CHƯƠNG 6: THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VÀ ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH TUABIN
6.6. Các đường đặc tính của trạm thủy điện
Trong thực tế thường dùng các đường đặc tính của TTĐ sau đây: đường đặc tính công tác tổ máy η = f(N); đường đặc tính công tác của nhóm tuabin và của nhóm tổ máy (hay của TTĐ); đường đặc tính công tác công suất (hay lưu lượng) vận hành của tuabin của nhóm tổ máy và của TTĐ; đường đặc tính tổng hợp vận hành của tổ máy và của TTĐ.
- Đường đặc tính công tác tổ máy ηtm = f(N) biểu thị sự liên hệ giữa hiệu suất tổ máy và phụ tải tổ máy khi D1 = const, n = const và H = const. Đó là tổ hợp của hai đường đặc tính công tác của tuabin và máy phát điện. Dạng và cách vẽ đường ηtm = f(N) được trình bày trên hình vẽ:
- Đường đặc tính công tác nhóm của tuabin (của nhóm tổ máy và của TTĐ) là tập hợp các đường đặc tính công tác của các tuabin (hay của các tổ máy) cùng làm việc trong TTĐ. Vẽ đường đặc tính công tác của nhóm n tuabin (hay n tổ máy) bằng cách phân hoành độ (trục N) cho 2, 3…n trong khi vẫn giữ nguyên tung độ η của chúng và nối các điểm tương ứng của nhóm từng 2, 3…n tổ máy với nhau (hình 6.15 )
Hình 6.15: Đường đặc tính công tác của tổ máy
Hình 6.16 : Đường đặc tính công tác của TTĐ.
- Đường đặc tính cột nước của TTĐ:H = f(Q) thường được vẽ với các mức nước thượng lưu không thay đổi.
- Đường đặc tính công suất - lưu lượng của tuabin và của tổ máy là các đường đặc tính công tác công suất Q =f(N) được vẽ cho từng trị số cột nước trong cùng một đồ thị hình 6.16.
- Đường đặc tính công suất- lưu lượng của TTĐ: Biểu thị quan hệ giữa lưu lượng và công suất khi TTĐ làm việc với số lượng tổ máy khác nhau ứng với trị số cột nước và mực nước thượng lưu khác nhau (theo tổ hợp lợi nhất - có η có thể lớn nhất hình 6.17).
- Đường đặc tính tổng hợp vận hành của TTĐ: Là tập hợp các đường cong đồng hiệu suất lớn nhất của các tổ máy khi chúng cùng làm việc với nhau trong TTĐ. Vẽ đường đặc tính tổng hợp vận hành của TTĐ bằng cách nhân hoành độ, (công suât) của các đường cong đồng hiệu suất (hay đồng chiều cao hút Hs) của đường đặc tính tổng hợp vận hành của một tổ máy lên 2, 3…n tổ máy của TTĐ và nối các điểm cùng hiệu suất
Hình 6.17 : Đường đặc tính Q = f(N) của tổ máy
(hay cùng Hs) của cùng một số lượng tổ máy. Cần chú ý là TTĐ làm việc với hiệu suất cao nhất giữa các tổ máy cùng làm việc, do đó trong đường đặc tính tổng hợp vận hành sẽ bỏ qua các đường đồng hiệu suất thấp hơn bị các đường đồng hiệu suất cao hơn cắt.
Tuy nhiên phạm vi làm việc của các tổ máy không thể vượt quá đường giới hạn công suất 5% của mình nêu trong trường hợp khi công suất TTĐ vượt quá công suất của 1, 2, … tổ máy thì phải mở thêm tổ máy kế tiếp mặc dù có hiệu suất tốt hơn (hình 6.18).
Hình 6.18: Đường đặc tính công suất - lưu lượng của TTĐ
Hình 6.19: Đường đặc tính tổng hợp vận hành của TTĐ
• Ví dụ: Vẽ đường biểu diễn đặc tính vận hành của tuabin phản kích.
Ví dụ 1: Vẽ đường biểu diễn đặc tính vận hành của tuabin xuyên tâm hướng trục (tuabin tâm trục).
