NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUA BIN TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ KHÔNG THỰC HIỆN LIÊN KẾT VÙNG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUA BIN TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ KHÔNG THỰC HIỆN LIÊN KẾT VÙNG . MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ 2 1.1. Mô hình nhà máy thủy điện 2 1.1.1. Giới thiệu về nhà máy thủy điện 2 1.1.2. Các loại nhà máy thủy điện 3 1.1.3. Các đặc điểm của nhà máy thủy điện 12 1.2. Giới thiệu về nhà máy thủy điện Việt Nam 16 1.3. Cấu trúc chung của nhà máy thủy điện 19 Chương 2. TỰ ĐỘNG HÓA TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 26 2.1. Vai trò quan trọng của tự động hóa trong nhà máy thủy điện 26 2.2. Mô hình tổng thể cho tự động hóa nhà máy thủy điện 31 2.3. Vấn đề vận hành lưới điện đơn vùng – lưới điện “mềm” – độc lập 40 Chương 3. ĐIỀU KHIỂN TUA – BIN TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN KHÔNG LIÊN KẾT VÙNG 41 3.1. Khái niệm các NMTĐ công suất vừa và nhỏ với các phương thức làm việc độc trong mô hình cấp điện 41 3.2. Tổng quan về hệ thống điều khiển tua bin 47 3.2.1. Hệ thống điều khiển tuabin chung 47 3.2.2. Cơ sở việc phân phối công suất tác dụng 47 3.3. Đặc điểm của nhà máy thủy điện không liên kết vùng làm việc độc lập 51 3.3.1. Bộ điều khiển 51 3.3.2. Bộ điều tốc 51 3.3.3. Tuabin 56 3.3.4. Máy phát 60 3.4. Hệ thống tự động điều khiển tuabin không liên kết vùng làm việc độc lập 62 3.4.1. Một số cách điều khiển tuabin trong một số nhà máy 62 3.4.2. Hệ thống điều khiển tốc độ tua – binmáy phát khi nhà máy thủy điện không liên kết vùng (làm việc độc lập) 68 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ NMTĐ kiểu kênh dẫn 4 Hình 1.2. Sơ đồ NMTĐ kênh dẫn (có hầm dẫn nước) 5 Hình 1.3. Sơ đồ NMTĐ kiểu đập 6 Hình 1.4. NMTĐ Hòa Bình 7 Hình 1.5. Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp 8 Hình 1.6. Tập trung nước bằng bơm 9 Hình 1.7. Nhà máy thủy điện Thủy Triều 11 Hình 1.8. Mô hình đập NMTĐ Sơn La 14 Hình 1.9. Đập vòm NMTĐ Inguri 16 Hình 1.10. Hình ảnh cấu trúc chung nhà máy thủy điện 19 Hình 1.11. Trục kết nối các tua bin 20 Hình 1.12. Sơ đồ mặt cắt dọc tuyến năng lượng tổ máy và đặc tính công suất của máy phát 25 Hình 2.1. Sơ đồ tự động hóa trong nhà máy thủy điện 26 Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống tự động hóa thủy điện 27 Hình 2.3. Sơ đồ hệ thống tự động điều khiển giám sát 31 Hình 2.4. Sơ đồ ví dụ về trạm GIS của NMTĐ Lai Châu 35 Hình 2.5. Sơ đồ một dây của nhà máy thủy điện Lai Châu 36 Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý Role bảo vệ trạm GIS 500KV 37 Hình 2.7. Sơ đồ cấp nguồn tự dùng một chiều 38 Hình 2.8. Sơ đồ hệ thống cấp nguồn tự dùng xoay chiều 39 Hình 2.9. Đặc tính lưới điện làm việc độc lập 40 Hình 3.1. Sơ đồ NMTĐ công suất vừa và nhỏ cung cấp độc lập 42 Hình 3.2. Mô hình hai NMTĐ công suất vừa và nhỏ làm việc trong mô hình liên kết vùng 44 Hình 3.3. Nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ làm việc với lưới điện quốc gia 46 Hình 3.4. Cơ sở của việc phân chia công suất tác dụng cho các nhà máy khi làm việc song song 49 Hình 3.5. Sơ đồ khối nhà máy thủy điện đơn vùng 51 Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý bộ điều tốc tác động trực tiếp 53 Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý bộ điều tốc tác động gián tiếp 53 Hình 3.8. Sơ đồ cấu tạo chi tiết bộ điều tốc cơ khí thủy lực 54 Hình 3.9. Tuabin hướng trục 57 Hình 3.10. Tuabin tâm trục 58 Hình 3.11. Tuabin gáo 59 Hình 3.12. Sơ đồ tuabin nước và máy phát 60 Hình 3.13. Sơ đồ hệ thống rơ le bảo vệ khối tổ máy 64 Hình 3.14. Phương pháp dịch đặc tính tĩnh 65 Hình 3.15. Phương pháp dịch đặc tính tĩnh theo Master Generator 66 Hình 3.16. Phương pháp dịch đặc tính tĩnh giữ tần số lưới không đổi 67 Hình 3.17. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện 68 Hình 3.18. Sơ đồ trình bày bộ điều tốc sử dụng quả văng li tâm 70 Hình 3.19. Sơ đồ chức năng hệ điều khiển tốc độ sử dụng quả văng li tâm 71 Hình 3.20. Bộ điều tốc li tâm với đặc tính vô saiắc 72 Hình 3.21. Đặc tính vô sai của bộ điều tốc li tâm 73 Hình 3.22. Bộ điều tốc li tâm với đặc tính vô sai 74 Hình 3.23. Bộ điều tốc điện tử 75 Hình 3.24. Sơ đồ chức năng của bộ điều tốc điện tử 76 LỜI NÓI ĐẦU Nguồn năng lượng thuỷ điện chiếm vai trò quan trọng trong hệ thống điện Việt Nam. Năng lượng tự nhiên theo cách nhìn là vô tận. Tuy nhiên, nguồn năng lượng có thể khai thác hiện đang trở nên khan hiếm và trở thành vấn đề lớn trên thế giới, đó là bởi vì để có năng lượng được sử dụng trong năng lượng sơ cấp người tiêu dùng phải trải qua nhiều công đoạn như khai thác, chế biến, vận chuyển và phân phối. Các quá trình này đòi hỏi nhiều chi phí tài chính kỹ thuật và các nghĩa vụ xã hội. Hiệu quả của các bước liền kề từ sơ cấp đến năng lượng nói chung là thấp. Vì vậy để đề ra, lựa chọn và thực hiện các phương pháp chuyển hóa năng lượng từ nguồn năng lượng sơ cấp đến nguồn năng lượng cuối cùng nhằm đạt hiệu quả kinh tế cao nhất cũng là nhiệm vụ của con người chúng ta. Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống năng lượng, bao gồm nhà máy điện hòa lưới và điện năng tiêu thụ. Trong đó, các nhà máy điện có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng sơ cấp như than đá, khí đốt, thủy điện thành điện năng. Hiện nay ở nước ta, khi lượng điện năng do các nhà máy thủy điện sản xuất ra đã đáp ứng được một phần quan trọng về công suất cho lưới điện vì thế thủy điện đóng một vai trò khá quan trọng cả trong giai đoạn hiện nay lẫn cho tương lai. Trong bối cảnh đó, thiết kế phần điện không phải là một nhiệm vụ mà là một sự phân tích kiến thức toàn diện cho mỗi sinh viên ngành điện trước khi đi vào thực tế làm việc. Với yêu cầu, đồ án tốt nghiệp được hoàn thành với 3 chương: Chương 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ. Chương 2: Tự động hóa trong nhà máy thủy điện. Chương 3: Điều khiển tua – bin trong nhà máy thủy điện không thực hiện liên kết vùng. Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ 1.1. Mô hình nhà máy thủy điện 1.1.1. Giới thiệu về nhà máy thủy điện Thủy điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước. Đa số năng lượng thủy điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một tuabin nước và máy phát điện. Kiểu ít được biết đến hơn là sử dụng năng lượng động lực của nước hay các nguồn nước không bị tích bằng các đập nước như năng lượng thuỷ triều. Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo. Năng lượng lấy được từ nước phụ thuộc không chỉ vào thể tích mà cả vào sự khác biệt về độ cao giữa nguồn và dòng chảy ra. Sự khác biệt về độ cao được gọi là áp suất. Lượng năng lượng tiềm tàng trong nước tỷ lệ với áp suất. Để có được áp suất cao nhất, nước cung cấp cho một turbine nước có thể được cho chảy qua một ống lớn gọi là ống dẫn nước có áp (penstock). Ngoài nhiều mục đích phục vụ cho các mạng lưới điện công cộng, một số dự án thủy điện được xây dựng cho những mục đích thương mại tư nhân. Trong hệ thống điện nhiều nước trên thế giới thuỷ điện chiếm tỷ lệ tương đối lớn, trung bình toàn thế giới 25 %. Giá thành sản suất điện năng thuỷ điện rất rẻ so với nhiệt điện do sử dụng nguồn năng lượng tái sinh và ít ảnh hưởng xấu tới môi trường. Chính vì vậy mà ngành thuỷ điện trên thế giới rất phát triển cả về số lượng lẫn chất lượng. Công suất lớn nhất của tổ máy thuỷ điện 750 MW hiệu suất tổ máy 9296%. Công trình có công suất lớn nhất thế giới, hiện nay đang được xây dựng là CT Tam Hiệp ( Trung quốc) 18.200 MW. Các nước như : Mỹ, Nga, Pháp, Canada, Nhật bản, Trung quốc... là những nước có trữ lượng thuỷ điện lớn và có nền công nghiệp thuỷ điện phát triển mạnh. Ở Việt Nam có 124 hệ thống sông với 2860 con sông có chiều dài lơn hơn 10 km, với trữ năng lý thuyết 271.3 tỷ KWhnăm và trữ năng kỹ thuật khoảng 90 tỷ KWhnăm. Hiện nay chúng ta mới chỉ khai thác được khoảng 20% trữ năng thuỷ điện dồi dào này. Trước ngày giải phóng Miền Nam có thể nói việc khai thác nguồn trữ năng thuỷ điện không đáng kể. Ở Miền Nam chỉ có trạm thuỷ Đa nhim công suất 160 MW và ở Miền Bắc có Thác Bà công suất 108 MW được coi là những trạm thuỷ điện lớn ở nước ta. Sau ngày Miền Nam giải phóng với chủ trương đẩy mạnh khai thác nguồn thuỷ điện nhằm đảm bảo cho việc cân bằng hệ thống điện cả nước đáp ứng nhu cầu phát triển nền kinh tế quốc dân, một loạt nhà máy thuỷ điện có công suất trung bình và lớn đã và đang được xây dựng như : Hoà bình 1.920 MW, Yaly 720 MW, Trị an 400 MW, Thác Mơ 150 MW, ĐaMi175 MW, Hàm thuận 300 MW, Vĩnh Sơn 66 MW, Sông Hinh 70 MW và một số trạm khác. Ngoài ra trong những năm qua chúng ta đã xây dựng mới và phục hồi được hàng chục nhà máy có công suất nhỏ dưới 1000 KW. Dự kiến trong tương lai chúng ta cần phải xây dựng thêm nhiều nhà máy nữa mới có thể đáp ứng được nhu cầu của nền kinh tế quốc dân trong đó có các trạm Sơn la công suất dự kiến khoảng 2.400 MW, Bản Mai340MW, Đại thị300MW, Đại Ninh – 300 MW, và nhiều trạm khác. Ở nước ta, thuỷ điện chiếm tỷ trọng khoảng 60% công suất của hệ thống điện Việt nam hiện nay và trong tương lai vào thập kỷ đầu của thế kỷ 21 khi nhu cầu phát triển kinh tế tăng cao đòi hỏi nhiều năng lượng điện thì thuỷ điện là nguồn năng lượng rẻ tiền nhất cần phải khai thác triệt để khi nguồn than của chúng ta không nhiều mà chi phí sản xuất nhiệt điện lại lớn hơn nhiều so với thuỷ điện (Chi phí sản xuất 1 KWh điện năng). 1.1.2. Các loại nhà máy thủy điện Từ công thức tính công suất của NMTĐ có thể thấy rằng việc tạo ra chênh lệch mức nước là điều kiện tiên quyết cho việc xây dựng NMTĐ. Chính vì thế các phương án khác nhau tạo ra chênh lệch mức nước cũng đồng thời là điều kiện phân loại các nhà máy thủy điện. 1.1.2.1. Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn Cột nước của NMTĐ còn có thể tạo ra bằng việc sử dụng các kênh dẫn. Trường hợp chung nhất kênh bao gồm 2 phần (hình 1.1): phần đầu được xây dựng dưới dạng các kênh dẫn hở (còn gọi là kênh dẫn không áp). Phần này có nghiệm vụ dẫn nước từ nơi mà có dòng chảy có mức nước thấp (vị trí xây dựng NMTĐ) nhưng giữ nguyên mức nước (kênh có độ dốc rất nhỏ). Phần cuối là các ống dẫn kín (còn được gọi là kênh dẫn có áp). Phần này có nhiệm vụ đưa nước từ trên cao xuống thấp để chạy tuabin. Do dòng chảy trong ống kín bảo toàn được cột áp thủy tĩnh nên cột nước của NMTĐ có thể được tính như từ mức nước cuối kênh dẫn hở (phía trên ống dẫn kín) đến mức nước phía sau NMTĐ. Dễ thấy, cột nước của NMTĐ kiểu kênh dẫn có thể rất lớn nếu nguồn nước lấy được xuất phát từ vị trị cao. Cũng cần nói thêm là sơ đồ cấu trúc của NMTĐ kiểu kênh dẫn nêu trên nhằm minh họa nguyên lý chung (trong đó kênh gồm 2 phần). Thực tế không nhất thiết phải có phần kênh dẫn hở. Phần này chỉ được tạo ra khi có thể (với địa hình cho phép) và đem lại hiệu quả kinh tế (có vốn đầu tư nhỏ hơn ống dẫn kín). Có trường hợp phần kênh dẫn hở được thay thế bằng hầm dẫn nước (hình 1.1). Áp lực nước trong hầm có thể lớn hơn áp suất khí quyển (do có độ dốc), nhưng thường không lớn. Hình 1.1. Sơ đồ NMTĐ kiểu kênh dẫn Dễ thấy, ưu điểm nổi bật của NMTĐ kênh dẫn là vốn đầu tư nhỏ, công suất ổn định (ít phụ thuộc vào mức nước). Địa hình thích hợp cho NMTĐ kênh dẫn là vùng núi đồi, nơi có các dòng sông (suối) dốc chảy từ trên cao xuống. Cũng có khi là nơi có 2 con sống chảy cạnh nhau với mức nước chênh lệnh lớn. Trong trường hợp này kênh được xây dựng dẫn nước từ dòng sông có mức nước cao sang dòng sông có mức nước thấp. Nhà máy được xây dựng gần bờ sông có mức nước thấp và xả vào dòng sông này. Hình 1.2. Sơ đồ NMTĐ kênh dẫn (có hầm dẫn nước) Nhược điểm chính của NMTĐ kiểu kênh dẫn là không có hồ chứa nước, do đó không có khả năng điều tiết nước và điều chỉnh công suất. Khắc phục nhược điểm này trong nhiều trường hợp, với địa hình cho phép, người ta xây dựng các hồ nhân tạo ở các vị trí cao (cuối của các kênh dẫn hở). Tuy nhiên khi có vốn đầu tư tổng cộng của công trình lại tăng lên. Một ví dụ điển hình cho NMTĐ kênh dẫn ở Việt Nam là thủy điện Đa Nhim. Nhà máy này được xây dựng từ những năm 60 của thế kỷ trước. Kênh gồm 2 ống kín dài gần 3 km dẫn nước từ thung lũng trên đỉnh cao nguyên Đà Lạt (hồ Đa Nhim) xuống vùng đất thấp tạo ra cột nước tới 1020 m. Nhờ cột nước rất lớn nên chỉ với lưu lượng nhỏ, công suất nhà máy đã rất đáng kể. 1.1.2.2. Nhà máy thủy điện kiểu đập Bằng cách xây dựng các đập chắn ngang sông có thể làm cho mức nước ở trước đập dâng cao tạo ra cột nước để xây dựng NMTĐ. Khi đó ta có NMTĐ kiểu đập. Đập càng cao thì công suất NMTĐ có thể nhận được càng lớn. Tuy nhiên chiều cao đập cần phải được lựa chọn kỹ lưỡng theo các điều kiện kinh tế kỹ thuật và hang loạt yếu tố an toàn khác (liên quan đến môi trường, di dân, quốc phòng…). Mặt khác khi xây dựng đập cao nước dâng lên có thể làm ngập những khu vực quan trọng (làng xã đông dân, thị trấn cổ, hầm mỏ chưa khai thác…). Nhiều trường hợp, thường có thể xây dựng thuận lợi ở những nơi dòng chảy có độ dốc lớn, chảy ngang qua thung lũng của những quả đồi. Trong trường hợp này, vùng ngập nước dễ hạn chế được trong khu vực thung lũng, trong khi chỉ cần xây dựng các đập ngắn nối giữa các quả đồi để chắn dòng sông. Hình 1.3. Sơ đồ NMTĐ kiểu đập Nhà máy thủy điện kiểu đập có các ưu điểm sau: Có thể tạo ra những NMTĐ công suất lớn, do đó khả năng tận dụng được toàn bộ lưu lượng của dòng sông. Có hồ chứa nước, mà hồ chứa là một công cụ hết sức hiệu quả để điều tiết nước và vận hành tối ưu NMTĐ, điều tiết lũ, phục vụ tưới tiêu và nhiều lợi ích khác. Các nhược điểm chính cảu NMTĐ kiểu đập: Vốn đầu tư lớn, thời gian xây dựng lâu. Vùng ngập nước có thể ảnh hưởng nhiều đến sinh thái môi trường (di dân, thay đổi khí hậu). Nhà máy thủy điện kiểu đập là loại phổ biến nhất đã được xây dựng trong thực tế (trên thế giới cũng như trong nước).