bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn viện khoa học thủy lợi báo cáo tổng kết chuyên đề nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao thuộc đề tài kc 07.04: nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng lợng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trờng Chủ nhiệm chuyên đề: ThS nguyễn vũ việt 5817-7 16/5/2006 hà nội 5/2006 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi Chơng I. Mở đầu 1 1.1. Đặt vấn đề. 1 1.2. Tổng quan về TĐSN. 1 1.3. Nội dung báo cáo. 7 Chơng II. Phạm vi sử dụng và các thông số cơ bản của tổ máy 8 2.1. Tình hình nghiên cứu chế tạo TĐCN. 8 2.2. Phạm vi sử dụng. 9 2.3. Các thông số cơ bản. 9 2.3.1. Tỷ số 0 1 d D 9 2.3.2. Tỷ số 0 m d d . 10 2.3.3. Hiệu suất tổ máy. 11 2.3.4. Xác định các thông số cơ bản của tổ máy. 13 2.4. Lựa chọn kết cấu cho tổ máy. 14 Chơng III. tính toán, thiết kế các bộ phận chính 16 3.1. Tiêu chuẩn hóa các bộ phận chính. 16 3.2. Vỏ tua bin. 16 3.3. Khoảng cách từ vòi phun đến bánh công tác. 16 3.4. Thiết kế bánh công tác. 17 3.4.1. Phơng hớng thiết kế bánh công tác. 17 3.4.2. Xác định các kích thớc cơ bản của cánh BCT. 18 3.4.3. Xác định các góc vào của cánh gáo. 18 3.4.4. Xác định các kích thớc cơ bản của BCT. 19 3.4.5. Xác định số cánh Z. 20 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 3.5. Tính toán, thiết kế vòi phun. 21 3.5.1. Lý thuyết tính toán. 21 3.5.2. Tính toán vòi phun cho tổ máy TĐSN. 22 3.5.3. Vị trí vòi phun. 24 3.6. Tính toán thiết kế trục. 24 3.6.1. Các thông số để tính toán thiết kế. 25 3.6.2. Biểu đồ nội lực. 25 3.6.3. Tính sơ bộ đờng kính các đoạn trục. 26 3.6.4. Thiết kế kết cấu trục. 27 3.6.5. Tính toán độ bền mỏi của trục. 27 3.6.6. Tính toán trục tua bin về dao động. 29 3.6.7. Kiểm nghiệm độ bền dập của then. 30 3.7. Tính toán lựa chọn ổ lăn. 31 3.8. Tính toán tổn thất thủy lực và lựa chọn đờng ống. 33 3.8.1. Tổn thất cột áp qua lới chắn rác. 33 3.8.2. Tổn thất cột áp ở cửa vào của ống dẫn. 33 3.8.3. Tổn thất áp lực đờng ống. 34 Chơng IV. Thí nghiệm và xây dựng đặc tính vận hành 35 4.1. Hệ thống thí nghiệm. 35 4.2. Qui trình thí nghiệm và đặc tính vận hành. 36 4.3. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm. 42 Chơng V. Hệ thống đo lờng và điều khiển 43 5.1. Phân loại điều tốc tải giả và nguyên lý làm việc. 43 5.1.1. Hệ thống phụ tải cố định. 43 5.1.2. Hệ thống phụ tải thay đổi. 44 5.2. Thiết bị điều khiển tải giả cho tổ máy công suất nhỏ hơn 1kW. 48 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 5.2.1. Nguyên lý. 48 5.2.2. Khối tải giả. 49 5.3. Thiết bị điều khiển tải giả tổ máy thủy điện siêu nhỏ. 50 Chơng VI. Công trình trạm và quản lý vận hành 53 6.1. Lựa chọn vị trí lắp đặt tổ máy. 53 6.1.1. Phơng pháp xác định cột nớc. 53 6.1.2. Xác định lu lợng của nguồn nớc. 54 6.1.3. Chọn vị trí lắp đặt máy. 55 6.2. Công trình trạm tổ máy TĐSN. 56 6.2.1. Bể áp lực. 57 6.2.2. Đờng ống áp lực. 59 6.2.3. Van trớc tua bin. 59 6.2.4. Tổ máy TĐSN. 59 6.2.5. Móng máy. 59 6.3. Công tác quản lý vận hành. 61 6.3.1. Lắp đặt và vận hành. 61 6.3.2. Quản lý và bảo dỡng sửa chữa. 62 Chơng VII. Kết luận và kiến nghị 64 7.1. Các kết quả mà đề tài đã đạt đợc. 64 7.2. Kiến nghị. 64 Tài liệu tham khảo 65 Phụ lục 66 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 1 Chơng I. Mở đầu 1.1. Đặt vấn đề. Mặc dù lới và nguồn điện quốc gia phát triển mạnh, nhng ở nớc ta, một bộ phận rất lớn ngời dân ở vùng sâu, vùng xa do sống quá phân tán, sẽ không có cơ hội đợc sử dụng nguồn điện này. Chơng trình phát triển nguồn năng lợng tái tạo (REAP) của chính phủ với sự tài trợ của các tổ chức quốc tế nh UB, ADB, JICA đang nỗ lực hỗ trợ kỹ thuật, tàI chính nhằm phát triển các dạng năng lợng táI tạo (NLTT) nh: thủy điện nhỏ, năng lợng gió, năng lợng mặt trời, với mục tiêu cung cấp điện cho hơn 400 xã ở vùng sâu [1], [2]. Thiết bị thủy điện siêu nhỏ (TĐSN) đã đợc sử dụng rộng rãi ở Việt nam từ nhiều năm nay, theo số liệu của Viện Năng lợng, tới năm 2002, cả nớc đã lắp đặt khỏang 120.000 tổ máy TĐSN, phần lớn các thiết bị nhập khẩu từ Trung Quốc. ở trong nớc, một số cơ quan cũng đã chế tạo thiết bị TĐSN nh: Viện Vật liệu thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên Quốc gia, Trờng Đại học Bách khoa Hà nội. Trong đề tài KC07 - 04, với mục tiêu nghiên cứu thiết kế và chế tạo các thiết bị thủy điện nhỏ và siêu nhỏ phục vụ cho sinh họat và sản xuất, chế biến nông, lâm, thủy sản đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo và hòan thiện nhằm nâng cao hiệu quả và giảm giá thành chế tạo thiết bị TĐSN. Đồng thời phát triển thủy điện nhỏ và siêu nhỏ thành một hệ thống hòan chỉnh đáp ứng rộng rãi nhu cầu thực tiễn sản xuất. 1.2. Tổng quan về TĐSN. Nhiều nớc trên thế giới đã nghiên cứu và chế tạo thiết bị TĐSN, sử dụng 4 loại tua bin chủ yếu: tua bin hớng trục (TBHT), tua bin gáo (TBG), tua bin tia nghiêng (TBTN), tua bin xung kích hai lần TBXK2L. Các tổ máy TĐSN đợc chia thành hai loại cơ bản là: tổ máy TĐSN cột nớc cao và tổ máy TĐSN cột nớc thấp. Với các tổ máy TĐSN cột nớc cao (H>10m), ngời ta thờng sử dụng một trong hai loại tua bin: Tua bin tia nghiêng và tua bin gáo. Ngoài yêu cầu về kỹ thuật, việc lựa chọn loại tua bin nào còn phụ thuộc vào chỉ tiêu giá thành thiết bị. Một số nớc có điều kiện tự nhiên cho phép xây dựng các trạm TĐSN cột nớc rất cao thì thờng thiên về hớng chọn tua bin gáo. Hãng IREM (Italia) đã đa ra ý tởng kết nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 2 cấu rất độc đáo về tua bin gáo có buồng xoắn với tổ hợp 2 đến 6 mũi phun đơn giản (hình 1). Đồng thời việc chế tạo cánh gáo bằng công nghệ gia công áp lực có thể sản xuất hàng lọat cánh gáo với độ chính xác cao thì giải pháp chọn tua bin gáo là phù hợp. Theo hớng này còn có các nớc ven núi Himalaya nh: ấn độ, Nê pan, nhng nhìn chung, cột nớc cho TĐSN không dễ dàng có đợc trị số quá cao. Hình 1. Tổ máy TĐSN của hãng IREM Khảo sát thực tế ở Việt Nam, tại các tỉnh nh Hòa Bình, Nghệ An, Hà Giang cho thấy, cột nớc phổ biến ở trong khoảng 5 ữ 50 m (trừ các trạm cột nớc thấp). Do vậy áp dụng tua bin tia nghiêng cho TĐSN là phù hợp vì các u điểm sau: - Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, độ bền cao, giá thành hạ. - Đặc tính năng lợng tốt. Và tua bin tia nghiêng hoàn toàn cạnh tranh tua bin xung kích 2 lần ở dải công suất siêu nhỏ. Từ năm 1993, các thiết bị TĐSN của Trung Quốc đã bán rộng rãi trên thị trờng Việt Nam với qui mô công suất thực từ 100W đến 1000W, phạm vi cột nớc 10 ữ 25m. ở trong nớc cũng đã nghiên cứu chế tạo lọai 200W và 500W. Một số kết quả khảo sát nh sau: nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 3 * TĐSN do Trung Quốc chế tạo: Khảo sát các nhà máy sản xuất TĐSN ở tỉnh Quảng Tây-Trung Quốc chúng tôi nhận thấy đây là các cơ sở sản xuất nhỏ, phân bố ở vùng nông thôn. Sản phẩm đợc sao chép lại từ các mẫu nghiên cứu trớc đây, việc sao chép đã biến dạng do vậy hiệu suất rất thấp. Bù lại với nguyên liệu tự sản xuất đợc trong nớc (nh nam châm cho máy phát) và chi phí nhân công rẻ, tổ chức sản xuất tốt làm cho giá thành cuat thiết bị rất rẻ (250.000đồng/tổ). Trong chơng trình hợp tác cung cấp thiết bị thủy điện (ODA) giai đọan 1995 ữ 2000, phía đối tác Trung Quốc đặt hàng các cơ sở sản xuất này sản xuất loại thiết bị có chất lợng cao hơn (đủ công suất) thì giá thành thiết bị cũng tăng rất cao (720.000VNĐ cho tổ máy 300W). Đặc điểm của thiết bị do Trung Quốc sản xuất là sử dụng nam châm Baki Ferit lọai chất lợng thấp để chế tạo máy phát nên kích thớc máy khá lớn. Tiêu hao các nguyên liệu khác cũng vì thế tăng theo. Bánh công tác chế tạo từng lá cánh có biên dạng hình cầu nên hiệu suất thấp. Hình 2. Lá cánh BCT có biên dạng chỏm cầu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 4 Hình .3. Kết quả thí nghiệm TĐSN cột nớc cao do Trung Quốc chế tạo. * Sản xuất TĐSN ở Viện Nam: Viện Vật liệu (thuộc Trung tâm Khoa học Tự Nhiên và Công Nghệ quốc gia) đã nghiên cứu chế tạo TĐSN và đạt đợc những kết quả rất tốt. Viện đã sử dụng nam châm đất hiếm để chế tạo rô to máy phát điện làm thu nhỏ kích thớc, tăng tuổi thọ máy phát. Đồng thời viện này cũng đã nghiên cứu công nghệ dập lá cánh BCT tốt hơn, lá cánh không bị cong vênh, nâng cao chất lợng gia công, chất lợng kim lọai và tiêu chuẩn hóa đợc hai lọai tua bin tia nghiêng là MHG-200HH và MHG- 500HH. Hình 5. Tổ máy MHG500, 200 do Viện Vật liệu chế tạo. HS=f(n) H=7m 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 n(v/ph) HS H=7m Poly. (H=7m) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 5 Đi kèm với các tổ máy, viên Vật liệu cũng đã nghiên cứu, sản xuất thiết phân tải, tải giả để điều chỉnh, ổn định điện áp cho tổ máy. Tuy nhiên các thiết bị này còn một số hạn chế sau: - Phạm vi làm việc cột nớc khá cao, trong khi nhu cầu thực tế có cột nớc thấp hơn. - Hiệu suất tua bin còn thấp. Kết quả thí nghiệm các tổ máy MHG-200HH và MHG-500HH nh hình 6 và hình7 Hình 6. Kết quả thí nghiệm TĐSN cột nớc cao MHG - 200HH do Viện vật liệu chế tạo. Hình 7. Kết quả thí nghiệm TĐSN cột nớc cao MHG - 500HH do Viện vật liệu chế tạo. HS=f(n) H=5m H=6.2m H=7m 0.25 0.26 0.27 0.28 0.29 0.30 0.31 0.32 0.33 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 n(v/ph) HS H=5m H=6.2m H=8m Poly. (H=5m) Poly. (H=6.2m) Poly. (H=8m) HS=f(n) H=10m H=9m H=8m 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 n(v/ph) HS H=10m H=9m H=8m Poly. (H=10m) Poly. (H=9m) Poly. (H=8m) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 6 Đối với các tổ máy TĐSN có cột nớc thấp ( H 2ữ5 m ) ngời ta thờng sử dụng TBHT buồng hở hoặc buồng kín dạng ống, một số nớc tiên tiến chế tạo TBHT có máy phát ngâm trong nớc (loại tua bin chìm). 1.3. Nội dung báo cáo. Trong báo cáo này trình bày các nghiên cứu tòan diện về tổ máy TĐSN cột nớc cao sử dụng TBTN nhằm hòan thiện các sản phẩm TĐSN và xây dựng gam tua bin TĐSN một cách có hệ thống, đáp ứng rộng rãi nhu cầu của nhân dân miền núi mà đề tài KC07 đã đa ra. [...].. .nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Chơng II Đề tài KC07 - 04 Phạm vi sử dụng và các thông số cơ bản của tổ máy 2.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo TĐCN Một đặc điểm cơ bản của thủy điện là các thông số cơ bản nh cột áp H, công suất P luôn khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên và nhu cầu sử dụng từng trạm Thực tiễn cho thấy TĐSN đợc sử dụng rộng rãi... công son của cánh Tăng ổn định cho BCT và rotor của máy phát - Tổ máy gọn nhẹ, dễ lắp đặt và sử dụng Viện Khoa học Thủy lợi 14 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Chơng III Đề tài KC07 - 04 tính toán, thiết kế các bộ phận chính 3.1 Tiêu chuẩn hóa các bộ phận chính Tổ máy TĐSN sử dụng TBTN gồm 3 bộ phận chính: thân tua bin, cụm mũi phun và cơ cấu kim phun, máy phát và. .. 1,8 3,8 1060 1,8 4,8 237 512 P Kết luận: Tổ hợp các thông số cơ bản: Viện Khoa học Thủy lợi 12 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04 D1 = 10cm d0 = 2,6 và 1,8 cm n = 1000 và 1500 v/ph P = 200, 500, 1000 W Từ đó tiêu chuẩn hóa đợc 05 lọai thiết bị TĐSN sử dụng TBTN nh bảng 4 Bảng 4 STT Loại thiết bị TĐSN Công suất (W) Cột áp (m) Lu lợng (l/s) 1 TN200 -... nghiệm các mũi phun tại phòng thí nghiệm HPC, do kết cấu và công nghệ chế tạo vòi phun đơn giản nên cho thấy chọn L 3,5 d0 tơng ứng các yếu tố đặt ra (hình 14) Viện Khoa học Thủy lợi 15 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04 Hình 14 Thí nghiệm xác định đờng kính dòng tia tại các mặt cắt ngang khác nhau tại HPC 3.4 Thiết kế bánh công tác 3.4.1 Phơng hớng thiết. .. Thủy lợi 7 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04 Một số nhận xét: 1 Các thiết bị TĐSN do Trung Quốc sản xuất đang bán tại thị trờng Việt Nam, có hiệu suất rất thấp max = 25% (hình 1.3), nguyên nhân chính là chất lợng của cả tua bin và máy phát đều thấp 2 Thiết bị TĐSN do Viện vật liệu sản xuất đã có những cải tiến đáng kể, đặc biệt là máy phát đã sử dụng. .. 4,8 2.4 Lựa chọn kết cấu cho tổ máy Với TBTN có 2 kết cấu: + Kết cấu trục ngang, thờng sử dụng cho các tổ máy có số mũi phun 1 và 2, có máy phát điện sản xuất độc lập Kết cấu này dễ lắp đặt, sửa chữa, nhng có kích cỡ lớn hơn kết cấu trục đứng + Kết cấu trục đứng: Thờng sử dụng cho các tổ máy có máy phát đợc thiết kế, chế tạo riêng theo ý đồ của nhà thiết kế, có thể dùng cho tổ máy siêu nhỏ và một số... mặt bằng ở mép vào và mép ra nh hình 17 Hình 17 Mặt bằng ở mép vào và mép ra của lá cánh BCT 3.4.5 Xác định số cánh Z - Số lá cánh Z phụ thuộc vào đờng kính BCT D1 , độ dày cánh Theo điều kiện công nghệ và điều kiện bền, độ dày cánh đợc chọn = 3 mm Viện Khoa học Thủy lợi 19 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao - Số cánh đợc chọn theo mẫu, sao cho tỷ lệ Đề tài KC07 -... tế, ảnh hởng công nghệ tới hiệu suất TBTN cỡ nhỏ có khả năng lớn vì: Viện Khoa học Thủy lợi 11 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04 - Chất lợng mũi phun không tốt, có khả năng xẩy ra hiện tợng lệch hoặc khuyếch tán dòng tia - Biên dạng cánh không đảm bảo - Độ chính xác gia công không cao, gây lệch dòng phun vào cánh Dựa vào kết quả nghiên cứu tua bin... 17,4mm - Đờng kính ngoài của vành: DN = 1,824D1 = 18,2mm - Chiều cao của vành: h= 0,113D1 = 11,3mm 3.4.3 Xác định các góc vào của cánh gáo Các góc vào ở mép vào của cánh gáo xác định theo công thức: Viện Khoa học Thủy lợi 17 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao 1i = arctg Đề tài KC07 - 04 sin 2 1 (3.1) R 2 cos 1 i R0 2 Trong đó: 1i là góc tại cửa vào của cánh gáo ở vị trí... Lá cánh có độ dày biến đổi đợc thay thế bởi lá cánh có độ dày không đổi (đợc ché tạo bằng phơng pháp ép nguội) Viện Khoa học Thủy lợi 16 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04 - Một số mặt cắt sát vành và bầu đợc sửa theo điều kiện công nghệ 3.4.2 Xác định các kích thớc cơ bản của cánh BCT Dựa vào kích thớc cơ bản BCT mẫu, xác định đợc các kích thớc cơ . tài kc 07.04: nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng lợng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trờng . các thiết bị thủy điện nhỏ và siêu nhỏ phục vụ cho sinh họat và sản xuất, chế biến nông, lâm, thủy sản đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo và hòan thiện nhằm nâng cao hiệu quả và giảm giá thành chế. (H=7m) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột nớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 5 Đi kèm với các tổ máy, viên Vật liệu cũng đã nghiên cứu, sản xuất thiết