CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT Ngày nay, cùng với những ảnh hưởng của nạn hâm nóng toàn cầu có thể được nhìn thấy khắp nơi trên toàn thế giới, hiện tượng khí hậu thay đổi đã trở thành mối lo ngại cho toàn thể nhân loại. Trong khi đó các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ đang dần cạn kiệt, giá thành tăng cao, nguồn cung lại không ổn định, nên trong thời gian gần đây nhiều nguồn năng lượng thay thế như năng lượng mặt trời, năng lượng gió và một số nguồn năng lượng tái tạo khác đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Trong số đó, việc sử dụng nguồn năng lượng từ sông, biển, suối được rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm đặc biệt hơn cả.
Việt Nam là đất nước dồi dào nguồn thủy điện nhỏ và các nguồn năng lượng tái tạo, nhưng đến nay vẫn còn khai thác ít. Theo số liệu của Dự án Năng lượng Ngân hàng Thế giới, Việt Nam mới chỉ sử dụng khoảng 11% tiềm năng năng lượng thủy điện nhỏ và các nguồn năng lượng tái tạo hiện có, bao gồm 12% năng lượng từ thủy điện, 30% từ điện Mặt trời, 15% từ nguyên liệu sinh học. Điều này cho thấy việc ứng dụng, triển khai các kỹ thuật thủy điện nhỏ và các nguồn năng lượng tái tạo còn đầy tiềm năng, cần được quan tâm đầu tư và có chính sách khuyến khích cho dạng năng lượng được coi là sạch này. [6] Theo ước tính của Viện Năng lượng, hệ thống sông ngòi Việt Nam có tiềm năng khoảng 300 tỷ KWh.
Trong khi đó, tiềm năng kinh tế kỹ thuật có thể khai thác được ước tính vào khoảng 80 tỷ KWh, hiện mới chỉ được khai thác khoảng 15% trữ lượng này, và hầu hết là ở các nhà máy thủy điện vừa và lớn như: Hoà Bình, Thác Bà, Sông Hinh…[6] Việc tiếp cận để tận dụng nguồn năng lượng mới này không chỉ góp phần cung ứng kịp nhu cầu năng lượng cấp thiết của Việt Nam nói riêng và của cả toàn xã hội nói chung mà còn giúp tiết kiệm điện năng và góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, việc sử dụng một nguồn năng lượng sạch như vậy còn góp phần 2 tạo nên làn sóng kêu gọi sử dụng năng lượng xanh đang được thực hiện trên hầu hết các nước hiện nay. Các vị trí có điều kiện thủy năng thuận lợi với cột nước cao cho các trạm thủy điện nhỏ đã được khai thác nhiều, còn lại là các điểm có cột nước thấp, lưu lượng lớn. Xây dựng các trạm thủy điện nhỏ, cột nước cực thấp là rất cần thiết để phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của đồng bào vùng núi cao, xa lưới điện quốc gia.
MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là tính toán, thiết kế trạm thủy điện nhỏ, cột nước cực thấp. Trạm thủy điện nhỏ kiểu này gồm máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu, bộ chỉnh lưu AC-DC, bộ nghịch lưu DC-AC, bộ biến đổi tăng áp, bộ biến đổi giảm áp. được đặt trong lớp vỏ không thấm nước hình dạng như tàu ngầm. Lớp vỏ không thấm nước này được đặt dọc trục bên trong ống dẫn dòng hình dạng ốngVenturi.
Máy phát điện bên trong lớp vỏ không thấm nước này sẽ kết nối trực tiếp với bánh công tác tuabin bên ngoài thông qua ổ bi chống thấm. Bánh công tác tuabin được đặt ở phần thót của ống dẫn dòng nhằm tăng vận tốc dòng chảy qua bánh công tác tuabin. Đây là công nghệ có thể thay đổi qui mô, có tiềm năng vô cùng to lớn trong việc khai thác nguồn năng lượng chưa dùng đến từ lưu lượng nước sông, và nhiều hệ thống khác ở hạ lưu nhằm cung cấp điện cho hộ gia đình vùng nông thôn, vùng cao, vùng sâu, vùng xa, các vùng không được cung cấp điện bởi lưới điện quốc gia. Cũng có nhiều khả năng khai thác điện từ dòng nước thải và các hệ thống cung cấp nước trong đô thị.
TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI Hiện chưa có luận văn, công trình nghiên cứu trong nước nào tính toán, thiết kế ống dẫn dòng hình dạng ống Venturi, cũng như tính toán biên dạng cánh bánh công tác tuabin cho hệ thống máy phát-tuabin công suất nhỏ, cột nước cực thấp. Sau đây là những lý do cần phải phát triển mô hình tuabin thủy điện công suất nhỏ, cột nước cực thấp tại Việt Nam: - Có thể giải quyết được ngay nhu cầu điện chiếu sáng cho một phần đáng kể trong tổng số 4,5 triệu dân vùng sâu, vùng xa chưa có điện, đặc biệt là các cụm dân cư độc lập mà việc hòa lưới điện sẽ rất tốn kém và lâu dài. 3 - Việt Nam có hệ thống sông ngòi dày đặc, cụm dân tộc thiểu số sống ven sông, suối. Đối tượng này nếu được khai thác tốt sẽ làm giảm áp lực đáng kể lên lưới điện quốc gia.
- Có thể nhân rộng mô hình và sử dụng trong đường ống các hệ thống xử lý nước thải, hệ thống cung cấp nước ở đô thị nhằm giảm bớt gánh nặng quá tải vào giờ vào giờ cao điểm lên hệ thống điện quốc gia. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Việc tính toán, thiết kế trạm thủy điện công suất nhỏ, hoạt động ở cột nước cực thấp là yêu cầu tương đối phức tạp. Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các vấn đề sau: - Tính toán ống dẫn dòng, tính toán công suất, lựa chọn máy phát điện, tính toán biên dạng cánh bánh công tác, chia lưới biên dạng cánh. - Phương pháp được sử dụng để tính toán biên dạng bánh công tác là phương pháp phân bố xoáy.
- Sử dụng phần mềm GAMBIT để vẽ, chia lưới biên dạng cánh và phần mềm FLUENT để vẽ biểu đồ hệ số lực nâng, lực cản tác dụng lên cánh bánh công tác. NỘI DUNG LUẬN VĂN Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về vấn đề trong luận văn, về mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài. Chƣơng2: Giới thiệu tổng quan về thủy điện nhỏ cột nước thấp Chƣơng 3: Trình bày cơ sở lý thuyết tuabin nước Chƣơng 4:Giới thiệu hệ thống phát điện dùng sức nước có thủy đầu thấp Chƣơng 5:Tính toán công suất và lựa chọn máy phát điện Chƣơng 6: Tính toán biên dạng cánh và vẽ biểu đồ hệ số lực nâng, lực cản Chƣơng 7: Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THỦY ĐIỆN NHỎ CỘT NƢỚC THẤP 2.1 PHẠM VI LÀM VIỆC CỦA TUABIN HƢỚNG TRỤC Để xác định phạm vi làm việc của tuabin hướng trục, trước hết cần phải phân loại tuabin. Có hai phương pháp chính để phân loại tua bin hiện nay là: - Phân loại theo cột nước.
- Phân loại theo hệ số tỷ tốc Ns. Phân loại tua bin theo cột nước chỉ được áp dụng cho các tổ máy lớn. ở các trạm thủy điện nhỏ thì việc phân loại tuabin được thực hiện theo hệ số tỷ tốc Ns. Với cùng một cột nước sẽ có sự trùng lặp các vùng làm việc các tua bin khác nhau và cách phân loại theo hệ số tỷ tốc Ns thể hiện đặc tính xâm thực, khả năng thoát, khả năng quay nhanh của tuabin.
Hệ số tỷ tốc của tuabin hướng trục. Để lựa chọn tua bin cần dựa vào các thông số công suất (N), cột nước (H), số vòng quay (n). Người ta dùng Ns làm đại lượng đặc trưng tổng hợp cho 3 thông số kể trên. Hệ số tỷ tốc Ns được định nghĩa là số vòng quay của một tua bin mẫu có đường kính bánh xe công tác D1 = 1m, làm việc với cột nước H = 1m và phát ra công suất 1 mã lực.H 4 H Tính theo các thông số quy dẫn: N s 3,65n1' Q1' Bảng 2.1: Phân loại tua bin theo tỷ tốc Ns STT Loại tua bin Tỷ tốc thấp Tỷ tốc trung bình Tỷ tốc cao 1 Tua bin hướng trục 270-500 500- 750 750-1000 2 Tua bin tâm trục 60-150 150-220 220-350 3 Tua bin xung kích 2 42-80 80-120 120-170 5 lần 4 Tua bin gáo 19 35 60 5 Tua bin tia nghiêng 20 40 70 Vậy tua bin hướng trục có tỷ tốc Ns nằm trong khoảng từ 270–1000 vòng/ phút.
Tua bin hướng trục cột nước thấp có tỷ tốc Ns = 750–1000 vòng /phút.2 NGHIÊN CỨU VÀ SẢN XUẤT TUABIN HƢỚNG TRỤC THỦY ĐIỆN NHỎ Ở CÁC NƢỚC 2. Tuabin hƣớng trục thủy điện nhỏ của Trung Quốc Gam tua bin thủy điện nhỏ của Trung Quốc gồm 5 loại tua bin : ZZ760, ZZ600, ZZ560, ZZ500, ZZ450 có tỷ tốc tương ứng: 760, 600, 560, 500, 500, 450. Các chỉ tiêu kỹ thuật được trình bày trên bảng sau: [3] Bảng 2. Các thông số kỹ thuật trong tua bin hướng trục của Trung Quốc Phạm Kiểu Đƣờng Chiều Tỷ số Số lá Vòng Lƣu Hiệu vi cột BCT kính cao bầu cánh quay lƣợng suất nƣớc BCT cánh db/D1 Z1 quy quy (%) mô hƣớng dẫn dẫn hình nƣớc (vg/ph) (m3/s) bo/D1 ZD760 250 0,45 0,35 4 3-8 ZZ600 195 4 142 1,03 85,5 6-15 ZZ560 460 0,4 0,33/0,38 4 140 1,06 89,0 15-22 ZZ560 460 0,4 0,35/0,4 4 140 1,08 88,3 18-30 ZZ500 460 0,4 0,4/0,44 5 128 0,98 89,5 25-40 ZZ450 350 0,375 0,45/0,5 6 120 0,92 90,5 Kết cấu của các loại tua bin ở bảng trên là có kết cấu cổ điển là buồn xoắn bê tông hoặc buồn xoắn kim loại, trục thẳng, ống hút thẳng hoặc cong.
Tua bin hướng trục được bổ sung thêm một số mẫu cánh cột nước thấp. Các thông số của tua bin hướng trục kiểu ống được nghiên cứu ở Trung Quốc như bảng 3: 6 Bảng 2.3: Bổ sung một số mẫu cánh cột nước thấp H(m) b/D1 db/D1 Z1 n1' ( vg/ph) Q1' ( l/s) <7 0,4 0,35 3 172-175 1600 -2800 < 12 0,35 0,40 4 150 -155 1300 -2400 < 18 0,32 0,43 5 135 -142 1250 -2000 2. Tua bin hƣớng trục thủy điện nhỏ của Tiệp Khắc (cũ) Tua bin hướng trục thủy điện nhỏ của Tiệp Khắc chỉ gồm 4 mẫu cánh trong đó có hai mẫu cánh dùng cho các loại tua bin có kết cấu trục đứng và trục ngang cổ điển là 4K84 và 4K69, có hai mẫu cánh dùng cho tua bin hướng trục có phần dẫn dòng hình chữ S là 4PK-10 và 4PK-26. Tua bin hƣớng trục của Liên Xô (cũ) Tua bin hướng trục của Liên Xô năm 1962 cho thủy điện nhỏ, có 3 loại bánh công tác, sử dụng trong phạm vi cột nước H<30m.
Sau đó bánh công tác 510 được thay thế bởi bánh công tác 20 / 661 , các chỉ tiêu kỹ thuật như ở bảng 4.
