Nội dung

“Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin trong nhà máy thủy điện Hòa Bình ”. CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT CHUNG NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN. 1.1. Tổng quan về năng lượng điện và vai trò của nhà máy thủy điện. Năng lượng điện hay còn gọi là điện năng, là dạng năng lượng thứ cấp được tạo ra từ nhiều nguồn năng lượng 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 lượng gió… Đây là loại năng lượng đóng vai trò quan trọng và được sử dụng trên khắp thế giới trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống ngày nay như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, sinh hoạt … Việc sử dụng dạng năng lượng khác để biến thành điện năng của mỗi nước là tùy vào tình hình tài nguyên và đường nối phát triển của nước đó. Thuỷ năng là một dạng năng lượng tái tạo được. Đây là đặc tính ưu việt nhất của nguồn năng lượng này, các nguồn năng lượng khác như : Nguyên tử, than, dầu … không thể tái tạo được. Trong quá trình biến đổi năng lượng, chỉ có thuỷ năng sau khi biến đổi thành cơ năng và nhiệt năng lại được tái tạo thành dạng thủy năng, còn các dạng năng lượng khác trong quá trình biến đổi không tự tái tạo trong tự nhiên. Con người sử dụng nguồn thuỷ năng để phục vụ cho đời sống và sản xuất, đặc biệt là để phát điện. Tuỳ theo điều kiện từng nước mà tỷ lệ phát triển các loại nhà máy điện có khác nhau. Theo số liệu năm 1978 thì nhìn chung trên toàn thế giới năng lượng của thuỷ điện chiếm khoảng 1/3 tổng sản lượng điện năng. Trong khi các nguồn khai thác than đã hơn 40 % thì các nguồn thuỷ năng mới khai thác hơn 1,5 % (Điều đó không nói lên rằng sau này thuỷ điện sẽ phát triển mạnh). Theo thống kê năm 1978: Ở Châu âu tỷ lệ thuỷ điện chiếm khoảng 34% tổng sản lượng điện năng. Ở Liên Xô 19,8 %, Mỹ 18,6 %, Canada 95 %, Phần Lan 91,6 %, Triều Tiên 95-98 %, Na Uy 99 %, Thụy sỹ 99,5 % trái lại ở nhiều nước châu Á và Châu Phi tuy nguồn thuỷ năng rất phong phú nhưng tỷ lệ chưa đáng kể chính vì sự kìm hãm của chủ nghĩa đế quốc. Ví dụ ở nước ta: Thời kỳ Pháp thuộc hầu như không để lại một thuỷ điện nào đáng kể, trong thời gian chiến tranh ta chủ trương phát triển các thủy điện nhỏ ở các vùng miền núi như : Lạng Sơn, Quảng Ninh, Sơn La, Lai Châu, giải quyết được ánh sáng, cơ sở xay xát, chế biến nhỏ, ở Thanh Hoá có thuỷ điện Bàn Thạch gồm 3x320 KW=960 KW, lợi dụng bậc núi Nông Giang. Thuỷ điện Thác Bà bị bom đạn tàn phá nặng nề, sau này đã khôi phục được xong cả 3 tổ máy 3x36=108 MW, ở miền Nam có thuỷ điện Đa Nhim, kiểu kênh dẫn, lợi dụng độ chênh mực nước giữa hai con sông, công suất 160 MW. Hiện nay, trữ năng lý thuyết của thuỷ điện trên cả nước ước tính 270300 tỷ KWh/năm, với công suất khoảng 32.106 KW. Nhưng trữ năng thuỷ điện kỹ thuật (tiềm năng kinh tế) chỉ có khoảng 80 tỷ KWh, Với công suất lắp máy 17.438 MW. Tiềm năng kinh tế kỹ thuật thuỷ điện nhỏ khoảng 60 tỷ KWh/năm, với công suất lý thuyết 10.000 MW. Miền bắc nước ta có 1069 con sông lớn nhỏ, công suất thuỷ năng ước lượng 13, 68.10 6 KW với trữ lượng điện hàng năm trên 120 tỷ KWh, khả năng xây dựng thuỷ điện ở các con sông chính sau : - Sông Cả khoảng 34 vạn KW - Sông Đà khoảng 254 vạn KW - Sông Mã khoảng 25 vạn KW - Sông Thao khoảng 52 vạn KW - Sông Thái Bình khoảng 3,2 vạn KW - Các hệ thống Nông Giang khoảng 3 vạn KW Theo tính toán nếu xây dựng thuỷ điện được 4,8 triệu KW thuỷ điện 9 thì hàng năm sẽ thu được độ 20.10 KWh , tiết kiệm được khoảng 20.10 6 tấn than đá. Thấy được lợi thế này cùng với sự giúp đỡ của Liên Xô và các điều