Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển điều tốc tuabin thủy lực cho nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

Tuy nhiên, trên thực tế chất lượng điều khiển của hệ điều tốc tại một số nhà máy chưa đáp ứng được yêu cầu như : chịu nhiều ảnh hưởng của nhiễu, thời gian quá độ kéo dài, độ quá điều chỉ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU TỐC TURBIN THỦY LỰC CHO NHÀ MÁY THỦY

Hiện nay, các nhà máy thủy điện đang giữ một vai trò quan trọng trong hệ thống điện quốc gia Số lượng các nhà máy thủy điện ở nước ta nhiều và chiếm tỉ

lệ cao trong tổng công suất điện phát ra của lưới điện Tuy nhiên, trên thực tế chất lượng điều khiển của hệ điều tốc tại một số nhà máy chưa đáp ứng được yêu cầu như : chịu nhiều ảnh hưởng của nhiễu, thời gian quá độ kéo dài, độ quá điều chỉnh thay đổi theo tải,…

Xuất phát từ lý do thực tiễn đó, sau khi thực tập tại nhà máy thủy điện, tiếp xúc với điều kiện thực tế, em càng nhận thấy cần phải nâng cao chất lượng của các hệ điều tốc cũ

Nhằm tìm hiểu sâu hơn về vấn đề trên, em được giao đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển điều tốc Tuabin thủy lực cho nhà máy thủy điên vừa và nhỏ”, nội dung đồ án gồm các phần cơ bản sau đây :

• Giới thiệu nhà máy thủy điện , phân loại nhà máy thủy điện và công nghệ sản xuất điện tại nhà máy

• Khảo sát hệ điều tốc

• Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc

• Thiết kế bộ điều tốc nhà máy thuỷ điện vừa và nhỏ

• Nâng cao chất lượng bộ điều tốc dùng thuật toán điều khiển PID kết hợp với mờ

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

1 Nhà máy thủy điện và các thành phần cơ bản của nhà máy thuỷ điện

1.1 Nhà máy thủy điện

Nhà máy thuỷ điện là công trình thuỷ công trong đó bố trí các thiết bị động lực ( turbin, máy phát điện ) và các hệ thống thiết bị phụ phục vụ cho sự làm việc bình thường của các thiết bị chính nhằm sản xuất điện năng cung cấp cho các hộ dùng

điện Có thể nói đây là một xưởng sản xuất điện năng của công trình thuỷ điện Loại và kết cấu nhà máy phải đảm bảo làm việc an toàn của các thiết bị và thuận lợi trong vận hành

1.2 Phân loại nhà máy thuỷ điện

Nhà máy thuỷ điện được chia thành ba loại cơ bản:

- Nhà máy thuỷ điện ngang đập được xây dựng trong các sơ đồ khai thác thuỷ

năng kiểu đập với cột nước không quá 35 - 40 m Bản thân nhà máy là một thành phần công trình dâng nước, nó thay thế cho một phần đập dâng Của lấy nước cũng là thành phần cấu tạo của bản thân nhà máy Do vị trí nhà máy nằm trong lòng sông nên loại nhà máy này còn được gọi là nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông Chi tiết kết cấu loại nhà máy này được trình bày trong chương II mục 2-1

- Nhà máy thuỷ điện sau đập được bố trí ngay sau đập dâng nước Khi cột

- Nhà máy thuỷ điện đường dẫn trong sơ đồ khai thác thuỷ năng kiểu đường

dẫn hoặc kết hợp, nhà máy thuỷ điện đứng riêng biệt tách khỏi công trình đầu mối Cửa lấy nước đặt cách xa nhà máy Trong trường hợp công trình dẫn nước là không

áp thì cửa lấy nước nằm trong thành phần của bể áp lực; trong trường hợp công trình dẫn nước là đường hầm có áp thì cửa lấy nước bố trí ở đầu đường hầm và là một công trình độc lập Đường dẫn nước vào nhà máy thường là đường ống áp lực nhưng trong trường hợp trạm thuỷ điện đường dẫn cột nước thấp với đường dẫn là kênh dẫn thì có thể bố trí nhà máy thuỷ điện kiểu ngang đập

Ngoài cách phân loại cơ bản trên nhà máy thuỷ điện còn được phân loại theo vị trí tương đối của bản thân nhà máy trong bố trí tổng thể: Nhà máy thuỷ điện trên mặt đất ( nhà máy thông thường); nhà máy thuỷ điện ngầm được bố trí toàn bộ trong lòng đất, nhà máy thuỷ điện nửa ngầm với phần chủ yếu của nhà máy bố trí ngầm trong lòng đất, phần mái che có thể bố trí hở trên mặt đất; nhà máy thuỷ

điện trong thân đập được bố trí trong thân đập bê tông, trong thân đập đất, giữa các trụ chống của đập trụ chống

Về đặc điểm kết cấu của ba loại cơ bản trên, nhà máy thuỷ điện còn có nhiều dạng kết cấu đặc biệt khác như nhà máy kết hợp xả lũ dưới đáy hoặc trong thân

đập tràn, trong trụ pin, nhà máy thuỷ điện ngang đập với turbin capxul, nhà máy thuỷ điện thuỷ triều Các loại nhà máy này tạm xếp chung vào loại nhà máy đặc biệt

Về công suất nhà máy thuỷ điện chia làm nhiều loại theo công suất lắp máy, cách phân loại này chỉ là tương đối và cụ thể với tiêu chuẩn của từng quốc gia ở Việt nam cấp công trình được xác định theo tiêu chuẩn TCVN-5060-90:

Nhà máy thuỷ điện lớn Nlm ≥ 1000 MW

Nhà máy thuỷ điện vừa : 15 ≤ Nlm ≤ 1000 MW

Nhà máy thuỷ điện nhỏ : Nlm ≤ 15 MW

Theo cột nước nhà máy thuỷ điện phân theo ba loại tuỳ thuộc cột nước công tác lớn nhất:

Nhà máy thuỷ cột nước cao : Hmax > 400 m

Nhà máy thuỷ điện cột nước trung bình : 50 ≤ Hmax ≤ 400 m

Nhà máy thuỷ điện cột nước thấp : Hmax < 50 m

Cột nước công tác Hmax có liên quan đến loại turbin bố trí trong nhà máy ở TTĐ cột nước cao bố trí turbin tâm trục tỷ tốc bé và khi cột nước Hmax >500 m sử dụng turbin gáo ở TTĐ cột nước trung bình thường bố trí các loại turbin tâm trục với các tỷ tốc từ lớn đến bé và trong một số trượng hợp với cột nước Hmax >150

m có thể sử dụng turbin cánh chéo ở TTĐ cột nước thấp thường bố trí turbin cánh quay hoặc turbin cánh quạt và cũng có thể bố trí các turbin tâm trục tỷ tốc lớn hoặc turbin cánh chéo

