Nghiên cứu, thiết kế quy trình công nghệ chế tạo cánh turbine bulb trong nhà máy thủy điện

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- LÊ THANH HUYỀN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁNH TURBINE BULB TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KH

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

LÊ THANH HUYỀN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁNH TURBINE BULB TRONG NHÀ MÁY

THỦY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

DUT.LRCC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

LÊ THANH HUYỀN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁNH TURBINE BULB TRONG NHÀ MÁY

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

LÊ THANH HUYỀN

DUT.LRCC

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE BULB TRONG

NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THU NHỎ

Học viên: LÊ THANH HUYỀN Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 8520103 Khóa: 34 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt:Turbine Bulb là dạng turbine cột nước thấp, toàn bộ khối tổ máy được đặt dưới lòng sông, thường có công suất nhỏ dưới 10MW Tuy nhiên, các nhà thiết kế và sản xuất turbine bao giờ cũng bảo mật về: biên dạng cánh và đặc tính làm việc của turbine, nhà sản xuất chỉ cung cấp các kích thước cơ bản để phục vụ cho việc lắp máy

Do vậy, để hoạt động của thủy điện được liên tục, hiệu quả, giảm bớt sự phụ thuộc vào các chuyên gia từ nhà sản xuất, việc thiết kế biên dạng cánh từ turbine đã lắp (file dữ liệu số) có ý nghĩa rất cao về kỹ thuật và kinh tế Từ bản thiết kế, sẽ xây dựng được quy trình công nghệ chế tạo, phục vụ cho công tác sửa chữa, vận hành nhà máy thủy điện Bài báo trình bày các bước cơ bản việc thiết kế biên dạng cánh turbine Bulb, kết quả đạt được của việc thiết kế và chế tạo mô hình thu nhỏ của turbine Bulb.

Từ khóa - turbine; bulb; thiết kế; chế tạo; mô hình thu nhỏ

RESEARCH AND MANUFACTURE OF A MINIATURE TENSILE MACHINE

FOR MECHANICAL PROPERTIES EVALUATION Abstract: Identification of the mechanical properties of the materials plays an

important role in the finite element design and simulation as well as reliable prediction for stress-strain relation In addition, up to date, with increasing requirements for manufacture of mechanical and electronic products which are smaller, less expensive, have longer life expectancy but still maintain their efficiency and productivity Indeed,

in order to determine the mechanical parameters of these materials, it is necessary to experiment on specimens with small size and high accurate testing machines In this paper, the authors have researched and successfully manufactured miniature tensile machines to fabricate suitable specimens The results have proved that our design miniature machine meets the requirements From the results, all material parameters are determined

Key wors - turbine; bulb; design; manufacturing; miniatures model

DUT.LRCC

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7

MỞ ĐẦU 9

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ ĐỀ TÀI 9

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 9

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 10

3.1 Đối tượng nghiên cứu: 10

3.2 Phạm vi nghiên cứu: 10

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 10

4.1 Ý nghĩa khoa học 10

4.2 Ý nghĩa thực tiễn 11

6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN 11

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ TURBINE THỦY ĐIỆN 12

1.1 Tổng quan về thủy điện tại việt nam 12

1.1.1 Nhu cầu năng lượng tại Việt Nam 12

1.1.2 Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia 12

a Quy hoạch phát triển nguồn điện: 12

b Cơ cấu nguồn điện năm 2020: 14

1.1.3 Tổng quan về thủy điện tại Việt Nam 14

1.2 Các vấn đề cơ bản về tuabine thủy lực 17

1.2.1 Ưu điểm của nhà máy thủy điện 18

1.2.2 Nhược điểm của nhà máy thủy điện 19

1.3 Phân loại tuabine thủy lực 19

1.3.1 Phân loại tuabin áp dụng cho dự án thủy điện có cột nước địa hình cao 19

DUT.LRCC

1.3.2 Phân loại tuabin áp dụng cho dự án Thủy điện nhỏ và vừa có cột nước địa hình

thấp 20

1.3.3 Biểu đồ phân loại turbine và đường đặc tính Turbine Bulb 21

a Biểu đồ phân loại turbine 21

b Đường đặc tính Turbine bulb 21

1.4 Nguyên lý làm việc của turbine 22

1.4.1 Tuabin xung kích: 22

1.4.2 Turbine phản kích 23

CHƯƠNG 2:QUI TRÌNH CHẾ TẠO TURBINE BULB VÀ THIẾT KẾ LẠI CÁNH TURBINE BULB 24

2.1 Qui trình chế tạo turbine bulb 24

2.1.1 Thông số kỹ thuật 24

2.1.2 Quy trình chế tạo turbine bulb tại nhà máy sản xuất 25

a Quá trình tạo phôi 25

b Gia công cơ biên dạng cánh turbine 26

c Xử lý nhiệt 26

d Hàn cánh turbine vào thân 27

e Mài và đánh bóng 27

f Tổ hợp tất cả các cánh turbine và kiểm tra chất lượng 27

2.1 Thiết kế biên dạng cánh turbine bulb 28

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÔ HÌNH TURBINE BULB THU NHỎ 31