kiện kỹ thuật cho phép, nước ta đã tiến hành điều tra khảo sát và xây dựng thành công nhà máy Thuỷ điện Sông Đà với công suất đợt đầu khoảng 1,6 triệu KW gồm 8x200 MW, sau đó công suất có thể lên tới 3,2 triệu KW (Hiện nay công suất nhà máy đạt 1.92 triệu KW). Xây dựng công trình này nhằm sử dụng tổng hợp trong đó chống lũ là vấn đề cấp bách. Công trình này có thể làm hạ mực nước ở Hà Nội trong mùa lũ xuống 1,4 m. Đầu tư về thuỷ điện của nước ta không quá lớn như các nước khác. Ta có thể tự lực xây dựng thuỷ điện: Đầu tư cho thiết bị khoảng 30%, còn lại các công trình khác có thể tự lực được. Ngành thuỷ điện nước ta mở ra một triển vọng vô cùng to lớn, đòi hỏi một số lượng rất lớn các cán bộ thiết kế, thi công, vận hành rất giỏi, đủ sức thăm dò giải quyết những vấn đề kỹ thuật do hoàn cảnh đất nước ta đề ra, phải biết áp dụng những kỹ thuật tiến triển nhất vào trong lĩnh vực này. Ngành ta đào tạo kỹ sư điện thiết kế, vận hành mạng hệ thống điện, nhà máy điện và thuỷ điện, ta phải tự thiết kế thi công các nhà máy điện. Người kỹ sư vận hành điện ở nhà máy thuỷ điện ngoài những kiến thức tổng quát cần biết (công trình và thiết bị thuỷ lực) mà cần hiểu sâu về điều tiết hồ chứa để vận hành được tốt. Đây là một lĩnh vực nhiều lý thuyết khác nhau. 1.2. Vấn đề tự động hóa trong nhà máy thủy điện Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển của nhà máy thuỷ điên Cấu trúc toàn bộ hệ thống có các bộ điều khiển vận hành trực tiếp trên các bộ phận riêng rẽ. Trong mỗi tổ máy phát gồm các bộ phận điều khiển động lực đầu tiên và các bộ điều khiển kích từ. Phần động lực đầu tiên 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 các biến số của hệ thống cung cấp năng lượng. Chức năng của điều khiển kích từ là điều chỉnh 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. Mục đích đầu tiên của điều khiển phát điện hệ thống là cân bằng tổng công suất phát của hệ thống với phụ tải hệ thống và các tổn thất, vì vậy tần số và công suất trao 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, như các 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 hành của hệ thống bằng cách duy trì điện áp và tần số hệ thống và các biến hệ thống khác trong giới hạn cho phép của chúng. Các đối tượng điều khiển phụ thuộc vào trạng thái vận hành của hệ thống. Với các trạng thái bình thường, đối tượng điều khiển vận hành có hiệu quả khi tần số và điện áp điều khiển gần với giá trị danh định. 1.3. Sơ đồ tổng quan về nhà máy thủy điện:. 1.3.1. Nguyên lý chung: Nước trên sông, suối chảy từ nguồn ra biển, đi từ cao đến thấp mang theo nó một năng lượng, năng lượng này gọi là thuỷ năng. Để xác định năng lượng đó ta chia dòng chảy trên sông thành đoạn ngắn có chiều dài là l, được giới hạn bởi các tiết diện I-I và II-II: Hình 1.2 Sơ đồ xác định năng lượng dòng chảy trên đoạn sông Theo phương trình Becnuli ta có năng lượng riêng tại từng mặt cắt: P α V2 =Z + I + I I E I −I I 2g γ P α V2 II =Z + + II II E II − II II 2g γ Trong đó: P γ , Z , V , α - áp năng, vị năng, vận tốc trung bình tại mặt cắt và hệ số điều chỉnh động năng. Hiệu năng lượng riêng của hai mặt cắt là năng lượng đơn vị của dòng chảy trên đoạn sông có chiều dài l và được gọi là cột áp của đoạn sông, ký hiệu là H. P -P a V2 -a V2 2 2 H = E - E = Z I − Z II + 1 2 + 1 1 I II g 2g Nếu một đoạn sông có cột áp H, lưu lượng Q thì năng lượng dòng chảy trên đoạn sông đó là: ∋= ∫ γ QHdt t Hay ∋= γ HW Trong đó: W – thể tích nước đoạn sông. Công suất nước của dòng chảy trên đoạn sông là: N =γ QH Để sử dụng năng lượng của đoạn sông thì phải tập trung năng lượng dòng nước phân bố trên đoạn sông đó tại một chỗ, tạo độ chênh mực nước thượng và hạ lưu, nghĩa là phải tạo nên cột áp. 1.3.2. Sơ đồ nhà máy thủy điện: Nhà máy thủy điện là một tổ hợp phức tạp, sử dụng năng lượng của sông suối, để sản xuất điện năng bao gồm 3 tuyến : - Tuyến áp lực (tuyến đầu mối) - Tuyến năng lượng. - Tuyến hạ lưu. Tuyến áp lực 1.Hồ chứa + Bể áp lực + Bể lắng cát 2. Đập tràn 3. Các van xả Tuyến năng lượng. +Kênh vào +Cửa van +Đường hầm (gồm Tháp và van) +Đường ống Nhà máy : + Thiết bị cơ khí : Chính : Tuabin cho từng tổ máy Phụ : (các thiết bị khác) + Thiết bị điện kỹ thuật Tổ máy Tuabin + Tuabin, cánh hướng … + Bộ điều tốc Máy phát + Máy phát + Hệ thống kích từ. Hạ lưu 1. Kênh xả 2. Các cửa van hạ lưu Hình 1.3 Sơ đồ các tuyến của nhà máy thủy điện • Các thiết bị chính trong nhà máy thủy điện. Hình 1.4 Sơ đồ bố trí các thiết bị trong nhà máy thủy điện 1. Cửa nhận nước 3. Bình tạo áp lực 2. Hầm dẫn 4. Nhà van 5. Ống áp lực 9. Hệ thống dầu áp lực và bộ điều tốc 6. Tuabin 10. Hệ thống nước làm mát 7. Máy phát 11. Ống xả 8. Hệ thống kích thích máy phát 12. Cửa hạ lưu Trong thực tế có 3 phương pháp tập trung năng lượng của dòng nước tương ứng với ba sơ đồ nhà máy thủy điện: Nhà máy thủy điện kiểu lòng sông, nhà máy thuỷ điện đường dẫn và nhà máy thuỷ điện kiểu tổng hơp. 1.3.2.1. Nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông (hay sau đập). Để tập trung năng lượng người ta dùng đập cột áp H là độ chênh mực nước trước và sau đập (tương ứng thượng lưu và hạ lưu). Đập có hồ chứa nước lớn để điều tiết lưu lượng dòng sông. Nhà máy thường đặt sau đập đối với cột nước lớn, hoặc là một bộ phận của đập đối với cột nước nhỏ. Các trạm thuỷ điện với phương pháp tập trung năng lượng bằng đập gọi là nhà máy kiểu lòng sông hay sau đập. Nó áp dụng cho các con sông ở đồng bằng, trung du nơi có độ dốc lòng sông nhỏ, lưu lượng sông lớn. Trong thực tế, chiều cao của đập bị hạn chế bởi kỹ thuật đắp đập và diện tích bị ngập. Cột áp ở các trạm thủy điện này không lớn, thông thường không lớn hơn 30 – 40m. Tuy nhiên, nhà máy thủy điện kiểu này đã đạt cột áp cao nhất H = 300m là nhà máy thủy điện Nurec ở Liên Xô. Nhà máy thủy điện Thác Bà trên sông Chảy là nhà máy thủy điện lòng sông có cột áp H = 37m, N = 40MW, ba tổ máy. Hình 1.5 Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông 1.3.2.2. Nhà máy thủy điện đường dẫn: Nước được ngăn bởi một đập thấp rồi chảy theo đường dẫn (Kênh, máng, tuy – nen, ống dẫn) đến nhà máy thủy điện. Ở đây cột áp cơ bản là do đường dẫn tạo nên, còn đập chỉ để ngăn nước lại để đưa vào đường dẫn. Đường dẫn có độ dốc nhỏ hơn độ dốc lòng sông. Kiểu trạm này thường dùng ở các sông suối có độ dốc lòng sông lớn và lưu lượng nhỏ. Trạm thủy điện Đa Nhim (Ninh Thuận) có cột nước H = 800m, N = 160MW ( bốn tổ máy 40 MW/ tổ máy). Trạm thủy điện có cột nước lớn nhất thế giới hiện nay là trạm Bogota (Colombia) có H = 2000m, N = 500MW. Hình 1.6 Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu kênh dẫn. 1.3.2.3. Nhà máy thủy điện tổng hợp: Hình 1.7 Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu tổng hợp. Năng lượng nước được tập trung là nhờ đập và cả đường dẫn. Cột áp của trạm gồm 2 phần: một phần do đập tạo nên, phần còn lại do đường dẫn tạo nên. Nhà máy kiểu này được dùng cho các đoạn sông mà ở trên sông có độ dốc nhỏ thì xây đập ngăn nước và hồ chứa, còn ở phía dưới có độ dốc lớn thì xây dựng đường dẫn. Nhà máy thủy điện Hoà Bình (H = 88m, N = 220MW, 8 tổ máy) và Trị An (H = 50 m, N = 100MW, 3 tổ máy) là trạm kiểu tổng hợp.