Bài giảng - Thủy điện 2- chương 6

Chia sẻ: Sam Sara | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:21

Thêm vào BST

Báo xấu

323
lượt xem 116
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương VI. CHỌN KIỂU LOẠI VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA TURBINE THUỶ LỰC Lựa chọn tổ máy thuỷ lực (turbine, máy phát điện) là phần việc tiến hành khi đã tính ra các thông số Thuỷ năng (Nlm, các cột nước). Lựa chọn turbine đúng, hợp lý chẳng những về mặt kinh tế có lợi mà còn tạo điều kiện tốt cho tổ máy có chỉ tiêu vận hành cao, an toàn. Sau đây là những nội dung cơ bản trong việc chọn turbine thuỷ lực. VI. 1. VẤN ĐỀ CHUẨN HOÁ TURBINE VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG CỘT NƯỚC CỦA CÁC LOẠI...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng - Thủy điện 2- chương 6

Chương VI. CHỌN KIỂU LOẠI VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA TURBINE THUỶ LỰC Lựa chọn tổ máy thuỷ lực (turbine, máy phát điện) là phần việc tiến hành khi đã tính ra các thông số Thuỷ năng (Nlm, các cột nước). Lựa chọn turbine đúng, hợp lý chẳng những về mặt kinh tế có lợi mà còn tạo điều kiện tốt cho tổ máy có chỉ tiêu vận hành cao, an toàn. Sau đây là những nội dung cơ bản trong việc chọn turbine thuỷ lực. VI. 1. VẤN ĐỀ CHUẨN HOÁ TURBINE VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG CỘT NƯỚC CỦA CÁC LOẠI TURBINE VI. 1. 1. Vấn đề tiêu chuẩn hoá turbine Để khai thác sông suối phục vụ cho việc phát điện một cách chủ động và có hiệu quả, ngoài việc lập quy hoạch Thuỷ năng để có dự kiến xây dựng trạm thuỷ điện, việc tiến hành chế tạo thiết bị đáp ứng nhu cầu khai thác thuỷ điện là việc phải tiến hành đồng bộ. Vì nguồn thuỷ năng có tính đa dạng; các vị trí xây dựng trạm thuỷ điện có cột nước, lưu lượng và công suất không giống nhau, do vậy đòi hỏi cần có những kiểu, những hệ loại turbine khác nhau. Nếu thiết kế và chế tạo thiết bị đơn chiếc cho từng trạm sẽ dẫn tới giá thành cao, thời gian chế tạo lâu ... Để giảm nhẹ công việc này, các đơn vị thiết kế chế tạo turbine đã tính toán, thử nghiệm và đưa ra những tài liệu thống nhất về các kiểu turbine đã được quy cách và tiêu chuẩn hoá. Đó là danh mục turbine (còn gọi là gam turbine). Dựa vào những số liệu quy chuẩn này, nhà thiết kế chế tạo turbine sẽ thiết kế chế tạo ra những turbine mới; người chọn turbine sẽ lựa chọn được turbine mà họ cần với thông số thích hợp. Ngành chế tạo turbine của ta hiện còn chưa thể có điều kiện lập ra danh mục turbine cho mình, chúng ta đang dùng turbine của nước ngoài, phần lớn là turbine Liên xô cũ và Trung quốc, mà chủ yếu dựa vào danh mục turbine của Liên xô. Danh mục turbine được lập ở các dạng: - Bảng tra phạm vi sử dụng và các số liệu tính toán cơ bản của BXCT, lập được cho turbine phản kích (bảng 6-1); - Biểu đồ phạm vi sử dụng của các kiểu turbine (hình 6-1, 6-2, 6-3, 6-4 cho turbine phản kích và các biểu đồ 6-5, 6-6 cho turbine xung kích). Trên biểu đồ phạm vi sử dụng của mỗi kiểu BXCT là một hình bình hành giới hạn bởi cột nước Hmin, Hmax và công suất giới hạn Nmax, Nmin. Giới hạn công suất của một kiểu BXCT được xác định bởi đường kính BXCT D1max và D1min thích hợp. Dùng các biểu đồ này chọn kiểu BXCT thích hợp với cột nước và công suất đã cho. Ngày nay đối với turbine vừa và lớn thường dựa vào tính năng khí thực cho phép theo quan điểm kinh tế và độ bền cơ học của cánh BXCT để chọn phạm vi sử dụng của BXCT turbine. Đi kèm mỗi kiểu BXCT còn có biểu đồ riêng của nó (hình 6- ) có thể tra ra đường kính D1, vòng quay n và chiều cao hút hS ( ở độ cao ∇ = 0 ) của turbine kiểu đó. 65
Bảng 6-1. Phạm vi sử dụng và các thông số của turbine phản kích Hệ số σ mô hình Vòng quay qdẫn Lưu lượng qdẫn Phạm vi Loại turbine n'1 n'1 σ với σ với cột nước tối ưu tính toán Q'1min Q'1max Hmin- Hmax Q'1min Q'1max Turbine hướng trục cánh quay 3 – 10 CQ10/592 165 180 2010 2250 1,14 1,4 5 – 15 CQ15/510 150 160 1850 2130 0,84 1,0 10 – 20 CQ20/661 138 152 1710 2040 0,68 0,835 15 – 30 CQ30/587 125 140 1430 1940 0,505 0,745 20 - 40 CQ40 115 130 1240 1700 0,4 0,68 30 - 50 CQ50/642 110 120 1100 1400 0,325 0,505 40 - 60 CQ60/642 106 112 1040 1240 0,27 0,40 45 - 70 CQ70/5A 103 107 940 1150 0,23 0,36 Turbine tâm trục 30 - 40 TT45/123 75 78 1370 1400 0,23 0,27 40 - 75 TT75/128 73 74 1250 1370 0,16 0,243 70 - 115 TT115/697 68 72 1030 1250 0,097 0,168 110 - 170 TT170/741 67 69 650 1030 0,06 0,10 160 - 230 TT230 62 67 420 650 0,047 0,065 220 - 310 TT310 60 65 280 420 0,04 0,048 290 - 400 TT400 58 62 200 280 0,035 0,042 380 - 500 TT500 57 60 150 200 0,03 0,036 Turbine hướng chéo cánh điều chỉnh 30 - 40 HC60 -1 120 120 1100 13500 40 - 60 HC60-1 100 110 900 1100 0,2 60 - 90 HC45-1 90 95 850 1000 0,16 90 - 120 HC45-2 85 90 725 750 0,14 120 - 160 HC30-1 80 85 600 750 0,1 160 - 200 HC30-2 75 80 500 600 0,07 Danh mục turbine phản kích trục đứng cở lớn của Liên xô dùng được hiện nay gồm có 8 đến 9 kiểu BXCT turbine cánh quay và 8 kiểu BXCT turbine tâm trục. Các thông số thuỷ lực và thông số kết cấu của các kiểu đều được ghi trong danh mục turbine (bảng 6-1) ở trên. Đặc trưng cuả turbine turbine được ký hiệu bởi các chữ và số sắp xếp theo thứ tự nhất định, gọi là nhãn hiệu turbine. Cách ký hiệu của Liên xô như sau: - Hai chữ đầu biểu thị hệ turbine (PO - tâm trục; Πp - cánh quạt; ΠΛ - cánh quay ... ) - Phân số viết tiếp theo: tử số là cột nước lớn nhất (Hmax) / mẫu số là số hiệu của kiểu turbine mô hình (turbine cũ không ghi phân số mà chỉ ghi số hiệu của kiểu TB mô hình) - Hai chữ tiếp theo là: phương thức lắp trục ( B - trục đứng, Γ- trục ngang) và loại buồng turbine ( M - buồng xoắn kim loại, ƃ - buồng xoắn bê tông, Φ - buồng hình ống, O - buồng hở); - Phần con số cuối cùng biểu thị đường kính tiêu chuẩn D1 (cm) của BXCT. 66
Ví dụ 1: Cách ghi nhãn hiệu turbine loại mới: ΠΛ 30/587 - Bσ - 500 là turbine cánh quay, cột nước lớn nhất Hmax = 30m, số hiệu BXCT mô hình là 587, lắp trục đứng, buồng xoắn bằng bê tông, có đường kính tiêu chuẩn BXCT D1 = 500 cm. ( có trường hợp nhãn không ghi loại buồng turbine thì nhãn hiệu ghi là ΠΛ 30/587 - B - 500 ); Ví dụ 2: Cách ghi nhãn hiệu của của turbine loại cũ: PO123 - ΓM 100 (loại cũ không ghi cột nước lớn nhất). Đây là nhãn hiệu turbine tâm trục, số hiệu BXCT mô hình là 123, lắp trục ngang, buồng xoắn bằng kim loại, đường kính BXCT D1 = 100 cm. Nhãn hiệu turbine gáo được ký hiệu gồm hai phần: - Phần đầu ghi theo thứ tự sau: chỉ hệ turbine gáo (KB), phương thức lắp trục (B - trục đứng, Γ - trục ngang), đường kính BXCT (cm), số lượng BXCT lắp trên một trục; - Phần thứ hai sau dấu gạch ngang ghi theo thứ tự: đường kính tia dòng nước (mm), số vòi phun lắp trên BXCT. Ví dụ: KBΓ 125 x 1 - 140 x 2, có nghĩa là: turbine gáo trục ngang, đường kính tiêu chuẩn BXCT D1 = 125 cm, chỉ có một BXCT, đường kính tia dòng là 140mm, có hai vòi phun trên một BXCT. Ghi nhãn hiệu của các nước tương tự nhưng khác chữ cái, tương ứng sau: Hệ lọai turbine Ký hiệu bằng tiếng Việt nam Liên Xô T.Quốc Nước khác Hệ turbine: Πp Turbine Cánh quạt CC ZD Pr ΠΛ Cánh quay CQ ZZ K Tâm trục TT PO HL F Chéo trục CT Gáo G KB QJ P Tia nghiêng N H T XK hai lần X2 B Cách lắp trục: Trục đứng D B L V Γ Trục ngang N W H Kiểu buồng turbine: Buồng hở H O M Φ Ống T Z Xoắn kim loại K M J Xoắn bê tông B H Ghi chú: Ký hiệu tiếng Việt như trên là mới dự kiến, chưa chính thức. 67
Hình 6-1. Biểu đồ phạm vi sử dụng của turbine phản kích lớn. Hình 6-2. Miền sử dụng các turbine phản kích 68
Hình 6-3. Miền sử dụng các kết cấu của turbine phản kích Hình 6-4. Biểu đồ tổng hợp hệ loại turbine trung bình và nhỏ 69
Hình 6-5. Biểu đồ tổng hợp hệ loại turbine xung kích vừa và nhỏ Hình 6-6. Biểu đồ hệ loại riêng của turbine xung kích hai lần 70
VI. 1. 2. Phạm vi sử dụng cột nước của các loại turbine Ngày nay việc sử dụng turbine lớn và trung bình, một cách gần đúng thường dựa vào tính năng khí thực (xác định cột nước lớn nhất của mỗi kiểu turbine theo điều kiện gần đúng: H = (10 - HS) / σ) và độ bền cơ học của thiết bị qua nước turbine. Người ta chọn turbine dựa vào phạm vi sử dụng cột nước như sau: - Turbine hướng trục thường được dùng với cột nước H = 1,5÷2 đến 80 m, riêng turbine hướng trục cánh kép H = 30÷100 mét; - Turbine tâm trục : H = 30÷550 m , phổ biến H = 30÷350 m; - Turbine cánh chéo : H = 30÷150 m; - Turbine gáo: H = 200÷2000 m; Ngày nay, phạm vi sử dụng cột nước được mở rộng là nhờ những thành tựu đạt được trong lĩnh vực chế tạo turbine: Trước kia turbine hướng trục, mà đặc biệt là turbine cánh quay thường được sử dụng với cột nước H =15÷50m; với cột nước nầy kích thước và trọng lượng máy lớn, giá thành tăng. Việc tăng cột nước sử dụng của turbine cánh quay lên H = 50÷80 m nhằm mục đích tăng hiệu suất bình quân của tổ máy trong trường hợp phụ tải và cột nước thay đổi nhiều. Cột nước H = 3÷15 m được thay thế bằng việc sử dụng turbine capxun có tỷ tốc cao và rẻ hơn. Nhược điểm của turbine hướng trục trục đứng là có đặc tính khí thực kém hơn turbune tâm trục, do vậy turbine cánh quay cũng bị hạn chế không nên làm việc ở cột nước cao. Kinh nghiệm thấy rằng khi chiều cao hút HS không nhỏ hơn - 6 đến 8 m thì hệ cánh quay có lợi về kinh tế. Hệ turbine cánh chéo quay ra đời nhằm kết hợp những ưu điểm của hệ cánh quay như hiệu suất bình quân tương đối cao khi cột nước và phụ tải giao động lớn và đặc điểm của turbine tâm trục là có đặc tính khí thực và độ sâu lắp turbine tương đối nho. Hiện nay phạm vi sử dụng của turbine cánh chéo được nâng lên H = 50÷200 m. Turbine tâm trục ngày nay có cột nước sử dụng mở rộng lên H = 30÷700 m, có thể thay thế phạm vi cột nước H = 300÷700 m mà turbine gáo thường đảm nhận. Trong phạm vi này nên dùng turbine gáo chỉ khi phụ tải thay đổi nhiều, nước có nhiều tạp chất và điều kiện xây dựng không cho phép đặt turbine ở độ sâu quá lớn. Ở các điều kiện kiện khác nên sử dụng turbine tâm trục vì nó có hiệu suất lớn hơn của turbine gáo từ 2 đến 3%. Riêng đối với turbine nhỏ, do điều kiện xây dựng cũng như khả năng chế tạo mà pạm vi sử dụng cột nước cũng có khác, ví như turbine gáo có thể sử dụng với cột nước chứng H = 100m; turbine tâm trục có thể sử dụng cột nước H = 3÷80 m; turbine cánh quạt H = 2÷16m ... VI. 2. NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG KHI CHỌN TURBINE Đối với người thiết kế trạm thuỷ điện, việc chọn thiết bị cơ điện nói chung và chọn turbine nói riêng, là dựa vào các tài liệu turbine do nhà máy chế tạo cung cấp để chọn turrbine thích hợp với các thông số thực tế của trạm. Trong trường hợp không có turbine thích hợp thì có thể tính toán ra các thông số cơ bản turbine của trạm để đặt 71
hàng nhà chế tạo turbine thiết kế và chế tạo turbine mong muốn. Trong phần này chỉ đề cập đến cách chọn turbine đã sản xuất hoặc đã thiết kế đã có trong hệ loại turbine. VI. 2. 1. Tài liệu gốc để chọn turbine Khi lựa chọn turbine cần biết các số liệu gốc sau: - Các cột nước của trạm: lớn nhất Hmax, nhỏ nhất Hmin, cột nước thiết kế Htk; - Công suất lắp máy của trạm hoặc công suất của tổ máy; - Cao trình mực nước thượng, hạ lưu nhà máy ứng với các cột nước; - Mực nước hạ lưu ứng với các lưu lượng tháo qua nhà máy. Các tài liệu này do cơ quan khảo sát thiết kế thuỷ điện cung cấp. Cùng với những tài liệu trên để chọn turbine còn phải có những tài liệu về turbine sau: - Bảng tổng hợp hệ loại hoặc biểu đồ tổng hợp hệ loại turbine; - Đường đặc tính tổng hợp chính của kiểu turbine; - Hệ số khí thực cuả turbine ở các chế độ làm việc của kiểu turbine; - Đường đặc tính quay lồng ... . VI. 2. 2. Nội dung và vấn đề chung khi chọn turbine 1. Nội dung chọn turbine Nội dung chọn turbine theo yêu cầu thiết kế trạm bao gồm những việc sau: a. Xác định số lượng tổ máy; b. Chọn hệ, kiểu turbine và kiểu tổ máy; c. Xác định đường kính tiêu chuẩn BXCT D1; d. Xác định số vòng quay đồng bộ của turbine; e. Tính độ cao hút cho phép [HS] và cao trình đặt turbine 2. Những vấn đề chung khi chọn turbine Kết quả để lựa chọn turbine và các thông số của turbine phải dựa trên cơ sở tính toán so sánh kinh tế năng lượng và tính khả thi của các phương án số tổ máy và phải xét đến hiệu suất của turbine ở các chế độ làm việc, xét tới điều kiện khí thực của turbine... Sau đây chúng ta xét về những vấn đề chung khi chọn turbine: a. Về mặt số lượng tổ máy: Khi công suất lắp máy đã xác định thì số lượng tổ máy sẽ quyết định công suất định mức của turbine và các thông số của nó. Số lượng tổ máy ít thì công suất định mức turbine lớn, dẫn đến cấp điện sẽ kém an toàn khi một tổ máy bị sự cố ngừng hoạt động, tuy sác suất xảy ra sự cố ít hơn khi nhiều tổ máy. Mặt khác, số máy ít thì tuy hiệu suất lớn nhất của tổ máy lớn nhưng hiệu suất trung bình của nhà máy sẽ thấp hơn so với nhiều tổ máy, nhược điểm này được khắc phục nếu dùng turbine có đường đặc tính thoải như turbine cánh quay hay turbine gáo. Theo nhà máy chế tạo turbine lớn nhất ở Liên xô cũ - Nhà máy kim khí Lêningrat thì không cho phép turbine làm việc với phụ tải nhỏ hơn 40% công suất định mức trong thời gian dài. Đối với trạm có công suất lắp máy lớn thì khi số tổ máy ít còn dẫn đến kích thước turbine quá lớn có khó khăn cho vấn đề chế tạo cũng như khả năng vận chuyển máy, trường hợp này phải tăng số lượng tổ máy, ví dụ Trạm TĐ Bratscơ (Liên xô) phải lắp 22 tổ máy. Tuy có những nhược điểm trên nhưng khi số tổ máy ít lại giảm tổng khối lượng nhà máy nên tiền đầu tư xây dựng 72
và chi phí vận hành giảm nhiều so với nhiều tổ máy. Do vậy ngày nay người ta có xu thế tăng công suất định mức của turbine, tức là giảm số tổ máy để có lợi về mặt kinh tế. b. Về mặt hiệu suất: Đối với loại turbine phản kích thì hiệu suất lớn nhất của của các hệ turbine có tỷ tốc khác nhau hầu như giống nhau, nhưng đường đặc tính công tác của chúng khác nhau. Về mặt năng lượng nên chọn những turbine có hiệu suất trung bình lớn nhất trong quá trình vận hành, tức là chọn kiểu turbine có đường đặc tính công tác thoải nhất hoặc phải tăng số lượng tổ máy. c. Về mặt kích thước và số vòng quay tổ máy: Nên chọn turbine có số vòng quay quy dẫn n'1 và lưu lượng quy dẫn Q'1 lớn, tức là turbine có tỷ tốc cao, do vậy vòng quay n lớn kích thước turbine sẽ nhỏ và kích thước máy phát cũng nhỏ, làm giảm kích thước nhà máy. Trong hai turbine có cùng tỷ tốc nhưng có n'1 và Q'1 khác nhau thì nên lấy turbine có Q'1 lớn hơn vì nó cho phép giảm đường kính BXCT mà số vòng quay không giảm khi vẫn giữ nguyên N và H. d. Về mặt khí thực: Turbine có tỷ tốc cao sẽ có hệ số khí thực lớn nên để đảm bảo không xảy ra khí thực trong quá trình làm việc với các cột nước khau nhau phải tạo ra chiều cao hút nhỏ. Vì vậy turbine có tỷ tốc cao (như hướng trục) bị điều kiện khí thực hạn chế sử dụng. Những vấn đề nêu trên trong thực tế vận dụng cũng có những mâu thuẩn mà chúng ta cần phải phân tích lựa chọn cho phù hợp. Ví dụ khi so sánh hai turbine cùng hệ nhưng khác tỷ tốc. Turbine có tỷ tốc cao sẽ cho ta kích thước tổ máy và kích thước nhà máy bé, lợi về mặt khối lượng công trình, nhưng do tỷ tốc cao nên chiều cao hút bé, thậm chí âm nên phải hạ thấp móng nhà máy như vậy vốn xây dựng công trình lại tăng. Vì vậy việc chọn số tổ máy và các thông số cơ bản của turbine phải dựa trên cơ sở tính toán và so sánh kinh tế năng lượng để quyết định. Đầu tiên sơ bộ đưa ra một số phương án số tổ máy, sau đó tính toán so sánh chính xác dần các phương án đó về kiểu, đường kính BXCT, số vòng quay, chiều cao hút v..v.. Thông thường đối với thuỷ điện lớn theo các giai đoạn: giai đoạn dầu - tính sơ bộ, giai đoạn hai - so sánh các phương án một cách chính xác, sau đó chọn lấy một phương án tốt nhất. Đối với thuỷ điện nhỏ chỉ cần một giai đoạn tính toán dựa trên các bảng hệ loại hoặc theo các biểu đồ sản phẩm đã có và thường số tổ máy lấy từ 2 đến 4. Sau đây sẽ trình bày các nội dung các phương pháp lựa chọn turbine được dùng trong trong thiết kế nhà máy thuỷ điện và lựa chọn các thiết bị cơ bản của chúng. VI. 3. LỰA CHỌN TURBINE PHẢN KÍCH Chọn turbine phản kích thường có những cách: Chọn theo quy cách sản phẩm; Chọn theo bảng, biểu hệ loại hoặc theo đường đặc tính tổng hợp chính; Chọn theo toạ độ lôgarit... Sau đây trình bày lựa chọn theo hai phương pháp đầu. VI. 3. 1. Chọn theo quy cách sản phẩm Dựa trên những turbine đã chế tạo và sử dụng trong thực tế người ta lập ra những bảng hoặc biểu đồ sản phẩm. Phương pháp này đơn giản dễ sử dụng và mua sắm 73
nhanh, đảm bảo quy cách chung. Để chọn hệ turbine ta phải biết công suất một turbine và phạm vi làm việc của các cột nước từ Hmin đến Hmax hoặc Htk: N lm Công suất một turbuine: N tb = (6-1) Z η mf Trong đó Z - số tổ máy; Nlm - công suất lắp máy; ηmf - hiệu suất máy phát. Để chọn turbine loại nhỏ có thể sử dụng các bảng tra hoặc dùng biểu đồ sản phẩm. Kết quả của việc tra cứu ta có ngay được hệ loại và các thông số cơ bản của turbine (D1 , n): 1. Chọn theo bảng tra: Mỗi bảng tra lập cho một kiểu turbine và kiểu tổ máy. Khi có cột nước thiết kế, công suất turbine, lưu lượng turbine ta dò trên bảng để tìm ra thông số turbine cần tìm và tương ứng sẽ tra được kích thước các bộ phận chính của turbine cần chọn. Nội dung bảng tra biểu thị theo dạng sau, lấy ví dụ bảng sau đây lập cho kiểu turbine tâm trục,số hiệu13, tổ máy trục ngang buồng kim loại. Bảng 6-2. Ví dụ: Bảng tra Turbine tâm trục PO13-ΓM D1 (cm) 35 42 50 H (m) N Q n N Q n N Q n 20 - - - 49.5 0,3 623 70,5 0,42 525 .. 25 47 0,23 830 69 0,33 696 99 0,47 587 ... 55 153 0,34 1231 225 0,49 1033 322 0,7 871 ... 2. Chọn theo biểu đồ sản phẩm Hình 6-7 là biểu đồ sản phẩm của turbine phản kích loại nhỏ dược lập với công suất N ≤ 4 000 kW và cột nước H = 2÷85m do Liên xô cũ thiết lập. Trong biểu đồ cho các phân số: mẫu số chỉ vòng quay n (v/ph) của turbine, còn tử số là hệ loại và kiểu tổ máy (ghi ở bảng bên cạnh). Ví dụ: muốn chọn một turbine có công suất Ntb = 350 kW, 22 cột nước thiết kế Htk = 70 m, ta dóng trên biểu đồ và chọn được điểm có phân số ; 1000 vậy ta chọn được turbine PO13 - ΓM50, là turbine tâm trục (PO), kiểu hay số hiệu của BXCT là 13, tổ máy trục ngang buồng xoắn kim loại (ΓM), đường kính tiêu chuẩn của BXCT D1 = 50 cm, vòng quay n = 1000 v/ph. 74
Hình 6-7. Biểu đồ sản phẩm của turbine phản kích nhỏ. VI. 3. 2. Chọn turbine theo bảng, biểu hệ loại và đường đặc tính tổng hợp Theo phương pháp này, trước tiên ta dựa vào các bảng hệ loại (bảng 6-1) hoặc các biểu đồ tổng hợp hệ loại (hình 6-1, 6-2, 6-4) hoặc đường đặc tính tổng hợp chính. Từ cột nước thiết kế Htk và công suất turbine Ntb ta tra ra được hệ và kiểu turbine. Nếu tra bảng hoặc biểu mà điểm tra được không phải chỉ chọn được một mà 75
một số kiểu BXCT thì phải thông qua tính toán so sánh kinh tê năng lượng để chọn một. Trong giai đoạn tính toán sơ bộ có thể dựa trên so sánh kích thước, số vòng quay, độ cao hút của turbine để chọn. Sau đây trình bày các cách chọn của phương pháp này: 1. Phương pháp tính toán chọn các thông số turbine Sau khi đã chọn được kiểu turbine, tính toán các thông số cơ bản của turbine là đường kính D1, vòng quay n, độ cao hút [HS] và vòng quay lồng nl, lực dọc trục. a. Chọn đường kính tiêu chuẩn BXCT tính theo công thức quy dẫn sau: N tb D1 = (6-2) ' 9,81 ⋅ η ⋅ Q1 ⋅ H 3 / 2 tk Trong công thức: N (kW), H (m), Q (m3/s), D (m); còn hiệu suất turbine lấy sơ bộ sau: Turbine tâm trục trung bình và lớn lấy η = 0,88 - 0,9; turbine cánh quay lấy 0,86÷0,88; lưu lượng quy dẫn Q'1 lấy giá trị Q'1max (đối với turbine tâm trục, vì để tăng khả năng thoát nứơc và hiệu suất trung bình cao) hoặc lấy Q'1min (đối với turbine cánh quay, vì muốn giảm hệ số khí thực) trong bảng tra (6-1), hoặc tra từ đường đặc tính tổng hợp trực tiếp có ηM, Q'1M rồi tính ra η và Q'1. Đường kính tính được từ (6-2) cần phải lấy tròn theo đường kính tiêu chuẩn. Có thể tham khảo D1, D0 (đường kính trục các cánh hướng dòng), Z0 (số cánh hướng dòng) của turbine hệ loại cũ theo bảng (6-3) sau đây: Bảng 6-3. Kích thước tính bằng mm D1 D0 Z0 D1 D0 Z0 D1 D0 Z0 300 420 10 1200 1450 16 3700 4300 24 350 490 10 1400 1700 16 4100 4700 24 420 570 10 1600 1900 16 4500 5250 24 460 620 12 1800 2150 16 5000 5800 24 500 670 12 2000 2350 16 5500 6400 24 590 770 12 2250 2650 16 6000 7000 24 710 920 14 2500 2900 24 6600 7700 24 800 1030 14 2750 3200 24 7200 8400 30 840 1050 14 3000 3500 24 8000 9300 30 1000 1200 16 3300 3850 24 9000 10500 30 b. Vòng quay của turbine: Khi đã chọn đường kính tiêu chuẩn BXCT ta tính ra vòng quay của turbine theo công thức quy dẫn sau: ' n1 H bq n= (6-3) D1 Trong công thức: Hbq là cột nước bình quân (m), n'1 là vòng quay quy dẫn tối ưu của turbine, có thể lấy ở bảng (6-1) hoặc lấy trên đường đặc tính tổng hợp chính với n'10. Từ kết quả tính toán n theo (6-3) ta lấy chuẩn theo vòng quay đồng bộ của máy phát điện theo bảng vòng quay đồng bộ cho ở bảng (6-4) sau đây: 76
Bảng 6-4. Số vòng quay đồng bộ ứng với tần số f = 50 Hz 2p n 2p n 2p n 2p n 6 1000 28 214 56 107,1 96 62,5 8 750 (30) (200) 60 100 100 60 10 600 32 181,3 64 93,7 104 57,8 12 500 36 166,7 68 88,2 108 55,6 14 428 (38) (157,8) 72 83,3 112 53,5 16 375 40 150 (74) (81) 116 51,7 (18) 333,3 44 136,3 (76) (78,9) 120 50 20 300 46 130,4 80 75 128 46,8 22 272,6 48 125 (84) (74,4) 136 44,2 24 (250) (50) (120) 88 68,2 144 41,7 (26) 230,7 52 115,4 92 65,2 150 40 Ghi chú: Không nên dùng các trị số trong dấu ngoặc vì lý do công nghệ chế tạo máy phát. Sau khi chọn được D1 và n ta cần kiểm tra xem với các thông số này turbine làm việc với các chế độ cột nước và lưu lượng tương ứng có đảm bảo hiệu suất làm việc cho phép hay không. Để kiểm tra vùng hiệu suất ta cần sử dụng đờng đặc tính tổng hợp chính của hệ turbine đó (xem phần sau), nếu đảm bảo về hiệu suất ta tiếp tục tính toán và xác định một số thông số khác. Trong trường hợp kiểu turbine nào đó có biểu đồ riêng đi kèm (ví dụ hình 6-8 cho biểu đồ riêng của kiểu turbine cánh quay ΠΛ 587-Bb) việc chọn D1 và n đơn giản như sau: Từ Htk và Ntb tra được hai thông số D1 và n ngay. Ví dụ có Htk = 14 m, và công suất turbine Ntb = 1250kW ta tra ra được một điểm nằm ở hình bình hành có ghi số 375, tức là n = 375 v/ph, từ điểm đó kéo song song với hai cạnh nghiêng của hình bình hành ta sẽ được đường kính D1 = 140 cm. Bên trái biểu đồ riêng có biểu đồ tra độ cao hút của turbine hS = f(H) lập ở cao trình đặt nhà máy ∇ = 0. Đối với turbine cánh quay biểu đồ có hai đường hS = f(H), để tra hS ta phải nội suy, với turbine tâm trục thì chỉ có một đường. Áp dụng biểu đồ độ cao hút này để tra như sau: cũng ví dụ trên với cột nước thiết kế Htk = 14 m tra nội suy được độ cao hút hS = + 1,5, tính ra [HS] = hS - ∇/900 với nơi đặt turbine có cao trình ∇ ≠ 0. 77
Hình 6-8. a) Biểu đồ riêng của turbine ΠΛ 587-Bb b) Quan hệ ∆σ = f(H). c. Lựa chọn độ cao hút cho phép: Độ cao hút thay đổi theo giao động mực nước, theo cột nước và công suất làm việc của turbine, do vậy cần tính với nhiều tổ hợp làm việc để xác định và chọn ra độ cao hút cho phép [HS]. Từ đó chọn được cao trình đặt turbine để tránh khí thực. Độ cao hút có thể tính theo các công thức sau đây: ∇ ∇ H s = 10 − − k σH = h s − (6-4) 900 9 00 ∇ ∇ H s = 10 − − ( σ + ∆σ ) H = h s − (6-5) 900 900 Trong đó: σ - hệ số khí thực, cho trong bảng (6-1) hoặc tra trên đường đặc tính tổng hợp ∇ - Cao trình đặt nhà máy so với mực nước biển; ∆σ - Độ hiệu chỉnh hệ số khí thực (tra quan hệ ∆σ = f(H) trên hình 6-8,b); H - Cột nước làm việc của turbine ở chế độ đã cho; k = 1,05 - 1,1 hS - Độ cao hút ứng với mực nước biển ( tra ở các biểu đồ riêng). 2. Kiểm tra hiệu suất turbine khi đã chọn D1 và n Như trên đã nói, sau khi tính và chọn đường kính tiêu chuẩn D1 và vòng quay đồng bộ n của turbine cần phải kiểm tra với các thông số này có đảm bảo turbine làm việc với hiệu suất trong phạm vi cho phép hay không. Dựa vào D1 và n đã chọn, giao động cột nước từ Hmin đến Hmax , ta tính các vòng quay quy dẫn n'1 và các lưu lượng quy dẫn Q'1 tương ứng với các cột nước và công suất và đem chúng đặt lên đường đặc tính tổng hợp chính của kiểu turbine đã biết đê kiểm tra (hình 6-9). n D1 N tb Với cột nước: Hmax có: n1H max = ' và Q1H max = ' 9,81. η. D1 H 3 / 2 2 H max max 78
n D1 N tk Htk có: n1Htk = ' Q1Htk = ' và 9,81. η. D1 H 3 / 2 2 H tk tk n D1 Hmin có: n1H min = ' H min Hình 6-9: a) kiểm tra vùng làm việc của turbine tâm trục; b) là kiểm turbine cánh quay. Hình 6-9. Kiểm tra vùng làm việc của turbine tâm trục và cánh quay. VI. 3. 3. Các kích thước khác của BXCT turbine phản kích Khi đã chọn được đường kính tiêu chuẩn D1 ta có thể sơ bộ xác định thêm những kích thước khác khi chưa có kích thước cụ thể để phục vụ cho giai đoạn thiết kế sơ bộ. 79
Hình 6-10,a trình bày kích thứơc theo biên dạng mặt cắt kinh tuyến của turbine tâm trục (TT) của hai dạng BXCT tỷ tốc thấp và tỷ tốc cao, trong đó các kích thước biểu thị theo hệ số với đường kính tiêu chuẩn D1 của BXCT, tuỳ theo kiểu turbine. Biên dạng của mặt cắt kinh tuyến thường chọn theo mô hình có tỷ tốc gần với tỷ tốc nS của turbine cần thiết kế. Bảng 6-5 sau đây là của một số turbine tâm trục dã được sử dụng có hiệu suất cao ở LX cũ. Có thể thay đổi biên dạng này đôi chút cho phù hợp với yêu cầu thiết kế. Ví dụ có thể tăng tỷ số giữa chiều cao CCHD b0 so với giá trị đã cho trong bảng 6-5, như vậy tăng chất lượng chống xâm thực của BXCT. Đối với BXCT có nS lớn và trung bình có thể lấy b0/D1 = 0,35 - 0,2; còn đối với nS nhỏ lấy b0/D1 = 0,16 - 0,08. Hình 6-10. Kích thước cụm BXCT turbine TT và CQ Hình 6-10,b trình bày kích thước biên dạng phần dẫn dòng theo mô hình turbine đã tiêu chuẩn hoá lấy theo tỷ lệ với D1 của turbine cánh quay (CQ) và được dẫn ra theo bảng 6-6. Các biên dạng đã cho trong bảng 6-6 phụ thuộc vào cột nước H của turbine. Trong khoảng H = 1,5 - 80m có 9 biên dạng cánh khác nhau. Tỷ số b0/D1 và dbt/D1 dặc trưng cho khả năng thoát nước của turbine. Khi H nhỏ, Q lớn thì dường kính bầu cần nhỏ và b0 phải tăng để tăng khả năng thoát Q. Bảng 6-5. Kích thước kinh nghiệm và số liệu lấy với turbine tâm trục Hmax- Hmin kiểu turbine b0/D1 n1' n'1tt Q'1max Q'1min 30-45 TT45/123 0,35 75 78 1400 1350 40-75 TT75/728 0,30 73 74 1370 1250 70-115 TT115/697 0,25 68 72 1250 1030 110-170 TT170/741 0,20 67 69 1030 680 180-230 TT230 0,16 62 67 650 420 220-310 TT310 0,12 60 65 420 280 300-400 TT400 0,10 58 62 280 200 380-500 TT500 0,08 57 60 200 150 80
Bảng 6-6. Bảng kích thước kinh nghiệm cho turbine cánh quay. Hệ tb H,m b0/D1 dbt/D1 dU/D1 R0/D1 h2/D1 h3/D1 R1/D1 k/D1 d/D1 CQ10 3-10 0,45 0,33 0,29 0,354 0,318 0,089 0,323 0,05 0,1 CQ15 5-15 0,45 0,35 0,3 0,346 0,338 0,091 0,345 0,05 0,1 CQ20 10-20 0,4 0,37 0,325 0,337 0,357 0,093 0,366 0,05 0,1 CQ30 15-30 0,4 0,41 0,36 0,32 0,396 0,097 0,407 0,05 0,1 CQ40 20-40 0,375 0,43 0,375 0,315 0,416 0,1 0,428 0,05 0,1 CQ50 30-50 0,375 0,48 0,415 0,293 0,457 0,102 0,468 0,05 0,1 CQ60 40-60 0,35 0,52 0,474 0,246 0,523 0,107 0,567 0,045 0,09 CQ70 45-70 0,35 0,57 0,522 0,229 0,573 0,116 0,604 0,05 0,1 CQ80 50-80 0,35 0,60 0,537 0,221 0,613 0,123 0,642 0,05 0,1 Ngoài kích thước, trọng lượng sơ bộ của BXCT cũng có thể xác định sơ bộ dựa vào số liệu thống kê do nhà máy kim khí Leningrat cung cấp phụ thuộc D1 (hình 6-11) : Hình 6-11. Trọng lượng BXCT turbine (tấn) phụ thuộc vào D1(m). a) Tâm trục; b) Cánh quay: 1- khi số cánh Z = 7; 2- khi Z = 6; 3- khi Z = 4 VI. 4. LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TURBINE XUNG KÍCH Trong số các turbine xung kích thì turbine gáo được sử dụng rộng rãi và với công suất từ nhỏ đến lớn. Turbine xung kích hai lần dùng với công suất nho. VI. 4. 1. Chọn thông số cơ bản của turbine gáo Khi tiến hành chọn turbine gáo cần lần lượt xác định các vấn đề sau đây: sơ đồ kết cấu turbine, số vòng quay, số lượng vòi phun (Z0), đường kính BXCT (D1), đường kính vòi phun (d0) ... (hình 6-12). Cũng như turbine phản kích, chọn các thông số cơ bản của turbine gáo phải dựa trên cơ sở so sánh kinh tế nhiều phương án khác nhau. Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, để có kích thước turbine phục vụ cho việc xác định kích thước nhà máy chúng ta sơ bộ tính toán chọn các kích thước chính như sau: 81
Đường kính tia nước để đủ tháo lưu lượng lớn nhất của turbine Qmax phân cho số 4 Q max Q max vòi phun Z0 là: d o = = 0 ,545 (6-6) Z o π ϕ 2 gH Zo H trong đó Q (m3/s), H và d0 (m), hệ số lưu lượng qua vòi phun ϕ = 0,97. Số lượng vòi phun ta lấy với các phương án khác nhau để tính toán so sánh kinh tế rồi chọn. Đối với turbine gáo nhỏ trục ngang ( NTB ≤ 20 MW ) có thể chọn sơ bộ theo kinh nghiệm Z0 = 1 hoặc 2, rất ít khi Z0 = 3; còn turbine gáo trục đứng Z0 = 2 - 6, công suất càng lớn thì số vòi phun càng nhiều. Số lượng vòi phun càng tăng và tỷ số D1/d0 càng bé thì vòng quay của BXCT càng lớn càng giảm được kích thước turbine và giá thành máy phát điện. Sau đây giới thiệu một số công thức xác định sơ bộ kích thước BXCTturbine gáo: Chiều rộng cánh gáo B = (2,8 - 4,0) d0; Chiều dài cánh gáo: L = (0,7 - 0,9) B: Chiều rộng miệng khoét hõm đuôi cánh gáo: b = 1,2d0 + 5 (mm); Đường kính tiêu chuẩn của BXCT D1 được chọn theo tỷ số D1/d0 = 10 -18 hoặc H ta có thể lấy D1 = 37,2 , H lấy từ mức thượng lưu đến trung tâm miệng vòi phun. n n - số vòng quay của turbine; Đường kính vòng tròn đi qua mếp hõm: D = D1 + 2,33d0; Đường kính vòng tròn ngoài cùng của BXCT: D0 = D1 + d0; Đường kính miệng vòi phun d = (1,2 - 1,25) d0 ; D1 Số lượng cánh gáo trên BXCT: Z = (5 − 5,7) ; do Khoảng cách từ miệng vòi phun đến cánh cánh gáo vuông góc với tia dòng nước A = (5,8 - 7,3) d0. Cấu tạo và kích thước vòi phun và thiết bị tách dòng lấy theo kinh nghiệm ở (hình 6-12,b). Việc đặt BXCT turbine gáo phải cao hơn mực nước bể xả và thường lấy cao hơn mực nước cao nhất ở bể xả khoảng cách bằng đường kính D1. Kích thước khác đối với turbine gáo nhỏ chế tạo trong nước xem (hình 6-12,c) . 82
Hình 6-12. Kích thước BXCT turbine gáo VI. 4. 2. Xác định kích thước cơ bản của turbine XK 2 lần Turbine xung kích hai lần là loại được sử dùng nhiều trong thủy điện nhỏ với cột nước ưa dùng là từ 10 đến 60 mét, tuy nhiên tài liệu để tra cứu turbine này cũng chưa có rộng rãi, do vậy ở giai đoạn sơ bộ ta cũng cần phải tính toán xác định sơ bộ kích thước của chúng để phục vụ cho việc thiết kế nhà máy. 83
Kích thước cơ bản của turbine xung kích hai lần là vòi phun và BXCT. Hình dạng, kích thước và số lượng cánh của BXCT có ảnh hưởng quyết định đến vòng quay hiệu suất và trọng lượng của turbine. Kinh nghiệm cho thấy: khi Z = 12 cánh thì η = 0,6 khi Z = 20 thì η = 0,81 và khi Z = 48 cánh thì η = 0,87.Số lượng cánh nhiều thì hiệu suất turbine càng cao và càng ổn định, nhưng số cánh nhiều thì cấu tạo BXCT càng phức tạp, vì vậy số cánh thường lấy Z = 24 cho hiệu suất trung bình η = 0,82. Hình 6-13. Sơ đồ xác định kích thước turbine xung kích 2lần Đường kính vòng tròn đi qua mép ngoài của BXCT được coi là đường kính của BXCT của turbine XK hai lần và được tính theo công thức sau: H D1 = 42 (6-7) n Trong đó: H - cột nước thiết kế (m) còn n - số vòng quay turbine (v/ph). Đường kính vòng tròn mép trong cánh tính theo: D2 = (0,63 - 0,68). D1 . Chiều dài BXCT, tức là chiều dài cánh: L = (0,5 - 2,5).D1. Vòi phun có tiết diện chữ nhật: chiều rộng l, chiều cao h lấy như sau: chiều rộng l = 0,8B để dòng nước phun được suốt chiều dài cánh, còn chiều cao ứng với độ mở lợi nhất là h = 0,1D1 và ứng với độ mở lớn nhất hmax = 0,125.D1. 84