Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống điều tốc điện thủy lực cho turbine francis

Hệ thống điều tốc cho trạm phát điện đều có những chức năng: - Giữ vận tốc vòng quay của tổ máy không đổi trong phạm vi thay đổi của phụ tải ổn định tần số dòng điện.. - Trong luận văn n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Vũ Minh

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC

ĐIỆN - THUỶ LỰC CHO TURBINE FRANCIS

MỞ ĐẦU 6 Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ TURBINE VÀ ĐIỀU TỐC TURBINE 8

1.2 Phân loại và giới thiệu các loại điều tốc 17

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Cơ sở lý thuyết 22

2.2 Đặc tính của hệ thống điều chỉnh turbine 25

2.2 Sơ đồ và nguyên lý hệ thống điều tốc 29

2.2.1 Sơ đồ kết cấu cơ khí 29

2.2.2 Sơ đồ khối hệ điều khiển 30

3.3.1 Tính toán xylanh và đường kính xylanh 41

3.3.2 Tính áp suất và lưu lượng lớn nhất trong hệ thống 42

3.3.3 Tính toán lưu lượng của hệ thống 42

3.3.4 Tính lưu lượng bơm cần thiết cung cấp cho hệ thống 42

3.6 Kiểm tra bền bệ xylanh 54

3.7 Kiểm tra bền chốt xylanh 56

3.8 Chọn các phần tử thuỷ lực 57

3.8.1 Chọn bơm nguồn 57 3.8.2 Chọn động cơ điện 58 3.8.3 Chọn van tỷ lệ 59 3.8.4 Chọn Van điện từ 4/2 60

3.8.5 Chọn Van điện từ 2/2 61

3.8.6 Chọn lọc hồi 62 3.8.7 Chọn tiết lưu 63

3.8.9 Chọn xylanh thuỷ lực 64

3.8.10 Chọn van 1 chiều 65 3.8.11 Chọn thước đo dầu 65

3.8.12 Chọn nắp đổ dầu 67 3.8.13 Chọn hút ẩm 67 3.9 Kiểm tra ổn định xylanh 68

Chương 4 - KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG 72

4.1 Sơ đồ hàm truyền hệ thống 72

4.1.1 Khâu Tuabin - máy phát 72

4.1.2 Khâu Khuyếch đại 74

4.1.4 Khâu đo tốc độ 75 4.2 Xây dựng mạch vòng điều khiển 75

4.2.1 Mạch vòng điều khiển dịch chuyển xylanh 75

4.2.2 Mạch vòng điều chỉnh tần số 77

4.3 Mô phỏng điều chỉnh turbine 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82

PHỤ LỤC 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

CÁC BẢN VẼ CHẾ TẠO

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Các số liệu trích dẫn đều có cơ sở nguồn gốc rõ ràng Kết quả nghiên cứu chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Học viên

Vũ Minh

QUY ĐỊNH VỀ HÌNH THỨC LUẬN VĂN THẠC SĨ

LUẬN VĂN ĐƯỢC TRÌNH BÀY THEO THỨ TỰ SAU:

1 Trang bìa luận văn: Mẫu kèm theo

2 Mục lục của luận văn: Ghi chi tiết từng chương mục và số trang của chương mục đó

3 Nôi dung luận văn: Trình bày rõ các vấn đề theo trình tự:

3.1 Phần mở đầu

- Lý do chọn đề tài

- Lịch sử nghiên cứu

- Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

- Phương pháp nghiên cứu

Nội dung:

- Chương 1

- Chương 2

- Chương 3 Kết luận:

- Những kết luận mới

- Đóng góp mới và kiến nghị của tác giả về sử dụng kết quả nghiên cứu của luận văn

3.4 Danh mục các tài liệu tham khảo (có hướng dẫn riêng kèm theo)

- Các phụ lục (nếu có) để làm sáng tỏ nội dung của luận văn

4 Phải trình bày mạch lạc, rõ ràng, sạch sẽ, theo đúng yêu cầu của các công trình đưa in,

kể cả tài liệu minh hoạ Các bảng biểu, đồ thị, hình vẽ … nếu trình bày theo chiều ngang của khổ giấy thì cần được đóng ngay đầu bảng biểu… vào gáy của quyển luận văn Các công thức, ký hiệu … nếu phải viết thêm bằng tay thì cần viết bằng mực đen, rõ ràng, sạch sẽ

5 Luận văn được in trên một mặt giấy trắng khổ A4 (210 x 297mm), dày không quá 100 trang, không kể hình vẽ, bảng biểu, đồ thị và danh mục tài liệu tham khảo Đối với các luận văn về khoa học xã hội khối lượng có thể nhiều hơn 20% đến 30%

6 Luận văn sử dụng chữ VnTime (Roman) hoặc Times New Roman cỡ 13 Hệ soạn thảo Winword hoặc tương đương; mật độ chữ bình thường, không được nén hoặc kéo dãn khoảng cách giữa các chữ; dãn dòng đặt ở chế độ 1,5 lines; lề trên 3,5cm; lề dưới 3,0cm; lề trái 3,5cm, lề phải 2 cm Số trang được đánh ở giữa, phía dưới trang giấy

7 Luận văn đóng bìa cứng, khổ 210 x 297 mm, ngoài bìa có mạ chữ vàng

8 Tuyệt đối không được tẩy, xoá, sửa chữa trong luận văn

HƯỚNG DẪN XẾP TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Tài liệu tham khảo xếp theo thứ tự ABC họ tên tác giả luận án theo thông lệ của từng nước:

- Tác giả là người nước ngoài: xếp thứ tự ABC theo họ

- Tác giả là người Việt Nam: xếp thứ tự ABC theo tên nhưng vẫn giữ nguyên thứ

tự thông thường của tên người Việt Nam, không đảo tên lên trước họ

- Tài liệu không có tên tác giả thì xếp theo thứ tự ABC từ đầu của tên cơ quan ban hành báo cáo hay ấn phẩm, ví dụ: Tổng cục Thống kê xếp vào vần T, Bộ Giáo dục và Đào tạo xếp vào vần B, v.v…

2 Tài liệu tham khảo là sách, luận án, báo cáo phải ghi đầy đủ các thông tin sau:

• Tên các tác giả hoặc cơ quan ban hành (không có dấu ngăn cách)

• (năm xuất bản), (đặt trong ngoặc đơn, dấu phẩy sau ngoặc đơn)

• tên sách, luận án hoặc báo cáo, (in nghiên, dấu phẩy cuối tên)

• nhà xuất bản, (dấu phẩy cuối tên nhà xuất bản)

• nơi xuất bản, (dấu chấm kết thúc tài liệu tham khảo)

(xem ví dụ trang sau tài liệu số 2, 3 ,4, 23, 30, 31, 32, 33

Tài liệu tham khảo là bài báo trong tạp chí, bài trong một cuốn sách… ghi đầy đủ các thông tin sau:

• tên các tác giả (không có dấu ngăn cách)

• (năm công bố), (đặt trong ngoặc đơn, dấu phẩy sau ngoặc đơn)

• “tên bài báo”, (đặt trong ngoặc kép, không in nghiên, dấu phẩy cuối tên)

• tên tạp chí hoặc tên sách, (in nghiên, dấu phẩy cuối tên)

• tập (không có dấu ngăn cách)

• (sổ), (đặt trong ngoặc đơn, dấu phẩy sau ngoặc đơn)

• các số trang, (gạch ngang giữa hai chữ số, dấu chấm kết thúc)

(xem ví dụ trang sau tài liệu số 1, 28, 29)

Cần chú ý những chi tiết về trình bày nêu trên Nếu tài liệu dài hơn một dòng thì nên trình bày sau cho từ dòng thứ hai lùi vào so với dòng thứ nhất 1 cm để phần tài liệu tham khảo được rõ ràng và dễ theo dõi

Dưới đây là ví dụ về cách trình bày trang tài liệu tham khảo:

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Anderson, J.E (1985), The Relative Inefficiency of Quota, The Cheese Case, American Economic Review, 75(1), pp 178-90

2 Borkakati R.P., Virmani S.S (1997), Genetics of thermosensitive genic male sterility

in Rice, Euphytica 88, pp 1-7

3 Boulding, K.E (1955), Economics Analysis, Hamish Hamilton, London

4 (1), tr 10-16

………

28 Institute of Economics (1988), Analysis of Expenditure Pattern of Urban Households

in Vietnam, Department of Economics, Economic Research Report, Hanoi

QUY ĐỊNH VỀ HÌNH THỨC TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

TÓM TẮT LUẬN VĂN ĐƯỢC TRÌNH BÀY THEO THỨ TỰ SAU:

1 Tóm tắt luận văn được trình bày 2trang, cỡ chữ VnTime (Roman) hoặc Times New Roman cỡ 13 Hệ soạn thảo Winword hoặc tương đương; mật độ chữ bình thường, không được nén hoặc kéo dãn khoảng cách giữa các chữ; dãn dòng đặt ở chế độ 1,5 lines; lề trên 3 cm; lề dưới 3,0cm; lề trái 3, cm, lề phải 2 cm Số trang được đánh ở giữa, phía dưới trang giấy

2 Tóm tắt luận văn phải phản ánh trung thực kết cấu, bố cục và nội dung luận án, phải ghi đầy đủ toàn văn kết luận của luận văn

3 Tuyệt đối không được tẩy, xoá, sửa chữa trong tóm tắt luận văn

4 Nôi dung tóm tắt luận văn trình bày ngắn gọn các vấn đề theo trình tự và mẫu

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài:……… Tác giả luận văn:.………Khóa: ……… Người hướng dẫn: ……… Nội dung tóm tắt:

a) Lý do chọn đề tài

b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

d) Phương pháp nghiên cứu

e) Kết luận

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

P Số đôi cặp cực của máy phát Mvanh Mômen trên vành

n Sô vòng quay máy phát Pxl Lực tác xylanh

Mt Mômen do turbine sinh ra Dxl Đường kính xylanh

Mc Mômen cản do tải pxl Áp suất tác dụng lên xylanh

J Mômen quán tính của tổ máy Qd Lưu lượng dầu

γ Trọng lượng riêng của nước ∆p Áp suất tổn thất

Q Lưu lượng của turbine ∆p d Tổn thất dọc đường

tl

b0 Chiều cao cánh hướng Vb Dung tích bình tích

td Thời gian đóng cánh hướng t0mt Nhiệt độ môi trường

P1 Lực tác dụng từ phía các thanh truyền Qt Nhiệt lượng toả ra

DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Tra hệ số C

Bảng 2 Tra hệ số λ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Turbine hướng trục trục đứng Hình 3.9 Phân bố biến dạng

Hình 1.2 Turbine Kaplan Hình 3.10 Sơ đồ tính toán

Hình 1.3 Turbine tâm trục (Trục ngang) Hình 3.11 Bơm bánh răng

Hình 1.4 Tâm trục (trục đứng) Hình 3.12 Động cơ điện

Hình 1.5 Turbine chéo trục Hình 3.13 Van tỷ lệ

Hình 1.6 Turbine gáo trục ngang Hình 3.14 Sơ đồ kết nối điều khiển

Hình 1.7 Turbine gáo trục ngang Hình 3.15 Van 4/2

Hình 1.8 Turbine tia nghiêng Hình 3.16 Lọc hồi

Hình 1.9 Turbine xung kích hai lần Hình 3.17 Van tiết lưu

Hình 1.10 Turbine xung kích hai lần Hình 3.18 Xylanh thuỷ lực

Hình 1.11 Phân loại điều tốc Hình 3.19 Van một chiều

Hình 1.12 Bộ điều tốc cơ khí Hình 3.20 Thước đo dầu

Hình 1.13 Bộ điều tốc thuỷ - cơ Hình 3.21 Nắp đổ dầu

Hình 2.1 Đường đặc tính cơ bản Hình 3.22 Hút ẩm

Hình 2.2 Họ đường đặc tính khi a thay đổi Hình 3.23 Đồ thị xác định ξ

Hình 2.3 Đặc tính điều chỉnh tổ máy Hình 3.24 Manifold

Hình 2.4 Đặc tính cơ với H thay đổi Hình 4.1 Sơ đồ hàm truyền

Hình 2.5 Sơ đồ kết cấu điều chỉnh Hình 4.2 Sơ đồ khâu tuabin

Hình 2.6 Sơ đồ khối điều khiển Hình 4.3 Sơ đồ khâu khuyếch đại

Hình 2.7 Sơ đồ thuỷ lực Hình 4.4 Cấu trúc khâu khuyếch đại

Hình 3.1 Sơ đồ phân bố cánh hướng Hình 4.5 Cấu trúc điều chỉnh xylanh

Hình 3.2 Sơ đồ đặt lực cánh tay đòn Hình 4.6 Cấu trúc mạch điều khiển vị trí Hình 3.3 Sơ đồ tính toán kết cấu Hình 4.7 Cấu trúc điều chỉnh tần số

Hình 3.4 Sơ đồ tính cân bằng Hình 4.8 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ Hình 3.5 Kích thước tính thùng dầu Hình 4.9 Mạch vòng điều khiển vị trí

Hình 3.6 Hình dáng thùng dầu Hình 4.10 Sơ đồ điều chỉnh tần số

Hình 3.7 Hình dáng bình tích năng

Hình 3.8 Phân bố ứng suất

MỞ ĐẦU

Trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghiệp và sự phát triển của kinh tế thì năng lượng điện càng trở thành một nguồn năng lượng quan trọng bậc nhất cho sự phát triển Cung cấp điện năng là một trong những tiêu chí để đánh giá

sự phát triển của một quốc gia, một vùng Ở Việt Nam hiện nay năng lượng điện được cung cấp chủ yếu là bởi Thuỷ điện Với lợi thế nhiều sông suối do vậy trữ lượng Thuỷ năng là rất lớn Việc sử dụng nguồn năng lượng này cho nhu cầu của công nghiệp và kinh tế không ngừng gia tăng đặc biệt khi các nguồn năng lượng càng ngày càng cạn kiệt, giá cả cao so với thuỷ điện Nguồn năng lượng Thuỷ điện được xếp vào năng lượng sạch, năng lượng tái tạo phục vụ công nghiệp, kinh tế và đời sống của người dân

Sự phát triển về năng lượng điện đồng thời cũng phải chú trọng tới chất lượng dòng điện cung cấp cho phụ tải Chất lượng dòng điện chủ yếu được đánh giá bởi các thông số về điện áp và tần số của nó Do vậy phải hết sức chú ý tới việc đảm bảo sự ổn định của những thông số của mạng truyền tải điện Mạng truyền tải được cung cấp năng lượng điện từ nhiều tổ máy phát điện vận hành song song và truyền năng lượng này tới các phụ tải do vậy cần có sự phân phối phụ tải hợp lý cho các tổ máy tham gia tổ máy tham gia hệ thống và chất lượng của dòng điện của mạng lưới truyền tải điện phụ thuộc vào chất lượng dòng điện của từng tổ máy riêng biệt và đảm bảo sự an toàn cho các tổ máy khí nó hoạt động

Bất kỳ một trạm Thuỷ điện nào, hay trạm phát điện dùng một loại năng lượng nào đều cần có những thiết bị để đảm bảo chất lượng dòng điện Thiết bị chính để thực hiện những nhiệm vụ đó là hệ thống điều tốc Hệ thống điều tốc cho trạm phát điện đều có những chức năng:

- Giữ vận tốc vòng quay của tổ máy không đổi trong phạm vi thay đổi của phụ tải (ổn định tần số dòng điện)

- Phân bố phụ tải của các tổ máy làm việc song song

- Thực hiện mở và tắt máy trong điều kiện bình thường hoặc trong điều kiện sự cố

Hiện nay các hệ thống điều tốc cho turbine nước dùng trong Thuỷ điện chủ yếu được nhập từ nước ngoài Việc nhập khẩu này gặp những khó khăn thường thấy: Sử dụng ngoại tệ để thanh toán, việc nhập khẩu này làm cho công việc bảo hành, bảo dưỡng gặp khó khăn vì cần có chuyên gia nước ngoài của hãng Việc thiết kế chế tạo hệ thống điều tốc đã trở nên cấp thiết khi công nghệ thiết kế chế tạo turbine nhỏ đang dần được hoàn thiện và phát triển

- Trong luận văn này tác giả đặt ra mục tiêu của đề tài : “Nghiên cứu, Thiết kế chế tạo hệ thống điều tốc Điện - Thuỷ lực cho turbine Francis”

Turbine được đưa trong luận văn này được sử dụng cho Công trình thuỷ điện Suối

Tân

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TURBINE VÀ ĐIỀU TỐC TURBINE

1.1 Phân loại Turbine

Vì điều kiện thiên nhiên (địa hình, địa chất và thuỷ văn) của các trạm thuỷ điện khác nhau, cho nên cột nước của trạm thuỷ điện và lưu lượng nước đi qua turbine cũng rất khác nhau Phạm vi biến đổi cột nước rất lớn từ một vài mét đến hàng nghìn mét Phạm vi biến đổi của lưu lượng nước cũng rất lớn từ vài l/s ở thuỷ điện nhỏ kiểu gia đình đến hàng trăm m3/s ở những trạm thuỷ điện lớn Vì vậy, turbine phải có nhiều kiểu, nhiều cỡ khác nhau mới đáp ứng được nhu cầu sử dụng năng lượng nước

Tuỳ theo kiểu tác động của dòng nước và bánh xe công tác mà chia turbine thành hai loại chính: turbine phản lực và turbine xung lực Mỗi loại turbine lại được chia thành nhiều hệ khác nhau Trong mỗi hệ lại chia thành nhiều kiểu turbine theo mẫu bánh xe công tác và các cỡ (kích thước) khác nhau:

1.1.1 Turbine phản lực

Loại turbine phản lực là hệ turbine được sử dụng rộng rãi nhất, bao gồm phạm vi cột từ 1,5m đến 600m Turbine phản lực làm việc nhờ cả hai phần thế năng và động năng, mà chủ yếu là thế năng của dòng chảy Trong hệ turbine phản lực, dòng chảy đi từ thượng lưu, qua ống dẫn vào buồng dẫn, đi vào bánh công tác (nơi làm nhiệm vụ biến đổi thuỷ năng thành cơ năng), rồi theo ống hút

đi ra hạ lưu Vì vậy áp suất ở cửa vào luôn lớn hơn ở cửa ra Dòng chảy trong turbine là dòng chảy liên tục điền đầy toàn bộ máng dẫn cánh Trong vùng bánh

xe công tác turbine, dòng chảy biến đổi cả động năng và thế năng Trong đó vận tốc dòng chảy qua turbine tăng dần, áp suất giảm dần Máng dẫn của cánh hình côn nên gây ra độ chênh áp trên mặt cánh, từ đó tạo ra mômen quay Có các hệ sau:

1.1.2 Turbine hướng trục

Turbine hướng trục (còn gọi là turbine Propeller) dùng ở trạm thuỷ điện cột nước thấp H= 1,5÷40 m Có số cánh từ 3 đến 9

Kết cấu một số hệ loại turbine hướng trục thường gặp:

Turbine hướng trục có kết cấu đơn giản nhất trong các loại turbine phản lực Kết cấu của nó thay đổi tuỳ thuộc vào cột nước, công suất tác dụng và cách lắp đặt (đặt đứng hoặc nằm)

Hình 1.2 Turbine Kaplan

Turbine cánh quay cấu trúc phức tạp hơn turbine hướng trục Sự khác nhau chủ yếu ở chỗ cánh bánh công tác và bầu bánh công tác được chế tạo riêng biệt Ở đây cánh bánh công tác có trục quay cánh và ổ đỡ nên cánh có thể quay được Bên trong bầu bánh công tác lắp đặt pittong động cơ secvo có các tai nối với các cánh bánh công tác qua thanh kéo và thanh quay làm quay đồng thời các cánh bánh xe công tác Nhờ vậy, khi cột nước làm việc và lưu lượng của turbine thay đổi ta có thể thay đổi góc đặt cánh của turbine để quá trình chuyển hoá năng lượng đạt kết quả cao nhất Buồng bánh công tác ở phía trên

có dạng hình trụ, còn phần dưới có dạng bán cầu để đảm bảo khe hở giữa cánh

và buồng bánh công tác nhỏ Chỗ tiếp nối buồng bánh công tác với ống hút bị thắt lại gọi là cổ ống hút, có đường kính Dh=(0,973÷0,982)D1

1.1.4 Turbine tâm trục

Turbine tâm trục (còn gọi là turbine Francis) thường gặp ở các trạm thuỷ điện có cột nước trung bình và tương đối cao Đề xuất mẫu turbine này là kỹ sư Francis người Mỹ (1855) Turbine được sử dụng ở cột nước cao H = 40÷700m với turbine lớn hay H = 2÷200m với turbine nhỏ

Turbine tâm trục là một trong những hệ turbine phản lực được sử dụng rộng rãi nhất Chuyển động của chất lỏng trong bánh công tác lúc đầu theo hướng xuyên tâm Khi đi qua rãnh giữa các cánh bánh công tác dòng nước chuyển hướng 900 và ra khỏi bánh công tác theo hướng dọc trục Vì thế được gọi là turbine tâm trục Về kết cấu, các bộ phận của turbine tâm trục như: buồng bánh công tác, ống hút, bộ phận hướng dòng, trục, ổ trục không có khác biệt nhiều so với turbine chong chóng và turbine cánh quay, trừ bánh công tác

Bánh công tác turbine tâm trục gồm có vành trên 1, vành dưới 2 Giữa hai vành là các cánh có dạng cong không gian ba chiều Số lượng cánh từ 12 đến 22 chiếc Bánh xe công tác turbine tâm trục thường được đúc thành một khối Trong điều khiện vận chuyển hạn chế có thể chế tạo bánh xe công tác gồm hai hoặc 3 mảnh Khi lắp ráp tại hiện trường sẽ hàn nối các rãnh phân chia Cũng có khi người ta chế tạo cánh bánh xe công tác riêng rồi hàn hoặc đúc liền vào vành trên và vành dưới Bánh xe công tác turbine tâm trục cột nước trung bình (H<80m) có tỷ số

<1

Hình 1.3 Turbine tâm trục (Trục ngang)

Hình 1.4 Tâm trục (trục đứng)

1.1.5 Turbine hướng chéo

Turbine chéo trục là loại turbine xuất hiện trong thời gian gần đây, đặc điểm của nó là cánh bánh công tác đặt nghiêng với trục quay một góc 450÷600

Hình 1.5 Turbine chéo trục với bộ phận hướng dòng

1.1.6 Loại turbine xung lực

Trong turbine xung lực chỉ có phần động năng của dòng chảy tác dụng lên bánh công tác, còn phần thế năng bằng không Hệ turbine này phát ra công suất nhờ động năng của dòng chất lỏng, còn áp suất ở cửa vào ra của turbine là

= 300÷2000m ở thuỷ điện lớn và H = 40÷250m ở thuỷ điện nhỏ

Turbine gáo thuộc loại turbine xung kích, có nguyên lý làm việc khác với turbine phản lực, nên cấu tạo cũng khác nhau

Hình 1.6 Turbine gáo trục ngang

Hình 1.7 Turbine gáo trục ngang

b Turbine tia nghiêng

Turbine tia nghiêng khác với turbine gáo là dòng chảy từ vòi phun hướng vào bánh xe công tác dưới một góc nghiêng Bánh xe công tác bao gồm các

cánh cong gắn chặt lên hai đĩa bên cánh bánh công tác có hình dáng đơn giản hơn dạng gáo nên dễ chế tạo

Hình 1.8 Turbine tia nghiêng

Vòi phun của turbine tia nghiêng tương tự như vòi phun của turbine gáo Turbine tia nghiêng được lắp cho trạm thuỷ điện nhỏ

