CHƯƠNG 7 CHỌN KIỂU LOẠI VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TUABIN
7.3. Chọn tuabin theo đường đặc tính tổng hợp chính (ĐĐTTHC)
Sử dụng bảng danh mục tuabin nói trên có thể chọn được kiểu BXCT và các thông số cơ bản (thông số kết cấu và thông số thuỷ lực) phù hợp với công suất yêu cầu đặc tính tuabin: Dùng các thông số nói trên để chọn tuabin cho phép các nhà máy chế tạo tổ chức sản xuất tốt hơn, còn đối với đơn vị xây dựng có thể sử dụng các thiết bị cơ khí thuỷ lực (cửa cống, thiết bị cần trục v.v…) đã được tiêu chuẩn hoá và quy cách hoá.
Sau khi xác định kích thước (đường kính BXCT D1), số vòng quay đồng bộ n và chiều cao hút Hs của một số phương án theo các số liệu đã cho, căn cứ vào kết quả tính toán; so sánh kinh tế kỹ thuật sẽ chon được phương án thiết bị tuabin cho TTĐ lợi nhất. Nếu theo số liệu đã cho chỉ chọn trong danh mục tuabin được 1 kiểu BXCt thì khi xác định đường kính D1 và số vòng quay n có thể thay đổi chút ít đại lượng quy dẫn lưu lượngvà số vòng quay của điểm tính toán trên ĐĐTTHC để có được các phương án D1 và n khác nhau.
Khi so sánh phương án cần dựa vào những tiêu chuẩn cơ bản, sau đây:
+) Trị số hiệu suất tuyệt đối và hiệu suất bình quân (thể hiện ở vùng làm việccủa các phương án trên ĐĐTTHC);
+) Chiều cao hút và kích thước ngoài của khối tuabin (kích thước ngoài của buồng tuabin và ống hút). Chiều cao hút lớn hay bé có liên quan trực tiếp đến cao trình đặt
tấm móng của nhà máy TTĐ cũng như khối lượng đất đá và bê tông khi xây dựng TTĐ:
+) Đường kính BXCT D1 và số vòng quay tuabin n, vì nó có ảnh hưởng đến kích thước và trọng lượng của tổ máy.
Sau đây giới thiệu các bước lựa chọn tuabin. Lựa chọn tuabin cần dựa theo số liệu và tài liệu ban đầu (gốc) sau đây:
Những số liệu gốc cần cho trước để lựa chọn tuabin là:
1. Phạm vi thay đổi và các trị số làm việc của tuabin, gồm: cột nước tính toán Htt, cột nước nhỏ nhất Hmin, cột nước lớn nhất Hmax.
2. Công suất định mức (tính toán) của tuabin.
3. Độ sâu móng nhà máy hoặc chiều cao hút cho phép.
4. Đường quan hệ giữa mực nước hạ lưu với lưu lượng của TTĐ.
5. Các yêu cầu và điều kiện khác có liên quan đến biểu đồ phụ tải, điều kiện địa hình, địa chất (nếu có) v.v…
Những tài liệu kỹ thuật gốc cần có để lựa chọn các thông số cơ bản của tuabin là danh mục tuabin bao gồm: các ĐĐTTHC, các biểu đồ phạm vi sử dụng (hình 7.1a,b,c và hình 7.2), các bảng 7.1 và 7.2: cho biết các thông số thuỷ lực và thông số kết cấu của các kiểu tuabin. Ngoài ra còn có các đường đặc tính lực nước dọc trục tác dụng lên BXCT; đường đặctính quay lồng v.v…Sử dụng các tài liệu kỹ thuật nói trên có thể xác định được đường kính BXCT D1 càn có để phát đủ công suất định mức của tuabin khi cột nước tính toán đã cho; số vòng quay đồng bộ của tổ máy thuỷ lực, chiều cao hút Hs
của tuabin đối với chế độ làm việc đã cho; số vòng quay lồng và lực dọc trục của tổ máy (để nhà máy chế tạo máy phát điện có thể thiết kế máy phát điện và ổ trục chặn của tổ máy thuỷ lực); trị số độ mở của bộ phận hướng nước và góc quay của BXCT ở các chế độ khác nhau; hình dạng và kích thước buồng xoắn, ống hút; từ đó mà xác định kích thước ngoài của khối tuabin.
Để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật và chọn kiểu tuabin còn cần vẽ các đường đặc tính vận hành (mục III) cho một số phương án theo điều kiện đã cho, căn cứ phụ tải và thời gian (ở biểu đồ phụ tải điện) có thể xác định hiệu suất bình quân và lượng điện bình quân của các phương án.
7.3.1. Chọn hệ tuabin và kiểu BXCT
Hệ tua bin và kiểu BXCT được chọn theo cột nước lớn nhất của tuabin (bảng 7.1, 7.2 và hình 7.1a, 7.1b, 7.1c). Cột nước lớn nhất của mỗi kiểu BXCT được quy định theo yêu cầu bảo đảm chiều cao hút Hs hợp lý và độ bền cơ học cho phép của BXCT tuabin. Với trị số Hs nhỏ nhất cho phép (ở Liên Xô Hs bé nhất là -8m) và hệ số khí thực ú đặc trưng cho mỗi kiểu BXCT thí nghiệm nhất định, thì cột nước của mỗi kiểu BXCT sẽ được xác định (gần đúng) theo quan hệ như sau:
σ s H −H
=10,0
Ở đây σ được tính ứng với cột nước và công suất tính toán. Ngoài ra khi chọn hệ tuabin và kiểu BXCT cần căn cứ phạm vi sử dụng cột nước đã nêu ở phần trên và cần xét tới điều kiện vần hành của TTĐ như biểu đồ phụ tải và phạm vi dao động công suất và cột nước của TTĐ; tới đặc điểm bố trí công trình thuỷ công của TTĐ và nhà máy v.v…
7.3.2. Xác định các thông số cơ bản của tuabin a. Đường kính BXCT D1
Lợi dụng đường ĐTTHC của kiểu BXCT đã chọn có thể tính được đường kính tuabin theo công thức;
tt tt
TQ H H
D N
' 1
1 = 9,81η (7.1) Trong đó:
N - công suất tính toán của tuabin (kW);
Htt - cột nước tính toán (m);
ηT - hiệu suất tuabin, sơ bộ chọn ηT = 0,88 ÷ 0,90;
- lưu lượng quy dẫn (m3/s) lấy ở điểm tính toán trên đường dữ trữ công suất 5% hoặc trị số cho ở bảng 7.1 hoặc bảng 7.2.
'
Q1
' max
Q1
Thế trị số chọn được vào công thức trên, sẽ tính được D1 và làm tròn D1 đến trị số đường kính D1 tiêu chuẩn lớn hơn gần bằng (cho tuabin cánh quay) hoặc trị số đường kính D1 tiêu chuẩn nhỏ hơn gần bằng (cho tuabin tâm trục), nếu trị số D1 tính toán gần với trị số đường kính tiêu chuẩn, và trị số không vượt quá trị số ÷ cho ở bảng 7.1 hoặc 7.2. Phạm vi này được quy định theo điều kiện bảo đảm chiều cao hút thích hợp. Đường kính D1 tính theo trị số nói trên đảm bảo có phần dư (dự trữ) công suất từ 1 ÷ 2%. Nói chung trị số lấy trực tiếp trên đường ĐTTHC của mẫu mà không cần phải tính thêm lượng dư theo công thức
'
Q1
' max
Q1 Q1'min
' max
Q1
'
Q1 '
Q1
'
Q1
Δ
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −
=
Δ 1
max ' max 1 ' 1
M
Q T
Q η
η . Như vậy phần dư công suất của tuabin đều lớn hơn mẫu của nó.
Các trị số đường kính tiêu chuẩn cho ở bảng 5.5 b. Số vòng quay đồng bộ, n :
Biết số vòng quay quy dẫn tại điểm tính toán của ĐĐTHC có thể tính được số vòng quay tuabin :
D1
H n n bh
'
= I (7.2)
trong đó :
Hbq- Cột nước bình quân, nếu không cho trước thì có thể lấy gần đúng bằng cột nước tính toán Htt;
n’I- Số vòng quay quy dẫn tính toán của tuabin; trị số n’I có thể lấy trên đường ĐTTHC đi qua điểm lớn hơn 10÷20 vg/ph so với điểm có hiệu suất cao nhất (đối với tuabin cánh quay) hoặc cao hơn 2÷ 5 vg/ph (đối với tuabin tâm trục). Cũng cần chú ý khi tính đổi n’I từ mẫu sang thực thì số vòng quay quy dẫn của tuabin n’I lớn hơn mẫu là Δn’I;
Δn’I=n’IT - n’IM ở đây Δn’I lấy trị số như nhau cho mỗi điểm trên ĐĐTTHC theo công thức :
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −
= 1
− Mt
− Tt
− t ' I '
I n
n η
Δ η (7.3)
Sau khi tính toán được n cần làm tròn nó đến số vòng quay đồng bộ gần bằng cho ở bảng (7.3) ( trong đó
p
n = f60, ở đây f- tần số điện ( ở nước ta – 50 Hez ); p- số đôi cực từ).
Bảng 7.3: Số vòng quay đồng bộ của máy phát điện
p n p n p n p n
6 1000,0 28 214,3 56 107,1 96 62,5
8 750,0 (30) (200,0) 60 100,0 100 60,0 10 600,0 32 187,5 64 93,8 104 57,7 12 500,0 26 230,8 68 88,2 108 55,6 14 428,6 (38) (157,9) 72 83,3 112 53,6 (16) 375,0 40 150,0 (74) (81,1) 116 51,7 (18) (333,3) 44 136,4 (76) (78,9) 120 50,0
20 300,0 46 130,4 80 75,0 128 46,9 22 272,7 48 (125,0) (84) (71,4) 136 44,1 24 250,0 (50) (120,0) 88 68,2 144 41,7 26 (230,8) 52 115,4 92 65,2 150 40,0
Ghi chú : các trị số trong dấu (…) không nên chọn vì lý đo công nghệ chế tạo máy phát điện.
Để kiểm tra việc chọn các trị số D1 và n nói trên có chính xác hay không ta có thể làm như sau :
Trước hết tính các trị số quy dẫn n’I và Q’I theo công thức sau đây:
H ; ' nD
n
min ax
Im
= 1 ;
H ' nD
n
max in
Im
= 1
T max max
max )
H (
I , D H H
Q max N
η
2
81 1
= 9 ;
T min min
min )
H (
I , D H H
Q min N
η
2
81 1
=9
Và dời các điểm nói trên lên đường ĐTTHC ta được vùng làm việc của tuabin. Nếu vùng làm việc này bao lấy vùng hiệu suất cao của ĐĐTTHC thì chứng tỏ việc chọn D1
và n là vùng chính xác. Nếu vùng làm việc nói trên cách xa vùng hiệu suất cao của ĐĐTTHC thì phải chọn đường kính D1 hay số vòng quay khác hoặc thay đổi cả hai trị số đó, đôi khi phải chọn kiểu BXCT trong hệ tuabin khác.
Muốn đánh giá một cách tỉ mỉ hơn về việc chọn D1 và cần phải xây dựng đường đặc tính tổng hợp vận hành và các xác định hiệu suất bình quân cho mỗi phương án.
Phương án tuabin cho hiệu suất bình quân cao nhất được coi là phương án tốt nhất xét về mặt năng lượng,
c. Lựa chọn chiều cao hút Hs:
Với điểm tính toán đã chọn trên ĐĐTTHC của mẫu ta tìm được hệ số khí thực σM, từ đó sẽ tính được chiều cao hút của tuabin ở chế độ làm việc đã cho theo công thức sau đây:
( )H
,
HS = − ∇ − σM +Δσ 0 900
10 (7.4)
Trong đó :
∇- độ cao nhà máy so với mặt biển ; Δσ- độ hiểu chỉnh hệ số khí thực (hình vẽ)
H – cột nước làm việc của tuabin ở chế độ đã cho;
σM- hệ số khí thực trên ĐĐTTHC tại điểm tính toán .
Khi công suất và cột nước của tuabin thay đổi thì các đại lượng quy dẫn Q’I, n’I sẽ thay đổi và do đó hệ số khí thực σM cũng thay đổi theo. Bởi thế, chiều cao hút cho phép HS cũng phụ thuộc vào công suất và cột nước làm việc tuabin. Mặt khác, cột nước của trạm thuỷ điện lại phụ thuộc vào sự dao động của mức nước thượng lưu và hạ lưu .
Do đó, muốn chọn HS hợp lý cần phải xét các tổ hợp mực nước và cột nước khác nhau và tính ra trị số HS cho phép với mỗi tổ hợp nói trên. Cao độ (cao trình) lắp đặt BXCT cao nhất cho phép bằng chiều cao hút HS cộng với cao trình mực nước hạ lưu cho mỗi trường hợp nói trên. Muốn cho tuabin khi làm việc không có khi thực trong mọi điều kiện phải lấy cao độ thấp nhất nói trên làm cao trình lắp máy của TTĐ.
Cao trình mực nước hạ lưu ∇h dược xác định theo đường quan hệ ∇h=f(Q) ứng với lưu lượng đã biết của TTĐ. Khi lưu lượng xả qua TTD nhỏ nhất thì mực nước hạ lưu có trị số nhỏ nhất . Thông thường cao trình mực nước hạ lưu xác định theo số lượng tổ máy làm việc ít nhất của TTĐ. Để bảo đảm tuabin vận hành trong những điều kiện này không xảy ra khí thực càn hạn chế công suất tuabin theo đường đặc tính tổng hợp vận hành.
7.3.3. Số vòng quay lồng
Số vòng quay lồng là số vòng quay đột biến lớn nhất của tuabin khi cắt phụ tải toàn bộ mà bộ phận hướng nước không thể đống vì một lý do nào đó.
Số vòng quay lồng của tổ máy phụ thuộc vào đặc tính thuỷ lực của BXCT và cột nước lớn nhất cuả tuabin . Trị số vòng quay lồng quy dẫn được xác định theo thí nghiệm quay lồng và cho ở bảng (7.1) và bảng (7.2). Biết ó thể tính được số vòng quay lồng của tuabin theo công thức sau:
'
nIl
1 max '
Il
l D
H
n = n (7.5)
7.3.4. Lực dọc trục
Lực dọc trục tác dụng lên ổ chặn của tổ máy được xác định theo công thức sau đây:
( b r t)
max 2 1 z zn
Z P G K D H 1,1G G G
P = + = + + + (7.6)
Trong đó:
P - áp lực nước dọc trục; Kzn z - hệ số áp lực nước dọc trục (bảng 7.1);
Gb - trọng lượng BXCT;
Gr - trọng lượng roto máy phát điện kèm theo trục;
Gt - trọng lượng trục tuabin;
Hệ số 1,1 - xét đến trọng lượng của các phần quay khác của tuabin và máy phát điện. Trọng lượng BXCT tuabin phản kích cho ở hình (7.11), còn trọng lượng rôto máy phát điện lấy bằng 0,5 trọng lượng toàn bộ máy phát (hình 7.12).
7.3.5. Buồng tuabin
Xác định kích thước mặt bằng và các tiết diện buồng đã trình bày ở chương 4.
7.3.6. Ống hút
Khi biết kiểu BXCT có thể chọn được kiểu ống hút và các kích thước cơ bản của nó theo bảng.