Đồ án Thủy điện thủy lợi

Tần suất thiết kế của trạm thủy điện Trạm thuỷ điện làm việc phụ thuộc vào tình hình nguồn nước, trong điều kiệnthuận lợi TTĐ làm việc bình thường.. Trong trường hợp tính toán của đồ án

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THỦY ĐIỆN THIẾT KẾ SƠ BỘ TRẠM THUỶ ĐIỆN

I SỐ LIỆU ĐỀ BÀI:

1 Mực nước dâng bình thường

MNDBT= 134

2 Tài liệu thủy văn

a Lưu lượng trung bình nhiều năm

d Tuổi thọ công trình T = 25 năm

II Yêu Cầu:

* Xác định các thông số: hct, Nbđ, Nlm, En, hNlm, Hmax, Hmin, Hbq, Htt

* Chọn thiết bị và xác định các kích thước chủ yếu của Thiết bị

* Xác định các kích thước và cao trình chủ yếu của nhà máy Thuỷ Điện

* Bản vẽ 3 mặt cắt nhà máy (cắt dọc, cắt ngang, mặt bằng)

PHẦN I: TÍNH TOÁN THỦY NĂNG, XÁC ĐỊNH CÁC

THÔNG SỐ CƠ BẢN TRẠM THỦY ĐIỆN

1 Tần suất thiết kế của trạm thủy điện

Trạm thuỷ điện làm việc phụ thuộc vào tình hình nguồn nước, trong điều kiệnthuận lợi TTĐ làm việc bình thường Gặp mùa rất kiệt, lưu lượng nhỏ dẫn đến côngsuất của trạm sẽ giảm Nếu lũ lớn tới, trạm kiểu cột nước thấp cũng có thể giảm côngsuất do chênh lệch mực nước thượng hạ lưu bị giảm đáng kể

Khi TTĐ làm việc không bình thường, thì việc cung cấp điện cho các hộ dùng điện

sẽ không đảm bảo Khi đó phải hạn chế việc cung cấp điện cho các cở sản xuất và cáckhu dân cư, gây thiệt hại cho các hộ dùng điện

Nếu TTĐ có hồ điều tiết lớn, hệ số điều tiết cao, sự phân bố dòng chảy trong sôngtương đối điều hoà thì vẫn có thể chọn tần suất thiết kế cao mà vẫn lợi dụng đượcphần lớn lượng nước thiên nhiên Trong trường hợp không có hồ điều tiết dài hạnmuốn lợi dụng dòng nước nhiều không nên chọn mức bảo đảm cao

Trong trường hợp tính toán của đồ án này, TTĐ có hồ điều tiết ngày đêm,nhiệm vụ là phát điện, nên từ các tài liệu cho trước ta chọn tần suất thiết kếP=85%

2 Xác định mực nước dâng bình thường

Mực nước dâng bình thường (MNDBT) là mực nước cao nhất trong hồ chứa ứngvới các điều kiện thuỷ văn và chế độ làm việc bình thường của công trình MNDBT cóảnh hưởng quyết định đến dung tích hồ chứa, cột nước, lưu lượng, công suất đảm bảo

và điện lượng hàng năm của trạm thuỷ điện Việc lựa chọn cao trình MNDBT phảiđược tiến hành thận trọng, so sánh, lựa chọn các phương án có lợi nhất

Trong đồ án tính toán cho phương án MNDBT = 134(m)

3 Xác định mực nước chết (MNC):

Mực nước chết (MNC) là mực nước thấp nhất trong hồ chứa trong điều kiện làmviệc bình thường của hồ

Độ sâu công tác của hồ chứa ( hay hct ) là khoảng cách giữa MNDBT và MNC của

hồ chứa, phần dung tích nằm giữa MNDBT và MNC gọi là dung tích hữu ích (Vhi) của

hồ chứa Phần nằm dưới MNC gọi là dung tích chết Vc Vấn đề ở đây là chọn độ sâucông tác hct ứng với phương án MNDBT trên cho hợp lý nhất

Đối với TTĐ có hồ điều tiết ngày, việc chọn độ sâu công tác có lợi nhất được xácđịnh như sau:

