Tài liệu Báo cáo công nghệ tìm hiểu về thủy điện nhỏ và hệ thống điều khiển tuabin máy phát điện trong nhà máy thủy điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển CHUYÊN ĐỀ SỐ 23 TÌM HIỂU VỀ THỦY ĐIỆN NHỎ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Tùng Linh Lớp : D13 CNKTDK Nhóm SV thực hiện : Đỗ Hồng Quyên MSV: 18810410221 Hoàng Anh Sơn MSV: 18810410157 Bùi Đình Thanh MSV: 1781410030 HÀ NỘI, 03-2022 1 LỜI NÓI ĐẦU Điện năng được tạo ra từ các dạng năng lượng khác tiềm tàng trong tự nhiên nhờ công nghệ biến đổi năng lượng. Chẳng hạn, nhiệt năng tiềm tàng trong các loại nhiên liệu (than đá, dầu mỏ, khí đốt,...) được giải phóng qua phản ứng cháy, biến đổi thành cơ năng và cuối cùng thành điện năng ở các nhà máy nhiệt điện. Cơ năng của dòng nước (sông, suối, thủy triều,...) được biến thành điện năng ở các nhà máy thủy điện. Tại các nhà máy điện nguyên tử, năng lượng giải phóng từ phản ứng hạt nhân (của các nguyên tố có nguyên tử lượng lớn) cũng được biến thành điện năng qua các quá trình biến đổi nhiệt → cơ → điện từ. Ngoài các công nghệ quan trọng nó trên những công nghệ năng lượng mới đang được nghiên cứu áp dụng như: Năng lượng mặt trời, năng lượng đia nhiệt, năng lượng gió, năng lượng sinh khối, sinh khí,...Vào những năm 50 của thế kỷ trước, tuyệt đại đa số điện năng được sản xuất ra là ở các nhà máy nhiệt điện (trên 90%). Tuy nhiên theo thời gian tỉ lệ điện năng do các nhà máy nhiệt điện phát ra có xu hướng giảm dần,thủy điện tăng dần và có sự phát triển nhanh của phần điện năng do các nhà máy điện nguyên tử sản xuất. Điều này có thể được giải thích bởi sự cạn dần của các loại nhiên liệu và nhu cầu ứng dụng của nó vào lĩnh vực kinh tế khác ngày càng có giá trị hơn. Trong khi đó kỹ thuật xây dựng và khai thác thủy năng lại có những bước thay đổi vượt bậc, cho phép lắp đặt những tổ máy công suất lớn, đắp đập ngăn sông xây dựng những nhà máy thủy điện khổng lồ làm cho giá thành xây dựng (tính trên một đơn vị công suât lắp máy) ngày càng giảm. Nhìn ra thế giới, chúng ta đã thấy sự phồn vinh kinh tế toàn cầu đã làm chuyển động mạnh mẽ tiêu thụ năng lượng ở mức kỷ lục. Tuy nhiên hậu quả đáng kể về môi trường ở nhà máy nhiệt điện đã đặt ra nhiệm vụ quan trọng của chính sách năng lượng bền vững là phát triển mạnh mẽ nguồn năng lượng phục hồi. Trong đó nguồn năng lượng phục hồi lớn nhất đã được công nghệ chứng minh là thủy điện. Đây chính là lời khẳng định to lớn về giá trị thực của thủy điện, như nguồn năng lượng phục hồi, sạch và bền vững. Chính vì những lí do trên, trong khuôn khổ bài tiểu luận này, nhóm sẽ tìm hiểu sâu hơn về “thủy điện nhỏ và hệ thống điều khiển tuabin máy phát điện trong nhà máy thủy điện”. Chúng em xin cảm ơn thầy Nguyễn Tùng Linh đã giúp em hoàn thành bài báo cáo chuyên đề này. Do giới hạn về kiến thức nên nghiên cứu còn có nhiều hạn chế và thiếu xót. Chúng em kính mong được sự giúp đỡ và hướng dẫn của thầy, cô để bài bài báo cáo chuyên đề được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 3 năm 2022 2 MỤC LỤC CHƯƠNG I : TÌM HIỂU VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN NHỎ...........................6 1.1. Tìm hiểu chung về nhà máy thủy điện.......................................................6 1.1.1. Khái niệm chung.................................................................................6 1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện...........................8 1.2.1. Cấu tạo.................................................................................................8 1.2.2. Nguyên lý hoạt động của nhà máy thủy điện......................................9 1.3. Ưu điểm, nhược điểm của nhà máy thủy điện.........................................10 1.3.1. Ưu điểm.............................................................................................10 1.3.2. Nhược điểm.......................................................................................10 1.3.3. Vai trò của nhà máy thủy điện..........................................................11 1.4. Các hệ thống điều khiển trong nhà máy thủy điện...................................12 CHƯƠNG II: MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN...........14 2.1. Tìm hiểu về máy phát điện.......................................................................14 2.1.1. Chức năng nhiệm vụ của máy phát điện...........................................14 2.1.2. Phân loại máy phát............................................................................14 2.1.3. Cấu tạo...............................................................................................15 2.1.4. Nguyên lý làm việc của máy phát.....................................................17 2.1.5. Thông số máy phát điện trong nhà máy thủy điện............................18 2.2. Vận hành máy phát điện trong nhà máy thủy điện..................................19 2.2.1. Khởi động máy phát..........................................................................19 2.2.2. Các chế độ hòa máy phát vào lưới....................................................24 2.2.3. Theo dõi, vận hành máy phát làm việc..............................................24 2.2.4. Dừng máy phát..................................................................................26 KẾT LUẬN........................................................................................................28 3 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Thủy điện Vĩnh Hà ở xã Tân Dương & Thượng Hà tỉnh Lào Cai.........6 Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo nhà máy thủy điện..........................................................6 Hình 2.1: Cấu tạo máy phát điện xoay chiều 3 pha............................................13 Hình 2.2: Nguyên lý dòng điện xoay chiều........................................................16 Hình 2.3: Máy phát điện trong nhà máy thủy điện suối sâp 1............................18 4 CHƯƠNG I : TÌM HIỂU VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN NHỎ 1.1. Tìm hiểu chung về nhà máy thủy điện 1.1.1. Khái niệm chung 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 tuốc bin 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. Ví dụ, việc sản xuất nhôm đòi hỏi tiêu hao một lượng điện lớn, vì thế thông thường bên cạnh nhà máy nhôm luôn có các công trình thủy điện phục vụ riêng cho chúng. Thủy điện nhỏ ở đây là các nhà máy thủy điện có công suất lắp đặt dưới 30MW (Việt Nam ) .Tuy nhiên, theo Tổ chức thủy điện của Liên hiệp quốc. Thì các nguồn thủy điện có công suất từ 200 kW – 10 MW gọi là thuỷ điện nhỏ. Thủy điện nhỏ sử dụng dòng chảy của nước để làm quay các tuabin được kết nối với máy phát điện để sản xuất điện. Thủy điện nhỏ được chia thành nhiều loại khác nhau tùy thuộc vào quy mô của nó, chẳng hạn như thủy điện nhỏ (dưới 1000kW), thủy điện vi mô (dưới 100kW) và thủy điện pico (nhỏ hơn 5kW) (EHSA 2005); các định nghĩa có thể khác nhau tùy theo các nhà sản xuất và quốc gia, vì không có định nghĩa được quốc tế chấp nhận về thủy điện nhỏ. Ở Trung Quốc, thủy điện nhỏ được dùng để chỉ công suất lên đến 25 MW, ở Ấn Độ là 15 MW và ở Thụy Điển, từ "nhỏ" là lên đến 1,5 MW. Tuy nhiên, công suất lên đến 10 MW là tiêu chuẩn được chấp nhận chung bởi Hiệp hội thủy điện nhỏ châu Âu (ESHA), Ủy ban châu Âu và UNIPEDE 5 (Liên minh quốc tế các nhà sản xuất và phân phối điện). Còn các nhà máy có công suất từ 10 MW – 100 MW là thuỷ điện vừa. Thủy điện quy mô nhỏ có thể là một nguồn hữu ích để điện khí hóa các khu vực biệt lập và cũng có thể đóng góp thêm vào sản xuất điện quốc gia cho nhu cầu cao điểm. 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 tuốc bin 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. Hình 1.1 Thủy điện Vĩnh Hà ở xã Tân Dương & Thượng Hà tỉnh Lào Cai Thủy điện này có công suất 21 MW với 2 tổ máy, sản lượng điện hàng năm 89 triệu KWh, khởi công tháng 5/2013, khánh thành tháng 9/2016. 6 1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện 1.2.1. Cấu tạo Thủy điện là nguồn 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. Hay nói cách khác, thủy điện được xem là nguồn năng lượng tái tạo bền vững nhờ vòng tuần hoàn của nước dưới sự tác động của Mặt trời sử dụng turbine và máy phát điện để chuyển hóa sức nước thành điện năng. Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo nhà máy thủy điện Nhà máy thủy điện được cấu tạo bởi các thành phần sau đây:  Đập thủy điện (Dam): Hầu hết các nhà máy thủy điện dựa vào một con đập chứa nước lại, tạo ra một hồ chứa lớn.  Ống dẫn nước (Penstock): Dẫn nguồn nước đến tuabin. 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 tăng dần áp lực khi nó chảy qua đường ống này.  Tua bin (Turbine): Tua bin giúp gắn liền với máy phát điện ở phía trên nhờ một trục. Loại tuabin phổ biến dùng cho nhà máy thủy điện là Turbine Francis, có hình dạng giống như một đĩa lớn với những cánh 7     cong. Mỗi chiếc tuabin có khối lượng lên tới khoảng 172 tấn và quay với tốc độ 90 vòng mỗi phút. Máy phát điện (Generator): Là loại máy gồm một loạt các nam châm khổng lồ quay quanh cuộn dây đồng. Khi các cánh tua-bin quay,những nam châm khổng lồ này quay quanh cuộn dây đồng, sản sinh ra dòng điện xoay chiều (AC) Máy biến áp (Transformer): 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. Đường dây điện (Power Lines): Đường dây điện gồm ba dây pha của năng lượng điện được sản xuất và một dây trung tính. Cống xả (Outflow): Giúp đưa nước chảy qua các đường ống và chảy vào hạ lưu sông. Ý tưởng khai thác các dòng nước để tạo ra điện có từ rất sớm. Ban đầu là các bánh xe lớn đặt thẳng đứng có gắn các gàu múc để đưa nước lên cao. Vào cuối những năm 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. Ngày nay, có khoảng 45000 con đập rải rác trên địa cầu, cung cấp khoảng 1/5 lượng 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 đã được khai thác đến 70%. 1.2.2. Nguyên lý hoạt động của nhà máy thủy điện Quá trình vận hành nhà máy thủy điện gồm có bốn giai đoạn chính: - Giai đoạn 1: Dòng nước với áp lực lớn chảy qua các ống thép lớn được gọi là ống dẫn nước có áp tạo ra các cột nước khổng lồ với áp lực lớn đi vào bên trong nhà máy. - Giai đoạn 2: Nước chảy mạnh làm quay tuabin của máy phát điện, năng lượng cơ học được chuyển hóa thành điện năng. - Giai đoạn 3: Điện tạo ra đi quá máy biến áp để tạo ra dòng điện cao thế. - Giai đoạn 4: Dòng điện cao thế sẽ được kết nối vào mạng lưới phân phối điện và truyền về các thành phố. 8 1.3. Ưu điểm, nhược điểm của nhà máy thủy điện 1.3.1. Ưu điểm Lợi ích lớn nhất của thủy điện là hạn chế được giá thành nhiên liệu. Các nhà máy thủy điện không phải chịu cảnh tăng giá của nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí thiên nhiên hay than đá, và không cần phải nhập nhiên liệu. Các nhà máy thủy điện cũng có tuổi thọ lớn hơn các nhà máy nhiệt điện, một số nhà máy thủy điện đang hoạt động hiện nay đã được xây dựng từ 50 đến 100 năm trước. Chi phí nhân công cũng thấp bởi vì các nhà máy này được tự động hoá cao và có ít người làm việc tại chỗ khi vận hành thông thường. Các nhà máy thủy điện hồ chứa bằng bơm hiện là công cụ đáng chú ý nhất để tích trữ năng lượng về tính hữu dụng, cho phép phát điện ở mức thấp vào giờ thấp điểm (điều này xảy ra bởi vì các nhà máy nhiệt điện không thể dừng lại hoàn toàn hàng ngày) để tích nước sau đó cho chảy ra để phát điện vào giờ cao điểm hàng ngày. Việc vận hành cách nhà máy thủy điện hồ chứa bằng bơm cải thiện hệ số tải điện của hệ thống phát điện. Những hồ chứa được xây dựng cùng với các nhà máy thủy điện thường là những địa điểm thư giãn tuyệt vời cho các môn thể thao nước, và trở thành điểm thu hút khách du lịch. Các đập đa chức năng được xây dựng để tưới tiêu, kiểm soát lũ, hay giải trí, có thể xây thêm một nhà máy thủy điện với giá thành thấp, tạo nguồn thu hữu ích trong việc điều hành đập. Sông và suối mang theo trầm tích trong dòng chảy của chúng. Trầm tích này có thể ở nhiều vị trí khác nhau trong dòng chảy, phụ thuộc vào sự cân bằng giữa vận tốc hướng lên trên hạt (lực kéo và lực nâng) và [vận tốc lắng đọng vận tốc thiết bị đầu cuối] của hạt. Các mối quan hệ này được thể hiện trong bảng sau cho Rouse number, đây là tỷ lệ vận tốc rơi trầm tích với vận tốc hướng lên trên. 1.3.2. Nhược điểm Trên thực tế, việc sử dụng nước tích trữ thỉnh thoảng khá phức tạp bởi vì yêu cầu tưới tiêu có thể xảy ra không trùng với thời điểm yêu cầu điện lên mức cao nhất. Những thời điểm hạn hán có thể gây ra các vấn đề rắc rối, bởi vì mức bổ sung nước không thể tăng kịp với mức yêu cầu sử dụng. Nếu yêu cầu về mức nước bổ sung tối thiểu không đủ, có thể gây ra giảm hiệu suất và việc lắp đặt một turbine nhỏ cho dòng chảy đó là không kinh tế. Sự phát điện của nhà máy điện cũng có thể ảnh hưởng đến môi trường của dòng sông bên dưới. Thứ nhất, nước sau khi ra khỏi turbine thường chứa rất ít cặn lơ lửng, có thể gây ra tình trạng xối sạch lòng sông và làm sạt lở bờ sông. 9 Thứ hai, vì các turbine thường mở không liên tục, có thể quan sát thấy sự thay đổi nhanh chóng và bất thường của dòng chảy. Một cái hại nữa của các đập thủy điện là việc tái định cư dân chúng sống trong vùng hồ chứa. Trong nhiều trường hợp không một khoản bồi thường nào có thể bù đắp được sự gắn bó của họ về tổ tiên và văn hoá gắn liền với địa điểm đó vì chúng có giá trị tinh thần đối với họ. Hơn nữa, về mặt lịch sử và văn hoá các địa điểm quan trọng có thể bị biến mất, như dự án Đập Tam Hiệp ở Trung Quốc, đập Clyde ở New Zealand và đập Ilisu ở đông nam Thổ Nhĩ Kỳ. Việc xây đập tại vị trí địa lý không hợp lý có thể gây ra những thảm hoạ như vụ Đập Vajont tại Ý, gây ra cái chết của 2001 người năm 1963. 1.3.3. Vai trò của nhà máy thủy điện Thủy điện với cơ chế sử dụng động lực hay năng lượng dòng chảy của các con sông hiện nay chiếm 20% lượng điện của toàn thế giới. Ngoài một số nước có nhiều tiềm năng thủy điện, năng lực nước cũng thường được dùng để đáp ứng cho giờ cao điểm bởi vì có thể tích trữ nó vào giờ thấp điểm (trên thực tế các hồ chứa thủy điện bằng bơm – pumped-storage hydroelectric reservoir thỉnh thoảng được dùng để tích trữ điện được sản xuất bởi các nhà máy nhiệt điện để dành sử dụng vào giờ cao điểm). Thủy điện không phải là một sự lựa chọn chủ chốt tại các nước phát triển bởi vì đa số các địa điểm chính tại các nước đó có tiềm năng khai thác thủy điện theo cách đó đã bị khai thác rồi hay không thể khai thác được vì các lý do khác như môi trường. Các nhà máy thủy điện của EVN đóng vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điện quốc gia, đóng vai trò chủ đạo trong việc cung cấp điện cho hệ thống, phục vụ phát triển kinh tế - xã hội của đất nước và hội nhập quốc tế. Bên cạnh đó, các nhà máy thủy điện còn đóng vai trò chính trong việc chống lũ lụt cho các vùng đồng bằng và cung cấp nước tưới tiêu cho vùng hạ du, đồng thời hạn chế xâm nhập mặn trong bối cảnh biến đổi khí hậu, nước biển dâng. Nhà máy thủy điện cũng mang lại nguồn thu ngân sách cho các tỉnh, xây dựng các khu tái định cư với đầy đủ cơ sở hạ tầng như "điện, đường, trường, trạm", giải quyết công ăn việc làm cho một bộ phận thanh niên trên địa bàn, tạo điều kiện để đồng bào vùng sâu, vùng xa tiếp xúc với tri thức văn hóa mới. 10 1.4. Các hệ thống điều khiển trong nhà máy thủy điện Hệ thống điều khiển của máy chủ thủy điện được thiết kế đóng với khả năng kiểm soát tại chỗ của nhà máy. Trang thiết bị hiện đại có vai trò tích hợp thông tin để phục vụ công tác quản lý, điều khiển. Hệ thống giám sát và điều khiển tích hợp ICMS Hệ thống giám sát và điều khiển tích hợp (ICMS) bao gồm hai hệ thống: Hệ thống giám sát và điều khiển tổ máy (UCMS), hệ thống giám sát và điều khiển trạm (SCMS). Hệ thống UCMS Hệ thống UCMS kết hợp việc điều khiển giám sát các thành phần sau: - Tuabin và lò hơi. - Điều khiển lò hơi. - Khởi động phụ trợ lò hơi. - Hệ thống nuớc làm mát và trạm bơm nước làm mát. - Ngưng hơi và cấp nhiệt. - Các điều khiển tuabin, bao gồm ghép nối với hệ thống điều khiển thủy lực số (D-EI1G) và tuabin. - Chạy mồi tuabin tự động. - Bảo vệ lò hơi. - Bảo vệ tuabin. - Lọc bụi tĩnh điện (ESP) . - Hệ thống khử lưu huỳnh (FGD) và kẻt hợp khử nước thạch cao và khử đá vôi. - Các hệ thống điện. - Các ghép nối đóng cắt điện và role bảo vệ. - Các liên kết nối tiếp khác nhau dùng giao thức truyền thông công nghiệp, như Modbus. - Hệ thống máy phát và thiết bị đóng cắt trung cao thế. - Ghép nối với mạng SCADA của trung tâm điều độ quốc gia. Hệ thống UCMS có quá trình xử lý vào/ra, các chức năng giao tiếp người máy (HMD, xứ lý hiển thị, hiển thị và thu thập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, truy cập dữ liệu dữ liệu trong quá khứ, xử lý sự cố, báo cáo quá trình, các tiện ích về đặt cấu hình các vòng điều khiển, cơ sở dữ liệu tập trung và bảo trì kỹ thuật. Hệ thống ICMS có khả năng thông tin với trung tâm phân phối điện năng vùng 11 hoặc quốc gia thông qua mạng SCADA và/hoặc đường truyền Phase Line Carrier để điều khiển tự động máy phát và giám sát từ xa. Ngày nay các hệ thống UCMS được xây dựng từ hệ thống điều khiển phân tán (DCS) dựa trên các bộ vi xử lý cũng như các phần mềm và phần cứng hiện đại. Hệ thống giám sát và điều khiển trạm phụ SCMS Hệ thống SCMS kết hợp việc điều khiển giám sát các trạm sau: - Hệ thống nước thải. - Xử lý nước. - Hệ thống bơm xả chất thải. - Hệ thống cấp than. - Các máy thủy lực. - Các máy nén khí. - Hệ thống trạm điện. - Khu chứa dầu. - Bơm nước phòng chống cháy nô. - Panel báo cháy và sự cố. - Hệ thống máy phát Diesel. - Các ghép nối đóng cắt điện và role bảo vệ. - Các liên kết nối tiếp khác nhau dùng giao thức truyền thông công nghiệp, như Modbus. - Trạm bơm nước làm mát c w . Hệ thống SCMS có quá trình xử lý vào/ra, các chức năng giao tiếp người máy (HMI), xử lý hiển thị, hiển thị và thu thập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, truy cập dữ liệu dữ liệu trong quá khứ, xử lý sự cố, báo cáo quá trình, các tiện ích về đặt cấu hình các vòng điều khiển, cơ sở dữ liệu tập trung và bảo trì kỹ thuật. Hệ thống SCMS phải là hệ thống DCS có các HMI thông qua việc sử dụng hoặc các bộ điều khiên dạng DCS hoặc các PLC phân tán 12 CHƯƠNG II: MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 2.1. Tìm hiểu về máy phát điện 2.1.1. Chức năng nhiệm vụ của máy phát điện - Máy phát điê ̣n nói chung là thiết bị có tác dụng biến đổi cơ năng thành điê ̣n năng thông thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điê ̣n từ. Nguồn cơ năng sơ cấp có thể là tuabin nước, tua bin hơn, tuabin gió, động cơ đốt trong hoặc các nguồn cơ năng khác. - Máy phát điện có ba chức năng chính đó là phát điện, chỉnh lưu và hiệu chỉnh điện áp. Phát điện: Với hệ thống cấu trúc động cơ quay, truyền chuyển động quay đến máy phát điện thông qua dây đai hình chữ V. Kết cấu Rotor của máy phát là một nam châm điện tạo ra từ trường, từ đó tương tác lên dây quấn trong stator để phát sinh ra điện. Chỉnh lưu: Các thiết bị điện sẽ không sử dụng được trực tiếp dòng điện xoay chiều tạo ra trong máy phát điện mà cần phải được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều. Nhờ bộ chỉnh lưu, dòng điện xoay chiều sẽ được điều chỉnh thành dòng điện một chiều. Hiệu chỉnh điện áp: Chức năng này thực hiện tiết chế điều chỉnh điện áp sinh ra từ dòng điện của máy phát điện. Nhờ nó có thể đảm bảo được hiệu điện thế của dòng điện đi đến các thiết bị sẽ luôn là một hằng số, ngay cả khi tốc độ máy phát điện không đổi. 2.1.2. Phân loại máy phát Các máy phát điện thủy lực thường dùng máy phát điện đồng bộ cực lồi phân loại như sau:  Phân loại theo phương pháp làm mát - Trong vận hành việc làm mát cho máy phát điện phải trao đổi truyền dẫn nhiệt của máy phát ra môi trường bên ngoài nhằm mục đích giảm nhiệt độ của máy phát - Làm mát bề mặt - Làm mát bề mặt bằng không khí 13 - Làm mát bằng không khí H2 - Làm mát trực tiếp: Làm mát trực tiếp là phương phápp cho khí H² gió, tuần hoàn trực tiếp bên trong ống dây dẫn hay đi qua đường ống có tiếp xúc với dây dẫn điện.  Phân loại theo phương pháp kích từ Các máy phát tuabin nước thường dùng hệ thống kích từ bằng nguồn điện xoay chiều, dòng điện xoay chiều chỉnh lưu thành một chiều được đưa vào cuộn dây kích thích máy phát bằng hệ thống chổi than và vành góp  Phân loại theo hướng trục của máy phát Gồm 2 loại: Kiểu trục đừng và kiểu trục ngang + Trục Đứng: kiểu Rotor máy dựng thẳng đứng + Trục Ngang: Là kiểu roto máy phát nằm  Phân loại theo cách bố trí ổ trục Trục máy phát được đỡ bằng ổ trục. - Đố với loại máy phát theo kiểu trục ngang thì ổ trục được bố trí cả về 2 phía của roto, hệ thống bôi trơn được bố trí ngay trên trục - Đối với máy kiểu đứng thì dùng đỡ kiểu treo và ổ đỡ kiểu ô lớn tốc độ thấp. 2.1.3. Cấu tạo Máy phát điện xoay chiều 3 pha là một hệ thống gồm 3 dòng điện xoay chiều có cùng biên độ cùng tần số, nhưng lệch pha nhau 2/3. Ba cuộn dây của phần ứng đặt lệch nhau 1/3 vòng tròn trên stato. Hình 2.1: Cấu tạo máy phát điện xoay chiuu 3 pha Chú thích: 1- Vỏ máy phát 2- Bạc lót 3- Stato 5- Bộ chỉnh lưu 6- Bộ điều chỉnh điện 7- Vòng tiếp điện 14 4- Giá đỡ 8- Roto  Phần cảm (ROTO) 1 nam châm điện (được nuôi bởi dao động 1 chiều) có thể quay xung quanh trục cố định để tạo ra từ trường biến thiên.  Phần ứng: (STATO): gồm 3 cuộn dây giống hệt nhau về kích thước, số vòng và được bố trí trên v ̣òng trên ̣ lệch nhau1 góc 1200.  Ngoài ra còn có các nắp, puli, cánh quạt và bộ chỉnh lưu. a) Roto Rôto được chế tạo đặc biệt để có sức bền cơ học cao, và có độ rung tối thiểu không những ở chế độ định mức mà còn ở chế độ vượt mức (920vòng/phút). rôto được chế tạo thành 2 bộ phận tách rời để có thể chuyên chở dể dàng nhưng vẫn đảm bảo sức bền cơ học cao. + Trục chính và khung từ: trục chính được chế tạo bằng 2 trục rỗng để thuận tiện cho việc chuyên chở, hai trục này được két chặt với nhau bằng 12bulong ở mặt bích và chịu được mọi ứng suất cơ học như một trục liền. các bulong này được làm bằng loại thép dai đặc biệt, siết chặt đều. Về phía turbine, trục có một mặt bích dùng để kết nối với bánh xe công tác. Trục chính phía máy phát có 6 gân, hàn dọc theo chu vi trục. khung từ gồm có 3 phần, được gắn khít vào trục ở các gân này. Giữa các gân và khung từ có 3 rãnh nằm đều xung quanh chu vi, các chêm được đóng bằng búa vào rãnh để chuyển ngẫu lực giữa trục và khung sau khi khung từ được gắn khít vào trục. + Cực từ và cuộn dây rotor: Cực từ được cấu tạo bằng các tấm thép từ dày 1,6mm ghép chồng để giảm tổn thất do dòng điện Foucault. Đầu cực có 6 rãnh tròn, mỗi rảnh có chứa một thanh đồng thau hàn ở mỗi đầu vào thanh hình tạo thành cuộn cản. Các thanh hình L được gắn vào tấm thép cuối để chống lại lực ly tâm và tản nhiệt dể dàng cho thanh cản.Tác dụng của cuộn cản là tạo momen cản kéo rotor về tốc độ đồng bộ khi máy dao động, và cải thiện điện áp bớt bất đối xứng hơn khi máy phát làm việc với tải không đối xứng. Các cực từ và cuộn dây trên nó được bắt chặt vào khung theo các rãnh. Mỗi cuộn dây rôtor gồm một bảng dây đồng tiết diện hình chử nhật, cách điện giữa các vòng bằng khoáng vật có dạng sợi (amian) tẩm vecni, cách điện với đất được thực hiện bằng các tấm mica. Khoảng giữa hai cực được chêm bởi hai chêm hình V để giử cuộn dây không bị lỏng, giữa thanh chêm và cuộn dây được lót bằng mica, trên và dưới cuộn dây củng được chêm bằng mica. một miếng đệm lò xo được sử dụng để ép sát cuộn dây vào cực từ đề phòng cách điện cuộn dây bị già cổi và bị tháo lỏng. + Quạt gió: 15 Quạt gió được chế tạo bằng thép cán, hàn dọc theo hướng trục và được gắn vào khung từ. cánh quạt làm bằng cánh dập, cắt theo hình dạng định sẵn được hàn vào đai đỡ ở khoảng cách đều. Nhiệm vụ cùa quạt là thổi gió luân chuyển không ngừng trong máy + Vành trượt : Vành trượt làm bằng thép tấm, có rãnh dạng hình tròn ốc được khắc trên bề mặt để bụi than dễ dàng bắn ra ngoài. chổi than làm bằng graphit thiên nhiên loại tốt có khả năng chịu được dòng lớn. b) Stator Dây quấn stator là dây quấn sóng hai lớp cấu tạo từ các cuộn dây nữa vòng. Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy, dây quấn gồm những tao dây tạo bởi những sợi dây đồng bọc hai lớp cách điện thuỷ tinh. các tao dây được sắp xếp thành hai hàng, mỗi hàng 20 tao hoán vị kiểu robel để phân bố từ trường đều tráng hiệu ứng mặt ngoài. Dây dẫn nói trên được làm cứng bằng nhựa phenol rồi được quấn lên nhiều vòng bằng mica và giấy kết hợp với nhựa tổng hợp có đặc tính cách điện tốt. Ở mặt ngoài, dây dẩn được phủ một lớp bằng thuỷ tinh. sau khi cho vào hút chân không để loại trừ hơi ẩm, dây dẩn được tẩm nhựa tổng hợp có đặc tính cách điện tốt. Cuộn dây stator được quấn kiểu gợn sóng gồm 126 rãnh nếu nhìn từ phía kích thích, cuộn dây được quấn từ rãnh 1 đến rảnh 13. Nếu nhìn từ phía turbine thì cuộn dây đi từ rãnh 1 đến rãnh 10. mỗi rãnh một pha trong 1 bước cực là 3.1/2 Ta có: 3.1/2 x 3pha x 12 cực =126rãnh. Cuộn dây máy phát được nối hình sao, trung tính của máy phát được nối với máy biến áp trung tính trước khi nối đất. Chất cách điện của dây dẫn thuộc loại F có thể chịu đựng độ tăng nhiệt tối đa lâu dài là 750C nhiệt độ cho phép lớn nhất là 1300C. Trong máy phát còn có 12 bộ cảm biến nhiệt độ được gắn trong các rãnh quanh chu vi stator giữa hai cuộn dây trên và dưới trong đó 6 cuộn làm viậc và 6 cuộn dự phòng. các cảm biến nhiệt này sẻ cho biết nhiệt độ của cuộn dây, bộ chỉ thị được đặt ở tủ điều khiển tại phòng điều hành. Tại gối đỡ trục máy củng có các bộ dò tìm nhiệt độ. 2.1.4. Nguyên lý làm việc của máy phát Dùng áp lực nước, làm quay turbine máy phát với tốc độ đồng bộ. đồng thời đưa dòng điện kích thích từ vào dây quấn kích từ khi đó từ trường của phần cảm cắt ngang các thanh dẫn làm cảm ứng sức điện động trên các dây quấn phía tator. do từ trường phân bố trong các khe hở không khí biến thiên theo qui luật hình sin nên sức điện động cảm ứng sinh ra củng biến thiên theo qui luật hình sin. do 3 cuộn dây có cấu tạo giống nhau và đặt lệch nhau 1200 nen sức điện động sinh ra sẻ là. 16 eA = Em.Sint eB= Em.Sin(t – 1200 ) eC = Em.Sin(t – 2400 ) Trị hiệu dụng : E= 4,44.f .w1.Kdq.0 Trong đó :  0 : Từ thông cực từ roto  Kdq : Hệ số dây quấn <1  w1 : Số vòng dây trên 1 pha  f : Tần số Khi máy có P đôi cực, tốc độ quay n thì tần số sinh ra f=P.n/60 Khi máy phát điện được nối với tải ,thì sẽ sinh ra dòng điện 3 pha chạy trong máy tạo ra từ trường quay. Hình 2.2: Nguyên lý dòng điện xoay chiuu 2.1.5. Thông số máy phát điện trong nhà máy thủy điện a) Cấu tạo Máy phát điện trong Nhà máy thuỷ điện Suối Sập I là máy phát điện thủy lực đồng bộ xoay chiều ba pha, trục ngang có cấu tạo gồm Stato, Rôto, ổ trục có bệ đỡ trước và sau, nắp đậy trước và sau tấm bệ, cánh gió, bộ làm mát không khí. b) Thông số Máy phát : Kiểu máy phát Hãng chế tạo Công suất định mức (Pđm) Công suất biểu kiến (Pđm) Điện áp định mức (U) Máy phát đồng bộ 3 pha, trục ngang WEG-BRAZIN 10.5 MW 13.125 MVA 6.3 KV 17 Dòng điện định mức (I) Sơ đồ nối dây Tần số Tốc độ quay định mức Tốc độ lồng tốc Hệ số công suất Số cực rotor Số pha Máy phát kích thích : Kiểu kích từ Công suất (S) Điệp áp đầu vào (U) Điện áp đầu ra (U) Dòng điện đầu vào (I) Dòng điện đầu ra (I) Tần số (f) Số cặp cực 1203 A Nối Y 50 Hz 600rpm 900rpm 0.8 5 3 Không chổi than 116.97 KVA 104 VDC 302.81 VDC 11.12 VDC 270.4 VDC 60Hz 12 Hình 2.3: Máy phát điện trong nhà máy thủy điện suối sâp 1 18 2.2. Vận hành máy phát điện trong nhà máy thủy điện 2.2.1. Khởi động máy phát a) Những yêu cầu trước tiên khi khởi động máy phát - Đảm bảo hệ thống nguồn 220V DC tốt và sẵn sàng làm việc. - Đảm bảo hệ thống nguồn 400V AC tốt và sẵn sàng làm việc. - Đảm bảo hệ thống áp lực dầu (OPU) không có sự cố gì và kiểm tra mực dầu ở mức bình thường. - Đảm bảo hệ thống nước làm mát đang hoạt động và mỗi vị trí van là theo chỉ dẫn bình thường. - Đảm bảo máy phát và máy biến áp chính hoạt động bình thường. - Đảm bảo bộ lọc hệ thống nước làm mát đã được làm sạch. - Đảm bảo máy điều tốc ở trạng thái tốt (đèn output 01 trên mặt bộ điều tốc sang). b) Các điều kiện để khởi động tổ máy - Lựa chọn chế độ điều khiển tổ máy tự động hoặc bằng tay - Tất cả các phụ trợ như CW, OPU, JOS và LOS trong trạng thái ngừng hoạt động. - Van vòng đang đóng hoàn toàn. - Van đĩa đang đóng hoàn toàn. - Cánh hướng đang đóng hoàn toàn. - Máy phát đang dừng. - Rơ le cắt chính đã tác động (86TU). - Phanh máy phát đã nhả. - Máy cắt đầu cực đang mở. - Tất cả các rơ le báo lỗi khẩn cấp và không khẩn cấp của máy phát / máy biến áp đã được reset. - Hệ thống AVR tổ máy trong trạng thái tốt và đảm bảo chế độ lựa chọn theo chế độ tự động (AVR) hoặc chế độ bằng tay (FCR). c) Khởi động máy phát  Khởi động bằng tay Lựa chọn chế độ bằng tay (SW-2): Lựa chọn chế độ vận hành tua bin sử dụng công tắc 2 vị trí (SW-2) từ bảng TAGP. Ở chế độ này ta xoay khóa lựa chọn về vị trí manual để lựa chọn chế độ điều khiển tổ máy bằng tay. Mở van bằng tay nước làm mát máy phát: Tại gian máy mở van nước đầu vào của hệ thống nước làm mát (van tay), đảm bảo áp lực đầu vào từ 7- 8 kg/cm2 và áp lực sau van giảm áp từ 3,6- 4 kg/cm 2, áp lực cho hệ thống nước chèn trục từ 2- 3 kg/cm2, lưu lượng nước chèn trục từ 70- 85 l/p.Tại gian điều khiển hệ thống nước làm mát sẽ BẬT từ công tắc-5 tại bảng TAGP và nhìn được vào hiển thị tình trạng. Sau đó reset tín hiệu phản hồi nước làm mát thấp và lưu lượng nước chèn trục thấp. 19 Hệ thống bôi trơn ổ trục máy phát (GLOP) BẬT: Hệ thống dầu GLOP được bật từ khóa 2 vị trí SW-6 tại bảng TAGP và quan sát được trên bảng hiển thị tình trạng làm việc của thiết bị đảm bảo: - Lưu lượng dầu qua gối sau từ 11-12,5l/p. - Lưu lượng dầu qua gối trước: - Đường T1 từ 20- 21 l/p. - Đường T2 từ 30- 34 l/p. - Đường T3 từ 42- 45 l/p. Sau khi tín hiệu phản hồi áp lực dầu GLOP và lưu lượng dầu cho ổ hướng trước/sau máy phát đã đạt ta reset các tín hiệu đèn báo áp lực và lưu lượng dầu glop thấp. Sau đó có thể khởi động hệ thống dầu JACKING để nâng roto máy phát (Nếu bơm một chiều mà khởi động sau khi bật khóa lựa chọn khởi động hệ thống dầu GLOP/LOS thì phải kiểm tra lại việc cấp nguồn 400 VAC cho hệ thống). Hệ thống dầu kích (JOS) BẬT: Hệ thống dầu JACKING được bật từ khóa 2 vị trí SW-11 tại bảng TAGP và quan sát được trên bảng hiển thị tình trạng làm việc của thiết bị. Sau khi tín hiệu phản hồi áp lực dầu JACKING đã đạt thì có thể khởi động bơm dầu OPU.(Nếu bơm một chiều mà khởi động sau khi bật khóa lựa chọn khởi động hệ thống dầu JACKING thì phải kiểm tra lại việc cấp nguồn 400 VAC cho hệ thống). Hệ thống dầu OPU BẬT: Hệ thống dầu OPU được khởi động từ khóa 2 vị trí SW- 7 ta có thể quan sát được trên bảng hiển thị tình trạng làm việc của thiết bị, sau khi tín hiệu phản hồi của OPU BẬT và áp lực dầu điều khiển đã đạt, ta có thể reset rơ le 86Z, 86X và rơ le cắt chính (86TU) của tua bin và reset lại tất cả các lỗi tua bin trong bảng hiển thị. RESET 86TU: Chỉ có thể reset được rơ le 86Z & 86X sau khi đã reset tất các rơ le phụ trên tủ R1A và C1A. Sau đó mới có thể được rơ le 86TU tại bảng TAGP. Muốn reset được rơ le 86Y thì phải reset rơ le cắt chính (86TU) trước và tổ máy sẽ sẵn sàng để khởi động. Sử dụng phanh (SW-8): Khi hệ thống OPU đã đủ áp lực ta sẽ kích hoạt phanh máy phát từ khóa SW- 8 trên tủ TAGP nhằm mục đích không cho máy phát quay trước khi ta tác động mở cánh hướng, chỉ sau khi van đĩa đã mở hoàn toàn và van vòng đã đóng lại thì mới reset phanh (nhả phanh) từ khóa SW- 8 và đợi phản hồi phanh đã nhả trên bảng hiển thị tình trạng làm việc của các thiết bị ở TAGP ta mới có thể tác động mở cánh hướng. Điều kiện khởi động đã thỏa mãn: Sau khi đã reset rơ le 86TU thì phải quan sát xem điều kiện khởi động thỏa mãn hay chưa thỏa mãn trên bảng hiển thị tình trạng làm việc của các thiết bị. Các điều kiện khởi động sau đây: - Áp lực dầu điều khiển OPU tốt. - Áp lực hệ thống dầu GLOP tốt. - Lưu lượng DE/NDE máy phát bình thường. 20