bộ điều tốc tuabin thuỷ lực
DESCRIPTION
tai lieu DATRANSCRIPT
Bộ điều tốc Tuabin thuỷ lực
Đàm Khắc Tiến - Tổng công ty Sông Đà
Trong tự nhiên có nhiều nguồn năng lượng phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt, chiếm tỷ trọng lớn nhất trong các nguồn năng lượng đó phải kể đến thuỷ điện. Điều khiển nhà máy thuỷ điện nhằm đạt được công suất tối ưu là vấn đề hết sức quan trọng.
Hệ thống Tuabin thuỷ lực:
Nước từ hồ chứa thượng lưu được dẫn vào hệ thống đường ống áp lực và buồng xoắn, tại đây nước được gia tốc tới vận tốc rất lớn. Qua hệ thống cánh hướng, nước được dẫn vào tuabin thuỷ lực làm quay tuabin đồng thời làm quay máy phát điện (thông thường trục của tuabin được nối thẳng với trục máy phát). Từ đầu cực máy phát, dòng điện được tăng áp qua máy biến áp lực và dẫn lên trạm phân phối hoà vào lưới điện quốc gia.
Tuabin thuỷ lực là một bộ phận quan trọng nhất trong nhà máy thuỷ điện, bằng sự thay đổi tốc độ nó quyết định công suất 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 bao gồm 2 phần chính (loại tuabin Kaplan trục đứng): 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 ổ chèn trục) và Stato tuabin (gồm vành đáy tuabin để đỡ trục dưới cánh hướng, các vành làm kín, vành stato tuabin, bộ cánh hướng dòng ) 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 đồng bộ giữa độ mở hệ thống cánh hướng nước nhằm điều chỉnh lưu lượng nước vào tuabin và điều chỉnh góc nghiêng của BXCT, tạo cho tuabin tốc độ ổn định.
Để điều chỉnh độ mở cánh hướng người ta sử dụng các servomotor (thông thường 2 servomotor) và hệ thống xilanh thuỷ lực. Truyền động của servomotor sẽ qua hệ thống xilanh gắn với vòng điều chỉnh, giữa cánh hướng và vòng điều chỉnh có 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 gồm bộ điều tốc kỹ thuật số và bộ điều tốc thuỷ lực.
Phần điều tốc kỹ thuật số:
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 chế độ vận hành song song với nhau và với hệ thống điện.
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 card 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 PD, 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 và BXCT được đặt lên hàng đầu nhằm tránh tuabin lệch khỏi vị trí tối
ưu. Điểm đặt vị trí của BXCT được tính toán dựa theo điểm đặt vị trí cánh hướng và giá trị cột nước.
Điều khiển giới hạn độ mở: độ mở giới hạn có thể được điều chỉnh trong khoảng -5 đến 105%.
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. Hàm truyền của bộ điều khiển khi bỏ qua hiện tượng trễ vi sai:
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:
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, vị trí của cánh hướng và BXCT. 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. Hàm truyền của bộ điều khiển có dạng:
Điều khiển mực nước: giá trị điểm đặt đã được xác định trước, nó chỉ có thể được xác định lại thông qua các thiết bị đầu cuối, bảng vận hành hay giao diện thông tin. Bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI.
Một số thông số của bộ điều tốc:
- Chuẩn giao diện: RS232, RS485, Ethernet.
- Dải tốc độ chết : £ 0.02%
- Dải tần số đo được ứng với tốc độ : 1.2 ¸10000Hz.
- Thời gian chết : £ 0.2s
- Độ ổn định tốc độ : £ 0.3%
- Độ ổn định công suất : £ 0.4%
- Hệ số tỷ lệ Kp: 0 ¸500.
-Thời gian tích phân Tn : 0.05 ¸5000s.
- Thời gian vi phân Td : 0 ¸10s.
- Độ dốc của đặc tính tốc độ bp: 0 ¸10%.
- Thời gian mở cánh hướng có thể điều chỉnh : 10 ¸1000s.
Các tính năng tự động hoá của bộ điều tốc:
- Điều chỉnh vị trí các cánh hướng đồng bộ với điều chỉnh độ nghiêng của BXCT.
- Giám sát và kiểm tra tốc độ, lưu lượng.
- Điều chỉnh việc chọn nhanh mức tải.
- Vận hành đa nhiệm theo thời gian thực.
- Giao diện Ethernet chuẩn với hệ thống SCADA.
- Giao diện HMI tại phòng điều khiển và tủ điều khiển tại chỗ.
- Ghi và thông báo các sự kiện trong quá trình vận hành.
- Bảo vệ điện một chiều các Module I/O, kiểm tra cao tần hệ thống.
Phần điều tốc thuỷ lực:
Bộ điều tốc thuỷ lực gồm bể chứa dầu, van trượt điều khiển chính, máy bơm trục vít, bộ lọc, các sensor đo mức và nhiệt độ.
Bộ tác động 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 gồm có van động và 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¸6.3MPa.
Hệ thống khí nén cung cấp cho bình tích áp, 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 trượt điện từ độc lập để dừng khẩn cấp tuabin bằng cách tác động để servomotor đóng khẩn cấp các cánh hướng mà bỏ qua các tín hiệu từ bộ điều khiển.
Các thiết bị đo:
- Đầu đo lưu lượng theo phương pháp Witer-Kennedy.
- Đo áp suất vi sai tại buồng xoắn
- Công tắc giới hạn và cảnh báo sự đồng bộ giữa các cánh hướng.
- Đo vị trí vành điều chỉnh hay độ mở cánh hướng.
- Đo áp suất xilanh và nhiệt độ dầu áp lực.
- Đo độ lệch trục của Tuabin.
Ngoài ra còn có các hệ thống đo khác đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn, ổn định.
31-10-2006, 10:35 AMLàm thế nào phát theo công suất định trước?
Để phát theo công suất định trước, người ta thường thực hiện một trong các cách sau:
1/. Điều chỉnh trực tiếp tần số đặt của máy phát. Tăng tần số đặt --> tăng công suất. Đến khi nào công suất đạt được mong muốn. Cách này sử dụng với các máy có bộ điều tốc không phức tạp lắm.
2/. Đối với các máy có bộ điều tốc phức tạp, thường có mạch đo lường công suất. Đặt trươc một công suất, máy sẽ nhìn cống suất đặt, và nhìn công suất thực. Từ sai biệt sẽ cho ra tín hiệu tăng hay giảm tần số đặt.
Tuy nhiên, dù cả 2 cách, cũng cần có bộ điều chỉnh droop.
Khi các máy nối song song với nhau, hay nối chung vào lưới, độ droop sẽ có tác dụng gì?
Nếu tải bình thường và tần số ổn định thì chẳng có tác dụng gì rõ rệt. Mỗi máy sẽ được đặt một công suất nào đó.
Thí dụ, Máy 1 có công suất định mức 33 MW, được đặt ở 20MW (60% tải định mức).Máy 2 có công suất 66 MW, cũng đặt ở 40MW ứng với 60% định mức.Nếu ta chỉnh độ droop của máy 1 là 4%, và máy 2 là 8%:
Nhưng khi có thay đổi tần số thì lại khác.
Khi tần số giảm 1% thì:Máy 1 sẽ tăng công suất lên 1% /4% =0,25 công suất định mức, nghĩa là tăng khoảng 8MWMáy 2 sẽ tăng công suất lên 1%/8% = 0,125 công suất định mức, nghĩa là cũng tăng khoảng 8MW.Như vậy ta thấy 2 máy đáp ứng khác nhau, máy 1 phải tăng quá nhiều so với công suất của nó.
Nhưng nếu ta chỉnh độ droop của cả 2 máy bằng nhau, thí dụ cùng bằng 4%, thì khi tần số thay đổi, cả 2 máy cũng sẽ thay đổi công suất theo tương ứng với nhau. Máy lớn thay đổi nhiều, máy nhỏ đổi ít.
Như thí dụ trên, máy 1 sẽ tăng 8MW, và máy 2 sẽ tăng 16 MW.
Lý luận trên được áp dụng khi nối vào một hệ thống vô cùng lớn. Tuy nhiên trong hệ thống, ít khi nào người ta chỉnh các máy có cùng độ droop như nhau.Các máy có công suất lớn, máy đời mới, máy có thể thay đổi công suất dễ dàng thường được chọn độ droop thấp, để dễ đáp ứng theo tần số hơn.Các máy có công suất thấp, đời cũ, thay đổi công suất chậm chạp, thường được chọn độ droop cao hơn, để ít nguy hiểm cho máy hơn.
Đối với các máy nối song song và không nối vào lưới: Khi tần số thay đổi các máy cũng sẽ thay đổi công suất. Nhưngkhi các máy thay đổi công suất thì tần số lại được cải thiện. Như vậy mỗi khi có biến động về tải, cuối cùng các máy sẽ trở về một trạng thái cân bằng nào đó, với một trị số gia tăng công suất nào đó.
Trong trường hợp này, cách chọn độ droop cũng như trên. Còn nếu không tính toán gì cả, thì có thể độ droop của 2 máy chênh lệch nhau quá lớn, một máy sẽ lãnh đủ, và một máy cứ ì ra đó.Còn nếu đặt máy ở chế độ Isolate, độ droop ~0, thì chuyện phân bố công suất theo kiểu trời ơi là điều không tránh khỏi.
Tuy nhiên, nếu các bộ điều tốc của các máy không thể chỉnh độ droop được (các máy rẻ tiền, hoặc bộ điều tốc quá cũ, hoặc quá đơn giản) thì bắt buộc nên có một bộ điều chỉnh phân chia tải.
Các nhà máy khi phát vào lưới thường giữ một công suất cố định. Trường hợp này, các bộ điều tốc được chuyển sang chế độ "không điều tốc gì cả". Có máy gọi là chế độ "load limit". Chế độ đó thường là chế độ thủ công, Fix trị số đặt cố định cho cơ cấu thừa hành cuối cùng. Thí dụ như với Tua bin hơi, thì đó là vị trí của bộ van hơi đầu vào Tua bin (có thể lên đến 6, 7 van hoặc hơn, sử dụng Cam điều khiển bằng thủy lực). Đối với Tua bin khí, thì cố định lưu lượng dầu hoặc khí đốt dẫn đến Tua bin. Đối với máy Diesel thì cố định tay gas, và các tua bin nước thì cố định độ mở van nước như bạn nói....
Thực tế ra, mỗi loại Tua bin có một đặc tính tải khác nhau: tải tối thiểu, tải tối đa, và tải tối ưu.Khi điều hành hệ thống, Trung tâm điều độ hệ thống điện thường yêu cầu các nhà máy phát chạy theo các kiểu như sau:
Tua bin khí chạy dầu: giá thành cao, tốc độ khởi động nhanh, chỉ chạy phủ đỉnh. Khi thiếu điện, khởi động máy là chạy tối đa luôn. Khi đó bộ điều tốc không làm việc ở chế độ điều chỉnh theo tần số, mà chuyển hẳn sang chế độ điều chỉnh nhiệt độ khí thoát. Nghĩa là chỉ giảm lượng dầu khi các thông số nhiệt bị vi phạm. Đôi khi, cũng được yêu cầu chạy công suất cố định nào đó. Nhưng thường các Tua bin khí có hệ thống điều tốc khá hiện đại, nên điều khiển theo kiểu vòng kín, hồi tiếp công suất qua bộ chuyển tín công suất, hoặc qua trị số đặt cho lưu lượng dầu.
Tua bin khí chạy khí, giá thành thấp, ngoài ra lại còn phải cung cấp nhiệt dư cho lò hơi phía đuôi, nên thường chạy nền. Đã chạy là chạy liên tục, tăng tải tối đa, cũng chạy theo chế độ điều chỉnh nhiệt độ khí thoát. Công suất của máy phát đuôi hơi phụ thuộc vào
nguồn nhiệt dư của Tua bin khí, nên không điều chỉnh gì lớn.
Nhiệt điện chạy than, giá thành khá thấp, và nhiệu điện dầu, giá thành khá cao, nhưng nói chung là do quán tính nhiệt lớn, nên cũng thường được yêu cầu chạy công suất cố định. Các nhà máy thừong thích chạy ở công suất khoảng 85% mã, ở đó là suất tiêu hao nhiên liệu thấp nhất. Nhưng thường thì không được như vậy.
Thủy điện lớn, thường dễ dàng điều chỉnh công suất nhất, giá thành rẻ nhất, nhưng phải tích nước ở đầu mùa mưa, và tiết kiệm nước ở cuối mùa khô, nên có phương thức vận hành khá phong phú, thường được giao cho nhiệm vụ điều tần. Nhưng cũng thường được yêu cầu chạy công suất cố định.
Các nhà máy nhiệt điện cổ, ngày xưa rất thường được đưa vào điều tần, nhưng bây giờ lại hay được yêu cầu chạy cố định, hay chạy nền, do không còn tác dụng gì nhiều trên hệ thống lưới phát triển quá nhanh.
auto2431-10-2006, 10:42 AMVậy thì chắc các bạn sẽ thắc mắc, tại sao các máy phát đều có chức năng đó, mà chúng ta không sử dụng hết?
Có lẽ là do 1 số lý do như sau:
Lý do thứ 1: vấn đề quan hệ cung cầu.
Một hệ thống điện ổn định thừong phần cung phải cao hơn phần cầu đôi chút, có thể là 15%, có thể hơn, tùy quan điểm mỗi nước. Như vậy trong hệ thống luôn tuôn có một số lượng nguồn dự trữ.
Giả sử như nếu yêu cầu một nhà máy chạy 150 MW, nhà máy đó có thể điều 4 máy, mỗi máy 50 MW, chạy ở 37,5 MW. Vậy 4 máy đó còn dự trữ 50MW. Điều này sẽ kinh tế hơn chạy 3 máy, mỗi máy 50 MW đầy tải. Chạy 4 máy, mặc dù thêm phần nhiên liệu khởi động cho 1 máy, nhưng cả 4 máy đều làm việc ở vùng có hiệu suất cao nhất (suất tiêu hao nhiên liệu thấp nhất). Hơn nữa làm việc ở mức tải như thế này, máy sẽ có độ ổn định nhiệt tối ưu. Tuổi thọ sẽ được giữ ở mức dài nhất.Ưu điểm khác nữa là các máy này có thể tham gia vào điều tần. Mà trong hệ thống, nếu càng nhiều nhà máy tham gia vào điều tần thì tần số của hệ thống càng ổn định. Hiện nay, nếu các bạn xem ở các máy tự ghi tần số của bất kỳ nhà máy nào, các bạn cũng thấy tần số lưới của chúng ta còn dao động ở biên độ lớn lắm.Và chỉ khi nào tham gia vào điều tần, thì các hệ thống trên mới phát huy tác dụng. Còn nếu chạy công suất cố định, hoặc min, hoặc max thì chẳng có gì để nói.
Trong khi đó, ở Việt Nam, thường xuyên bị thiếu điện. Đầu tư các nhà máy điện vốn rất lớn, thu hồi vốn chậm. Tiến độ thi công khá lâu. Vì thế chỉ có nhà nước, và các công ty vốn cực mạnh, muốn làm ăn lâu dài mới đủ sức đầu tư. Trong khi đó tải tiêu thụ thì càng
ngày càng tăng với tốc độ chóng mặt. Với tình trạng cung không đủ cầu như trên thì sử dụng phương thức như trên là hợp lý nhất.
Lý do thứ 2: tiêu chuẩn về chất lượng điện. 2 tiêu chuẩn chủ yếu là tần số và điện áp. Tiêu chuẩn của ta tương đối không ngặt nghèo như một số nước trên thế giới. Cũng là để phù hợp với tình trạng mất cân đối cung cầu như hiện nay.
Lý do thứ 3: mất cân bằng về tuổi đời các máy phát điện:Khi trong hệ thống có cả các máy đời rất mới, rất hiện đại, thì vẫn còn tồn tại những máy rất cũ, lạc hậu. Nếu các máy này được đưa vào điều tần, thì với độ droop rất lớn, có thể trên 16% như các tua bin hơi đời cũ, thì mức độ và tốc độ đáp ứng rất kém. Mức độ đáp ứng có thể tạm cải thiện bằng phương pháp điều tốc thủ công. Vận hành viên theo dõi tần số lưới, và điều chỉnh công suất phát. Nhưng tốc độ đáp ứng thì rõ ràng là quá chậm.
Chính vì thế, nên ngày xưa, khi các máy điện cổ điển ở miền nam phải tham gia điều tần, thì phải có thiết bị riêng bên ngoài để theo dõi công suất các máy, tần số lưới, và xuất ra các tín hiệu gởi đến governor từng máy.
Và cũng chính vì chẳng sử dụng đến chức năng này, nên cũng chẳng có cách tính toán chỉnh định thống nhất cho toàn công ty. Tuy nhiên, sau này, nếu hệ thống điện của chúng ta dần dần ổn định hơn, thì các chức năng này sẽ được sử dụng tối đa. Khi đó có lẽ sẽ có những bộ phận ngồi tính toán cài đặt thống số cho từng máy, sao cho có lợi nhất về chất lượng điện, phù hợp nhất với tính chất từng máy, và nâng hiệu quả lên cao nhất.
Các bộ điều tốc của các động cơ sơ cấp kéo máy phát thường được thực hiện theo kiểu vô sai. Đầu ra thường là một khâu tích phân. Nếu đầu ra không phải là khâu tích phân thì người ta sẽ biến nó thành một khâu tích phân bằng cách lắp đặt thêm một khâu hồi tiếp vi phân. Thí dụ như lấy vi phân của lưu lượng dầu đưa về khống chế bộ điều chỉnh tần số. Hoặc các bộ điều tốc hợp bộ với MP có thể lấy vi phân của chính công suất máy phát. Các bộ điều tốc kiểu cổ điển dùng hệ thống thủy lực thường không hồi tiếp vi phân, mà thực hiện luôn khâu tích phân kiểu Xy lanh và Pis ton có lỗ tiết lưu.
Các khâu tích phân này thường là thay đổi được. Đối với các bộ điều tốc điện tử, thì còn có thể thay đổi riêng biệt biên độ và góc pha. Các bộ điều tốc cơ khí thì đơn giản thay đổi biên độ bằng cách điều chỉnh cánh tay đòn, hoặc điều chỉnh một đường tiết lưu bypass lỗ tiết lưu trên Pis ton.
Thay đổi khâu tích phân này sẽ làm thay đổi tốc độ đáp ứng của công suất máy phát theo tần số.
Đối với các máy nối với lưới, hoặc nối song song, thì tùy theo từng thể loại người ta sẽ điều chỉnh phối hợp các tốc độ đáp ứng các máy với nhau, phối hợp theo quán tính nhiệt, quán tính cơ, và phối hợp theo độ dốc của từng máy.
Điều này bảo đảm khi lưới có những thay đổi đột ngột, thì các máy sẽ phối hợp với nhau nhịp nhàng, để đáp ứng với lưới, mà không sợ bị mất ổn định, máy này phát ra quá nhiều, máy kia thu vào hoặc không đáp ứng.
Công suất vô công.
Công suất vô công của MPĐ, được thể hiện bằng góc lệch phase giữa dòng điện và điện áp. Nguyên nhân sâu xa của nó lại là do góc lệch giữa từ trường của Ro To và từ trường quay của Stator (E và U, I). Mà chủ yếu vẫn là do độ lớn của từ thông Rô to.
Như vậy, một máy phát phát ra trên lưới bao nhiêu, chủ yếu là do dòng điện kích từ. Điều chỉnh dòng điện kích từ có thể điều khiển được công suất vô công phát ra trên lưới.
Trong một máy phát hoạt động độc lập, bộ điều áp sẽ điều chỉnh điện áp theo một trị số chính xác. Tùy thuộc vào nhu cầu hữu công và vô công của tải, bộ điều áp sẽ cho ra dòng điện kích từ đủ để đáp ứng được công suất đó, và giữ điện áp ổn định.
Khi máy phát nối vào lưới, tình hình cũng như ôộ điều tốc và công suất hữu công.
Nếu U lưới bị thấp hơn điện áp đặt của bộ điều áp, dòng kích từ sẽ tăng, và tiếp tục tăng cho đến khi đủ. Nhưng vì máy có công suất nhỏ so với lưới vô tận nên dù có tăng kích từ lên hết cỡ, vẫn không cải thiện được bao nhiêu điện áp. Kết quả là máy sẽ bị quá kích từ, quá công suất vô công.
Trường hợp ngược lại nếu U thấp, máy sẽ bị giảm kích từ quá mức.
Nếu 2 máy nối song song với nhau, và cùng nối vào lưới, sẽ có tình trạng một máy phát vô công quá mức, trong khi máy kia thu vào quá nhiều.
Để cải thiện tình trạng này, bộ điều áp luôn có một bộ phận phân tích dòng kháng và đưa vào hiệu chỉnh lại dòng kích từ. Việc hiệu chỉnh được đặt ra sao cho máy có độ dốc y hệt như bộ điều tốc. Tứ là cũng có một độ dốc, một trục là điện áp lưới, và trục kia là công suất vô công.
Bộ phận này trong bộ đêều thế hơi khác với bộ điều tốc, ở chỗ ngoài việc nó có thể điều chỉnh độ dốc từ 1 trị số % nào đó khi nối lưới (còn gọi là droop) hoặc giữ cố định (flat) nó còn có thể điều chỉnh được độ dốc dương (boost).
Độ dốc dương mục đích để bù trừ lại trở kháng ngắn mạch của máy biến áp tăng áp nối với máy phát. Ngoài ra, khi máy phát hoạt động độc lập, độ dốc dương sẽ bù trừ cho sụt áp trên đường dây đến một khoảng cách nào đó. Nhờ đó, nó có thể giữ điện áp ở một điểm cách xa máy phát ổn định, trong khi tín hiệu dòng và áp lại lấy ở ngay đầu cực máy phát.
Cách nào để các bộ điều thế, kể cả những bộ điều thế rất xưa vẫn làm được nhiệm vụ trên.
Thông thường, các bộ điều thế cho máy phát điện có rất nhiều chức năng: Điều chỉnh điện thế theo 1 điện thế chuẩn, giới hạn dòng kháng thiếu kích thích, giới hạn tỷ số U/f khi khởi động và khi có sự cố, cường hành kich thích khi lưới bị sụt áp quá mức, chuyển đổi giữa mạch điều chỉnh thủ công và điều chỉnh tự động... và có cả mạch bù dòng kháng để tạo độ dốc theo ý muốn.
Phần cơ bản nhất mà bộ điều thế nào cũng có, đó là điều chỉnh điện thế theo 1 điện thế chuẩn. Mạch điện làm việc theo nguyên tắc điều khiển hồi tiếp. điện thế ra của máy phát điện được đưa qua máy biến thế đo lường, giảm áp xuống theo tỷ lệ và so sánh với một điện thế chuẩn. Đầu ra của bộ so sánh sẽ đi điều khiển các mạch công suất và cuối cùng là điều chỉnh kích từ.
Ta thấy Ump = A (du) = A (Ump - U chuẩn) trong đó Ump là ảnh của điện thế máy phát A là độ lợi của toàn mạch.Nếu A vô cùng lớn, ta có thể thấy dU --> 0
Hay: Ump = U chuẩn.
Tuy nhiên, nếu trong mạch so sánh điện thế, ta cộng thêm vào một tín hiệu tỷ lệ với dòng điện thì tín hiệu đưa vào mạch so sánh sẽ bằng: Ump + k(Imp)Và Ump + k(Imp) = U chuẩn.Hay: Ump = U chuẩn - k INếu ta cho k là 1 số phức sao cho thành phần cộng thêm vào sẽ chỉ là thành phần dòng kháng thì:
Ump = U chuẩn - k.I kháng = U chuẩn - k'. Q
Vẽ hàm trên trong hệ tọa độ Q, U ta sẽ được một đường bậc nhất giống hệt như đường f, P mà QT đã có dịp nói trong những bài trước.
Để có k' thích hợp, người ta cho dòng điện thứ cấp của biến dòng đo lường rơi trên một tổ hợp LC nối tiếp với nhau, và cộng vào với tín hiệu điện thế.Muốn cho đặc tuyến trên không đi xuống, mà phải đi lên, người ta chỉ cần đảo chiều dòng điện (đảo lại cách nối dây từ biến dòng ra).Thông thường, khi máy hoạt động độc lập, mà tải ở gần máy, người ta cho k =0. Nghĩa là đặc tuyến nằm ngang. Nếu tải ở xa máy phát, người ta điều chỉnh cho đặc tuyến dốc lên. Khi máy hoạt động song song với các máy khác, có hoặc không nối với lưới, người ta điều chỉnh dốc xuống, sao cho các máy có cùng độ dốc với nhau. Như vậy bảo đảm khi điện thế thay đổi các máy sẽ thay đổi Q tương ứng với khả năng của nó. Sẽ không có tình
trạng máy này phát quá nhiều trong khi máy kia thu Q vào.Tuy nhiên, đa số các máy phát điện nối lưới thường không nối song song, mà theo tổ hợp máy phát - máy biến thế. Lúc đó, người ta lại cần phía cao thế của máy biến thế nối với từng máy phát có độ dốc giống nhau. Chất lượng điện thế của khu vực tùy thuộc vào độ dốc này.
Tới đây, ta gặp phải vấn đề tổng trở máy biến thế.Theo những thiết kế ngày trước, tổng trở biến thế máy phát thường được thiết kế khoảng 10%. Công suất máy biến thế xấp xỉ gần bằng công suất máy phát. Như vậy khi mang tải định mức, đầu ra của máy biến thế sẽ bị sụt áp đi 10% so với đầu vào.như vậy, khi chưa làm gì trong bộ điều thế, bản thân hệ MP - MBA đã có độ dốc xấp xỉ 10 %. Độ dốc này khá lớn, làm cho chất lượng điện thế tai khu vực rất xấu.Để giảm độ dốc này xuống khoảng 4% để máy phát đáp ứng tốt hơn với điện thế, người ta phải tính toán sao cho độ dốc của máy phát dốc lên, với độ dốc là 6%, để phối hợp với 10% của biến thế.Trong trường hợp đặc biệt, nếu các máy phát nối song song với nhau, mà độ dốc của các máy phát chưa đáp ứng được vấn đề phân chia công suất vô công, người ta có thể tăng cường bằng cách đưa dòng của máy này về pha trộn với dòng của máy kia và ngược lại, trước khi nối vào mạch so sánh điện áp.Cách làm này tính toán sẽ phức tạp hơn, nhưng sẽ cho ra kết quả tốt hơn, và không làm sụt giảm điện áp do độ dốc đã được chỉnh về 0.
Hiện nay ta thấy chất lượng điện thường khá thấp. Lý do là các máy biến áp mới lắp đặt thường được tính toán với tổng trở ngắn mạch khá lớn, có máy đến 18%. Điều này có lợi cho tính an toàn của hệ thống vì dòng ngắn mạch giảm xuống, nhưng lại không có lợi về chất lượng điện năng.
Với tổng trở lớn như vậy, nên việc điều phối vô công trong hệ thống thường không được thực hiện tự động, mà phài thực hiện thủ công, do A0 phát lệnh.
Đo lường trong nhà máy thủy điệnTrong nền công nghiệp hiện tại, thuật ngữ “đo lường” đã trở nên quá quen thuộc, sẽ không phải mô tả nhiều để có thể hình dung được mục đích, tác dụng và tầm quan trọng của nó. Trong các nhà máy công nghiệp sử dụng hoặc điều khiển năng lượng tự nhiên nói chung và nhà máy thuỷ điện nói riêng, đo lường là một khâu quan trọng không chỉ để mô tả trạng thái, đối tượng cần điều khiển mà còn là cơ sở để hiểu rõ, nắm bắt và điều khiển được những nguồn năng lượng tự nhiên không theo quy luật.
Trong bài này, người viết với hy vọng mô tả khái quát về nhà máy thuỷ điện, sẽ trình bày chi tiết một số hệ thống đo lường chính đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận hành nhà máy.
Giới thiệu thiết bị thuỷ điện
Thiết bị quan trọng nhất trong một nhà máy thuỷ điện là tuabin thuỷ lực, được vận hành và điều khiển bởi dòng nước, tuỳ theo sự lựa chọn loại thiết bị này sẽ quyết định kết cấu, hình dạng và phương thức điều khiển của nhà máy thuỷ điện. Để minh hoạ cho hệ thống đo lường, bài viết sẽ sử dụng nhà máy thuỷ điện với tuabin Kaplan trục đứng cánh quay.
Hinh1: Tuabin Kaplan
1. Cánh hướng. 2. Buồng xoắn. 3. Bánh xe công tác. 4. Ống hút.
Nước tích trên hồ chứa được dẫn vào cửa nhận nước tới buồng xoắn tạo áp lực qua hệ thống cánh hướng làm quay tuabin. Bằng việc thay đổi độ mở cánh hướng hoặc đồng thời thay đổi góc nghiêng của bánh xe công tác sẽ làm thay đổi lưu lượng nước qua tuabin, mục đích duy trì tốc độ quay ổn định. Tốc độ của tuabin có ổn định hay không ảnh hưởng rất lớn tới các đại lượng thể hiện năng suất và chất lượng của điện phát ra như công suất phát, điện áp, tần số... Để điều khiển độ mở cánh hướng hay góc nghiêng của bánh xe công tác phải căn cứ vào nhiều thông số thay đổi: mực nước thượng lưu, mực nước hạ lưu, áp lực tại cửa nhận nước (áp lực sau lưới chắn rác), áp lực trong ống hút, áp lực trong buồng xoắn... trong các trường hợp vận hành.
Đo và điều khiển mực nước thượng lưu
Đối với nhà máy thuỷ điện, mực nước thượng lưu có một ý nghĩa hết sức quan trọng, đây là một thông số được điều khiển liên tục trong suốt quá trình vận hành nhà máy.
Mực nước thượng lưu được đo liên tục trong một khoảng cao trình tại cửa nhận nước bằng các rơle kiểu phao; tín hiệu điện của rơle được chuyển thành tín hiệu số thông qua bộ biến đổi và truyền tới hệ thống điều khiển nhà máy. Có thể sử dụng một lõi trong cáp thông tin để truyền tín hiệu này.
Hệ thống điều khiển sẽ điều khiển và giám sát mực nước bằng cách gửi các tín hiệu đầu ra tăng hay giảm đến bộ điều khiển tổ máy để duy trì mực nước thượng lưu trong giới hạn cho phép. Có hai mức tác động cảnh báo cho mỗi trạng thái mực nước cao thấp khi mực nước thực nằm ngoài giới hạn này. Mực nước thượng lưu được điều khiển bằng cách tác động tăng/giảm lưu lượng nước qua tuabin hoặc/và mở cửa van đập tràn.
Mục tiêu điều khiển tránh mực nước thượng lưu quá cao và tránh gây nguy hiểm cho tuabin trong trường hợp mực nước thượng lưu quá thấp.
Các trường hợp vận hành khi mực nước thượng lưu xuống thấp:
- Phát tín hiệu sa thải phụ tải cho các tổ máy theo các điều kiện tốc độ, không tải, đồng bộ ứng với mực nước thấp cấp 1.
- Phát tín hiệu dừng máy cho các tổ máy trong trường hợp mực nước thượng lưu thấp cấp 2.
- Thường xuyên phát tín hiệu trong quá trình khởi động, mang tải và dừng các tổ máy để giữ mực
nước trong tầm điều khiển.
Độ chính xác của hệ thống đo mực nước phải tốt hơn 1% trên toàn bộ thang đo. Mực nước được hiển thị bằng số trên màn hình vận hành của hệ thống điều khiển tương ứng với giá trị vạch chia 100mm và 10mm, điều này thoả mãn yêu cầu theo dõi sự thay đổi nhỏ của mực nước và không ảnh hưởng tới độ chính xác chung theo yêu cầu.
Đo mực nước hạ lưu
Mực nước hạ lưu được đo trong một dải cao trình bằng bộ biến đổi áp lực (hoặc kiểu rơle phao) treo trong một ống thép đặt tại sàn cao trình nâng hạ cửa van ống hút. Tín hiệu điện của bộ chuyển đổi áp suất - điện được chuyển sang tín hiệu số và truyền về hệ thống điều khiển nhà máy.
Mực nước hạ lưu và mực nước thượng lưu được chỉ báo trong phòng điều khiển như một phần của hệ thống điều khiển chung
Đo chênh áp cửa nhận nước
Hai bộ rơle đo chênh áp hai bên lưới chắn rác, kiểm soát độ tụ của rác tại lưới chắn rác và cho biết mức độ tổn thất cột nước qua lưới chắn rác. Nguyên tắc của bộ rơle này dựa trên hai đầu cảm biến đo áp lực hoạt động theo kiểu vi sai. Các cặp tiếp điểm thích hợp được trang bị để gửi tín hiệu cảnh báo tới hệ thống điều khiển nhà máy khi tổ thất cột nước qua lưới chắn rác là 3m.
Đo lường tại cửa nhận nước
Trong trường hợp sự cố hoặc sửa chữa, các của van sửa chữa và sự cố tại cửa nhận nước sẽ được đóng lại, thông thướng cửa van sự cố được vận hành bằng hệ thống xilanh thuỷ lực, thời gian vận hành hoàn toàn khoảng vài giây. Ngoài các tín hiệu về mực nước và độ chênh áp đã nêu trên, tín hiệu chỉ báo trạng thái và độ mở cửa van cũng được đo và truyền tới hệ thống điều khiển, độ mở cửa van có thể được cài đặt từ hệ thống điều khiển. Tại tủ điều khiển tổ máy được bố trí một nút dừng sự cố, lệnh đóng sự cố các cửa van cửa nhận nưôccs thể thực hiện tại trung tam điều khiển hoặc tủ điều khiển tổ máy.
Đo và điều khiển cửa van đập tràn
Trong trường hợp mực nước thượng lưu quá cao, để bảo đảm an toàn cho công trình, cửa van đập tràn được mở để xả bớt lượng nước trên hồ chứa. Các của van đập tràn thường được điều khiển
bằng các hệ thống xilanh thuỷ lực. Tín hiệu chỉ báo trạng thái và độ mở cửa van được truyền về hệ thống điều khiển, độ mở cửa van có thể được cài đặt từ hệ thống điều khiển trung tâm.
Việc mở các cửa van đập tràn đối với các nhà máy có hệ thống đập lớn là hết sức nguy hiểm cho hạ lưu, vì vậy có một số nhà máy được thiết kế với các cửa van xả đáy, cũng được điều khiển bằng xilanh thuỷ lực.
Đo nhiệt độ
Một máy quét nhiệt độ và một máy in được trang bị để theo dõi nhiệt độ cuộn dây và ổ bạc của máy phát, máy in sẽ in ra các giá trị nhiệt độ và giá trị báo động khi có yêu cầu. Máy quét có hai mức đặt báo động có thể đặt cho giá trị nhiệt độ khi vượt quá ngưỡng, chu kỳ quét của máy quét nhỏ hơn 10s. Hệ thống quét có khả năng xử lý ít nhất 25 đầu cảm biến nhiệt độ và có đủ các tiếp điểm cần thiết tại các mức khác nhau cho các tín hiệu đi vào PLC.
Các cảm biến nhiệt được sử dụng đo nhiệt độ các bộ phận sau:
- Các dây dẫn trên lõi từ stator máy phát.
- Khe lõi từ stator.
- Lõi stator.
- Các ổ hướng, ổ đỡ máy phát và tuabin.
- Đệm trục tuabin.
- Đầu vào của hệ thống nước làm mát.
- Đầu ra của hệ thống nước làm mát.
Các điện trở shunt và các thiết bị thích hợp được bố trí trong mạch kích thích rôtor để đo nhiệt độ cuộn dây rôtor một cách liên tục.
Nhiệt độ tổ máy được chỉ báo bởi các đồng hồ với các khoá lựa chọn 20 vị trí gắn trên dãy tủ điều khiển mỗi tổ máy, tín hiệu được lấy từ các cảm biến nhiệt ở trên.
Đo tốc độ
Thiết bị an toàn quá tốc ly tâm máy phát được trang bị có khả năng tự kiểm tra, kết hợp với một công tắc có các tiếp điểm để đóng các mạch một chiều 220kV và được cài đặt tại giá trị cao hơn
5% so với số vòng quay tức thời tối đa khi sa thải phụ tải hoàn toàn và máy điều tốc vận hành bình thường. Công tắc có thể chỉnh định để tác động tức thời tại giá trị tốc độ hoạt động của nó.
Giá trị gia tăng số vòng quay tức thời tối đa không vượt quá 35% khi sa thải phụ tải của một máy phát đang vận hành với 100% độ mở cánh hướng và ứng với giá trị cột nước lớn nhất, với độ dốc của đường đặc tính tốc độ cố định là 3%.
Tổ máy được trang bị một hệ thống chỉ báo số vòng quay với tiếp điểm có thể điều chỉnh. Các tiếp điểm được trang bị tối thiểu để chỉ báo các giá trị số vòng quay 10%, 20%, 50%, 90%, 110% vận tốc bình thường. Thêm vào đó có một tiếp điểm dùng để phát tín hiệu dừng máy khẩn cấp khi lồng tốc, nó được chỉnh định để tác động tại giá trị số vòng quay bằng với giá trị đặt cho thiết bị quá tốc ly tâm.
Thiết bị đo tốc độ tổ máy được lắp vào trục tổ máy, khoảng giữa tuabin và máy phát. Tín hiệu tốc độ được lấy từ đĩa răng cưa trên trục và các cảm biến tốc độ kiểu điện tử. Phạm vi đo tốc độ cho bộ điều khiển chính của bộ điều tốc với mục đích điều khiển tự động và tạo ra độ dốc, các giá trị giới hạn chính xác phải bao trùm từ 85% đến 115% tốc độ định mức. Mỗi tổ máy được trang bị hai bộ cảm biến với các mạch độc lập nhau, một bộ được sử dụng đo tốc độ cho bộ điều tốc, bộ còn lại đo tốc độ cho rơle tần số quay và chỉ báo tốc độ. Tất cả các giá trị tốc độ cần thiết cho hệ thống điều khiển và bảo vệ phải được cung cấp từ thiết bị này hoặc từ các bộ phận nằm trong thành phần của nó.
Dải đo lường sử dụng cho chỉ báo và cho các giá trị giới hạn khác phải độc lập hoàn toàn với các tín hiệu cho bộ điều tốc và có phạm vi đo từ 10% đến 150% tốc độ định mức.
Giám sát độ lệch trục tuabin
Tại ổ hướng tuabin có bố trí một bộ rơle không tiếp xúc kiểm soát độ lệch trục lớn nhất của tuabin. Rơle có 2 mức tác động, mức cảnh báo và mức dừng sự cố cơ khí.
Đo áp suất
Vùng tổ máy được trang bị nhiều thiết bị đo áp suất; tại đây, dao động áp suất có một ý nghĩa hết sức quan trọng.
Một hệ thống đồng hồ đo áp suất được trang bị để đo dao động áp suất khu vực giữa cánh hướng và bánh xe công tác.
Giá trị áp lực tối đa không được vượt quá 40m cột nước trong buồng xoắn hoặc ngay trong tuabin ở chế độ cắt tải đột ngột khi tổ máy đang vận hành mang tải ổn định. Giá trị này được áp dụng với tất cả các điều kiện vận hành bình thường của tổ máy.
Một hệ thống đầu đo được trang bị để đo bất cứ dao động nào trong ống hút.
Các đầu đo tại vị trí tối ưu được xác định để đo lưu lượng theo phương pháp Winter-Kenedy, các đầu đo này được sử dụng để giám sát và kiểm tra hiệu suất tuabin trong suốt tuổi thọ của nhà máy:
- Một bộ đo áp suất vi sai chính xác.
- Bốn bộ đầu đo tại buồng xoắn để đo các giá trị chênh lệch áp suất, phục vụ việc xác định lưu lượng theo phương pháp Winter-Kenedy, cùng với lưu tốc kế để đo lưu lượng qua tuabin.
- Bốn bộ đầu đo với các ống giãn nở để đo hiệu suất theo phương pháp nhiệt động.
Tất cả các thông số được đo lường trong quá trình vận hành đều thay đổi tác động lẫn nhau; với một hệ thống thời gian thực như các nhà máy công nghiệp, các hệ thống đo lường có một vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ hệ thống điều khiển ra quyết định. Tuy nhiên, trong một nhà máy lớn với điều kiện vận hành đặc biệt như nhà máy thuỷ điện, các hệ thống đo lường, đặc biệt là các cảm biến rất hay bị hỏng hoặc thiếu chính xác, cần phải chỉnh định thường xuyên để có thể phản ánh chính xác tình trạng hệ thống để đưa ra giải pháp điều khiển tối ưu.
Hình 2: Đo lường tại cửa nhận nước
4. Bộ chuyển đổi đo lường chênh áp lưới chắn rác.
5. Đo mức nước thượng lưu.
6. Cảm biến đo áp suất lưới chắn rác.
Hình 3: Đo lường tại tổ máy
1. Đo dao động áp suất ống hút.
2. Đo mực nước hạ lưu.
3. Đo áp suất buồng xoắn
(Theo: Tạp chí TĐHNN)
Hot line
Phone: (+84-08) 2932.662
Fax: (+84-08) 2932.663
HP: (+84)913716770
Email: [email protected]
Online:
Tin tức mới nhất
Sản phẩm mới
Bộ dẫn động bằng piston
Bộ dẫn động màng
Van Teflon block
Van bi
Van bướm