Ở nước ta các NMTĐ kiểu đập cũng là loại chủ yếu: Hòa Bình, Thác Bà, Trị An, Thác Mơ,… Hình 1.4. NMTĐ Hòa Bình Cần nói thêm là, có thể xây dựng nối tiếp rất nhiều NMTĐ kiểu đập trên cùng một dòng sông. Trong trường hợp như vậy hiệu quả điều tiết vận hành phối hợp của các NMTĐ sẽ tốt hơn khi chỉ có một NMTĐ. 1.1.2.3. Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp và nguyên tắc chung nâng cao công suất cho các nhà máy thủy điện Với những địa hình thích hợp, bằng việc kết hợp xây dựng đập với kênh dẫn, có thể tạo ra NMTĐ có công suất lớn, vốn đầu tư lại nhỏ. Sơ đồ điển hình của NMTĐ kiểu hỗn hợp như trên hình 1.5. Hồ xây dựng được ở vị trí cao trong khi có vị trí thấp hơn để bố trí nhà máy (nơi đặt tuabin nước và máy phát). Tận dụng chênh lệch độ cao phía dưới đập có thể nâng công suất nhà máy lên đáng kể trong khi chỉ cần đầu tư thêm dàn ống dẫn nước từ trên cao xuống thấp. Ống dẫn kín bảo toàn cột áp nên cột nước vẫn được tính từ mặt thoáng của hồ (trên cao) đến mức nước hạ lưu phía sau nhà máy. Ngoài ưu điểm về kinh tế, nhà máy còn tổ hợp được các ưu điểm của NMTĐ kiểu đập và kiểu kênh dẫn như: có cột nước cao, công suất ổn định, có khả năng điều tiết nhờ hồ chứa. Nhà máy Yaly và nhà máy thủy điện Huội Quảng (chưa xây dựng) là những ví dụ rất điển hình của NMTĐ kiểu hỗn hợp ở Việt Nam. Hồ chứa nước của NMTĐ Yaly có độ cao 515 m (so với mức nước biển). Người ta xây dựng một đường hầm dẫn nước từ hồ xuống vị trí thấp (305 m) dài tới hơn 4km để cung cấp nước cho nhà máy (nơi lắp đặt các tuabin và máy phát). Đập và hồ tạo ra cột nước không lớn (15m) nhưng có ý nghĩa tập trung lưu lượng nước. Hầm kín tích lũy cột nước rất lớn (thêm gần 200m), nhờ thế công suất của NMTĐ được nâng lên rất cao (720 MW). Hình 1.5. Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp Từ cấu trúc của các NMTĐ đã nêu (gặp phổ biến nhất trong thực tế) dễ thấy được nguyên tắc chung nâng cao công suất cho các NMTĐ: đó là các biện pháp tập trung lưu lượng và tập trung độ dốc (cột nước). Hồ chứa cho phép tập trung lưu lượng (có thể của nhiều dòng chảy) còn đập và kênh dẫn tập trung cột nước. Thực chất là tập trung các lượng nước ở vị trí cao so với nơi có thể xây dựng nhà máy(càng thấp càng tốt). Trong phương án NMTĐ kiểu đập năng lượng lúc đầu của khúc sông từ II đến IIII phân bố gần như đồng đều theo chiều dài (độ dốc lòng sông gần như nhau). Nhờ có đập dâng nước cao, độ dốc dòng chảy trước đập giảm nhiều (chỉ còn lại bằng ), động năng dòng chảy cũng giảm nhiều do tiết diện hồ mở rộng (biến thành thế năng). Khi vận tốc nước chảy trong hồ đủ nhỏ thì cũng nhỏ, khi đó gần như toàn bộ độ dốc của dòng chảy tập trung về phần cuối (từ trước đập cho đến mặt cắt IIII), nói khác đi, năng lượng dòng chảy được tập trung đến phía trước đập. Với phương án sử dụng kênh dẫn, độ dốc của kênh làm thay đổi mật độ phân bố năng lượng cả dòng chảy. Phần đầu của kênh có độ dốc rất nhỏ để năng lượng tập trung vào cuối. Hình 1.6. Tập trung nước bằng bơm Cũng cần nói thêm là, do ống kín bảo toàn được cột áp nên chỉ cần tập trung năng lượng dòng chảy đến trước các ống dẫn kín, toàn bộ năng lượng sẽ được nhận ở đầu ra. Lợi dụng đặc điểm này người ta có thể chọn các vị trí thuận lợi để tập trung năng lượng, ví dụ xây các hồ chứa, bể chứa nước trên cao. Để tập trung lưu lượng, có thể sử dụng các đập thấp để chặn và đổi hướng dòng chảy, cũng có thể dùng bơm. Hình 1.6 minh họa phương án tập trung cột nước bằng bơm. Thực chất phương án này là tập trung lượng nước có cột nước vào vị trí có cột nước so với nhà máy. Bơm cần sử dụng năng lượng điện để nâng cao cột nước trước khi tập trung vào hồ chứa, nhưng bù lại có thể tận dụng được nguồn năng lượng của các dòng chảy nằm trên địa hình không thuận lợi dẫn nước đến nhà máy. 1.1.2.4. Một vài nhà máy thủy điện dạng khác a. Nhà máy thủy điện thủy triều Tại những vùng bờ biển có mức nước thủy triều lên xuống chênh lệch lớn (> 7m), lợi dụng dòng nước chảy vào và chảy ra ở các cửa vịnh (vịnh tự nhiên hoặc nhân tạo), người ta xây dựng các nhà máy thủy điện (NMĐ thủy triều). Về bản chất, thủy triều là hiện tượng nước biển dâng lên hạ xuống theo áp lực hấp dẫn của mặt trăng. Theo chu kỳ tháng (âm lịch), tại những khu vực mặt trăng đi ngang qua mức nước biển dâng lên, hạ xuống một lần. Có những vùng bờ biển mức nước thủy triều lên xuống chênh lệch rất lớn như vùng Fandi (canađa) 19m, Tây Bắc Mỹ 10m, Arcgentina 11m, một số vùng biển ở Anh, Pháp tới 14m. Tại một số khu vực bờ biển thuộc Liên Xô cũ cũng có mức thủy triều chênh lệch lớn như vịnh Pengin (13,4m), Tugur và Megen (10m) … có thể xây dựng được những NMĐ thủy triều công suất rất lớn. Ở Việt Nam thủy triều (68)m xuất hiện ở các khu vực biển Móng Cái, Hà Tiên, có thể nghỉ đến xây dựng các NMTĐ thủy triều. Tiềm năng lý thuyết của năng lượng thủy triều trên trái đất rất lớn (2.5 lần tiềm năng của tổng các dòng sông). Vì thế NMĐ thủy triều là đối tượng nghiên cứu và xây dựng ở rất nhiều nơi. Hình 1.7. Nhà máy thủy điện Thủy Triều Hình 1.7 mô tả cấu trúc và hoạt động của NMĐ thủy triều chạy đơn. Công trình của nhà máy vẫn là đập ngăn nước tại cửa vịnh. Có hệ thống cống để điều khiển cột nước. Hệ thống dẫn nước vào tuabin theo một chiều duy nhất trong khi nước ra vào từ biển đến vịnh đổi chiều theo chu kỳ. Điều khiển cột nước bằng thống cống theo thời gian lên xuống của thủy triều (tương ứng với ngày âm lịch) là phương thức vận hành cơ bản của NMĐ thủy triều. Cần lựa chọn đúng thời điểm chuyển đổi phương thức vận hành. Đóng cống, không chạy máy (chờ đến cột nước ). Đóng cống, chạy máy (phát công suất thiết kế). Mở cống, ngừng máy (nước vịnh hạ xuống bằng mức nước biển) Đóng cống, không chạy máy (chờ đến cột nước ). Đóng cống, chạy máy (phát công suất thiết kế). Mở cống, ngừng máy (nước vịnh hạ xuống bằng mức nước biển) Lặp lại như giai đoạn Do phải có các thời gian chờ cột nước đạt đến quy định vận hành nên công suất của NMĐ thủy triều phát không liên tục và nhà máy cần được nối làm việc với hệ thống. Ngoài ra, tuabin của NMĐ thủy triều có thể rất lớn, hàng năm cung cấp cho hệ thống một lượng điện năng đáng kể. Để có điện năng phát điện liên tục, người ta cũng tạo ra NMĐ thủy triều hoạt động theo chu kỳ kép, làm việc với từng phần khác nhau của hồ (vịnh). Tuy nhiên khi đó điện năng tổng nhận được luôn thấp hơn so với nhà máy làm việc theo chu kỳ đơn. Trên thế giới nhiều NMĐ thủy triều được xây dựng với công suất rất lớn. NMĐ thủy triều Rance (Pháp) với công suất 400mw, hàng năm cung cấp tới 500.000 kWh điện năng. Ở Liên Xô cũ, sau khi xây dựng thửu nghiệm NMĐ thủy triều đầu tiên 400 kW vào năm 1968 (ở vùng biển Baenxova) đã xây dựng hàng loạt NMĐ thủy triều công suất lớn vào những năm 1981 1985. Điển hình là các NMĐ thủy triều Lummb 300 MW, Mezen và Tugur (10.000 MW)… Vùng vịnh Fandi của Canada có các nhà máy điện thủy triều Severn 4000MW. b. Thủy điện nhỏ Khái niệm thủy điện nhỏ được dùng với các công trình thủy điện có công suất đến 10 MW. Còn có khái niệm thủy lực cực nhỏ, chỉ các thủy điện công suất dưới 1000 kW (mini hydro). Về nguyên lý cấu tạo ra thủy điện nhỏ không có gì khác so với NMTĐ công suất lớn. Tuy nhiên, có các đặc điểm riêng về tính toán kinh tế cũng như yêu cầu vận hành đối với các trạm thủy điện nhỏ khi làm việc trong hệ thống. 1.1.3. Các đặc điểm của nhà máy thủy điện So với nhà máy nhiệt điện, NMTĐ có những đặc điểm riêng đáng chú ý như sau: 1.1.3.1. Nhà máy thủy điện sử dụng nguồn năng lượng vô tận của thiên nhiên Như đã biết, NMTĐ sử dựng năng lượng của các dòng nước tự nhiên để biến đổi điện năng (trừ thủy điện tích năng), đó là nguồn năng lượng vô tận, gắn liền với sự tồn tại vĩnh viễn của các dòng sông, dòng suối, thủy triều… Nếu không xây dựng NMTĐ, hoặc xây dựng chậm thì năng lượng của dòng sông cũng liên tục mất đi, biến thành các dạng năng lượng vô ích khác (biến thành công bào mòn đất đá, vận chuển phù xa, biến thành năng nhiệt năng tỏa vào môi trường…). Như vậy ưu tiên phát triển thủy điện cũng đồng nghĩa với tận dụng năng lượng tự nhiên, tiết kiệm được các dạng nhiên liệu có thể phục vụ cho nhiều mục đích. Trên một khía cạnh khác, đặc điểm này còn thể hiện ưu thế vượt trội cần được kể thêm cho các dự án thủy điện khi nghiên cứu, so sánh các phương án quy hoạch phát triển nguồn. Chẳng hạn, sau 20 25 năm (là thời gian tính toán cho các dự án) các nhà máy nhiệt điện nói chung không còn sử dụng được nữa (cạn kiệt nguồn nhiên liệu tại chỗ, không còn phù hợp vị trí cho nguồn nhiên liệu mới v.v…) và dự án kết thúc. Đối với NMTĐ sau thời gian trên sẽ vẫn còn là một nhà máy làm việc bình thường do luôn được duy tu, sửa chữa lớn và hiện đại hóa tổ máy. Các dòng sông vẫn tiếp tục cung cấp đều năng lượng cho các nhà máy hoạt động. Các công trình bê tông, đất đá có tuổi thọ kéo dài hơn rất nhiều so với thời hạn tính toán. Cũng vì đặc điểm này, cần phải chú ý nhiều hơn đến các lợi ích dài lâu của dự án thủy điện. Một vị trí có nhiều tiềm năng thủy điện mà xây dựng công trình với quy mô nhỏ (do thiếu vốn đầu tư chẳng hạn) sẽ không còn khả năng phát triển thêm sau này. 1.1.3.2. NMTĐ có vốn đầu tư lớn thời gian xây dựng lâu Trái lại với ưu điểm về chi phí vận hành thấp, NMTĐ lại có nhược điểm lớn đó là vốn đầu tư cao, thời gian xây dựng kéo dài. Thường vốn đầu tư cao tập trung vào các công trình cột nước và điều tiết (xây dựng đập, hồ chưa, kênh, ống dẫn kín…). Những công trình này thường đòi hỏi một khối lượng bêtông, sắt thép. Việc san lấp mặt bằng, khơi sâu lòng hồ trước khi xây dựng đập đòi hỏi rất nhiều thời gian công sức, chưa kể đến những công trình phải xây dựng liên quan trước đó như đường, di dân, xây dựng khu ở cho người lao động,… Suất vốn đầu tư cho NMTĐ (tính cho 1 đơn vị công suất đặt) thường gấp từ 5 đến 10 lần của nhà máy nhiệt điện (trừ những NMTĐ có địa hình xây dựng hết sức thuận lợi). Thời gian xây dựng kéo dài từ 510 năm. Những NMTĐ lớn có thể phải xây dựng kéo dài hàng vài chục năm. NMTĐ Hòa Bình được khởi công xây dựng năm 1979, năm mới đưa vào vận hành tổ máy đầu tiên (1988), và khánh thành với đầy đủ 8 máy năm 1994. Với kỹ thuật hiện đại NMTĐ Tam Hiệp của Trung Quốc (18200 MW) bắt đầu được xây xây dựng 1994, dự kiến khánh thành năm 2009. Nhà máy thủy điện Sơn La của Việt Nam được khởi công xây dựng ngày 2 tháng 12 năm 2005, dự kiến phát điện các tổ máy đầu tiên vào năm 2012. Vốn đầu tư lớn thời gian xây dựng lại lâu (chậm hoàn vốn) là một đặc điểm làm khó khăn phát triển thủy điện đối với các nước có vốn đầu tư hạn hẹp. Hình 1.8. Mô hình đập NMTĐ Sơn La 1.1.3.3. Nhà máy thủy điện có chi phí vận hành thấp, vận hành đơn giản, dễ dàng thực hiện tự động hóa

