Bài Luận
Nhà máy thủy điện
Nhà Máy Thủy Điện
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
I. KHÁI NIỆM VỀ THỦY ĐIỆN
Thuỷ điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước. Đa số năng lượng
thuỷ 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. Thuỷ điện là nguồn năng lượng có thể hồi phục.
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.
Nước trong thiên nhiên mang năng lượng ở 3 dạng: hoá năng, nhiệt năng, cơ
năng. Hoá năng của nước thể hiện chủ yếu trong việc tạo thành các dung dịch
muối và hoà tan các loại đất đồi núi trong nước sông. Nhiệt năng của nước thể
hiện ở sự chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp nước trên mặt và dưới đáy sông, giữa
nước trên mặt đất và nước ngầm. Hai dạng năng lượng của nước nói trên có trữ
lượng lớn, song phân tán, kỹ thuật sử dụng còn nhiều khó khăn, hiện nay chưa
khai thác được. Cơ năng của nước thiên nhiên thể hiện trong mưa rơi, trong dòng
chảy của sông suối, trong dòng nước và thuỷ triều. Dạng năng lượng này rất lớn,
ta có khả năng và điều kiện sử dụng. Trong đó các dòng sông có nguồn năng
lượng rất lớn và khai thác dễ dàng hơn cả. Năng lượng tiềm tàng đó thường ngày
bị tiêu hao một cách vô ích vào việc khắc phục những trở lực trên đường chuyển
động, ma sát nội bộ, bào mòn xói lở bờ sông và lòng sông, vận chuyển phù sa bùn
cát và các vật rắn, công sản ra để vận chuyển khối nước.
Nhóm 1 1
Nhà Máy Thủy Điện
Nước ta ở vùng nhiệt đới, mưa nhiều, lượng mưa thường từ 1500-2000
mm/năm. Có những vùng như Hà Giang, dọc Hoàng Liên Sơn, Tây Côn Lĩnh ,
Tây Nguyên lượng mưa đến 4000-5000 mm/năm nên nguồn nước rất phong phú.
II. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THỦY ĐIỆN VIỆT NAM
Ở nước ta việc khai thác sử dụng cơ năng của dòng nước đã có từ lâu,
nhưng chỉ từ đầu thế kỷ thứ XX mới phát triển mạnh mẽ. Hàng nghìn năm về
trước, tổ tiên ta cũng như một số dân tộc Aicập, Trung Quốc đã biết lợi dụng cơ
năng của sông suối để xay lúa, giã gạo và làm cọn nước để đưa nước lên cao phục
vụ nông nghiệp.
Trong thời gian trước năm 1960, ở Miền Bắc một số TTĐ với quy mô công
suất nhỏ được xây dựng mà lớn nhất là TĐ Cấm Sơn trên sông Hóa (Lạng Sơn)
với Nlm =4800 KW (những năm 1980 đã bị tháo bỏ tổ máy do không hiệu quả,
nay đang có phương án lắp máy phục hồi lại), và hồ chứa 250 triệu m3, một số
TTĐ nhỏ; TTĐ Bàn Thạch trên kênh gần đập Bái Thượng Thanh Hóa có Nlm =
960 KW được xây dựng từ năm 1959, đến 1963 thì khánh thành. Một số TTĐ nhỏ
(với Nlm khoảng vài trăm KW) có mặt rải rác ở các tỉnh Lào Cai, Bắc Cạn, Lạng
Sơn.
Những năm từ 1960 đến 1975 có 2 TTĐ quy mô lớn được xây dựng là TTĐ
Đa Nhim trên sông Đa Nhim (thượng nguồn dòng chính Đồng Nai) do người
Nhật xây dựng từ 4/1961 đến 1/1964 hoàn thành với Nlm = 160.000 KW, hồ
chứa 165 triệu m3, cột nước phát điện 798 m. TTĐ Thác Bà trên sông Chảy (Yên
Bái) được xây dựng từ năm 1960-1961 và theo kế hoạch hoàn thành năm 1965,
có Nlm = 108.000 KW, hồ chứa có tổng dung tích 3,94 tỷ m3(Do chiến tranh, quá
trình thi công gián đoạn, nên thực tế đến 5/1971 mưới hoàn thành và phát cả 3 tổ
máy với công suất 108MW. Năm 1986 đã chính thức nâng công suất trạm lên
120MW).
Nhóm 1 2
Nhà Máy Thủy Điện
Công suất thiết kế (MW) Tên nhà máy
Năm 2003 Năm 2004
4155 1920 120 420 167 150 66 720 70 476 46 4155 1920 120 420 167 150 66 720 70 476 46
Nhà máy thuỷ điện Hoà Bình Thác Bà Trị An Đa Nhim - Sông Pha Thác Mơ Vĩnh Sơn Ialy Sông Hinh Hàm Thuận - Đa Mi Thuỷ điện nhỏ
Nhóm 1 3
Nhà Máy Thủy Điện
CHƯƠNG 2
ĐÁNH GIÁ NĂNG LƯỢNG TIỀM TÀNG CỦA DÒNG NƯỚC
I.TÍNH TRỮ LƯỢNG CHO MỘT CON SÔNG
Muốn tính tữ lượng thuỷ nặng cho mọt con sông, ta phân nó ra nhiều đoạn,
rồi dùng công thức (1-11) tính trữ lượng thuỷ năng cho từng đoạn rồi sau đó cộng
dồn lại.
(KW)
(W)
Nguyên tắc phân đoạn:
Ta biết, muốn tính công suất, phải biết lưu lượng Q và cột nước H của từng
đoạn. Khi phân đoạn cần tuân theo một số nguyên tắc như:
Phân đoạn tuần tự từ nguồn đến cửa sông.
Phân đoạn ở những nơi Q và H thay đổi đặc biệt như nơi có sông nhánh
hoặc suối lớn chảy vào làm cho lưu lượng tăng lên rõ rệt, nơi có độ dốc lòng sông
bắt đầu thay đổi đặc biệt ở những nơi có thác ghềnh thiên nhiên.
Đó là 2 nguyên tắc cơ bản khi chọn mặt cắt phận đoạn còn phải lưu ý những vị trí
thuận tiện và có lợi cho việc khai thác, nơi có khả năng chọn làm tuyến xây dựng
công trình thuỷ điện sau này.
II. CÔNG SUẤT VÀ THỦY LƯỢNG CHO MỘT TRẠM THỦY ĐIỆN
Muốn khai thác thuỷ năng để phát điện, chúng ta phả xây dựng trạm thuỷ
điện. Công trình chủ yếu của trạm thuỷ điện là công trình dâng nước (đập), công
trình tràn và xả nước thừa, công trình lấy nước và dẫn nước, các thiết bị máy móc
thuỷ lực và cơ điện trong nhà máy của trạm thuỷ điện. trong quá trình khai thác
có tổn thất. Tổn thất thuỷ năng của trạm thuỷ điện thể hiện ở:
Tổn thất lưu lượng do bốc hơi, ngấm theo các đường nước ngầm, thấm
qua lòng hồ, vai đập và thân đập rò rỉ qua công trình và một phần lưu lượng thừa
Nhóm 1 4
Nhà Máy Thủy Điện
phải xả bỏ khi lưu lượng đến nhiều mà công trình không đủ khả năng trữ, turbine
không đủ khả năng tháo lưu lượng lớn.
Tổn thất cột nước khi chảy qua cửa lấy nước, công trình dẫn nước turbine
cũng như các tổn thất khác trong máy phát điện và hệ thống truyền động.
Vì vậy công suất của trạm thuỷ điện bao giờ cũng bé hơn công suất thiên
nhiên tính theo (1-11). Công suất của trạm thuỷ điện xác định theo công thức:
(1-12)
Trong công thức (1-12) lưu lượng Q và cột nước H đã trừ đi mọi tổn thất về
lưu lượng và cột nước. Mặt khác để thể hiện tổn thất qua máy móc thiết bị trong
công thức còn có hệ số η. Hệ số η được gọi là hiệu suất của trạm thuỷ điện. Hiệu
suất bao giờ cũng nhỏ hơn 1 và bằng:
Trong đó:
– hiệu suất turbine
– hiệu suất máy phát
– hiệu suất truyền động
Nếu turbine và máy phát nối trực tiếp (liên tục) thì
Công thức (1-12) có thể viết dưới dạng:
(1-13)
Trong đó: K = 9,81.
Thông thường khi tính toán thuỷ năng, chưa chọn được thiết bị, nên chưa
xác định được η. Khi tính toán thường lấy theo kinh nghiệm.
Trạm thủy điện lớn: K = 8 - 8,5
Trạm thủy điện vừa: K = 7 – 8
Trạm thủy điện nhỏ: K = 6 – 7
Nhóm 1 5
Nhà Máy Thủy Điện
Điện lượng E của trạm thuỷ điện là điện lượng thực tế mà trạm thuỷ điện
phát ra đầu thanh cái máy phát. Trị số này phụ thuộc vào công suất và thời gian
làm việc của trạm. Dạng chung để tính điện lượng của trạm là:
(1-14)
Hoặc: (1-15)
Trong đó:
ti – thời gian mà trạm làm việc với công suất Ni
n – số đoạn làm việc
Nhóm 1 6
Nhà Máy Thủy Điện
CHƯƠNG 3
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VÀ CÁC THIẾT BỊ TRONG NHÀ MÁY THUỶ
ĐIỆN
I. KHÁI QUÁT THÀNH PHẦN CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
Nhà máy thủy điện và bố trí thiết bị trong nhà máy
Nhà máy thủy điện được chia làm hai phần, lấy cao trình sàn máy phát làm
ranh giới phân chia: phần dưới nước và phần trên khô. Phần trên là kết cấu nhà
công nghiệp thông thường chứa hệ thống cầu trục, các phần trên của máy phát
điện, tủ điều khiển tổ máy và thiết bị điều tốc... Phần dưới nước chủ yếu chứa các
bộ phận dưới của máy phát, ống áp lực, buồng turbine, BXCT, ống xả và bố trí hệ
thống thiết bị thiết bị phụ cơ điện.
Trong nhà máy, ngoài các tổ máy phát điện còn có cầu trục dùng để lắp ráp
và vận chuyển các cụm lớn của turbine, máy phát điện, máy biến áp động lực và
Nhóm 1 7
Nhà Máy Thủy Điện
các thiết bị phụ trong nhà máy, trong gian máy thường dùng cầu trục cầu. Ngoài
gian máy chính thường dùng cần trục chữ môn hoặc các loại máy trục khác như
tời, máy nâng kích thủy lực... đặt tại chỗ. Cửa lấy nước và ống xả còn được trang
bị lưới chắn rác, các cửa van và trang thiết bị cơ khí thuỷ công khác. Trạm máy
biến áp đặt song song ở thượng hoặc hạ lưu các tổ máy để rút ngắn chiều dài các
thanh cái máy phát, trong điều kiện nhà máy ngang đập có ống xả dài đặt trạm
biến áp phía hạ lưu nhà máy rất thuận tiện và kinh tế.
II. Phân loại nhà máy thuỷ điện
Nhà máy thuỷ điện được phân loại theo các cách sau:
1. Phân loại theo công suất lắp máy
Phân loại theo cách này mang tính tương đối vì nó tuỳ thuộc vào mức độ
phát triển kinh tế - kỹ thuật của từng quốc gia và mỗi quốc gia cũng tuỳ theo từng
thời kỳ. Nói chung thường phân ra một cách tương đối các loại nhà máy sau:
Trạm thuỷ điện nhỏ, khi công suất lắp máy Nlm < 5.000 kW
Trạm thuỷ điện trung bình, khi công suất lắp máy Nlm = 5.000 -
50.000 kW
Trạm thuỷ điện lớn, khi khi công suất lắp máy Nlm > 50.000 -
1.000.000 kW
Theo TCVN 285 - 2002 đã phân ra các cấp TTĐ sau:
Trạm thuỷ điện cấp V, khi khi công suất lắp Nlm < 200 kW
Trạm thuỷ điện cấp IV, khi công suất lắp Nlm < 5.000 - 200 kW
Trạm thuỷ điện cấp III, khi công suất lắp Nlm < 50.000 - 5.000 kW
Trạm thuỷ điện cấp II, khi công suất lắp Nlm < 300.000 - 50.000kW
Trạm thuỷ điện cấp I, khi công suất lắp Nlm ≥ 300.000 kW
Khi trạm thủy điện khi công suất lắp Nlm > 1.000.000 kW thường
được coi là trạm thủy điện cấp đặc biệt.
Nhóm 1 8
Nhà Máy Thủy Điện
2. Phân loại theo điều kiện chịu áp lực nước thượng lưu
Phân loại theo cách này ta có:
Nhà máy thuỷ điện ngang đập (nhà máy trực tiếp chịu áp lực nước
thượng lưu)
Nhà máy thuỷ điện sau đập và nhà máy đường dẫn (không trực tiếp
chịu áp lực nước thượng lưu)
3. Phân loại theo cột nước của trạm thuỷ điện
Phân loại theo cách này ta có:
Trạm thuỷ điện cột nước thấp, khi Hmax < 50 m
Trạm thuỷ điện cột nước trung bình, khi 50 m ≤ Hmax ≤ 400 m
Trạm thuỷ điện cột nước cao, khi Hmax > 400 m
4. Phân loại theo kết cấu nhà máy
Theo cách phân loại này ta có những loại nhà máy sau:
Nhà máy thuỷ điện không kết hợp xả lũ (công trình xả lũ nằm ngoài
nhà máy)
Nhà máy thuỷ điện kết hợp xả lũ (công trình xả lũ nằm trong nhà
máy)
Nhà máy thuỷ điện kết hợp về kết cấu (nhà máy trong thân đập, nhà
máy trong các mố trụ, nhà máy trong tháp xả nước....)
Nhà máy ngầm và nửa ngầm
Nhà máy thuỷ điện tích năng
Nhà máy thuỷ điện thuỷ triều...
III. NGUYÊN LÝ KHAI THÁC THUỶ NĂNG
Từ các công thức N = 9,81.η .Q.H hay N = K.Q.H, ta thấy N tỉ lệ thuận với
Q,H,
và η . Do đó muốn tăng công suất phải tìm cách tăng Q, H, η
Việc tăng lưu lượng Q có thể dùng các biện pháp tập trung và điều tiết dòng chảy,
Nhóm 1 9
Nhà Máy Thủy Điện
tăng lưu lượng mùa kiệt. Mặt khác có thể lấy nước từ lưu vực khác bổ sung cho
lưu lượng của trạm.
Cột nước H thì phân bố, phân tán dọc theo chiều dài sông. Do đó muốn tăng H thì
phải dùng biện pháp nhân tạo bằng cách xây dựng công trình thuỷ lợi.
Ngoài ra, muốn cho công suất của trạm thuỷ điện phát ra lớn, phải có máy
móc thiết bị tốt, có hiệu suất cao.
IV. BIỆN PHÁP KHAI THÁC THUỶ NĂNG
1.Cách tập trung cột nước
Tuỳ theo biện pháp tăng cột nước, mà ta có các phương thức khai thác
thuỷ năng sau đây:
- Dùng đập để tạo thành cột nước.
- Dùng đường dẫn để tạo thành cột nước.
- Dùng hỗn hợp cả đập và đường dẫn để tạo thành cột nước
2.Dùng đập để tạo thành cột nước.
Xây dựng đập tại một tuyến thích hợp nơi cân khai thác. Đập tạo ra cột
nước do sự chênh lệch mực nước thượng hạ lưu đập. Đồng thời tạo nên hồ chứa
có tác dụng
Nhóm 1 10
Nhà Máy Thủy Điện
tập trung và điều tiết lưu lượng, làm tăng khả năng phát điện trong mùa kiệt,
nâng cao hiệu quả lợi dụng tổng hợp nguồn nước như cắt lũ chống lụt, cung cấp
nước, nuôi cá, vận tải thuỷ…Phương thức tập trung cột nước như sơ đồ hình (1-3)
được gọi là phương thức khai thác kiểu đập. Phương thức này có ưu điểm là vừa
tập trung được cột nước vừa tập trung và điều tiết lưu lượng phục vụ cho việc lợi
dụng tổng hợp nguồn nước. Song nó có nhược điểm là đập càng cao, khối lượng
xây lắp càng nhiều, kinh phí lớn, ngập lụt và thiệt hại nhiều. Khi thiết kế xây
dựng phải thông qua tính toán kinh tế kỹ thuật , so sánh lựa chọn phương án có
lợi.
Sơ đồ khai thác kiểu đập thường thích ứng với các vùng trung du của các
sông nói có độ dốc lòng sông tương đối nhỏ, địa hình địa thế thuận lợi cho việc
tạo nên hồ chứa có dung tích lớn là tổn thất ngập lụt tương đối nhỏ. Ngược lại ở
vùng thượng lưu, do lòng sông hẹp, độ dốc lòng sông lớn nên dù có làm đập cao
cũng khó tạo thành hồ chứa có dung tích lớn. Ở hạ lưu, độ dốc lòng sông nhỏ, xây
đập cao dẫn đến ngập lụt lớn thiệt hại nhiều. Cho nên ở vùng này ít có điều kiện
khai thác kiểu đập.
Với sơ đồ khai thác kiểu đập, trạm thuỷ điện có thể bố trí ở ngang đập hay
sau đập (xem hình 1-4 và 1-5 ) nhưng thường thấy hớn cả là loại trạm thuỷ điện
sau đập. Trạm thuỷ điện ngang đập chỉ thích ứng trong trường hợp cột nước thấp,
nhà máy đủ sức chịu lực như một đoạn đập và kết cấu kinh tế.
Nhóm 1 11
Nhà Máy Thủy Điện
3.Tập trung cột nước bằng đường dẫn
Ở những đoạn sông thượng lưu, độ dốc lòng sông thường lớn, lòng sông
hẹp, dùng đập để tạo nên cột nước thường không có lợi cả về tập trung cột nước,
tập trung và điều tiết lưu lượng. Trong trường hợp này cách tốt nhất là dùng
đường dẫn để tạo thành cột nước ( hình 1-6).
Đặc điểm của phương thức này là cột nước do đường dẫn tạo thành. Đường
dẫn có thể là kênh máng, ống dẫn hay đường hầm có áp hoặc không áp. Đường
dẫn có độ dốc nhỏ hơn sông suối, nên dẫn càng đi xa độ chênh lệch giữa đường
dẫn và sông suối càng lớn, ta được cột nước càng lớn. Hay nói cách khác, đường
dẫn dài chủ yếu để tăng thêm cột nước cho trạm thủy điện. Đập ở đây thấp và chỉ
có tác dụng ngăn nước lại để lấy nước vào đường dẫn. Do đập thấp nên nói chung
tổn thất do ngập lụt nhỏ.
Đối với sơ đồ khai thác này tuỳ tình hình và yêu cầu cụ thể mà có thêm các
công trình phụ khác như: cầu máng, xi phông, bể áp lực, tháp điều áp, bể điều tiết
ngày.vv…
Cách tập trung cột nước bằng đường dẫn được ứng dụng rộng rãi ở các sông
suối miền núi có độ dốc lớn và lưu lượng nhỏ.
Nhóm 1 12
Nhà Máy Thủy Điện
4. Tập trung cột nước bằng đập và đường dẫn
Khi vừa có điều kiện xây dựng hồ để tạo ra một phần cột nước và điều tiết
lưu lượng lại vừa có thể lui tuyến nhà máy ra xa đập một đoạn nữa để tận dụng độ
dốc lòng sông làm tăng cột nước, thì cách tốt nhất là dùng phương pháp tập trung
cột nước bằng đập và đường dẫn. Với phương thức này, cột nước của trạm thuỷ
điện do đập và đường dẫn tạo thành. Đập thương đặt ở chỗ thay đổi độ dốc của
lòng sông nơi khai thác. ( hình 1-7)
5. Một số trường hợp đặc biệt dùng phương thức khai thác kiểu đường
dẫn.
Trong điều kiện của sông suối tự nhiên, phương thức khai thác kiểu
đường dẫn ngoài việc ứng dụng ở những nơi có độ dốc lớn (II) còn ứng dụng ở
những nơi có thác nước tập trung (I), ở những nơi sông uốn khúc (III), chỗ hai
sông gần nhau, có cao trình chênh lệch nhau lớn (IV) hay hồ thiên nhiên có nguồn
nước phong phú nằm trêncao.(V) ( xem hình 1-9).
Nhóm 1 13
Nhà Máy Thủy Điện
a. Bố trí trạm thuỷ điện trên kênh tưới
Trên kênh tưới thường gặp bậc nước và dốc nước. Ngày nay người ta
thường làm những trạm thuỷ điện nhỏ trên kênh tưới ở các bậc nước và dốc nước.
Trạm thuỷ điện loại này thực chất là những loại đường dẫn. Tuỳ theo vị trí bậc
nước và dốc nước nằm trên kênh nhánh hay kênh chính mà bố trí trạm thuỷ điện
nằm trên kênh nhánh hay kênh chính . Do kênh chính dẫn lưu lượng lớn và thời
gian làm việc kéo dài hơn trên kênh nhánh nên công suất và điện lượng của trạm
thuỷ điện đặt trên kênh chính lớn hơn trên kênh nhánh. Thí dụ trạm thuỷ điện Bàn
Thạch ( Thanh Hoá) trên kênh chính có N = 960 kw, còn trạm Hậu Hiền ( Thanh
Hoá) trên kênh nhánh có công suất N = 10kw.
Nhóm 1 14
Nhà Máy Thủy Điện
b. Trạm thuỷ điện tích năng
Trong thực tế có một số trạm phát điện có năng lượng thay đổi ( sức gió,
thuỷ triều…) có lúc năng lượng nhiều, phát ra điện nhiều, cung cấp cho phụ tải
thừa, nhưng cũng có lúc năng lượng thiếu, cung cấp điện không đầy đủ. Để giải
quyết mâu thuẫn đó người ta chỉ ra cách bố trí trạm thuỷ điện kiểu bơm nước tích
năng. Lúc thừa điện bơm nước lên bể cao, lúc thiếu điện lấy nước dùng để phát
điện cung cấp thêm cho yêu cầu của phụ tải. Hình thức này không phải là trực
tiếp lợi dụng thiên nhiên mà là tạo điều kiện để lợi dụng tốt năng lượng của các
trạm phát điện, giải quyết phụ tải đỉnh.
Ngoài việc phối hợp với trạm điện sức gió và thuỷ triều như đã trình bày ở
trên, trạm thuỷ điện tích năng còn phối hợp với trạm nhiệt điện để nâng cao hiệu
suất của trạm nhiệt điện. Cụ thể, có những lúc trạm nhiệt điện thừa điện, điện
thừa dùng để bơm nước cho trạm thuỷ điện tích năng. Khi phụ tải tăng, trạm thuỷ
điện tích năng làm nhiệm vụ và bổ sung điện cho phụ tải, hoặc đảm nhận phụ tải
đỉnh, để trạm nhiệt điện làm việc bới công suất ít thay đổi, do đó nâng cao hiệu
suất của trạm nhiệt điện.
Nhóm 1 15
Nhà Máy Thủy Điện
c. Trạm thuỷ điện thuỷ triều
Trạm thuỷ điện thuỷ triều lợi dụng năng lượng thuỷ triều để phát điện. Các
trạm thuỷ điện thuỷ triều thường bố trí ở các vịnh hay các đoạn sông gần biển khi
thoả mãn hai điều kiện.
- Cần có vịnh hay đoạn sông để trữ nước lại điều tiết.
- Cần có độ chênh cột nước thuỷ triều đủ sức quay turbine.
Hiện nay có mấy loại trạm thuỷ điện thuỷ triều sau đây:
Trạm thuỷ điện 1 chiều 1 hồ
Công trình bao gồm: nhà máy thuỷ điện (A), cống khống chế (B) và đập
ngăn.Nguyên tắc làm việc: Khi triều lên ta đóng cửa cống B lại. Cột nước
triều tăng lên,còn cột nước ở vịnh không đổi. Đến thời điểm t1 thì độ chênh lệch
cộ nước giữa vịnh và biển đủ cho phép phát điện, bấy giờ ta mới cho trạm thủy
điện A làm việc trong thời gian từ t1 đến t2. Tại thời điểm t2 nước triều bắt đầu
rút xuống, không cho phép phát điện nữa. Triều xuống đến điểm D thì mực nước
Nhóm 1 16
Nhà Máy Thủy Điện
biển bằng mực nước vịnh ( Zbiển = Zvịnh) lúc này ta mở cửa cống B để cho mực
nước trong vịnh tiếp tục giảm xuống.
Đến thời điểm t3 thì triều bắt đầu lên, ta lại vận hành tương tự như trên hình
1.9
Trạm thủy điện thủy triều một chiều một hồ có ưu điểm là bố trí đơn giản,
quản lý nhẹ nhàng. Nhưng có nhược điểm là thời gian phát điện ngắn ( chỉ
lúc triều lên). Do đó năng lượng phát ra nhỏ, không phù hợp với yêu cầu dùng
điện. Để khắc phục nhược điểm trên có thể dùng các biện pháp sau đây:
- Bố trí một họ tổ máy chuyên phát điện lúc triều lên và một họ tổ máy
chuyên phát điện lúc triều xuống. Cách giải quyết này có khuyết điểm là tăng
thiết bị, do đo giá thành tăng và mức lợi dụng máy móc thấp, cho nên ít dùng biện
pháp này.
- Dùng loại turbine thuận nghịch, song kết cấu phức tạp, nên giá thành cao.
- Có thể thay đổi một số kết câu thủy công để dùng lúc triều lên và triều
xuống.
Do đó ta có thêm một số trạm thủy điện thủy triều sau:
Trạm thủy điện một hồ 2 chiều
Các công trình của trạm thuỷ điện gồm có: Đập, nhà máy thuỷ điện, 4
cóng vận hành A, B, C, D và 2 cống khống chế E, F ( hình 1-10)
Nhóm 1 17
Nhà Máy Thủy Điện
Nguyên tắc làm việc:
- Thời gian từ t0 ÷ t1, mực nước biển lớn hơn mực nước hồ, nhưng chênh
lệch đầu nước chưa đủ sức để phát điện. Lúc này các cửa cống đều đóng kín.
- Tại thời điểm t1, chênh lệch cột nước đủ để phát điện. Ta mở cửa cống A
và B để phát điện đến thời gian t2 ( khi triều bắt đầu xuống)
- Thời gian từ t2÷ t3 , mực nước biển xuống, nhưng vẫn còn cao hơn mực
nước hồ, song không đủ để phát điện. Lúc này ta đóng cửa cống A và B lại , và
mở cửa cống E, F ra để cho nước vào hồ, mục đích là làm tăng cột nước cho hồ.
Tại thời điểm t3 mực nước hồ bằng mực nước biển , ta đóng cống E, F lại.
- Trong thời gian từ t3÷ t4 mực nước hồ lớn hơn mực nước biển, nhưng
chưa đủ để phát điện. Tại thời điểm t4 , mực nước chênh lệch đủ để phát điện, ta
tiến hành mở cống C, D để phát điện. Đến thời điểm t5 , mực nước không đủ để
phát điện, ta đóng C, D lại đồng thời mở E, F ra để hạ thấp mực nước trong hồ.
Đến thời điểm t6 mực nước hồ bằng mực nước biển, ta đóng E, F lại. Quá trình
lại diễn biến tương tự như lúc đầu. Ưu điểm của loại trạm này là thời gian phát
điện tương đối dài, công trình tập trung dễ quản lý và độ thay đổi cột nước ít.
Song nó có khuyết điểm là vẫn còn thời gian ngừng phát điện, do đó mà
không phù hợp với phụ tải bên ngoài. Mặt khác số cửa công tăng, nên giá thành
tăng, yêu cầu thao tác cao. Để khắc phục nhược điểm về thời gian phát điện trên,
ta có thể dùng lại trạm thuỷ điện 2 hồ 1 chiều.
Nhóm 1 18
Nhà Máy Thủy Điện
Trạm thuỷ điện 2 hồ 1 chiều.
Công trình gồm có: 2 hồ, 1 nhà máy, cửa nước vào A và cửa nước ra B
( xem hình 1-11 )
Nguyên tắc làm việc: Phải đảm bảo hồ trên và hồ dưới luôn có một độ chênh
cột nước nhất định. Khi triều lên đóng B đồng thời mở A để tích nước cho hồ trên
trong thời gian từ t0 đến t1. Lúc này trạm thuỷ điện vẫn làm việc bình thường. Tại
thời điểm t1, triều bắt đầu xuống ta đóng A lại, nước hồ trên vẫn tiếp tục chảy
xuống hồ dưới, mực nước hồ trên rút xuống, mực nước hồ dưới dần dần tăng lên
đến t2
Tại thời điểm t2 mực nước hồ dưới bằng mực nước hồ dưới xuống theo
triều, đến thời điểm t3 thì đóng cửa B lại. Trong thời gian từ t3 đến t4 nước triều
lên, đến thời điểm t4 thì mực nước biển bằng mực nước hồ trên, ta lại bắt đầu mở
cửa A để nước hồ trên tăng lên… quá trình làm việc lặp lại như ban đầu.
Ưu điểm của cách bố trí này là cột nước thay đổi ít, phát điện liên tục, nhưng
công suất nhỏ. Song nó có nhược điểm là công trình phân tán, do đó quản lý khó
khăn. Mặt khác phải xây dựng nhiều đập, nên tiền đầu tư vào 1 kw công suất lớn.
Mặc dù trạm thuỷ điện thuỷ triều có vốn đầu tư đơn vị tương đối lớn, nhưng ở
nhiều nước đã và đang xây dựng và thiết kế khá nhiều trạm thuỷ điện thuỷ triều
lớn.
Nhóm 1 19
Nhà Máy Thủy Điện
V. ĐẶC ĐIỂM VÀ CẤU TẠO CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN
1.Nhà máy thủy điện ngang đập
Nhà máy thuỷ điện ngang đập là một phần của đập dâng do vậy nó trực
tiếp chịu áp lực nước thượng lưu, đồng thời cũng là công trình lấy nước trực tiếp
vào turbine. Vì vậy loại nhà máy này được sử dụng thường với cột nước nhỏ (H ≤
30 - 40 m). Các nhà máy lớn và trung bình thường dùng turbine cánh quay trục
đứng. Những tổ máy lớn có đường kính BXCT D1 = (10 - 10,5) m. Phần dưới
nước của nhà máy loại này ở trong trường hợp làm việc bất lợi hơn các loại sau
đập và đường dẫn. Áp lực nước từ một phía đòi hỏi nhà máy phải ổn định không
bị trượt theo theo đế, và khi xây dựng trên nền không phải đá còn phải tính ổn
định của nền và chống lún, như một công trình chắn nước. Vì cần bảo đảm tính
vững chắc và ổn định, cũng như vì kích thước lớn và hình dạng phức tạp của
buồng turbine và ống xả, phần dưới nước của nhà máy thủy điện ngang đập, loại
đặt ngay tuyến công trình thường là phần đắt tiền nhất của công trình. Cửa lấy
nước đặt ngay trước buồng turbine, có bố trí các rãnh thả lưới chắn rác, rãnh van
sửa chữa, rãnh van công tác. Dùng cầu trục di động bên trên để nâng hạ lưới và
van. Trong trường hợp có vật nổi lớn nguy hiểm, có thể đặt thêm tường ngực để
Nhóm 1 20
Nhà Máy Thủy Điện
chắn; bố trí rãnh để thả van công tác khi cần ngăn nước vào buồng xoắn. Nếu có
xả lũ kết hợp trong nhà máy thì đặt rãnh van sữa chữa của công trình tràn có áp;
cuối đường xả đặt van xã tràn. Việc bố trí công trình xả lũ trong nhà máy sẽ làm
tăng thêm cột nước của trạm vào mùa nước lũ và giảm bớt chiều rộng đập tràn,
dẫn đến giảm khối lượng công trình trạm. Phía trên đoạn khuếch tán của ống xả
dài, bố trí thiết bị phụ, phòng phân phối điện cấp điện áp máy phát, trên nó là
trạm máy biến áp... Để thao tác van hạ lưu, ở hình trên cũng dùng cần trục cổng.
Đường ô tô và đường tàu lửa cũng được đặt phía trên phần ra của ống xả. Trạm
phân phối ca áp đặt ở phần trên ống xả và phần trên nhà máy.
2.Nhà máy thủy điện sau đập
Nhà máy thủy điện sau đập thường dùng cho các trạm có đập khô và đập
tràn với cột nước trung bình và cao. Với nhà máy sau đập, thường dùng buồng
xoắn kim loại mặt cắt tròn. Nhờ những thay đổi kết cấu của nhà máy mà phần
dưới nước giảm đi nhiều. Phần trên có thể dùng các kết cấu khác hoặc giống như
trong nhà máy ngang đập. Loại nhà máy này, ống xả không dài thường không đủ
chiều rộng để đặt máy biến áp, do vậy tận dụng khoảng trống giữa đập và nhà
Nhóm 1 21
Nhà Máy Thủy Điện
máy để đặt trạm biến áp là thích hợp. Cột điện cao thế có thể đặt trên thân đập bê
tông. Nhà máy thuỷ điện sau đập thường dùng với cột nước từ (30 - 45) m ≤ H ≤
(250 - 300) m. Turbine được sử dụng thường là turbine tâm trục, turbine cánh
quay cột nước cao hoặc turbine hướng chéo. Để giảm ảnh hưởng lún không đều,
giữa đập bê tông và nhà máy đặt khớp lún.
3.Nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn
Nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn về cơ bản giống nhà máy thủy điện
sau đập, song chỉ khác là kích thước phần dưới nước của nhà máy giảm nhỏ hơn
do đường kính turbine nhỏ, nhất là khi lắp turbine gáo. Ở những trạm đường dẫn
cột nước cao, sử dụng turbine tâm trục thì trong một số trường hợp sử dụng ống
xả thẳng hình chóp hoặc ống xả loa kèn nên kết cấu phần dưới cũng đơn giản
hơn, nước sau khi ra khỏi ống xả chảy về kênh xả hạ lưu.
4.Nhà máy thủy điện ngầm
Sự khác biệt giữa nhà máy ngầm và loại nhà máy khác là ở chỗ toàn bộ nhà
máy đều được đặt ngầm trong lòng đất đá, liên hệ giữa nhà máy với bên ngoài
bằng các đường hầm và giếng riêng. Tùy thuộc vào độ cứng của địa chất bao
Nhóm 1 22
Nhà Máy Thủy Điện
quanh nhà máy mà kết cấu có khác: nếu nhà máy được đặt trong khối đá cứng
chắc thì không cần lớp áo chịu lực, nếu khối đá yếu thì phải có lớp áo chịu lực
bao quanh. Để bảo vệ gian máy khỏi nước thấm và nước ngưng tụ xuất hiện trên
bề mặt đá hoặc lớp trên lớp áo bêtông, tường vòm.. thường xây lớp áo, giữa áo và
lớp đá là không khí. Dùng thiết bị thông gió thổi qua khoảng không ấy để loại bỏ
nước ẩm. Ở trạm thủy điện cột nước thấp và trung bình có kích thước turbine lớn,
đồng thời nhà máy đặt trong đá yếu và nứt nẻ, do vậy trong nhà máy chỉ đặt
turbine, máy phát và cầu trục cầu. Cửa van sự cố đặt cuối đường dẫn và sửa chữa
ống xả có thể bố trí trong đường hầm riêng dọc theo nhà máy. Khi nhà máy đặt
không sâu so với mặt đất thì máy biến áp có thể đặt trên mặt đất. Dùng đường
hầm để dẫn dây điện từ máy phát đến máy biến áp. Việc sửa chữa máy biến áp có
thể tiến hành tại trạm phân phối cao áp, hoặc có thể dùng đường hầm đưa máy
biến áp vào sàn lắp ráp trong nhà máy để sửa chữa. Đối với những nhà máy đặt
khá sâu dưới mặt đất thì máy biến áp được bố trí trong một đường hầm riêng chạy
song song nhà máy. Đối với nhà máy có cột nước cao dùng turbine tâm trục có số
vòng quay lớn, do kích thước tổ máy giảm thì máy biến áp có thể đặt trực tiếp gần
gian máy trong cùng một khoang và có tường riêng để bảo vệ. Nhờ vậy giảm
được tổn thất điện năng từ thanh cái máy phát đến máy biến áp, đơn giản sơ đồ
đấu dây và điều kiện làm việc của khối đá xung quanh nhà máy được ổn định vì
số đường hầm đào trong đá ít…
Để bảo đảm nhiệt độ và độ ẩm thích hợp cho nhân viên vận hành và điều
kiện làm việc bình thường của thiết bị, trong nhà máy ngầm cần phải có hệ thống
điều hòa không khí, hệ thống thông gió và hút bụi, có thể dùng nhiệt của máy
phát và máy biến áp để sưởi ấm gian máy về mùa lạnh.
Nhóm 1 23
Nhà Máy Thủy Điện
5.Nhà máy thủy điện tích năng
Kết cấu nhà máy TĐ tích năng, nhìn chung cũng giống những nhà máy
khác, chỉ có phần dưới nước là khác. Để đảm bảo chu trình làm việc, trong nhà
máy đặt cả turbine và máy phát. Trong mọi trường hợp, cột nước làm việc của
turbine nhỏ hơn cột nước mà máy bơm tạo ra một ít. Có thể dùng các loại turbine
tâm trục, cánh quay, turbine cánh chéo đồng thời làm máy bơm. Để làm điều đó
cần thay đổi hướng quay, còn máy phát chuyển thành động cơ điện. Các tổ máy
như thế là tổ máy thuận nghịch, cho phép đơn giản hóa sơ đồ bố trí nhà máy,
giảm kích thước và giá thành xây dựng. Khi cột nước H = (12÷15) m thì turbine
cáp xun thuận nghịch trục ngang là hiệu quả hơn cả. Dùng tổ máy có turbine
thuận nghịch và máy phát - động cơ gọi là “tổ máy hai máy“.
Khi cột nước cao hơn 100 - 150 m, dùng rộng rãi “tổ máy ba máy“ gồm turbine,
máy bơm, máy phát - động cơ. Máy bơm đặt sâu hơn turbine. Giữa trục nối của
turbine và trục máy bơm dùng một khớp ly hợp để ngắt turbine hoặc máy bơm
khi làm việc ở chế độ tương ứng. Dưới khớp ly hợp bố trí một turbine gáo đồng
Nhóm 1 24
Nhà Máy Thủy Điện
bộ phụ dùng khi đưa tổ máy bơm vào hoạt động mà không phải dừng tạm thời
động cơ. Sơ đồ này cho phép nâng cao hiệu suất tổ máy. Để giảm bớt lực dọc trục
tác dụng lên ổ chịu lực của máy phát - động cơ, dưới máy bơm bố trí đế tựa để đỡ
trọng lượng máy bơm.
Ngoài những loại nhà máy trên, trong thực tế xây dựng thủy điện còn những loại
nhà máy khác (như nhà máy lộ thiên, nhà nưả ngầm, nhà may trong trụ,..) rất đa
dạng.
VI. CÁC THIẾT BỊ CHÍNH CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
1) Máy phát điện của trạm thủy điện
Máy phát điện là thiết bị biến cơ năng của turbune thành điện năng cung
cấp cho hệ thống điện, nó là loại máy phát đồng bộ ba pha có vòng quay thường
thấp, cực lồi. Các bộ phận chính của máy phát là: phần quay rotor, phần tĩnh
stator, hệ thống kích từ, hệ thống làm nguội máy phát, hệ thống chống cháy, nén
nước...
Nhóm 1 25
Nhà Máy Thủy Điện
Phân loại và các bộ phận của máy phát điện thuỷ lực
Dựa vào vị trí tương đối giữa rotor và ổ trục đỡ chia máy phát ra hai kiểu
chính:
Máy phát điện kiểu treo: ổ đỡ đặt trên giá đở trên, nằm trên rotor
Máy phát kiểu ô: ổ đỡ đặt dưới rotor; kiểu này lại chia hai kiểu nữa
là : kiểu ô thường với ổ đỡ đặt trên giá đỡ dưới, kiểu ô thấp với ổ đỡ đặt trực tiếp
lên nắp turbine trình bày máy phát kiểu ô thấp - không có giá đỡ dưới.
Cấu tạo các bộ phận của hai kiểu máy phát:
Rotor 1 gồm có mayơ gắn trên trục, khung và vành bánh để gắn các
cực từ. Mỗi cực từ gồm có lõi thép và cuộn dây điện lấy điện từ máy kích từ qua
vòng góp về và trở thành nam châm điện khi quay. Ở các máy phát hiện đại, vành
6 được làm từ các lá thép vòng dày 3-4 mm. Lõi thép của các cực từ được làm từ
những lá thép dập dày 1,5 -2 mm, số lượng cực từ xác định qua tính toán.
Stator của phát phát: Stator của máy phát gồm: thép từ, cuộn dây
(trong hình vẽ là phần dây đưa ra bên ngoài của nó) và thân để gắn cực từ. Để
tăng khả năng làm mát, trong các thép từ có các rãnh thông gió. Thân của stator
được đặt lên bệ máy và được gia cố chắc chắn.
Sơ bộ xác định các thông số máy phát
Công suất định mức là công suất tác dụng lớn nhất của máy phát NMP
(kW)
Công suất biểu kiến: (kVA)
Công suât vô công: (var)
Với các loại turbine thông thường thì điện áp máy phát được chọn thiết kế
theo thống kê sau đây tuỳ thuộc vào công suất của máy phát:
NMP < 4 MW thì điên áp máy phát: UMF = 3,15 kV
NMP ≤ 15 MW thì điên áp máy phát: UMF = 6,3 kV
Nhóm 1 26
Nhà Máy Thủy Điện
NMP ≤ 70 MW thì điên áp máy phát: UMF = 10,5 kV
NMP > 70 MW thì điên áp máy phát: UMF = 18 kV
2) Cầu trục trong nhà máy thuỷ điện
Trong nhà máy TĐ để phục vụ cho việc lắp ráp và sửa chữa tổ máy cần phải
có cầu trục. Thông thường cầu trục chính bố trí trong gian máy chính, tầm hoạt
động của nó phải bao quát toàn bộ gian máy và sàn lắp ráp.
Chọn cầu trục trong nhà máy căn cứ vào trọng lượng và kích thước vật nâng
lớn nhất (rotor máy phát + trục, BXCT turbine + trục, MBA..) và kích thước đủ
bố trí các thiết bị và đi lại theo bề rộng gian máy. Trường hợp không có cầu trục
đã sản xuất thì mới đặt hàng chế tạo đơn chiếc, vì chế tạo đơn chiếc sẽ lâu và đắt
hơn…
3) Máy biến áp
Việc truyền tải điện năng đi xa được tiến hành với điện áp cao nhằm giảm
tổn thất trên dây tải và giảm tiết diện dây tải, khoảng cách tải càng xa và công
Nhóm 1 27
Nhà Máy Thủy Điện
suất tải càng lớn thì điện áp càng phải cao. Ví dụ để tải 500 MW đi xa 100 - 200
km cần phải có điện áp 220 kV. Khi nâng áp để tải điện đi xa thì cuối đường dây
lại phải hạ áp xuống 3 đến 6 kV, và thường nhất là 380 V để cấp cho các hộ sử
dụng điện. Do vậy máy biến áp phải làm nhiệm vụ nâng và giảm điện áp. Máy
biến áp hiện đại thường có hiệu suất cao (đến 99% và hơn), tuy nhiên tổn hao
chung cho các trạm biến áp vào khoảng 4 - 6% điện năng hàng năm của các trạm
điện sản ra.
Máy biến áp có thể phân loại theo số cuộn dây: Máy biến áp hai dây cuốn
(dùng nâng điện áp lên một cấp) và máy biến áp ba dây cuốn (dùng nâng điện áp
lên hai cấp điện áp trung áp và cao áp cho hai hệ thống khác nhau). Hoặc phân
loại theo số pha: máy biến áp ba pha và máy biến áp một pha. Cùng với máy biến
áp ba dây cuốn, trong TTĐ còn có thể sử dụng máy biễn áp tự ngẫu, điểm khác cơ
bản của nó là trong nó không chỉ có quan hệ về điện từ mà còn có quan hệ về điện
giữa các cuộn dây trung áp và cao áp. Loại này có nhiều ưu điểm trong vận hành
và cho phép giảm điện áp ngắn mạch có thể xảy ra giữa cuộn thấp áp và một pha
nào đó trong cuộn cao áp.
4) Bố trí các thiết bị phụ trong nhà máy thủy điện
Yêu cầu bố trí các thiết bị này là bảo đảm vận hành an toàn, tiện lợi và kinh
tế. Cần chọn sơ đồ làm việc chắc chắn và đơn giản, thao tác thuận tiện, các phòng
có liên quan cần đặt gần nhau để rút ngắn đường dây cáp điện, diện tích các
phòng vừa phải, không lãng phí. Đối với nhà máy nhỏ, có thể bố trí các phòng
trong gian máy, còn nhà máy lớn có thể phải bố trí riêng biệt mới bảo đảm đủ
diện tích yêu cầu.
Các thiết bị thuộc nhóm các phòng thao tác
Phòng điều hiển trung tâm là đầu não chỉ huy của toàn trạm. Trong phòng
này bố trí các bảng điều khiển, các tủ tín hiệu đo lường và rơle bảo vệ. Diện tích
phòng vào khoảng 80 - 200m2 với chiều cao 4 - 6 m, không có cột. Phòng điều
Nhóm 1 28
Nhà Máy Thủy Điện
khiển trung tâm cần bảo đảm sáng sủa, thuận tiện liên lạc với các bộ phận
của trạm thông qua các cáp nhị thứ từ các nơi dẫn về. Vị trí của phòng này thường
đặt cùng cao trình với sàn máy phát để rút ngắn đường cáp nhị thứ. Do trong
phòng đặt các thiết bị đo lường, tín hiệu chính xác nên cần bố trí ở nơi yên tĩnh,
tránh rung động và khách vãn lai. Để sớm đưa tổ máy đầu vào vận hành cần đặt
phòng điều khiển ở đầu nhà máy hoặc gần tổ máy đầu tiên.
Nhóm phòng điện một chiều: có nhiệm vụ cung cấp dòng một chiều cho
các thiết bị đo lường, tín hiệu, điều khiển và thắp sáng khi sự cố nhà máy. Cụm
phòng này gồm các phòng ắc quy, axit và phòng máy nạp điện cho ắc quy. Do khí
độc từ ắc quy và axit nên chúng phải đặt tách biệt với các phòng khác và có các
cửa thông gió riêng, không dùng chung cửa và hệ thống thông gió với phòng
khác. Máy nạp nên đặt cạnh phòng ắc quy axit, nếu máy nạp có trọng lượng
không lớn hay dùng chỉnh lưu thuỷ ngân thì có thể đặt ở tầng trên gần phòng điều
khiển trung tâm, tiện theo dõi nạp điện. Diện tích phòng ắc quy cần 30 - 60 m2,
phòng axit 10 - 15 m2, phòng nạp điện 20 - 40 m2.
Nhóm 1 29
Nhà Máy Thủy Điện
Phòng phân phối cấp điện áp máy phát : Phòng này đặt các thiết bị đóng,
ngắt (máy cắt, dao cách ly, cầu chì..) để phân phối điện từ thanh cái máy phát đi
đến trạm máy biến áp, máy biến áp tự dùng và đường dây tải khác. Để rút ngắn
chiều dài thanh cái từ máy phát đến máy biến áp nên đặt phòng này giữa hai máy
và gần sát máy phát, ở tầng xây ghé với gian máy phát cùng cao trình sàn máy
phát, hoặc ở tầng turbine sát máy phát. Phòng phân phối cần cao ráo, bảo đảm an
toàn đi lại, rộng chừng 6 - 8m, dài theo gian máy.
Phòng điện tự dùng: Phòng này thường bố trí máy biến áp tự dùng và bảng
điện tự dùng, ước chừng 30 - 50 m2.
Bố trí các phòng thuộc nhóm sản xuất
Đây là các nhóm phòng bảo đảm sự làm việc bình thường, gồm: các hệ
thống dầu, cấp nước kỹ thuật, khí nén..., các xưởng sửa chữa cơ khí, kĩ thuật điện,
đo lường điện, thí nghiệm điện cao áp... Nhóm các thiết bị điện được bố trí ở các
tầng trên đảm bảo khô ráo, an toàn. Các nhóm cơ khi như dầu, nước thường bố trí
ở tầng turbine, dọc nhà máy, phòng khí nén và xưởng cơ khí thường ở tầng
turbine - dưới sàn lắp ráp, thiết bị cấp nước kỹ thuật và bơm tháo nước thường đặt
gần tổ máy chính, tầng turbine.
5) Turbine thủy lực của trạm thủy điện
Trong quá trình đấu tranh sinh tồn và cải tạo thế giới tự nhiên, loài người đã sớm
biết sử dụng các động cơ thủy lực: từ những bánh xe nước dùng vào việc kéo máy
xay xát nông sản đến phát triển chúng lên thành những turbin thuỷ lực hiện đại
kéo máy phát điện để sản xuất ra điện năng ngày nay. Để sử dụng một cách có
hiệu quả năng lượng dòng nước đặc trưng bởi tổ hợp cột nước và lưu lượng khác
nhau cần phải có đủ những loại turbine khác nhau về cấu tạo, kích thước cũng
như quá trình làm việc của chúng.
Dựa vào việc sử dụng dạng năng lượng trong cơ cấu bánh xe công tác của
turbine người ta chia turbine thủy lực ra làm hai loại: turbine xung kích và turbine
Nhóm 1 30
Nhà Máy Thủy Điện
phản kích. Trong các loại lại chia ra các hệ và các kiểu turbine.
Turbine chỉ sử dụng phần động năng để làm quay bánh xe công tác gọi
là loại turbine xung kích. Loại này còn gọi là turbine dòng chảy không áp vì dòng
chảy trong môi trường khí quyển nên chuyển động của dòng tia trên cánh bánh xe
công tác là chuyển động không áp, áp suất ở cửa vào và cửa ra như nhau và bằng
áp suất khí trời. Turbine xung kích đuợc chia ra các hệ sau:
Hệ turbine xung kích gáo (turbine Penton)
Hệ turbine xung kích kiểu phun xiên
Hệ turbine xung kích hai lần (turbine Banki)
Turbine sử dụng cả thế năng và động năng, trong đó phần thế năng là
chủ yếu gọi là loại turbine phản kích. Loại này còn gọi là turbine dòng chảy có
áp, áp lực dòng chảy ở cửa vào của bánh xe công tác luôn lớn hơn áp lực ở cửa ra
của nó. Dòng chảy qua turbine là dòng liên tục điền đầy nước trong toàn bộ máng
cánh. Loại này được chia ra các hệ sau:
Hệ TB xuyên tâm hướng trục (gọi tắt là là turbine tâm trục, hay
Franxis)
Hệ TB hướng trục (gồm turbine cánh quạt và turbine cánh quay)
Hệ TB hướng chéo
Hệ TB dòng (gồm turbine dòng nửa thẳng và turbine dòng thẳng)
Hệ TB thuận nghịch (làm việc theo hai chế độ: máy bơm và turbine)
a. Turbine xung kích
Turbine xung kích là loại chỉ sử dụng phần động năng của dòng chảy. Ở loại
turbine này, dòng nước sau khi ra khỏi vòi phun thì toàn bộ năng lượng dòng
chảy đều biến thành động năng để đẩy bánh xe công tác. Vì chảy trong môi
trường khí quyển nên chuyển động của dòng tia trên các cánh bánh xe công tác là
chuyển động không áp hay còn gọi là dòng tia tự do. Sau đây chúng ta nghiên cứu
cụ thể các hệ của turbine xung kích:
Nhóm 1 31
Nhà Máy Thủy Điện
Turbine xung kích gáo (còn gọi là turbine Pelton)
Turbine này do người Mỹ tên là Penton đưa ra năm 1880 nên còn gọi là
turbine Penton. Quá trình hoạt động của turbine gáo như sau: nước từ thượng lưu
theo ống áp lực chảy qua vòi phun (ở đây lưu lượng được điều chỉnh trước khi
phóng vào cánh bánh xe công tác nhờ van kim), rồi phóng vào cánh dạng gáo của
turbine, làm quay bánh xe công tác kéo theo trục turbine quay, nước đập vào cánh
gáo bị bắn ra hai phía và được vỏ của turbine gom lại dẫn về hầm xả để tháo về
hạ lưu của nhà máy.
Turbine gáo sử dụng động năng để quay do vậy cần tạo nên vận tốc dòng
phun lớn để tăng công suất turbine, măt khác kết cấu bánh xe công tác rất vững
chắc do vậy turbine này được sử dụng với cột nước cao lưu lượng nhỏ. Turbine
gáo loại lớn có phạm vi sử dụng cột nước từ 200 ÷ 2000m hoặc hơn nữa, turbine
gáo loại nhỏ thì từ 40 ÷ 250m. Trục turbine gáo có thể đứng hoặc ngang. Trạm
TĐ Bôgôta ở Côlombia đã đạt đến cột nước rất cao H = 2000m, công suất lắp
máy N = 500 MW. Trạm Raisec ở Úc có cột nước H = 1767m. Nước ta có các
Nhóm 1 32
Nhà Máy Thủy Điện
trạm H = 500÷800m như Vĩnh Sơn và Đa Nhim, sử dụng hệ turbine xung kích
gáo.
Turbine xung kích hai lần (turbine Banki)
Turbine xung kích hai lần có phạm vi sử dụng cột nước từ 6 ÷ 150m,
thường từ 10 ÷ 60m. Kết cấu của nó rất đơn giản, dễ chế tạo nên được sử dụng
rộng rãi ở các trạm thủy điện nhỏ có lưu lượng bé, cột nước vừa, trục thường nằm
ngang.
Turbine gồm có vòi phun tiết diện hình chữ nhật được nối liền với đoạn
ống chuyển tiếp. Vòi có cơ cấu điều chỉnh lưu lượng gồm van phẳng gắn với trục
điều khiển có tay quay vô lăng. Khi vô lăng quay, trục điều chỉnh sẽ tịnh tiến về
phía trước hoặc phía sau làm cho tiết diện ra của vòi phun thay đổi, nên lưu lượng
Nhóm 1 33
Nhà Máy Thủy Điện
vào turbine cũng được thay đổi theo. Bánh xe công tác gồm các cánh cong được
gắn giữa các đĩa, số cánh từ 12 ÷ 48. Trục turbine xuyên qua giữa bánh xe công
tác gắn chặt với các đĩa bằng then. Vỏ (buồng) dùng để chắn không cho nước từ
bánh xe công tác bắn ra ngoài. Hầm xả có nhiệm vụ dẫn nước về hạ lưu.
Hình dáng bánh xe công tác turbine xung kích hai lần gần giống lồng sóc.
Dòng nước từ vòi phun tác dụng vào các cánh phía trên (nhận khoảng chừng 80%
năng lượng của dòng nước) đẩy bánh xe công tác lần thứ nhất, xong lại đi vào
khoảng trống giữa bánh xe công tác rồi lại tác dụng lần thứ hai vào cánh trước khi
ra khỏi bánh xe công tác (nhận thêm 20 ÷ 30% phần năng lượng còn lại). Cũng
chính vì thế ta gọi nó là turbine xung kích hai lần.
Turbine xung kích phun xiên
Turbine xung kích phun xiên có hình dạng giống turbine gáo chỉ khác ở
kết cấu bánh xe công tác và hướng của tia nước vào bánh xe công tác. Tia nước
bắn vào bánh xe công tác không trực giao với cánh mà làm với cánh một góc α,
nhờ thế có thể làm vành ghép mép ngoài của bánh xe công tác nên đơn giản hóa
Nhóm 1 34
Nhà Máy Thủy Điện
được cách ghép cánh vào đĩa. Hình dạng cánh loại này cũng dễ chế tạo hơn. Nó
cho phép gia công hàng loạt bằng cách đập. Turbine tia nghiêng ít được sử dụng
rộng rãi, nó chỉ được sử dụng ở trạm thủy điện nhỏ có cột nước vào khoảng H =
30 ÷ 400m.
i. b. Turbine phản kích
Turbine phản kích là loại sử dụng phần thế năng và một phần động năng
của dòng nước. Bánh xe công tác của nó làm việc trong môi trường chất lỏng liên
tục và áp lực nước ở phía trước bánh xe công tác lớn hơn phía sau của nó. Khi
chảy qua rãnh tạo bởi bề mặt cong của các cánh, dòng nước sẽ thay đổi hướng tác
dụng lên cánh và làm quay bánh xe công tác. Dựa vào hướng của dòng nước ở
cửa vào và cửa ra bánh xe công tác người ta chia turbine làm các hệ: tâm trục,
hướng trục, cánh chéo, turbine dòng, thuận nghịch.
Bánh xe công tác của turbine tâm trục (turbine Franxis)
Turbine tâm trục là một trong những hệ turbine phản kích được sử dụng rộng rãi nhất. Chất lỏng từ buồng qua cánh hướng dòng vào cửa vào cánh bánh xe
công tác theo hướng xuyên tâm rồi chuyển chuyển hướng 900 và ra khỏi bánh xe
Nhóm 1 35
Nhà Máy Thủy Điện
công tác để vào ống xả theo hướng dọc trục. Do vậy gọi là turbine tâm trục.
Turbine này do kỹ sư người Pháp tên là Franxis hoàn chỉnh năm 1849 nên còn gọi
là turbine Franxis.
Bánh xe công tác của turbine tâm trục gồm có vành trên 14 và vành dưới
13, các cánh có dạng cong không gian ba chiều gắn chặt vào hai vành. Số cánh từ
12 đến 22 cánh, thường là 14 đến 18 cánh. Thường bánh xe công tác được đúc
liền thành một khối, trường hợp bị điều kiện vận chuyển hạn chế có thể chế tạo
bánh xe công tác thành từng phần, khi lắp ráp sẽ dùng các bulông ghép vành trên
và đai ghép nóng ở vành dưới của các phần đó lại hoặc hàn nối các rãnh phân
chia. Đối với turbine nhỏ có thể dập cánh, sau đó định vị chúng rồi đúc liền vành
trên và dưới để được bánh xe công tác liền khối vững chắc.
Bánh xe công tác của turbine hướng trục cánh quạt
Bánh xe công tác của turbine cánh quạt gồm có bầu, có gắn từ 3 đến 9
cánh, thông thường là 4 đến 8 cánh. Cánh có thể chế tạo liền với bầu tạo thành
một khối thống nhất hoặc chế tạo riêng biệt sau đó gắn chặt vào bầu bằng bulông.
Khi đi qua các mặt cong của cánh, dòng nước buộc phải đổi hướng chuyển động
do đó tạo ra một áp lực tác dụng lên cánh làm quay bánh xe công tác. Nhược
Nhóm 1 36
Nhà Máy Thủy Điện
điểm của loại bánh xe công tác này là có đường đặc tính công tác dốc, do vậy khi
lưu lượng, cột nước hoặc công suất thay đổi lệch với chế độ thiết kế thì hiệu suất
turbine sẽ giảm đi rất nhanh. Đối turbine tỷ tốc cao chỉ cần lưu lượng giảm đến
còn 45% lưu lượng tính toán thì hiệu suất và công suất có thể giảm đến không.
Do vậy nên cho turbine cánh quạt đảm nhận công suất và cột nước ít thay đổi.
Turbine cánh quạt được sử dụng ở Trạm thuỷ điện có cột nước H = 1.5÷40m,
hiện nay thường dùng ở trạm thủy điện nhỏ, tuy rằng đã có turbine dạng này
đường kính đạt đến 9 m.
Bánh xe công tác của turbine cánh quay (Kaplan)
Turbine cánh quay là loại ra đời sau cánh quạt. Năm 1924 giáo sư người
Tiệp tên là Kaplan đã cải tiến thành công turbine cánh cố định thành cánh quay
được, nên turbine này còn được gọi là turbine Kaplan. Nhờ cánh có thể quay
được xung quanh bầu, do vậy thích ứng được các chế độ làm việc khác chế độ
thiết kế dẫn đến vùng làm việc của turbine với hiệu suất cao được mở rộng. Do
vậy turbine cánh quay có khả năng làm việc với công suất và cột nước thay đổi
nhiều. Bánh xe công tác của turbine cánh quay gồm có: bầu, cánh, chóp thoát
Nhóm 1 37
Nhà Máy Thủy Điện
nước và bộ phận quay cánh xung quanh bánh xe công tác. Bầu phải có hình cầu
để giảm bớt khe hở giữa cánh với bầu khi quay cánh. Chóp thoát nước có tác
dụng làm cho nước chảy khỏi bánh xe công tác thuận dòng hơn và giảm được tác
dụng mạch động. Khi làm việc, các cánh bánh xe công tác hướng trục chịu tác
dụng áp lực nước ở dạng sơ đồ chịu lực kiểu dầm côngxôn do không có vành
dưới, tại nơi tiếp giáp cánh với bầu chịu mômen uốn lớn nhất. Người ta đã đo
được áp lực nước tác dụng lên một cánh có thể đạt tới 240 tấn. Do vậy phải sử
dụng động cơ tiếp lực dầu cao áp mới quay được cánh.
Bộ phận quay cánh gồm trục cánh, động cơ tiếp lực, hệ thống thanh
truyền. Tay quay được nối với trục cánh, còn thanh truyền có chốt nối liền píttông
của động cơ tiếp lực với tay quay. Pittông chia xi lanh của động cơ tiếp lực làm
hai ngăn: trên và dưới. Dầu có áp từ thiết bị dầu áp lực qua hai ống dẫn đồng tâm
lồng vào nhau nằm bên trong trục tổ máy. Khi dầu có áp vào một ngăn nào đó của
xi lanh còn ở ngăn kia dầu thông với lỗ dầu xả thì pittông lẫn thanh truyền sẽ dịch
lên hoặc xuống, do đó làm xoay các cánh theo các góc quay như nhau. So với
turbine cánh quạt thì turbine cánh quay được dùng với cột nước thấp hơn do khả
năng chịu lực của nó có yếu hơn. Cùng với turbine tâm trục, turbine cánh quay
được sử dụng rất rộng rãi.
Bánh xe công tác của turbine cánh chéo
Turbine cánh chéo được ra đời chậm hơn các loại turbine trên, nó là loại
trung gian giữa tâm trục và hướng trục. Nó kết hợp được các ưu điểm của hai hệ
turbine trên. Turbine cánh chéo được sử dụng ở các trạm thủy điện có cột nước H
= 30 ÷ 150m. Nó thuộc loại turbine cánh quay. Bánh xe công tác gồm 10 đến 14
cánh được gắn vào bầu hình chóp nhờ các trục cánh. Trục cánh làm với trục
turbine một góc 300,450,600 nên dòng chảy trong bánh xe công tác chéo góc với
trục. Cũng như turbine cánh quay, các cánh bánh xe công tác quay được quanh
trục của nó, nhờ cơ cấu quay cánh gồm vành sao và thanh truyền nằm trong bầu
Nhóm 1 38
Nhà Máy Thủy Điện
nên hiệu suất bình quân của nó cao hơn turbine tâm trục ở hầu hết các chế độ làm
việc. Mặt khác số cánh bánh xe công tác của turbine này nhiều hơn so với turbine
cánh quay nên có thể làm việc với cột nước cao hơn mà vẫn không bị khí thực.
Ngoài ra, turbine cánh quay làm việc với cột nước thấp, muốn chịu được cột nước
cao hơn thì phải tăng số lượng cánh bánh xe công tác của nó lên từ 6 đến 10 cánh.
Như vậy bầu bánh xe công tác phải có đường kính lớn. Để có thể tăng số cánh mà
không phải tăng đường kính thì tốt hơn hết là trên mỗi trục cánh lắp hai cánh kép
Bánh xe công tác của turbine dòng nửa thẳng
Turbine này còn gọi là turbine Capxun. Tổ máy có turbine trục ngang nối
liền trục với trục máy phát điện đặt trong bọc kín bằng kim loại (gọi là cáp xun)
có dạng thuận dòng. Cápxun chứa máy phát điện có thể nằm trước bánh xe công
tác hoặc nằm sau bánh xe công tác trong ống hút thẳng. Các cánh hướng dòng
thuộc loại hướng tâm hoặc hình chóp. Stator thuộc loại và cùng với các trụ tựa sẽ
truyền tải trọng tổ máy lên móng máy. Liên hệ giữa các thiết bị đặt trong cáp xun
với gian máy bằng các tháp. Turbine capxun có hiệu suất cao hơn so với turbine
phản kích khác đến 30% do khả năng tháo nước của nó.
Bánh xe công tác của turbine dòng thẳng
Ở turbine dòng thẳng, dòng nước theo buồng turbine hình trụ thẳng đi qua
Stato trước vào bộ phận hướng dòng và tác động vào bánh xe công tác về hạ lưu
theo dòng thẳng. Roto máy phát điện được gắn vào mút cánh turbine, do vậy khi
bánh xe công tác quay thì cũng chính là rotor quay. Turbine dòng thẳng có cấu
tạo phức tạp, đặc biệt là ở các vòng đệm chống thấm vòng quanh mà hiệu suất
không cao hơn turbine hướng trục bình thường mấy, nên ít được sử dụng.
Bánh xe công tác của turbine thuận nghịch
Turbine thuận nghịch được dùng trong " tổ máy hai máy" ở các trạm thủy
điện tích năng, có khả năng làm việc ở hai chế độ: bơm nước và phát điện. Tổ
máy gồm có hai máy: turbine thuận nghịch và máy điện ("máy phát điện - động
cơ điện") làm việc ở 2 chế độ máy phát và động cơ. Tổ máy loại này thay cho các
Nhóm 1 39
Nhà Máy Thủy Điện
loại tổ máy làm việc ở các chế độ riêng biệt không kinh tế hoặc " tổ máy ba máy".
Nguyên lý làm việc của turbine và máy bơm trái ngược nhau, do vậy để làm việc
ở một chế độ cụ thể phải chỉnh chiều quay cánh thích hợp với từng chế độ làm
việc.
VII. Một số ưu nhược điểm của nhà máy thủy điện
1. Ưu điểm
• Sử dụng nguồn thủy năng dồi dào vô tận của thiên thiên. • Vận hành đơn giản, an toàn, dễ dàng tự đông hóa. • Giá thành điện năng của nhà máy thủy điện thấp hơn nhiều so với các nhà máy nhiệt điện.
2. Nhược điểm
• Vốn đầu tư lớn, thời gian xây dựng lâu • Nhà máy thủy điện thường lợi dụng tổng hợp(thủy lợi, chống lũ, giao thông, chăn nuôi).
• Nguồn nước thay đổi ngẫu nhiên và biến động mạnh theo thời gian. • Ảnh hưởng manh đến hệ sinh thái môi trường.
Nhóm 1 40
Nhà Máy Thủy Điện
Nhóm 1 41
