MỞ ĐẦU 1. Thực trạng tự động hóa trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ và lý do chọn đề tài. Cùng với nhu cầu về điện năng tăng cao trong sự nghiệp phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành điện đang huy động các nguồn lực để sản xuất tối đa điện năng đặc biệt là nguồn lực về thủy điện trong đó hàng trăm các dự án thủy điện vừa và nhỏ (công suất từ 1-30MW) đã và đang được xây dựng. Thông thường các nhà máy thủy điện đều được trang bị hệ thống DCS để tích hợp toàn bộ thông tin của Nhà máy bao gồm từ thiết bị công nghệ, năng lượng, thiết bị điện, trạm biến áp đầu ra và hệ thống phụ trợ phục vụ công tác giám sát và điều khiển tại chỗ của nhà máy.
Tuy nhiên, vì chỉ phục vụ cho mục đích giám sát và điều khiển tại chỗ nên các hệ thống này thường được thiết kế đóng theo các phương thức truyền tin và trao đổi dữ liệu của riêng các nhà sản xuất. Việc sử dụng các hệ thống đóng sẽ làm cho khả năng trao đổi dữ liệu và can thiệp của người sử dụng khi có những yêu cầu phát sinh đối với công tác quản lý và kinh doanh rất khó khăn do nhà sản xuất không bao giờ bàn giao hết các công cụ và thủ tục để thực hiện. Ngoài ra, do được thiết kế đóng nên các hệ thống DCS rất khó có thể kết nối với hệ thống SCADA và quản lý đo đếm điện năng của các Công ty điện lực. Bên cạnh đó, do các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ thường được xây dựng tại các vùng sâu nên việc thiết lập một được truyền hữu tuyến (4W) như các giải pháp kết nối hiện nay đòi hỏi chi phí rất tốn kém kể cả đầu tư ban đầu và chi phí vận hành hàng tháng.
Tuy nhiên, các yêu cầu kết nối này là bắt buộc đối với các nhà máy điện theo Qui định đấu nối ban hành kèm Quyết định 37 của Bộ Công Nghiệp (nay là Bộ Công Thương). Đặc biệt với các nhà máy tham gia chương trình mua bán phát thải (CDM) thì việc kết nối, lưu trữ dữ liệu đo đếm điện năng phát lên lưới điện là một trong những điều kiện cần thiết để bên mua CDM có thể tính toán được lượng phát thải được hưởng. Hơn nữa, các trung tâm điều độ vùng, miền hay quốc gia hiện đã áp dụng thành công hệ thống SCADA cho công tác điều hành hệ thống điện thuộc quyền của mình. Giải pháp cho việc quản lý, giám sát và vận hành toàn bộ nhà máy và đấu nối với các trung tâm điều độ vùng, miền chính là hệ thống SCADA.
Trên thực tế, SCADA không còn là công nghệ mới trên thế giới. Nó đã được ra đời và áp dụng từ khá lâu không chỉ trong ngành điện mà còn ở nhiều lĩnh vực khác như công nghiệp khai thác dầu khí, hầm mỏ, giao thông. Những công nghệ áp dụng cho các thành phần cấu thành hệ thống thì vẫn liên tục được cập nhật và đổi mới. Ngày càng nhiều thế hệ thiết bị với những tính năng ưu việt ra đời kể cả phần cứng, giải pháp phần mềm hay chuẩn thông tin liên lạc để phục vụ cho SCADA.
Đây chính là lý do cho việc tìm hiểu và nghiên cứu xây dựng hệ thống SCADA trong nhà máy thủy điện để điều khiển, giám sát, vận hành toàn nhà máy cũng như kết nối với hệ thống SCADA của trung tâm điều độ miền và quốc gia. Mục tiêu nghiên cứu đề tài Mục tiêu cơ bản của luận văn này là nghiên cứu các yêu cầu điều khiển trong các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ và ứng dụng lý thuyết SCADA để điều khiển. Để có được bất kì hệ thống nào hoàn chỉnh cũng đều phải có nhiều khâu, bộ phận, nhiều quá trình cấu thành. Hệ thống SCADA không nằm ngoài quy luật đó.
Chính vì vậy, luận văn cũng đề cập và tìm hiểu các thành phần, các yếu tố liên quan trực tiếp đến một hệ thống điều khiển trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, cụ thể ở đây là hệ thống SCADA, với mục đích có được cái nhìn đầy đủ và toàn diện hơn. Do khuôn khổ có hạn nên với mục tiêu đã đề ra một số phần được trình bày và nghiên cứu trong bản báo cáo dưới đây chỉ dừng ở mức độ chi tiết nhất định. Người viết cũng hi vọng qua bản luận văn này sẽ tìm hiểu và nắm bắt được một lĩnh vực công nghệ tiên tiến được ứng dụng trong nhà máy thủy điện. Và với kết quả từ việc xây dựng hệ thống SCADA sẽ có thêm những kiến thức mới, những cái nhìn mới trong việc tiếp cận các nhà máy thủy điện trong tương lai 3.
Bố cục đồ án CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 2.1 Lịch sử nhà máy thủy điện 2.2 Các loại nhà máy thủy điện 2.1 Phân loại nhà máy thủy điện a) Nhà máy thủy điện hồ chứa Loại nhà máy thủy điện phổ biến nhất là công trình tích nước. Cơ sở tích nước, điển hình là hệ thống thủy điện lớn, sử dụng đập để trữ nước sông trong hồ chứa. Nước thoát ra từ hồ chứa sẽ chảy qua tuabin, làm quay tuabin, từ đó kích hoạt máy phát điện để sản xuất điện. Nước có thể được xả ra để đáp ứng nhu cầu điện thay đổi hoặc các nhu cầu khác, chẳng hạn như kiểm soát lũ lụt, giải trí, đường đi của cá và các nhu cầu khác về chất lượng nước và môi trường.
No table of figures entries found. Figure 1Nhà máy thủy điện hồ chưai b) Nhà máy thủy điện dòng chảy liên tục Các nhà máy thủy điện này không có vùng chứa nước nên yêu cầu lưu lượng sông đủ lớn để phát điện. Nhược điểm của nó là không tạo ra năng lượng trong các đợt hạn hán. Figure 2 Nhà máy thủy điện dòng chảy liên tục c) Nhà máy thủy điện tích năng Thủy điện tích năng là dạng thủy điện giúp dự trữ năng lượng.
Tương tự như một “bình ắc quy”, chức năng chính của thủy điện tích năng là tích lũy điện năng để bổ sung cho hệ thống khi cần thiết. Có thể hình dung dễ hơn thì thủy điện tích năng sẽ được tích điện vào thời gian rảnh rỗi và được mang ra dùng khi có nhu cầu. Khi nhu cầu điện thấp, nhà máy dự trữ năng lượng bằng cách bơm nước từ hồ chứa phía dưới lên hồ chứa phía trên. Trong thời gian có nhu cầu điện cao, nước được xả trở lại hồ chứa phía dưới và làm quay tua-bin, tạo ra điện.
Figure 3 Nhà máy thủy điện tích năng 2.2 Quy mô nhà máy thủy điện 1. Nhà máy thủy điện lớn: là nhà máy thủy điện có công suất trên 30 megawatts (MW) 2. Nhà máy thủy điện nhỏ: có công suất từ 100 kilowatts tới 10MW 3. Nhà máy thủy điện siêu nhỏ: có công suất nhỏ đến 100 kilowatts.
Một hệ thống thủy điện nhỏ hoặc siêu nhỏ có thể sản xuất đủ điện cho một ngôi nhà, trang trại, trang trại hoặc làng.3 Hệ thống thiết bị chính 2.1 Tổng quan về nhà máy Về cơ bản các thiết bị chính trong nhà máy bao gồm các thành phần như hình. Figure 4 Tổng quan thiết bị trong nhà máy 2.2 Hệ thống tuabin-điều tốc Mô hình tuabin – máy phát như hình 1. Nước từ hồ chứa thượng lưu (reservoir) được dẫn vào hệ thống đường ống áp lực và buồng xoắn (spiral case), tại đây nước được gia tốc tới vận tốc rất lớn, qua hệ thống cánh hướng (wicket gate), nước được dẫn vào tuabin thuỷ lực làm quay tuabin đồng thời làm quay máy phát điện (generator), thông thường trục của tuabin được nối thẳng với trục máy phát Figure 5 Mô hình tuabin - máy phát (turbine – generator shaft). Từ đầu cực máy phát, dòng điện được tăng áp qua máy biến áp lực và dẫn lên trạm phân phối hoà vào lưới điện quốc gia.
Tuabin thuỷ lực là một bộ phận quan trọng nhất trong nhà máy thuỷ điện, bằng sự thay đổi tốc độ nó quyết định công suất phát của tổ máy. Là một thiết bị có cơ cấu phức tạp, trọng lượng và kích cỡ lớn, tuabin đòi hỏi phải có độ bền cao, vận hành ổn định trong thời gian dài (tuổi thọ vận hành 40 năm, thời gian đại tu 6 năm, trung bình vận hành 3000 giờ/năm ). Tuabin thuỷ lực bao gồm 2 phần chính (loại tuabin Kaplan trục đứng): Roto tuabin (gồm bánh xe công tác – BXCT được nối với trục tuabin thông qua khớp nối truyền động momen xoắn, trục, ổ hướng và ổ chèn trục) và Stato tuabin (gồm vành đáy tuabin để đỡ trục dưới cánh hướng, các vành làm kín, vành stato tuabin, bộ cánh hướng dòng ) và bộ ống xả, buồng xoắn. Tuỳ theo mực nước thượng lưu và khi tải trên lưới điện thay đổi đòi hỏi lượng điện phát ra của nhà máy phải thay đổi phù hợp.
Vấn đề đặt ra là phải điều chỉnh đồng bộ giữa độ mở hệ thống cánh hướng nước nhằm điều chỉnh lưu lượng nước vào tuabin và điều chỉnh góc nghiêng của BXCT, tạo cho tuabin tốc độ ổn định. Để điều chỉnh độ mở cánh hướng người ta sử dụng các servomotor (thông thường 2 servomotor) và hệ thống xilanh thuỷ lực. Truyền động của servomotor sẽ qua hệ thống xilanh gắn với vòng điều chỉnh, giữa cánh hướng và vòng điều chỉnh có các khớp truyền động. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật số, bộ điều tốc tuabin được tự động hoá hoàn toàn có khả năng thu thập các thông số quá trình một cách liên tục, tự động điều chỉnh ổn định quá trình vận hành.
Mỗi tuabin được cung cấp một hệ thống điều tốc tự động riêng biệt có khả năng điều khiển tốc độ, công suất phát, lưu lượng nước vào tuabin cho phép tổ máy vận hành ổn định, hoàn hảo ở chế độ vận hành song song với nhau và với hệ thống điện. Bộ điều tốc kỹ thuật số: được lắp trong các tủ điều khiển tại tổ máy, các thông số được giám sát qua hệ thống SCADA ở phòng điều khiển trung tâm. Bộ điều tốc có cấu hình dự phòng kép cả về phần cứng và phần mềm, một hệ giao tiếp tốc độ cao được thiết lập giữa hai card xử lý đảm bảo quá trình chuyển mạch không trễ trong mọi chế độ vận hành. Nguyên lý điều chỉnh là thuật toán PID có nhánh hồi tiếp.
Điều khiển vị trí: sử dụng thuật toán điều chỉnh PD, tín hiệu vào là vị trí thực của cánh hướng và vòng trượt của các servomotor. Khi vận hành ở chế độ quá tải, sự giới hạn tốc độ của cánh hướng và BXCT được đặt lên hàng đầu nhằm tránh tuabin lệch khỏi vị trí tối ưu.