Nghiên Cứu Nâng Cấp Hệ Thống Kích Từ Nhà Máy Thủy Điện Ka Nak - Luận Văn Thạc Sĩ

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nâng cấp hệ thống kích từ nhà máy thủy điện Ka Nak, tập trung vào cải tiến hiệu suất và độ ổn định hệ thống.

• Tác giả: Nguyễn Văn Trí
• Người hướng dẫn: TS. Đoàn Đức Tùng
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu nâng cấp hệ thống kích từ nhà máy thủy điện Ka Nak
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN AN KHÊ - KA NAK
• 1.1. Vị trí công trình Thủy điện An Khê - Ka Nak
• 1.2. Thiết bị cơ khí thủy lực Thủy điện Ka Nak
• 1.2.1. Tua bin thủy lực
• 1.2.2. Máy phát thủy lực
• 1.2.3. Thiết bị cơ khí thủy lực phụ
• 1.3. Thiết bị cơ khí thủy công
• 1.4. Thiết bị điện
• 1.5. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ THỦY ĐIỆN KA NAK
• 2.1. Khái niệm và thông số hệ thống kích từ Thủy điện Ka Nak
• 2.2. Sơ đồ mạch nhất thứ và nhị thứ của hệ thống kích từ Thủy điện Ka Nak
• 2.3. Bộ biến đổi AC-DC dùng Thiristor
• 2.4. Mạch kích từ mồi
• 2.5. Máy cắt kích từ FMK-QF và hệ thống bảo vệ quá áp RMC
• 2.6. Bộ lọc sóng hài bậc cao phía nguồn cấp AC và phía tải DC
• 2.7. Các khối chức năng cơ bản của bộ AVR thủy điện Ka Nak
• 2.8. Các tín hiệu xuất đến phòng điều khiển trung tâm và báo tại tủ kích từ
• 2.9. Các chức năng giám sát giới hạn
• 2.10. Các giới hạn về kích thích
• 2.11. Các chế độ vận hành
• 2.12. Các tín hiệu cảnh báo, sự cố trong quá trình vận hành
• 2.13. Cài đặt các thông số giới hạn tại tủ kích từ
• 2.14. Chu trình lô gíc khởi động kích từ và ngừng kích từ
• 2.15. Các bước kiểm tra thí nghiệm hệ thống kích từ
• 2.16. Một số nhược điểm của hệ thống kích Thủy điện từ Ka Nak
• 2.17. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG KÍCH TỪ THỦY ĐIỆN KA NAK
• 3.1. Xác định mối quan hệ của U MF , I MF với k phI , k phU
• 3.2. Mô hình hệ tự động ổn định điện áp máy phát thủy điện
• 3.3. Lập hàm truyền của các phần tử trong hệ
• 3.4. Lập hàm truyền của hệ ổn định điện áp với phản hồi dương dòng điện và âm điện áp có khâu hiệu chỉnh dương dòng điện và âm điện áp
• 3.5. Nghiên cứu và đánh giá bộ AVR theo tiêu chuẩn IEEE 421.1 (ST4C) với mô hình THYNE500/THYNE600 của ANDRITZ Hydro nâng cấp cho TMH2
• 3.6. Mô phỏng Matlab hệ thống kích từ Ka Nak có bộ AVR theo tiêu chuẩn IEEE 421.1 (ST4C) với mô hình THYNE500 / THYNE600 của ANDRITZ Hydro nâng cấp TM H2
• 3.7. Kịch bản mô phỏng
• 3.8. Đánh giá độ ổn định của tổ máy với các thông số P, Q, U, I, F
• 3.9. Đánh giá khả năng làm việc của bộ AVR
• 3.10. Đánh giá khả năng làm việc của van bán dẫn có điều khiển (Thyristor) Q1
• 3.11. Đánh giá khả năng làm việc của AVR
• 3.12. Chọn sơ đồ một sợi để nâng cấp hệ thống kích từ tổ máy H2
• 3.13. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nâng cấp hệ thống kích từ

Luận văn tập trung vào việc nâng cấp hệ thống kích từ của Nhà máy Thủy điện Ka Nak. Hệ thống kích từ hiện tại chưa tối ưu, dẫn đến thời gian đáp ứng chậm và khả năng ổn định tĩnh hạn chế. Nghiên cứu đề xuất các giải pháp cải tiến, bao gồm việc sử dụng bộ AVR theo tiêu chuẩn IEEE 421.1 và mô phỏng bằng phần mềm Matlab để đánh giá hiệu quả. Mục tiêu là đảm bảo vận hành ổn định, tăng độ tin cậy và hiệu suất của tổ máy.

1.1. Khái niệm và thông số hệ thống kích từ

Hệ thống kích từ tại Nhà máy Thủy điện Ka Nak sử dụng phương pháp tự kích, bao gồm hai giai đoạn: kích từ ban đầu từ hệ thống ắc quy và quá trình tự kích từ đầu cực máy phát. Các thông số chính bao gồm dòng điện kích từ định mức 416 A, điện áp kích từ định mức 142 V, và sử dụng bộ chỉnh lưu cầu ba pha với Thyristor KP500A/2000V. Hệ thống này đảm bảo điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát và bảo vệ máy phát khi có sự cố.

1.2. Nhược điểm hiện tại

Hệ thống kích từ hiện tại có một số nhược điểm như thời gian đáp ứng lớn, dẫn đến thời gian hòa lưới kéo dài, đặc biệt trong giờ cao điểm. Khả năng ổn định tĩnh còn hạn chế, gây dao động công suất phản kháng. Những hạn chế này ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành và độ tin cậy của tổ máy.

II. Nhà máy Thủy điện Ka Nak

Nhà máy Thủy điện Ka Nak là bậc thang trên của Nhà máy Thủy điện An Khê, có vai trò quan trọng trong việc điều tiết nước và phát điện. Với công suất lắp đặt 13 MW, nhà máy sử dụng tua bin Kaplan và máy phát thủy lực. Hệ thống kích từ của nhà máy đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo ổn định điện áp và chất lượng điện năng.

2.1. Thiết bị cơ khí thủy lực

Nhà máy sử dụng tua bin Kaplan trực đứng với công suất 6813 kW và máy phát thủy lực có công suất định mức 6,5 MW. Các thiết bị phụ trợ bao gồm hệ thống nước kỹ thuật, hệ thống bơm tiêu nước, và hệ thống khí nén. Những thiết bị này đảm bảo vận hành ổn định và liên tục của tổ máy.

2.2. Thiết bị điện

Hệ thống điện của nhà máy bao gồm máy biến áp, trạm phân phối, và các thiết bị điều khiển, giám sát. Hệ thống kích từ là một phần quan trọng, đảm bảo điều chỉnh điện áp và bảo vệ máy phát. Nghiên cứu tập trung vào việc cải tiến hệ thống này để nâng cao hiệu suất vận hành.

III. Nghiên cứu kỹ thuật và ứng dụng

Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật và mô phỏng để đánh giá và cải tiến hệ thống kích từ. Phần mềm Matlab được sử dụng để mô phỏng các kịch bản vận hành, đánh giá độ ổn định của tổ máy và hiệu quả của bộ AVR. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc nâng cấp hệ thống kích từ sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của nhà máy.

3.1. Mô phỏng hệ thống kích từ

Mô phỏng bằng Matlab được thực hiện để đánh giá hiệu quả của bộ AVR theo tiêu chuẩn IEEE 421.1. Các kịch bản mô phỏng bao gồm đánh giá độ ổn định của tổ máy, khả năng làm việc của van bán dẫn Thyristor, và hiệu suất của bộ AVR. Kết quả cho thấy hệ thống kích từ nâng cấp đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn lớn, giúp Nhà máy Thủy điện Ka Nak vận hành ổn định và hiệu quả hơn. Việc nâng cấp hệ thống kích từ không chỉ cải thiện hiệu suất phát điện mà còn đảm bảo cung cấp nước liên tục cho Nhà máy Thủy điện An Khê, góp phần vào sự phát triển bền vững của công ty.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện Việt Nam tính đến năm 2018 có tổng công suất lắp đặt khoảng 46 GW, trong đó thủy điện chiếm tỷ lệ khoảng 37%, than chiếm 40,6%, tua bin khí 15,4%, dầu FO 2,2% và sinh khối 0,3%. Thủy điện đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng ổn định cho hệ thống điện quốc gia và thị trường bán buôn điện cạnh tranh. Nhà máy Thủy điện Ka Nak, với công suất lắp đặt 13 MW (2 tổ máy x 6,5 MW), là bậc thang trên của Nhà máy Thủy điện An Khê (160 MW), có vai trò điều tiết nước cho nhà máy An Khê và phát điện vào lưới quốc gia. Tuy nhiên, hệ thống kích từ hiện tại của nhà máy Ka Nak còn tồn tại nhiều hạn chế như thời gian đáp ứng lớn, khả năng ổn định tĩnh kém khi có dao động công suất phản kháng, và tính vận hành chưa ổn định, ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành và độ tin cậy của tổ máy.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, đánh giá và nâng cấp hệ thống kích từ của Nhà máy Thủy điện Ka Nak, đặc biệt tập trung vào bộ điều khiển tự động điện áp (AVR) theo tiêu chuẩn IEEE 421.1, nhằm đảm bảo vận hành ổn định, tin cậy và kinh tế cho tổ máy. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình hệ thống kích từ, thuật toán điều khiển PID, phân tích số liệu cài đặt, mô phỏng bằng phần mềm Matlab và đánh giá tính ổn định của hệ thống trong các kịch bản vận hành thực tế. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả vận hành nhà máy, đảm bảo cung cấp nước liên tục cho nhà máy An Khê, đồng thời tăng doanh thu phát điện và góp phần phát triển bền vững của Công ty Thủy điện An Khê - Ka Nak.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình điều khiển tự động trong kỹ thuật điện, đặc biệt là:

• Lý thuyết điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative): Thuật toán điều khiển PID được áp dụng để điều chỉnh dòng kích từ, giúp duy trì điện áp đầu cực máy phát ổn định trong các điều kiện tải khác nhau.
• Mô hình hệ thống kích từ máy phát điện: Bao gồm các thành phần như máy biến áp kích từ, bộ chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng thyristor, mạch kích từ mồi, máy cắt kích từ và các bộ lọc sóng hài AC/DC nhằm nâng cao chất lượng nguồn cấp cho cuộn dây rotor.
• Tiêu chuẩn IEEE 421.1 (ST4C): Tiêu chuẩn quốc tế về bộ điều khiển tự động điện áp (AVR) cho máy phát điện, được sử dụng làm cơ sở để đánh giá và nâng cấp hệ thống kích từ tại nhà máy.
• Các khái niệm chính: Dòng điện kích từ định mức (416 A), điện áp kích từ định mức (142 V), điện áp mồi 220 VDC, giới hạn quá dòng rotor, giới hạn quá áp stator, giới hạn tỉ số điện áp/tần số (V/Hz), và các chức năng bảo vệ như giới hạn dòng rotor, dòng stator, bảo vệ quá nhiệt và bảo vệ mất đồng bộ.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu vận hành thực tế của hệ thống kích từ tại Nhà máy Thủy điện Ka Nak, bao gồm các thông số dòng điện, điện áp, tần số, công suất phản kháng và các tín hiệu cảnh báo sự cố.
• Phương pháp phân tích: Phân tích đặc tính kỹ thuật của hệ thống kích từ hiện tại, đánh giá các giới hạn vận hành và chức năng bảo vệ dựa trên các số liệu đo đạc và tiêu chuẩn kỹ thuật.
• Mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng hệ thống kích từ với bộ AVR theo tiêu chuẩn IEEE 421.1, kiểm tra đáp ứng ổn định tĩnh và động của hệ thống dưới các kịch bản nhiễu loạn điện áp (2%, 5%, 10%, 15%) và thay đổi tải.
• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2019, bao gồm giai đoạn khảo sát hiện trạng, phân tích lý thuyết, mô phỏng và đề xuất giải pháp nâng cấp.

Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ hệ thống kích từ của tổ máy H2 tại Nhà máy Thủy điện Ka Nak, với phương pháp chọn mẫu toàn bộ nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả phân tích.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thời gian đáp ứng hệ thống kích từ còn lớn: Qua kiểm tra thực tế, thời gian đáp ứng của hệ thống kích từ khi có lệnh tăng/giảm điện áp đầu cực máy phát dao động trong khoảng 5 giây, làm tăng thời gian hòa lưới, đặc biệt trong giờ cao điểm khi điện áp thấp. Điều này ảnh hưởng đến khả năng vận hành linh hoạt và ổn định của tổ máy.

2. Khả năng ổn định tĩnh hạn chế khi có dao động công suất phản kháng: Mô phỏng và đo đạc cho thấy công suất phản kháng của tổ máy dao động mạnh khi có biến động tải, với biên độ dao động lên đến 15% so với giá trị đặt, gây ảnh hưởng đến chất lượng điện năng và độ bền thiết bị.

3. Hệ thống AVR hiện tại chỉ có một kênh và một cầu chỉnh lưu: Khi xảy ra lỗi kênh hoặc sự cố cầu chỉnh lưu, tổ máy phải ngừng vận hành, làm giảm tính liên tục và tin cậy của nhà máy. Cạc đo lường DSP3 làm việc không ổn định cũng là nguyên nhân gây ra các sự cố vận hành.

4. Chức năng bảo vệ và giới hạn chưa tối ưu: Các giới hạn dòng rotor, dòng stator, quá áp stator và tỉ số V/Hz được cài đặt theo các giá trị chuẩn nhưng chưa được điều chỉnh linh hoạt theo điều kiện vận hành thực tế, dẫn đến hiện tượng bảo vệ tác động không cần thiết hoặc không kịp thời.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các hạn chế trên là do hệ thống kích từ hiện tại sử dụng công nghệ lạc hậu, thiết bị và tủ bảng điều khiển được chế tạo dựa trên thiết kế tín hiệu tương tự và số của Trung Quốc đã sử dụng lâu năm, không còn sản xuất và khó thay thế. Phần mềm điều khiển không mở, khó kết nối với hệ thống SCADA/EMS hiện đại, gây khó khăn trong việc giám sát và điều khiển từ xa.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, việc áp dụng bộ AVR theo tiêu chuẩn IEEE 421.1 và sử dụng mô hình THYNE500/THYNE600 của ANDRITZ Hydro đã được chứng minh giúp nâng cao độ ổn định và khả năng đáp ứng của hệ thống kích từ. Mô phỏng Matlab cho thấy hệ thống mới có thể giảm biên độ dao động công suất phản kháng xuống dưới 5%, thời gian đáp ứng giảm còn khoảng 1-2 giây, cải thiện đáng kể hiệu quả vận hành.

Việc nâng cấp hệ thống kích từ không chỉ giúp tăng tính ổn định và tin cậy của tổ máy mà còn góp phần đảm bảo cung cấp nước liên tục cho nhà máy Thủy điện An Khê, từ đó nâng cao sản lượng điện và doanh thu cho Công ty Thủy điện An Khê - Ka Nak. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dao động công suất phản kháng trước và sau nâng cấp, bảng so sánh thời gian đáp ứng và tỉ lệ sự cố vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Nâng cấp bộ điều khiển tự động điện áp (AVR) theo tiêu chuẩn IEEE 421.1: Thay thế bộ AVR hiện tại bằng thiết bị mới có khả năng điều khiển đa kênh, tích hợp bộ lọc sóng hài và chức năng bảo vệ nâng cao. Mục tiêu giảm thời gian đáp ứng xuống dưới 2 giây, tăng độ ổn định điện áp. Thời gian thực hiện dự kiến 6 tháng, do phòng kỹ thuật và nhà thầu chuyên ngành thực hiện.

2. Cài đặt lại các giới hạn bảo vệ linh hoạt theo điều kiện vận hành thực tế: Điều chỉnh các thông số giới hạn dòng rotor, dòng stator, quá áp stator và tỉ số V/Hz dựa trên số liệu vận hành và mô phỏng để tránh bảo vệ sai và nâng cao tuổi thọ thiết bị. Thời gian thực hiện 3 tháng, do đội ngũ vận hành và kỹ thuật phối hợp.

3. Tích hợp hệ thống giám sát và điều khiển từ xa qua SCADA/EMS: Kết nối hệ thống kích từ với hệ thống SCADA hiện đại để giám sát liên tục, phát hiện sự cố kịp thời và điều khiển từ xa, nâng cao hiệu quả quản lý vận hành. Thời gian triển khai 4 tháng, phối hợp với nhà cung cấp phần mềm và phòng công nghệ thông tin.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành cho nhân viên: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ mới, vận hành hệ thống kích từ nâng cấp và xử lý sự cố nhằm đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả. Thời gian đào tạo 2 tháng, do phòng đào tạo và chuyên gia tư vấn thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư vận hành và bảo trì nhà máy thủy điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về hệ thống kích từ, giúp kỹ sư hiểu rõ cấu trúc, chức năng và cách thức vận hành, từ đó nâng cao hiệu quả bảo trì và xử lý sự cố.

2. Chuyên gia thiết kế và nâng cấp hệ thống điện: Các mô hình lý thuyết, phương pháp mô phỏng và đánh giá hệ thống kích từ theo tiêu chuẩn quốc tế là tài liệu tham khảo quý giá cho việc thiết kế và cải tiến hệ thống tương tự.

3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Thông tin về vai trò của thủy điện trong hệ thống điện quốc gia, cũng như các giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành nhà máy thủy điện, hỗ trợ trong việc ra quyết định đầu tư và phát triển bền vững.

4. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện: Luận văn là tài liệu học tập thực tiễn, giúp sinh viên nắm vững kiến thức về điều khiển tự động, hệ thống kích từ và ứng dụng phần mềm mô phỏng trong kỹ thuật điện.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống kích từ là gì và tại sao quan trọng trong nhà máy thủy điện?
   Hệ thống kích từ cung cấp dòng điện một chiều cho cuộn dây rotor máy phát, tạo ra từ trường cần thiết để phát điện. Nó đảm bảo điện áp đầu cực máy phát ổn định, giúp máy phát vận hành an toàn và hiệu quả.

2. Bộ điều khiển tự động điện áp (AVR) hoạt động như thế nào?
   AVR tự động điều chỉnh dòng kích từ dựa trên điện áp đầu cực máy phát, giữ điện áp ổn định khi tải thay đổi. Nó sử dụng thuật toán điều khiển PID để phản hồi nhanh và chính xác.

3. Tại sao cần nâng cấp hệ thống kích từ tại Nhà máy Thủy điện Ka Nak?
   Hệ thống hiện tại sử dụng công nghệ lạc hậu, thời gian đáp ứng chậm, khả năng ổn định kém và thiếu tính dự phòng, ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành và độ tin cậy của tổ máy.

4. Phần mềm Matlab được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   Matlab được dùng để mô phỏng mô hình hệ thống kích từ và bộ AVR, kiểm tra đáp ứng ổn định tĩnh và động dưới các kịch bản nhiễu loạn và thay đổi tải, giúp đánh giá hiệu quả các giải pháp nâng cấp.

5. Các giải pháp nâng cấp hệ thống kích từ có thể áp dụng cho các nhà máy thủy điện khác không?
   Có, các giải pháp như nâng cấp bộ AVR theo tiêu chuẩn quốc tế, cài đặt giới hạn bảo vệ linh hoạt và tích hợp hệ thống giám sát từ xa có thể áp dụng rộng rãi cho các nhà máy thủy điện nhằm nâng cao hiệu quả vận hành.

Kết luận

• Hệ thống kích từ hiện tại của Nhà máy Thủy điện Ka Nak còn nhiều hạn chế về thời gian đáp ứng, độ ổn định và tính dự phòng, ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành tổ máy.
• Nghiên cứu đã xây dựng mô hình điều khiển PID và mô phỏng bộ AVR theo tiêu chuẩn IEEE 421.1, chứng minh khả năng nâng cao độ ổn định và giảm dao động công suất phản kháng.
• Đề xuất nâng cấp bộ AVR, điều chỉnh các giới hạn bảo vệ, tích hợp hệ thống giám sát SCADA và đào tạo nhân viên nhằm đảm bảo vận hành tin cậy, kinh tế và bền vững.
• Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các nhà máy thủy điện khác nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và phát triển bền vững ngành năng lượng.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai nâng cấp thiết bị, kiểm tra hiệu quả vận hành thực tế và mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các tổ máy khác trong hệ thống.

Quý độc giả và các đơn vị liên quan được khuyến khích tham khảo và áp dụng các kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả vận hành nhà máy thủy điện, góp phần phát triển ngành năng lượng Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN AN KHÊ - KA NAK 1. Vị trí công trình Thủy điện An Khê - Ka Nak Sông Ba là con sông lớn ở Nam Trung Bộ nằm trong địa phận các tỉnh Kon Tum, Gia Lai và Phú Yên. Có diện tích lưu vực khoảng 14.000km2 có trữ năng sản lượng điện lý thuyết khoảng 10 tỷ kWh/năm, năng lượng khai thác kinh tế khoảng 3 tỷ kWh/năm.

Diện tích lưu vực tính đến tuyến An Khê trên 1246km2.[1] Thủy điện An Khê - Ka Nak là bậc thang trên cùng của hệ thống thủy điện trên dòng chính Sông Ba. Công trình được bố trí thuộc địa phận các xã Đông, xã Kroong, xã Lơ ku, xã Đăk Hlơ của huyện Kbang, xã Cửu An, xã Tú An, xã Thành An của Thị xã An Khê tỉnh Gia Lai, xã Tây Thuận huyện Tây sơn tỉnh Bình Định. Lợi dụng địa hình bố trí công trình với hai hồ chứa, hồ chứa Ka Nak ở phía thượng lưu có dung tích điều tiết nhiều năm bổ sung nước cho hồ An Khê, hồ An Khê có tuyến năng lượng chuyển nước sang lưu vực sông Côn, tận dụng cột nước địa hình giữa hai lưu vực sông Ba và sông Côn khoảng 350m để phát điện. Thủy điện An Khê - Ka Nak có nhiệm vụ chính là phát điện năng lên lưới Quốc Gia và cung cấp nước cho hạ du.

Thủy điện An Khê - Ka Nak có tổng công suất lắp máy 173MW, công suất đảm bảo 33.6 MW, điện lượng trung bình năm 699,8 x 106 kWh. Ngoài ra công trình còn bổ sung nguồn nước tưới 6 cho vùng đồng bằng hạ lưu Sông Côn tỉnh Bình Định và Sông Ba tỉnh Gia Lai. Nhà máy Thủy điện Ka Nak có hồ chứa là hồ Ka Nak, có công suất lắp máy 2 x 6,5MW. Thủy điện Ka Nak là bậc thang trên của nhà máy Thủy điện An Khê có hồ chứa là hồ An Khê, công suất lắp máy 2 x 80MW.

Thủy điện Ka Nak với vai trò phát điện vào lưới quốc gia và điều tiết nước cho hồ An Khê. Thiết bị cơ khí thủy lực Thủy điện Ka Nak 1. Tua bin thủy lực + Loại tua bin : Kaplan trực đứng + Công suất trên trục : Nt = 6813 Kw + Số vòng quay định mức : 428,6 v/ph + Số vòng quay lồng tốc : 1118 v/ph + Cột nước tĩnh : Hmax = 59,5m; Hmin = 27,5m; Htt = 36,5m + Đường kính bánh xe công tác : Dl = 1,5m + Hiệu suất tua bin ứng với Htt : 93,86 % + Lưu lượng qua tua bin ứng với Htt : Qt = 16,63 m3/s Phần dẫn chảy tua bin bao gồm buồn xoắn và ống xả. Chiều rộng buồn xoắn 5,46 m, đường kính mặt cắt vào buồn xoắn D = 2m.

Ống xả tua bin loại có khuỷu cong, chiều cao 3,75 m và chiều dài 7,25 m. Bánh xe công tác, cánh hướng dòng làm bằng thép không rỉ, có khả năng chống xâm thực cao. 7 Trục tua bin một đầu nối với bánh xe công tác, đầu kia nối trực tiếp với đầu trục máy phát. Ổ dẫn trục kiểu xéc măng ba bit, tự bôi trơn dầu.

Van trước tua bin thuộc loại van đĩa có đường kính trong 2,0 m [1],[2]. Máy phát thủy lực + Công suất định mức : Ntm = 6,5 MW + Hệ số công suất : cosφ = 0,85 + Điện áp điện định mức : U = 6,3 kV + Tần số dòng điện : f = 50 HZ + Hiệu suất máy phát : ηmf = 95,4 % + Mô men đà : GD2 = 158 tm2 Máy phát thủy lực có kết cấu trục đứng - kiểu dù. Ổ đỡ kiểu xéc măng. Máy phát làm mát bằng không khí tuần hoàn và không khí được làm mát bằng nước qua bộ trao đổi nhiệt.

Máy phát trang bị thiết bị kiểm tra nhiệt và tự động dập cháy [1],[2]. Thiết bị cơ khí thủy lực phụ + Hệ thống nước kỹ thuật đảm bảo cung cấp nước làm mát tới các bộ trao đổi nhiệt để làm mát không khí cho máy phát điện, bộ trao đổi nhiệt để làm mát dầu của ổ chặn, các ổ dẫn hướng trục tua bin và trục máy phát điện. Hệ thống nước kỹ thuật đảm bảo cung cấp nước dùng để bôi trơn và làm mát bộ đệm kín trục tua bin. + Hệ thống bơm tiêu nước gồm các máy bơm tiêu nước rò rỉ và tháo cạn nước trong đường hầm, buồn xoắn và ống xả tua bin.

+ Hệ thống dầu bao gồm dầu tua bin và dầu cách điện. 8 + Hệ thống khí nén của nhà máy gồm máy nén khí thấp áp 7 kg/cm2 và các bình thu khí đảm bảo các nhu cầu phanh hãm tổ máy và nhu cầu kỹ thuật khác. + Hệ thống phòng cháy chữa cháy sử dụng nước có áp từ bể chữa cháy qua hệ thống đường ống chính và phân phối đi đến tất cả các nơi của nhà máy. + Hệ thống đo lường kỹ thuật dùng để đo và lấy tín hiệu mực nước thượng lưu và hạ lưu, lưu lượng nước qua tua bin… 1.

Thiết bị cơ khí thủy công Thiết bị cơ khí thủy công tại Nhà máy Thủy điện Ka Nak được bố trí các hạng mục cửa nhận nước, đường hầm dẫn nước, nhà máy và hạ lưu nhà máy, công trình xả vận hành. - Công trình xả vận hành. Công trình xả vận nhành là đập đá bê tông bản mặt. Có ba khoang xả với kích thước 12x13m, nâng hạ bằng xi lanh thủy lực.

- Cửa nhận nước Cửa nhận nước có nhiệm vụ đưa nước vào đường hầm dẫn nước. Cửa nhận nước bao gồm cửa van sự cố sửa chữa, lưới chắn rác và thiết bị nâng. - Đường hầm dẫn nước Đường hầm dẫn nước có nhiệm vụ dẫn nước từ cửa nhận nước đến van vào trước tua bin. - Nhà máy và hạ lưu nhà máy Trong gian máy bố trí cầu trục sức nâng 50 tấn dùng để lắp đặt tổ hợp, rô to máy phát, stato máy phát và tua bin.

9 Ở hạ lưu ống xả tổ máy bố trí của van sửa chữa hạ lưu dùng để ngăn cửa ra ống xả và tiêu cạn nước ống xả phục vụ việc kiểm tra sửa chữa tua bin, bánh xe công tác tua bin. Thiết bị điện Thiết bị điện nhà máy bao gồm:[1],[2]. + Máy biến áp và trạm phân phối: đấu nối từ phía thứ cấp của các máy biến áp chính lên lưới điện truyền tải thông qua trạm phân phối ngoài trời. + Các hệ thống thiết bị điện chính và phụ trong nhà máy: Nhà máy được trang bị đầy đủ các hệ thống thiết bị chính và phụ theo tiêu chuẩn để đảm bảo vận hành an toàn và thuận tiện, bao gồm: - Các máy phát điện và hệ thống kích từ, hệ thống điều tốc.

- Hệ thống thiết bị phân phối điện áp máy phát. - Hệ thống điện tự dùng. - Hệ thống thiết bị điều khiển, giám sát, đo lường và bảo vệ rơ le. - Hệ thống nối đất và chống sét toàn công trình.

- Hệ thống chiếu sáng điện và cấp nguồn công suất nhỏ. - Hệ thống báo cháy địa chỉ. - Hệ thống thông tin liên lạc. Kết luận chương 1 Chương 1 đã mô tả tổng quát nhà máy thủy điện, gồm có: tuyến năng lượng là hồ chứa, đập tràn, cửa nhận nước, đường hầm dẫn nước; nhà máy gồm có tua bin, máy phát, hệ thống điện trong nhà máy và hệ thống công nghệ như 10 khí nén, dầu áp lực…Giúp người đọc có được cái nhìn cụ thể về hình ảnh của nhà máy thủy điện.

Để tạo ra điện năng thì nhà máy thủy điện phải có đầy đủ các hệ thống công nghệ như đã nêu. Trong các hệ thống đó thì hệ thống kích từ giữ vai trò đặc biệt quan trọng để tạo ra điện năng. Đây là mục tiêu chính cần nghiên của luận văn. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ THỦY ĐIỆN KA NAK 2.

Khái niệm và thông số hệ thống kích từ Thủy điện Ka Nak Hệ thống kích từ hoạt động thỏa mãn các yêu cầu trong từng bước của trình tự khởi động tổ máy hoặc ngừng tổ máy. Hệ thống kích từ thực hiện các chức năng tự động điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát trong chế độ phát công suất, đảm bảo độ ổn định của MF và chất lượng điện năng, bảo vệ máy phát khi có hiện tượng bất thường hoặc sự cố. Hệ thống kích từ sử dụng phương pháp tự kích, quá trình cung cấp năng lượng kích từ gồm 2 giai đoạn: - Kích từ ban đầu: Năng lượng lấy từ hệ thống Ắc quy 220 VDC. - Quá trình tự kích: Năng lượng lấy từ đầu cực máy phát qua máy biến áp kích từ, bộ chỉnh lưu (SCR), được điều khiển bởi AVR.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống kích từ * Các thông số chính của hệ thống kích từ + Dòng điện kích từ định mức : 416 A + Điện áp kích từ định mức : 142 V 12 + Dòng điện kích từ không tải : 222 A + Điện áp kích từ không tải : 52 V + Điện áp mồi từ 220VDC + Điện áp định mức đầu cực máy phát : 6300V + Dòng điện định mức của máy phát : 744,3A + Hệ số công suất định mức : Cos=0,8 + Máy biến áp kích từ công suất 160 kVA, tỉ số điện áp cao/hạ. 6300/224 V, dòng điện phía hạ/cao 412,4/14,67 A. + Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng Thiristor KP500A/2000V. + Công tắc tơ đóng cắt kích từ mồi (QLC) 100A/220 VDC.

+ Máy cắt kích từ FMK 630A/220 VDC. Sơ đồ mạch nhất thứ và nhị thứ của hệ thống kích từ Thủy điện Ka Nak Mạch điện nhất thứ là mạch điện tiếp nhận các nguồn điện cao áp đến trạm, biến đổi điện áp của nguồn điện nhận được, sau đó phân phối đi nguồn điện có điện áp biến đổi .