dieu toc

1

I. TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN TẮC ĐIỀU CHỈNH TỐC

ĐỘ CỦA MÁY PHÁT THUỶ ĐIỆN

1. Tổng quan: Mục đích của việc điều chỉnh tốc độ máy phát điện là để giữ cho tần số máy

phát (tốc độ quay tổ máy) ổn định khi phụ tải thay đổi.

Ta có tần số của máy phát điện xoay chiều được xác định theo biểu thức:

60

npf

Trong đó:

- f: Tần số dòng điện xoay chiều (Hz)

- n: Tốc độ quay rô to của máy phát

- p: Số đôi cực của máy phát

Từ biểu thức trên ta thấy rằng: Để duy trì tần số máy phát ổn định thì ta

phải duy trì số vòng quay n của rô to máy phát (vì số đôi cực máy phát là cố

định).

Rôto của máy phát được nối đồng trục với tua bin, dưới tác dụng của

năng lượng dòng nước tác động lên tua bin thuỷ lực quay làm cho rô to máy

phát quay theo. Ta có phương trình động lực trên trục tua bin là:

t c

dM M J

dt

Trong đó:

- Mt: Mô men động lực có tác dụng làm cho tua bin quay. Đối với máy

thuỷ lực, mô men Mt do dòng nước sinh ra.

- Mc: Là mô men cản trên trục tua bin máy phát gồm: Mô men do ma sát

và Mô men điện từ… Mô men điện từ này là do dòng điện chạy trong phần ứng

của máy phát sinh ra, mô men này thay đổi khi phụ tải máy phát thay đổi.

- J: Là mô men quán tính của hệ qui đổi về trục tua bin.

- ω: Là tốc độ góc của tua bin máy phát, ta có:

2

260

npf

Ta thấy số vòng quay của tổ máy không đổi khi dω/dt = 0, có nghĩa là lúc

này mô men động lực bằng mô men cản hay công suất của tua bin bằng công

suất của phụ tải máy phát. Vì công suất phụ tải của máy phát thường thay đổi

liên tục nên muốn đảm bảo tần số dòng điện không đổi ta phải điều chỉnh công

suất tua bin cho phù hợp.

Công suất của tuabin do dòng nước cung cấp được xác định theo công

thức:

2

9,81tbN QH

Trong đó:

- η: Hiệu suất sử dụng cột nước của tua bin

- Q: Lưu lượng dòng nước (m³/s)

- H: Chiều cao cột nước (m)

- Ntb: Công suất của tua bin

Từ công thức trên cho ta thấy được: Có thể thay đổi η, Q hay chiều cao cột

nước H để điều chỉnh công suất của tua bin, nhưng tiện lợi và kinh tế nhất là

điều chỉnh lưu lượng nước qua tua bin Q.

Lưu lượng nước Q của một dòng nước qua tiết diện S được xác định:

Q = v.S (m³/s)

Trong đó: v: là vận tốc của dòng chảy qua tiết diện S

S: Là tiết diện mặt cắt ngang của dòng nước (m²)

Ta tính vận tốc dòng nước như sau:

2. .v g H

Vì độ cao H tại thời điểm ta xét gần như không đổi nên vận tốc của dòng

nước chảy qua tua bin là không đổi. Vậy để điều chỉnh lưu lượng Q thì ta phải

thay đổi tiết diện dòng chảy khi ra khỏi đường ống.

Tuỳ vào từng loại turbine mà có những biện pháp điều chỉnh lưu lượng

khác nhau. Đối với turbine tâm trục người ta thường thay đổi độ mở cánh

hướng nước và góc quay của bánh xe công tác. Đối với turbine cánh gáo người

ta vừa điều khiển kim phun và vừa điều khiển cánh hướng dòng.

Tóm lại, điều tốc cho turbine thuỷ lực là điều khiển lưu lượng nước vào

turbine để giữ cho tốc độ quay turbine không đổi khi phụ tải thay đổi.

2. Đặc tính điều chỉnh của tua bin:

Đặt tính điều chỉnh của tua bin biểu diễn mối quan hệ giữa tần số đối với

công suất tác dụng như sau:

3

f0

f

P0 P

Đồ thị đặt tính tĩnh của tua bin

Phương trình đặt tính tua bin biểu diễn mối quan hệ giữa tần số và công

suất phát ra của tổ máy như sau:

(f0 - f) + Bp.(P0 - P) = 0 f = f0 + Bp.(P0 - P)

Trong đó:

- f: tần số máy phát

- f0: tần số đặt (50Hz)

- P: công suất điện phát ra của tổ máy

- P0: công suất làm việc ban đầu ở chế độ định mức.

- Pdm: Công suất cực đại của tổ máy

- f: độ lệch tần số tương ứng với độ thay đổi công suất P.

- Độ dốc tĩnh BP (permanent speed drop) của đường đặc tính là thông số rất

quan trọng của hệ thống điều tốc, nó nói lên sự phản ứng của hệ thống điều tốc

khi tần số thay đổi.

dmp

dm

f

fB

P

P

Từ công thức trên ta thấy: nếu tần số thay đổi Bp% thì công suất sẽ thay

đổi 100%, như vậy, nếu thông số này cao, bộ điều tốc sẽ thay đổi rất ít công

suất khi tần số thay đổi, còn nếu thông số này quá thấp thì bộ điều tốc sẽ phản

ứng mạnh với sự thay đổi tần số, dễ gây mất ổn định hệ thống.

4

Độ dốc tĩnh được điều chỉnh trong khoảng từ 0÷10% và được đặt cùng

một giá trị cho tất cả các máy làm việc song song trên lưới. Khi có nhiều máy

làm nhiệm vụ điều tần hoặc tần số lưới ổn định thì thông số này không cần đặt

nhỏ, ví dụ ở Việt Nam chọn Bp=4% ở Nga, Phần Lan chọn Bp=6%

Ý nghĩa của việc đặt các tổ máy cùng 1 giá trị Bp là để đảm bảo phân

chia tỉ lệ công suất tương ứng cho từng máy phát khi chúng làm việc song song

tránh quá tải cho máy phát bé khi có sự biến động về tần số .