Hình thức lắp máy cũng có ảnh hưởng lớn đến kết cấu nhà máy thuỷ điện: Với turbin phản kích công suất lớn thường bố trí trục đứng Bố trí như vậy nhà máy sẽ gọn hơn nhưng chiêu sâu móng nhà máy sẽ lớn Với TTĐ ngang đập cột nước thấp Hmax < 20m có thể sử dụng turbin cánh quay kiểu capxul trục ngang, ống hút thẳng Với nhà máy thuỷ điện sử dụng turbin tâm trục công suất nhỏ cho thấy tốt nhất là sử dụng hình thức lắp máy trục ngang khi đó việc lắp đặt và sửa chữa turbin

và máy phát không phụ thuộc lẫn nhau nhưng kích thước mặt bằng nhà máy đòi hỏi lớn hơn so với trục đứng Đối với TTĐ sử dụng turbin gáo hình thức lắp máy có thể trục đứng hoặc trục ngang không phụ thuộc vào công suất tổ máy mà phụ thuộc vào số lượng vòi phun và các yếu tố kết cấu công trình cụ thể

Kết cấu nhà máy thuỷ điện được chia làm hai phần: Phần dưới nước ( khối bê tông phía dưới) bố trí turbin, buồng xoắn, ống hút, các hệ thống thiết bị phụ Phần trên nước bao gồm gian máy và gian lắp ráp-sửa chữa, gian máy bố trí máy phát

điện, thùng dầu áp lực và tủ điều tốc turbin

Đối với nhà máy thuỷ điện tích năng cách phân loại và đặc điểm cấu tạo cũng tương tự như nhà máy thuỷ điện

2 Các thiết bị bố trí trong nhà máy thuỷ điện

1- Các thiết bị bố trí trong nhà máy thuỷ điện được chia thành các loại: Thiết

bị động lực ( turbin, máy phát điện), thiết bị cơ khí, thiết bị phụ, thiết bị

điện

Sơ đồ công nghệ bố trí các thiết bị trong nhà máy thuỷ điện được trình bày trên hình 1-1

2.1 Turbin thuỷ lực:

Thiết bị động lực bao gồm turbin thuỷ lực và máy phát điện

Các bộ phận cơ bản của turbin phản kích là bộ phận dẫn nước vào ( buồng xoắn), phần cơ khí thuỷ lực ( trụ chống, cánh hướng nước, bánh xe xông tác), bộ phận tháo nước ( ống hút), hệ thống thiết bị điều khiển turbin ( thùng dầu áp lực,

tủ điều tốc, máy tiếp lực)

Phụ thuộc vào cột nước mà sử dụng các loại turbin cánh quay, cánh quạt, tâm trục hay turbin gáo Phần turbin thuỷ lực đã được trình bày trong giáo trình turbin thuỷ lực, trong giáo trình này chỉ trình bày một cách tổng quát các thiết bị khác có liên quan đến việc bố trí và kết cấu nhà máy thuỷ điện

Hình 1.-1 Sơ đồ công nghệ bố trí thiết bị nhà máy thuỷ điện

1- Turbin, 2- máy phát điện, 3- van trước turbin, 4- máy biến áp, 5- cáp dẫn

điện máy phát, 6- hệ thống làm mát máy phát, 7- hệ thống đo lường và điều khiển, 8- hệ thống cấp nước kỹ thuật, 9- hệ thống khí nén, 10- hệ thống kích từ, 11- hệ thống dầu, 12- cầu trục, 13- phòng điều khiển trung tâm, 14- trạm phân phối điện, 15- đường dây điện áp cao thuộc trạm, 16- cửa van ống hút, 17- thùng dầu áp lực, 18- tủ điều tốc, 19- máy tiếp lực, 20- hệ thống thoát nước

2.2 Máy phát thuỷ điện

Máy phát là động cơ biến cơ năng của turbin thành điện năng cung cấp cho

hệ thống điện Máy phát thuỷ điện về nguyên tắc là máy phát đồng bộ ba pha, các bộ phận chủ yếu của nó bao gồm: rotor nối với trục turbin trực tiếp hoặc

gián tiếp qua hệ thống truyền động Ro to làm nhiệm vụ tạo nên từ trường quay làm xuất hiện dòng điện xoay chiều trong các cuộn dây trong các ổ cực của stator máy máy phát Để đảm bảo tần số dòng điện tiêu chuẩn 50 hec ( ở một số nước là 60 hec), yêu cầu rotor máy phát phải quay với tốc độ không thay đổi khi làm việc có phụ tải và bằng tốc độ quay đồng bộ Nếu trục turbin

và trục máy phát nối trực tiếp thì tốc độ quay của chúng phải như nhau và là tốc độ quay đồng bộ Ngoài hai bộ phận chủ yếu là rotor và stator máy phát còn có các bộ phận phụ trợ khác như hệ thống kích từ, các hệ thống làm mát, chống cháy, nén nước v.v

2.3 Các thiết bị cơ khí trong nhà máy thuỷ điện

Thiết bị cơ khí của TTĐ bao gồm các loại cửa van và các thiết bị nâng chuyển phục vụ cho việc đóng mở và lắp ráp sửa chữa chúng Các thiết bị này bố trí tại cửa lấy nước đã được trình bày trong chương I phần I của giáo trình này

1 Cửa van trên đường ống dẫn nước turbin

Trong các loại nhà máy thuỷ điện kiểu sau đập và đường dẫn với đường ống dài, trước buồng xoắn turbin còn có thể bố trí các cửa van trong trường hợp sử dụng đường ống rẽ nhánh hoặc TTĐ cột nước cao H > 200-300m

ở TTĐ cột nước cao, cửa van trước buồng xoắn có công dụng tránh cho cánh hướng nước phải chịu áp lực lớn khi ngừng làm việc, giảm tổn thất nước rò rỉ qua cánh hướng nước và cơ bản bảo vệ cánh hướng nước khỏi bị phá huỷ do khí thực khi nước rò rỉ qua chúng với lưu tốc lớn Khi bố trí cửa van trước buồng xoắn thì các cửa van này còn kết hợp làm nhiệm vụ bảo vệ tổ máy khỏi chế độ quay lồng khi hệ thống điều khiển chúng không làm việc Đối với TTĐ có phương thức cấp nước độc lập, cửa van trước buồng xoắn được bố trí ở tất cả các trường hợp cột nước lớn hơn 300 m, hoặc đường ống dài trên 300-400 m Trong trường hợp cột nước nhỏ hơn 200 m chỉ bố trí khi thời gian làm việc của turbin dưới 3000 giờ/ năm Còn đối với TTĐ cấp nước theo nhóm với ống dẫn nước chung cho một số tổ máy thì cửa van được bố trí trên tất cả các ống rẽ nhánh Trên hình 1-6 là sơ đồ bố trí các cửa van trên tuyến đường ống áp lực

2 Cửa van cửa ra ống hút

Cửa van tại cửa ra ống hút với mục đích sửa chữa turbin, khi đó cần phải đóng cửa van này để bơm cạn nước trong buồng xoắn và ống hút Cửa van này thường là van trượt phẳng một tầng hoặc nhiều tầng Vị trí của nó có thể ở cửa ra, giữa hoặc

đầu đoạn loe của ống hút

Thông thường người ta sử dụng một hoặc hai bộ cửa van này cho toàn bộ nhà máy tuỳ theo số lượng tổ máy Việc đóng mở cửa van này có thể bố trí cầu trục ở phía trên ống hút, thường là cầu trục kiểu chân dê hoặc tời di động trên dầm cố

