MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Bơm–tuabin (Pump as Turbine, được viết tắt là PaT) là thiết bị thủy lực vừa có khả năng làm việc như bơm và tuabin, được dùng trong các trạm thủy điện tích năng. Công trình thuỷ điện tích năng tích năng lượng nước khi nhu cầu điện thấp vào ban đêm và sử dụng nguồn năng lượng tích được này để đáp ứng nhu cầu phủ đỉnh. Do đó, nó có thể điều chỉnh cân bằng giữa cung cấp - nhu cầu và giảm đi khoảng cách giữa nhu cầu đỉnh và nhu cầu thấp điểm.
Xét về mặt kinh tế, thuỷ điện tích năng phù hợp với việc cung cấp điện đỉnh biểu đồ phụ tải trong khi nhiệt điện than và đ iện nguyên tử phù hợp với việc cấp điện ở thân và gốc của biểu đồ. Theo đó thuỷ điện tích năng là phương án thay thế có tính kinh tế nhất cho nguồn cấp điện ở đỉnh sơ đồ phụ tải. Theo quyết định số 428/QĐ-TTg ngày 18/03/2016 của Thủ tướng Chính phủ “Phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030” thì công trình TĐTN đầu tiên Bác Ái 1,2 sẽ được đưa vào vận hành năm 2023 với công suất lắp máy mỗi tổ là 300 MW. Sau đó, vào năm 2025, TĐTN Bác ái 3,4 sẽ tiếp tục được đưa vào vận hành.
Từ năm 2028 đến 2030 sẽ lần lượt là các trạm TĐTN Đông Phù Yên 1, 2, và 3 cũng với công suất mỗi tổ là 300MW. Trước tình hình đó, việc nghiên cứu các thiết bị thủy lực để phục vụ cho vận hành các công trình TĐTN là cấp bách. Tuy nhiên, những thiết bị chính như tuabin, bơm hay bơm- tuabin thuận nghịch và động cơ máy phát thông thường phải nhập khẩu từ nước ngoài, điều này làm tăng chi phí cho dự án. Vì vậy, việc nghiên cứu để lựa chọn, thiết kế và chế tạo những trang thiết bị đó là cần thiết để nâng cao hiệu quả kinh tế của dự án, đồng thời có thể chủ động về mặt công nghệ.
Thế giới đã công bố rất nhiều nghiên cứu về bánh công tác thuận nghịch bơm- tuabin. Các nghiên cứu đó đã sử dụng nhiều mô hình toán khác nhau, các kỹ thuật mô phỏng và thực nghiệm để dự báo các đặc tính năng lượng khi bơm vận hành thuận nghịch cũng như các kết quả trong quá trình thiết kế và cải tiến biên dạng cánh. Kết quả cho thấy các máy thuận nghịch đã có thể làm việc lên đến 700m cột nước, công suất trên 500MW và hiệu suất thủy lực trung bình máy đạt tới 91%. Tuy nhiên, các vấn đề trên vẫn còn là thách thức do đặc điểm phức tạp của vấn đề nghiên cứu, đó là: (1) Lý thuyết thiết kế và đặc tính thủy lực của máy chưa được công bố đầy đủ, rõ ràng, không thể áp dụng với đặc thù của từng máy; (2) Đa số các kết quả trên thế giới về loại máy này đều được thực hiện bằng mô phỏng số và thực nghiệm.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu thử nghiệm ở Việt Nam có nhiều khó khăn. Như vậy, tính chính xác để dự báo đặc tính năng lượng của máy PaT trong cả hai mô hình bơm và tuabin và lý thuyết để tính toán thiết kế các thông số hình học và biên dạng cánh là hai thách thức lớn đối với việc thiết kế, chế tạo tổ máy PaT ở Việt Nam. Để đáp ứng nhu cầu 13 thực tiễn, luận án chọn đề tài:“Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình học của bánh công tác đến đặc tính làm việc của máy thuận nghịch bơm–tuabin ns thấp”. Luận án sẽ tập trung giải quyết hai vấn đề lớn ở trên theo các điều kiện và giả thiết cho một mô hình máy cụ thể của đề tài.
Mục tiêu nghiên cứu của Luận án Luận án đưa ra ba mục tiêu gồm: (1) Đưa ra cơ sở tính toán thiết kế bánh công tác thuận nghịch cho máy PaT có n s thấp trên cơ sở lý thuyết hiện có. (2) Đưa ra dạng thiết kế cánh BCT có các thông số hình học phù hợp với khả năng làm việc ở hai chế độ bơm và tuabin. (3) Áp dụng để phân tích dạng máy PaT tại Việt Nam. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Phạm vi nghiên cứu Theo bảng danh mục các dự án Thủy điện tích năng giai đoạn 2011-2030 có điều chỉnh thì sẽ chỉ còn bảy phương án TĐTN có khả năng được xây dựng với tổng công suất lắp máy là 2100MW.
Cũng theo quy hoạch, đây đều là các trạm TĐTN có công suất lắp máy là 300MW và cột nước cao. Dựa vào các thông số tính toán sơ bộ về cột nước, lưu lượng và công suất dự kiến, bảy phương án TĐTN (bao gồm TTDTN Bắc Ái phương án 1,2,3,4 và Đông Phù Yên phương án 1,2) đều cho thấy đây đều là các trạm có số vòng quay đặc trưng ns của thiết bị thủy lực dao động từ 90 đến 150. Vì vậy, tác giả lực chọn phạm vi nghiên cứu của luận án là các máy PaT có n s từ 90 đến 150 phù hợp với tình hình thực tế nghiên cứu ở Việt Nam.2 Đối tượng nghiên cứu Bánh công tác là bộ phận quan trọng nhất, quyết định hiệu quả làm việc của máy thủy lực PaT. Do đó, đối tượng nghiên cứu của luận án là thiết kế chế tạo và nghiên cứu thử nghiệm một máy PaT có n s thấp.
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết kết hợp với phương pháp mô phỏng số động lực học dòng chảy CFD và thực nghiệm để giải quyết các mục tiêu đã nêu của luận án. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài (1) Đề xuất được phương pháp tiếp cận khoa học trong nghiên cứu để dự báo các 14 đặc tính năng lượng (cột nước (H), công suất (P) và hiệu suất (η)) của máy PaT làm việc ở chế độ bơm và tuabin. (2) Trên cơ sở lý thuyết truyền thống về thiết kế các thông số hình học của bánh công tác bơm và tuabin. Luận án đã đề xuất được phương pháp tính toán thiết kế biên dạng cánh bánh công tác thuận nghịch PaT có sự cân nhắc về đặc tính thủy lực cho cả bơm và tuabin.
(3) Kết hợp phương pháp tính toán mô phỏng số và thực nghiệm để đánh giá, kiểm chứng hiệu quả trên cơ sở các đề xuất từ lý thuyết.2 Ý nghĩa thực tiễn (1) Với định hướng phát triển của các trạm thủy điện tích năng trong tương lai đã được Chính phủ phê duyệt, luận án đã đi theo đúng chiến lược phát điện ở Việt Nam. Luận án đã đi vào giải quyết các vấn đề mang tính cấp thiết và thời sự, nâng cao hiệu quả kinh tế cho xã hội. (2) Phương pháp luận, phương pháp tính toán, phương pháp đánh giá và phương pháp thiết kế của luận án có giá trị hữu ích cho các kỹ sư trong nước có thể chủ động hơn trong thiết kế bơm–tuabin thuận nghịch nói riêng và máy cánh nói chung. (3) Đưa ra các giải pháp công nghệ giúp nâng cao hiệu quả khai thác dòng chảy của các trạm thủy điện tích năng và các ứng dụng khác trong điều kiện Việt Nam.
Những đóng góp mới của luận án (1) Luận án đã đưa ra được phương pháp tính toán dự báo đặc tính năng lượng trên cơ sở tính toán lý thuyết các thành phần cột nước lý thuyết, cột nước tổn thất của dòng chảy trong tổ máy PaT ở cả hai chế độ bơm và tuabin. Phương pháp này có thể được áp dụng trong dự báo sơ bộ đặc tính của máy khi lựa chọn phương án thiết kế PaT. (2) Luận án đã xây dựng được mẫu cánh mới cho PaT theo dạng một cung cong đối xứng, phù hợp với yêu cầu làm việc của PaT trong cả hai chế độ bơm và tuabin. (3) Đã đánh giá được sự ảnh hưởng của các thông số hình học quan trọng đối với bánh công tác thuận nghịch PaT, bao gồm: D; β1B; β2B và Z.
(4) Đã áp dụng phương pháp phân tích mô phỏng số kết hợp với thực nghiệm để kiểm chứng phương pháp thiết kế cánh theo dạng một cung cong như đã đề xuất. Cấu trúc của luận án 15 Để thực hiện các mục tiêu của luận án đã nêu ra, các nội dung nghiên cứu cơ bản cần được thực hiện bao gồm như sau: Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu, thiết kế và chế tạo PaT trên thế giới và Việt Nam. Nội dung chính của chương này là phân tích, đánh giá tổng hợp các kết quả nghiên cứu và hiện trạng phát triển về máy PaT nhằm đưa ra vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ở Việt Nam. Trên cơ sở đó, hướng tiếp cận và phương pháp giải quyết bài toán thiết kế một mô hình bơm–tuabin có số vòng quay đặc trưng thấp được đề xuất.
Chương 2: Xây dựng cơ sở khoa học để thiết kế mô hình bơm–tuabin. - Xây dựng cơ sở lý thuyết để dự báo và đánh giá khả năng làm việc của máy PaT vận hành trong chế độ bơm và tuabin. Qua đó có thể đánh giá ảnh hưởng của một số thông số hình học chính đến các đặc tính của bơm và tuabin. Đây cũng là cơ sở để tính toán các thông số hình học ban đầu tại mặt cắt cửa vào, cửa ra và kinh tuyến của bánh công tác.
- Xây dựng cơ sở khoa học để thiết kế biên dạng cánh công tác thuận nghịch bơm–tuabin. Các phương pháp thiết kế cánh bơm và tuabin độc lập sẽ được giới thiệu và phân tích. Trên cơ sở đó, tác giả sẽ lựa chọn cách tiếp cận và đề xuất phương pháp tính toán các thông số hình học chính của mặt cắt cửa vào, cửa ra, mặt cắt kinh tuyến và biên dạng cánh cho mô hình nghiên cứu của luận án. - Phân tích ảnh hưởng của một số thông số hình học chính đến đặc tính thủy lực và thiết kế máy PaT bao gồm: Số cánh Z; đường kính D2; góc đặt cánh β1B; β2B và biên dạng cánh.
Từ đó đề xuất và đưa ra được các dải giá trị phù hợp cho một tổ máy PaT có n s=104. - Áp dụng cơ sở lý thuyết trên để thiết kế toàn bộ tổ máy PaT có ns thấp bao gồm bánh công tác và các bộ phận dẫn dòng. Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng tổ máy thuận nghịch bơm–tuabin: Mục tiêu của chương này là đánh giá lại chất lượng thủy lực và xâm thực của tổ máy đã thiết kế trong Chương 2. Đồng thời, một số hiệu chỉnh để tăng cường hiệu suất cũng được đề xuất.