kế cần tính toán sơ

bộ lượng dầu cần dùng, biện pháp bảo quản dầu, chuẩn bị đưa dầu vào vận

hành, định kỳ kiểm tra chất lượng dầu, tái sinh dầu, bảo quản dầu