3.1 Xác định hct theo điều kiện làm việc của tuabin:

Đối với mỗi một loại Turbine chỉ thích ứng với một mức độ dao động mực nướcnhất định (Hmax- Hmin), khi Turbine làm ở ngoài phạm vi đó thì hiệu suất của Turbine sẽ

= 0,3.Hmax (1.1)Thiết kế sơ bộ cho phép lấy: Hmax= MNDBT - Zhl (Qmin) Với Zhl(Qmin) tra từ quan hệ Q

~ Zhl ứng tần suất thiết kế Ptk = 85%

→

)/(36,

3.2 Xác định hct theo điều kiện bồi lắng:

Độ sâu công tác được xác định theo công thức :

hct = MNDBT – MNC Xác định MNC: MNC = Zbc + h1+ h2 + D

Trong đó :

h1: Khoảng cách từ MNC đến trần của cửa lấy nước để đảm bảo không chokhông khí lọt vào cửa lấy nước, chọn sơ bộ h1 = 0,5(m)

h2: Chiều cao từ cao trình dung tích bùn cát Zbc đến ngưỡng của cửa lấy nước

để đảm bảo không cho bùn cát cuốn vào cửa lấy nước, chọn sơ bộ h2 = 0,5(m)

b : Chiều rộng của cửa lấy nước

D : Chiều cao của cửa lấy nước Sơ bộ chọn: D = 1,5.b

Q

5,1

=

Với: QTM là lưu lượng qua một tổ máy (m3/s)

Chọn sơ bộ: QTĐmax =

)/(6,2018,100.2

ll bc

bc V V

γ

ρQ T k

V ll bc

0

=

ll bc

dđ

V =0,2

Trong đó:

k: Hệ số phản ánh khả năng bồi lắng lượng bùn cát lơ lửng

(Hồ điều tiết ngày chọn k = 10% )ρ: Hàm lượng bùn cát ρ0 = 0,160 kg/m3

γ: Dung trọng riêng của bùn cát γ = 1,2 (T/m3) = 1,2.103 (kg/m3)

→

3

6

10.2,1

10.4,788.8,100.16,0.1,0

4 Xác định công suất bảo đảm (Nbđ)

Công suất bảo đảm là công suất bình quân tính theo khả năng của dòng nước trongthời kì kiệt nước tương ứng với mức bảo đảm tính toán của trạm thủy điện

Do sự khác nhau về mức độ sử dụng dòng chảy của các trạm thủy điện có năng lựcđiều tiết khác nhau nên phương pháp xác định công suất bảo đảm cũng khác nhau.Thường thì khi xác định công suất bảo đảm của TTĐ sẽ có 2 phương án xác định:

-Tính Nbđ dựa vào đường tần suất công suất dòng nước

-Tính Nbđ cho 3 năm điển hình

Ở trong trường hợp tính toán này do hồ là điều tiết ngày nên ta sẽ chọn phương ántính Nbđ dựa vào đường tần suất công suất dòng nước

Chọn thời đoạn tính toán: Δt = 1 ngày, ta lập bảng sau :

(1): Tần suất P %

(2): Thời đoạn tính toán Δt = 0.5*(Pi+1 – Pi-1)*87,6

(3): Lưu lượng tự nhiên đến Qtn

(4): Lưu lượng tổn thất do bốc hơi Qbh = hbhtb.Ftb/(2,62 106) (Với Ftb tính theo

Vtb = Vc + Vhi/2)

(5): Lưu lượng tổn thất do thấm Qth = αth.Vtb/(2,62 106)

(6): Lưu lượng thực tế đã tính đến tổn thất Qthực = Qtn – Qbh - Qth

(7): Lưu lượng giả thiết

(8): Lưu lượng qua nhà máy Qtđ

(9): Lưu lượng xả thừa Qx = Qthực - Qtđ

(10): Dung tích hữu ích trung bình Vhitb = (Qthực 24 - Qgt T ) 3600/(2 106)