Hiệu suất của turbine tia nghiêng thường nhỏ hơn hiệu suất của turbine gáo

c Turbine xung kích hai lần

Turbine xung kích hai lần có kết cấu đơn giản nên thường được dùng ở trạm thuỷ điện nhỏ cột nước cao Turbine gồm vòi phun có tiết diện chữ nhật Vòi phun được điều chỉnh lưu lượng bằng van phẳng gắn vào trục điều chỉnh Khi quay vô lăng sẽ làm trục điều chỉnh xê dịch làm thay đổi tiết diện vòi phun Bánh xe công tác gồm hai đĩa và các cánh cong gắn vào giữa hai đĩa, số cánh thường từ 12 đến 48 chiếc Trục turbine xuyên qua chính giữa bánh xe công tác qua tâm hai đĩa Do ở giữa bánh xe công tác rỗng nên nước sau khi bắn vào cánh bánh xe công tác nằm ở dưới một lần nữa trước khi ra khỏi bánh xe công tác rơi xuống buồng thoát Vì thế turbine này có tên là turbine xung kích hai lần ở lần thứ nhất dòng nước truyền khoảng 70% năng lượng, còn lần tác động thứ hai trao tiếp 30% năng lượng còn lại Phạm vi tác dụng của turbine xung

kích hai lần với cột áp H = 24÷200 m Hiệu suất có thể đạt được từ 60 đến 83

% Turbine này có kết cấu đơn giản, được sử dụng rộng rãi từ một vài kW đến vài MW

Hình 1.9 Turbine xung kích hai lần

Hinh 1.10 Turbine xung kích hai lần

1.2 Phân loại và giới thiệu các loại điều tốc

1.2.1 Phân loại theo nguyên lý điều chỉnh

- Bộ điều tốc tác động theo gia tốc

- Bộ điều tốc tác động theo tải

- Bộ điều tốc tác động theo vận tốc

- Bộ điều tốc tác động theo vận tốc và gia tốc

- Bộ điều tốc tác động theo vận tốc và theo tải

1.2.2 Theo nguyên lý tác động của bộ điều tốc

- Bộ điều tốc tác động trực tiếp

- Bộ điều tốc tác động gián tiếp

1.2.3 Theo đặc điểm của sơ đồ điều chỉnh

- Bộ điều tốc có mối liên hệ ngược (có khâu phản hồi)

- Bộ điều tốc cơ mối liên hệ ngược

1.2.4 Theo tính chất của mối liên hệ ngược

- Bộ điều tốc có mối liên hệ ngược cứng

- Bộ điều tốc có mối liên hệ ngược mềm

1.2.5 Theo phương pháp điều chỉnh

Hình 1.12 Bộ điều tốc cơ khí

b Bộ điều tốc thuỷ cơ

Đây là loại máy điều tốc ra đời từ rất lâu Bộ phận điều khiển là bộ phận cơ học, như: con lắc li tâm, con lắc thuỷ lực; bộ phận chấp hành là thuỷ lực (secvomotor thuỷ lực), các bộ phận khác đều là các cơ cấu cơ khí hoặc thuỷ lực

Hình 1.13 Bộ điều tốc Thuỷ - Cơ

Ưu điểm :

- Có khả năng điều khiển các turbine thuỷ điện có công suất cao

- Tín hiệu điều chỉnh là liên tục

Hiện nay ở các nước phát triển rất ít dùng loại này

c Bộ điều tốc điện thuỷ lực

• Điều khiển tương tự

Cũng như loại trên, loại điều tốc này có bộ phận chấp hành là thiết bị thuỷ lực, còn lại bộ phận cảm ứng và các bộ phận khác đều là thiết bị điện tử tương tự

Ưu điểm:

- Gọn nhẹ, dễ dùng hơn bộ điều tốc Cơ - Thuỷ lực

- Khả năng công nghiệp hoá cao

- Tín hiệu điều khiển liên tục

- Đảm bảo độ nhạy, độ chính xác điều khiển

- Để chế tạo một hệ điều khiển có nhiều tính năng thì rất phức tạp

- Giá thành chế tạo các phần tử thủy lực còn cao

• Điều khiển số

Cũng như loại trên, loại điều tốc này có bộ phận chấp hành là thiết bị thuỷ lực, còn lại bộ phận cảm ứng và các bộ phận khác đều là thiết bị điện tử số

Ưu điểm:

- Gọn nhẹ, dễ dùng thay đổi các thông số điều chỉnh

- Có khả năng tự truy tìm hằng số thời gian của tổ máy để cho ra tín hiệu điều chỉnh tương thích

- Độ chính xác cao, sai lệch tĩnh nhỏ

- Độ quá điều chỉnh nhỏ

Nhược điểm:

- Giá thành chế tạo các phần tử thủy lực còn cao

d) Điều tốc Điện tử -Điện

Loại điều tốc này có bộ phận chấp hành là động cơ điện, còn lại bộ phận cảm ứng và các bộ phận khác đều là thiết bị điện tử tương tự Loại điều tốc này có chung các ưu nhược điểm như loại máy Điện -Thuỷ lực, ngoại trừ phần chấp hành

là điện, phù hợp hơn khi áp dụng trong các trạm thủy điện nhỏ

e ) Điều tốc Điện tử số - Điện

Loại điều tốc này có bộ phận chấp hành là động cơ điện, còn lại bộ phận cảm ứng và các bộ phận khác đều là thiết bị điện tử số Loại điều tốc này có chung các ưu nhược điểm như loại máy Điện tử số -Thuỷ lực, ngoại trừ phần chấp hành

là điện, phù hợp hơn khi áp dụng trong các trạm thủy điện nhỏ

1.2.6 Theo số cơ cấu điều chỉnh trong bộ điều tốc

- Bộ điều tốc đơn

- Bộ điều tốc kép

1.2.7 Theo trạng thái tuần hoàn của dầu trong hệ thống thuỷ lực

- Bộ điều tốc có dầu tuần hoàn liên tục

- Bộ điều tốc có dầu tuân hoàn không liên tục

Nhận xét:

Trong chương này chúng ta đã tổng quan về turbine nước: Lịch sử ra đời

và xu hướng phát triển, đặc biệt là phân loại các loại turbine nước đang được sử dụng rộng rãi, kết cấu và các bộ phận chính của turbine nước Phân loại được

các loại máy điều tốc sử dụng cho các loại turbine trong thực tế cũng như những ưu nhược điểm của chúng khi vận hành sử dụng, chế tạo Từ những phân loại cùng với những ưu nhược điểm của những bộ điều tốc ta chọn bộ điều tốc điện - thuỷ lực với những ưu điểm nổi trội của nó và sự phù hợp với sự phát triển công nghệ của Việt Nam cũng như nước ngoài

Tần số hoặc chu kì biến thiên của dòng điện trong một giây phụ thuộc vào vận tốc quay hoặc số vòng quay máy phát

f p n⋅60

:=

Trong đó:

f : Là tần số (Hz)

P: Số đôi cực của máy phát

n: Số vòng quay Rôto của máy phát (vòng/phút)

Trong đó với kết cấu máy đã định (p = const), thì tần số phụ thuộc vào tốc

độ quay máy phát

dt

d J M

M t - Mômen do turbine sinh ra (kGm)

M c - Mômen cản phụ thuộc vào phụ tải (kGm)

J - Mô men quán tính của tổ máy (Turbine + Máy phát) (kGs2)

ω - Vận tốc quay của tổ máy

Muốn duy trì vận tốc tổ máy không thay đổi (do đó tần số dòng điện không đổi), vế trái của phương trình bằng không (= 0) Do đó phương trình (2) trở thành:

Từ (2), có thể rút ra kết luận: Có thể điều chỉnh turbine để đạt trị số vòng quay không thay đổi bằng cách đảm bảo điều chỉnh sao cho luôn đạt được sự cân bằng giữa mô men do turbine sinh ra và mô men cản Có thể đạt được điều này theo 2 cách như sau:

- Điều chỉnh mô men trên trục turbine M t sao cho luôn cân bằng với mô men cản của phụ tải M c Theo hướng này, ta có các loại điều tốc điều chỉnh lưu

lượng vẫn thường dùng trong các trạm thuỷ điện

- Ngược lại, điều chỉnh tổng mô men cản của phụ tải M c sao cho luôn cân bằng với mô men trên trục turbine M t Theo hướng này, ta có loại điều tốc điều chỉnh phụ giả (Điều tốc tải giả)

Điều chỉnh mô men trên trục turbine:

Mô men sinh ra trên trục turbine liên hệ với công suất turbine như sau:

N tb - Công suất thuỷ lực do dòng nước sinh ra trên trục turbine (kW)

γ - Trọng lượng riêng của nước , γ = 1000 kG/m3

Q - Lưu lượng của tổ máy (m3/s)

H - Cột nước làm việc của turbine (m)

Từ (3) và (4), kể đến hệ số tổn thất Φ, rút ra:

Mt:= γ Q⋅102⋅H⋅ ω⋅ Φ

(6)

Trong vùng làm việc nhất định của turbine, trong một khoảng thời gian nhất

định, cột áp H không thay đổi, hệ số tổn thất Φ không thay đổi, tức là ta có thể coi H= Const, Φ= Const Do vậy, khi đó M t chỉ còn phụ thuộc vào lưu lượng Q Để điều chỉnh cho mô men trên trục turbine M t cân bằng với mô men cản của phụ tải

Mc ta phải điều chỉnh lưu lượng nước qua turbine

Cách điều chỉnh lưu lượng như sau [2]:

Q

ηtl g⋅ ⋅H

w + U22U1 Ctgα0⋅

2⋅π⋅r1⋅b0

U2F2Ctgβ2+

:=

(7)

Trong đó:

 tl

η : là hiệu suất thuỷ lực

U1 : là vận tốc theo vận tốc quay tại mép vào bánh xe công tác

U2 : là vận tốc theo vận tốc quay tại mép ra bánh xe công tác

b0 : là chiều cao cánh hướng

+ Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi b0 có thể thực hiện được bằng van côn hoặc van đĩa Cách điều chỉnh này có thể ứng dụng cho Turbine cỡ nhỏ Đối với Turbine cỡ lớn thì điều chỉnh b0 khó khăn phức tạp về mặt kết cấu, gây tổn thất nhiều về thuỷ lực

+ Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng được sử dụng rộng rãi nhất Đối với 3 loại Turbine (hướng trục, hướng chéo, tâm trục) người ta thay đổi lưu lượng bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng Khi góc cánh hướng thay đổi thì lưu lượng cũng thay đổi

+ Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi góc bánh quay công tác β2được ứng ụng kết hợp với điều chỉnh cánh hướng α2 Turbine hướng trục và Turbine cánh quay có thể được điều chỉnh kép cùng một lúc thay đổi cả hai đại lượng α0và 0

β Nhờ điều chỉnh này dòng đi ra khỏi cánh hướng luôn phù hợp với góc nghiêng của cánh bánh xe công tác Hiệu suất lớn nhất không thay đổi trong phạm vi lớn khi thay đổi công suất

Trong thực tế điều chỉnh Turbine có khi phụ tải tăng thì số vòng quay của máy phát điện giảm Ngược lại, giảm phụ tải thì số vòng quay của máy phát điện giảm Chính vì vậy cần phải thay đổi góc mở cánh hướng để thay đổi lưu lượng giữ cho số vòng quay không đổi và tần số luôn ổn định với tần số định mức Đây chính là nguyên tắc điều chỉnh của các máy điều tốc điều chỉnh lưu lượng truyền thống được sử dụng rộng rãi nhất trong các trạm thuỷ điện

2.2 Đặc tính của hệ thống điều chỉnh Turbine

Xét đặc tính điều chỉnh n = f(P) khi H = const và a = const (a là góc mở cánh hướng) Khi đó đặc tính điều chỉnh là một đường dốc:

Hình 2.1 Đường đặc tính cơ bản của turbine

Trên đồ thị ta có chế độ làm việc bình thường thì với tải định mức P1 thì

Turbine quay với vận tốc định mức n1, vận tốc không tải n0 và góc mở cánh hướng định mức a1 Khi tải tăng đến giá trị P2 sẽ làm cho vận tốc bị giảm xuống n2 Để ổn định tốc độ khi tăng tải thì ta phải điều chỉnh góc mở cánh hướng tới góc mở a2 Như vậy khi tải thay đổi các giá trị P1,P2, P3, P4, P5 thì phải đảm bảo tần số thì góc

mở cánh hướng sẽ phải thay đổi ứng với giá trị a1, a2, a3, a4, a5

Ta có họ các đặc tính:

Hình 2.2 Họ các đường đặc tính khi a thay đổi

Trên đồ thị đặc tính điều chỉnh biểu diễn mối quan hệ n = f(P), (H = const)

Thực tế ta thấy đường thẳng n = f(P) là một đường dốc, bởi nếu là đường nằm

ngang (với bộ điều tốc phản hồi mềm) thì nó là đặc tính vô hướng không phụ thuộcvào tải, như vậy bộ điều tốc không thể làm nhiệm vụ phân bố phụ tải cho các tổmáy làm việc song song Tần số làm việc định mức là nđm Chế độ tải định mức Pđm khi đó Turbine sẽ quay với tốc độ định mức (nđm) và khi đó hướng cánh quạt

mở ở ađm (như trên hình vẽ) Khi phụ tải thay đổi ứng với giá trị P1, P2, P3, P4, Pmax thì khi đó tốc độ của Turbine sẽ thay đổi theo đường đặc tính Như vậy đảm bảo cho tốc độ quay của Turbine không đổi thì phải tác động mở cánh hướng ứng với góc mở a1,a2, a3, a4, amax (amax là góc mở lớn nhất ứng với phụ tải tăng lớn nhất) Như vậy từ sự thay đổi của phụ tải ta đã xác định được độ mở của cánh hướng để đảm bảo n = const, H = const

Từ đó ta xác định được đường đặc tính công tác biểu diễn a = f(P) Ta có đồ thị

đặc tính là quỹ tích của các điểm (a1, P1); (a2, P2); (a3, P3); (a4, P4); (a5; P5)

Từ đó ta xây dựng được đồ thị đặc tính điều chỉnh a = f(P) với n = const, H = const

Hình 2.3 Đặc tính điều chỉnh turbine máy phát

Từ đồ thị ta nhận thấy P = 0 thì độ mở a vẫn khác 0 Bởi vì cần phải có một lưu lượng không tải Qkt ứng với độ mở cánh hướng nhỏ nhất amin thì mới khắc phục tổn

thất trong Turbine mà chưa phát ra công suất có ích Từ đồ thị ta thấy a = f(Q) là một hàm phi tuyến Như vậy với đối tượng mang phi tuyến khi sử dụng bộ điều chỉnh truyền thống chất lượng điều chỉnh sẽ không cao

Xét đặc tính điều chỉnh n= f(P) khi H thay đổi (a = const)

Hình 2.4 Đường đặc tính cơ với H thay đổi

Như vậy các đường đặc tính H thay đổi gần giống với các đường đặc tính góc

mở cánh hướng a thay đổi Khi H càng lớn thì lượng tải phát ra càng lớn hơn và góc điều chỉnh mở theo hướng tăng góc a càng bé Nếu H quá lớn hơn giá trị cho phép khi đó phải điều chỉnh đóng cánh hướng nước để giảm bớt lưu lượng nước chảy vào Khi H xuống thấp một giá trị Hmin khi đó dùng góc amax thì tốc độ vẫn ở dưới mức làm việc Khi đó một số loại Turbine việc điều chỉnh cánh hướng phải kết hợp với điều chỉnh bánh xe công tác (tăng diện tích tiếp xúc giữa cánh với nước) khi đó mới đảm bảo tốc độ trở về giá trị định mức

2.3 Sơ đồ và nguyên lý hệ thống điều tốc

2.3.1 Sơ đồ kết cấu cơ khí

Hinh 2.5 Sơ đồ kết cấu điều chỉnh

Trên đây là kết cấu cơ khí của cơ cấu điều chỉnh cánh hướng Cánh hướng của turbine được liên kết với vành điều chỉnh cánh hướng thông qua hệ thống tay giằng Khi vành điều chỉnh quay bởi sự tịnh tiến của xylanh điều tốc dưới áp suất dầu mà hệ thống điều tốc cung cấp, các thanh giằng và tay giằng truyền lực tác động đó tới cánh hướng dưới dạng mômen quay Mômen này làm cho cánh hướng quay một góc nhất định ứng với độ dài tịnh tiến của xylanh Góc quay của cánh hướng sẽ tạo ra độ mở của cánh hướng, từ đó dẫn tới sự thay đổi lưu lượng của dòng chảy vào turbine

2.3.2 Sơ đồ khối hệ điều khiển

dịch chuyển phản hồi

xylanh van tỷ lệ

tần số

f đặt

phản hồi

Hỡnh 2.6 Sơ đồ khối điều khiển

Trong quỏ trỡnh làm việc của cả hệ thống tuabin mỏy phỏt, khi phụ tải thay đổi trờn lưới làm cho mụmen cản trờn tuabin thay đổi Điều này dẫn tới việc tốc độ tuabin thay đổi làm cho tần số của dũng điện cũng bị biến đổi theo Sự thay đổi tần

số này được đo và phản hổi bởi bộ phận cảm biến tần số (phản hồi tần số) đến và

so sỏnh với giỏ trị tần số đó đặt trước Sự sai lệch tần số này được thể hiện bằng tớn hiệu điện sai lệch đưa vào bộ điều khiển PID Thụng qua bộ điều khiển PID, cú tớn hiệu điện điều khiển hợp lý với sự sai lệch đú bằng tớn hiệu dũng điện tỏc động vào van tỷ lệ Sự sai lệch càng lớn thỡ sau khi qua PID dũng điện điều khiển sẽ càng lớn, sự sai lệch vẫn cú thỡ qua PID dũng điện điều khiển van tỷ lệ vẫn tồn tại

Độ mở của van tỷ lệ được tỷ lệ với dũng điện mà PID đưa ra Độ mở này phải hợp

lý với độ lệch tần số, thụng qua độ mở này điều khiển xylanh với vận tốc hợp lý với sự sai lệch đú Tốc độ dịch chuyển của xylanh được kiểm soỏt và đo đạc bởi

bộ phận sensor đo vận tốc xylanh Bộ phận phản hồi này đưa trở lại bộ điều khiển

để kiểm soỏt được tốc độ của xylanh trong quỏ trỡnh làm việc Phản hồi vị trớ của xylanh tới bộ điều khiển, ta cú thể kiểm soỏt được gúc mở hay độ mở của cỏnh hướng Vị trớ của xylanh này sẽ được kiểm soỏt bởi bộ điều khiển Từ đõy bộ điều khiển sẽ đưa ra vị trớ xylanh hợp lý Trờn đõy là chế độ điều chỉnh theo sai lệch bởi tần số Trong thực tế sau khi turbine – mỏy phỏt đó phỏt điện hoặc hoà lưới thỡ chế

độ điều chỉnh cũn cú chế độ điều chỉnh theo cụng suất Nguyờn lý của chế độ điều chỉnh theo cụng suất cũng tương tự như chế độ điều chỉnh theo tần số Bộ điều chỉnh cũng dựa vào sự thay đổi cụng suất phỏt – cụng suất tiờu thụ mà đưa ra tớn

hiệu điều chỉnh nhằm đóng hoặc mở cánh hướng để tăng hoặc giảm công suất khi

có sự thay đổi công suất tiêu thụ

2.3.3 Sơ đồ hệ thống thuỷ lực

U S

M

1

2 18

17

4 3

5

6

7

15 14

16

12

13 9

10 11

19 8

20 21

Hình 2.7 Sơ đồ thuỷ lực

1-Bơm bánh răng; 2- Động cơ điện; 3- van 1 chiều; 4- Van 2/2; 5- Van 4/2;

6- Van tỷ lệ 4/4; 7- Xylanh tác động kép; 9,10,11, 17 – Các rơle áp suất; 8, 12,13

– Khoá; 14 - Tiết lưu; 15 - Cụm van tiết lưu; 16 – Bình tích năng; 18 - Lọc dầu ;

19- Bơm tay; 20-Thùng dầu; 21- Thang đo

Nguyên lý làm việc của hệ thống thuỷ lực được mổ tả như sau:

Thùng dầu 20 chứa lượng dầu đủ để hệ thống làm việc, lắng cặn, làm mát

Thang đo dầu sẽ báo cho người vận hành biết mức dầu hiện tại trong thùng tới

đâu, có đủ để hệ thống làm việc hay không

Quá trình hoạt động bình thường:

Khoá (12) và (13) đóng lại để ngắt bơm tay khỏi hệ thống, đóng khoá (8)

Cuộn từ của van (4) và (5) có điện nên chúng ở vị trí 2 (ngắt dòng thuỷ lực đi qua

van) Động cơ (2) lai bơm bánh răng (1) thông qua khớp nối mềm Bơm (1) hút

dầu và cung cấp dầu vào bình tích năng (16) thông qua van (3) và (15) Van (3) có nhiệm vụ chỉ cho dầu đi từ bơm đến bình tích năng mà không cho chiều đi ngược lại Van (15) có tác dụng cung cấp lưu lượng không điều chỉnh khi chiều từ bơm tới bình tích năng và điều chỉnh nhờ tiết lưu với chiều ngược lại Như vậy đoạn từ van (3) tới van (15) là dòng dầu có áp suất được nối với nguồn thuỷ lực (bình tích năng), khi áp suất trong bình tích năng không đủ để hoạt động sẽ được bơm (2) cung cấp dầu áp lực

- Khi tần số không có sai lệch, tín hiệu hiệu điều chỉnh bằng 0, van (6) ở

vị trí 1 Lúc này xylanh không chuyển động, đứng ở vị trí điều chỉnh trước đó và giữ cho góc mở của cánh ở một giá trị nhất định

- Khi tần số thay đổi, hệ thống điều khiển sẽ so sánh với các giá trị đã đặt Khi thấy sự sai số đó sẽ thông qua bộ điều khiển PID đưa ra tín hiệu điện để điều khiển van (6) mở ở một vị trí nhất định Dòng dầu áp lực lúc này qua van (6) tới các xylanh, làm cho xylanh chuyển động với một vận tốc nhất định tới một vị trí hợp lý sao cho tần số đo được sai khác với tần số đặt trong một giới hạn cho phép

- Khi tuabin máy phát hoặc trong hệ thống gặp sự cố, cần phải đóng nhanh

hệ thống, ngừng quay trục tuabin Khi ấy cuộn dây của van (5) bị mất điện, van (5) trở về vị trí 1 nối thẳng dòng dầu có áp tới xylanh Dòng dầu này làm cho xylanh đóng cánh hướng lại tới vị trí đóng hoàn toàn của cánh hướng

Quá trình làm việc khi hệ thống có sự cố:

Lúc này hệ thống điều khiển, hoặc hệ thống điện có sự cố Cần phải điều chỉnh góc mở cánh hướng bằng tay Khoá (12) và (13) được mở ra, nối xylanh tới bơm tay (19) Như vậy lúc này việc điều chỉnh xylanh hoàn toàn bởi bơm tay do người điều khiển để đóng mở cánh hướng

Nhận xét:

Trong chương 2 ta đã phân tích và tìm hiểu được phương pháp để có thể điều chỉnh turbine Hiểu được các nguyên lý và đặc tính điều khiển tốc độ turbine dựa vào lưu lượng hoặc dựa vào phụ tải của máy phát Đưa ra được sơ đồ khối

nguyên lý điều khiển của máy điều tốc cũng như sơ đồ hệ thống thuỷ lực của máy điều tốc cần thiết kế

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

3.1 Thông số cơ bản của tuabin [5]

- Loại tuabine Francis trục ngang

- Đường kính phân bố trục cánh hướng : D0 = 800 mm

- Chiều cao cánh hướng: b0 = 78 mm