Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tình trạng đề tài Hiện nay, trên thế giới, việc khai thác nguồn năng lượng tái tạo phi truyền thống như năng lượng gió, năng lượng mặt trời hay các nguồn năng lượng tái tạo truyền thống như năng lượng thủy điện đang là một định hướng phát triển chiến lược của nhiều quốc gia trên toàn cầu không phân biệt mức độ phát triển của mỗi nền kinh tế. Điều này lý giải không chỉ bởi tiềm năng to lớn và phân bố rộng khắp của nguồn năng lượng này mà cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội toàn cầu, nguồn năng lượng tái tạo này đã chứng tỏ được tầm quan trọng của mình trong quá trình phát triển của xã hội văn minh hiện đại. Đó không chỉ là nguồn năng lượng sạch, mà ngay tính tái tạo của nó đã mang tính bền vững, một mục tiêu bao trùm mọi định hướng phát triển kinh tế xã hội của các quốc gia đều hướng tới: Đó là sự phát triển bền vững. Trong lịch sử phát triển của mình, ngành xây dựng thủy điện Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung đã không ngừng phát triển, tuy nhiên thủy điện nhỏ đã trải qua nhiều thăng trầm qua mỗi giai đoạn.
Bùng phát trong những năm 70 để rồi như bị lãng quên trong những năm 80. Mặc dù vậy, do nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội, chính trị đã đưa con người vươn tới những vùng xa mới cùng với sự tiến bộ không ngừng của ứng dụng khoa học công nghệ hiện đại, thủy điện nhỏ hiện nay đã và đang là định hướng phát triển được nhiều quốc gia lựa chọn. Từ kinh nghiệm tích lũy qua thực tế thế giới cho thấy một trong những đặc điểm nổi bật của máy thủy điện vừa và nhỏ, đó là tỷ trọng đầu tư cho thiết bị chiếm tỷ lệ cao so với các công trình thủy điện lớn. Thường thì thiết bị thủy điện nhỏ chiếm 30% đến 40% vốn đầu tư ban đầu.
Trong trường hợp đặc biệt, con số này có thể lên đến 50%. Điều đó cho thấy tầm quan trọng của việc đầu tư nghiên cứu nhằm hoàn thiện thiết bị thủy điện vừa và nhỏ. Hiện nay trên 11 thế giới, cùng với sự ứng dụng nhiều các thành quả khoa học và công nghệ mới, thủy điện vừa và nhỏ đã hoàn toàn thay đổi chất lượng nguồn năng lượng của mình, kết quả là mọi sự nhìn nhận về thủy điện vừa và nhỏ đã phải thay đổi. Đóng góp phần không nhỏ của mình cho sự thay đổi đó phải kể đến việc ứng dụng ngày càng rộng rãi các hệ thống điều khiển tự động trong quá trình vận hành điều khiển các nhà máy thủy điện vừa vả nhỏ.
Sự hoàn thiện của máy điều tốc tuabin thủy điện cũng là một trong những yếu tố quan trong làm nên sự thay đổi lớn đó. Chính vì vậy có thể làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị thủy điện và xây dựng các công trình thủy điện vừa và nhỏ trong giai đoạn phát triển kinh tế hiện nay của nước ta, việc đầu tư nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ chế tạo thiết bị thủy điện nói chung và điều tốc tuabin nói riêng đã và đang là vấn đề bức xúc, đòi hỏi của nền kinh tế. Với khả năng hiện có của ngành cơ khí chế tạo kết hợp với những kết quả và kinh nghiệm tích lũy được của các cơ sở nghiên cứu với đội ngũ cán bộ có trình độ không thua kém trong khu vực, việc nghiên cứu và cho ra một sản phẩm “điều tốc thủy điện” mang tính công nghiệp với chất lượng tương đương khu vực là điều hoàn toàn có thể.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài Ngoài nước: U (phân tích đánh giá được những công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài, những kết quả nghiên cứu mới nhất trong lĩnh vực nghiên cứu của đề tài, nêu được những khác biệt về trình độ KHCN trong nước và thế giới) Với mục tiêu giảm giá thành đầu tư và đơn giản công tác vận hành các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, theo logic đơn giản có thể cho rằng ở đây chỉ cần sử dụng những bộ điều tốc tuabin có nguyên lý đơn giản và rẻ nhất so với những bộ điều tốc của các nhà máy thủy điện lớn. Tuy nhiên, nếu tiếp cận vấn đề này từ góc độ “điều khiển đồng bộ” và tối ưu hóa nhà máy thủy điện vừa 12 và nhỏ chứ không chỉ đơn thuần là điều tốc thì chúng ta phải thay đổi khái niệm trên.
Các kết quả nghiên cứu thực tế tại Hoa kỳ, Nga và ngay cả Trung Quốc cho thấy tại các nhà máy thủy điện lớn, điều tốc tuabin chỉ là một phần trong hệ thống tự động điều khiển cũng như bảo vệ tổ máy trong quá trình làm việc. Trong khi đó, đối với nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, việc lắp đặt riêng biệt các hệ thống điều tốc, điều khiển tự động phân bố tải và bảo vệ tổ máy sẽ dẫn đến nhiều tốn kém trong đầu tư ban đầu. Ở đây, phương án tối ưu được chọn phổ biến trên thế giới, đó là tổ hợp các chức năng trên vào cùng với điều tốc tuabin. Với xu hướng tiến tới nhà máy thủy điện vừa và nhỏ hoàn toàn tự động, với ứng dụng kỹ thuật mới, việc vận hành, bảo dưỡng sửa chữa các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ được đơn giản hóa rất nhiều nhờ sử dụng các tổ hợp, linh kiện tiêu chuẩn.