định

1- cầu trục; 2- xe nâng móc chính và móc phụ; 3- bánh xe cầu trục; 4- móc chính; 5- móc phụ; 6- buồng điều khiển; 7- động di chuyển cầu trục

a- Máy biến áp; b- đồ thị xác định sơ bộ các kích thước và trọng lượng máy BA 1- vỏ; 2- bánh xe; 3- sứ cách điện; 4- máy làm mát; 5- thùng dầu phụ; 6- quạt gió; 7- ống đo dầu

Cầu trục chính có tải trọng rất lớn, có thể đến 1000 tấn, tuy nhiên tuỳ vào trọng lượng vật cẩu lớn nhất (rotor) và kích thước nhà máy mà có thể sử dụng cầu trục kép ( 2 cái)

2.4 Thiết bị điện

Thiết bị điện của trạm thuỷ điện bao gồm: 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 máy phát tuỳ thuộc vào công suất có thể từ 3,5 ữ 24 KV, việc truyền tải từ máy phát điện đến máy biến áp với dòng điện lớn đòi hỏi dây dẫn tiết diện lớn và tổn thất điện năng cũng lớn, hơn nữa dây dẫn đắt tiền nên đòi hỏi máy biến áp phải bố trí thật gần máy phát điện Với công suất máy phát dưới 100 MVA

đoạn dây dẫn này thường để trần, khi công suất lớn hơn chúng thường là các cáp

điện chuyên dùng

Máy biến áp chính nhằm nâng cao điện áp để tài điện đi xa Phụ thuộc vào hệ

thống mà TTĐ cung cấp, điện áp cao thế của máy biến áp ( MBA) có thể 35, 110,

220, 500 KV hoặc cao hơn Máy biến áp chính về nguyên tắc được bố trí ngoài trời, chúng đòi hỏi phải làm mát bằng không khí hoặc bằng nước

Cấu tạo các bộ phận chính của máy biến áp thể hiện trên hình 1-11, a Các bộ phận chủ yếu gồm vỏ máy chứa dầu cách điện 1 trong đó là các cuộn dây và lõi thép từ ( ruột máy), các đầu dây dẫn vào và ra với các sứ cách điện cao thế và hạ thế 23, các máy làm mát bằng không khí 4 với các quạt gió tăng cường 6, thùng dầu phụ 5 với ống đo dầu 7 đảm bảo cho dầu trong máy biến áp có áp suất ổn định trong quá trình làm việc Máy biến áp đặt trên hệ thống đường ray chung cho toàn trạm và có thể vận chuyển vào gian máy để sửa chữa Máy biến áp công suất nhỏ hơn 50 MVA thường đặt trên bốn bánh xe, với MBA công suất trung bình và lớn

đặt đặt trên nhiều xe lăn, mỗi xe có bốn bánh Để vận chuyển MBA vào gian lắp ráp người ta di chuyển đến chỗ chuyển hướng của đường ray, dùng kích thuỷ lực nâng MBA lên và quay chiều các xe lăn theo hướng ray cần di chuyển Chiều rộng

đường ray thường lấy bằng chiều rộng đường ray thông dụng của giao thông còn chiều khoảng cách giữa các bánh xe hoạc các xe lăn phụ thuộc vào kích thước cầu trục có thể là 2000, 2500, 3000 mm

Máy biến áp được phân thành hai loại theo số cuộn dây: hai cuộn dây và ba cuộn dây Loại hai cuộn dây dùng để tăng điện áp máy phát lên một cấp điện áp, còn MBA ba cuộn dây tăng điện áp lên hai cấp khác nhau cung cấp cho hai hệ thống khác nhau Theo số pha người ta chế tạo máy biến áp ba pha và máy biến áp một pha

Nhãn hiệu của máy biến áp phải thể hiện công suất, điện áp, phương pháp làm mát, số pha và khả năng lắp đặt ngoài trời

Khả năng vượt tải tạm thời của MBA trong một số ít giờ có thể đạt 30 ữ 40%, còn khả năng vượt tải lâu dài có thể từ 5 ữ 10%

Kích thước sơ bộ của MBA có thể xác định theo các đồ thị hình 1-11, b:

đường liền nét trong biểu đồ xác định trọng lượng là trọng lượng toàn bộ MBA, còn đường không liền nét là trọng lượng phần ruột Lượng dầu sơ bộ tính ở mức 1

kg cho 1 KVA công suất

Hệ thống điện tự dùng phục vụ cho sản xuất của bản thân TTĐ chiếm khoảng

0,2 ữ1,0% điện năng sản xuất Các hộ tự dùng được chia làm ba loại : Loại không cho phép mất điện khi làm việc (các hệ thống dầu, cấp nước kỹ thuật, khí nén, kích

từ, phòng hoả, điều khiển máy cắt & cầu dao, điều khiển các cửa van công tác, chiếu sáng trong nhà); loại cho phép mất điện tạm thời trong thời gian ngắn ( hệ thống tháo nước tổ máy, thoát nước rò rỉ, chiếu sáng ngoài trời ), loại cho phép mất điện dài trong một thời gian nhất định ( hệ thống lọc và xử lý dầu, các xưởng sửa chữa, các kho chứa )

Hệ thống điện tự dùng tuỳ theo từng loại thiết bị sử dụng điện áp từ 220 V

đến 10 KV Vì vậy cần có máy biến áp hạ thế nối trực tiếp máy phát hoặc từ hệ thống thanh góp điện áp máy phát

Trong nhà máy điện bố trí các thiết bị phân phối điện áp máy phát Tất cả các thiết bị này về nguyên tắc được lắp đặt theo bộ ( cụm) để khi sửa chữa có thể thay thế dễ dàng Chúng được lắp đặt dọc theo toàn bộ chiều dài nhà máy, trong các gian có chiều cao 4-5m, chiều rộng 6-8 m

Trạm phân phối điện áp cao được bố trí ngoài trời, sơ đồ đầu dây và vị trí và thiết bị của nó sẽ được trình bày trong mục 1-7

2.5 Các hệ thống thiết bị phụ

Các hệ thống thiết bị phụ bao gồm: Hệ thống dầu, cấp nước kỹ thuật, khí nén, phòng hoả, tháo nước sửa chữa và rò rỉ

3 Kết cấu phần dưới nước nhà máy thuỷ điện

3.1 Các kết cấu phần dưới nước của nhà máy

1 Thiết bị bố trí phần dưới nước nhà máy

Dọc theo chiều dài nhà máy (vuông góc với chiều dòng chảy), phần dưới nước gồm nhiều khối turbin giống nhau và ngoài cùng là sàn lắp ráp Tuỳ điều kiện

địa chất nền và chiều dài, toàn bộ nhà máy có thể là một khối liền hoặc cách nhau bằng những khe lún ngang cắt nhà máy thành từng đoạn Trong mỗi đoạn gồm từ một hoặc một số tổ máy, riêng phần sàn lắp ráp do chịu tải trọng khác nên thường

được tách riêng khỏi các khối turbin Phần dưới nước tính từ dưới lên có tầng ống hút, tầng turbin Về phía thượng lưu trước ống hút thường bố trí một 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 turbin, ngoài turbin còn đặt các thiết bị phụ của trạm thuỷ điện, các hệ thống này nhằm bảo đảm sự làm việc bình thường của các thiết bị chính: hệ thống thiết bị cung cấp dầu mỡ, hệ thống thiết bị cung cấp nước kĩ thuật, hệ thống thiết

bị tháo nước sửa chữa tổ máy, hệ thống tiêu nước nhà máy, các hệ thống cáp điện Ngoài ra còn bố trí các kho chứa và một số phòng phụ, máy tiếp lực và cơ cấu điều chỉnh

Dưới sàn lắp ráp thường bố trí các xưởng, kho, các phòng a xit, ác quy, máy bơm, giếng tập trung nước

2 Các kết cấu chủ yếu phần dưới nước

Phần dưới nước gồm các bộ phận dẫn nước ( buồng xoắn, ống hút, đường ống turbin) hoặc kênh xả đối với tua bin xung kích Tuỳ thuộc vào loại nhà máy và loại tua bin phần dưới nước có khác nhau Đối với trạm thuỷ điện ngang đập phần dưới nước của nhà máy ngoài buồng xoắn, ống hút còn có cửa lấy nước liên kết với nhà máy, dẫn nước trực tiếp vào buồng xoắn Trạm thuỷ điện sau đập và đường dẫn phần dưới nước chủ yếu 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 tua bin xung kích gáo thì phần dưới nước của nhà máy đơn giản vì không có buồng xoắn turin và hình dạng phức tạp của ống hút, nó chỉ là kênh xả dẫn nước ra hạ lưu

Điều kiện địa chất nền có ảnh hưởng rất lớn đến kích thước và hình dạng phần dưới nước của nhà máy nhất là bản đáy của tổ máy Khi nhà máy xây trên nền đá có cường độ chịu lực cao thì giảm được chiều dày bản đáy, giảm được thép gia cố nền, ngược lại xây trên nền đất yếu thì độ dày bản đáy của nhà máy rất lớn cần gia cố cốt thép nhiều Trong thực tế xây dựng do điều kiện địa chất, nhà máy cần đặt sâu xuống tầng đá gốc thì phải dùng ống hút cong có độ cao lớn mới đạt

được các tham số điện năng của tổ máy, cũng có thể dùng ống hút cong có độ cao thấp nhưng phải hạ cao trình đặt máy xuống hoặc sử dụng turin loại có tỷ tốc cao phù hợp với cột nước trong trường hợp đó

4 Sơ đồ tuyến năng lượng của nhà mỏy thủy điện

4 1 Sau đõy là sơ đồ tuyến năng lượng của nhà mỏy thủy điện

Hình 4.1: Mô hình chuyển hóa năng lượng thực tế của máy phát thủy điện

Chú thích: BXCT là viết tắt của bánh xe công tác

BX là viết tắt của buồng xoắn Tuabin trục đứng, hướng tâm, hướng trục, có nguyên lý làm việc như sau:

Năng lượng làm quay Tuabin được lấy từ hồ chứa nước có cột áp làm việc

từ 109 ÷ 60 m Qua cửa nhận nước, nước được dẫn vào Tuabin theo tuyến năng lượng phía thượng lưu

Tới buồng xoắn (BX) có dạng hình xoắn ốc, dòng chảy lúc này đã đạt vận tốc lớn nhất và dòng chảy được chuyển hướng để phân phối đều vào bánh xe công tác (BXCT), buồng xoắn là nơi chuyển hóa năng lượng, biến thế năng thành động năng làm quay Tuabin

Trước khi vào BXCT dòng chảy được phân phối và hướng dòng một lần nữa qua các cánh hướng tĩnh được đúc liền với vành đỡ trên và dưới, cánh hướng tĩnh có dạng cong hình khí động học, tạo thành như các vòi phun nhằm tăng động năng dòng chảy trước khi vào BXCT

Dòng chảy vừa qua khỏi cánh hướng tĩnh là tới cánh hướng động, hệ thống cánh hướng này gồm 20 cánh bằng thép có dạng hình khí động học, nhằm nâng cao hiệu suất và giảm tổn thất dòng chảy Đồng thời khe hở giữa hai cánh tạo thành như các vòi phun nhằm tăng động năng dòng chảy trước khi vào BXCT Cánh hướng ngoài việc phân phối lưu lượng nước vào BXCT tức là tăng giảm công suất, còn làm nhiệm vụ dừng tổ máy, đóng kín cách ly giữa thượng lưu và hạ lưu

Tới BXCT dòng chảy lúc này có động năng lớn nhất, hoàn toàn thế năng đó biến thành động năng, lực tác dụng của dòng chảy tác động trực tiếp theo phương vuông góc vào 16 cánh của BXCT làm quay Tuabin kéo Máy phát Nhờ cấu tạo đặc biệt của BXCT mà dòng chảy được chuyển hướng từ hướng kính sang hướng trục một cách êm dịu

Nước công tác sau khi ra khỏi BXCT động năng bị suy giảm đột ngột và hướng dòng chảy cũng bị thay đổi đột ngột từ hướng kính sang hướng trục Năng lượng mất đi này đó chuyển hóa thành cơ năng làm quay Tuabin kéo Máy phát Sau quá trình chuyển hóa năng lượng và sinh công Dòng chảy ra khỏi BXCT, nhờ có chóp côn dòng chảy được chuyển hướng một cách êm dịu từ hướng kính sang hướng trục nối tiếp với dòng chảy sau bxct một cách tốt nhất không gây tiếng ồn, nâng cao hiệu suất và giảm hiện tượng xâm thực sau BXCT

Dòng chảy sau khi đã hoàn thành nhiệm vụ, được xả ra hạ lưu qua ống côn, ống khuỷu, phai hạ lưu và tuyến ống xả

4.2 Công nghệ sản xuất điện

Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc qui trình sản xuất điện

Để sản xuất ra điện , nhà máy thủy điện dùng một dây chuyền tổng hợp biến đổi năng lượng từ thủy năng sang cơ năng ,rồi thành điện năng như mô tả trên hình

1.2 Qui trình sản xuất điện như sau:

• Nước có thế năng được chứa trên hồ, ngăn cách với hạ lưu bởi một đập đất đá cao Đập đất đá này cao 128 m , dài 743m theo đỉnh đập,chiều rộng chân đập 725 m với 22 triệu m3 đất đá Nước trên lòng hồ được dẫn qua một công trình dẫn nước nằm sâu , thấp trong lòng núi Do sự

chênh lệch độ cao giữa hồ chứa và hạ lưu nên nước chảy với tốc độ cao

• Tuabin : Nước có thế năng lớn và chảy với tốc độ cao qua công trình dẫn nước được đưa vào buồng xoắn chứa tua bin của máy phát.Với cấu

NƯỚC CÓ

THẾ NĂNG

TUA BIN

HỆ THỐNG KÍCH TỪ

MÁY PHÁT TRUYỀN

TẢI

TẢI

tạo đặc biệt của buồng xoắn , dòng nước tác động đều lên các cánh tua

bin , làm quay cánh tua bin

• Máy phát : Do rô to máy phát được nối đồng trục với trục của tua bin nên rô to máy phát cũng được làm quay với cùng tốc độ Nước sau khi chảy qua cánh tua bin được xả qua ống xả , thoát về cửa xả nước , ra hạ

,nó sẽ cảm ứng trên stato máy phát một sức điện động 3 pha

• Truyền tải : Điện áp phát ra trên stato máy phát được truyền tới gian biến áp bên trong nhà máy để nâng lên cao thế ,rồi truyền tới các trạm phân phối ngoài trời Từ đây,điện do nhà máy sản xuất được hòa vào

lưới quốc gia

• Tải tiêu thụ là toàn bộ các thiết bị sử dụng điện trên toàn quốc

4.3 Các thiết bị chính tham gia sản xuất điện

• Cột áp tối đa: HMax= 109 m

• Cột áp tối thiểu: HMin= 60 m

• Hiệu suất tối đa ở Hđm : ηma x= 95%

• Tải trọng tính toán tối đa trên ổ đỡ: f = 16,1 MN=16100tấn

• Tổng tổn thất tính toán ở ổ đỡ: σn = 380 Kw

• Áp lực trung bình trên xéc men ổ đỡ, ở tải trọng tính toán:

P = 31,5 Kg/cm2

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT HỆ ĐIỀU TỐC CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ

2 Máy điều tốc trong nhà máy thủy điện

2.1 Chức năng và nguyên lý làm việc của máy điều tốc

Máy điều tốc của tua bin là thiết bị dùng để điều chỉnh tốc độ của máy phát điện Các chức năng chính của máy điều tốc:

2.1.1.Chức năng điều tốc

- Điều chỉnh tốc độ quay của tua bin trong quá trình khởi động/dừng máy

- Điều chỉnh tốc độ quay của tua bin trong quá trình làm việc với tải

2.1.2.Chức năng điều tải

- Điều khiển cánh hướng nước và van kim để điều chỉnh công suất phát

2.1.3.Chức năng bảo vệ khi tốc độ quay tăng lên không bình thường

- Điều khiển quá trình dừng tránh hiện tượng tăng tốc không bình thường trong trường hợp có hư hỏng sự cố

Các phần chính của máy điều tốc bao gồm phần dẫn động và phần điều chỉnh Phần dẫn động được cấu tạo bởi các bộ phận cơ khí và các thiết bị điều khiển như bộ chuyển đổi, van khởi động/dừng, van điều khiển, pít-tông điều khiển

và van phân phối Phần dẫn động điều khiển về cơ khí góc mở của cánh hướng bằng cách điều chỉnh lượng dầu áp lực vào servomotor, nó đóng mở cánh hướng của tua bin theo tín hiệu điều khiển từ phần điều chỉnh Phần điều chỉnh được cấu tạo bởi các bộ phận điện và điện tử như các bản mạch và hệ thống dây nối Phần điều chỉnh nhận tín hiệu đo tốc độ quay của tua bin và góc mở của cánh hướng , dựa vào các tín hiệu đó, nó phát ra tín hiệu điện tử tác động điều khiển chính xác

và đưa tới phần dẫn động

Hình 1.1 minh họa sơ đồ khối của hệ thống điều khiển hoàn chỉnh cùng đối tượng thừa hành chịu tác động điều khiển từ máy điều tốc Có hai loại phản hồi, phản hồi cứng và phản hồi mềm Cơ cấu phản hồi mềm chủ yếu làm việc trong quá trình vận hành ổn định trước khi máy phát chuyển sang chế độ làm việc song song Cơ cấu phản hồi cứng có chức năng “điều tốc làm việc lâu dài” khi máy phát vận hành song song trong hệ thống và điều chỉnh công suất phát của tua bin để khôi phục tần số của hệ thống

Hình 1.2 minh họa nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí Khi tốc độ quay của bộ điều tốc tăng tỷ lệ với tốc độ quay của tua bin, quả cầu văng ra làm cho khớp nối đi lên và đẩy van phân phối xuống Khi servomotor đóng lại, điểm tựa phản hồi của đòn nối được nâng lên theo cơ cấu cam, đòn nối chuyển động từ vị trí được vẽ bằng đường nét chấm gạch tới vị trí được vẽ bằng nét đứt Tốc độ quay sau đó giảm xuống và đòn nối trở lại vị trí được vẽ bằng nét liền

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển có máy điều tốc

Hình 1.2 Nhuyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí

Đối tượng điều khiển

(Phần điều chỉnh

)

Cơ cấu dầu áp lực

Cơ cấu phản hồi

(Phần làm việc) Servo motor

(Nhiễu) Tải hệ thống

(Đối tượng điều khiển ) Tua bin và máy phát thủy lực

Lỗ nhỏ

Cánh hướng

Bộ phận giảm chấn phản hồi cứng

Điểm tựa phản hồi

Servo motor

Mở Đóng

2.2 Phân loại máy điều tốc

2.2.1 Máy điều tốc cơ khí

Con lắc ly tâm được sử dụng làm nhiệm vụ đo tốc độ, lực ly tâm tác dụng lên quả cầu sẽ thay đổi khi tốc độ quay thay đổi Ngoài các máy điều tốc sử dụng con lắc ly tâm làm bộ phận phát động, còn có máy điều tốc sử dụng dây đai, máy điều tốc nối trực tiếp với trục chính của tua bin, máy điều tốc truyền động bằng bánh răng và máy điều tốc sử dụng động cơ điện Trong khi lực ly tâm được ứng dụng cho máy điều tốc con lắc ly tâm thì các loại máy điều tốc này được phát động bằng lò xo, lò xo lá, hoặc lực trọng trường

2.2.2 Máy điều tốc điện

Điện áp của máy phát được sử dụng làm tín hiệu vào, nó được đưa qua mạch cộng hưởng hoặc mạch cầu, độ lệch tần số được xác định theo giá trị đặt sau

đó tín hiệu đầu ra được đưa qua bộ khuếch đại và chuyển đổi thành các chuyển động cơ khí bằng các cơ cấu chuyển đổi điện-cơ

2.2.3 Các loại máy điều tốc khác

Máy điều tốc không có bộ điều tốc (Speederless governors) là máy điều tốc trong đó phần đo tốc độ sử dụng trong quá trình vận hành bình thường được bỏ qua, máy điều tốc chỉ làm nhiệm vụ đóng đường vào của nước khi tốc độ máy phát tăng lên không bình thường, tuy nhiên trong quá trình vận hành bình thường việc

mở servomotor bị cấm bởi thiết bị giới hạn tải, chúng được kết nối với bộ phận điều chỉnh mức nước của bể áp lực

