Nghiên cứu thông số cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống tuabin - máy phát điện tại Nhà Máy Thủy Điện Nậm Mô

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thống Tuabin - Máy Phát Điện Tại Nhà Máy Thủy Điện Nậm Mô
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN NẬM MÔ
• 1.1. Vị trí địa lý
• 1.2. Một số thông số cơ bản
• 1.3. Sơ đồ tổ nối điện khu vực của nhà máy
• 1.4. Một số hình ảnh về nhà máy
• 2. CHƯƠNG 2: THÔNG SỐ VÀ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT HỆ THỐNG TUABIN - MÁY PHÁT
• 2.1. Chức năng, nhiệm vụ của hệ thống Tuabin - Máy phát điện
• 2.2. Thông số máy phát điện
• 2.3. Thông số hệ thống kích từ
• 2.4. Thông số hệ thống cấp điện áp máy phát
• 2.5. Thông số hệ thống điều tốc
• 2.6. Thông số hệ thống Tuabin thủy lực
• 2.7. Thông số hệ thống cấp dầu tổ máy
• 2.8. Thông số hệ thống thiết bị phụ trợ tổ máy
• 3. CHƯƠNG 3: CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG TUABIN - MÁY PHÁT
• 3.1. Cấu tạo máy phát
• 3.2. Cấu tạo stato bao gồm các bộ phận chính là khung stato, cuộn dây
• 3.3. Cấu tạo của roto
• 3.4. Cấu tạo của ổ trục máy phát
• 3.5. Bạc ổ đỡ máy phát
• 3.6. Bạc ổ chặn trước
• 3.7. Bạc ổ chặn sau
• 3.8. Thiết bị phụ trợ phanh tổ máy
• 3.9. Thiết bị phụ trợ bộ sấy
• 3.10. Thiết bị phụ trợ bộ hút ẩm
• 3.11. Cấu tạo cánh hướng nước
• 3.12. Cấu tạo bánh xe công tác
• 3.13. Hệ thống chèn trục
• 3.14. Hệ thống phanh servomotor
• 3.15. Biểu thị các đường đặc tính phối hợp giữa cánh hướng nước và bánh xe công tác
• 3.16. Biểu thị các đường đặc tính Tuabin
• 3.17. Biểu thị các đường đặc tính P - Q
• 4. CHƯƠNG 4: CÁC QUY ĐỊNH KHI VẬN HÀNH HỆ THỐNG TUABIN - MÁY PHÁT
• KẾT LUẬN

I. Khám phá tổng quan hệ thống tuabin Thủy Điện Nậm Mô

Nhà Máy Thủy Điện Nậm Mô, một công trình cấp III theo TCXDVN 285:2002, đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo an ninh năng lượng và ổn định hệ thống điện tại khu vực Nghệ An. Nghiên cứu hệ thống tuabin - máy phát điện tại đây không chỉ là một bài toán kỹ thuật mà còn là chìa khóa để khai thác tối đa tiềm năng thủy điện. Bài viết này sẽ đi sâu phân tích các thông số, cấu tạo và đặc tính vận hành của hệ thống cốt lõi này, dựa trên tài liệu nghiên cứu chi tiết của Lê Sỹ Văn (2018).

1.1. Vị trí và công suất lắp máy của nhà máy

Nhà Máy Thủy Điện Nậm Mô tọa lạc tại bản Cánh, xã Tà Cạ, huyện Kỳ Sơn, tỉnh Nghệ An. Công trình được xây dựng trên dòng sông Nậm Mô, một phụ lưu cấp 1 của sông Lam. Với tổng công suất lắp máy là 18MW, nhà máy bao gồm hai tổ máy, mỗi tổ máy có công suất 9MW. Theo tài liệu nghiên cứu, nhà máy vận hành với cột nước định mức 14m và cột nước cao nhất đạt 17,6m. Mực nước dâng bình thường của đập là 157m, cho phép dung tích điều tiết đạt 1,19 triệu m³. Vị trí chiến lược và các thông số thiết kế này cho phép Thủy Điện Nậm Mô đóng góp một sản lượng điện quan trọng, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng tăng cao tại khu vực miền Trung.

1.2. Vai trò cốt lõi của tổ máy thủy điện Nậm Mô

Hệ thống tuabin - máy phát điện là trái tim của nhà máy. Chức năng chính của hệ thống này là biến đổi cơ năng từ dòng chảy của nước thành điện năng để hòa vào lưới điện quốc gia. Cụ thể, hệ thống này thực hiện hai nhiệm vụ trọng yếu: phát công suất hữu công ở cấp điện áp 6.3kV và tham gia điều chỉnh điện áp hệ thống thông qua việc phát hoặc hút công suất vô công. Việc vận hành tổ máy thủy điện một cách an toàn và hiệu quả là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo tính ổn định chung. Mỗi thiết bị, từ tuabin, máy phát đến các hệ thống phụ trợ, đều phải làm việc tin cậy. Nghiên cứu sâu về đặc tính của hệ thống này giúp đội ngũ vận hành đưa ra các quyết định chính xác, góp phần vào thành công chung của nhà máy và đảm bảo an toàn vận hành.

II. Giải mã cấu trúc hệ thống tuabin máy phát Nậm Mô

Để vận hành và bảo trì hiệu quả, việc am hiểu sâu sắc về cấu trúc của từng bộ phận trong hệ thống tuabin - máy phát là điều kiện tiên quyết. Hệ thống này là một tổ hợp cơ điện phức tạp, bao gồm các thành phần chính và các hệ thống phụ trợ hoạt động đồng bộ. Mỗi thành phần đều có chức năng riêng biệt nhưng liên kết chặt chẽ với nhau để tạo ra điện năng. Việc nghiên cứu cấu tạo giúp xác định các điểm yếu tiềm tàng và lên kế hoạch bảo dưỡng tuabin - máy phát một cách khoa học.

2.1. Phân tích chi tiết cấu tạo tuabin thủy điện Kaplan

Nhà máy sử dụng loại tuabin trục ngang, kiểu Kaplan cánh quay, ký hiệu GZ-WP-480. Đây là loại tuabin phản lực phù hợp với nhà máy có cột nước thấp và lưu lượng lớn. Cấu tạo tuabin thủy điện loại này gồm các bộ phận chính: bánh xe công tác (BXCT), cánh hướng nước, và hệ thống chèn trục. Bánh xe công tác có 4 cánh, đường kính 3m, là bộ phận trực tiếp chuyển hóa năng lượng dòng nước thành momen quay. Cụm 16 cánh hướng nước có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng nước vào BXCT, qua đó điều khiển công suất phát. Hệ thống chèn trục đảm bảo làm kín, ngăn nước rò rỉ vào khoang tuabin. Toàn bộ các bộ phận này được thiết kế để đạt hiệu suất tuabin Kaplan cao nhất, lên tới 94,41% ở cột nước định mức, theo thông số của nhà sản xuất.

2.2. Tìm hiểu nguyên lý máy phát điện đồng bộ 3 pha

Máy phát điện tại Nậm Mô là loại máy phát điện đồng bộ 3 pha trục ngang, ký hiệu SFWG9-30/3570. Về cơ bản, nó hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Nguyên lý máy phát điện đồng bộ là khi rotor (phần quay) được kích từ để tạo ra một từ trường quay, từ trường này sẽ quét qua các cuộn dây của stator (phần tĩnh), cảm ứng một suất điện động xoay chiều 3 pha trong dây quấn stator. Stator bao gồm lõi thép và dây quấn, trong khi rotor là một nam châm điện. Dòng điện một chiều cung cấp cho rotor đến từ hệ thống kích từ máy phát. Tốc độ quay của rotor (200 vòng/phút) đồng bộ với tần số của lưới điện (50Hz), đảm bảo sự ổn định khi hòa lưới.

2.3. Các hệ thống phụ trợ quan trọng của tổ máy

Để tổ máy hoạt động ổn định, một loạt các hệ thống phụ trợ đóng vai trò không thể thiếu. Hệ thống cấp dầu tổ máy đảm nhiệm việc bôi trơn và làm mát cho các ổ trục, bao gồm dầu tuần hoàn và dầu cao áp để nâng trục khi khởi động. Hệ thống phanh được sử dụng để hãm tổ máy dừng hoàn toàn một cách an toàn. Các thiết bị khác như bộ sấy, bộ hút ẩm giúp bảo vệ cuộn dây máy phát khỏi hơi ẩm, ngăn ngừa suy giảm cách điện. Hệ thống làm mát không khí máy phát duy trì nhiệt độ ổ hướng, ổ chặn và cuộn dây trong giới hạn cho phép, đảm bảo tuổi thọ thiết bị và an toàn vận hành nhà máy điện.

III. Top thông số kỹ thuật hệ thống tuabin máy phát điện

Các thông số kỹ thuật là ngôn ngữ của kỹ thuật, phản ánh chính xác năng lực và giới hạn hoạt động của thiết bị. Việc nắm vững các thông số này giúp nhân viên vận hành khai thác tối đa công suất, đồng thời tránh các chế độ vận hành nguy hiểm. Dữ liệu từ đồ án tốt nghiệp cung cấp một cái nhìn toàn diện về các đặc tính định lượng của hệ thống tuabin - máy phát tại Nhà Máy Thủy Điện Nậm Mô, từ công suất, điện áp đến các thông số chi tiết của hệ thống điều khiển.

3.1. Bảng thông số kỹ thuật máy phát điện và tuabin

Thông số kỹ thuật máy phát điện của Nậm Mô bao gồm: công suất biểu kiến định mức 10 MVA, công suất hữu công 9 MW, điện áp định mức 6.3 kV, và dòng điện stator định mức 970,3 A. Hiệu suất ở công suất định mức đạt 96,67%. Đối với tuabin, các thông số quan trọng là cột nước định mức 14m, lưu lượng định mức 74,38 m³/s và tốc độ quay định mức 200 vòng/phút. Tốc độ lồng tốc của tổ máy là 615 vòng/phút. Những con số này là cơ sở để thiết lập các giới hạn vận hành và xây dựng các đường đặc tính cho tổ máy.

3.2. Đặc tính hệ thống kích từ máy phát và điều tốc

Hệ thống kích từ máy phát là loại kích từ tĩnh, có chức năng cung cấp dòng điện một chiều cho rotor. Điện áp kích từ định mức là 201 VDC và dòng điện là 450 A ở hệ số công suất 0.85. Hệ thống này có khả năng cưỡng bức kích từ khi có sự cố và giảm kích từ khi điện áp tăng cao. Trong khi đó, hệ thống điều tốc tuabin chịu trách nhiệm điều chỉnh tốc độ tổ máy bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng nước. Nó hoạt động với bình dầu áp lực có áp lực định mức 6,3 MPa, đảm bảo phản ứng nhanh và chính xác trước những thay đổi của phụ tải, duy trì sự ổn định tần số cho lưới điện.

IV. Hướng dẫn vận hành tổ máy thủy điện Nậm Mô an toàn

Vận hành an toàn và đúng quy trình là yếu tố sống còn, quyết định đến tuổi thọ của thiết bị và sự ổn định của nhà máy. Các quy định vận hành được xây dựng dựa trên đặc tính kỹ thuật của thiết bị và kinh nghiệm thực tế, nhằm ngăn ngừa sự cố và tối ưu hóa quá trình sản xuất điện. Việc tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình này là trách nhiệm của mỗi nhân viên vận hành, từ khâu khởi động, vận hành mang tải đến khi dừng máy.

4.1. Các chế độ vận hành tổ máy thủy điện tiêu chuẩn

Quá trình vận hành tổ máy thủy điện tại Nậm Mô được chia thành các chế độ rõ ràng. Chế độ vận hành lâu dài bao gồm 'Generating' (phát điện lên lưới) và 'Stop' (dừng dự phòng). Các chế độ ngắn hạn phục vụ cho thí nghiệm hoặc sửa chữa gồm 'Racing' (không tải, không kích từ) và 'Unload' (không tải, có kích từ). Hệ thống kích từ có các chế độ tự động như AVR (tự động điều chỉnh điện áp) và FCR (tự động điều chỉnh dòng kích từ). Tương tự, hệ thống điều tốc chủ yếu hoạt động ở chế độ tự động (Auto). Việc chuyển đổi giữa các chế độ phải tuân theo một trình tự nghiêm ngặt, được giám sát qua hệ thống SCADA nhà máy thủy điện.

4.2. Quy trình giám sát và đánh giá tình trạng thiết bị

Để đảm bảo an toàn, việc đánh giá tình trạng thiết bị phải được thực hiện liên tục. Nhân viên vận hành phải thường xuyên theo dõi các thông số quan trọng như nhiệt độ cuộn dây, nhiệt độ ổ hướng, ổ chặn, và áp lực dầu. Đặc biệt, giám sát rung động tuabin là một chỉ số quan trọng để phát hiện sớm các bất thường về cơ khí. Tài liệu vận hành quy định rõ không cho phép tuabin hoạt động khi có va đập lớn hoặc rò rỉ dầu, nước nghiêm trọng. Bất kỳ sai lệch nào so với giá trị định mức đều phải được ghi nhận, phân tích và xử lý kịp thời để tránh các sự cố có thể gây hư hỏng nặng cho thiết bị.

V. Bí quyết tối ưu hóa hiệu suất phát điện tại Nậm Mô

Việc tối ưu hóa hiệu suất phát điện không chỉ làm tăng sản lượng điện mà còn giảm chi phí vận hành và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Tại Thủy Điện Nậm Mô, việc tối ưu hóa dựa trên sự kết hợp giữa việc phân tích các đường đặc tính vận hành và thực hiện công tác bảo dưỡng, sửa chữa một cách khoa học. Hiểu rõ mối quan hệ giữa các thông số là chìa khóa để vận hành tổ máy ở điểm có hiệu suất cao nhất.

5.1. Phân tích đường đặc tính và hiệu suất tuabin Kaplan

Đồ án nghiên cứu đã trình bày các đường đặc tính quan trọng. Đường đặc tính phối hợp giữa cánh hướng nước và bánh xe công tác cho thấy mối quan hệ tối ưu giữa độ mở của hai bộ phận này để đạt hiệu suất tuabin Kaplan cao nhất ở các mức cột nước khác nhau. Ngoài ra, đường đặc tính P-Q mô tả giới hạn làm việc của máy phát, cho biết khả năng phát và nhận công suất vô công. Bằng cách vận hành tổ máy theo các đường đặc tính này, nhân viên vận hành có thể đảm bảo tổ máy luôn hoạt động trong vùng hiệu quả, tránh các vùng làm việc gây rung động hoặc xâm thực, từ đó tối ưu hóa lượng nước sử dụng để sản xuất ra mỗi kWh điện.

5.2. Tầm quan trọng của bảo dưỡng tuabin máy phát định kỳ

Công tác bảo dưỡng tuabin - máy phát đóng vai trò quyết định trong việc duy trì hiệu suất và độ tin cậy của tổ máy. Bảo dưỡng định kỳ giúp phát hiện và khắc phục sớm các hao mòn, hư hỏng nhỏ trước khi chúng phát triển thành sự cố lớn. Các hoạt động này bao gồm kiểm tra cách điện cuộn dây, kiểm tra khe hở các ổ trục, làm sạch hệ thống làm mát và hiệu chỉnh các thiết bị đo lường. Nếu không được bảo dưỡng thường xuyên, hiệu suất của tổ máy sẽ suy giảm theo thời gian, tăng nguy cơ sửa chữa nhà máy thủy điện đột xuất với chi phí cao. Một kế hoạch bảo dưỡng hợp lý là khoản đầu tư cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định và lâu dài.