Đây là điều mà trước đây, các nhà máy điện chưa thể có được Trên thế giới hiện nay, các máy điều tốc tuabin dùng cho các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ được thiết kế chế tạo dựa trên các nguyên lý cơ bản, đó là nguyên lý Cơ khí, nguyên lý Thủy - cơ, nguyên lý Điện- thủy lực và hiện nay mới xuất hiện loại mới nhất, đó là nguyên lý Cơ điện tử. Loại thứ nhất được nghiên cứu và ứng dụng cho các trạm thủy điện có công suất rất nhỏ vài trăm kW với đầu tư khiêm tốn đã chứng tỏ được độ tin cậy trong quá trình vận hành. Trong một thời gian dài, các mẫu điều tốc thủy - cơ của các nước Áo, Tiệp đã là sự lựa chọn hàng đầu cho các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ trên toàn thế giới cũng như tại Việt Nam. Tuy nhiên, trong giai đoạn phát triển mới hiện nay của thủy điện vừa và nhỏ với xu hướng điều khiển đồng bộ một nhóm hoặc nhiều nhà máy với hệ thống quản lý, điều khiển trung tâm nhằm tiêu chuẩn hóa chất lượng nguồn điện, loại điều tốc Cơ điện tử đã trở thành sự lựa chọn ưu tiên trong thiết kế và xây dựng các nhà máy thủy điện, các bộ điều tốc tuabin.
13 Trong nước: U Từ những năm 80, cùng với phong trào làm thuỷ điện nhỏ, việc nghiên cứu thiết kế và xây dựng và các nhà máy thuỷ điện vừa và nhỏ ở Việt nam đã đạt được một số thành công nhất định. Nhiều mẫu tuabin thủy lực công suất đến 2MW đã được thiết kế chế tạo lắp đặt chủ yếu cho các vùng xâu, vùng xa. Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo các bộ điều tốc cũng đã được triển khai tại một số địa chỉ như Viện nghiên cứu Cơ khí - Bộ Công nghiệp, Nhà máy Cơ khí Hà nội, Trường Đại học Bách khoa Hà nội, Viện Khoa học Công nghệ Thuỷ lợi,.v…Tuy nhiên những kết quả đạt được tại các địa chỉ trên cũng chỉ mới dừng ở mức độ sản phẩm chế tạo đơn chiếc, chưa có tính công nghiệp. Hơn nữa các sản phẩm đó sau khi đưa vào vận hành đã không được theo dõi đánh giá chu đáo để có thể chuẩn hoá một quy trình công nghệ phục vụ cho việc triển khai chế tạo mang tính sản phẩm công nghiệp sau này.
Chính vì vậy mặc dù đạt được một số kết quả nhất định, song các sản phẩm này chưa có giá trị nghiên cứu cao. Vào những năm cuối của thập niên 80, được sự đầu tư của UBKHKTNN (cũ) đã hình thành và triển khai một đề tài khoa học về nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử bộ điều tốc điện thuỷ lực. Sản phẩm đề tài đã được lắp đặt chạy thử tại trạm thuỷ điện Iarăng II Buôn ma thuật Tây nguyên.Tuy nhiên, quá trình triển khai đề tài còn nhiều bất cập nên kết quả đạt được là rất hạn chế và cũng nhanh chóng bị lãng quên. Năm 1990, theo chương trình “mang ánh sáng văn hoá đến với đồng bào dân tộc” của Đảng và Nhà nước, Trường ĐHBK Hà nội đã triển khai đề tài Chưpả thuộc tỉnh Gia lai – Công tum (cũ).
Sản phẩm được lắp đặt đã cho phép hoà hai tổ máy tuabin 200kW mà trước đó, suốt ba năm tồn tại chưa bao giờ được hoà. Tuy nhiên do điều kiện kinh tế, đề tài cũng không được tổng hợp đầy đủ các kết quả nên cũng không có giá trị nghiên cứu cao. 14 Năm 1992 nhóm nghiên cứu của trường ĐHBK Hà nội cũng triển khai đề tài điều tốc Điện thuỷ lực cho nhà máy thuỷ điện Phước sơn Đà nẵng với tổ máy tuabin 1,2MW. Tuy nhiên, giai đoạn đó do sự phát triển mạnh của các nhà máy thuỷ điện lớn như Trị An, Yaly, … nên kết quả đạt được cũng không thể mở rộng phạm vi ứng dụng.3 Liệt kê danh mục các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài đã nêu trong phần tổng quan Đề tài “Nghiên cứu tính năng của máy điều tốc Cơ điện tử trong quá trình điều khiển” được hình thành trên cơ sở các kết quả thu được sau khi đã tìm hiểu và phân tích một số đề tài, một số máy điều tốc được tham quan: - Công trình thuỷ điện Chưpả Gia lai.
Công suất 300 KW - Công trình thuỷ điện Thác bay Điện Biên Phủ. Công suất 2MW - Công trình thuỷ điện Phước sơn – Đà nẵng. Công suất 1MW - Đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy điều tốc dùng cho các trạm thủy điện có công suất đến 500KW” của Nhà máy Chế tạo thiết bị điện Đông Anh do Kỹ sư Cao Ngọc Nông làm chủ nhiệm. - Nhà máy thủy điện Nậm Mu – Hà Giang.
Công suất 1 tổ máy là 4MW - Nhà máy thủy điện Thoong Gót – Cao Bằng. Công suất 600KW Đồng thời cũng trên những kết quả rút ra khi nghiên cứu các công trình tương tự, việc triển khai đề tài “Nghiên cứu tính năng máy điều tốc Cơ điện tử trong quá trình điều khiển” sẽ có nhiều thuận lợi.