Máy điều tốc còn được phân ra làm hai loại, loại một (loại A) là các máy điều tốc mà bản thân nó (phần dẫn động) và servomotor được đặt trong một hệ thống hoàn chỉnh (Xem Hình 1.3), loại còn lại (loại B) là các máy điều tốc có hai phần trên tách rời nhau Đối với loại B, phần dẫn động được đặt trong một vỏ bọc

và được nối với servomotor đặt trong gian tua bin bằng hệ thống ống dẫn thủy lực

Ngoài ra, máy điều tốc còn được phân loại theo tua bin Các máy điều tốc được mô tả ở trên sử dụng cho tua bin Francis, đối với các máy điều tốc sử dụng cho tua bin cánh quạt, độ mở cánh tua bin tiếp nhận sự điều khiển tiếp theo từ cam, với các độ mở khác nhau của cánh hướng cho phép quá trình vận hành hiệu quả cao Tổng quan về máy điều tốc được thể hiện trong Hình 1.4 Tương tự đối với máy điều tốc tua bin Pelton, ở đó cơ chế mở/đóng của bộ đo được điều khiển bởi máy điều tốc và độ mở của van kim tiếp nhận điều khiển tiếp theo cùng với độ

mở của bộ đo Cụ thể trong Hình 1.4, van kim được điều khiển thay vì cánh tua bin, bộ đo được điều khiển thay vì cánh hướng Trong thực tế, bộ vi xử lý được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển kỹ thuật số, phương pháp này còn được ứng dụng trong quá trình đưa kết quả tính toán của hệ thống điều khiển số tới

bộ chuyển đổi điện-cơ để điều khiển cánh tua bin hoặc van kim, do đó cam cơ khí thường dùng để điều khiển cánh tua bin và van kim được thay thế theo phương pháp điện tử nói trên

Ngoài ra, trong các nhà máy điện loại nhỏ và trung bình, servomotor điện

không dùng dầu áp lực được sử dụng

Hình 1.3 (a) Mặt cắt MĐT cơ khí

Hình 1.3 (b) Máy điều tốc cơ khí

Cơ cấu vận hành bằng tay

Xy lanh Pít-tông

Xy lanh dừng Cam

Bộ đo thời gian

Thanh pít-tông

ụ ngang

Xy lanh khởi động Thiết bị giới hạn độ mở

Bộ dừng

Cơ cấu vận hành

bằng tay

Van phân phối

Động cơ điện điều khiển

Chỉ thị điều tốc Chỉ thị mức

độ điều tốc

Hình 1.4 Thiết bị điều khiển cánh tua bin của tua bin cánh quạt

(2) Phân loại máy điều tốc theo hoạt động

Theo Tổ chức Nghiên cứu Kỹ thuật điện Nhật Bản, máy điều tốc được chia thành ba loại: Loại X, Loại Y và Loại Z, theo hoạt động của chúng Bảng 1 cho biết danh mục các hoạt động cả máy điều tốc

Max Trục phản hồi

cánh tua bin

Min

Van phân phối của cánh tua bin

Thanh nối dưới

Cần điều chỉnh cánh tua bin Thanh nối trên Thanh phản hồi cánh tua bin

Tải trọng

Góc quay của cánh tua bin

Dây neo phản hồi cánh tua bin

Pít-tông của van phân phối cánh tua bin

Phần cuối của thanh

Van dầu áp lực thường đóng

Hướng mở cánh tua bin

Servomotor cánh tua bin

Pít-tông điều khiển

Dầu áp lực Dầu thoát

Van dầu thoát thường mở

Tải trọng

Bảng 1 Danh mục các hoạt động của máy điều tốc

Nhỏ hơn 0.3

Chức

năng - Thiết bị kết nối (*3)

- Thiết bị có đặc tính tốc độ quay là đường phức hợp

- Tự động chuyển mạch hãm hoặc P.I.D

Có thể được trang bị

Có thể được trang bị

Có

Không có Không có Không có

Vùng điều

chỉnh

- Tốc độ quay (%) (*4)

- Độ suy giảm tốc độ làm việc lâu dài (%)

- Độ suy giảm tốc độ tức thời (%) (*5)

- Hằng số thời gian của mạch hãm (S)

90~108 0~6 0~50 0~15

90~108 0~6 0~50 0~10

Không có bộ phận đo tốc

tốc độ

Các nhà máy thủy điện được phân loại chung thành thủy điện kiểu đập và

kiểu kênh dẫn, triển vọng của chúng đối với quá trình vận hành của lưới điện được

quyết định bởi khả năng phát và tỷ lệ công suất phát hàng năm (tỷ lệ công suất

phát sẵn có hàng năm) Các yếu tố này phụ thuộc vào tình trạng cung cấp nước của

nơi nhà máy được xây dựng Ví dụ, đối với các nhà máy điện công suất lớn có thể

cung cấp lượng nước ổn định, tần số của hệ thống được điều chỉnh chính xác, đối

với các nhà máy điện nhỏ và vừa kiểu kênh dẫn, việc cung cấp nước không ổn

định, công suất phát phụ thuộc vào lượng nước Do đó cần đề ra các tiêu chuẩn lựa

chọn máy điều tốc, trước hết cho phép lựa chọn chính xác máy điều tốc được lắp

đặt mới hoặc thay thế

Bảng 2: Các tiêu chuẩn lựa chọn máy điều tốc theo Tổ chức Nghiên cứu

Kỹ thuật điện (Nhật Bản)

Bảng 2 Các tiêu chuẩn lựa chọn máy điều tốc

X

(a) Các nhà máy thủy điện tích năng

(b) Các nhà máy thủy điện làm nhiệm vụ điều tần cho lưới điện bằng các máy điều tốc làm việc tự do hoặc vận hành thiết bị AFC(Thiết bị điều chỉnh tần

Thời gian đóng tương đương

Thời gian chết tương đương

Thời gian chết Servo motor bắt đầu tác động

Z (Máy điều tốc không có bộ điều tốc) (a) Các nhà máy điện không làm nhiệm vụ điều tần

(b) Các nhà máy điện sử dụng máy phát cảm ứng

2.3 Cấu tạo của máy điều tốc

Máy điều tốc theo định nghĩa trước đây là một tổ hợp các chức năng điều chỉnh độ mở của van tiết lưu Mục này mô tả các chức năng đó được thực hiện như thế nào trong thực tế Hình 1.5 minh họa hệ thống điều khiển máy điều tốc cùng với các chức năng của nó Các chức năng của chúng được giải thích theo hình vẽ

2.3.1 Bộ phận đo tần số

Đây là bộ phận làm nhiệm vụ đo tốc độ quay (tần số) của tua bin thủy lực

và PMG (Máy phát sử dụng nam châm vĩnh cửu) được nối trực tiếp với trục của máy phát hoặc thường được nối qua máy biến áp (PT) của máy phát

2.3.3 Thiết bị điều tần/tải

Thiết bị này thường được nói tới là 65P Thiết bị điều tần/tải được sử dụng

để điều chỉnh tần số khi đưa máy phát vào vận hành song song với lưới điện và khi người vận hành thực hiện điều chỉnh công suất máy phát Đây là loại thiết bị chạy bằng động cơ

2.3.4 Cơ cấu phản hồi mềm và phản hồi cứng

Khi trọng lượng của tua bin và máy phát lớn, tốc độ quay không thay đổi tức thời sau khi van tiết lưu của tua bịn đuợc điều chỉnh mở hoặc đóng Nếu cho rằng tốc độ quay của tua bin thay đổi thì van tiết lưu được điều chỉnh đóng, mở theo độ lệch tần số ∆F Tuy nhiên, khi ∆F được duy trì, van tiết lưu sẽ được mở hoặc đóng quá mức do đó tốc độ quay không thể đạt được trị số không đổi khi nó không thay đổi nhanh như trên Thiết bị phản hồi có tác dụng hỗ trợ cho quá trình điều chỉnh ổn định, nó được cấu tạo bởi cơ cấu phản hồi cứng là thiết bị điều tốc

và cơ cấu phản hồi mềm là mạch hãm

2.3.5 Bộ khuếch đại các tín hiệu thành phần

Các tín hiệu nói tới trong các mục (b), (c), và (d) được tổng hợp, khuếch đại bằng bộ khuếch đại số và khuếch đại công suất để phát ra tính hiệu truyền tới

bộ chuyển đổi Khối này còn có chức năng điều chỉnh theo dao động nhỏ

2.3.6 Bộ chuyển đổi

Bộ chuyển đổi là thiết bị tạo ra các chuyển động cơ khí tỷ lệ với tín hiệu điện nhận được từ phần điện đã nói ở trên

2.3.7 Van điều khiển

Chuyển động cơ khí được chuyển thành sự thay đổi lưu lượng của dầu áp

lực để điều chỉnh pít tông điều khiển

2.3.8 Pít tông điều khiển

Đây là một servomotor được dẫn động bằng dầu áp lực từ van điều khiển Cần pít tông được nối trực tiếp với van phân phối và chuyển động theo van phân phối Ngoài ra sự chuyển động của cần pít tông còn được phản hồi trở về van điều khiển vì vậy có thể tạo ra được chuyển động ổn định

2.3.9 Van phân phối

Đây là một khuếch đại thủy lực làm chuyển động servomotor chính Van phân phối được điều khiển bằng pít tông điều khiển

2.3.10 Servo motor

Được sử dụng để dẫn động van tiết lưu Trong một vài trường hợp sử dụng một servomotor chính và một servomotor phụ

2.3.11 Thiết bị giới hạn tải

Thiết bị này tạo ra một giới hạn theo đó van tiết lưu trên tua bin không mở quá mức quy định Trong nhiều trường hợp, thiết bị giới hạn tải được sử dụng dưới dạng AWLR (Điều chỉnh mức nước tự động) hoặc ALR (Điều tải tự động) Thiết bị này còn được sử dụng làm thiết bị khởi động tua bin

2.3.12 Thiết bị dừng khẩn cấp

Van tiết lưu trên tua bin được đóng lại hoàn toàn bằng thiết bị này Trong trường hợp tua bin phải dừng khẩn cấp vì trục trặc xảy ra đối với tua bin hoặc máy phát thì thiết bị này khởi động và đóng hoàn toàn van tiết lưu của tua bin Thông thường, thiết bị dừng khẩn cấp được khởi động khi dừng tua bin thủy lực

2.3.13 Van tiết lưu

Nó cho biết cánh hướng hoặc van kim (kim phun) có phù hợp với loại tua bin được sử dụng hay không

Hình 1.5 Hệ thống điều khiển của máy điều tốc

Khuếch đại tín hiệu

Đo độ lệch

tần số

Thiết bị dừng khẩn cấp

Thiết bị điều

chỉnh tần số/tải

Píttông điều khiển

Phản hồi cứng/mềm

Thiết bị giới hạn tải

Van tiết lưu (Tua bin nước)

Van phân phối và servomotor

Van điều khiển Chuyển đổi

Đo tần số (Máy phát)

＊

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ ĐIỀU TỐC

3.1.Sơ đồ khối chức năng của máy phát và hệ điều tốc

Hình 3.1.Sơ đồ khối chức năng của máy phát và hệ tốc

Về cơ bản, sơ đồ này giống với sơ đồ khối chức năng của hệ điều tốc đã mô

tả hình 2.1.Tuy nhiên, sơ đồ hình 3.1 có bổ xung thêm điều kiện máy phát hòa đồng bộ với lưới và tín hiệu đặt vào hệ điều tốc được phát ra từ một trung tâm điều khiển của lưới điện quốc gia AGC

3.2 Xây dựng mô hình của tuabin thủy điện

3.2.1.Mô hình tuyến tính

3.2.1.1.Tuabin lý tưởng không có tổn thất

Khi xây dựng mô hình tuyến tính của tuabin thủy điện , ta thừa nhận một số giả thiết sau đây:

1.Trở kháng của nước là không đáng kể

2 Đường ống dẫn nước không đàn hồi và nước không có tính nén

3 Tốc độ của dòng chảy phụ thuộc trực tiếp vào độ mở cánh hướng và với căn bậc 2 của chiều cao cột áp thực

4 Công suất đầu ra của tuabin tỷ lệ thuận với tích của chiều cao cột áp và lưu lượng dòng chảy qua tuabin

Hình 3.2 Sơ đồ tổng quan của một nhà máy thủy điện

Các tính chất của tuabin và đường ống được xác định bởi 3 phương trình sau

đây :

• Tốc độ dòng chảy trong đường ống dẫn nước

• Công suất cơ của tuabin

Trong đó chỉ số “0” biểu thị các giá trị trong trạng thái ổn định ban đầu, tiền tố

“∆” biểu thị độ lệch nhỏ, và kí hiệu “-“ chỉ các giá trị chuẩn dựa trên các giá trị làm việc xác lập

Công suất của tuabin tỷ lệ thuận với tích của áp suất và tốc độ dòng chảy Do

đó

Pm=Kp.H.U

(3.3) Tuyến tính hóa bằng cách tính xem các sai lệch vô cùng nhỏ và đưa về dạng chuẩn bằng cách chia vế cho P mo =K G H p .o o, ta có:

từ định luật II Newton, có thể trình bày như sau:

L: là chiều dài đường ống dẫn nước

A: tiết diện đường ống

ρ : khối lượng riêng của nước

ag: gia tốc trọng trường

ρ ag.∆H= độ tăng áp suất trên cánh hướng tuabin

t: thời gian (giây)

Bằng cách chia 2 vế của phương trình (3.6) cho A ρ ag.H0.U0 , phương trình gia tốc ở dạng chuẩn sẽ là:

Phương trình (3.7) biểu thị một đặc tính quan trọng của nhà máy thủy điện

Có một cách giải thích từ phương trình này là nếu có một áp suất ngược ở cuối đường ống do đóng cánh hướng, thì nước trong đường ống sẽ giàm tốc độ Đó là

vì, nếu áp suất tăng thì vận tốc dòng chảy sẽ giảm

Từ phương trình (3.2) và (3.7), chúng ta có thể trình bày mối liên hệ giữa

sự thay đổi về tốc độ và sự thay đổi độ mở cánh hướng như sau:

Phương trình (3.11) biểu diễn hàm truyền đạt “cổ điển” của một tuabin thủy lực Nó thể hiện công suất đầu ra tuabin sẽ thay đổi thế nào nếu có một sự thay đổi

về độ mở cánh hướng với một tuabin lý tưởng

3.2.1.2.Tua bin không lý tưởng

Hàm truyền đạt của một tuabin không lý tưởng có thể thu được từ các biểu

thức của vận tốc dòng chảy và công suất tuabin như sau:

Trong đó :∆ w là sai lệch tốc độ chuẩn (pu)

Sai lệch tốc độ là nhỏ, đặc biệt khi đại lượng này được đồng bộ trong một

áp H và độ mở cánh hướng G Các hệ số a21 và a23 là các đạo hàm riêng của công suất đầu ra tuabin đối với H và G.Các hệ số a này phụ thuộc vào tải và có thể tính được từ các đặc tính tuabin tại điểm làm việc

Thay các phương trình (3.14) và (3.15) vào các phương trinh (3.2) và (3.5A),hàm truyền giữa ∆P mvà ∆G trở thành :

( 11 13 21 23) w 23

3.2.1.3.Tính chất đặc thù của tuabin thủy lực

Hàm truyền đạt rút ra từ phương trinh (3.11) hay (3.16) biểu thị một hệ thống

“pha không tối thiểu”.Tính chất đặc biệt này của hàm truyền đạt có thể làm rõ bằng cách kiểm tra đáp ứng đầu ra khi có sự thay đổi bước nhảy của vị trí cánh hướng G

Với một tuabin lý tưởng, khi có thay đổi bước nhảy ở G

Theo định luật giá trị đầu, ta có:

w

11

đó nó sẽ tăng theo qui luật hàm mũ với hằng số thời gian Tw/2 tới giá trị ổn định 1.0 pu tính theo giá trị xác lập

Sự thay đổi đột ngột công suất ban đầu có xu hướng ngược với sự thay đổi của

độ mở cánh hướng Đó là bởi vì khi cánh hướng mở đột ngột, vận tốc nước không thể thay đổi tức thì, do quán tính của nước Tuy nhiên, áp suất trên tuabin bị giảm, làm cho công suất cơ giàm.Đáp ứng đầu ra phụ thuộc chủ yếu vào Tw và dòng nước sẽ gia tốc cho tới khi đạt vận tốc xác lập mới và công suất xác lập mới

Hình 3.4 biểu diễn đáp ứng công suất, cột áp, vận tốc dòng chảy của một tuabin thủy lực với Tw=1.0s khi độ mở cánh hướng giàm 0.1 pu theo :

• Thay đổi bước nhảy

Hình 3.4b Độ mở cánh hướng giảm theo hàm Ramp 1 s

Hình 3.4 Đáp ứng của tua bin thủy lực khi độ mở cánh hướng giảm theo bước nhảy và đường dốc, với các giá trị ban đầu của tốc độ nước, công suất,

độ mở cánh hướng nước chuẩn ban đầu là 1.0 pu

Sự tương đồng với mô hình điện

Để hiểu rõ hoạt động của một hệ tuabin thủy lực, ta có thể hình dung ra một

sơ đồ điện với thống số tập trung như hình 3.5 Hệ thống điện và hệ thống thủy lực tương đương với nhau Với tốc độ dòng chảy u, độ mở cánh hướng G, và chiều

cao cột áp H, tương ứng với cường độ dòng điện I, điện dẫn G, điện áp V

G

L

I

Eo V

t(s)

G

P

U (pu)

Hình 3.5 Mô hình điện tương đương của một tuabin thủy lực

Khi tải giảm đột ngột bằng cách giảm điện dẫn G theo bước nhảy, cường độ dòng điện I không thay đổi tức thì Tuy nhiện, điện áp rơi trên tải tăng đột ngột do điện dẫn giảm(hay điện trở tăng).Điều này dẫn đến ban đầu,công suất đầu ra sẽ tăng Phụ thuộc vào độ tự cảm L, dòng diện I giảm theo qui luật hàm mũ cho tới một giá trị xác lập mới mà tại đó xác lập một công suất mới.Đáp ứng của I, V và P tương tự với đáp ứng của tốc độ dòng chảy, chiều cao cột áp H và công suất tuabin

trên hình 3.4A khi có sự giảm bước nhảy của độ mở cánh hướng nước

3.2.2 Mô hình tuabin phi tuyến

Mô hình tuyến tính rút ra từ phương trình (3.16) biểu diễn sự hoạt động của tuabin với tín hiệu nhỏ Mô hình này rất hữu ích cho việc điều chỉnh hệ thống điều khiển sử dụng kĩ thuật phân tích tuyến tính (đáp ứng tần số, quĩ đạo nghiệm, vv…) Do tính đơn giản của cấu trúc mô hình này, nó sẽ đưa ra một cách nhìn tổng

quan về các đặc tính cơ bản của hệ thống thủy lực

Trong quá khứ, mô hình của tuabin thủy lực trong các đề tài nghiên cứu tính ổn định hệ thống là phụ thuộc nhiều vào hàm truyền đạt rút ra từ phương trình (3.11) hay (3.16) Tuy nhiên, một mô hình như vậy chưa tính đến thay đổi lớn ở công suất đầu ra và tần số Trong phần này, chúng ta sẽ mô tả một mô hình phi tuyến thích hợp hơn cho việc mô phỏng với tín hiệu lớn Sau đó, chúng ta sẽ tính đến cấu hình hệ thống thủy lực với cột áp không giới hạn, và giả thiết hồ chứa vô

cùng lớn hoặc không có bể chứa trung gian

Giả thiết rằng đường dẫn nước không co dãn và nước không có tính nén,

các phương trình thủy động lực học cơ bản là:

H: chiều cao cột áp

H0: chiều cao cột áp ở trạng thái xác lập ban đầu

P: Công suất tuabin

Q: lưu lượng dòng nước

Thay bằng toán tử laplace,

Đó là giá trị không đổi với một hệ tuabin-ống dẫn và tính theo công thức:

PL=UNL.H

(3.29) Với UNL biểu thị vận tốc dòng nước không tải ở dạng chuẩn, ta có:

Phương trình trên đưa ra giá trị chuẩn của công suất tuabin tương ứng với

thang đo MW Trong các đề tài nghiên cứu tính ổn định hệ thống, các lời giải đưa

ra dưới dạng mômen chuẩn của tuabin tương ứng với thang MVA

Trong các phương trình trên, G là độ mở cánh hướng lý tưởng thay đổi từ

không tải đến đầy tải tương ứng với giá trị 1 pu Đại lượng này liên hệ với độ mở

cánh hướng thực g như hình 3.6 Độ mở cánh hướng thực thay đổi từ vị trí đóng hoàn toàn cánh hướng đến vị trí mở hoàn toàn cánh hướng tương ứng với giá trị 1

pu

Hình 3.6 Mối liên hệ giữa độ mở cánh hướng thực và lý tưởng

Công thức liên hệ giữa 2 đại lượng trên như sau

t

G=A g

(3.32) Trong đó At là hệ số khuếch đại tuabin và được tính như sau:

Hình 3.7 Mô hình tuabin phi tuyến

_

_ _ /

+ -

- +

Lưu lượng nước ở tải định mức là 85m3/s

Độ mở cánh hướng nước ở tải định mức là 0.94 pu

Độ mở cánh hướng ở không tải là 0.06pu

a) Tính:

• Vận tốc dòng chảy trong đường ống dẫn nước

• Hằng số thời gian nước ở tải định mức

b) Xác định hàm truyền đạt “cổ điển” của tuabin biểu thị mối liên hệ giữa sự thay đổi công suất đầu ra và sự thay đổi độ mở cánh hướng ở tải định mức

c) Xác định mô hình phi tuyến của tuabin, giả thiết cột áp không đàn hồi Xác định các thống số và biến của mô hình ứng với đầu ra định mức Biết công suất cơ và mômen cơ của tuabin được biểu diễn với thang đo 100MVA

(c) Theo hình 3.7 thông số của một tuabin phi tuyến như sau

Hệ số khuêchs đại tuabin:

1.136 0.94 0.06