CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY THỦY LỰC THUẬN NGHỊCH BƠM–TUABIN 1.1 Giới thiệu chung về bơm–tuabin 1.1 Lịch sử phát triển của bơm–tuabin trong thủy điện tích năng Công trình thuỷ điện tích năng là một công trình thủy điện phát điện bằng việc sử dụng năng lượng nước dưới dạng tích trữ năng lượng nước ở cột nước cao bằng cách bơm lên. Thuỷ điện tích năng gồm 2 hồ điều tiết là hồ trên và hồ dưới, hai hồ này được nối với nhau bằng hệ thống đường dẫn và nhà máy thuỷ điện – trạm bơm. Tùy theo từng trường hợp cụ thể mà sơ đồ công trình thủy điện tích năng có thể khác nhau. Loại song song Loại thuận nghịch Máy phát- động cơ Turbine Bơm-tuabin kiểu tâm trục Bơm Kiểu hỗn lưu (cánh chéo) a.
Loại 3 máy với ly bơm tâm và b. Loại bơm- tuabin thuận nghịch tuabin tâm trục tách biệt nhau Hình 1.1 Các loại máy dùng cho nhà máy thủy điện tích năng Thiết bị dùng cho nhà máy thủy điện tích năng đã trải qua lịch sử phát triển khá dài. Thủa sơ khai, ban đầu, người ta sử dụng thiết bị cơ điện với tổ hợp 4 máy và liên kết với nhau theo 2 cụm: bơm– động cơ điện và tuabin – máy phát. Kết cấu 4 máy có kích thước cồng kềnh và phức tạp.
Tiếp đó, các nước đã cải tiến phần thiết bị điện: gộp máy phát điện và động cơ thành một máy làm việc ở hai chế độ khác nhau. Phần bơm và tuabin vẫn tách riêng. 19 Cùng với thời gian và sự phát triển của khoa học công nghệ, các nhà khoa học đã nghiên cứu và hòa nhập máy bơm và tuabin thành một máy làm việc ở cả hai chế độ bơm và tuabin. Khi ấy, thiết bị cơ điện cho NMTĐTN đã được thu gọn thành tổ máy nối hai máy thành phần bơm –tuabin và máy phát - động cơ điện.
Về kỹ thuật, sự hòa nhập máy phát và động cơ điện được thực hiện dễ dàng và thuận lợi hơn nhiều. Hiệu suất làm việc của máy điện ở chế độ máy phát và chế độ động cơ điện có trị số như nhau. Tuy nhiên, việc hòa nhập hai máy thủy lực (máy bơm và tuabin) thành một máy được thực hiện khó khăn hơn nhiều vì tình hình thủy lực của dòng chảy trong 2 chế độ bơm và chế độ tuabin khác nhau rất nhiều. Đối với thiết bị kiểu 2 máy này, để thuận lợi cho việc gọi tên, người ta quan tâm đến bơm và tuabin nhiều hơn là máy điện (máy phát và động cơ điện).
Chính vì vậy, các nhà khoa học đã thống nhất gọi tên là máy bơm –tuabin. Ngoài ra, có thể gọi là máy thuận nghịch hay máy thủy lực hai chiều. Đối với các thiết bị cho NMTĐTN, có thể sử dụng các loại máy bơm hoặc tuabin khác nhau. Ví dụ như hình 1.1a trình bày loại thiết bị 3 máy với bơm ly tâm và tuabin tâm trục.
Đối với các dạng bơm – tuabin thuận nghịch như Hình 1.1b có thể sử dụng các tổ hợp bơm ly tâm – tuabin tâm trục, bơm dòng chéo – tuabin hướng chéo. So với loại NMTĐTN có bơm và tuabin được lắp đặt riêng biệt thì loại sử dụng bơm-tuabin thuận nghịch tuy hiệu suất có thấp hơn đôi chút và cột nước áp dụng cũng không được cao bằng nhưng chi phí xây dựng cho loại bơm - tuabin thuận nghịch thấp hơn nhiều và đặc biệt là rất dễ dàng cho quá trình điều chỉnh tổ máy. Thêm vào đó, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì loại bơm - tuabin thuận nghịch đã được cải tiến để nâng cao hiệu suất cũng như mở rộng được tối đa vùng làm việc về cả cột nước lẫn công suất của nó. Chính vì vậy, loại bơm-tuabin thuận nghịch ngày càng trở nên phổ biến và chiếm ưu thế trong các NTTĐTN.
Loại máy bơm–tuabin PaT được khám phá lần đầu tiên vào năm 1931 khi Thoma và Kittredge [1] đã kết nối những đặc tính của máy bơm, họ đã nhận ra rằng máy bơm hoàn toàn có thể vận hành một cách hiệu quả trong chế độ của tuabin. Sau đó, một số nghiên cứu thực nghiệm cũng đã được tiến hành để khảo sát đặc tính của bơm trong chế độ tuabin có số vòng quay đặc trưng thấp [2, 3], kết quả đã chỉ ra rằng một máy bơm có thể vận hành tốt như một tuabin mà không có bất cứ một vấn đề cơ khí nào xảy ra. Khi so sánh các đường cong năng lượng của bơm và tuabin cho thấy khi PaT vận hành trong chế độ của bơm sẽ có lưu lượng Q và cột nước H thấp hơn của tuabin nhưng hiệu suất của bơm lại cao hơn của tuabin vài phần trăm tùy vào máy. Máy PaT gồm dạng một cấp và nhiều cấp.
So sánh loại bơm-tuabin một cấp với nhiều cấp cho thấy: Loại bơm - tuabin nhiều cấp có thể được áp dụng đối với các vị trí có cột nước cao, nhưng nó không thể thực hiện chức năng điều chỉnh công suất 20 khi vận hành, một trong các chức năng cần thiết cho nhà máy Thuỷ điện tích năng, do khó khăn trong việc điều chỉnh lưu lượng. Mặc dù bơm - tuabin loại một cấp có lợi hơn nhiều về chi phí so với loại bơm - tuabin nhiều cấp do chi phí xây dựng thấp, chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp, nhưng cũng có một số hạn chế nhất định khi áp dụng đối với các vị trí cột nước cao. Tuy nhiên, những hạn chế đó đã được cải thiện đáng kể theo thời gian. Những NMTĐTN đầu tiên đã xuất hiện ở châu Âu vào cuối thế kỷ XIX.
Năm 1882, ở thành phố Siupika của Thụy Sĩ đã lắp đặt hai máy bơm với công suất mỗi máy lên đến 515kW để bơm nước lên độ cao 153m, đổ vào bể chứa với dung tích 18000m3. Năm 1894, NMTĐTN bắt đầu được xây dựng tại Kreva- Luna của Italy với công suất 50kW, cột nước ở chế đô tuabin là 64m để phục vụ cho nhà máy dệt, làm việc tích năng theo tuần: bơm nước lên bể vào các ngày thứ 7, chủ nhật và làm việc ở chế độ tuabin để cấp điện cho các ngày còn lại trong tuần. Năm 1912, tại các nước Tây Âu đã có 7 NMTĐTN với công suất mỗi tổ từ 40-300kW. Đó là các NMTĐTN nhỏ, phục vụ cho việc tăng công suất điện vào ban ngày đối với những nơi không có bể chứa với dung tích nước cần thiết.
Cho đến năm 1995, việc phát triển các NMTĐTN diễn ra với nhịp độ chậm. Vào cuối những năm của thể kỷ XX, những NMTĐTN tương đối lớn đã được xây dựng. Năm 1926, ở Thụy Sĩ đã xây dựng được NMTĐTN với công suất 11MW và cột áp là 905m. Từ năm 1912 đến 1927, trên thế giới đã đưa vào sử dụng 32 NMTĐTN với công suất mỗi tổ từ 0,5-6MW.
Năm 1928, tại Mỹ đã xây dựng được liên hiệp nhà máy thủy điện – nhà máy thủy điện tích năng Roki – Rivero có công suất là 25MW và cột áp là 74m.8 Kannagawa 653 Effective Head (m) Bajina Basta 600.3 500 Hmax (m) Okuyoshino 507 Okukiyotsu 490 Maximum Villarino 402 400 Robien Chatmilles 390 Cabin Creek 375 Shiobara 356 300 Provvidenza 274 Shintoyone 236 Stafel 232 Shintakasegawa 241.5 Mio137 Japanease Transition Ohmorigawa 118 Azumi 134.9 Overseas Transition 100 Hiwassee 74 Yagisawa 111 Midono 80 TEPCO Facilities ０ 1955 60 65 70 75 80 85 90 95 2000 2005 Year Commissioned Năm Hình 1.2 Sự phát triển của máy bơm – tuabin một cấp [4] 21 Bảng 1.1 Thống kê một số trạm thủy điện tích năng lớn trên thế giới sử dụng máy bơm – tuabin thuận nghịch Vận hành tuabin Chế độ bơm Năm Tên nhà máy TĐTN Quốc gia P(kW) H(m) n(v/p) H(m) Q(m3/s) Helms USA 414 531,6 360 517 73,6 1984 Kazumogawa Japan 412 728 500 778 50,3 1999 Samrangjin Korea 370 345 300 355 103,3 1985 Ludington USA 343 107,7 113 113,6 314 1973 Okawachi Japan 331 415,6 330-390 432 81,7 1993 Bear Swamp USA 320 228,6 225 240,8 125,4 1974 Rocky Mt USA 320 210,3 225 218,5 146,4 1987 Nabara Japan 318 317,5 257 340,5 110 2003 Omarugawa Japan 310 671,8 576-624 720,4 44,1 2010 Hình 1.1 cho thấy quá trình phát triển và ứng dụng của máy PaT một cấp theo thời gian. Trong thời gian đầu phát triển bơm-tuabin thuận nghịch dạng ly tâm-francis một cấp, phạm vi làm việc còn hẹp, công suất nhỏ thường từ 50MW đến 100MW, cột nước lớn nhất cũng chỉ đạt gần 130m [5]. Trong vòng 15 năm sau (những năm 1985), cột nước lớn nhất có thể vận hành lên đến 559,2m, công suất lên tới 412MW. Vượt bậc hơn cả là đến năm 1999, cột nước bơm trong mô hình PaT đã đạt đến 728m do hãng Hitachi công bố và được lắp đặt tại TTĐTN Kazunogawa của Nhật Bản.
Tương tự như ở Nhật Bản, một số TTĐTN của Trung Quốc theo thời gian. Hầu hết các Trạm đều có công suất lắp máy là 300MW, cột nước cao nhất trên 600m. Một số Trạm như Yangjiang, Jixi, Pingjiang, và Wulongshan có cột nước đạt gần 700m.2 Các loại bơm phù hợp cho vận hành tuabin – phạm vi ứng dụng Các nghiên cứu trước đây đã khẳng định rằng tất cả các loại bơm từ trục đứng hay trục ngang, từ ly tâm hay hướng trục đều có thể vận hành được dưới dạng tuabin [6]. Tuy nhiên, bơm ly tâm cho hiệu suất cao hơn và được ứng dụng nhiều nhất trong thực tế ngày nay cho thấy phạm vi và ứng dụng của các loại bơm khác nhau có thể sử dụng được dưới dạng tuabin.
Như có thể thấy, bơm ly tâm nhiều cấp phù hợp với phạm vi cột nước cao, lưu lượng nhỏ; trong khi bơm hướng trục phù hợp với phạm vi cột nước thấp, lưu lượng cao. Kết quả đồng thời cho thấy bơm ly tâm một cấp có vùng làm việc về lưu lượng khá rộng và cột nước cũng tương đối cao. Đây là loại được dùng phổ biến nhất hiện nay.3 Cấu tạo bơm - tuabin loại ly tâm – tâm trục Không giống như một bơm thông thường, tổ máy PaT được thiết kế với đầy đủ hệ thống cột trụ và van điều chỉnh lưu lượng để đảm bảo các điều kiện vận hành của tuabin. Sự khác biệt này đã làm tăng tổn thất cũng như sự thay đổi về cấu trúc dòng chảy của bơm.
Cấu tạo của máy thuận nghịch PaT là sự kết hợp của hai mô hình độc lập bơm và tuabin bao gồm các bộ phận như hình 1.3 Mặt cắt ngang mô hình bơm – tuabin dạng ly tâm –francis [7] với các bộ phận chính sau: Buồng xoắn (1), vùng cánh hướng và cột trụ (2), bánh công tác (3), ống hút (ống xả) (4) Bánh công tác Bom Cánh Bom Z =6-9 Cánh Tuabin Z = 13-21 Bánh công tác Tuabin D1T=D1P Tuabin Bom D2P D2T Hình 1.