Tài liệu:
1. Hình thức tuabin: máy tuabin xuyên tâm hướng trục trục đứng, có buồng xoắn ốc kim loại, ống hút cong, đoạn khuếch tán ống hút có mố chống ở giữa.
2. Công suất lớn nhất: N = 170000kW 3. Tốc độ quay định mức: n = 214,3vg/ph.
4. Đường kính tiêu chuẩn của BXCT của tuabin: D1 = 4,1m.
5. Số hiệu bánh xe công tác: PO638, đường biểu diễn đặc tính tổng hợp chủ yếu, hình thức buòng xoắn và ống hút dùng khi thí nghiệm tuabin mô hình tương tự như khi thực tế trạm thủy điện sử dụng.
6. Phạm vi đầu nước:
- Cột nước lớn nhất: Hmax = 160m;
- Cột nước nhỏ nhất Hmin = 130m;
- Cột nước bình quân: Hbq = 145m.
Yêu cầu:
1. Vẽ đường đặc tính công tác và đường đặc tính vận hành.
2. Vẽ đường hạn chế công suất tổ máy và xác định cột nước tính toán Htt.
3. Vẽ đường đẳng trị Hs.
Tính toán:
1. Hiệu chỉnh hiệu suất: hiệu chỉnh do đường kính bánh xe công tác của tuabin mô hình và tuabin thực khác nhau, có thể dùng công thức của A.A.Nô-rô-dốp để tính toán hoặc bằng mô-nô tính toán hiệu suất. Đường kính tuabin mô hình D1 = 0,46m, hiệu suất cao nhất của nó ηMmax là 91%, đường kính tuabin thực D1T = 4,1m, thì hiệu suất cao nhất của nó là:
( ) 1 (1 0,91).0,694 0,94
D 1 D
1
T 1
M 1 max M max
T = − −η = − − =
η
Do đó trị số hiệu chỉnh hiệu suất là;
Δη = ηTmax - ηMmax = 0,94 – 0,91 = 0,03 2. Trị số hiệu chỉnh tốc độ quay đơn vị Δn'I.
Bởi vì 1 0,015 3%
61 , 0
94 , 1 0
max M
max
T − = − = <
η η
Cho nên, trị số hiệu chỉnh Δn'I, ΔQ'I của nó có thể không cần tính.
3. Phân đoạn cột nước: Phạm vi thay đổi cột nước là từ 130m đến 160m, phạm vi dao động của n'I tương ứng là từ 69,5 tới 77 vg/ph. Để bảo đảm vẽ đường đặc tính tổng hợp vận hành được chính xác, ta cần chia phạm vi của n'I thành 2 đoạn bằng nhau, n'I của nó phải là 69,5; 72,8 và 77,0; cột nước tương ứng của nó là 160m, 145m, 130m. Như vậy là đã bao gồm cột nước lớn nhất, nhỏ nhất và cột nước bình quân.
4. Tính toán đường đặc tính công tác và đường đặc tính tổng hợp vận hành:
- Đối với mỗi cột nước, phải tính ra n'I tương ứng.
- Vẽ đường n'I nằm ngang trên đường đặc tính tổng hợp chủ yếu.
- Ghi lại toạ độ (ηM, Q'I) của giao điểm giữa nó với đờng hiệu suất bằng nhau.
- Tìm hiệu suất của tuabin thực.
ηT = ηM + Δη
- Dựa vào công thức N = 9,81ηQ'ID12H H tìm ra công thức của tuabin.
- Tính lại với ba cột nước theo trình tự tính toán trên, cuối cùng ghi kết quả tính toán vào bảng biểu.
5. Vẽ đường đặc tính công tác và đường đặc tính vận hành:
- Vẽ đường đặc tính công tác η = f(N). Lấy hiệu suất η làm tùng độ, công suất N làm hoành độ, dùng số liệu trong bảng (6.4), đối với mỗi cột nước vẽ một đường biểu diễn đặc tính công tác( xem hình 6.20).
- đường biểu diễn bổ trợ ηmax = f(H) giữa trị số cột nước bất kỳ nào đó tương ứng với hiệu suất cao nhất (xem hình 6.21).
- Đường biểu diễn đặc tính vận hành η = f(H, N). Căn cứ vào đường đặc tính công tác, có thể vẽ ra đường đặc tính tổng hợp vận hành (xem hình 6.22).
Bảng 6.5
Hmax = 160m, H H =2025 160 69,5
4,1.214,3
n'I = =
=
=9,81.4,1 .160 Q η
N 2 32 'I
=333000Q'Iη
Hbq = 145m, H H =1750 ,8 145 72
4,1.214,3
n'I = =
=
=9,81.4,1 .145 Q η
N 2 32 'I
=288000Q'Iη
Hmin = 130m, H H=1485 ,0 130 77
4,1.214,3
n'I = =
=
=9,81.4,1 .130 Q η
N 2 32 'I
=245000Q'Iη
hM hT N hM hT N hM hT N
0,78 0,320 0,81 86,2 0,78 0,33 0,81 77 0,76 0,32 0,79 62 0,80 0,350 0,83 96,6 0,8 0,36 0,83 86 0,78 0,36 0,81 71,5 0,82 0,378 0,85 107 0,82 0,39 0,85 95,5 0,8 0,4 0,83 81,4 0,84 0,410 0,87 119 0,84 0,43 0,87 108 0,82 0,44 0,85 91,5 0,86 0,445 0,89 132 0,86 0,47 0,89 120,5 0,84 0,48 0,87 102,5 0,88 0,470 0,91 142 0,88 0,51 0,91 134 0,86 0,52 0,89 113,5 0,90 0,520 0,93 161 0,9 0,56 0,93 150 0,88 0,57 0,91 127 0,90 0,660 0,93 204 0,9 0,64 0,93 171 0,88 0,67 0,91 149 0,88 0,695 0,91 211 0,88 0,69 0,91 181 0,86 0,7 0,89 153 0,86 0,725 0,89 215 0,86 0,72 0,89 184,5 0,84 0,73 0,87 155,7 0,84 0,750 0,87 217 0,84 0,74 0,87 185,5 0,82 0,75 0,85 156 0,82 0,765 0,85 216,5 0,82 0,76 0,85 186 0,8 0,77 0,83 156,5 0,80 0,788 0,83 218 0,8 0,78 0,83 186,5 0,78 0,79 0,81 157 0,78 0,805 0,81 217 0,78 0,8 0,81 187 0,76 0,81 0,79 157 0,76 0,810 0,79 213 0,76 0,82 0,79 186,5
Trên đường hạn chế công suất
0,895 0,67 0,925 206 0,89 0,67 0,92 178 0,89 0,67 0,91 149,5
η% 90 80 70
N 200
160 100
Hình 6.20: Đường đặc tính công tác của tuabin tâm trục
η% 93 92 91
H 150 140
130 90
Hình 6.21: Đường bổ trợ của tuabin tâm trục
Trong hình 6.22, cột nước làm tung độ, công suất làm hoành độ, từ hình trên ta thấy được độ lớn công suất của tổ máy đơn vị dưới các cột nước khác nhau. Phương pháp vẽ là trước hết trên tung độ vẽ 3 đường cột nước nằm ngang, sau đó vẽ 1 đường nămg ngang của hiệu suất có trị số tròn trên hình 6.20 và cắt đường biểu diễn đặc tính công tác ở nhiều điểm, vẽ trị số của các điểm lên hình tạo độ H, N sau đó nối những điểm đó lại thành đường biểu diễn trơn nhẵn ta được đường hiệu suất trên tạo độ H, N.
Những nhóm đường đẳng trị hiệu suất này thành đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin.
93
92
919089 888786858483
%8
2 82 H =-1
s H =s0 H =s+1
H =+2
s H =s+2
H 160
150
140
130
N=170000
N 200
180 160
140 120
100 80
60
Hình 6.22: Đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin tâm trục 6. Vẽ đường hạn chế công suất và xác định cột nước tính toán.
Dựa vào số liệu ở hàng cuối cùng của bảng biểu tính toán (6.5) và đường đặc tính tổng hợp chính mà vẽ ra đường hạn chế công suất của tuabin. Khi vẽ thì lấy 3 cột nước tương ứng với cột nước Hmin, Hbq và Hmax được ba điểm trên đường đặc tính vận hành, nối 3 điểm đó lại (như đường gẫy trên hình 6.22) thế là được đường hạn chế công suất của tuabin. Nhưng khi cột nước cao, công suất của tuabin vượt xa công suất hạn chế lớn nhất của máy phát điện (Nmax = 170000kW) lúc này bị hạn chế bởi công suất của máy phát điện. Do đó, đường hạn chế công suất của cả tổ máy là do đường thẳng đứng tương đương với Nmax = 170000 kW trên đường đặc tính vận hành với
đoạn đường gẫy có ghạch nghiêng tổ hợp thành. Sau này khi tổ máy vận hành, thì nó làm việc trong phạm vi bên trái đường hạn chế. Giao điểm của 2 đoạn đó tương ứng với cột nước là 141m, đó là cột nước thiết kế Htt của tổ máy.
Bây giờ kiểm tra xem điểm đó có phù hợp với số liệu của đường đặc tính vận hành không: đã biết Htt = 141m, thì:
5 141 74
1 4 3
1 214
, , . , H
n nD
tt '
I = = =
Khi , thì tìm được m3/s trên đường hạn chế 5% của đường đặc tính tổng hợp chủ yếu.
5 74,
n'I = Q'I =0,67
%
M =88,5
η ; Q'IM =Q'I.ϕ =0,67.0,97 =0,65m3/s.
% ,
,5 3 915
88 + = η =
Công suất của điểm cần tìm là:
141 141 1 4 65 0 5 91 81 9 81
9, Q D12H H , . , %. , . , 2.
N = η 'I =
N = 165000kW
7. Vẽ đường đẳng trị chiều cao hút Hs
- Vẽ đường bổ trợ N = f(Q'I). Lấy N và Q'I trong bảng (6.5) vẽ ra đường biểu diễn bổ trợ N = = f(Q'I) với các cột nước khác nhau như hình (6.18).
Hình 6.23: Đường quan hệ công suất với lưu lượng đơn vị khi cột nước khác nhau N = f(Q'I) của tuabin tâm trục
Hình 6.19: Đường Hs = f(N)
- Dựa vào Hs = 10,0 – 1,05H, liệt kê bảng tính toán như sau:
Bảng 6.6: Bảng tính toán ứng với các cột nước
H = 160m, n'I =69,5 H = 145, n'I =72,8 H = 130, n'I =77,0
σ Q'I I I
N
MW 1,05.σH Hs σ Q' N
MW 1,05.σH Hs σ Q'
N
MW 1,05.σH Hs
0,060 0,365 102 10,10 -0,10 0,07 0,340 81 10,65 -0,65 0,07 0,43 90 9,56 0,44 0,050 0,435 130 8,40 1,60 0,06 0,410 104 9,13 0,87 0,06 0,48 102 8,20 1,80 0,045 0,495 156 7,56 2,44 0,05 0,490 130 7,61 2,39 0,06 0,73 155 8,20 1,80 0,045 0,680 208 7,56 2,44 0,05 0,675 178 7,61 2,39 0,07 0,80 156 9,56 0,44 0,050 0,707 212 8,40 1,60 0,06 0,754 186 9,13 0,87
0,060 0,760 216 10,10 -0,10 0,07 0,805 186 10,65 -0,65 0,070 0,800 213 11,80 -1,80
- Lấy công suất N làm hoành độ, Hs làm tung độ, vẽ đương Hs = f(N), xem hình (6.19).
Hs = +3m
H(m) 130 130
N.103(kW) 116 140
Hs = +2m
H(m) 130 145 160 130 145 160
N.103(kW) 106 122 141 154 180 213
Hs = +1m
H(m) 130 145 160 130 145 160
N.103(kW) 96 105 120 156 185 215
Hs = 0m
H(m) 130 145 160 130 145 160
N.103(kW) 83 90 104 157 186 218
Hs = -1m
H(m) 130 145 160 130 145 160
N.103(kW) 70 74 90 157 186 218
- Vẽ trị số các điểm trên lên đường đặc tính tổng hợp vận hành và nối thành đường biểu diễn trơn nhẵn, tưc là Hs = f(N, H), xem đường chấm trên hình (6.22).
Ví dụ 2: Vẽ đường biểu diễn đặc tính vận hành của tuabin kiểu cánh quay.
Tài liệu:
1. Hình thức tuabin kiểu cánh quay trục đứng, buồng xoắn ốc bê tông, có ống hút cong.
2. Công suất lớn nhất: N = 7400kW.
3. Tốc độ quay định mức n = 100 vg/ph.
4. Đường kính tiêu chuẩn của bánh xe công tác D1 = 4,5m.
5. Số liệu bánh xe công tác Л592, đường biểu diễn đặc tính tổng hợp chủ yếu , xem hình (6.25)., mô hình hoàn toàn giống tuabin thực.
6. Phạm vi cột nước:
- Cột nước tính toán Htt = 7m - Cột nước lớn nhất Hmax = 8m - Cột nước nhỏ nhất Hmin = 6,5m Yêu cầu:
1. Vẽ đường biểu đặc tính công tác và đặc tính vận hành.
2. Vẽ đường hạn chế công suất của tổ máy.
3. Vẽ đường đẳng trị Hs.
Tính toán:
1. Hiệu chỉnh hiệu suất.
Vì góc lắp cánh quay của tuabin cánh quay khác nhau, nên hiệu suất cao nhất của tuabin cánh quay cũng khác nhau, xem hình (6.25). Do đó mỗi góc quay nên có một trị
số hiệu chỉnh hiệu suất tương ứng. Còn việc tìm trị số hiệu chỉnh hiệu suất thì có thể vận dụng công thức A.A. Mô-rô-dốp để tính toán hoặc tra bảng (hình) mô-nô:
5 1 1 max
max 1 (1 )
T M M
T D
D
ϕ
ϕ η
η = − − ; Δηϕ =ηϕTmax −ηϕMmax
Giả sử, đường kính của tuabin mô hình D1M = 0,46, khi góc lắp của cánh quay ϕ = 100, thì hiệu suất lớn nhất của nó: ηϕM = 0,855, mà khi đường kính của tuabin thực D1T = 4,5m theo công thức trên để tính toán hiệu suất lớn nhất của nó, ηϕTmax bằng:
901 , 0 685 , 0 . 145 , 0 5 1
, 4
46 , ) 0 855 , 0 1 (
1 5
max = − − = − =
ϕT
η ;
046 , 0 855 , 0 901 ,
max 0
max − = − =
=
Δηϕ ηϕT ηϕM
Khi góc lắp cánh tuabin khác nhau, thì trị số hiệu chỉnh hiệu suất tính theo biểu thức trên, được ghi trong bảng (6.7) dưới đây:
Hình 6.25: Đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin cánh quay Л592 có D1M = 0,46m
Bảng 6.7 Góc lắp cánh
tuabin ϕ0 ηMmax ηTmax Δη=(ηTmax - ηMmax)%
-100 0,855 0,901 0,046
-50 0,865 0,070 0,042
00 0,862 0,905 0,043
+50 0,845 0,894 0,049
+100 0,805 0,867 0,062
+150 0,782 0,851 0,069
+200 0,750 0,829 0,079
2. Hiệu chỉnh tốc độ quay đơn vị:
Từ hình ( ), có thể tra được tốc độ quay đơn vị của tuabin mô hình trong trường hợp tốt nhất nIM' =158, ηMmax = 0,865. Dựa vào tính toán, hoặc tra bảng 6.7 được:
ηTmax = 0,907, do đó ta có:
4 ) 1 025 , 1 ( 158 865 1
, 0
907 , 158 0 1
max ' max
-
' ⎟⎟= − =
⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −
⎟=
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −
= Δ
M T IMt
I n
n η
η
Trị số này lớn hơn 3%, cần phải hiệu chỉnh.
3. Phân đoạn cột nước:
Phạm vi thay đổi của cột nước là 6,5 đến 8,0, phạm vi thay đổi của tương ứng là 155 đến 173. Để vẽ được đường đặc tính tổng hợp vận hành một cách chính xác, có thể chia phạm vi của thành 3 đoạn bằng nhau, dựa vào những trị số đó, tra ngược lại tìm ra trị số cột nước tương ứng, bao gồm Hmax, Hmin và hai trị số cột nước ở giữa, cuối cùng xác định được các cột nước 8,0m; 7,5m; 7,0m; 6,5m.
'
nI
'
nI n'I
4. Tính đổi đường đặc tính vận hành.
Việc tính đổi đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin cánh quay cũng giống như kiểu tuabin tâm trục, có điều là các đường nằm ngang không phải là giao điểm của đường hiệu suất bằng nhau, mà là giao điểm của đường góc lắp cánh quay, các việc tính toán khác đều giống như tuabin kiểu tâm trục. Kết quả tính toán ghi trong bảng 6.8:
'
nI
5. Vẽ đường đặc tính công tác và đường đặc tính vận hành.
- Đường đặc tính công tác η = f(N): Dựa vào số liệu ηT và N trong bảng 6.8, cứ với mỗi cột nước vẽ một đường đặc tính công tác, như hình (6.26).
- Đường bổ trợ ηmax = f(H): Dựa vào hình 6.26 vẽ hiệu suất cao nhất của mỗi cột nước thành đường ηmax = f(H), xem hình (6.27), lợi dụng đường biểu diễn này có thể tìm được cột nước nhỏ nhất tương ứng với mỗi đường đẳng trị hiệu suất.
η
Hình 6.26: Đường đặc tính công tác của tuabin cánh quay
η
Hình 6.27: Đường bổ trợ của tuabin cánh quay: ηmax = f(H)
- Đường đặc tính tổng hợp vận hành η = f(H, N): Giả sử toạ độ của đường đặc tính công tác và đường đặc tính tổng hợp vận hành dùng cùng một thước tỷ lệ, như vậy có thể từ đường đặc tính công tác trực tiếp vẽ đường đặc tính tổng hợp vận hành, xem hình (6.28), phương pháp vẽ cụ thể giống như tuabin tâm trục.
6. Vẽ đường hạn chế công suất.
Khi cột nước H = 7,0m; thì gặp đường 7400kW ở điểm A:
ph. vg nI
TA =75%; ' =167 /
η
s m
QI 2,68 /
75 , 0 . 5 , 4 . 7 . 81 , 9
7400 3
2 2 3
' = = . Khi thì :
và ao = 36.
ph vg nI' = 167 /
s m QI' =2,68 3 /
Khi cột nước H = 6,5m; nI' =173vg/ph, ao = 36 thì:
s m
QI' =2,58 3 / , ηM =67,5%, ϕ=180, Δηϕ =0,075, ηT =(67,5+7,5)%=75%. kW
Q
NT =3300. I'.ηT =3300.2,58.0,75=6400
Vẽ đường nghiêng qua 3 điểm trên đó là đường hạn chế công suất của tuabin cánh quay bởi vì công suất lớn nhất của tổ máy là 7400kW. Lại vẽ đường thẳng đứng, đó là đường hạn chế công suất của máy phát điện (xem hình 6.28)
7. Vẽ đường đẳng trị chiều cao hút Hs.
- Dựa vào Q và N trong bảng 6.8; vẽ đường bổ trợ N = f(QI') khi cột nước khác nhau, xem hình (6.29).
- Dựa vào n'I của cột nước tương ứng, trên đồ thị tổng hợp vẽ một đường thẳng gặp đường σ ở nhiều điểm, ghi lại σ và QI', dựa vào đường biểu diễn bổ trợ (hình 6.29). Có công QI' tra được công suất N, sau đó đưa vào công thức: Hs = 10,0 - 1,05.σ.H tính ra Hs khi cột nước khác nhau. Đến đây ta lập bảng (6.9) để tính toán.
- Lấy công suất N làm hoành độ, Hs làm tung độ, vẽ Hs = f(N), xem hình (6.30).
- Vẽ trị số của các điểm nói trên lên đường đặc tính tổng hợp vận hành, nối chúng lại thành đường cong trơn tức là Hs = f(H, N), xem đường chấm chấm trên hình (6.28).
Hình 6.28: Đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin cánh quay
Hình 6.29: Đường N = f(QI')
Hình 6.30: Đường quan hệ Hs = f(N)
Hình 6.31: Đường ĐTTHC của tuabin cq