(Lấy T = 5h)(11): Mực nước thượng lưu trung bình Ztltb

(12): Mực nước hạ lưu Zhl tương ứng Qthực

(13): Tổn thất cột nước hw tương ứng Qgt

(14): Cột nước phát điện H

(15): Công suất phát điện N = K Q H (K = 8.5)

(16): E = N ΔT

Từ bảng trên, với tần suất thiết kế P = 85%, ta có Nbđ = 6,25 MW

5 Xác định công suất lắp máy (Nlm)

Công suất lắp máy là tổng công suất đinh mức các tổ máy trong TTĐ Hay nóchính là công suất tối đa mà trạm có thể phát huy trên cơ sở sử dụng toàn bộ số tổmáy của TTĐ Công suất lắp máy của trạm thủy điện dựa vào nhiều yếu tố: biểu đồphụ tải, các tiêu chí về lợi dụng tổng hợp nguồn nước, các chỉ tiêu kinh tế: NPV,IRR… Từ đó để chọn ra phương án tối ưu Nhưng ở đây không có biểu đồ phụ tải,không có yêu cầu về lợi dụng tổng hợp nguồn nước nên ta có thể chọn

Nlm = (2 ÷ 6) Nbđ = (12 ÷ 48) (MW)

Chọn Nlm = 40MW

6 Xác định cột nước đặc trưng Hmax, Hmin ,Htb ,Htt

6.1 Cột nước bình quân hay cột nước trung bình( Hbq)

Cột nước bình quân là cột nước trung bình xảy ra trong quá trình vận hành bìnhthường của TTĐ

Trong đó:

n là số thời đoạn tính toán

Ei, Hi là công suất và cột nước trung bình của thời đoạn tính toán

max (MNC)) sử dụng quan hệ Qxả ~ Ztlxả

Ta có:

Tra quan hệ Q ~ Zhl suy ra Zhl = + 109,27 m

Từ bảng trên ta suy ra →Hmin= 128,9 – 109,27 = 19,63 (m)

6.4 Cột nước lớn nhất (Hmax)

Cột nước lớn nhất là cột nước lớn nhất xảy ra trong quá trình vận hành bình

(30 60)%

t Q Z

Sau khi tính toán phần Thủy năng ta xác định được các thông số sau:

Mực nước dâng bình thường : MNDBT = 134 (m)

Mực nước chết : MNC = 128,9 (m)

Độ sâu công tác : hct = 5,1 (m) Dung tích hữu ích của hồ : Vhi = 3,61.106 (m3)Công suất bảo đảm P = 90% : NBĐ85% = 6,25 (MW) Công suất lắp máy P = 90% : NLM85% = 40 (MW)Cột nước bình quân : Hbq = 24,40 (m) Cột nước tính toán : Htt = 23,18 (m) Cột nước lớn nhất : Hmax = 28,90 (m)

PHẦN II: LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH

THƯỚC CHỦ YẾU CỦA THIẾT BỊ

1 Chọn số tổ máy

Căn cứ vào công suất lắp máy, chọn số tổ máy Z = 2

Công suất của tuabin

NT =

)(40,2098,0.2

40

Z

N mf

Các thông số đặc tính kỹ thuật của bánh xe công tác:

- Cột nước làm việc: (Hmin ÷ Hmax ) = (15 ÷ 30) m

- Hệ số tỷ tốc : ns = 640 v/ph

- Số cánh bánh xe công tác: Z1 = 6

- Tỷ số đường kínhbầu : db/D1 = 0,45/0,5

- Tỷ số chiều cao: bo/D1= 0,4

- Số vòng quay quy dẫn lợi nhất: n’Iln = 115 (v/ph)

- Số vòng quay quy dẫn tính toán: n’Itt = 135 (v/ph)

- Lưu lượng quy dẫn lợi nhất: Q’I = 750 (l/s)

- Lưu lượng quy dẫn max: Q’Imax = 1900 (l/s)

- Lưu lượng quy dẫn min (điều kiện không xảy ra khí thực) :

Q’Imin = 1400 (l/s)

- Hệ số khí thực (khi Q’Imax): σ = 0,90

- Hệ số khí thực (khi Q’Imin) : σ = 0,505

- Số vòng quay lồng n’I1 khi mất liên hệ liên hợp: n’I1 = 312 v/ph

- Số vòng quay lồng n’I1 khi có liên hệ liên hợp: n’I1 = 240 v/ph

- Hệ số lực nước dọc trục : Kz = 0,706 T/m3

3 Xác định kích thước cơ bản của tuabin

3.1 Chọn điểm tính toán

Sử dụng đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin CQ30/587 (hình 10.9, giáotrình tuabin thủy lực), xác định điểm tính toán như sau: Đối với tuabin cánh quay thìđiểm tính toán là giao điểm của đường n =

' tt nvới góc đặt cánh lớn nhất của BXCT

' '

1tt 10

n =n +(10-20)v/p

.Trong đó n10 là số vòng quy dẫn tại điểm có vòng quay có hiệu suất lớn nhất Trahình 10.9 ta có n10’ = 110 (v/ph)

3.2 Lựa chọn đường kính bánh xe công tác

D1 được các định theo công thức:

D1 =

tt tt I T

T H H Q

N

81,

10.40,

20 3

= 3,67(m)Chọn D1 theo đường kính D1 tiêu chuẩn, dựa vào bảng (5.5) – Giáo trình Tua bin,

ta chọn thiên lớn: D1 = 4 (m)

Ta có

929,04

46,0)

89.01(1)

1(

1

1 max

T

M M

T

D

D

ηη

384,2)189.0

929.0.(

110)1.(

max

max '

I n n

ηη

v/ph

0

D

H n

n I bq

135,84Sau khi tính toán số vòng quay (n) của tuabin ta tiến hành chọn số vòng quay đồng

bộ (nđb) bằng cách tra bảng (8-3)/139 giáo trình tuabin thủy lực ta được số vòng quayđồng bộ của tuabin: n = 150 (v/ph), số đôi cực từ là : p = 40

Kiểm tra vùng làm việc của tuabin

H

=

'

I n

∆

−

=

02,13338,263,19

4.150

H

=

'

I n

∆

− =

52,10738,28,29

4.150

=

−

(v/ph)Xác định các điểm giới hạn:

4 150 1 '

'

I tt

H

D n n

122,24 v/ph

378,118,23.18,23.4.845,0.81,9

10.40,20

81,

3 2

1

tt tt T

T IA

H H D

N Q

η

Điểm C có:

=

= ' min

n IC

107,52 v/ph

945,08,29.8,29.4.845,0.81,9

10.40,20

81,

3 max

max

2 1

H H

D

N Q

T

T IC

ηĐiểm B: từ A kể đường song song với ao cắt đường

' max

n

tại BĐiểm D có

=

= ' min

n ID

107,52 v/ph

378,08,29.8,29.4.845,0.81,9

10.40,20.4,0

81,

3 max

max

2 1

min

H H

D

N Q

T ID

η

Điểm E có

=

= ' max

n IE

133,02 v/ph

10.40,20.4,0

81,

3 min

min

2 1

min

H H D

N Q

T IE

η

Đưa các trị số lên đường ĐTTHC và so sánh thấy vùng làm việc của tuabin baotrọn vẹn vùng tâm hiệu suất của tua bin.Vậy giới hạn điểm này thỏa mãn yêu cầu.Vậychọn D1= 4m và n=150(v/ph) thỏa mãn yêu cầu vùng làm việc của tuabin

D

N Q

tt tb

T

18,23.4.845.0.81,9

1000.40,20

81,9

3 5

, 1 2 5

, 1 2 1

η

ph v H

D n n

tt

db

18,23

4.150 1

01,105

(m)

3.5 Cao trình lắp máy trạm thủy điện

Cao trình lắp máy là mặt phẳng đi qua trung tâm cánh hướng nước

Đối với Tuabin dọc trục, Zlm đươc xác định như sau:

Zlm = -3,38 + 0,45.4 + 105,01 = 103,43 (m)

3.6 Số vòng quay lồng của tuabin

Số vòng quay lồng là số vòng quay đột biến lớn nhất của Tuabin khi cắt phụ tải toàn bộ

mà bộ phận hướng nước không thể đóng vì một lý do nào đó

Tra bảng 8.1 – GT Tuabin, ứng với kiểu BXCT CQ30 ta được số vòng quay lồng quy dẫnkhi mất liên hệ liên hợp: nI1’ = 312 (v/ph)

→ Số vòng quay lồng của Tuabin là:

ph v D

4 Chọn và tính toán kích thước buồng xoắn

4.1 Chọn loại buồng xoắn và kích thước mặt cắt của vào:

Tra hình 5.1 – GT Tuabin, ứng với Htt= 23,18(m) ta được kiểu buồng xoắn bê tông.Trong đồ án này sẽ đi thiết kế buồng xoắn kim loại với góc bao φmax= 345o, mặt cắtngang dạng hình tròn

4.2 Tính toán buồng xoắn theo nguyên lý momen vận tốc không đổi:

Ta đi lập quan hệ ( i i

)Trình tự tính toán như sau:

- Chọn lưu tốc dòng chảy tại cửa vào

÷

), chọn kx=0,885

, 3 18 , 23 8 ,

=

v V

Với

18,23.4.38,1

= 106,31 (m3/s)Suy ra:

88,101360

345.31,106

=

=

v Q

(m3/s)

- Xác định diện tích tiết diện và bán kính mặt cắt cửa vào

Fv =

46,2685,3

88,

101 =

=

v

v V Q

(m2)

- Xác định:

)(9,214,3

46,26

m

F v

πρ

- Tính C

i

ϕ, trong đó:

) 2 (

max

v a a v

R

C

ρρ

ϕ

+

− +

Xác định Ra: Ra = 2

a D

, tra bảng 5.5 - GT Tuabin, với D1= 4 (m) → Da= 6,15

(m) →

075,32

15,6

075,39,2075,3

345

=+

−+

- Tính bán kính tiết diện tròn: C

R C

i a i

i

ϕϕ

ống hút h/D1 D1 h L B5 D4 h4 h6 Lk h5

KiểuBXCT4A 1,915 1,0 1,915 3,5 2,2 1,1 1,1 0,55 1,417 1 Ππ50Nhân tất cả các giá trị trong 2 bảng trên với D1= 4 (m) ta được

Kích thước cơ bản của khuỷu cong, đơn vị - m (tính theo D1 = 4 m)

Kiểu

4A 4,4 4,4 8,8 5,668 2,2 1,22 3,76 4,82 2,64 0,348 2,548Kích thước cơ bản ống hút cong dùng cho Tuabin cánh quay, đơn vị - m (tính theo

D1= 4 m)

Kiểu

ống hút h/D1 D1 h L B5 D4 h4 h6 Lk h5

KiểuBXCT4A 7,66 4,0 7,66

PHẦN III: XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC VÀ CAO TRÌNH CHỦ

YẾU CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

1 Vị trí đặt nhà máy

Do nhà máy có cột nước công tác tương đối cao, lưu lượng lớn nên ta chọn kiểunhà máy bố trí ngay sau đập dâng nước Việc bố trí nhà máy ngay sau đập sẽ tạo điềukiện thi công thuận lợi hơn, kết cấu khối dưới nước đơn giản hơn do không chịu trựctiếp áp lực của nước và về mặt thiết kế thì không cần kiểm tra điều kiện ổn định (vì ổnđịnh NM đã được xét trong tính toán ổn định đập) Nhưng cần chú ý ổn định của nhàmáy khi xảy ra động đất sẽ có độ an toàn không cao

2 Yêu cầu của nhà máy

Yêu cầu kích thước của nhà máy đủ rộng để bố trí các phòng chức năng và cácthiết bị phụ của NM như:

- Thiết bị chính: Tuabin, máy phát

Hệ thống thoát nước bao gồm các hành lang thoát nước

Hệ thống thiết bị nâng chuyển: Thiết bị cầu trục, tời điện

- Thiết bị điện: Máy biến áp, hệ thống đường dây tải điện

3 Cấu tạo nhà máy

Nhà máy được chia làm 2 phần theo cao trình như sau:

- Khối dưới nước: Kể từ cao trình sàn máy phát tới cao trình đáy móng nhàmáy Đây là nới đặt phần qua nước, tuabin của các tổ máy và một số phòng chức năng.Đây cũng là nơi tập trung khối lượng cốt thép lớn nhất và phức tạp nhất

- Khối trên nước: Kể từ cao trình sàn máy phát tới cao trình đỉnh nhà máy Lànơi lắp đặt máy phát, các thiết bị phụ trợ như cầu trục, bộ điều khiển điện, tủ điện,máy điều tốc….Khối này so với khối dưới nước thì nó nhỏ hơn rất nhiều

4 Chọn loại máy phát

Căn cứ vào n, N

tt mf

ta sẽ tra ra được loại máy phát

N N

ph v n

lm tt

240

/150

→ Tra bảng 10.2 Bảng tra các loại máy phát điện thủy lực ta có các thông số sau:

/150

a

i l D

p v n

→ kiểu ôChiều cao của chữ thập dưới h2 = 0,25*Dg = 0,25*5,32 = 1,4(m)

(Sơ bộ chọn Dg = Db = 5,32m)

Sử dụng bảng tra 1-3 trang 228/GTTĐ ta có đường kính hố máy phát:

)(75

*4,1

*4,

5 Chọn thiết bị nâng cẩu

Khái niệm cầu trục là thiết bị để nâng cẩu các thiết bị trong nhà máy thủy điệntrong công trình xây dựng cũng như vận hành

Trọng lượng của roto và trục: Groto + trục = (50%-55%)*Gmp = 0,5*(

.D l i a

ψ

) Trong đó đối với máy phát kiểu ô thì ψ

6 Xác định các cao trình và kích thước nhà máy

4,143,1032

h Z

≤

(Thỏa mãn điều kiện)

- Cao trình đáy móng nhà máy:

Zm = Zoh – t = 92,3 - 1,5 = 90,8 (m)Trong đó:

t: là chiều dày lớp bê tông dưới đáy móng (t = 1÷

h1: chiều cao cửa ra vào giếng tuabin h1 = 2,0 ÷

2,5 (m)chọn h1 = 2,5 (m)

h2: chiều cao bệ đỡ máy phát (h2 = 1÷

h1: là chiều cao giá chữ thập trên h1=0,1*Di= 0,1*5=0,5(m)

- Cao trình gian lắp ráp sửa chữa:

Ta có: ZSNM = 116,84 >

max

hl Z

Z CT = max + max + d + moc+Trong đó:

max

∇: Cao trình cố định lớn nhất trên đường di chuyển của vật

max

∇ = max(ZSLR, ZDMP) = 117,34 (m)Cao trình chóp máy phát ZDMP = ZSNM + hchóp = 116,84 + 0,5 = 117,34m

lmax: chiều dài lớn nhất của vật cần cẩu, lmax = max (L1, L2)

Sơ bộ chọn ld + hmoc = 2 (m).

→

=

CT Z

117,34 + 8 + 2 + 0,5 = 127,85 (m)

- Cao trình trần nhà máy:

ZTNM = CT

∇ + HCT + 3

6.2 Xác định kích thước mặt bằng nhà máy

6.2.1 Kích thước của tổ máy

- Khoảng cách giữa 2 tổ máy là khoảng cách giữa hai tim tổ máy kề nhau

Lđ= max(Dh/2, Rφmax) + max(Dh/2, Rφmax-180) + 2 1

δTrong đó:

Dh: đường kính của hố máy phát, Dh = 7 (m)→ 2

h D

ax

m

ϕ

= 8,875 (m), R

So sánh điều kiện: Lđ ≥ B5 + 2.δ = 8,8 + 2*0,5 = 9,8 m (thỏa mãn)

- Chiều rộng của nhà máy:

B = Dh + b1 + b 2 = 7 + 2,5 + 1,5 = 11 mTrong đó:

b1: khoảng cách đi lại phía thượng lưu, b1 = 2,5 (m)

b2: khoảng cách đi lại phía hạ lưu, b2 = 1,5 (m)

6.2.2 Kích thước nhà máy: