Bộ KH&CN-Bộ NN&PTNT Trường ĐHBK HN TTNCNLM Bộ KH&CN-Bộ NN&PTNT Trường ĐHBK HN TTNCNLM Bộ KH&CN-Bộ NN&PTNT Trường ĐHBK HN TTNCLNM BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG MỚI Số – Đại Cồ Việt – Hai Bà Trưng – Hà Nội BÁO CO TNG HP ề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nớc: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo,lắp đặt V VẬN HÀNH MÁY ĐIỀU TỐC KIỂU ĐIỆN THỦY LỰC CHO T MY THY IN công suất đến 6MW cho Nhà máy thủy điện ĐaksrônG" D ỏn KHCN quy mụ ln : Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, lắp đặt vận hành thiết bị thủy điện cho nhà máy thủy điện Đaksrông công suất 20MW ( Thuc chng trỡnh phỏt triển KHCN trọng điểm cấp nhà nước giai đoạn 2005 – 2010) TS.Hoàng Sinh Trường 8789 Hà nội, năm 2009 - MỤC LỤC MỞ ĐẦU…………………………………………………………………… CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN…………………………………………11 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thiết kế, chế tạo sử dụng hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện vừa nhỏ………………….11 1.2 Nghiên cứu khảo sát đánh giá nhu cầu thị trường, xác định đối tượng nghiên cứu……………………………………………………………19 1.3 Nghiên cứu tổng quan hệ thống điều tốc điện – thủy lực ứng dụng cho nhà máy thủy điện vừa nhỏ…………………………….20 CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ĐIỆN – THỦY LỰC, ÁP DỤNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐIỀU TỐC CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKSRƠNG…………………………….24 2.1 Các thơng số máy điều tốc tua bin nhà máy thủy điện Đăksrông …………………………………………………………… 24 2.2 Các loại máy điều tốc dùng cho tổ máy thủy điện vừa nhỏ …….28 2.3 Các phần mềm tính tốn thủy lực điều khiển tự động máy điều tốc điện – thủy lực……………………………………………………… 39 2.4 Nghiên cứu tính tốn hệ thống cung cấp dầu áp lực cho máy điều tốc…………………………………………………………………….40 2.5 Nghiên cứu tính tốn thiết kế mơđun điều khiển máy điều tốc….47 2.6 Tính tốn thiết kế Servo motor thủy lực …………………………….51 2.7 Tính tốn thiết kế hệ thống phản hồi cứng phản hồi mềm……… 51 2.8 Tính toán thiết kế hệ thống truyền lực cho máy điều tốc………… 51 2.9 Tính tốn thiết kế hệ dẫn động cánh hướng tay giới hạn độ mở cánh hướng………………………………………………………55 2.10 Tính tốn thiết kế hệ phản hồi khí kiểu nêm……………………57 2.11 Tính tốn thiết kế hệ thống van cánh hướng xảy cố…… 59 2.12 Nghiên cứu tính tốn thiết kế, tích hợp hệ thống cảnh báo an toàn cho máy điều tốc………………………………………………………….60 CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKSRÔNG………………………………… 65 3.1 Quy trình cơng nghệ chế tạo mơđun thơng số đầu vào điều tốc 65 3.2 Quy trình cơng nghệ chế tạo mơđun điều khiển CPU………………68 3.3 Quy trình cơng nghệ chế tạo mô đun khuyếch đại điện – điện tử….73 3.4 Quy trình cơng nghệ chế tạo mơ đun khuyếch đại thủy lực vi sai…74 3.5 Quy trình cơng nghệ chế tạo thiết bị áp lực…………………………76 3.6 Quy trình cơng nghệ chế tạo hệ thống truyền điều khiển cánh hướng dòng tua bin………………………………………………… 80 CHƯƠNG IV XÂY DỰNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ LẮP RÁP HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC……………………………………………………… 83 4.1 Quy trình cơng nghệ lắp ráp mơ đun thơng số đầu vào điều tốc 83 4.2 Quy trình công nghệ lắp ráp