Trang 2

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Đầu đề thiết kế:

Nghiên cứu hệ thống điều khiển tua bin trong nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ không thực hiện liên kết vùng

2 Các số liệu ban đầu:

− Nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ

− Tự động hóa trong nhà máy thủy điện

− Điều khiển tua – bin trong nhà máy thủy điện không liên kết vùng

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

− Mô hình nhà máy thủy điện

− Tự động hóa nhà máy thủy điện

− Vấn đề vận hành lưới điện đơn vùng – lưới điện “mềm” – độc lập

− Đặc điểm nhà máy thủy điện không liên kết vùng

− Hệ thống điều khiển tuabin không liên kết vùng

4 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

− 02 bản A0 để bảo vệ

− Các bản vẽ A4 để thuyết minh

ii

Trang 3

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án:

Trang 4

(Dành cho ủy viên phản biện)

Tên đề tài: “Nghiên cứu hệ thống điều khiển tua bin trong nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ không thực hiện liên kết vùng”

NỘI DUNG NHẬN XÉT

1 Tính cần thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

………

2 Các thông tin về đề tài 2.1 Sự phù hợp của nội dung đề tài với tên đề tài và chuyên ngành đào tạo ………

………

2.2 Bố cục đề tài ………

………

2.3 Tính trung thực trong trích dẫn tài liệu tham khảo và số liệu ………

………

3 Phương pháp đã sử dụng để nghiên cứu và kết quả cơ bản của đề tài ………

………

4 Ưu điểm, nhược điểm về nội dung và hình thức 4.1 Ưu điểm: ………

………

iv

Trang 5

………

5 Kết luận chung: Họ tên và chữ ký của người phản biện Câu hỏi thảo luận dành cho sinh viên trả lời (nếu có) 1

………

2

………

v

Trang 6

MỤC LỤC vi

vi

Trang 7

Hình 1.1 Sơ đồ NMTĐ kiểu kênh dẫn 4

Hình 1.2 Sơ đồ NMTĐ kênh dẫn (có hầm dẫn nước) 5

Hình 1.3 Sơ đồ NMTĐ kiểu đập 7

Hình 1.4 NMTĐ Hòa Bình 8

Hình 1.5 Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp 9

Hình 1.6 Tập trung nước bằng bơm 10

Hình 1.7 Nhà máy thủy điện Thủy Triều 12

Hình 1.8 Mô hình đập NMTĐ Sơn La 15

Hình 1.9 Đập vòm NMTĐ Inguri 17

Hình 1.10 Hình ảnh cấu trúc chung nhà máy thủy điện 20

Hình 1.11 Trục kết nối các tua bin 21

Hình 1.12 Sơ đồ mặt cắt dọc tuyến năng lượng tổ máy và đặc tính công suất của máy phát 26

Hình 2.1 Sơ đồ tự động hóa trong nhà máy thủy điện 26

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống tự động hóa thủy điện 27

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống tự động điều khiển giám sát 31

Hình 2.4 Sơ đồ ví dụ về trạm GIS của NMTĐ Lai Châu 35

Hình 2.5 Sơ đồ một dây của nhà máy thủy điện Lai Châu 36

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý Role bảo vệ trạm GIS 500KV 37

Hình 2.7 Sơ đồ cấp nguồn tự dùng một chiều 38

Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống cấp nguồn tự dùng xoay chiều 39

Hình 2.9 Đặc tính lưới điện làm việc độc lập 40

42 Hình 3.1 Sơ đồ NMTĐ công suất vừa và nhỏ cung cấp độc lập 42

Hình 3.2 Mô hình hai NMTĐ công suất vừa và nhỏ làm việc trong mô hình liên kết vùng 44

Hình 3.3 Nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ làm việc với lưới điện quốc gia 46

Hình 3.4 Cơ sở của việc phân chia công suất tác dụng cho các nhà máy khi làm việc song song 50

Hình 3.5 Sơ đồ khối nhà máy thủy điện đơn vùng 52

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý bộ điều tốc tác động trực tiếp 53

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý bộ điều tốc tác động gián tiếp 54

Hình 3.8 Sơ đồ cấu tạo chi tiết bộ điều tốc cơ khí thủy lực 55

Hình 3.9 Tuabin hướng trục 57

Hình 3.10 Tuabin tâm trục 58

Hình 3.11 Tuabin gáo 60

Hình 3.12 Sơ đồ tuabin nước và máy phát 61

Trang 8

Hình 3.14 Phương pháp dịch đặc tính tĩnh 66

Hình 3.15 Phương pháp dịch đặc tính tĩnh theo Master Generator 67

Hình 3.16 Phương pháp dịch đặc tính tĩnh giữ tần số lưới không đổi 68

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện 69

Hình 3.18 Sơ đồ trình bày bộ điều tốc sử dụng quả văng li tâm 72

Hình 3.19 Sơ đồ chức năng hệ điều khiển tốc độ sử dụng quả văng li tâm 73

Hình 3.20 Bộ điều tốc li tâm với đặc tính vô saiắc 74

Hình 3.21 Đặc tính vô sai của bộ điều tốc li tâm 75

Hình 3.22 Bộ điều tốc li tâm với đặc tính vô saiắc 76

tHình 3.23 Bộ điều tốc điện tử 77

tHình 3.24 Sơ đồ chức năng của bộ điều tốc điện tử 78

Trang 9

Nguồn năng lượng thuỷ điện chiếm vai trò quan trọng trong hệ thống điện ViệtNam Năng lượng tự nhiên theo cách nhìn là vô tận Tuy nhiên, nguồn năng lượng cóthể khai thác hiện đang trở nên khan hiếm và trở thành vấn đề lớn trên thế giới, đó làbởi vì để có năng lượng được sử dụng trong năng lượng sơ cấp người tiêu dùng phảitrải qua nhiều công đoạn như khai thác, chế biến, vận chuyển và phân phối Các quátrình này đòi hỏi nhiều chi phí tài chính kỹ thuật và các nghĩa vụ xã hội Hiệu quả củacác bước liền kề từ sơ cấp đến năng lượng nói chung là thấp Vì vậy để đề ra, lựachọn và thực hiện các phương pháp chuyển hóa năng lượng từ nguồn năng lượng sơcấp đến nguồn năng lượng cuối cùng nhằm đạt hiệu quả kinh tế cao nhất cũng lànhiệm vụ của con người chúng ta.

Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống năng lượng, bao gồm nhà máy điệnhòa lưới và điện năng tiêu thụ Trong đó, các nhà máy điện có nhiệm vụ chuyển đổinăng lượng sơ cấp như than đá, khí đốt, thủy điện thành điện năng Hiện nay ở nước

ta, khi lượng điện năng do các nhà máy thủy điện sản xuất ra đã đáp ứng được mộtphần quan trọng về công suất cho lưới điện vì thế thủy điện đóng một vai trò kháquan trọng cả trong giai đoạn hiện nay lẫn cho tương lai

Trong bối cảnh đó, thiết kế phần điện không phải là một nhiệm vụ mà là một

sự phân tích kiến thức toàn diện cho mỗi sinh viên ngành điện trước khi đi vào thực

tế làm việc Với yêu cầu, đồ án tốt nghiệp được hoàn thành với 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ

Chương 2: Tự động hóa trong nhà máy thủy điện

Chương 3: Điều khiển tua – bin trong nhà máy thủy điện không thực hiện liênkết vùng

Trang 10

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÔNG

1.1 Mô hình nhà máy thủy điện

1.1.1 Giới thiệu về nhà máy thủy điện

Thủy điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước Đa số năng lượng thủyđiện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một tua-binnước và máy phát điện Kiểu ít được biết đến hơn là sử dụng năng lượng động lựccủa nước hay các nguồn nước không bị tích bằng các đập nước như năng lượng thuỷtriều Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo

Năng lượng lấy được từ nước phụ thuộc không chỉ vào thể tích mà cả vào sựkhác biệt về độ cao giữa nguồn và dòng chảy ra Sự khác biệt về độ cao được gọi

là áp suất Lượng năng lượng tiềm tàng trong nước tỷ lệ với áp suất Để có được ápsuất cao nhất, nước cung cấp cho một turbine nước có thể được cho chảy qua một

ống lớn gọi là ống dẫn nước có áp (penstock).

Ngoài nhiều mục đích phục vụ cho các mạng lưới điện công cộng, một số dự

án thủy điện được xây dựng cho những mục đích thương mại tư nhân

Trong hệ thống điện nhiều nước trên thế giới thuỷ điện chiếm tỷ lệ tương đốilớn, trung bình toàn thế giới 25 % Giá thành sản suất điện năng thuỷ điện rất rẻ sovới nhiệt điện do sử dụng nguồn năng lượng tái sinh và ít ảnh hưởng xấu tới môitrường Chính vì vậy mà ngành thuỷ điện trên thế giới rất phát triển cả về số lượnglẫn chất lượng Công suất lớn nhất của tổ máy thuỷ điện 750 MW hiệu suất tổ máy92-96% Công trình có công suất lớn nhất thế giới, hiện nay đang được xây dựng là

CT Tam Hiệp ( Trung quốc) 18.200 MW Các nước như : Mỹ, Nga, Pháp, Canada,Nhật bản, Trung quốc là những nước có trữ lượng thuỷ điện lớn và có nền côngnghiệp thuỷ điện phát triển mạnh Ở Việt Nam có 124 hệ thống sông với 2860 consông có chiều dài lơn hơn 10 km, với trữ năng lý thuyết 271.3 tỷ KWh/năm và trữnăng kỹ thuật khoảng 90 tỷ KWh/năm Hiện nay chúng ta mới chỉ khai thác đượckhoảng 20% trữ năng thuỷ điện dồi dào này Trước ngày giải phóng Miền Nam có thể

Trang 11

nói việc khai thác nguồn trữ năng thuỷ điện không đáng kể Ở Miền Nam chỉ có trạmthuỷ Đa nhim công suất 160 MW và ở Miền Bắc có Thác Bà công suất 108 MWđược coi là những trạm thuỷ điện lớn ở nước ta Sau ngày Miền Nam giải phóng vớichủ trương đẩy mạnh khai thác nguồn thuỷ điện nhằm đảm bảo cho việc cân bằng hệthống điện cả nước đáp ứng nhu cầu phát triển nền kinh tế quốc dân, một loạt nhàmáy thuỷ điện có công suất trung bình và lớn đã và đang được xây dựng như : Hoàbình - 1.920 MW, Yaly- 720 MW, Trị an- 400 MW, Thác Mơ- 150 MW, ĐaMi-175

MW, Hàm thuận - 300 MW, Vĩnh Sơn -66 MW, Sông Hinh -70 MW và một số trạmkhác Ngoài ra trong những năm qua chúng ta đã xây dựng mới và phục hồi đượchàng chục nhà máy có công suất nhỏ dưới 1000 KW Dự kiến trong tương lai chúng

ta cần phải xây dựng thêm nhiều nhà máy nữa mới có thể đáp ứng được nhu cầu củanền kinh tế quốc dân trong đó có các trạm Sơn la công suất dự kiến khoảng 2.400

MW, Bản Mai-340MW, Đại thị-300MW, Đại Ninh – 300 MW, và nhiều trạm khác Ởnước ta, thuỷ điện chiếm tỷ trọng khoảng 60% công suất của hệ thống điện Việt namhiện nay và trong tương lai vào thập kỷ đầu của thế kỷ 21 khi nhu cầu phát triển kinh

tế tăng cao đòi hỏi nhiều năng lượng điện thì thuỷ điện là nguồn năng lượng rẻ tiềnnhất cần phải khai thác triệt để khi nguồn than của chúng ta không nhiều mà chi phísản xuất nhiệt điện lại lớn hơn nhiều so với thuỷ điện (Chi phí sản xuất 1 KWh điệnnăng)

1.1.2 Các loại nhà máy thủy điện

Từ công thức tính công suất của NMTĐ có thể thấy rằng việc tạo ra chênh lệchmức nước là điều kiện tiên quyết cho việc xây dựng NMTĐ Chính vì thế cácphương án khác nhau tạo ra chênh lệch mức nước cũng đồng thời là điều kiện phânloại các nhà máy thủy điện

1.1.2.1 Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn

Cột nước của NMTĐ còn có thể tạo ra bằng việc sử dụng các kênh dẫn.Trường hợp chung nhất kênh bao gồm 2 phần (hình 1.1): phần đầu được xây dựngdưới dạng các kênh dẫn hở (còn gọi là kênh dẫn không áp) Phần này có nghiệm vụdẫn nước từ nơi mà có dòng chảy có mức nước thấp (vị trí xây dựng NMTĐ) nhưng

Trang 12

giữ nguyên mức nước (kênh có độ dốc rất nhỏ) Phần cuối là các ống dẫn kín (cònđược gọi là kênh dẫn có áp) Phần này có nhiệm vụ đưa nước từ trên cao xuống thấp

để chạy tuabin

Do dòng chảy trong ống kín bảo toàn được cột áp thủy tĩnh nên cột nước củaNMTĐ có thể được tính như từ mức nước cuối kênh dẫn hở (phía trên ống dẫn kín)đến mức nước phía sau NMTĐ Dễ thấy, cột nước của NMTĐ kiểu kênh dẫn có thểrất lớn nếu nguồn nước lấy được xuất phát từ vị trị cao Cũng cần nói thêm là sơ đồcấu trúc của NMTĐ kiểu kênh dẫn nêu trên nhằm minh họa nguyên lý chung (trong

đó kênh gồm 2 phần) Thực tế không nhất thiết phải có phần kênh dẫn hở Phần nàychỉ được tạo ra khi có thể (với địa hình cho phép) và đem lại hiệu quả kinh tế (có vốnđầu tư nhỏ hơn ống dẫn kín) Có trường hợp phần kênh dẫn hở được thay thế bằnghầm dẫn nước (hình 1.1) Áp lực nước trong hầm có thể lớn hơn áp suất khí quyển(do có độ dốc), nhưng thường không lớn

Hình 1.1 Sơ đồ NMTĐ kiểu kênh dẫn

Dễ thấy, ưu điểm nổi bật của NMTĐ kênh dẫn là vốn đầu tư nhỏ, công suất ổnđịnh (ít phụ thuộc vào mức nước) Địa hình thích hợp cho NMTĐ kênh dẫn là vùngnúi đồi, nơi có các dòng sông (suối) dốc chảy từ trên cao xuống Cũng có khi là nơi

Trang 13

có 2 con sống chảy cạnh nhau với mức nước chênh lệnh lớn Trong trường hợp nàykênh được xây dựng dẫn nước từ dòng sông có mức nước cao sang dòng sông có mứcnước thấp Nhà máy được xây dựng gần bờ sông có mức nước thấp và xả vào dòngsông này.

Hình 1.2 Sơ đồ NMTĐ kênh dẫn (có hầm dẫn nước)

Nhược điểm chính của NMTĐ kiểu kênh dẫn là không có hồ chứa nước, do đókhông có khả năng điều tiết nước và điều chỉnh công suất Khắc phục nhược điểmnày trong nhiều trường hợp, với địa hình cho phép, người ta xây dựng các hồ nhântạo ở các vị trí cao (cuối của các kênh dẫn hở) Tuy nhiên khi có vốn đầu tư tổng cộngcủa công trình lại tăng lên

Một ví dụ điển hình cho NMTĐ kênh dẫn ở Việt Nam là thủy điện Đa Nhim.Nhà máy này được xây dựng từ những năm 60 của thế kỷ trước Kênh gồm 2 ống kíndài gần 3 km dẫn nước từ thung lũng trên đỉnh cao nguyên Đà Lạt (hồ Đa Nhim)

Trang 14

xuống vùng đất thấp tạo ra cột nước tới 1020 m Nhờ cột nước rất lớn nên chỉ với lưulượng nhỏ, công suất nhà máy đã rất đáng kể.

1.1.2.2 Nhà máy thủy điện kiểu đập

Bằng cách xây dựng các đập chắn ngang sông có thể làm cho mức nước ởtrước đập dâng cao tạo ra cột nước để xây dựng NMTĐ Khi đó ta có NMTĐ kiểuđập Đập càng cao thì công suất NMTĐ có thể nhận được càng lớn Tuy nhiên chiềucao đập cần phải được lựa chọn kỹ lưỡng theo các điều kiện kinh tế - kỹ thuật vàhang loạt yếu tố an toàn khác (liên quan đến môi trường, di dân, quốc phòng…) Mặtkhác khi xây dựng đập cao nước dâng lên có thể làm ngập những khu vực quan trọng(làng xã đông dân, thị trấn cổ, hầm mỏ chưa khai thác…) Nhiều trường hợp, thường

có thể xây dựng thuận lợi ở những nơi dòng chảy có độ dốc lớn, chảy ngang quathung lũng của những quả đồi Trong trường hợp này, vùng ngập nước dễ hạn chếđược trong khu vực thung lũng, trong khi chỉ cần xây dựng các đập ngắn nối giữa cácquả đồi để chắn dòng sông

Trang 15

Hình 1.3 Sơ đồ NMTĐ kiểu đập

Nhà máy thủy điện kiểu đập có các ưu điểm sau:

- Có thể tạo ra những NMTĐ công suất lớn, do đó khả năng tận dụng đượctoàn bộ lưu lượng của dòng sông

- Có hồ chứa nước, mà hồ chứa là một công cụ hết sức hiệu quả để điều tiếtnước và vận hành tối ưu NMTĐ, điều tiết lũ, phục vụ tưới tiêu và nhiều lợi ích khác

Các nhược điểm chính cảu NMTĐ kiểu đập:

- Vốn đầu tư lớn, thời gian xây dựng lâu

- Vùng ngập nước có thể ảnh hưởng nhiều đến sinh thái môi trường (di dân,thay đổi khí hậu)

Nhà máy thủy điện kiểu đập là loại phổ biến nhất đã được xây dựng trong thực

tế (trên thế giới cũng như trong nước).Ở nước ta các NMTĐ kiểu đập cũng là loại chủyếu: Hòa Bình, Thác Bà, Trị An, Thác Mơ,…

Trang 16

Hình 1.4 NMTĐ Hòa Bình

Cần nói thêm là, có thể xây dựng nối tiếp rất nhiều NMTĐ kiểu đập trên cùngmột dòng sông Trong trường hợp như vậy hiệu quả điều tiết vận hành phối hợp củacác NMTĐ sẽ tốt hơn khi chỉ có một NMTĐ

1.1.2.3 Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp và nguyên tắc chung nâng cao công suất cho các nhà máy thủy điện

Với những địa hình thích hợp, bằng việc kết hợp xây dựng đập với kênh dẫn,

có thể tạo ra NMTĐ có công suất lớn, vốn đầu tư lại nhỏ Sơ đồ điển hình của NMTĐkiểu hỗn hợp như trên hình 1.5 Hồ xây dựng được ở vị trí cao trong khi có vị trí thấphơn để bố trí nhà máy (nơi đặt tua-bin nước và máy phát) Tận dụng chênh lệch độcao phía dưới đập có thể nâng công suất nhà máy lên đáng kể trong khi chỉ cần đầu tưthêm dàn ống dẫn nước từ trên cao xuống thấp Ống dẫn kín bảo toàn cột áp nên cộtnước vẫn được tính từ mặt thoáng của hồ (trên cao) đến mức nước hạ lưu phía saunhà máy Ngoài ưu điểm về kinh tế, nhà máy còn tổ hợp được các ưu điểm củaNMTĐ kiểu đập và kiểu kênh dẫn như: có cột nước cao, công suất ổn định, có khảnăng điều tiết nhờ hồ chứa

Trang 17

Nhà máy Yaly và nhà máy thủy điện Huội Quảng (chưa xây dựng) là những ví

dụ rất điển hình của NMTĐ kiểu hỗn hợp ở Việt Nam Hồ chứa nước của NMTĐYaly có độ cao 515 m (so với mức nước biển) Người ta xây dựng một đường hầmdẫn nước từ hồ xuống vị trí thấp (305 m) dài tới hơn 4km để cung cấp nước cho nhàmáy (nơi lắp đặt các tua-bin và máy phát) Đập và hồ tạo ra cột nước không lớn(15m) nhưng có ý nghĩa tập trung lưu lượng nước Hầm kín tích lũy cột nước rất lớn(thêm gần 200m), nhờ thế công suất của NMTĐ được nâng lên rất cao (720 MW)

Hình 1.5 Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp

Từ cấu trúc của các NMTĐ đã nêu (gặp phổ biến nhất trong thực tế) dễ thấy

được nguyên tắc chung nâng cao công suất cho các NMTĐ: đó là các biện pháp tập trung lưu lượng và tập trung độ dốc (cột nước) Hồ chứa cho phép tập trung lưu

lượng (có thể của nhiều dòng chảy) còn đập và kênh dẫn tập trung cột nước Thựcchất là tập trung các lượng nước ở vị trí cao so với nơi có thể xây dựng nhà máy(càngthấp càng tốt)

Trong phương án NMTĐ kiểu đập năng lượng lúc đầu của khúc sông từ I-I đếnII-II phân bố gần như đồng đều theo chiều dài (độ dốc lòng sông gần như nhau) Nhờ

có đập dâng nước cao, độ dốc dòng chảy trước đập giảm nhiều (chỉ còn lại bằng ),động năng dòng chảy cũng giảm nhiều do tiết diện hồ mở rộng (biến thành thế năng).Khi vận tốc nước chảy trong hồ đủ nhỏ thì cũng nhỏ, khi đó gần như toàn bộ độ

Trang 18

dốc của dòng chảy tập trung về phần cuối (từ trước đập cho đến mặt cắt II-II), nóikhác đi, năng lượng dòng chảy được tập trung đến phía trước đập Với phương án sửdụng kênh dẫn, độ dốc của kênh làm thay đổi mật độ phân bố năng lượng cả dòngchảy Phần đầu của kênh có độ dốc rất nhỏ để năng lượng tập trung vào cuối.

Hình 1.6 Tập trung nước bằng bơm

Cũng cần nói thêm là, do ống kín bảo toàn được cột áp nên chỉ cần tập trungnăng lượng dòng chảy đến trước các ống dẫn kín, toàn bộ năng lượng sẽ được nhận ởđầu ra Lợi dụng đặc điểm này người ta có thể chọn các vị trí thuận lợi để tập trungnăng lượng, ví dụ xây các hồ chứa, bể chứa nước trên cao Để tập trung lưu lượng, cóthể sử dụng các đập thấp để chặn và đổi hướng dòng chảy, cũng có thể dùng bơm.Hình 1.6 minh họa phương án tập trung cột nước bằng bơm Thực chất phương ánnày là tập trung lượng nước có cột nước vào vị trí có cột nước so với nhà máy.Bơm cần sử dụng năng lượng điện để nâng cao cột nước trước khi tập trung vào hồchứa, nhưng bù lại có thể tận dụng được nguồn năng lượng của các dòng chảy nằmtrên địa hình không thuận lợi dẫn nước đến nhà máy

1.1.2.4 Một vài nhà máy thủy điện dạng khác

a Nhà máy thủy điện thủy triều

Trang 19

Tại những vùng bờ biển có mức nước thủy triều lên xuống chênh lệch lớn (>7m), lợi dụng dòng nước chảy vào và chảy ra ở các cửa vịnh (vịnh tự nhiên hoặcnhân tạo), người ta xây dựng các nhà máy thủy điện (NMĐ thủy triều) Về bản chất,thủy triều là hiện tượng nước biển dâng lên hạ xuống theo áp lực hấp dẫn của mặttrăng Theo chu kỳ tháng (âm lịch), tại những khu vực mặt trăng đi ngang qua mứcnước biển dâng lên, hạ xuống một lần Có những vùng bờ biển mức nước thủy triềulên xuống chênh lệch rất lớn như vùng Fandi (canađa) 19m, Tây Bắc Mỹ 10m,Arcgentina 11m, một số vùng biển ở Anh, Pháp tới 14m Tại một số khu vực bờ biểnthuộc Liên Xô cũ cũng có mức thủy triều chênh lệch lớn như vịnh Pengin (13,4m),Tugur và Megen (10m) … có thể xây dựng được những NMĐ thủy triều công suất rấtlớn Ở Việt Nam thủy triều (6-8)m xuất hiện ở các khu vực biển Móng Cái, Hà Tiên,

có thể nghỉ đến xây dựng các NMTĐ thủy triều Tiềm năng lý thuyết của năng lượngthủy triều trên trái đất rất lớn (2.5 lần tiềm năng của tổng các dòng sông) Vì thếNMĐ thủy triều là đối tượng nghiên cứu và xây dựng ở rất nhiều nơi

Trang 20

Hình 1.7 Nhà máy thủy điện Thủy Triều

Hình 1.7 mô tả cấu trúc và hoạt động của NMĐ thủy triều chạy đơn Côngtrình của nhà máy vẫn là đập ngăn nước tại cửa vịnh Có hệ thống cống để điều khiểncột nước Hệ thống dẫn nước vào tua-bin theo một chiều duy nhất trong khi nước ravào từ biển đến vịnh đổi chiều theo chu kỳ Điều khiển cột nước bằng thống cốngtheo thời gian lên xuống của thủy triều (tương ứng với ngày âm lịch) là phương thứcvận hành cơ bản của NMĐ thủy triều Cần lựa chọn đúng thời điểm chuyển đổiphương thức vận hành

- Đóng cống, không chạy máy (chờ đến cột nước )

- Đóng cống, chạy máy (phát công suất thiết kế)

- Mở cống, ngừng máy (nước vịnh hạ xuống bằng mức nước biển)

- Đóng cống, không chạy máy (chờ đến cột nước )

- Đóng cống, chạy máy (phát công suất thiết kế)

- Mở cống, ngừng máy (nước vịnh hạ xuống bằng mức nước biển)

- Lặp lại như giai đoạn

Trang 21

Do phải có các thời gian chờ cột nước đạt đến quy định vận hành nên công suấtcủa NMĐ thủy triều phát không liên tục và nhà máy cần được nối làm việc với hệthống Ngoài ra, tua-bin của NMĐ thủy triều có thể rất lớn, hàng năm cung cấp cho

hệ thống một lượng điện năng đáng kể

Để có điện năng phát điện liên tục, người ta cũng tạo ra NMĐ thủy triều hoạtđộng theo chu kỳ kép, làm việc với từng phần khác nhau của hồ (vịnh) Tuy nhiên khi

đó điện năng tổng nhận được luôn thấp hơn so với nhà máy làm việc theo chu kỳ đơn

Trên thế giới nhiều NMĐ thủy triều được xây dựng với công suất rất lớn.NMĐ thủy triều Rance (Pháp) với công suất 400mw, hàng năm cung cấp tới 500.000kWh điện năng Ở Liên Xô cũ, sau khi xây dựng thửu nghiệm NMĐ thủy triều đầutiên 400 kW vào năm 1968 (ở vùng biển Baenxova) đã xây dựng hàng loạt NMĐthủy triều công suất lớn vào những năm 1981 -1985 Điển hình là các NMĐ thủytriều Lummb 300 MW, Mezen và Tugur (10.000 MW)… Vùng vịnh Fandi củaCanada có các nhà máy điện thủy triều Severn 4000MW

1.1.3 Các đặc điểm của nhà máy thủy điện

So với nhà máy nhiệt điện, NMTĐ có những đặc điểm riêng đáng chú ý như sau:

1.1.3.1 Nhà máy thủy điện sử dụng nguồn năng lượng vô tận của thiên nhiên

Như đã biết, NMTĐ sử dựng năng lượng của các dòng nước tự nhiên để biếnđổi điện năng (trừ thủy điện tích năng), đó là nguồn năng lượng vô tận, gắn liền với

sự tồn tại vĩnh viễn của các dòng sông, dòng suối, thủy triều… Nếu không xây dựngNMTĐ, hoặc xây dựng chậm thì năng lượng của dòng sông cũng liên tục mất đi, biếnthành các dạng năng lượng vô ích khác (biến thành công bào mòn đất đá, vận chuểnphù xa, biến thành năng nhiệt năng tỏa vào môi trường…) Như vậy ưu tiên phát triển

Trang 22

thủy điện cũng đồng nghĩa với tận dụng năng lượng tự nhiên, tiết kiệm được các dạngnhiên liệu có thể phục vụ cho nhiều mục đích.

Trên một khía cạnh khác, đặc điểm này còn thể hiện ưu thế vượt trội cần được

kể thêm cho các dự án thủy điện khi nghiên cứu, so sánh các phương án quy hoạchphát triển nguồn Chẳng hạn, sau 20 - 25 năm (là thời gian tính toán cho các dự án)các nhà máy nhiệt điện nói chung không còn sử dụng được nữa (cạn kiệt nguồn nhiênliệu tại chỗ, không còn phù hợp vị trí cho nguồn nhiên liệu mới v.v…) và dự án kếtthúc Đối với NMTĐ sau thời gian trên sẽ vẫn còn là một nhà máy làm việc bìnhthường do luôn được duy tu, sửa chữa lớn và hiện đại hóa tổ máy Các dòng sông vẫntiếp tục cung cấp đều năng lượng cho các nhà máy hoạt động Các công trình bê tông,đất đá có tuổi thọ kéo dài hơn rất nhiều so với thời hạn tính toán Cũng vì đặc điểmnày, cần phải chú ý nhiều hơn đến các lợi ích dài lâu của dự án thủy điện Một vị trí

có nhiều tiềm năng thủy điện mà xây dựng công trình với quy mô nhỏ (do thiếu vốnđầu tư chẳng hạn) sẽ không còn khả năng phát triển thêm sau này

1.1.3.2 NMTĐ có vốn đầu tư lớn thời gian xây dựng lâu

Trái lại với ưu điểm về chi phí vận hành thấp, NMTĐ lại có nhược điểm lớn đó

là vốn đầu tư cao, thời gian xây dựng kéo dài Thường vốn đầu tư cao tập trung vàocác công trình cột nước và điều tiết (xây dựng đập, hồ chưa, kênh, ống dẫn kín…).Những công trình này thường đòi hỏi một khối lượng bêtông, sắt thép Việc san lấpmặt bằng, khơi sâu lòng hồ trước khi xây dựng đập đòi hỏi rất nhiều thời gian côngsức, chưa kể đến những công trình phải xây dựng liên quan trước đó như đường, didân, xây dựng khu ở cho người lao động,… Suất vốn đầu tư cho NMTĐ (tính cho 1đơn vị công suất đặt) thường gấp từ 5 đến 10 lần của nhà máy nhiệt điện (trừ nhữngNMTĐ có địa hình xây dựng hết sức thuận lợi) Thời gian xây dựng kéo dài từ 5-10năm Những NMTĐ lớn có thể phải xây dựng kéo dài hàng vài chục năm NMTĐHòa Bình được khởi công xây dựng năm 1979, năm mới đưa vào vận hành tổ máyđầu tiên (1988), và khánh thành với đầy đủ 8 máy năm 1994 Với kỹ thuật hiện đạiNMTĐ Tam Hiệp của Trung Quốc (18200 MW) bắt đầu được xây xây dựng 1994, dựkiến khánh thành năm 2009 Nhà máy thủy điện Sơn La của Việt Nam được khởicông xây dựng ngày 2 tháng 12 năm 2005, dự kiến phát điện các tổ máy đầu tiên vào

Trang 23

năm 2012 Vốn đầu tư lớn thời gian xây dựng lại lâu (chậm hoàn vốn) là một đặcđiểm làm khó khăn phát triển thủy điện đối với các nước có vốn đầu tư hạn hẹp.

Trang 24

(Liên Xô cũ) chỉ biên chế 320 người, nhà máy Kratxno-iaxkaia 5000 MW cũng chỉ

có 350 người phục vụ Trong khi đó các nhà máy nhiệt điện cùng công suất (ở Nga)cần biên chế đến 8000 người Nhà máy thủy điện Thác Bà theo biên chế lúc đầu chỉ

có 72 người (kể cả 13 người làm công tác hành chính)

1.1.3.4 Xây dựng NMTĐ có thể đem lại nhiều lợi ích tổng hợp của nguồn nước nhưng đồng thời cũng có thể có những ảnh hưởng bất lợi về sinh thái môi trường (xem mục 1.2)

1.1.3.5 Nguồn nước cung cấp cho các NMTĐ (từ các dòng chảy tự nhiên) thay đổi theo thời gian (phụ thuộc khí hậu, thời tiết)

Đây cũng là một đặc điểm khác biệt so với nhiệt điện, rất cần được quan tâmkhi thiết kế vận hành NMTĐ Lượng nước chảy về NMTĐ trong mùa khô (mùa cạn)thường nhỏ hơn rất nhiều so với mùa mưa (mùa lũ) Lượng nước tổng hàng năm chảyqua NMTĐ cũng không giống nhau (có tính ngẫu nhiên) Tận dụng thể tích hồ chứanhằm làm tăng khả năng điều tiết cho NMTĐ (tích nước mùa lũ để sử dụng trongmùa cạn) là một trong những mục tiêu cơ bản khi vạch các phương án thủy điện(nhưng đồng thời phải chú ý đến ảnh hưởng của môi trường) Mặt khác, do đặc điểmnày trong quy hoạch phát triển nguồn điện cần phải tính đến giới hạn về lượng nướctheo mùa của các NMTĐ Trong HTĐ có tỉ lệ công suất thủy điện càng lớn thì dựphòng phải càng cao mới đảm bảo được an ninh năng lượng

Trong vận hành (khi công suất NMTĐ và dung tích hồ chứa đã xác định) việclập ra các phương án điều tiết tối ưu dòng chảy (dài hạn, ngắn hạn) có ý nghĩa rấtquan trọng trong việc nâng cao hiệu quả kinh tế cho NMTĐ nói riêng và toàn hệthống nói chung

Trang 25

Hình 1.9 Đập vòm NMTĐ Inguri

1.2 Giới thiệu về nhà máy thủy điện Việt Nam

Năng lượng điện là dạng năng lượng thứ cấp được tạo ra từ nhiều nguồn nănglượng thứ cấp khác nhau như nhiệt năng (dầu, khí đốt, than, năng lượng, phóng xạ,năng lượng mặt trời…), thủy năng (sông, suối, sóng biển, thủy chiều…), năng lượnggió… Đây là loại năng lượng đóng vai trò quan trọng và được sử sụng khắp trên thếgiới trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống ngày nay như công nghiệp, nông nghiệp, giaothông, sinh hoạt Việc sử dụng dạng năng lượng khác để biến thành điện năng củamỗi nước là tùy vào tình hình tài nguyên và đường lối phát triển của nước đó Thủynăng là một dạng năng lượng tái tạo được Đây là đặc tính ưu việt nhất của nguồnnăng lượng này, các nguồn năng lượng khác như: nguyên tử, than, dầu… không thểtái tạo được Trong quá trình biến đổi năng lượng, chỉ có thủy năng sau khi biến đổithành cơ năng và nhiệt năng lại được tái tạo thành dạng thủy năng, còn các dạng năng

Trang 26

lượng khác trong quá trình biến đổi không tự tái tạo trong tự nhiên Con người sửdụng nguồn thủy năng để phục vụ cho đời sống sản xuất, đặc biệt là để phát điện.

Tiềm năng thủy điện

Với tiềm năng khá lớn và được quan tâm khai thác từ rất sớm nên thủy điện đãđóng góp một phần rất đáng kể vào sản xuất điện của Việt Nam Do vị trí lãnh thổ củaViệt Nam nằm trong vùng nhiệt đới, có lượng mưa trung bình hàng năm cao, khoảng1.800 - 2.000mm Với địa hình miền Bắc và biên giới miền Tây đồi núi cao, phíaĐông là bờ biển dài trên 3.400km nên nước ta có hệ thống sông ngòi khá dày đặc, vớihơn 3.450 hệ thống Và với điều kiện tự nhiên thuận lợi như vậy nên tiềm năng thuỷđiện của nước ta tương đối lớn

Nhiều nghiên cứu đánh giá đã chỉ ra rằng, tổng công suất thủy điện của nước tavào khoảng 35.000MW, trong đó 60% tập trung tại miền Bắc, 27% phân bố ở miềnTrung và 13% thuộc khu vực miền Nam Tiềm năng kỹ thuật (tiềm năng có thể khaithác khả thi) vào khoảng 26.000MW, tương ứng với gần 970 dự án được quy hoạch,hàng năm có thể sản xuất hơn 100 tỷ kWh, trong đó nói riêng thuỷ điện nhỏ có tới

800 dự án, với tổng điện năng khoảng 15 - 20 tỉ kWh/năm

Có thể nói, cho đến nay các dự án thủy điện lớn có công suất trên 100MW hầunhư đã được khai thác hết Các dự án có vị trí thuận lợi, có chi phí đầu tư thấp cũng

đã được triển khai thi công Còn lại trong tương lai gần, các dự án thủy điện côngsuất nhỏ sẽ được đầu tư khai thác

Trong những năm qua, ngoài các dự án lớn do EVN đầu tư, có nguồn vốn và

kế hoạch thực hiện đúng tiến độ, thì các dự án vừa và nhỏ do chủ đầu tư ngoài ngànhđiện thường chậm tiến độ, hoặc bị dừng Lý do của tình trạng các dự án chậm tiến độhoặc bị dừng là do: (1) Nền kinh tế nước ta trong thời gian qua gặp khó khăn (2) Các

dự án không hiệu quả, không đủ công suất như trong quy hoạch và nghiên cứu khảthi, hoặc chi phí đầu tư quá cao, khó khăn trong việc hoàn vốn (3) Các dự án chủ đầu

tư không đủ năng lực tài chính, hoặc chủ đầu tư không có kinh nghiệm quản lý dự án,

tự thi công dẫn đến chất lượng công trình kém và thời gian kéo dài (4) Một số dự ángây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sinh thái, chặt phá rừng trên diện rộng,ảnh hưởng đến hạ du bị thu hồi, tạm loại ra khỏi quy hoạch

Ở nước ta, thủy điện chiếm một tỷ trọng cao trong cơ cấu sản xuất điện Hiệnnay, mặc dù ngành điện đã phát triển đa dạng hóa nguồn điện, nhưng thủy điện vẫnđang chiếm một tỷ trọng đáng kể Năm 2014, thủy điện chiếm khoảng 32% trong

Trang 27

tổng sản xuất điện Theo dự báo của Quy họach điện VII (QHĐ VII) thì đến các năm

2020 và 2030 tỷ trọng thủy điện vẫn còn khá cao, tương ứng là 23%

Ngoài mục tiêu phát điện, các nhà máy thủy điện còn có nhiệm vụ cắt và chống

lũ cho hạ du trong mùa mưa bão, đồng thời cung cấp nước phục vụ sản xuất và nhucầu dân sinh trong mùa khô

Trong thời kì đổi mới hiện nay, nền công nghiệp nước ta đóng một vị trí rấtquan trọng trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, ngành điện làngành tiên phong luôn đi trước một bước và xây dựng các nhà máy, nhiệt điện, thủyđiện, điện gió mặt trời, điện hạt nhân Trong số các nguồn điện thì thủy điện luôn đạtsản lượng cao nhất chiếm một tỉ trọng lớn trong ngành điện Do vậy nhà máy thủyđiện luôn được Chính phủ và Bộ ngành, Tập đoàn Điện lực quan tâm và đầu tư rấtlớn Tại các khu vực, miền Bắc, miền Trung, miền Nam, công suất của nhà máy thủyđiện theo TCVN 5090 được phân chia thành 3 loại, thủy điện lớn có công suất P>1000MW, thủy điện trung bình có công suất 15MW< P< 1000MW, thủy điện nhỏP<15MW

Một số nhà máy thủy điện lớn có thể kể đến như: nhà máy thủy điện Sơn La lànhà máy thủy điện lớn nhất Việt Nam và khu vực Đông Nam Á, được xây dựng ngày2/12/2005, công suất lắp đặt 2400MW, nhà máy thủy điện Hòa Bình công suất1920MW được xây dựng và khánh thành năm 1994, nhà máy thủy điện Lai Châucông suất lắp đặt 1200MW, thủy điện Huội Quảng công suất lắp đặt 520MW, thủyđiện Yaly công suất lắp đặt 720MW, thủy điện Hàm Thuận – Đa Nhim khởi công năm

1997, hoàn thành năm 2001, công suất 300MW, nhà máy thủy điện Tuyên Quangcông suất 342MW.v.v… là những thủy điện chiến lược đa mục tiêu Bên cạnh đó lànhững nhà máy thủy điện vừa và thủy điện nhỏ cũng tham gia vào thị trường phátđiện Việt Nam Có thể thấy thủy điện luôn đóng một vài trò rất quan trọng trong quátrình phát triển kinh tế của đất nước Chính vì vậy mà khâu đầu tư, chế tạo thiết bị,quản lí vận hành cho các nhà máy đòi hỏi rất cao về yêu cầu kỹ thuật công nghệ và anninh năng lượng của Quốc gia Nhà máy thủy điện có bộ điều tốc (được ví như là tráitim của nhà máy) làm nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ và tần số máy phát Trong hệ thốngnhà máy dù chỉ xảy ra các dao động nhỏ cũng ảnh hưởng đến ổn định tổ máy, chấtlượng đầu ra của nhà máy nên bộ điều khiển điều tốc của thủy điện rất quan trọngtrong quá trình phát điện, luôn được quan tâm nghiên cứu

Trang 28

1.3 Cấu trúc chung của nhà máy thủy điện

Nhà máy thủy điện khai thác năng lượng nước và sử dụng máy móc đơn giản

để chuyển đổi năng lượng này thành điện năng Đây là những thành phần cơ bản

của một nhà máy thủy điện thông thường:

Hình 1.10 Hình ảnh cấu trúc chung nhà máy thủy điện

a) Đập (Dam)– Hầu hết các nhà máy thủy điện dựa vào một con đập chứa

nước lại, tạo ra một hồ chứa lớn Thông thường, hồ chứa này được sử dụng như một

hồ giải trí như hồ Roosevelt tại đập Grand Coulee tại tiểu bang Washington

b) Ống dẫn nước (Penstock)– Cửa trên đập mở và lực hấp dẫn đẩy nước

chảy qua các đường ống chịu áp Đường ống dẫn nước đến tuabin Nước làm tăngdần áp lực khi nó chảy qua đường ống này

c) Tua bin (Turbine) – Nước hướng về và làm quay các cánh lớn của tuabin,

tuabin này gắn liền với máy phát điện ở phía trên nó nhờ một trục Loại phổ biến nhấtcủa tua bin dùng cho nhà máy thủy điện là Turbine Francis, trông nó giống như mộtđĩa lớn có những cánh cong Một tua bin có thể cân nặng khoảng 172 tấn và quay vớitốc độ 90 vòng mỗi phút

Trang 29

Hình 1.11 Trục kết nối các tua bin

d) Máy phát điện (generator) – Khi các cánh tua-bin quay, một loạt các nam

châm trong các máy phát điện cũng quay theo Những nam châm khổng lồ này quayquanh cuộn dây đồng, sản sinh ra dòng điện xoay chiều (AC)

e) Biến áp (Transformer)– Máy biến áp được đặt bên trong nhà máy điện tạo

ra dòng điện xoay chiều AC và chuyển đổi nó thành dòng điện có điện áp cao hơn

f) Đường dây điện (Power Lines) – Trong mỗi nhà máy điện có đến bốn dây :

ba dây pha của năng lượng điện được sản xuất đồng thời với một dây trung tính

g) Cống xả (Outflow) – Đưa nước chảy qua các đường ống – gọi là kênh , và

chảy vào hạ lưu sông

Ý tưởng khai thác các dòng nước để tạo ra điện có từ rất sớm Ban đầu là cácbánh xe lớn đặt thẳng đứng có gắn các gàu múc để đưa nước lên cao Vào cuối nhữngnăm 1820, con người đã biến bánh xe thành tuabin và 50 năm sau, con người đã gắn

nó với một máy phát điện ở hạ lưu của một đập giữ nước hồ

Trang 30

Ngày nay, có khoảng 45000 con đập rải rác trên địa cầu, cung cấp khoảng 1/5lượng điện tiêu thụ trên toàn thế giới, tức khoảng 2,4 triệu mêga oát Tại Pháp,khoảng 15% điện là thủy điện Tại châu Âu, Mỹ, Canada, tiềm năng thủy điện đãđược khai thác đến 70%.

Trang 33

Hình 1.12 Sơ đồ mặt cắt dọc tuyến năng lượng tổ máy và đặc tính công suất của máy phát

Trang 34

Chương 2 TỰ ĐỘNG HÓA TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

2.1 Vai trò quan trọng của tự động hóa trong nhà máy thủy điện

Hình 2.1 Sơ đồ tự động hóa trong nhà máy thủy điện

Trang 35

Hệ thống tự động hóa thủy điện bao gồm các thành phần chính như sau:

1 Kích từ và bảo vệ máy phát

2 Điều khiển tua bin

3 Điều khiển trạm biến áp

4 Hòa đồng bộ

5 SCADA (giám sát)

PLC là công cụ quan trọng trong hệ thống tự động hóa thủy điện

Mục tiêu của việc tự động hóa của trạm thủy điện là tự động hóa hoàn toàn quátrình vận hành của nhà máy Nó được hiểu rằng chỉ dung một thao tác có thể thay thếcho nhiều thao tác và bước, một số bước xảy ra theo chuỗi sự kiện hoặc song songvới nhau Một số sự kiện liên quan đến trạng thái rời rạc như là trạng thái đóng mởcủa van, trạng bật tắt của các thiết bị phụ v.v Một số sự kiện khác liên quan đến giátrị liên tục theo thời gian hoặc quãng thời gian vận hành Ví dụ, nó rất quan trọng đểduy trì tốc độ không đổi của tổ máy để đồng bộ với tổ máy khác hoặc hòa lưới Vìvậy việc vận hành nhà máy thủy điện tự động là việc phối kết hợp giữa quá trình rờirạc và quá trình liên tục Trong thời kỳ đầu của sự phát triển, vi xử lý có ý nghĩa rấtquan trọng để làm nhiệm vụ đó nhưng việc số hóa các rơ le là không hiệu quả Nhưngvới sự trợ giúp của PLC, việc sử dụng các rơ le cứng được tối giản Một PLC lớn đủlượng rơ le để làm tất cả các vận hành Ưu điểm của các rơ le đều là dạng số, vì vậy

rủ ro là nhỏ nhất cho hệ thống, giá thành giảm và ít phải bảo trì liên quan đến việc sửdụng chúng Nếu cần bất kỳ sự thay đổi của hệ thống điều khiển chỉ cần lập trình đểthay đổi và có thể làm được điều đó một cách dễ dàng mà không phải thêm chi phí.PLC có thể thực hiện các vận hành này rất hiệu quả bằng cách lập trình các hàm chứcnăng và các lệnh điều khiển PLC có thể được sử dụng để thực hiện việc tự động hóatoàn bộ nhà máy thủy điện bao gồm điều khiển tốc độ, điều khiển tải,điều khiển kích

từ, điều khiển quá trình chạy và dừng máy, điều khiển cửa phải, chạy/dừng các hệthống phụ và các chức năng bảo vệ PLC phù hợp nhất với các hệ thống điều khiểnrời rạc, PLC được nối với hệ thống SCADA (Supervisory Control And DataAcquisition) để giám sát toàn bộ quá trình Việc lập trình tuần tự các sự kiện sử dụng

sơ đồ bậc thang Ví dụ, tuần tự của các sự kiện trong quá trình khởi động tổ máy liên

Trang 36

quan đến việc điều khiển trạng thái rời rạc, như chuyển mạch cảm biến áp suất, giớihạn hành trình… Các sự kiện khác đơn thuần là các tín hiệu liên tục hoặc có thể kếthợp của cả liên tục và rời rạc.

Trong quá trình liên tục, tín hiệu analog được chuyển đổi thành tín hiệu sốtrong PLC Thuật toán điều khiển đưa ra tín hiệu điều khiển dựa vào tín hiệu số đầuvào và giá trị đặt Bằng việc tính toán giá trị sai lệch giữa tín hiệu số đầu vào và giátrị đặt, bộ điều khiển PID được phát triển để đưa ta tín hiệu điều khiển đầu ra mangtính chất điều khiển chính xác Với tiêu chuẩn IEC61131, ngôn ngữ lập trình dựa trên

sơ đồ khối chức năng, người ta có thể dễ dàng thiết lập bộ điều khiển PID Phụ thuộcvào tác động điều khiển, tốc độ và độ chính xác của đáp ứng hệ thống, tín hiệu sailệch có thể được khuếch đại sử dụng bất kỳ khâu nào hoặc kết hợp các khâu tỉ lệ, tíchphân và vi phân để nhận được giá trị điều khiển như mong muốn Cho tất cả các tínhiệu điều khiển liên tục như điều khiển điều tốc, điều khiển tải, điều khiển mức, điềukhiển lưu lượng và điều khiển công suất phản kháng kVar hoặc điều khiển hệ số côngsuất, thuật toán PID nên được áp dụng

Bộ điều khiển lập trình (PLC) thông thường kết hợp với máy tính với hệ thốngSCADA sử dụng để điều khiển và truy cập dữ liệu Nó tạo ra một hệ thống hiệu quả

và kinh tế, do đó nó phù hợp với nhiều nhà máy thủy điện sử dụng để điều khiển máyphát và tự động hóa Nó được xem như một hệ thống điều khiển số đặc thù với giaodiện là máy tính, để truy cập dữ liệu và khôi phục tất cả các chức năng của điều tốc,điều khiển tổ máy và bảo vệ cũng như lưu trữ dữ liệu

Cấu trúc toàn bộ hệ thống có các bộ điều khiển vận hành trực tiếp trên các bộphận riêng rẻ Trong mỗi tổ máy phát gồm các bộ phận điều khiển động lực và các bộđiều khiển kích từ Phần động lực bao gồm tuabin và hệ thống thủy lực, do vậy các

bộ điều khiển động lực đầu tiên liên quan tới việc điều chỉnh tốc độ và điều khiển cácbiến số của hệ thống cung cấp năng lượng Chức năng của điều khiển kích từ là diềuchỉnh điện áp máy phát và công suất phản kháng Công suất phát mong muốn của các

tổ máy phát đơn lẻ được xác định bởi các quá trình điều khiển phát điện của hệ thống

Trang 37

Mục đích đầu tiên của điều khiển phát điện hệ thống là cân bằng tổng côngsuất phát của hệ thống với phụ tải hệ thống và các tổn thất, vì vậy tần số và công suấttrao đổi với các hệ xung quanh được duy trì.

Điều khiển truyền tải bao gồm các thiết bị điều khiển điện áp và công suất, nhưcác bộ bù phản kháng tĩnh, các bộ bù đồng bộ, các cuộn cảm và điện dung chuyển mạch.Điều khiển các máy biến áp dịch pha và truyền tải dòng một chiều điện áp cao ( HVDC)

Các quá trình điều khiển đã mô tả ở trên góp phần cho sự thỏa mãn vận hànhcủa hệ thống bằng các duy trì điện áp và tần số hệ thống và các biến hệ thống kháctrong giới hạn cho phép của chúng

Các đối tượng điều khiển phụ thuộc vào trạng thái vận hành của hệ thống Vớicác trạng thái bình thường, đối tượng điều khiển vận hành có hiệu quả khi tần số vàđiện áp điều khiển gần với giá trị danh định

Trước khi có sự xuất hiện của hệ thống tự động hóa, những cán bộ kỹ thuậtphải vận hành thiết bị bằng tay Nó được gọi là hệ thống vận hành bằng tay Để vậnhành tay toàn bộ thiết bị của nhà máy thủy điện ( tuabin, máy phát, máy cắt, ) cán

bộ kỹ thuật phải đứng tại vị trí của thiết bị, tiếp theo, phụ thuộc vào từng tình huốngcán bộ kỹ thuật sẽ điều chỉnh thay đổi thiết bị cho đúng với quy trình vận hành Cáchthức vận hành như vậy đòi hỏi cán bộ kỹ thuật phải giám sát vận hành của thiết bị, vàsau đó các lệnh để thay đổi thiết bị của nhà máy và đáp ứng quy trình tự động Tuynhiên, kiểu hệ thống như vậy cũng cần các chuyên gia Người vận hành hệ thống tựđộng sẽ vẫn cần thay đổi để ra lệnh hoặc điều khiển dựa vào nhu cầu sản suất điệnnăng theo thời gian Hệ thống nhận được thông tin theo thời gian thực, cung cấp hệthống điều khiển tại chỗ và từ xa hiệu quả và hệ thống bảo vệ tiên tiến

2.2 Mô hình tổng thể cho tự động hóa nhà máy thủy điện

Trang 38

Hiện nay các NMTĐ dù công suất lớn hay nhỏ thì đều được thiết kế với mức độ

tự động hóa cao trong đó thường được thiết kế với các hệ thống tự động điều khiển giámsát mô hình của hệ thống tự động điều khiển giám sát được ví dụ ở hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống tự động điều khiển giám sát

Trang 39

Trong đó hệ thống điều khiển tập trung thực hiện bằng các máy tính và đượcghép nối với nhau thông qua truyền thông Người ta sẽ có một máy tính chủ và cácmáy tính tớ… điều này sẽ cho phép chúng ta ghép nối hệ thống đến tận cấp trườngthông qua các thiết bị được đặt tại hiện trường như là các sensor (cảm biến) và cácphần tử thực hiện

Thường các hệ thống này được các hãng thiết kế với việc sử dụng một phầnmềm riêng để đáp ứng các yêu cầu về giám sát và điều khiển Chính vì lý do này nêntất cả các nhà máy đều thiết kế một phòng điều khiển tập trung trong đó sẽ bố trí cácmàn hình lớn, giúp cho người vận hành khai thác có thể theo dõi quan sát khiểm tra

và điều khiển đến từng bộ phận nằm trên hiện trường Với một hệ thống giám sát thìtừng hiện trường được phân ra theo từng vùng với từng nhóm đối tượng và tại mỗinơi của hiện trường người ta thiết kế các tủ điện riêng để cho phép người vận hànhkhai thác có thể thực hiện tại chỗ tất cả các vấn đề kỹ thuật một cách nhanh nhất đặcbiệt là các tình huống sự cố cần thiết nhanh Trên hình vẽ đó là thể hiện LCU ở đó đãđược thiết kế một cách khoa học giúp việc phân từng quản lý tránh sự nhầm lẫn, mặtkhác từ phòng điều khiển người ta hoàn toàn có thể can thiệp đến phần hiện trườngmột cách nhanh nhất với chế độ điều khiển từ xa Trong NMTĐ người ta phân ra hệthống tối quan trọng, quan trọng, quan trọng vừa và không quan trọng để có chiếnlược điều khiển cũng như bảo vệ hệ thống Ví dụ với mô hình điều khiển giám sát dẫn

ở hình 2.2 nhà máy bao gồm 3 tổ máy tuabin - máy phát vì vậy người ta thiết kế3LCU01 – LCU02 – LCU03:

Trong đó tủ LCU01: Quản lý tuabin – máy phát số một, hệ thống điều chỉnhtốc độ, hệ thống điều chỉnh điện áp (kích từ), máy biến áp T1, hệ thống bảo vệ máyphát và máy biến áp số 1, hệ thống nước kỹ thuật các aptomat, cầu dao cách ly và cácthiết bị hòa đồng bộ

Tủ LCU02: Khống chế các hệ thống giống như LCU01 nhưng cho hệ thốngtuabin – máy phát số 2, máy biến áp số 2…

Trang 40

Tương tự LCU03: Làm việc cho cụ máy phát – tuabin số 3

Tủ LCU04: Thực hiện các nhiệm vụ hệ thống bảo vệ trạm GIS, DZ, Khángđiện, DTD 500KV, Kháng điện 500kV

Tủ LCU05: Quản lý điều khiển và giám sát cho các hệ, trạm MS (1,2), LS(21,22), Diezel sự cố trạm cấp nguồn (DC), UPS 300KVA, hệ thống khí nén cao và

hạ áp, các trạm bơm trong nhà máy, hệ thống chiếu sáng và thông gió

Trạm LCU06: Được đặt ở trên đập tràn và cửa nhận nước, trạm này được điềukhiển và giám sát các hệ thống chính, thứ nhất là cửa nhận nước cho 3 tổ máy, thứ hai

là trạm cấp nguồn LS50, UPS 5KVA và trạm bơm rò rỉ thân đập RRTĐ

Trạm LCU07: Được đặt ở đập tràn và cửa nhận nước trạm trạm này được điềukhiển và giám sát một số hệ thống, thứ nhất là 6 cửa hệ thống nâng hạ thủy lực cung

và xả 02 cửa hệ thống hạ thủy xả sâu, van cung cấp và xả sâu NMTĐ 2 cửa của hệthống nâng hạ thủy lực van phẳng xả sâu, hệ thống UPS 5KVA, trạm cấp nguồnLS59

Với NMTĐ thì hệ thống tuabin – máy phát được coi là hệ thống tối quan trọng

nó biến đổi năng lượng nước thành điện để cung cấp lên lưới trong đó có 2 đại lượngquan trọng là tần số lưới điện liên quan đến điều khiển tốc độ tuabin hay nói cáchkhác là vấn đề điều khiển công suất tác dụng trên lưới Đại lượng thứ hai đó là điện

áp thì ở đây người ta can thiệp vào điều khiển kích từ hay nói cách khác là điều khiểncông suất kháng vì vậy ngay từ thời sơ khai của các NMTĐ, người ta đã phải nghĩđến việc tự động điều khiển tốc độ tuabin tự động điều khiển dòng kích từ của máyphát đồng bộ Với hai hệ thống này ở các NMTĐ làm việc độc lập không bơm côngsuất lên lưới quốc gia Vì làm việc với lưới điện “mềm” nên công suất phát thay đổitheo phụ tải và việc điều chỉnh hai đại lượng tần số và điện áp xảy ra liên tục Lướiđiện cấp cho các phụ tải này được gọi là lưới điện “mềm”

Với các NMTĐ liên kết vùng thì khả năng công suất phát lên lưới chung lớnhơn, số lượng tổ hợp tuabin – máy phát đồng bộ nhiều hơn, vì vậy việc điều khiển

Tiêu đề	Nghiên Cứu Hệ Thống Điều Khiển Tua Bin Trong Nhà Máy Thủy Điện Công Suất Vừa Và Nhỏ Không Thực Hiện Liên Kết Vùng
Người hướng dẫn	PGS.TS. Nguyễn Tiến Ban
Thể loại	đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2020

Định dạng
Số trang	90
Dung lượng	11,56 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1] Vũ Hữu Hải – Nguyễn Thượng Bẳng – 2020 Thiết kế nhà máy thủy điện – NXB xây dựng, Hà Nội	Khác
[2] Hoàng Văn Tần – Phạm Hồng Nhật – 2004 Giáo trình Tuabin thủy lực – NXB Xây dựng, Hà Nội	Khác
[3] Bùi Ngọc Thư - Mạng Cung Cấp và Phân Phối Điện – 2002 Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội	Khác
[4] Ths. Ngô Quang Ước – 2010 Nghiên cứu các giải pháp bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối - Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội	Khác
[5] GS-TSKH Thân Ngọc Hoàn – PGS.TS Nguyễn Tiến Ban – 2008 Trạm phát và lưới điện tàu thủy – Nhà xuất bản KH–KT, Hà Nội	Khác