CHƯƠNG 8: ĐIỀU CHỈNH TURBIN NƯỚC
8.10. Tính toán bảm đảm điều chỉnh tô máy phát điện thủy lực
Khi đóng (mở) nhanh cơ cấu điều chỉnh (như bộ phận hướng nước, vòi phun ở turbin gáo, van chính v.v...) của turbin thì vận tốc dòng nước trong hệ thống dẫn nước của turbin sẽ thay đổi đột ngột. Lứa đó, áp lực nước trong đường ống áp lực và buồng xoắn sẽ tăng (hoặc giảm) đột ngột còn áp lực trong ống hút của turbin sẽ giảm (hoặc tăng). Ta gọi sự thay đổi đột ngột áp lực nước kể trên là hiện tượng nước va.
Sự tăng hoặc giảm áp lực trong hệ thống dẫn nước turbin phụ thuộc vào các yếu tố như: kích thước và nguyên vật liệu ống dẫn nước, vào vận tốc nước trong ống đó, vào quan hệ biến thiên giữa lưu lượng với thời gian trong qúa trình điều chỉnh, vào thời gian đóng hoặc mở cơ cấu điều chỉnh.
Sự thay đổi áp lực có liên quan trực tiếp đến sự lựa chọn chiều sài, đường kính và chiều ày của đường ống áp lực, sự cần thiết bố trí tháp điều áp hay van xả không tải trên tuyến dẫn cũng như việc tính độ bền các bộ phận nước qua của turbin.
Trong chương này chỉ trình bày một cách khái quát phưng pháp tính toán áp lực nước dùng trong phạm vi tính toán đảm bảo điều chỉnh tổ máy thủy lực trên cơ sở các nguyên lí về hiện tượng nước va đã học trước đây.
Trước khi xác định các công thức tính toán áp lực nước va ta ôn lại khái niệm cơ bản về áp lực nước va trực tiếp, gián tiếp và xét cho trương hợp nguy hiểm nhất là đóng cơ cấu điều chỉnh.
Nước va trực tiếp xuất hiện khi thời gian đóng cơ cấu điều chỉnh (Ts) bằng hay nhỏ hơn thời gian cần thiết để dóng nướcva truyền từ cơ cấu điều chỉnh đến mặt thoáng (tf) tại bể áp lực hoặc tháp điều áp và từ đó trở về cơ cấu điều chỉnh, có nghĩa là Ts ≤ tf.
Thời gian Ts phụ thuộc chiều dài đường ống áp lực L, vận tốc truyền sóng nước va a men theo ống đó:
a tf 2L
=
Có khi còn gọi tf là pha nước va, trong đó: a- vận tôc truyền sóng nước va trong ống dẫn, nó phụ thuộc vào kích thước và vật liệu làm ống dẫn, tính theo công thức:
δ E εD a
+
= 1
1425 (8.25)
Ở đây:
1425- vận tốc truyền sóng âm trong nước (m/s);
ε- mô đun đàn hồi của nước, ε = 2000MN/m2;
E- Mô đun đàn hồi của ống dẫn. Đối với ống thép: E = 200000MN/m2; đối với ống bê tông: E = 20000MN/m2;
D- đường kính trong ống dẫn;
δ- độ dày bình quân thành ống dẫn.
Với các số liệu kể trên thì a có thể lấy gần đúng theo cột nước H như sau:
Bảng 8.2: Quan hệ a ~ H (cho ống thép)
H(m) 50 100 150 200 300 500
a(m/s) 700 800 900 1000 1100 1200
Nếu ống là bê tông thì a thay đổi từ (910 ÷ 1070)m/s. Thời gian đóng và mở cơ cấu điều chỉnh có thể chon như sau:
Ts = (2 ÷ 3)s: cho turbin loại nhỏ;
Ts = (3 ÷ 6)s: cho turbin loại vừa;
Ts = (5 ÷10)s: cho turbin loại lớn.
Độ tăng áp lực ở cuối ống dẫn trong trường hợp nước va trực tiếp ΔH bằng:
g V V H a
H
H ( )
Δ = 0 = 0
+ (8.26)
trong đó:
H0, Vo- cột nước tĩnh và vận tốc trong ống dẫn trước khi đóng CCĐC;
H, V- cột nước và vận tốc trong ống dẫn khi đóng CCĐC. Nếu CCĐC đóng hoàn toàn thì V = 0 nên:
g H aV0 Δ =
+ (8.27)
Trong thực tế, độ tăn áp lực thường được biểu thị bằng trị số tương đối giữa áp lực +ΔH và cột nước tĩnh H0:
ξ = H0
ΔH
+ lúc này (8.27) có dạng:
ξ =
0 0
gH
aV (8.28)
Khi đóng cơ cấu điều chỉnh (CCĐC) nước va gián tiếp xảy ra nếu pha nước va tf
nhỏ hơn thời gian đóng CCĐC, tức là Ts > tf.
Trong trương hợp này, độ tăng áp trong ống dẫn sẽ nhỏ thua độ tăng áp khi xảy ra nước va trực tiếp.
Khi cắt phụ tải, trong điều kiện độ mở của CCĐC thay đổi theo quy luật đường thẳng thì có thể xảy ra hai trương hợp nước va gián tiếp sau đây:
- Trường hợp 1: Với độ tăng áp lớn nhất ở pha đầu tức là:
ξ1 > ξm
Lúc này trị số ξ ở các pha tiếp theo sẽ nhỏ thua pha đầu (hình 8.19)
Hình 8.19: Sự thay đổi áp lực trong trường hợp nước va gián tiếp
Hình 8.20: Đồ thị phân biệt các trường hợp nước va
- Trường hợp 2: với độ tăng áp lớn nhất xảy ra ở pha cuối, tức: ξ1 < ξm Trong trường hợp này áp lực ở CCĐC sẽ tăng dần đến trị số giới hạn ξm.
Có thể phân biệt được hai trương hợp nước va gián tiếp trên nếu ta dùng đồ thị cho ở hình 8.20.
Trong đố; trục tung - σ, trục hoành μ, τ0, σ và ρ được gọi là đặc tính đường ống (đại lượng không thứ nguyên) và được xác định theo công thức:
⎪⎪
⎭
⎪⎪⎬
⎫
=
=
0 0
0 0
0
2gH aV
T gH
LV
μ σ
(8.29)
Trong đồ thị cho ở hình (8.20), τ0 là độ mở ban đầu tương đối của CCĐC, nếu là đóng hoàn toàn thì τ0 = 0, còn nếu là mở hoàn toàn thì τ0 = 1.
Các công thức tính toán áp lực nước va (tính gần đúng) gián tiếp và trực tiếp cho ở bảng (8.3).
Từ đồ thị cho ở hình 8.19 ta thấy: khi μτ0 = 1, nghĩa là khi độ mở ban đầu tương đối τ μ1
0 = thì độ tăng áp lực ở pha đầu bằng độ tăng áp lực ở pha cuối ξ1 = ξm và ξ1 >
ξm khi μ τ0 < 1.
Bảng 8.3: Các công thức tính toán (gần đúng) áp lực nước va.
Độ mở CCĐC Đặc tính nước va Thời gian đóng
CCĐC Ts Đầu Cuối
Công thức tính toán nước va Trực tiếp TS ≤
a 2L
τ0 0 ξ = 2μτ0
Gián tiếp + Pha đầu + Pha cuối
TS >
a 2L Khi μτ0 < 1
μτ0 > 1
τ0 0
ξ1 =
σ μτ
σ + 0 1
2
ξm = ( σ +4 +σ) 2
σ 2 Và gần đúng:
ξm = σ - 2
2σ
8.10.2. Nước va trong hệ thống dẫn nước có tiết diện thay đổi theo chiều dài.
Hệ thống dãn nước của turbin bao gồm đường ống áp lực tính từ bể áp lực hoặc tháp điều áp trở xuống), buồng turbin và ống hút. Nói chung, đường kính, độ dầy và có khi cả vật liệu làm ống dẫn nói trên đều thay đổi theo chiều dài. Trong các đường ống áp lực của TTĐ cột nước cao thì đường kính ống áp lực thường nhỏ hơn ở đoạn cuối ống còn độ dầy thành ống thì ngược lại sẽ tăng dàn ở cuối ống.
Hình dạng và tiết diện ngang của buồng xoắn và ống hút được xác định theo kết quả của thí nghiệm mo hình turbin.
Trong các điều kiện cụ thể nói trên của hệ thống dẫn nước của turbin, vận tốc V lẫn tốc độ truyền sòng nước va sẽ thay đổi theo chiều dài nên việc tính toán độ tăng áp lực rất phức tạp. Để đơn giản, trong giai đoạn thiết kế sơ bộ có thể xác dịnh trị số áp lực nước va theo cách sau đây:
Trước hết dựa vào sơ đồ tính toánvà bố trí hệ thống dẫn nước của turbin đã cho, tính các tích số ∑LiVi, các thành phần dẫn nước: ∑LôVô, ∑LxVx, ∑LhVh.
Còn tốc độ bình quân của tốc độ truyền sóng và vận tốc trong hệ thống dẫn nước là:
‡”
É
=‡”
É
‡”
= ‡”
L L a L a L
bq i i bq
(8.30) và:
= É
= É
S bq bq
bq bq bq
T gH σ L
gH μ a
0
2 0
(8.31)
Trong đó: ∑L- tổng chiều dài của ống áp lực Lô, của buồng xoắn Lx, của ống hút Lh.
Sau khi có được các trị số đặc tính đường ống, lợi dụng đồ thị cho ở hình (8.20) và bảng (8.3) để kiẻm tra nước va trực tiếp hay gián tiếp và nếu là nước va gián tiếp thì trị số áp lực nước va lớn nhất xảy ra ở pha đầu hay pa cuối, cuối cùng tính ra được trị số ξ tương ứng và độ tăng áp lực tuyệt đối +ΔH.
Dựa theo trị số áp lực nước va lớn nhất ξmax trong toàn bộ hệ thống đường dẫn nước của turbin để tính độ tăng áp tương đối trên các phần dẫn nước.
Độ tăng áp lực tương đối ở đường ống áp lực:
max
ô
ô
ô ‡” ẫ
É
=‡” ξ L ξ L
+ áp lực tuyệt đối ở đó là:
+ΔHô = ξôHo
Độ tăng áp lực ở buồng turbin (phía trước bộ phận hướng nước):
max
ô
ô .
É
‡”
É
‡”
+ É
=‡” ξ
L L
ξx L x x
+ Độ tăng áp lực tuyệt đối ở buồng turbin là:
+ΔHx = ξxHo
Độ giảm áp lực tương đối ở trong ống hút (phía sau BPHN) là:
max
ô
ô + .
= ξ
É
‡”
É
‡”
É ξ ‡”
L L
L x x
h
+ Độ giảm áp lực tuyệt đối trong ống hút là:
-ΔHh = ξhHo
Trong các công thức trên ξmax được tính theo các công thức cho ở bảng (8.3).
Độ tăng áp tương đối cho phép trong hệ thống dẫn nước của turbin khi cắt toàn bộ phụ tải được quy định như sau:
Bảng 8.4: Độ tăng áp tương đối cho phép
H(m) < 40 40 ÷ 100 > 100
ξmax 0,5 ÷ 0,7 0,3 ÷ 0,5 0,23 ÷ 0,3
Trong lúc đóng CCĐC áp suất trong ống hút sẽ giảm với độ chân không phụ thêm ΔHh. Như vậy độ chân không toàn phần trong ống hút sẽ là:
h h
S
ck H
g α V η H
H = + +Δ
2
2 3
3 (8.32)
Trong đó:
Hs - chiều cao hút;
ηh - hiệu suất ống hút (khoảng 0,75);
α3 - hệ số côriôlít, α3 ≈ 1,1;
V3 - Vận tốc bình quân ở tiết diện vào ống hút;
ΔHh - độ chân không phụ thêm do ảnh hưởng của nước va.
Trị số chân không lớn nhất cho phép của ống hút [Hck] < (8 ÷ 9m).
8.10.3. Sự thay đổi tốc độ quay của turbin trong quá trình điều chỉnh
Như trên đã chỉ rõ, bất kỳ sự mất cân bằng giữa công suất do turbin phát ra với phụ tải của nó đều dẫn đến sự thay đổi số vòng quay. Sự thay đổi lớn nhất về số vòng quay trên trục thường xảy ra khi giảm hoặc tăng đột ngột công suất toàn phần của turbin.
Tỉ số giữa sự thay đổi lớn nhất về số vòng quay xảy ra trong điều kiện nói trên với số vòng quay định mức được gọi là độ chân không đều tạm thời β và được xác định theo công thức:
⎪⎪
⎭
⎪⎪⎬
⎫
= −
= −
= −
= −
0 min 0 0
min 0 1
0 0 max 0
0 max
ω ω β ω
ω ω β ω
n n n
n n n
(8.33)
Trong đó: β, β1 - độ không đều tạm thời khi giảm và tăng phụ tải đột ngột;
n0, ω0 - số vòng quay và vận tốc góc định mức của turbin.
Trị số β phụ thuộc vào phụ tải, vào mômen quán tính J phần quay của tổ máy, vào thời gian đóng mở các CCĐC, vào đặc tính đường ống turbin và vào vận tốc quay ban đầu của nó.
Ta hãy xác định công thức tính độ không đồng đều tạm thời cho trương hợp cắt toàn bộ công suất của turbin. Muốn vậy ta dùng phương trình động lực học;
ω N M N
dt M ω
Jd = ® c = d c
Khi cắt giảm toàn bộ phụ tải Nc = 0 nên công thức trên có thể viết dưới dạng:
ỗ ỗ =
max 1
0 0
Ts
tt ω
ω
dt ω N
ωd
J (8.34)
Trong đó:
Ntt - công suất tính toán của turbin;
Ts1 - thời gian đóng cánh hướng nước từ độ mở toàn phần đến độ mở không tải.
Thông thường: Ts1 = (0,85 ÷ 0,90)Ts với turbin tâm trục và gáo;
Ts1 = (0,65 ÷ 0,70)Ts với turbin cánh quay.
Ts - thời gian đóng (hay mở) CCĐC từ mở toàn phần đến đóng toàn phần (hay ngược lại).
ωc và ωmax- vận tốc góc định mức và vận tốc góc lớn nhất trong quá trình điều chỉnh.
Nếu giả thiết, khi đóng cánh hướng nước, công suất của turbin giảm theo quan hệ tỉ lệ với thời gian (liên hệ thẳng AB, hình 8.21) thì:
0 2 1
1
1
s tt T
T N Ndt
s
ỗ = (8.35)
Hình 8.21: Sự thay đổi công suất
khi đóng CCĐC Hình 8.22: Đồ thị liên hệ giữa f và σ Thực ra, trong quá trình đóng cánh hướng, do áp lực nước va tăng lên nên công suất không giảm theo đường thẳng Ab mà theo đường cong ABC, cho dù độ mở giảm theo quan hệ tỉ lệ với thời gian. Dùng hệ số f (bằng tỉ số diện tích OACb với diện tích OAB) để tính đến ảnh hưởng nước va:
dtOAB dtOABC f =
Hệ số f phụ thuộc vào đặc tính đường ống
s bq
T gH σ L
0
= É cho ở hình (8.22).
Xét đến các yếu tố kể trên, sau khi tích phân phương trình (8.35) ta có:
f T ω N
J tt s
ω
ω
1 2
2 1 2
0
=
max
Nếu thay mômen quán tính J bởi mômen đà GD2 của các phần quay của tổ máy (Tm2). Và chú ý: ωmax = βω0 + ω0
Với:
30
0 0
πn
ω = ; J = mR2 = g GD 4
2
Trong đó:
G - trọng lượng phần quay tổ máy, chủ yếu tập trung ở rôto máy phát điện nên G là trọng lượng rôto máy phát điện;
D - đường kính.
Cuối cùng ta có: [ (ω βω ) ω ] N T f
g GD
s tt 1 2
0 2 0 0 2
2 1 2
1
4 + = (8.36)
Nếu công suất Ntt tính bằng kW thì: GD2 tính bằng MN.m2 ta có:
) + (
= , ) + (
= . 2 2
0
1 2
2 0 2 2 1
2 58 3 2
900 1000
4
β β n
f T N β
β π n
f T N
GD g tt s tt s (8.37)
Trong công thức (8.41) cho phép xác định trị số mômen đà cần thiết của tổ máy theo trị số không đều tạm thời β cho trước ở trương hợp cắt phụ tải toàn phần. Ngược lại, nếu muốn tìm trị số β khi đã cho trị số mômen đà của tổ máy và công suất Ntt, thì β có thể tính theo công thức sau đây:
2 0 2
365 1
1
1 GD n
f β = + + NTs Ở đây GD2 có đơn vị: Tm2.
Cũng theo cách đó, ta có thể tìm được công thức tính GD2 và β1 cho trương hợp tăng toàn bộ công suất của tổ máy:
( )( )
= 2 2
1 1 2 0
1 2
365 2 Tm
β β n
f
GD NTs ; và 2
0 2
1 1
1 365
1 GD n
f
β = NTs
Ở đây GD2 có đơn vị: Tm2.
ở các tổ máy cỡ nhỏ, nếu vì trọng lượng và kích thước phần quay của máy phát điện nhỏ không bảo đảm có đủ mômen đà cần thiết tính theo công thức (8.37). Lúc đó cần xét đến việc lắp thêm bánh đà với mômen đà GD®2 được xác định như sau:
Khi máy phát điện nối với turbin bằng đai truyền hay bánh răng thì trị số GD2 cần thiết tính theo công thức sau:
2 2 2
2 2
2
®
®
®
®
® =GD n +GD n
n
GD mf mf (8.38)
Trong đó:
- mômen đà của máy phát điện;
2
®
GDmf
- bánh đà lắp thêm;
2
GD®
nmfđ - số vòng quay của máy phát điện;
nđ - số vòng quay của bánh đà.
Như vây, trị số mômen đà yêu cầu bằng:
2
2 2 2
2 2
®
®
®
®
® =
n
n GD n
GD GD mf mf (8.39)
Ở đây GD®2n®2 tính gần đúng theo công thức sau:
β f T n N
GD2 2 182 tt s1
® =
® (8.40)