mô đun điều khiển CPU…………… 83 4.3 Quy trình cơng nghệ lắp ráp mơ đun khuyếch đại điện – điện tử… 84 4.4 Quy trình cơng nghệ lắp ráp mô đun khuyếch đại thủy lực vi sai…84 4.5 Quy trình cơng nghệ lắp ráp thiết bị dầu áp lực…………………….86 4.6 Quy trình cơng nghệ lắp ráp truyền điều khiển cánh hướng dòng tua bin……………………………………………………………… 88 4.7 Quy trình cơng nghệ lắp ráp tổng thể tồn hệ thống điều tốc…….88 CHƯƠNG V XÂY DỰNG QUY TRÌNH THỬ NGHIỆM MÁY ĐIỀU TỐC ĐIỆN – THỦY LỰC……………………………………………………… 89 5.1 Quy trình thử nghiệm xưởng chế tạo……………………………89 5.2 Quy trình thử nghiệm trường……………………………… 90 CHƯƠNG VI QUY TRÌNH VẬN HÀNH MÁY ĐIỀU TỐC ĐIỆN – THỦY LỰC…………………………………………………………………………92 CHƯƠNG CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC………………………….…….93 7.1 Các kết khoa học công nghệ đạt được……………………… 103 7.2 Khả ứng dụng kết nghiên cứu đề tài………………107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………….……109 MỞ ĐẦU Hiện giới, việc khai thác nguồn lượng tái tạo phi truyền thống lượng gió, lượng mặt trời hay nguồn lượng tái tạo truyền thống thủy điện định hướng phát triển chiến lược nhiều quốc gia tồn cầu khơng phân biệt mức độ phát triển kinh tế Điều lý giải không tiềm to lớn phân bố rộng khắp nguồn lượng mà với phát triển kinh tế xã hội toàn cầu, nguồn lượng tái tạo chứng tỏ tầm quan trọng trình phát triển xã hội văn minh đại Đó khơng nguồn “năng lượng sạch” mà tính “tái tạo” mang tính “bền vững”, mục tiêu bao trùm mà định hướng phát triển kinh tế xã hội quốc gia hướng tới: Đó “sự phát triển bền vững” Trong lịch sử mình, ngành xây dựng thủy điện Việt Nam nói riêng giới nói chung khơng ngừng phát triển Tuy nhiên thủy điện nhỏ trải qua nhiều thăng trầm giai đoạn Bùng phát năm 70 để bị lãng quên năm 80 Mặc dù vậy, nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội, trị đưa người vươn tới vùng xa với tiến không ngừng ứng dụng khoa học công nghệ đai, thủy điện nhỏ định hướng phát triển nhiều quốc gia lựa chọn Chính chương trình “Dự án khoa học công nghệ quy mô lớn “ nhà nước giai đoạn 2005-2010, định hướng “nghiên cứu thiết kế chế tạo lắp đặt thiết bị thủy điện công suất đến 6MW cho nhà máy thủy điện vừa nhỏ “ lựa chọn đắn chiến lược phát triển kinh tế xã hội nước ta tương lai Từ kinh nghiệm tích lũy qua thực tế giới cho thấy đặc điểm bật thủy điện vừa nhỏ, tỷ trọng đầu tư cho thiết bị chiếm tỷ lệ cao so với công trinh thủy điện lớn Thường thiết bị thủy điện nhỏ chiếm tỷ lệ 30% đến 40% vốn đầu tư ban đầu Trường hợp đặc biệt, số lên đến 50% Điều cho thấy tầm quan trọng việc đầu tư nghiên cứu nhằm hoàn thiện thiết bị thủy điện vừa nhỏ Hiện giới, với ứng dụng nhiều thành khoa học công nghệ mới, thủy điện vừa nhỏ hoàn toàn thay đổi chất lượng nguồn lượng mình, kết nhìn nhận thủy điện vừa nhỏ phải thay đổi Đóng góp phần khơng nhỏ cho thay đổi phải kể đến việc ứng dụng ngày rộng rãi hệ thống điều khiển tự động kỹ thuật vi xử lý trình vận hành điều khiển nhà máy thủy điện vừa nhỏ Sự hoàn thiện máy điều tốc turbin thủy điện yếu tố quan trọng làm nên thay đổi lớn Chính để làm chủ cơng nghệ chế tạo thiết bị thủy điện xây dựng cơng trình thủy điện vừa nhỏ giai đoạn phát triển kinh tế nước ta , việc đầu tư nghiên cứu để hồn thiện cơng nghệ chế tạo thiết bị thủy điện nói chung điều tốc turbin nói riêng vấn đề xúc ,đòi hỏi kinh tế Với khả có ngành khí chế tạo kết hợp với kết kinh nghiệm tích lũy sở nghiên cứu với đội ngũ cán có trình độ khơng thua khu vực , việc nghiên cứu cho đời sản phẩm “điều tốc thủy điện “ mang tính cơng nghiệp với chất lượng ngang tầm khu vực cân thiết hồn tồn Người ta nhận thấy cơng trình thủy điện lớn cung cấp điện cho khoảng 20% dân số tồn cầu song lại có ảnh hưởng lớn tới thổ nhưỡng, địa chất, nguồn nước, khí hậu….Các hồ chứa nhà máy thủy điện vùng nhiệt đới sản sinh lượng lớn khí methane carbon dioxide Nguyên nhân tượng xác thực vật bị lũ quét vùng tái bị lũ tràn ngập nước, mục nát môi trường kỵ khí tạo thành methane, khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh Methane bay vào khí nước xả từ đập để làm quay tuabin Theo báo cáo Cao ủy giới đập, nơi đập nước lớn so với công suất phát điện (ít 100Watt km2 diện tích bề mặt) khơng có việc phá rừng vùng tiến hành trước thi cơng đập nước, khí gas gây hiệu ứng nhà kính phát tử đập cao nhà máy nhiệt điện thơng thường Một hại đập thủy điện lớn việc tái định cư dân chúng sống vùng hồ chứa Trong nhiều trường hợp không khoản bồi thường bù đắp gắn bó họ tổ tiên văn hóa gắn liền với địa điểm chúng có giá trị tính thần lớn họ Hơn nữa, mặt lịch sử văn hóa địa điểm quan trọng bị biến mất, dự án Đập Tam Hiệp Trung Quốc, đập Clyde New Zealand đập Ilisu đông nam Thổ Nhĩ Kỳ… Một số dự án thủy điện sử dụng kênh đào, để làm chệch hướng sông tới độ dốc để tăng cột áp nhà máy Trong số trường hợp, tồn song bị đổi hướng để trơ lại đáy dịng sơng Ví dụ song Tekapo Pukaki (Newzealand) Người ta lo ngại rằng, sông sử dụng làm thủy điện chảy qua nhiều vùng đất khác mức độ ảnh hưởng gia tăng nghiêm trọng vùng đất rộng lớn, chí ảnh hưởng tới nhiều quốc gia Vì thế, nhà nghiên cứu phát triển thủy điện loại vừa nhỏ, cung cấp điện cho vùng khu vực nhỏ, vừa không gây hao tốn tài nguyên, nhân lực vừa bảo đảm gìn giữ mơi trường sống tốt lành Do tính ưu việt nó, thủy điện vừa nhỏ nhiều nước giới quan tâm phát triển Ngồi ưu điểm vốn đầu tư khơng lớn, khơng địi hỏi phải sử dụng thiết bị thủy điện phức tạp, xây dựng hồ chứa nước lớn tiết kiệm nguồn lượng truyền thống… ưu điểm trội loại hình Thủy điện vừa nhỏ làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh khả tự cung tự cấp điện cho vùng sâu, vùng xa, dân cư Việt Nam quốc gia thiên nhiên ưu đãi có hệ thống sơng ngịi phong phú, đa dạng trải khắp chiều dài đất nước nên thuận lợi cho việc phát triển thủy điện Tính tới thời điểm năm 2003, tổng công suất nhà máy thủy điện xây dựng xấp xỉ 4.000MW nhà máy xây dựng có tổng công suất gần 1.000 MW Tuy nhiên, theo số liệu thống kê có khoảng 1/4 tiềm thủy điện nước ta khai thác để phục vụ sản xuất dân sinh Điều kiện tự nhiên nước ta thuận lợi cho việc phát triển thủy điện vừa nhỏ Trong tình hình khủng hoảng thiếu lượng điện nhu cầu sử dụng điện tăng nhanh việc cung cấp điện cho vùng sâu, vùng xa từ nguồn điện nhà máy điện lớn khó khăn Việc xây dựng thủy điện vừa nhỏ không cần đầu tư vốn lớn, tranh thủ huy động vốn từ xí nghiệp nhỏ hay tư nhân Bởi vậy, sử dụng kinh nghiệm giới việc phát triển thủy điện vừa nhỏ nước ta trở nên cần thiết Nhà nước quan tâm Mục tiêu đề tài là: - Tạo khả thiết kế, chế tạo, lắp đặt vận hành sử dụng máy điều tốc kiểu điện – thủy lực cho tổ máy thủy điện công suất đến 6MW với thiết bị đồng cho lực lượng cán công nhân kỹ thuật nước; - Chế tạo, lắp đặt vận hành sử dụng 01 máy điều tốc điện – thủy lực cho tổ máy thủy điện công suất 6MW cho nhà máy thủy điện Đăksrông; - Phục vụ chương trình nội địa hóa thiết bị chiến lược phát triển thủy điện nhà nước đến năm 2010 2020; - Tạo công ăn việc làm cho xã hội, góp phần cung cấp điện thúc đẩy phát triển ngành liên quan nâng cao đời sống dân sinh; - Tạo điều kiện chủ động việc cung cấp thiết bị thủy điện loại vừa nhỏ dùng cho cơng trình trạm thủy điện xây dựng phụ tùng bảo dưỡng, thay thế, sửa chữa cho trạm sử dụng Nội dung nghiên cứu đề tài: - Nghiên cứu tổng quan hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện; - Nghiên cứu tính tốn thiết kế hệ thống điều tốc điện – thủy lực, áp dụng tính tốn thiết kế điều tốc cho nhà máy điện thủy điện Đaksrông; - Nghiên cứu xây dựng quy trình cơng nghệ chế tạo phận hệ thống điều tốc cho nhà máy thủy điện Đăksrông; - Xây dựng quy trình cơng nghệ lắp ráp hệ thống điều tốc cho nhà máy; - Xây dựng quy trình thử nghiệm máy điều tốc điện - thủy lực; - Xây dựng quy trình vận hành, sử dụng máy điều tốc điện - thủy lực Tình hình nghiên nước Trên giới Với mục tiêu giảm giá thành đầu tư đơn giản công tác vận hành nhà máy thủy điện vừa nhỏ, theo logic đơn giản cho cần sử dụng điều tốc turbin có nguyên lý đơn giản rẻ so với điều tốc nhà máy thủy điện lớn Tuy nhiên, tiếp cận vấn đề từ góc độ “điều khiển đồng bộ“ tối ưu hóa nhà máy thủy điện vừa nhỏ không đơn “điều tốc” lại phải thay đổi khái niệm Các kết nghiên cứu thực tế Hoa Kỳ, Nga Trung Quốc cho thấy nhà máy thủy điện lớn, điều tốc turbin phần hệ thống tự động điều khiển bảo vệ tổ máy q trình làm việc Trong đó, nhà máy thủy điện vừa nhỏ, việc lắp đặt riêng biệt hệ thống điều tốc, điều khiển tự động phân bố tải bảo vệ tổ máy dẫn đến nhiều tốn đầu tư ban đầu Ở đây, phương án tối ưu lựa chọn phổ biến giới, tổ hợp chức vào với điều tốc turbin.Với xu hướng tiến tới nhà máy thủy điện vừa nhỏ hoàn toàn tự động, việc ứng dụng kỹ thuật tiên tiến điều khiển với vi xử lý mạnh tưởng làm phức tạp thêm cho nhà máy thủy điện, thực tế lại chứng minh điều ngược lai Với ứng dụng kỹ thuật mới, việc vận hành, bảo dưỡng sửa chữa nhà máy thủy điện vừa nhỏ đơn giản hóa nhiều nhờ sử dụng tổ hợp, linh kiện tiêu chuẩn Trên giới nay, máy điều tốc turbin dùng cho nhà máy thủy điện vừa nhỏ thiết kế chế tạo dựa nguyên lý bản, nguyên lý điện-cơ, nguyên lý thủy – , nguyên lý điện - thủy lực Loại thứ nghiên cứu ứng dụng cho trạm thủy điện có cơng suất nhỏ loại vài trăm KW với đầu tư khiêm tốn chứng tỏ độ tin cậy trình vận hành Trong thời gian dài, mẫu điều tốc thủy – nước Áo, Tiệp lựa chọn hàng đầu cho nhà máy thủy điện vừa nhỏ giới Việt nam Tuy nhiên, giai đoạn phát triển thủy điện vừa nhỏ với xu hướng điều khiển đồng nhóm nhiều nhà máy với hệ thống quản lý ,điều khiển trung tâm nhằm tiêu chuẩn hóa chất lượng nguồn điện, loại điều tốc điện – thủy lực trở thành lựa chọn ưu tiên thiết kế xây dựng nhà máy thủy điện vừa nhỏ Nhất nhà máy thủy điện, điều tốc turbin gắn thêm chức điều tốc, phân chia cơng suất bảo vệ an tồn tổ máy Chính nhờ có ưu điểm vượt trội sử dụng kỹ thuật vi xử lý cho phép kết nối với hệ thống điều khiển SCADA, máy điều tốc điện – thủy lực trở thành lựa chọn cho nhà máy thủy điện vừa nhỏ Nga, Canada, Hoa Kỳ v.v Cùng với phát triển mạnh mẽ ứng dụng kỹ thuật số hệ thống điều khiển tự động, máy điều tốc điện – thủy lực lựa chọn tối ưu cho nhà máy thủy điện vừa nhỏ giai đoạn Tình hình nước Từ năm 80, với phong trào làm thủy điện nhỏ, việc nghiên cứu thiết kế xây dựng nhà máy thủy điện vừa nhỏ Việt Nam đạt số thành công định Nhiều mẫu turbin thủy lực công xuất đến 2MW chế tạo lắp đặt chủ yếu cho vùng sâu, vùng xa Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo điều tốc triển khai số địa Viện nghiên cứu khí Bộ cơng nghiệp, Nhà máy khí Hà Nội, Trường ĐHBK Hà Nội ,Viện khoa học thủy lợi v.v Tuy nhiên thực nội dung, kế hoạch đăng ký, khơng ngừng tìm tịi, học hỏi thêm kiến thức chun mơn để hoàn thiện kết sản phẩm đề tài Cơ quan chủ trì đề tài giành nhiều quan tâm, đạo để sớm hoàn thành sản phẩm mẫu đề tài Các nội dung nghiên cứu chúng tơi tóm tắt trình bày báo cáo hồ sơ, biên bản, tài liệu kèm theo Chúng tơi xin nêu sản phẩm mà đề tài thực được: - Nghiên cứu tổng quan máy điều tốc turbin thủy lực theo nguyên lý điện- thủy lực cho tổ máy đến 6MW hãng uy tín giới Trên sở kết thu , lựa chọn mơ hình hợp lý cho sản phẩm đề tài theo yêu cầu cụ thể tổ máy cho nhà máy thủy điện Đăcsrong - Hoàn thiện thiết kế máy điều tốc theo mơ hình lựa chọn với quy trình cơng nghệ phù hợp cho sản suất cơng nghiệp (Sản phẩm tập vẽ thiết kế thuyết minh quy chình cơng nghệ chế tạo.) - Ký kết hợp tác chuyển giao công nghệ chế tạo số cụm chi tiết máy điều tốc với Công ty tự động hóa Tứ sáng thuộc khu Cơng nghệ cao Thiên Vũ hán Trung quốc - Chế tạo thử modul máy điều tốc kiểu điện - thủy lực gồm 03 cụm khuếch đại thủy lực servomotor, 02 trạm nguồn thủy lực bơmđộng , 01bể dầu , 01 panel điều khiển điện thủy lực … - Xây dựng quy trình vận hành máy điều tốc đảm bảo yêu cầu kỹ thuật phù hợp điều kiện an toàn nhà máy thủy điện - Chạy thử nghiệm máy điều tốc phịng thí nghiệm để đánh giá sơ chất lượng sản phẩm đề tài, so sánh kết với tiêu đặt để có hiệu chỉnh phù hợp 105 106 107 108 109 110 111 112 113 - Chuẩn bị tài liệu kỹ thuật sẵn sang tiến hành chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp - Hoàn thiện sản phẩm tiến hành thử nghiệm máy điều tốc trường , so sánh kết với mẫu máy tương đương công dụng nhập - Chuyển giao công nghệ hợp tác liên doanh sở có đủ khả gia công chế tạo để sản suất công nghiệp (Tổng công ty điện – xây dựng nông nghiệp thủy lợi) - Tập hợp số liệu , hoàn thiện báo cáo tổng kết nghiệm thu đề tài Toám tắt nội dung yêu cầu số lượng chất lượng sản phẩm đề tài Sản phẩm dạng I: TT Tên sản phẩm tiêu Đơn vị Số chất lượng chủ yếu đo Máy điều tốc kiểu điện – Bộ Kế hoạch lượng 01 Thực tế đạt 01 01 thủy lực cho tổ máy thủy điện công suất 6MW - Dải chết: 0.7% - Độ sụt tốc độ thường xuyên : 0-6% - Phạm vi điều chỉnh tốc độ : 90-100% - Thời gian đóng cua servomotor: 2,5-6 giây - Độ tăng tốc cho phép bỏ 100% tải: