Đề tài Nhà máy thủy điện

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. Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 2 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). Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 3 Tên nhà máy Công suất thiết kế (MW) Năm 2003 Năm 2004 Nhà máy thuỷ điện 4155 4155 Hoà Bình 1920 1920 Thác Bà 120 120 Trị An 420 420 Đa Nhim - Sông Pha 167 167 Thác Mơ 150 150 Vĩnh Sơn 66 66 Ialy 720 720 Sông Hinh 70 70 Hàm Thuận - Đa Mi 476 476 Thuỷ điện nhỏ 46 46 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 4 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. 9,81. .N Q H (KW) 39,81.10 . .N Q H (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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 5 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: 9,81. . .N H Q (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: d. .TB mf t    Trong đó: TB – hiệu suất turbine mf – hiệu suất máy phát dt – hiệu suất truyền động Nếu turbine và máy phát nối trực tiếp (liên tục) thì d 1t  Công thức (1-12) có thể viết dưới dạng: . .N K Q H (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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 6 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: 0 t E Hdt  (1-14) Hoặc: 1 n i i i E N t   (1-15) Trong đó: ti – thời gian mà trạm làm việc với công suất Ni n – số đoạn làm việc Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 7 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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 8 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. Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 9 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, Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 10 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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 11 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. Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 12 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. Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 13 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). Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 14 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. Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 15 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. Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 16 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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 17 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) Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 18 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. Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 19 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. Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 20 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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 21 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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 22 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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 23 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. Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 24 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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 25 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... Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 26 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: 3 os MPNS UI c    (kVA) Công suât vô công: .sin 3 .sinQ S UI   (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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 27  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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 28 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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 29  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. Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 30  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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 31 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: Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 32  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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 33 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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 34 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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 35 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 90 0 và ra khỏi bánh xe Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 36 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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 37 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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 38 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 30 0 ,45 0 ,60 0 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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 39 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 Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 40 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. Nhà Máy Thủy Điện Nhóm 1 41