1. Nguyờn tắc lựa chọn
− Mỏy phỏt là động cơ biến cơ năng của tuabin thành điện năng cung cấp cho hệ thống điện . Chọn MP phải đảm bảo điều kiện kinh tế - kỹ thụ̃t.
• Về kinh tế:
Cỏc loại MP hiện nay nước ta chưa sản xuất được mà phải nhọ̃p từ nước ngoài, chủ yếu là Nga, do đú việc chọn MP phải phự hợp với cataloge của nơi sản xuất , phải đảm bảo đồng bộ , sản xuất hang loạt, giỏ thành rẻ. Ưu tiờn cho MP cú trong cataloge, trường hợp khụng thể chọn được và phải thiết kế và đặt hàng theo nhà sản xuất.
• Về kỹ thụ̃t:
❖ Loại MP được lựa chọn dựa vào cụng suất của tuabin, số vũng quay đồng bộ, phương thức lắp trục. Và phải thỏa món 2 điều kiện sau:
Nmf = [Nmf] ± 5%
nmf= [nmf] = 88,2 (v/ph)
Trong đú: Nmp, [Nmp]- tương ứng là cụng suất MP thiết kế và cụng suất MP tiờu chuẩn cú trong bảng phụ lục 2.9/125.
❖ Cụng suất định mức mỏy phỏt điện được tớnh theo cụng thức : Nmf = 𝑁𝑙𝑚
𝑍 = 235
2 = 117,5 (MW) Nmp – 5% ≤ [Nmp] ≤ Nmp + 5% 112500 (KW) ≤ [Nmp] ≤ 122500 (KW)
Tra bảng tra ta thấy, khụng cú [Nmp] thỏa món nằm trong khoảng trờn nờn phải thiết kế mỏy phỏt.
33 2. Trỡnh tự thiết kế mỏy phỏt:
a) Điện ỏp mỏy phỏt
Trị số điện ỏp định mức tiờu chuẩn của mỏy phỏt quy định là: 3,15; 6,3; 10,5; 15,75 KV tựy thuộc vào dung lượng mỏy phỏt theo quan hệ:
Bảng 5: Quan hệ dung lượng và điện phỏt mỏy
Dung lượng
(MW) ≤ 20 ≤ 75 ≤ 175 ≤600
Điện ỏp U (KV) 6,3 10,5 13,8 15,75
Do Nmf = 117,5 MW nờn lựa chọn điện ỏp đầu ra mỏy phỏt: U = 13,8 KV
b) Cỏc thành phần cụng suất
• Cụng suất tồn phần định mức của mỏy phỏt: Smp = 𝑁𝑚𝑓
𝑐𝑜𝑠𝜑 = 117,5
0,85 = 146,875MVA
Trong đú: cos𝜑 – hệ số cụng suất tỏc dụng, được xỏc định theo bảng.
Bảng 6: Bảng tra hệ số điều chỉnh cụng suất
cos𝜑 0,8 0,85 0,9 0,95 1,0
k 1,08 1,07 1,06 1,045 1,0
Chọn cosφ = 0,85 do Smp= 146,875 MVA
• Cụng suất tớnh toỏn được điều chỉnh hệ số phụ thuộc và hệ số cụng suất tỏc dụng cosφ:
S0 = k.Smp = 1,08.146,875 = 158,625 MVA • Cụng suất trờn mỗi cực mỏy phỏt:
S* = 𝑆𝑚𝑝
2𝑝 =146,875
68 = 2,16 MVA
Trong đú: 2p – số đụi cực, 2p = 68 đụi cực (Theo đồ ỏn Thiết bị Thủy điện)
c) Chiều dài cung trũn vành bố trí cực rotor:
𝜏∗ = A.𝑆∗𝛼 = 0,451.2,160,239 = 0,542 m Trong đú: A, 𝛼 – cỏc hệ số phụ thuộc vào chế độ làm mỏt
34
Bảng7: Bảng tra cỏc hệ số tính kích thước mỏy phỏt
Hệ số Làm mỏt khụng khớ Làm mỏt nước Làm mỏt khụng khớ + Khụng khớ A 0.529 0.451 0.432 α 0.246 0.239 0.239 R 18.8 8.9 8.6 y 0.18 0.105 0.105
d) Đường kính rotor:
Di = 𝜏 ∗. 2𝑝
𝜋 = 0,542. 68
𝜋 = 11,73 m
Kiểm tra:
Đường kớnh rotor Di phải đảm bảo để vọ̃n tốc dài của cỏc bộ phọ̃n lớn nhất khụng vượt quỏ trị số cho phộp khi turbin ở trạng thỏi quay lồng:
Di ≤ 60𝑉𝑝 𝜋𝑘𝑝𝑛đ𝑏 Trong đú:
+ Vp – vọ̃n tốc dài quay lồng cho phộp lớn nhất
Vp = 160 m/s khi Nmf ≤ 175 MW, chọn Vp = 160 m/s Vp = 185 m/s khi Nmp > 175 MW
+ kp – hệ số quay lồng của turbin, kp = 𝑛1𝑝′
𝑛10, = 132
72 = 1,83
𝑛1𝑝′ - số vũng quay quy dẫn ở chế độ lồng tốc, 𝑛1𝑝′ = 132 (v/p))
𝑛10, - số vũng quay quy dẫn ở chế độ tớnh toỏn của tổ mỏy, 𝑛10, = 72 (v/p) VP = 60 . 185
𝜋 . 1,83 . 88,2 = 21,9 m
Di = 11,73 m < 21,9 m. (Thỏa món)
35
e) Chiều cao lừi thộp:
la = 30𝐶𝐴𝑆0
𝜋𝑛đ𝑏𝐷𝑖2 = 30.8,2.158,625
𝜋.88,2.122 = 0,98m Trong đú: CA, S – cỏc hệ số phụ thuộc vào điều kiện làm mỏt
CA = 𝑅
𝑆∗𝑦 = 8,9
2,160,105 = 8,2
Kiểm tra: la phải thỏa món điều kiện
la
τ∗ = (1,5 ữ 4) VT = 0, 98
0, 542= 1,76 (Thỏa món điều kiện trờn)
Trong thực tế do điều kiện vọ̃n chuyển cuộn dõy cựng lừi thộp từ , chiều cao lừi thộp khụng nờn lấy quỏ 1,76m, la thường lấy theo cỏc giỏ trị sau:
la= 40; 80; 100; 110; 130; 140; 150; 175; 190; 210; 230; 250; 275 cm.
Vậy chọn la = 150 cm. f) Chọn kiểu mỏy phỏt
Căn cứ vào tỷ số giữa Di và la, tốc độ quay của mỏy phỏt để phõn biệt mỏy phỏt kiểu ụ hay kiểu treo:
• Mỏy phỏt kiểu ụ được sử dụng khi: 𝐷𝑖
𝑙𝑎 > 5 𝐷𝑖 𝑙𝑎 = 11,73 0,98 g) Đường trục turbin • Đường kớnh ngoài: dv = (12 ữ 14). √𝑁𝑚𝑓 𝑛đ𝑏 3 132,04 cm ≤ dv ≤ 154,40 cm ➔Chọn dv = 145 cm • Đường kớnh trong: 𝑑𝑣, = √𝑑𝑣(𝑑𝑣3− 113𝑁𝑚𝑝 𝑛đ𝑏 4 ) = 145 cm
36
h) Stator mỏy phỏt
• Đường kớnh ngoài lừi thộp:
Da = Di + (50 ữ 90) cm = (1250 ữ 1290) cm Chọn Da = 1270 cm
• Chiều cao mỏy phỏt:
hst = la + 75 cm = 150+75 =225 cm • Đường kớnh mỏy phỏt:
Dst = ( 1,05 + 0,0017.nđb).Di = (1,05+0,0017.88,2).12 = 14,4 m = 1440 cm
i) Giỏ chữ thập trờn
• Chiều cao giỏ chữ thọ̃p trờn:
h1 = (0,1 0,12)Di = 0,11.12 = 1,32 m = 132cm • Đường kớnh giỏ chũ thọ̃p trờn:
D1 =Dst = 1440 cm
j) Giỏ chữ thập dưới
• Chiều cao giỏ chữ thọ̃p dưới:
h2 = (0,25 0,30)Dg = (371 ữ 445) cm. Chọn h2 = 400 cm
Trong đú: Dg = D1st + a = 14,4 + (0,4 ữ 0,5) = 12,733 + 0,45 = 14,85 (m) • Đường kớnh giỏ chữ thọ̃p dưới:
D2 = Dg + 0,4 = 14,85+ 0,4 = 15,25 (m)
• Khoảng cỏch từ mặt trờn giỏ chữ thọ̃p dưới đến mặt dưới stato mỏy phỏt: a = (0,40,5) m. Lấy a = 0,45(m)
• Khoảng cỏch từ mặt dưới giỏ chữ thọ̃p dưới đến mặt bớch trục mỏy phỏt: c = (0,81,0) m. Lấy c = 0,9(m)
k) Ổ trục chặn
• Chiều cao:
h3 = (0,15 ữ 0,2)Di = (0,15 ữ 0,2).12 = (180 ữ 240) cm Chọn h3 = 200 cm
37 • Đường kớnh: D3 = (0,4 ữ 0,5)Di = (0,4 ữ 0,5)12 = (480 ữ 600) cm Chọn D3 = 540 cm l) Chúp mỏy phỏt • Chiều cao: h0 = (30 ữ 50) cm. Chọn h0 = 50 cm • Đường kớnh: d0 = (0,20 ữ 0,25)Di = (0,20 ữ 0,25).12 = (240 ữ 300) cm Chọn d0 = 270 cm. m) Hố mỏy phỏt
• Chiều dày mỏy làm mỏt: t = (0,350,375) (m), chọn t = 0,36(m) • Khoảng cỏch đi lại: b> (0,40,5) (m), chọn b=0.5 (m)
• Đường kớnh: Dh= (1,41,5). Di = (1,4 ữ 1,5).12 = (16,8 ữ 18) m Chọn Dh = 17 m
n) Trọng lượng toàn bộ mỏy phỏt điện sơ bộ cú thể lấy là
Gmf=Ψ.Di.la = 46.12.0,98 = 541 (T) Trong đú:
+ Ψ = (44ữ50) đối với mỏy phỏt kiểu ụ. + Ψ = (48ữ 58) đối với mỏy phỏt kiểu treo
Chọn Ψ = 46 i) Trọng lượng rotor + trục
Grotor+trục = 0,55Gmf = 0,55.541 = 297,6 (T)
o) Momen đà của rotor mỏy phỏt:
GD2 = 2,9. 𝐷𝑖4𝑙𝑎𝜑𝑖 = 2,9.124.0,98.1 = 58931,7 (T.m2)
38
3 Bảng 4: Cỏc kích thước mỏy phỏt
TT Bộ phận Thụng số Kớ hiệu Đơn vị Z = 2
1 Rotor Đường kớnh Di Cm 1200
Chiều cao la Cm 98
2 Stator
Đường kớnh ngoài lừi thộp Da Cm 1270
Chiều cao mỏy phỏt hst Cm 225
Đường kớnh mỏy phỏt Dst Cm 1440
3 Gớa chữ thập trờn Chiều cao h1 Cm 132
Đường kớnh D1 Cm 1440 4 Gớa chữ thập dưới Chiều cao h2 Cm 400 Đường kớnh D2 Cm 1525 Khoảng cỏch a Cm 0,45 Khoảng cỏch trục c Cm 90 5 Ổ trục chặn Chiều cao h3 Cm 200 Đường kớnh D3 Cm 540
6 Chúp mỏy phỏt Chiều cao h0 Cm 50
Đường kớnh d0 Cm 270
7 Hố mỏy phỏt
Chiều dày làm mỏt t Cm 36
Khoảng cỏch đi lại b Cm 50
Đường kớnh hố Dh Cm 1700
8 Trọng lượng Rotor Grotor T 297,6
Mỏy phỏt Gmf T 541
Bảng 5 Cỏc kớch thước mỏy phỏt
V . Cầu trục
Do thụng số trọng lượng rụto cú trục của mỏy phỏt (Gp) khụng cụng bố trong bảng tra, ta lấy theo kinh nghiệm
Gp = 0,6.Gmf = 0,6.541 = 390,6 (tấn)
Gtuabin tõm trục = GTT = k2.D1a2.Hb2 =17,4.6,20,49.60,20,16 = 81,95 (tấn) Trong đú
o k2, a2, b2 phụ thuộc vào cột nước. Tra giỏo trỡnh tuabin thủy lực trang 198 ứng với cột nước trong khoảng (45 ữ 300) m ta được:
k2 = 17,4; a2 = 0,49; b2 = 0,16
o D1 – Đường kớnh bỏnh xe cụng tỏc, D1 = 6,2 (m)
o H – cột nước (m), để thiờn về an toàn ta chọn H = Hmax = 60,2 (m) - Trọng lượng vọ̃t cẩu
39 Gnõng = 1,1.Gvc = 1,1.390,6 = 429,66 (Tấn)
C. THIẾT KẾ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
I . Khỏi niệm chung
− Nhà mỏy thủy điện là cụng trỡnh thủy cụng trong đú bố trớ cỏc thiết bị động lực (tuabin, mỏy phỏt điện) và cỏc hệ thống thiết bị phục vụ cho sự làm việc bỡnh thường của cỏc thiết bị chớnh nhằm sản xuất ra điện năng cung cấp cho cỏc hộ dựng điện.
II . Yờu cầu đối với nhà mỏy thủy điện
-Cỏc thiết bị bố trớ trong nhà mỏy thủy điện phải đảm bảo cho việc vọ̃n hành tiện lợi và an toàn, cả trong trường hợp sửa chữa và thay thế.
-Cỏc thiết bị bố trớ trong nhà mỏy phải tọ̃n dụng được trong khụng gian sẵn cú trong nhà mỏy đồng thời kết cấu trong nhà mỏy càng đơn giản bao nhiờu càng tốt, giỏ thành thiết bị rẻ, dễ thi cụng, ổn định trong mọi điều kiện.
III. Vị trớ và kiểu nhà mỏy
- Cơ sở để lựa chọn vị trớ nhà mỏy là dựa trờn tài liệu địa hỡnh, địa chất, … - Với H 30 (m) nờn ta chọn kiểu nhà mỏy thủy điện sau đọ̃p.
IV. Kết cấu và cỏc cao trỡnh phần dưới nước
Phần dưới nước tớnh từ cao trỡnh đỏy múng nhà mỏy đến cao trỡnh sàn mỏy phỏt. 1 . Cao trỡnh lắp mỏy (Zlm )
− Việc lựa chọn hợp lý cao trỡnh lắp mỏy Zlm sẽ cú tỏc dụng rất lớn trong vấn đề hạn chế hiện tượng khớ thực. Cao trỡnh lắp mỏy phụ thuộc vào mực nước hạ lưu nhỏ nhất và chiều cao Hs.
− Zlm đó xỏc định: Zlm = 457,9 (m) 2. Cao trỡnh đỏy ống hỳt (Zdoh )
- Cao trỡnh đỏy ống hỳt được xỏc định theo cụng thức sau:
doh Z = Zlm – Hụh - 2 0 b Trong đú: + Hoh= 15,5(m)là chiều cao ống hỳt + bo là chiều cao cỏnh hướng nước
40 Ta cú 1 0 D b = 0,3 bo = 0,3.6,2 = 1,86 (m) Vọ̃y Zdoh = 457,9 – 15,5- 1,86 2 = 440,57 (m) 3. Cao trỡnh miệng ống hỳt (Zmoh )
- Cao trỡnh miệng ống hỳt được xỏc định theo cụng thức sau: Zmoh = Zdoh + h5 = 440,57 + 8,122 = 447,7 (m) Trong đú: h5 là chiều cao cửa ra ống hỳt : h5 = 8,122 (m)
- Cao trỡnh này phải đảm bảo miệng ống hỳt ngọ̃p dưới mực nước hạ lưu min một đoạn 0,5 m
Ta thấy:
Zmoh = 447,7 (m) < (Zhlmin – 0,5) = 454,7 – 0,5 = 454,2 4 . Cao trỡnh đỏy múng (Zdm )
- Cao trỡnh múng nhà mỏy được tớnh theo cụng thức sau: Zdm = Zdoh – dM
Trong đú: dM là chiều dày của lớp bờ tụng dưới đỏy ống hỳt phụ thuộc vào điều kiện địa chất nền múng nhà mỏy dM= (12) m. Chọn dM = 1,5 (m)
Vọ̃y Zdm = 440,57 – 1,5 = 439,07 (m) 5. Cao trỡnh sàn tuabin(ZSTB )
- Cao trỡnh sàn tuabin cú liờn quan đến lớp bờ tụng của buồng xoắn và được tớnh theo cụng thức sau:
ZSTB = Zlm + max + 1 Trong đú:
+ max là bỏn kớnh lớn nhất của buồng xoắn kim loại ứng với gúc bao max = 345o max = 3,47 (m) ( mục Lỗi! Khụng tìm thấy nguồn tham chiếu. )
+ 1 là chiều dày lớp bờ tụng bảo vệ trần buồng xoắn 1 = (0,51) m. Chọn 1 = 1 (m)
41 6 . Cao trỡnh đặt mỏy phỏt (ZMF )
− Là cao trỡnh đỏy stator của mỏy phỏt. Cao trỡnh lắp mỏy phỏt được tớnh theo cụng thức sau:
ZMF = ZSTB + h1 + h2 Trong đú:
+ h1 là chiều cao giếng tuabin, để đảm bảo đi lại thuọ̃n tiện trong quỏ trỡnh vọ̃n hành và sửa chữa thỡ ta lấy h1 = 2,00 (m)
+ h2 là chiều dày bệ đỡ mỏy phỏt, h2 = (12) (m). Chọn h2 = 1,00(m) Vọ̃y ZMF = 462,37 + 2 + 1 = 465,37 (m)
Ta thấy ZMF =463,37( )m ZHLmax +0,5=455,14 0,5+ =55,64( )m → Đảm bảo mỏy phỏt khụng bị ẩm
7 . Cao trỡnh sàn mỏy phỏt (ZSMF )
Cao trỡnh sàn mỏy phỏt được tớnh theo cụng thức sau:
ZSMF =ZMF+ hst = 463,37+ 2,25 = 465,62(m) Trong đú: hst là chiều cao của stator mỏy phỏt, hst = 2,25(m)
V . Kết cấu và cỏc cao trỡnh phần trờn nước
− Phần trờn nước của nhà mỏy thủy điện được tớnh từ cao trỡnh sàn mỏy phỏt đến cao trỡnh đỉnh nhà mỏy. Chủ yếu được dựng để bố trớ mỏy phỏt điện, mỏy điều tốc và cỏc bản điện. Trong nhà mỏy cũn bố trớ thờm gian lắp rỏp để tiện cho việc thay thế và sửa chữa.
1 . Cao trỡnh sàn nhà mỏy (ZSNM )
− Cao trỡnh sàn mỏy phỏt phụ thuộc vào hỡnh thức bố trớ mỏy phỏt cũng như chiều cao của stato mỏy phỏt
− Cao trỡnh này được tớnh như sau ZSNM=ZSMF +hst =465,62+2,25=467,87(m) 2 . Cao trỡnh cần trục (ZCT )
− Cao trỡnh cầu trục phụ thuộc vào kớch thước vọ̃t cẩu và phương thức cẩu.
+ Cẩu bờn: vọ̃t cẩu đi sang một bờn mỏy phỏt của nhà mỏy. Trường hợp này làm cho kớch thước bề rộng nhà mỏy B lớn nhưng chiều cao của nhà mỏy H giảm.
+ Cẩu đỉnh: vọ̃t cẩu đi trờn đỉnh mỏy phỏt của nhà mỏy. Trường hợp này làm cho bề rộng B của nhà mỏy giảm nhưng lại làm cho chiều cao của nhà mỏy tăng.
42
Ở đõy ta chọn phương phỏp cẩu đỉnh, được tớnh theo cụng thức sau: ZCT = Zmax + a + Lmax + ld + lm + ldd
Trong đú:
Zmax =max(ZDMF,ZSLR ): cao trỡnh max của vọ̃t cố định nơi vọ̃t cẩu :
SLR SMF Z =Z =464,67(m) ZDMF = ZSMF + ho + h1 = 464,67 + 0,5 + 1,32 = 466,5 (m) max 466,5( ) Z m → =
+ ho = 0,5 m: chiều cao chúp mỏy phỏt + h1 = 1,32(m): chiều cao giỏ chữ thọ̃p trờn
+ a: khoảng cỏch an toàn từ vọ̃t cẩu đến cao trỡnh đỉnh mỏy phỏt. Chọn a= 0,45 m
+ Lmax là chiều dài của vọ̃t cẩu nhất (mỏy phỏt và trục hoặc tuabin và trục) được tớnh như sau:
Chiều dài mỏy phỏt và trục:
Ltmf = ho + h1 + hst + h2 + C = 0,5+ 1,32 + 1,3 + 4 + 0,9 = 8,02 (m) Với:
+ ho là chiều cao chúp mỏy phỏt: ho = 0,5 (m) + h1 là chiều cao giỏ chữ thọ̃p trờn: h1 = 1,32 (m) + hst là chiều cao mỏy phỏt: hst = 1,3(m)
+ h2 là chiều cao giỏ chữ thọ̃p dưới: h2 = 4 (m) + C khoảng cỏch trục, C = 0,9 (m)
(tra bảng 5.7)
Chiều dài của tuabin và trục được tớnh như sau:
Lttb =ZMF – (h2 + C) – (Zlm - )= 463,37 – (4 + 0,9) – ( 457,9– 0,93) = 1,5(m) Lmax = max (Ltmf, Lttb) = max (8,02 ; 1,5) = 8,02 (m)
+ ld : chiều dày dõy buộc, ta chọn ld = 2 m + ldd: chiều dài dón dõy, chọn sơ bộ ldd = 0,5 m
2 0
43
+ lm : chiều dày múc cẩu, chọn sơ bộ lm = 0,5 m Cao trỡnh cầu trục là:
ZCT = Zmax + a + Lmax + ld + lm + ldd = 466,5 + 0,45 + 8,02 + 2 + 0,5 + 0,5 = 477,97 (m)
3. Cao trỡnh trần nhà mỏy (ZTNM )
- Cao trỡnh trần nhà mỏy được tớnh theo cụng thức sau: ZTNM = ZCT + hCT + b6 Trong đú:
+ hct là chiều cao cần trục, chọn hct = 16 (m)
+ 6 là khoảng cỏch an toàn để cho cầu trục cú thể di chuyển được trong nhà mỏy b6 = (0,3 0,5) m. Chọn b6 = 0,5 m
Vọ̃y ZTNM = 477,97 + 16 + 0,5 = 494,47 (m) 4 Cao trỡnh đỉnh nhà mỏy
Sơ bộ chọn hmỏi = 2 m . Cao trỡnh đỉnh nhà mỏy được tớnh theo cụng thức sau: ĐNM = TNM + hmỏi = 494.47 + 2 = 496.47 (m)
5 . Kớch thước nhà mỏy theo mặt bằng
a. Chiều dài đoạn tổ mỏy (L ) d
- Chiều dài đoạn tổ mỏy là khoảng cỏch giữa hai tõm tổ mỏy kế tiếp nhau. Chiều dài của đoạn tổ mỏy phụ thuộc vào kớch thước buồng xoắn, hỡnh dạng tuabin, đường kớnh BXCT và khoảng cỏch đi lại vọ̃n hành. Đồng thời chiều dài đoạn tổ mỏy phụ thuộc vào kớch thước của mỏy phỏt.
- Tớnh chiều dài đoạn tổ mỏy theo điều kiện buồng xoắn Lđ = max(Rmax, 2 h D )+max ( − max 180o R , 2 h D )+2 = max( 345o R , 2 h D )+max( 165o R , 2 h D )+ 2 Trong đú: +R165o =9, 22( )m +R345o =11, 69( )m
44 + 1, 7 8, 5( ) 2 2 h D m = = → Lđ =11,69 + 9,22 + 2= 22,91 (m)
b. Chiều dài nhà mỏy
- Chiều dài nhà mỏy là tổng chiều dài của cỏc khối mỏy, chiều dài của sàn lắp rỏp,