3.1 Bản vẽ chế tạo mô hình turbine bulb 31

3.1.1 Thiết kế chi tiết 31

3.1.2 Thiết kế cánh Turbine 31

3.2 Chế tạo mô hình turbine bulb 34

3.2.1 Chọn máy CNC MORI SEIKI MV-55 34

3.2.2 Chế tạo mô hình 35

a Chọn phôi và thao tác chuẩn bị 35

DUT.LRCC

b Gia công 35

c Quá trình gia công trên máy 39

KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN 41

1 Kết luận 41

2 Hướng phát triển của đề tài 41

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

5 trục

25

Hình 3.9: Mô hình Turbine Bulb hoàn chỉnh 33

2

37

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ ĐỀ TÀI

Trong phân bố ngành năng lượng ở Việt Nam thì thủy điện nhỏ chiếm một vai trò khá quan trọng trong lĩnh vực an ninh năng lượng Turbine bulb là dạng turbine cột nước thấp, toàn bộ khối tổ máy bao gồm Turbine và máy phát được đặt dưới dưới nước, thường có công suất lắp máy nhỏ dưới 10MW

Hiện nay, các nhà máy thủy điện nhỏ đang hoạt động tại Việt Nam thường không có đội ngũ chuyên gia kỹ thuật để thực hiện việc bảo trì sửa chữa tại chỗ Công việc này thường được thuê đơn vị sửa chữa chuyên nghiệp từ các nhà máy thủy điện vừa và lớn thực hiện

Bên cạnh đó, các nhà thiết kế và sản xuất turbine bao giờ cũng bảo mật công nghệ, không cung cấp bản vẽ chi tiết về biên dạng cánh turbine Nhà sản xuất chỉ cung cấp bản vẽ lắp hoặc nếu có bản vẽ chi tiết thì chỉ ghi các kích thước căn bản để phục

vụ công tác lắp đặt và hiệu chỉnh tổ máy

Do đó, trong quá trình bảo dưỡng sửa chữa đối với nhà máy thủy điện nhỏ khi cánh turbine bị vật cứng va đập hoặc bị xâm thực gây ra nứt, gãy, ăn mòn… dẫn đến hiệu suất turbine giảm, phải dừng máy sửa chữa Việc thay thế sửa chữa cánh turbine thường phải phù thuộc vào chuyên gia nước ngoài hoặc cung cấp từ nước ngoài mà chủ yếu là thị trường Trung Quốc Dẫn đến chi phí thực hiện cao, tiến độ chậm, giá thành bị chi phối độc quyền của đơn vị cung cấp, thời gian dừng máy sửa chữa kéo dài làm thiệt hại về mặt kinh tế cho nhà sản xuất điện

Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo cánh turbine nói chung và cánh Turbine Bulb là việc làm rất cấp thiết có tình ứng dụng cao, đáp ứng được yêu cầu của thị trường sửa chữa, thay thế và phục hồi cánh turbine cho các nhà máy thủy điện nhỏ

ở Việt Nam

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Thiết kế được bản vẽ chế tạo của turbine bulb trên cở sở các thông số kỹ thuật của Turbine nhà máy Thủy điện Bảo Lâm 3A Từ đó làm cơ sở tính toán thiết kế bản vẽ chế tạo cánh turbine cho các nhà máy khác khi có yêu cầu thực hiện việc sửa chữa bảo dưỡng, thay thế

DUT.LRCC

Đưa ra được qui trình công nghệ chế tạo cánh turbine bulb có công suất nhỏ phù hợp với điều kiện công nghệ tại Việt Nam

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu:

Turbine bulb kiểu: GZTF07B-WP-360 sản xuất tại Công ty TNHH turbine nước Trùng Khánh - Trung Quốc, thuộc Dự án thủy điện Bảo Lâm 3A, được Công ty

cổ phần thủy điện Đăk R’tih lắp đặt, thí nghiệm và hiệu chỉnh Địa điểm xây dựng tại:

Xã Đức Hạnh và xã Lý Bôn huyện Bảo Lâm, tỉnh Cao Bằng

Với thông số kỹ thuật cơ bản như sau:

TT Các thông số kỹ thuật cơ bản Đơn vị Trị số Ghi chú

Thiết kế qui trình công nghệ chế tạo cánh turbine bulb

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với quá trình kiểm tra nghiệm thu kích thước sản phầm bằng máy scan 3D, kết hợp phương pháp thiết kế ngược để xây dựng qui trình chế tạo thu nhỏ mẫu thực nghiệm

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

4.1 Ý nghĩa khoa học

DUT.LRCC

Việc nghiên cứu thiết kế bản vẽ chế tạo phục hồi cánh turbine bulb sẽ góp phần cho việc hoàn thiện làm chủ công nghệ chế tạo turbine bulb cũng như làm cơ sở cho việc nghiên cứu chế tạo phục hồi các loại turbine khác trong lĩnh vực thủy điện ở Việt Nam

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài có tính ứng dụng trong thực tiễn sản xuất nhằm mục đích sửa chữa, thay thế và phục hồi các biên dạng cánh turbine cho các nhà máy thủy điện nhỏ sử dụng turbine bulb tại Việt Nam

6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu và kết luận cấu trúc luận văn gồm có 3 chương

Chương 1: Tổng quan về turbine nhà máy thủy điện

Chương 2: Qui trình chế tạo turbine bulb và thiết kế lại cánh turbine bulb

Chương 3: Thiết kế qui trình công nghệ chế tạo mô hình turbine bulb thu nhỏ

DUT.LRCC

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ TURBINE THỦY ĐIỆN

1.1 Tổng quan về thủy điện tại việt nam

1.1.1 Nhu cầu năng lượng tại Việt Nam

Hiên nay, Việt Nam huy động mọi nguồn lực trong nước và quốc tế cho phát triển điện lực để bảo đảm cung cấp đủ điện với chất lượng ngày càng cao, giá điện hợp

lý cho phát triển kinh tế - xã hội của đất nước, sử dụng đa dạng, hiệu quả các nguồn năng lượng sơ cấp cho sản xuất điện Đẩy mạnh phát triển và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo cho sản xuất điện, từng bước nâng cao tỷ trọng nguồn điện sản xuất từ nguồn năng lượng tái tạo nhằm giảm nhẹ sự phụ thuộc vào nguồn điện sản xuất từ than nhập khẩu, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng, giảm nhẹ biến đổi khí hậu, bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế - xã hội bền vững Hình thành và phát triển hệ thống điện thông minh, có khả năng tích hợp với nguồn năng lượng tái tạo có tỷ lệ cao

Cụ thể như sau:

Cung cấp đủ nhu cầu điện trong nước, đáp ứng cho Mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội của cả nước với mức tăng trưởng GDP bình quân Khoảng 7,0%/năm trong giai đoạn 2016 - 2030:

Điện thương phẩm: Năm 2020 Khoảng 235 - 245 tỷ kWh; năm 2025 Khoảng 352 -

1.1.2 Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia

a Quy hoạch phát triển nguồn điện:

Đẩy nhanh phát triển nguồn điện từ năng lượng tái tạo (thủy điện, điện gió, điện mặt trời, điện sinh khối v.v ), từng bước gia tăng tỷ trọng của điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng tái tạo trong cơ cấu nguồn điện:

Ưu tiên phát triển các nguồn thủy điện, nhất là các dự án lợi ích tổng hợp (chống lũ, cấp nước, sản xuất điện); nghiên cứu đưa nhà máy thủy điện tích năng vào

DUT.LRCC

vận hành phù hợp với phát triển của hệ thống điện quốc gia nhằm nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống điện Tổng công suất các nguồn thủy điện (bao gồm cả thủy điện vừa và nhỏ, thủy điện tích năng) từ gần 17.000 MW hiện nay lên Khoảng 21.600

MW vào năm 2020, Khoảng 24.600 MW vào năm 2025 (thủy điện tích năng 1.200 MW) và Khoảng 27.800 MW vào năm 2030 (thủy điện tích năng 2.400 MW) Điện năng sản xuất từ nguồn thủy điện chiếm tỷ trọng Khoảng 29,5% vào năm 2020, Khoảng 20,5% vào năm 2025 và Khoảng 15,5% vào năm 2030

Đưa tổng công suất nguồn điện gió từ mức 140 MW hiện nay lên Khoảng 800

MW vào năm 2020, Khoảng 2.000 MW vào năm 2025 và Khoảng 6.000 MW vào năm

2030 Điện năng sản xuất từ nguồn điện gió chiếm tỷ trọng Khoảng 0,8% vào năm

2020, Khoảng 1% vào năm 2025 và Khoảng 2,1% vào năm 2030

Phát triển điện sử dụng nguồn năng lượng sinh khối: Đồng phát điện tại các nhà máy đường, nhà máy chế biến lương thực, thực phẩm; thực hiện đồng đốt nhiên liệu sinh khối với than tại các nhà máy điện than; phát điện từ chất thải rắn v.v Tỷ trọng điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng sinh khối đạt Khoảng 1% vào năm 2020, Khoảng 1,2% vào năm 2025 và Khoảng 2,1% vào năm 2030

Đẩy nhanh phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời, bao gồm cả nguồn tập trung lắp đặt trên mặt đất và nguồn phân tán lắp đặt trên mái nhà: Đưa tổng công suất nguồn điện mặt trời từ mức không đáng kể hiện nay lên Khoảng 850 MW vào năm 2020, Khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và Khoảng 12.000 MW vào năm

2030 Điện năng sản xuất từ nguồn điện mặt trời chiếm tỷ trọng Khoảng 0,5% năm

2020, Khoảng 1,6% vào năm 2025 và Khoảng 3,3% vào năm 2030

Nhiệt điện sử dụng khí thiên nhiên và khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG): Đến năm 2020, tổng công suất Khoảng 9.000 MW, sản xuất Khoảng 44 tỷ kWh điện, chiếm 16,6% sản lượng điện sản xuất; năm 2025, tổng công suất Khoảng 15.000 MW, sản xuất Khoảng 76 tỷ kWh điện, chiếm 19% sản lượng điện sản xuất; năm

2030, tổng công suất Khoảng 19.000 MW, sản xuất Khoảng 96 tỷ kWh điện, chiếm 16,8% sản lượng điện sản xuất

Nhiệt điện than: Khai thác tối đa nguồn than trong nước cho phát triển các nhà máy nhiệt điện, ưu tiên sử dụng than trong nước cho các nhà máy nhiệt điện khu vực miền Bắc Đến năm 2020, tổng công suất Khoảng 26.000 MW, sản xuất Khoảng 131

DUT.LRCC

tỷ kWh điện, chiếm Khoảng 49,3% điện sản xuất, tiêu thụ Khoảng 63 triệu tấn than; năm 2025, tổng công suất Khoảng 47.600 MW, sản xuất Khoảng 220 tỷ kWh điện, chiếm Khoảng 55% điện sản xuất, tiêu thụ Khoảng 95 triệu tấn than; năm 2030, tổng công suất Khoảng 55.300 MW, sản xuất Khoảng 304 tỷ kWh, chiếm Khoảng 53,2% điện sản xuất, tiêu thụ Khoảng 129 triệu tấn than Do nguồn than sản xuất trong nước hạn chế, cần xây dựng một số nhà máy nhiệt điện tại các trung tâm điện lực: Duyên Hải, Long Phú, Sông Hậu, Long An v.v sử dụng nguồn than nhập khẩu

b Cơ cấu nguồn điện năm 2020:

Tổng công suất các nhà máy điện Khoảng 60.000 MW, trong đó: Thủy điện lớn, vừa và thủy điệntích năng Khoảng 30,1%; nhiệt điện than Khoảng 42,7%; nhiệt điện khí (kể cả LNG) 14,9%; nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo (gồm: thủy điện nhỏ, điện gió, điện mặt trời, điện sinh khối) 9,9%; nhập khẩu điện 2,4%

Điện năng sản xuất và nhập khẩu Khoảng 265 tỷ kWh, trong đó: Thủy điện lớn, vừa và thủy điện tích năng khoảng 25,2%; nhiệt điện than Khoảng 49,3%; nhiệt điện khí (kể cả LNG) 16,6%; nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo (gồm: thủy điện nhỏ, điện gió, điện mặt trời, điện sinh khối) 6,5%; nhập khẩu điện 2,4%

c Cơ cấu nguồn điện năm năm 2025:

Tổng công suất các nhà máy điện Khoảng 96.500 MW, trong đó: Thủy điện lớn, vừa và thủy điệntích năng Khoảng 21,1%; nhiệt điện than Khoảng 49,3%; nhiệt điện khí (kể cả LNG) 15,6%; nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo) (gồm: thủy điện nhỏ, điện gió, điện mặt trời, điện sinh khối) 12,5%; nhập khẩu điện 1,5%

Điện năng sản xuất và nhập khẩu khoảng 400 tỷ kWh, trong đó: Thủy điện lớn, vừa và thủy điện tích năng khoảng 17,4%; nhiệt điện than khoảng 55%; nhiệt điện khí (kể cả LNG) 19,1%; nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo (gồm: thủy điện nhỏ, điện gió, điện mặt trời, điện sinh khối) 6,9%; nhập khẩu điện 1,6%

1.1.3 Tổng quan về thủy điện tại Việt Nam

a Tiềm năng thủy điện

Do vị trí địa lý của Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm mưa nhiều, nên đất nước ta có nguồn tài nguyên thủy năng tương đối lớn Phân bố địa hình trải dài từ Bắc vào Nam với bờ biển hơn 3400 km cùng với sự thay đổi cao độ từ hơn

DUT.LRCC

3100 m cho đến độ cao mặt biển đã tạo ra nguồn thế năng to lớn do chênh lệch địa hình tạo ra

Nhiều nghiên cứu đánh giá đã chỉ ra rằng, Việt Nam có thể khai thác được nguồn công suất thủy điện vào khoảng 25.000 - 26.000 MW, tương ứng với khoảng 90 -100 tỷ kWh điện năng Tuy nhiên, trên thực tế, tiềm năng về công suất thủy điện có thể khai thác còn nhiều hơn.Theo kinh nghiệm khai thác thủy điện trên thế giới, công suất thủy điện ở Việt Nam có thể khai thác trong tương lai có thể bằng từ 30.000 MW đến 38.000 MW và điện năng có thể khai thác được 100 - 110 tỷ kWh

Hình 1.1: Nhà máy Thủy điện Sơn La Công suất lắp máy 2400 MW

b Các giai đoạn phát triển

+ Trước năm 1954, các công trình thủy điện được người Pháp nghiên cứu khai thác thủy điện - thủy lợi để phục vụ cho mục đích khai thác thuộc địa Các công trình thủy điện được lựa chọn tại các vị trí thuận lợi, có thể xây dựng nhanh, với chi phí thấp, chưa có nghiên cứu sâu về quy hoạch tổng thể

+ Thời gian tiếp theo (1954 -1975), với sự giúp đỡ của các chuyên gia Liên Xô và Trung Quốc, các nghiên cứu đánh giá tiềm năng thủy điện cho lưu vực sông Hồng đã

DUT.LRCC

được thực hiện từ năm 1956 Ngày 19/8/1964, công trình thủy điện có quy mô lớn đầu tiên với sự giúp đỡ của Liên Xô đã được khởi công xây dựng: Thủy điện Thác Bà trên sông Chảy, công suất ban đầu 108 MW Đây là cái nôi đào tạo đội ngũ CBCNV phát triển thủy điện cho ngành Điện sau này

Tại miền Nam, năm 1961, người Nhật tài trợ theo chương trình đền bù chiến phí của chiến tranh thế giới thứ hai để xây dựng dự án Thủy điện Đa Nhim, công suất 160

MW Tuy nhiên, do ảnh hưởng của chiến tranh, Nhà máy phải ngừng hoạt động vào năm 1965, sau gần một năm đưa vào vận hành

Giai đoạn 1975 - 1994, với sự giúp đỡ lớn lao từ nước bạn Liên Xô, Việt Nam đã xây dựng thành công Thủy điện Hòa Bình, là dấu mốc quan trọng về khai thác thủy năng to lớn cho đất nước Tại miền Nam, công tác khắc phục Nhà máy Thủy điện Đa Nhim được thực hiện khẩn trương, và cuối năm 1975, Nhà máy đã vận hành trở lại Để tiếp tục bổ sung nguồn điện cho miền Nam, ngày 30/4/1984, Thủy điện Trị An đã chính thức khởi công xây dựng

Trong giai đoạn này, tại miền Trung, một số thủy điện nhỏ và vừa cũng bắt đầu được các đơn vị khảo sát - thiết kế trong nước bắt tay thực hiện như Thủy điện Đrây H’linh (12 MW), Thủy điện Vĩnh Sơn (66 MW)

Có thể nói, giai đoạn này là đỉnh cao trong sự nghiệp phát triển thủy điện của đất nước Nhiều công trình thủy điện được xây dựng và đưa vào vận hành, bao gồm cả những công trình thủy điện lớn, đa mục tiêu: Thủy điện Ialy, Thủy điện Hàm Thuận -

Đa Mi, Thủy điện Sê San 3, Thủy điện Tuyên Quang…

Giai đoạn này cũng chứng kiến sự phát triển vượt bậc và chuyển biến về chất của

kỹ thuật xây dựng thủy điện trên tất cả các lĩnh vực, từ quản lý dự án, tư vấn xây dựng, thi công và vận hành nhà máy thủy điện Từ việc phải phụ thuộc hoàn toàn vào kỹ thuật từ nước ngoài, đội ngũ người Việt đã tự chủ được tất cả công đoạn để xây dựng thành công các công trình thủy điện, với bất kể qui mô nào

Thời kỳ này đã xuất hiện hàng loạt thành tựu kỹ thuật hoàn toàn do các kỹ sư trong nước làm chủ Cùng với việc áp dụng thành công những kết cấu trong xây dựng đập, công tác chế tạo thiết bị cơ khí thủy công cho các dự án thủy điện đã có tiến bộ vượt

DUT.LRCC

bậc Hầu như toàn bộ thiết bị cơ khí thủy công trong giai đoạn này là do các nhà máy

cơ khí trong nước đảm nhận

Đây là giai đoạn tiếp nối quan trọng trong việc khai thác năng lượng thủy điện của đất nước Những dự án thủy điện lớn nhất được xây dựng và hoàn thành trong thời kỳ này như: Thủy điện Sơn La (2400 MW), Thủy điện Lai Châu (1200 MW) và Thủy điện Huội Quảng (560 MW) Phát triển thủy điện bắt đầu đi vào chiều sâu

Hiện nay, Quy trình vận hành liên hồ chứa cho các bậc thang thủy điện đã được thiết lập và được Thủ tướng Chính phủ ký quyết định ban hành cho tất cả các lưu vực sông có bậc thang thủy điện Đến năm 2018, đã có tổng số 80 dự án thủy điện lớn và thủy điện vừa vào vận hành với tổng công suất lắp máy là 15.999 MW

Có thể nói, tới nay các dự án thủy điện lớn có công suất trên 100 MW hầu như đã được khai thác hết Các dự án có vị trí thuận lợi, chi phí đầu tư thấp cũng đã được triển khai thi công Một số nhà máy thủy điện đang được xây dựng mở rộng và các nhà máy thủy điện tích năng sẽ được tiến hành đầu tư để phù hợp với cơ cấu nguồn điện trong

hệ thống điện quốc gia

1.2 Các vấn đề cơ bản về tuabine thủy lực

Tuabine thủy lực là một trong nhưng thiết bị chủ yếu quan trọng nhất của nhà máy thủy điện, tuabine và máy phát Turbine là bộ phận động lực chính của nhà máy có chức năng chuyển đổi năng lượng của dòng nước (thủy năng) thành chuyển động quay (cơ năng), thông qua kết nối trục với máy phát điện để biến năng lượng nước thành điện năng Có thể coi Turbine là trái tim của nhà máy

Nhà máy thủy điện là một tập hợp gồm có công trình thủy lợi, thiết bị điện và thiết bị cơ khí trong đó chủ yếu là tuabin để biến năng lượng của dòng sông thành

cơ năng kéo máy phát điện

DUT.LRCC

Hình: 1.2: Cấu trúc khối tổ máy của nhà máy thủy điện

1.2.1 Ưu điểm của nhà máy thủy điện

- Hiệu suất của tổ máy đạt được rất cao so với nhà máy nhiệt điện

- Thiết bị đơn giản, dễ tự động hóa, có thể vận hành từ giám sát từ xa thông qua hệ thống Scada

- Thời gian khởi động máy và dừng máy nhanh, cho phép của trung tâm điều

độ quốc gia A0 và Công ty mua bán điện thì thời gian này là 9 phút là đạt công suất định mức, còn thực tế nhiều nhà máy chỉ khời động trong thời gian 3 phút, đáp ứng đầy tải 4 phút

- Ít gây ô nhiểm môi trường

- Suất đầu tư thấp dẫn đến giá điện thấp hơn các loại năng lượng khác Hiện nay mức giá đối với nhà máy thủy điện trên 30MW thường dưới 1.000 VNĐ Còn nhà máy dưới 30MW thì có mức giá cao hơi nhưng dưới 2.500 VNĐ

- Các nhà máy điện đa chức năng thì ngoài chức năng phát điện thì còn có các chức năng khác: Cung cấp nước thủy lợi cho ngành nông nghiệp Phòng chống lũ lụt: Lòng hồ thủy điện luôn để lại một dung tích phòng lũ nhằm cắt

lũ, điều tiết lũ cho hạ du Khai thác du lịch Điều tiết khí hậu vv Ví dụ: Nhà

DUT.LRCC

máy thủy điện Hòa Bình, Nhà máy thủy điện Sơn La, Nhà máy thủy điện Trị

An, Nhà máy thủy điện Ialy…vv

- Chi phí quản lý, chi phí vận hành, bảo dưỡng sửa chữa thấp, thường dưới 10% doanh thu

1.2.2 Nhược điểm của nhà máy thủy điện

- Làm thay đổi môi trường sinh thái: Thay đổi dòng chảy tự nhiên sau khi bị ngăn đập, phía sau hạ lưu đập thường thiếu nước, và thường không còn thủy hải sản sinh sống Hiện nay để hạn chế bớt tác hại của việc ngăn sông này thì các nhà máy đều bắt buộc duy trì dòng chảy môi trường tối thiểu

- Diện tích sử dụng lớn, hầu hết là diện tích đất rừng phải bỏ để làm lòng hồ,

và đất nông nghiệp Thông thường để tạo ra 1MW thì mất khoảng 10ha đến 30ha

- Làm giảm một lượng lớn phù sa cung cấp cho hạ du

- Nhà máy thủy điện thường đặt xa khu trung tâm công nghiệp nơi phụ tải lớn nên việc đầu tư truyền tải tốn kém, tổn thất điện lớn

1.3 Phân loại tuabine thủy lực

Kiểu loại Tuabin phụ thuộc vào điều kiện thủy năng như cột nước và lưu lượng vào turbine người ta phân loại như sau:

1.3.1 Phân loại tuabin áp dụng cho dự án thủy điện có cột nước địa hình cao

Phạm vi sử dụng turbine với cột nước trên 100m để đảm bảo khai thác tối đa hiệu suất của tổ máy gồm các loại: Tuabin Penllton, Tuabin Francis

DUT.LRCC

1.3.2 Phân loại tuabin áp dụng cho dự án Thủy điện nhỏ và vừa có cột nước địa

1.3.3 Biểu đồ phân loại turbine và đường đặc tính Turbine Bulb

a Biểu đồ phân loại turbine

Bảng 1.2: Biểu đồ phạm vi sử dụng của các kiểu turbine

b Đường đặc tính Turbine bulb

Bảng 1.3: Đường đặc tính của turbine cột nước thấp (Turbine bulb)

DUT.LRCC

1.4 Nguyên lý làm việc của turbine

1.4.1 Tuabin xung kích:

Là dạng turbine lợi dụng phần động năng của dòng chảy tác dụng lên bánh xe công tác còn phần thế năng bằng không ở dạng turbine này toàn bộ thế năng của dòng chảy sau khi ra khỏi vòi phun biến thành động năng truyền năng lượng cho bánh xe công tác Nước từ vòi phun chảy vào bánh xe công tác theo các tia tròn làm quay turbine Các tuabin kiểu này thay đổi chiều của luồng lưu chất vận tốc lớn hoặc luồng khí phun Kết quả là xung lực làm quay tuabin và để lại luồng lưu chất với động năng giảm Không có thay đổi áp suất của chất lỏng hay khí trong các cánh roto turbine (các cánh chuyển động), như trường hợp của turbin hơi hoặc khí, tất cả áp lực giảm diễn ra tại các cánh tuabin tĩnh (miệng phun)

Trước khi lưu chất có áp lực tới được turbine, áp suất ban đầu của lưu chất bị thay đổi thành động năng ban đầu bằng cách đẩy luồng lưu chất vào vòi phun các Turbine Penllton chỉ sử dụng quá trình này Các tuabin xung kích không yêu cầu

có buồng xoắn áp suất xung quanh, Turbine quay nhờ tia lưu chất phun ra từ vòi phun trước khi đến cánh tuabin trên roto Định luật II Newton miêu tả quá trình truyền năng

1.4.2 Turbine phản kích

Là dạng turbine lợi dụng cả thế năng và động năng dòng chảy, mà chủ yếu là thế năng Nó chuyển động là phản lực của dòng nước tác dụng lên cánh bánh xe công tác hình thành moment quay làm cho turbine quay Trong quá trình làm việc bánh xe công tác ngập toàn bộ trong dòng chảy có áp lực xung quanh là buồng xoắn

DUT.LRCC

TT Các thông số kỹ thuật cơ bản Đơn vị Trị số Ghi chú

2.1.2 Quy trình chế tạo turbine bulb tại nhà máy sản xuất

Công ty TNHH Turbin nước Trùng Khánh - Trung Quốc là nhà thầu sản xuất

turbine Bulb, đã chế tạo theo quy trình công nghệ như sơ đồ sau:

Hình 2.1: Trình tự chế tạo turbine bulb

a Quá trình tạo phôi

Tại nhà máy sản xuất để chế tạo được cánh turbine nhằm đảm bảo tiến độ, tiết kiệm nguyên vật liệu, thời gian cắt gọt kim loại, thì nhà sản xuất sẽ tạo phôi tuy thuộc vào kích thước, tính kinh tế và điều kiện công nghệ thì nhà sản xuất thực hiện theo các cách sau:

- Đúc cánh turbine theo biên dạng đã thiết kế, bổ sung thêm lượng dư gia công

- Tạo phôi bằng phương pháp dập nóng

QUÁ TRÌNH TẠO PHÔI

ĐÚC TỪNG CÁNH TURBINE

GIA CÔNG CƠ

PHAY TRÊN MÁY CNC 5 TRỤC

Đối với turbine bulb tại Nhà máy thủy điện Bảo Lâm 3A thì nhà sản xuất sử dụng công nghệ đúc

Hình 2.2: Cánh turbine bulb sau khi đúc tạo hình

b Gia công cơ biên dạng cánh turbine

Sau khi đúc xong cánh turbine Để giảm chi phí thiết kế, chế tạo đồ gá và rút ngắn thời gian gia công, tại nhà sản xuất cánh turbine được phay trên máy phay CNC 5 trục

Hình 2.3: Gia công biên dạng cánh Turbine trên máy phay CNC 5 trục

c Xử lý nhiệt

Sau khi cánh turbine được tạo đúng biên dạng, sẽ được đưa đến phân xưởng xử

lý nhiệt, rồi thí nghiệm kiểm tra cơ tính và hóa tính đạt yêu cầu kỹ thuật

DUT.LRCC

d Hàn cánh turbine vào thân

Sau khi cắt gọt tạo hình đúng biên dạng cánh turbine nhà sản xuất tiến hành hàn cánh turbine vào thân đảm bảo đúng các thông số kỹ thuật thiết kế

Hình 2.5: Cánh turbine hoàn chỉnh sau khi hàn

f Tổ hợp tất cả các cánh turbine và kiểm tra chất lượng

Từng cánh turbine sẽ đƣợc tổ hợp vào trục chính, cân bằng tĩnh tại nhà máy đƣợc kiểm tra nghiệm thu theo tiêu chuẩn GB/T10969-2008 của Trung Quốc

DUT.LRCC

Tại nhà sản xuất đối với turbine loại nhỏ sẽ được tổ hợp và nối trục với rotor máy phát điện, được nhà sản xuất tổ chức cân bằng động, kiểm tra độ rung, độ đảo trục đảm bảo theo đúng yêu cầu kỹ thuật cho phép

Sau khi cân bằng động tổng thể phần quay turbine và máy phát sẽ được tháo ra

và chuẩn bị cho công tác đóng thùng Các bề mặt làm việc đã được gia công tinh sẽ được quét lớp dầu bảo vệ bề mặt trước khi đóng thùng chuyển đến công trình Để đảm bảo chống ô xy hóa các bề mặt làm việc thùng bảo quản luôn thêm vào hạt hút ẩm

Dưới đây là hình ảnh hoàn thiện và hình ảnh cân bằng động phần quay

Hình 2.7 Tổ hợp rotor và turbine đưa vào cân bằng động

Hình 2.8: Turbine Bulb đã được lắp đặt tổ hợp hoàn chỉnh

2.1 Thiết kế biên dạng cánh turbine bulb

Vì công việc thiết kế và chế tạo là bí mật công nghệ của nhà thầu thiết kế và cung cấp thiết bị cơ điện chính Nên để thiết kế được biên dạng cánh turbine, ta cần phải sử dụng kỹ thuật thiết kế ngược theo 3 công đoạn sau đây:

để quét toàn bộ biên dạng cánh turbine Quá trình scan 3D Turbine nhà máy thủy điện Bảo Lâm 3A chủ yếu phục vụ công tác nghiệm thu kích thước sản

DUT.LRCC

phẩm trước khi bàn giao lắp đặt, tuy nhiên tác giả kết hợp kết quả nghiệm thu chất lượng sản phầm để thực hiện đề tài này

Hình 2.9: Quá trình quét biên dạng cánh turbine

 Xử lý dữ liệu số sau khi quét: Từ dữ liệu số sau khi quét, xuất dữ liệu vào phần mềm SolidWorks, sử dụng các lệnh sửa bề mặt, làm cong hóa và trơn các bề mặt để có

dữ liệu của chi tiết cánh turbine

Hình 2.10: Biên dạng cánh Turbine sau khi quét scan 3D

DUT.LRCC

 Xuất bản vẽ chế tạo: Từ bản vẽ 3D trên SolidWorks xuất ra phần mềm Autocad

để tạo bản vẽ chế tạo chi tiết turbine Bulb Bản vẽ chế tạo turbin bulb (dạng 2D) nhƣ sau:

Hình 2.11: Bản vẽ chế tạo turbine Bulb DUT.LRCC