Để minh hoạ về ý nghĩa của đặc tính độ dốc của các tổ máy làm việc

trong hệ thống, ta xem ví dụ sau:

Tổ máy 2

(Bp2)

Hz

Tổ máy 1

(Bp1)

Công suất raCông suất ra P2

f

P1

Phân bố công suất khi máy phát làm việc song song

Ta thấy: với hai tổ máy làm việc song song với công suất định mức của

mỗi tổ máy khác nhau P1đm>P2đm làm việc với đặc tính độ dốc Bp1 = Bp2 = Bp

khi ta đặt cùng độ dốc thì khi có biến động về tần số f thì tổ máy 2 thay đổi

P2 < P1, phần công suất gánh thêm của mỗi máy tỷ lệ với công suất của mỗi

máy.

3.Bộ điều tốc Turbin thuỷ lực

Tuabin thuỷ lực là một bộ phận quan trọng nhất trong nhà máy thuỷ điện, nó

quyết định công suất và tần số phát của tổ máy. Là một thiết bị có cơ cấu

phức tạp, trọng lượng và kích cỡ lớn, tuabin đòi hỏi phải

có độ bền cao, vận hành ổn định trong thời gian dài (tuổi thọ vận hành 40

năm, thời gian đại tu 6 năm, trung bình vận hành 3000 giờ/năm ).

Tuabin thuỷ lực phổ biến ( loại Kaplan trục đứng như: Hoà Bình, Yaly, Thác

5

Bà, Tuyên Quang . . . ) bao gồm 2 phần chính : Roto tuabin (gồm bánh xe công

tác-BXCT được nối với trục tuabin thông qua khớp nối truyền động momen

xoắn, trục, ổ hướng) và Stato tuabin (gồm vành đáy tuabin để đỡ trục dưới cánh

hướng, các vành làm kín, vành stato tuabin, bộ cánh hướng tĩnh) và bộ ống

xả, buồng xoắn.

Tuỳ theo mực nước thượng lưu và khi tải trên lưới điện thay đổi đòi hỏi

lượng điện phát ra của nhà máy phải thay đổi phù hợp. Vấn đề đặt ra là phải

điều chỉnh độ mở hệ thống cánh hướng nước nhằm điều chỉnh lưu lượng nước

vào tuabin để điều ch ỉnh công suấ t phá t và tạo cho tuabin tốc độ ổn

định.

Để điều chỉnh độ mở cánh hướng người ta sử dụng các servomotor (thông

thường 2 servomotor). Truyền động của servomotor sẽ qua hệ thống thanh

truyền lực gắn với vành điều chỉnh, giữa cánh hướng và vành điều chỉnh được

liên kết bởi các khớp truyền động.

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật số, bộ điều tốc tuabin được tự

động hoá hoàn toàn, có khả năng thu thập các thông số quá trình một cách liên

tục, tự động điều chỉnh ổn định quá trình vận hành.

Bộ điều tốc tuabin bao gồm phần điều tốc kỹ thuật số và phần điều tốc thuỷ

lực. a)Phần điều tốc điện:

6

Tần số đặt

min

Bộ giới hạn

trên

Độ dốc tĩnh

(Bp)

Hiệu chỉnh

theo cột áp

Vị trí van

phân phối

chính

Công suất

đặt

Bộ biến đổi

Trễ

Bộ điều

chỉnh công

suất (PI)

Van phân

phối chính

Servomotor

TURBINE

Máy phát

Sai lệch tần

số

Bộ điều

chỉnh tần số

(PID)

max

Bộ giới hạn

dưới

Sơ đồ khối hệ thống điều tốc tuabin

Mỗi tuabin được cung cấp một hệ thống điều tốc tự động riêng biệt có khả

năng điều khiển tốc độ, công suất phát, lưu lượng nước vào tuabin cho phép tổ

máy vận hành ổn định, hoàn hảo ở các chế độ vận hành. Bộ điều tốc kỹ thuật số được lắp trong các tủ điều khiển tại tổ máy, các

thông số được giám sát qua hệ thống SCADA ở phòng điều khiển trung tâm.

Bộ điều tốc có cấu hình dự phòng kép cả về phần cứng và phần mềm, một hệ

giao tiếp tốc độ cao được thiết lập giữa hai kênh xử lý đảm bảo quá trình

chuyển mạch không trễ trong mọi chế độ vận hành. Nguyên lý điều chỉnh là

thuật toán PID có nhánh hồi tiếp. Điều khiển vị trí: sử dụng thuật toán điều chỉnh PID, tín hiệu vào là vị trí thực

của cánh hướng và vòng trượt của các servomotor. Khi vận hành ở chế

độ quá tải, sự giới hạn tốc độ của cánh hướng được đặt lên hàng đầu nhằm

tránh tuabin lệch khỏi vị trí tối ưu. Điểm đặt vị trí của cánh hướng được tính

toán dựa theo giá trị của cột nước. Điều khiển giới hạn độ mở: độ mở giới hạn có thể được điều chỉnh trong

khoảng -5 đến 105%, được hiệu chỉnh theo cột áp hiện tại và theo chế độ hoạt

7

động của tổ máy.

Điều khiển vận tốc: sử dụng thuật toán điều chỉnh PID có phản hồi, giá trị

đặt của bộ điều khiển vận tốc có thể được điều chỉnh trong khoảng 90 đến

110%. Dải tần số chết có tác dụng trong suốt quá trình vận hành song song

và có thể điều chỉnh được. Bộ điều chỉnh PID sẽ xác định điểm đặt cho

servomotor điều khiển cánh hướng bằng cách tính toán sự sai lệch giữa giá

trị đặt và tốc độ thực tế. Sơ đồ điều khiển của bộ điều chỉnh tần số khi bỏ qua

hiện tượng trễ vi sai:

1

Tds

1/Tn1/s

Kp

Bp

X Yc

-

Hàm truyền của bộ điều chỉnh tần số có dạng:

1

*(1 * )*

( )1

1 *(1 * )**

p d

n

p d p

n

K T sT s

G s

K T s bT s

Kp: Hệ số tỷ lệ

Tn : Thời gian tích phân.

Td : Thời gian vi phân.

bp: độ dốc của đặc tính tốc độ

Khi bp 0:

8

1( ) *(1 * )

*p d

n

G s K T sT s

Điều khiển độ mở cánh hướng: giá trị đặt có thể được điều chỉnh trong khoảng -5 đến 105%, chế độ vận hành của bộ điều khiển này chỉ có thể được

lựa chọn khi tổ máy vận hành ở chế độ song song, trong các chế độ khác

điểm đặt của độ mở sẽ là độ mở thực của cánh hướng. Điều khiển lưu lượng: giá trị đặt có thể được điều chỉnh trong khoảng -5

đến 105%. Lưu lượng thực tế được tính toán từ cột nước, vận tốc tuabin và vị

trí của cánh hướng. Bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI, xác định

giá trị đặt cho vị trí của servomotor cánh hướng bằng cách tính toán sự khác

nhau giữa giá trị đặt và lưu lượng thực tế. Sơ đồ điều khiển của bộ điều khiển

lưu lượng (công suất) có dạng:

1

1/Tn1/s KpX Yc

Và hàm truyền sẽ là:

1( ) *(1 )

*p

n

G s KT s

b)Phần điều tốc thuỷ lực(hoặc cơ):

Phần điều tốc thuỷ lực bao gồm: bể chứa dầu, van trượt điều khiển chính,

máy bơm trục vít, bộ lọc, các sensor đo mức và nhiệt độ.

Bộ biến đổi điện thuỷ lực biến đổi các tín hiệu từ bộ điều khiển kỹ thuật số

thành các đại lượng cơ tương ứng. Bộ khuếch đại thuỷ lực là van phân phối

chính nối hệ thống ống dầu áp lực với servomotor của cánh hướng và hệ

thống cấp dầu áp lực. Hệ thống dầu có áp lực 4.0 - 6.3 Mpa ( 40 – 63 bar ).

Hệ thống khí nén cung cấp cho bình tích năng, cân bằng áp lực hệ thống. Với hệ thống van, thời gian tác động được giới hạn tương ứng với đòi hỏi

của sự thay đổi tốc độ. Ngoài ra còn có một van điện từ độc lập để dừng

khẩn cấp tuabin bằng cách tác động để servomotor đóng khẩn cấp các cánh

9

hướng mà bỏ qua các tín hiệu từ bộ điều khiển. Các thiết bị đo:

- Đo tần số lưới

- Đo tần số máy

- Đo công suất phát

- Đầu đo lưu lượng theo phương pháp siêu âm.

- Đo áp suất vi sai tại buồng xoắn

- Đo vị trí van phân phối chính.

- Đo vị trí servomotor hay độ mở cánh hướng.

- Đo áp suất xilanh và nhiệt độ dầu áp lực.

- Đo mức dầu và áp lực dầu của bình dầu áp lực.

Ngoài ra còn có các hệ thống đo khác đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn,

ổn định như: độ rung, độ ẩm, nhiệt độ môi trường . . .

10

II. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN SƠN LA.

1. Nhiệm vụ của hệ thống điều tốc:

Hệ thống điều tốc là một hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ của tổ máy

luôn ở giá trị định mức khi tổ máy ở chế độ vận hành bình thường, đồng thời

phải có được các chức năng sau:

- Khởi động và dừng tổ máy tự động hoặc bằng tay.

- Chạy không tải tổ máy.

- Có các chế độ làm việc trên lưới: "Công suất", "Tần số", "Điều khiển

nhóm" và "Bù đồng bộ".

- Thay đổi tần số và công suất của tổ máy.

- Chuyển đổi tổ máy từ chế độ này sang chế độ khác.

- Tự động chuyển từ các chế độ "công suất", "điều khiển nhóm", "bù

đồng bộ" sang chế độ "tần số" khi tần số lưới vượt quá giá trị cho phép.

- Dừng bình thường và dừng sự cố tổ máy nhanh chóng và an toàn.

2. Những yêu cầu của hệ thống điều tốc

-Đảm bảo cho tổ máy làm việc ổn định ở mọi chế độ vạn hành.

-Khi thay đổi công suất các cơ cấu điều chỉnh êm dịu không giật cục.

-Phải duy trì tốc độ tổ máy sao cho bảo vệ ngừng máy không tự động

tách ra khi sa thải phụ tải, từ đầy tải đến không tải đồng thời cũng không để xảy

ra thuỷ kích trong buồng tuabin.

-Máy điều tốc phải có cơ cấu hạn chế độ mở lớn nhất của cánh hướng

nước khi thay đổi cột nước.

-Cho phép điều khiển tại chỗ hoặc từ xa tổ máy.

-Tự động đóng cánh hướng nước trong điều kiện “mất phản hồi ngược từ

bộ cánh hướng”

-Có các đồng hồ kiểm tra, giám sát các thông số của điều tốc.

3. Các chế độ vận hành của hệ thống điều tốc.

- Chế độ công suất: Hệ thống điều tốc làm việc để ổn định theo công suất

hữu công P trong một phạm vi nhất định. Khi tần số giảm, điều tốc sẽ điều

chỉnh để tăng lượng nước vào turbine. Kết thúc quá trình điều chỉnh, tần số máy

phát có thể vẫn nhỏ hơn tần số định mức do lượng công suất phát lên không bù

hoàn toàn được độ gia tăng công suất phụ tải. Tuy nhiên lúc này các tổ máy vận

hành theo chế độ công suất sẽ không tăng công suất nữa, việc bù lượng công

suất thiếu hụt còn lại sẽ do các tổ máy hoạt động theo chế độ tần số thực hiện.

- Chế độ tần số: Hệ thống điều tốc làm việc để ổn định theo tần số lưới

thông qua việc điều chỉnh cánh hướng đóng hoặc mở khi tần số lưới tăng hoặc

giảm, Độ gia tăng công suất phát ứng với độ giảm tần số Δf là:

11

0dm

/.

f fP P

Bp

- Chế độ nhóm: Áp dụng khi có 2 tổ máy trở lên nối song song với nhau

trên lưới. Hệ thống điều tốc sẽ được điều khiển bởi hệ thống điều khiển trung

tâm nhằm mục đích phân bổ công suất đặt cho các tổ máy để đạt được hiệu suất

tổng cao nhất.

- Chế độ không tải: Công suất phát của tổ máy bằng không, lúc này lượng

nước vào turbine sinh ra năng lượng đủ để bù năng bị tổn thất trên các thiết bị

của tổ máy. Độ mở cánh hướng tại thời điểm này gọi là độ mở không tải.

- Chế độ bù đồng bộ: Khi đang chạy ở các chế độ công suất, hoặc chế độ

không tải, tổ máy có thể chuyển sang chế độ bù bằng cách thổi khí vào buồng

turbine để đẩy hết nước ra ngoài, khi đó tổ máy thu công suất P trên lưới để

quay tổ máy như một động cơ đồng thời thu Q hoặc phát Q lên lưới để bù công

suất phản kháng cho lưới. Công suất phản kháng Q được điều chỉnh bởi dòng

kích từ.

4. Các chế độ điều khiển của hệ thống điều tốc

Hệ thống điều tốc có thể thi hành các chế độ điều khiển phụ thuộc vào

lựa chọn của vận hành viên trực tiếp từ giao diện vận hành

- Chế độ tự động từ xa: Đây là chế độ vận hành tự động hoàn toàn của hệ

thống điều tốc. Nó tính toán để điều khiển dựa theo lệnh được gửi từ PLC của

tổ máy.

- Chế độ tự động tại chỗ: Trong chế độ này, lệnh điều khiển turbine được

lấy trực tiếp từ giao diện vận hành. Các tín hiệu điều khiển gồm:

+ Giá trị công suất đặt

+ Giới hạn độ mở

+ Chế độ vận hành turbine

+ Lệnh đồng bộ lưới

- Chế độ bằng tay: chế độ này cho phép điều khiển trực tiếp từ giao diện

vận hành

+ Chốt các tín hiệu đầu ra của hệ thống điều tốc

+ Điều khiển vị trí servomotor

Trong chế độ vận hành này, các lệnh phải được cân nhắc vì lệnh sẽ được ưu tiên

trong vòng lệnh chính. Bộ điều khiển sẽ ko đảm bảo việc ổn định tần số hoặc

công suất.

- Chế độ điều chỉnh tại chỗ vị trí servomotor: Chế độ này tương đương

với chế độ trên (chế độ bằng tay). Nó giúp vận hành viên điều khiển servomotor

ở cấp độ SPC (bộ điều khiển vị trí servomotor), nghĩa là cho phép điều khiển

cánh hướng khi UPC ngừng hoạt động.

12

Khi chuyển sang chế độ này, SPC sẽ duy trì vị trí trước đó cho tới khi có

lệnh - hoặc + trực tiếp trên bộ SPC. Hệ thống tự động chuyển sang chế độ điều

chỉnh tại chỗ vị trí servomotor nếu như máy cắt đóng, trong trường hợp ngược

lại (máy cắt mở), SPC sẽ dừng để tránh cho máy bị lồng tốc.

5. Cấu tạo của hệ thống điều tốc

Hệ thống điều tốc lắp đặt tại nhà máy thuỷ điện Sơn La được Alstom

cung cấp gồm có bộ điều tốc kỹ thuật số và bộ điều tốc thuỷ lực.

a. Bộ điều tốc điện:

Các thông số:

+ Nhà sản xuất ALSTOM

+ Kiểu T-SLG

+ Dải đặt của đặc tính dốc 0-20%

+ Độ chính xác điều chỉnh tần số ±0,2%

+ Hệ số tỉ lệ (kP) 10-2000%

+ Hệ số tích phân (kI) 0,1-20s

+ Hệ số vi phân (kD) 0,001-5s

+ Vùng chết servomotor 0,2s

+ Vùng chết tần số 0,02%

+ Thời gian mở cánh hướng 20s

+ Thời gian đóng cánh hướng (dừng bình thường) >20s

+ Thời gian đóng cánh hướng nhanh (dừng sự cố) 20s

+ Hệ thống dầu áp lực:

- Áp lực định mức 6,3 MPa

- Áp lực lớn nhất 7,0 MPa

- Áp lực nhỏ nhất cho phép hoạt động 5,04 MPa

- Nhiệt độ lớn nhất 500C

- Lượng dầu của cả hệ thống điều tốc 12,5 m3

Bộ điều tốc điện là loại T-SLG để điều khiển phần cơ thủy lực theo các

chương trình phần mềm đã được cài đặt, đưa ra các tín hiệu bảo vệ, điều khiển

số cho các mạch tự động hoá của tổ máy, chuyển tín hiệu, chuông báo tới trung

tâm điều khiển. Tất cả các thông số & chế độ điều chỉnh được thể hiện trên màn

hình, cho phép giao diện giữa người vận hành và tổ máy.

13

14

Sơ đồ điều khiển

15

Cấu trúc hệ thống điều khiển

16

Bộ điều tốc điện bao gồm các thành phần sau:

+ Rơle tần số quay: là bộ nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ của tổ máy và

tần số lưới rồi phân ra các vùng tốc độ để gửi tới bộ lệnh và các thiết bị khác

của tổ máy như kích từ, phanh…

+ Bộ điều khiển kỹ thuật số làm việc theo nguyên lý : Tỷ lệ - Tích phân -

Vi phân (PID). Nó có các môđun chương trình riêng để thực hiện các chức năng

của hệ thống điều tốc.

- Môđun điều khiển vị trí servomotor: nhận lệnh điều khiển từ bộ điều khiển và

chuyển đổi tín hiệu này để tương thích với động cơ chấp hành của bộ biến đổi

điện thuỷ lực.

- Môđun đặt công suất để tính toán công suất đặt cho bộ điều khiển giữ công

suất đầu ra và tần số của tổ máy tại giá trị không đổi, môđun này tính toán

lượng công suất cần để bù cho lưới khi tần số thay đổi và sẽ hiệu chỉnh lại công

suất tính toán này theo cột áp.

- Môđun giới hạn độ mở để giới hạn giá trị độ mở cánh hướng tại giá trị cài đặt

nhằm bảo vệ tổ máy khi môđun đặt công suất tính toán sai giá trị đặt công suất,

giá trị giới hạn này cũng đã được hiệu chỉnh lại theo cột áp. Có hai thông số của

giới hạn độ mở là giới hạn trên và giới hạn dưới, trong các trường hợp phát

công suất giới hạn dưới của độ mở cánh hướng chính là giá trị độ mở không tải

để đảm bảo các điều kiện đồng bộ còn giới hạn trên thay đổi phương pháp tính

tuỳ theo chế độ vận hành:

Chế độ khởi động: ở giai đoạn khởi động đầu, độ mở khởi động phải đảm

bảo để tăng tốc nhanh chóng tuabin từ vị trí dừng tới vị trí gần đồng bộ

(khoảng 80 – 90% tốc độ định mức), giới hạn trên là giới hạn khởi động

1.

Giới hạn độ mở khởi động 2 được thiết lập ngay sau đó để tuabin đạt tốc

độ đồng bộ phục vụ cho việc hoà đồng bộ.

Chế độ phát công suất: Giới hạn độ mở cũng được đặt tương ứng với cột

áp nhằm mục đích bảo vệ chống quá tải của máy phát phù hợp với công

suất tác dụng trong vùng làm việc bình thường và khi tăng cột áp và để

tránh tăng quá mức của lưu lượng nước khi cột áp thấp.

Khi dừng tổ máy hoặc chuyển sang chế độ bù đồng bộ: Giới hạn độ mở

được thiết lập khi thực hiện lệnh “định vị điện tử”. Giá trị giới hạn được

hình thành bằng với độ mở thực tế của cánh hướng. Lệnh đầu vào của sự

hạn chế được đưa từ hệ thống điều khiển tổ máy.

Sự điều chỉnh môđun đặt công suất và môđun giới hạn độ mở phải có khả

năng thực hiện được trong bất kỳ chế độ vận hành nào của tổ máy bao gồm cả

trạng thái dừng.

17

- Môđun điều khiển tốc độ được thực hiện trong chế độ vận hành tổ máy cách ly

với lưới ứng với mọi giá trị công suất của tổ máy.

- Môđun điều khiển sự cố tổ máy phải điều chỉnh độ mở cánh hướng nước theo

vị trí đã được chỉnh định sẵn không phụ thuộc vào nhu cầu về tần số, công suất.

Trong chế độ điều khiển sự cố phải dừng được tổ máy trước khi có nguy hiểm

xảy ra.

+ Trên mặt tủ điều tốc điện được lắp đặt màn hình giao diện HMI cho

phép thay đổi các thông số cài đặt, kiểm tra các thao tác lưu trong bộ nhớ, thay

đổi các chế độ vận hành, hiển thị các thông số của hệ thống điều tốc.

Màn hình cho phép hệ thống điều tốc hội thoại với nhân viên vận hành

thông qua hệ thống “menu”, ví dụ người vận hành có thể chọn một trong các

lệnh bằng việc chạm tay vào một ứng dụng của menu trên màn hình.

Người vận hành có thể chuyển đổi qua lại giữa các Menu trên màn hình

hoặc đến các nhóm soạn thảo thông số khi cần thiết.

Menu được chuyển đổi qua lại bởi các dòng chuẩn. Mỗi Menu có thể cài

đặt dữ liệu hoặc tham chiếu đến các Menu con thấp hơn.

+ Các đồng hồ hiển thị tần số, công suất đặt, công suất tổ máy, giới hạn

độ mở cánh hướng, độ mở cánh hướng thực…

+ Các nút bấm và các khoá chuyển đổi các chế độ vận hành và nút dừng

sự cố tổ máy.

+ Các đèn báo trạng thái, chế độ vận hành, chốt vành điều chỉnh…

+ Các thiết bị đo lường công suất, tốc độ và lưu lượng nước qua tổ máy.

- Các tín hiệu vào ra của bộ điều tốc điện

18

Tín hiệu lưu lượng được đo bởi thiết bị đo lưu lượng:

Là thiết bị đo của hãng Rittmeyer, Thụy Sĩ. Thiết bị này dùng phương

pháp siêu âm để tính toán vận tốc dòng chảy để từ đó tính ra được lưu lượng

của dòng nước vào turbine. Mỗi bộ đo lưu lượng trang bị cho một tổ máy của

nhà máy thủy điện Sơn La gồm 16 cảm biến thu phát chia làm hai mặt, mỗi mặt

8 cảm biến mắc theo sơ đồ 1E4P. Các cảm biến được lắp ở mặt trong của đường

ống áp lực, nguyên lý đo vận tốc dòng nước dựa vào sóng siêu âm được tính

toán như sau:

Gọi t1 là thời gian sóng siêu âm truyền từ 1 đến 2, t2 là thời gian sóng

truyền từ 2 đến 1 và v là vận tốc dòng nước, ta có phương trình sau:

0

1

1*

os

Lv v

c t

19

0

2

1*

os

Lv v

c t

(v0 là vận tốc truyền sóng và v là vận tốc dòng chảy)

vậy: 2 1

1 2

*2 os

t tLv

c t t

Tín hiệu tốc độ:

Thiết bị đo tốc độ gồm có một vành thép có xẻ các rãnh, ôm vào trục của

máy phát phía dưới roto để đo đếm tần số quay bằng 3 cảm biến độc lập. Hệ

thống hoạt động như 1 máy phát tín hiệu tốc độ đưa tín hiệu tới bộ điều tốc thuỷ

lực. Tín hiệu tốc độ đầu ra từ 4÷20 mA. Một cảm biến sử dụng đo tốc độ cho bộ

điều khiển. Cảm biến còn lại đo tốc độ cho rơle tần số quay và chỉ báo tốc độ

trên các đồng hồ.

20

Tín hiệu tần số:

Được lấy tín hiệu từ các biến áp trước và sau máy cắt sau đó đưa vào bộ

biến đổi để tạo dáng tín hiệu tần số cho phù hợp với tín hiệu đầu vào tương tự

của bộ điều chỉnh cũng như rơ le tần số quay

Tín hiệu công suất:

Thiết bị đo công suất được sử dụng để đo công suất hữu công của tổ máy

để phản hồi tới bộ điều chỉnh và đưa ra các đồng hồ báo công suất.

Tín hiệu phản hồi vị trí van phân phối chính

Là thiết bị dùng để đo vị trí của van phân phối chính để phản hồi về bộ

điều chỉnh, thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý quang, thực chất là một

cảm biến ví trí gắn trên van phân phối chính để đo khoảng cách từ đó tới một vị

trí cố định gắn trên vỏ.

-Hãng sản xuất: Télémécanique

-Kiểu: XCP H08362

Tín hiệu phản hồi vị trí servo

Là một thiết bị phản hồi vị trí hoạt động dựa trên nguyên lý từ, bao gồm một

nam châm vĩnh cửu gắn lên trục của servo, dọc hành trình của servo có một ống

bên trong có chứa các con lăn từ và các tiếp điểm, khi nam châm này di chuyển

tới đâu nó sẽ tác động làm các con lăn từ đảo chiều làm cho các tiếp điểm khép

lại. Từ số lượng các tiếp điểm tác động ta có thể tính ra được vị trí của servo.

21

b. Bộ điều tốc thuỷ lực:

Bộ điều tốc thuỷ lực có nhiệm vụ biến đổi các tín hiệu điện từ bộ điều tốc kỹ

thuật số thành các chuyển động cơ để đóng hoặc mở cánh hương, bộ điều tốc

thuỷ lực bao gồm bộ b iến đổi điện thuỷ lực , van phân phối ch ính ,

servomotor th iết b ị chống lồng tốc , th iết b ị báo đứt chốt cắt

cánh hướng , các van an toàn…

22

+ Bộ biến đổi điện thuỷ lực: Là thiết bị chấp hành có nhiệm vụ biến đổi

tín hiệu điện đưa từ điều tốc điện thành các chuyển động cơ tương ứng. Chuyển

động này sau đó được khuyếch đại qua van phân phối chính rồi và truyền

chuyển động tới servomotor. Thiết bị này có cơ cấu điều chỉnh bằng tay cho

phép người vận hành điều chỉnh độ mở cánh hướng ngay tại chỗ không thông

qua tủ điều tốc điện.

+ Van phân phối chính: Là thiết bị quan trọng của hệ thống điều tốc, nó

có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ bộ biến đổi điện - thuỷ lực để phân phối

đường dầu áp lực và đường dầu xả vào các khoang của hai servomotor.

Các thông số của van phân phối chính

23

- Kiểu DN150

- Chiều dài 527 mm

- Chiều rộng 527 mm

- Chiều cao 1326 mm

- Khối lượng 980 kg

24

25

1) Van trượt

2) Thân van

3) Nắp dưới

4) Nắp trên

5) Cảm biến vị trí

6) Chốt mở

7) Cần hiệu chỉnh vị trí đóng

11) Cần đẩy

20) Thanh phản hồi vị trí

21) Van thông

22) Hộp che trên

23) Thanh đỡ cảm biến

24) Vít điều chỉnh cần đóng

25) Chốt hãm mở

26) Trục đỡ thanh phản hồi vị trí

Van phân phối chính có 3 vị trí hoạt động:

a. Đóng cánh hướng: Đường dầu áp lực đưa vào khoang đóng còn

khoang mở của servomotor được đưa về bể xả.

b. Mở cánh hướng: Đường dầu áp lực đưa vào khoang mở còn khoang

đóng của servomotor được nối về bể xả.

c. Dừng chuyển động cánh hướng: Hai đường dầu nối tới khoang đóng

và khoang mở của servomotor được đóng kín.

+ Servomotor: là thiết bị chấp hành chính của hệ thống điều tốc, là loại

đơn gồm 2 chiếc xilanh thuỷ lực, trục của chúng cùng được nối vào vành điều

chỉnh, chuyển động của vành điều chỉnh được truyền tới cánh hướng thông qua

hệ thống gồm các thanh truyền và trục khuỷu.

Do hành trình của 2 xilanh thuỷ lực luôn ngược nhau nên các khoang dầu

của chúng được nối chéo với nhau, khi dầu áp lực được bơm vào khoang làm cho

servomotor đi đóng cánh hướng lại thì khoang đó được gọi là khoang đóng,

khoang còn lại gọi là khoang mở.

26

27

+ Thiết bị chốt vành điều chỉnh và chốt servomotor: được điều khiển

bằng thuỷ lực, có thể điều khiển tại chỗ hoặc từ xa khi ngừng máy để đảm bảo an

toàn trong quá trình sửa chữa.

+ Thiết bị bảo vệ chống lồng tốc:

Có tác dụng đi đóng cánh hướng khi tốc độ của turbine tăng quá cao, thiết bị

bao gồm một quả văng gắn trên trục của turbine tại vị trí ngay dưới khớp nối trục

(gắn cùng với vành cảm biến tốc độ. Khi tốc độ của turbine tăng cao, quả văng

này văng ra chạm vào một van dầu, làm cho van này đi xả đường dầu điều khiển

của van phân phối chính, van phân phối chính chuyển động theo chiều đóng cánh

hướng lại.

c. Hệ thống dầu áp lực:

Là hệ thống tự động duy trì áp lực dầu áp lực luôn ở một áp lực định mức

(6,3MPa) và mức dầu định mức, phục vụ cho việc đóng mở cánh hướng tổ máy.

Hệ thống bao gồm các bình dầu áp lực, bể xả dầu, các bơm dầu, van xả tải, van

an toàn, van một chiều, hệ thống tự động bổ sung khí, hệ thống làm mát dầu,

các cảm biến và thiết bị đo lường…

+ Bình áp lực: gồm 2 bình, mỗi bình có thể tích 6,8m3 được nối thông với

nhau nhờ một ống nối phía trên nắp bình. Bình dầu áp lực được trang bị các

thiết bị bảo vệ áp lực, cảm biến áp lực, cảm biến mức. Trong bình chứa 2,9m3

28

và phần còn lại là khí, khí có tác dụng tích năng lượng để cung cấp áp lực cho

dầu phục vụ cho quá trình điều chỉnh cánh hướng.

Trên bình còn được lắp đặt một thiết bị bổ sung khí tự động để bổ sung

lượng khí bị rò rỉ trong quá trình vận hành.

Các thông số:

Áp lực định mức 64 Bar

Thể tích 2x6,8 m3

Mức dầu (trung bình) 46 %

Nhiệt độ 5-55 0 C

29

Khối lượng 2x12,5 Tấn

Thể tích dầu định mức 2,9 m3

+ Bể xả dầu: Chứa một lượng dầu cần thiết để cung cấp cho các bộ phận

thuỷ lực, đồng thời có một lượng dầu dự phòng

Thu hồi các lượng dầu sau khi đến các thiết bị điều khiển thuỷ lực được

đẩy trở về bể xả để lọc và khử khí và làm mát.

Bể xả dầu của hệ thống dầu áp lực có thể tích 13,6m3, được trang bị hai

bơm dầu áp lực chính và một bơm phụ để làm mát dầu bể xả khi nhiệt độ cao và

để bơm bổ sung dầu khi áp lực dầu xuống quá thấp.

Trong bể xả dầu còn có các cảm biến báo mức dầu, nhiệt độ dầu, thiết bị

làm mát dầu, cảm biến kiểm tra độ bẩn của dầu…

30

+ Hệ thống đường ống thuỷ lực: là hệ thống các đường ống và các van

cần thiết để kết nối tuần hoàn các bộ phận của hệ thống dầu áp lực với các thiết

bị điều khiển thuỷ lực turbine

31

+ Thiết bị bơm dầu áp lực:

Bơm dầu được đặt trên bể xả dầu, hai bơm chính có công suất 132 KW và bơm

phụ có công suất 15 KW. Có nhiệm vụ duy trì mức dầu và áp lực dầu ổn định

trong một khoảng cho phép. bình dầu áp lực và bơm tuần hoàn làm mát dầu

trong bể xả dầu. Hệ thống bơm có trang bị các thiết bị bảo vệ và báo hiệu như

van an toàn, van xả tải, van một chiều. Các thông số bơm như sau:

Bơm chính:

- Số lượng bơm 2

- Tên SMF940-42

- Kiểu bơm Trục vít

- Lưu lượng bơm 10,8 lít /giây

- Áp lực định mức 6,4 MPa

- Công suất động cơ 132 KW

- Tốc độ động cơ 1450 vòng/phút

Bơm phụ:

- Số lượng bơm 1

- Tên SMF120R42

- Kiểu bơm Trục vít

- Lưu lượng bơm 1,14 lít /giây

- Áp lực định mức 6,4 MPa

- Công suất động cơ 15 KW

32

- Tốc độ động cơ 1450 vòng/phút

+ Thiết bị làm mát dầu: Bơm tuần hoàn từ bể xả qua thiết bị trao đổi

nhiệt và trở về bể xả.

+ Tủ điều khiển hệ thống cấp dầu áp lực và tủ điều khiển bơm:

- Tủ có chứa các thiết bị điện tử, các nút bấm để điều khiển các

thiết bị thuộc hệ thống cấp dầu áp lực, chuyển đổi các chế độ hoạt động,

các đèn báo hiển thị trạng thái của hệ thống.

33

34

- Để điều khiển tự động các động cơ bơm dầu thuỷ lực làm việc

các chế độ và các thiết bị điện khác trong hệ thống MHY.

- Giám sát, tạo các tín hiệu báo hiệu, hoặc dừng sự cố tổ máy khi

xuất hiện các hiện tượng không bình thường hoặc sự cố đối với các thiết

bị trong hệ thống MHY.

+ Bộ khởi động mềm cho động cơ bơm: Để giảm dòng khởi động, tránh

sụt điện áp nguồn, giúp quá trình khởi động của động cơ bơm được trơn tru

hơn. Hai động cơ bơm 132KW được trang bị mỗi động cơ một bộ khởi động

mềm loại ATS48C41Q của Telemecanique (động cơ bơm 15KW không lắp đặt

khởi động mềm). Thông số của bộ khởi động mềm như sau:

Nhà cung cấp Telemecanique (Shneider)

Tên Sản phẩm Altistart 48

Kí hiệu ATS48C41Q

Chức năng Khởi động mềm

Dải công suất 4-1200KW

Dòng định mức 320A

Điện áp 230-415V

Phạm vi sử dụng Động cơ bơm và thông gió

Kích thước (size E) 400x670x300 (mm)

+ Thiết bị bổ sung khí tự động: dùng để bổ sung khí cho bình dầu áp lực

khi bị rò rỉ khí trong quá trình vận hành, thiết bị kiểm tra bằng cách khi ở áp lực

định mức nếu mức dầu lớn hơn mức dầu định mức thì thiết bị sẽ tự động mở

đường bổ sung khí và xả bớt dầu trong bình dầu.

5. Thuyết minh sự làm việc của hệ thống điều tốc và hệ thống dầu áp lực.

- Trong bình tích năng luôn chứa một lượng dầu cần thiết để đưa đi điều

khiển. Phần còn lại của bìng tích năng chứa đầy khí nén gọi là môi trường tích

năng, dự trữ năng lượng cần thiết cho sự làm việc của các hệ thống thuỷ lực.

- Trong quá trình làm việc bình tích năng luôn được tự động duy trì mức

dầu và áp lực định mức và lượng khí nén không đổi.

- Việc phục hồi khối lượng dầu chuyển đi điều khiển được tiến hành bỡi

các máy bơm.

- Việc bổ xung khí nén trong bình tích năng bị thất thoát trong quá trình

điều khiển hoặc rò rỉ được thực hiện tự động qua thiết bị bổ xung khí.

- Trong quá trình làm việc điều khiển thiết bị thuỷ lực, mức dầu và áp lực

trong bình tích năng giảm xuống. Khi áp lực giảm đến giá trị đặt thì tự động

đưa bơm chính vào làm việc, động cơ của máy bơm này được khởi động, khi

động cơ khởi động xong có tín hiệu đến cuộn điện từ van xả tải để đóng van

(thời gian khởi động được đặt trước, thường là từ 3-5giây, bình thường van xả

tải luôn mở). Dầu được bơm từ bể xả dầu qua van một chiều và ống góp vào

35

bình tích năng. Mức dầu trong bình tích năng tăng lên đồng thời với áp lực cũng

tăng (P1V1/T1 = P2V2/T2 ). Khi đạt đến áp lực định mức sẽ có tín hiệu tự động

mở van xả tải, van một chiều đóng lại, dầu từ bơm sẽ về bể xả. Sau khi van xả

tải mở hoàn toàn sẽ có lệnh đi ngắt nguồn cấp động cơ bơm, bơm dừng.

Trong quá trình làm việc của tuabin, áp lực trong bình tích năng có thể hạ

xuống đến giá trị đặt chạy bơm dự phòng, bơm này được khởi động và làm việc

tương tự như máy bơm chính.

Trong hệ thống thuỷ lực, dầu sau khi đi điều khiển được đẩy về bể xả,

chảy qua lưới lọc, được làm sạch và khử khí để tiếp tục được bơm vào làm việc.

Khi khối lượng khí nén bị thất thoát trong quá trình điều khiển hoặc do rò

rỉ, mức dầu trong bình tích năng sẽ tăng lên cao hơn giá trị định mức, thiết bị bổ

sung khí rò rỉ sẽ tác động mở van nén khí vào bình tích năng đồng thời xả bớt

dầu trong bình. Nếu mức dầu giảm xuống, phao hạ xuống đóng van khí nén vào

bình tích năng.

Khi nhiệt độ dầu trong bể xả tăng quá giá trị đặt, bơm phụ sẽ được khởi

động. Lúc này, van xả tải của bơm phụ luôn mở để đưa dầu vào thiết bị trao đổi

nhiệt, dầu sau khi được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt sẽ giảm nhiệt độ và được

hồi về bể xả. Khi nhiệt độ của dầu trong bể xả trở về bình thường, bơm sẽ

ngừng.

Trong quá trình điều khiển độ mở cánh hướng, nếu áp lực dầu xuống quá

thấp, ngoài bơm chính và bơm dự phòng làm việc, bơm phụ cũng được đưa vào

hệ thông cấp dầu áp lực, lúc này có tín hiệu đưa tới cuộn điện từ của van xả tải

của bơm phụ, van xả tải đóng lại bít kín đường dầu đưa vào bộ trao đổi nhiệt,

dầu áp lực sẽ được đưa qua van một chiều rồi qua ống góp vào hệ thống dầu áp

lực.

Khi có lệnh tăng độ mở cánh hướng từ điều tốc điện, tín hiệu mở từ bộ

điều khiển vị trí servomoto sẽ được gửi tới bộ biến đổi điện thuỷ lực, dầu áp lực

từ bình dầu áp lực được lọc qua bộ lọc đôi và được giảm áp sẽ đi qua bộ biến

đổi điện thuỷ lực vào đường điều khiển của van phân phối chính, lúc này van

phân phối chính sẽ nối thông dầu áp lực từ bình dầu áp lực tới khoang mở của

cả hai servomotor và hai khoang đóng sẽ được nối tới bể xả dầu, lúc này

servomotor sẽ chuyển động theo chiều đi mở cánh hướng. Khi đạt được độ mở

mong muốn, tín hiệu điều khiển bị cắt, bộ biến đổi điện thuỷ lực trở về vị trí

giữa khoá đường dầu điều khiển của van phân phối chính, van phân phối chính

trở về vị trí cân bằng và các đường dầu nối tới servomotor sẽ bị khoá kín,

servomotor và cánh hướng ngừng chuyển động

Khi có lệnh đóng cánh hướng, tín hiệu đóng cánh hướng sẽ tác động tới

bộ biến đổi điện thuỷ lực làm bộ này xả đường dầu điều khiển của van phân

phối chính, van này sẽ thông đường dầu áp lực từ bình dầu áp lực vào khoang

đóng còn đường nối tới khoang mở của servo sẽ được thông về bể xả, servo sẽ

36

đi đóng cánh hướng lại. Khi cánh hướng gần đóng kín, để tránh việc dừng đột

ngột của các cánh hướng thì đường dầu xả về từ van phân phối chính sẽ được

đưa qua một van tiết lưu để giảm lưu lượng giúp cánh hướng giảm tốc một cách

từ từ.

Khi có tín hiệu dừng sự cố, van đóng sự cố sẽ tác động, đường dầu điều

khiển của van phân phối chính sẽ bị xả áp lực làm cho cánh hướng đóng lại mà

không phụ thuộc vào trạng thái của bộ biến đổi điện thuỷ lực, van đóng sự cố có

thể điều khiển bằng cần gạt đặt ngay tại van này.

Khi tốc độ của turbine tăng cao quá giá trị cho phép, thiết bị bảo vệ

chống lồng tốc gắn trên trục sẽ tác động làm cho đường dầu điều khiển van

phân phối chính cũng bị mất áp lực và nó sẽ hoạt động giống như van dừng

khẩn cấp tác động.

Lượng dầu ro rỉ trong quá trình đóng, mở của các van sẽ được đưa thẳng

xuống bể xả dầu (do các van đặt phía trên bể xả).

37

38