Phương Pháp Tính Toán Chọn Các Thông Số Turbine

và chi phí vận hành giảm nhiều so với nhiều tổ máy. Do vậy ngày nay người ta có xu thế tăng công suất định mức của turbine, tức là giảm số tổ máy để có lợi về mặt kinh tế.

b. Về mặt hiệu suất:

Đối với loại turbine phản kích thì hiệu suất lớn nhất của của các hệ turbine có tỷ tốc khác nhau hầu như giống nhau, nhưng đường đặc tính công tác của chúng khác nhau. Về mặt năng lượng nên chọn những turbine có hiệu suất trung bình lớn nhất trong quá trình vận hành, tức là chọn kiểu turbine có đường đặc tính công tác thoải nhất hoặc phải tăng số lượng tổ máy.

c. Về mặt kích thước và số vòng quay tổ máy:

Nên chọn turbine có số vòng quay quy dẫn n'1 và lưu lượng quy dẫn Q'1 lớn, tức là turbine có tỷ tốc cao, do vậy vòng quay n lớn kích thước turbine sẽ nhỏ và kích thước máy phát cũng nhỏ, làm giảm kích thước nhà máy. Trong hai turbine có cùng tỷ tốc nhưng có n'1 và Q'1 khác nhau thì nên lấy turbine có Q'1 lớn hơn vì nó cho phép giảm đường kính BXCT mà số vòng quay không giảm khi vẫn giữ nguyên N và H.

d. Về mặt khí thực:

Turbine có tỷ tốc cao sẽ có hệ số khí thực lớn nên để đảm bảo không xảy ra khí thực trong quá trình làm việc với các cột nước khau nhau phải tạo ra chiều cao hút nhỏ. Vì vậy turbine có tỷ tốc cao (như hướng trục) bị điều kiện khí thực hạn chế sử dụng.

Những vấn đề nêu trên trong thực tế vận dụng cũng có những mâu thuẩn mà chúng ta cần phải phân tích lựa chọn cho phù hợp. Ví dụ khi so sánh hai turbine cùng hệ nhưng khác tỷ tốc. Turbine có tỷ tốc cao sẽ cho ta kích thước tổ máy và kích thước nhà máy bé, lợi về mặt khối lượng công trình, nhưng do tỷ tốc cao nên chiều cao hút bé, thậm chí âm nên phải hạ thấp móng nhà máy như vậy vốn xây dựng công trình lại tăng. Vì vậy việc chọn số tổ máy và các thông số cơ bản của turbine phải dựa trên cơ sở tính toán và so sánh kinh tế năng lượng để quyết định. Đầu tiên sơ bộ đưa ra một số phương án số tổ máy, sau đó tính toán so sánh chính xác dần các phương án đó về kiểu, đường kính BXCT, số vòng quay, chiều cao hút v..v..

Thông thường đối với thuỷ điện lớn theo các giai đoạn: giai đoạn dầu - tính sơ bộ, giai đoạn hai - so sánh các phương án một cách chính xác, sau đó chọn lấy một phương án tốt nhất. Đối với thuỷ điện nhỏ chỉ cần một giai đoạn tính toán dựa trên các bảng hệ loại hoặc theo các biểu đồ sản phẩm đã có và thường số tổ máy lấy từ 2 đến 4.

Sau đây sẽ trình bày các nội dung các phương pháp lựa chọn turbine được dùng trong trong thiết kế nhà máy thuỷ điện và lựa chọn các thiết bị cơ bản của chúng.

VI. 3. LỰA CHỌN TURBINE PHẢN KÍCH

Chọn turbine phản kích thường có những cách: Chọn theo quy cách sản phẩm; Chọn theo bảng, biểu hệ loại hoặc theo đường đặc tính tổng hợp chính; Chọn theo toạ độ lôgarit... Sau đây trình bày lựa chọn theo hai phương pháp đầu.

VI. 3. 1. Chọn theo quy cách sản phẩm

Dựa trên những turbine đã chế tạo và sử dụng trong thực tế người ta lập ra những bảng hoặc biểu đồ sản phẩm. Phương pháp này đơn giản dễ sử dụng và mua sắm

nhanh, đảm bảo quy cách chung. Để chọn hệ turbine ta phải biết công suất một turbine và phạm vi làm việc của các cột nước từ Hmin đến Hmax hoặc Htk:

Công suất một turbuine: Ntb 

Nlm

Z mf

(6-1)

Trong đó Z - số tổ máy; Nlm - công suất lắp máy; mf - hiệu suất máy phát.

Để chọn turbine loại nhỏ có thể sử dụng các bảng tra hoặc dùng biểu đồ sản phẩm. Kết quả của việc tra cứu ta có ngay được hệ loại và các thông số cơ bản của turbine (D1 , n):

1. Chọn theo bảng tra:

Mỗi bảng tra lập cho một kiểu turbine và kiểu tổ máy. Khi có cột nước thiết kế, công suất turbine, lưu lượng turbine ta dò trên bảng để tìm ra thông số turbine cần tìm và tương ứng sẽ tra được kích thước các bộ phận chính của turbine cần chọn. Nội dung bảng tra biểu thị theo dạng sau, lấy ví dụ bảng sau đây lập cho kiểu turbine tâm trục,số hiệu13, tổ máy trục ngang buồng kim loại.

Bảng 6-2. Ví dụ: Bảng tra Turbine tâm trục PO13-M

D1 (cm)

35			42			50
H (m)	N	Q	n	N	Q	n	N	Q	n
20	-	-	-	49.5	0,3	623	70,5	0,42	525
..
25	47	0,23	830	69	0,33	696	99	0,47	587
...
55	153	0,34	1231	225	0,49	1033	322	0,7	871
...

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 317 trang tài liệu này.

2. Chọn theo biểu đồ sản phẩm

Hình 6-7 là biểu đồ sản phẩm của turbine phản kích loại nhỏ dược lập với công suất N  4 000 kW và cột nước H = 2÷85m do Liên xô cũ thiết lập. Trong biểu đồ cho các phân số: mẫu số chỉ vòng quay n (v/ph) của turbine, còn tử số là hệ loại và kiểu tổ máy (ghi ở bảng bên cạnh). Ví dụ: muốn chọn một turbine có công suất Ntb = 350 kW, cột nước thiết kế Htk = 70 m, ta dóng trên biểu đồ và chọn được điểm có phân số22;

1000

vậy ta

chọn được turbine PO13 - M50, là turbine tâm trục (PO), kiểu hay số hiệu của

BXCT là 13, tổ máy trục ngang buồng xoắn kim loại (M), đường kính tiêu chuẩn của BXCT D1 = 50 cm, vòng quay n = 1000 v/ph.

Hình 6-7. Biểu đồ sản phẩm của turbine phản kích nhỏ.

VI. 3. 2. Chọn turbine theo bảng, biểu hệ loại và đường đặc tính tổng hợp

Theo phương pháp này, trước tiên ta dựa vào các bảng hệ loại (bảng 6-1) hoặc các biểu đồ tổng hợp hệ loại (hình 6-1, 6-2, 6-4) hoặc đường đặc tính tổng hợp chính.

Từ cột nước thiết kế Htk và công suất turbine Ntb ta tra ra được hệ và kiểu turbine. Nếu tra bảng hoặc biểu mà điểm tra được không phải chỉ chọn được một mà

một số kiểu BXCT thì phải thông qua tính toán so sánh kinh tê năng lượng để chọn một. Trong giai đoạn tính toán sơ bộ có thể dựa trên so sánh kích thước, số vòng quay, độ cao hút của turbine để chọn. Sau đây trình bày các cách chọn của phương pháp này:

1. Phương pháp tính toán chọn các thông số turbine

Sau khi đã chọn được kiểu turbine, tính toán các thông số cơ bản của turbine là

đường kính D1, vòng quay n, độ cao hút [HS] và vòng quay lồng nl, lực dọc trục.

a. Chọn đường kính tiêu chuẩn BXCT tính theo công thức quy dẫn sau:

D1 

(6-2)

Ntb

9,81Q' H3/ 2

1 tk

Trong công thức: N (kW), H (m), Q (m3/s), D (m); còn hiệu suất turbine lấy sơ bộ sau: Turbine tâm trục trung bình và lớn lấy  = 0,88 - 0,9; turbine cánh quay lấy 0,86÷0,88; lưu lượng quy dẫn Q'1 lấy giá trị Q'1max (đối với turbine tâm trục, vì để tăng khả năng thoát nứơc và hiệu suất trung bình cao) hoặc lấy Q'1min (đối với turbine cánh quay, vì muốn giảm hệ số khí thực) trong bảng tra (6-1), hoặc tra từ đường đặc tính tổng hợp trực tiếp có M, Q'1M rồi tính ra  và Q'1.

Đường kính tính được từ (6-2) cần phải lấy tròn theo đường kính tiêu chuẩn. Có thể tham khảo D1, D0 (đường kính trục các cánh hướng dòng), Z0 (số cánh hướng dòng) của turbine hệ loại cũ theo bảng (6-3) sau đây:

Bảng 6-3. Kích thước tính bằng mm

D0	Z0	D1	D0	Z0	D1	D0	Z0
300	420	10	1200	1450	16	3700	4300	24
350	490	10	1400	1700	16	4100	4700	24
420	570	10	1600	1900	16	4500	5250	24
460	620	12	1800	2150	16	5000	5800	24
500	670	12	2000	2350	16	5500	6400	24
590	770	12	2250	2650	16	6000	7000	24
710	920	14	2500	2900	24	6600	7700	24
800	1030	14	2750	3200	24	7200	8400	30
840	1050	14	3000	3500	24	8000	9300	30
1000	1200	16	3300	3850	24	9000	10500	30

b. Vòng quay của turbine:

Khi đã chọn đường kính tiêu chuẩn BXCT ta tính ra vòng quay của turbine theo công thức quy dẫn sau:

n (6-3)

Trong công thức: Hbq là cột nước bình quân (m), n'1 là vòng quay quy dẫn tối ưu của turbine, có thể lấy ở bảng (6-1) hoặc lấy trên đường đặc tính tổng hợp chính với n'10. Từ kết quả tính toán n theo (6-3) ta lấy chuẩn theo vòng quay đồng bộ của máy phát điện theo bảng vòng quay đồng bộ cho ở bảng (6-4) sau đây:

Bảng 6-4. Số vòng quay đồng bộ ứng với tần số f = 50 Hz

n	2p	n	2p	n	2p	n
6	1000	28	214	56	107,1	96	62,5
8	750	(30)	(200)	60	100	100	60
10	600	32	181,3	64	93,7	104	57,8
12	500	36	166,7	68	88,2	108	55,6
14	428	(38)	(157,8)	72	83,3	112	53,5
16	375	40	150	(74)	(81)	116	51,7
(18)	333,3	44	136,3	(76)	(78,9)	120	50
20	300	46	130,4	80	75	128	46,8
22	272,6	48	125	(84)	(74,4)	136	44,2
24	(250)	(50)	(120)	88	68,2	144	41,7
(26)	230,7	52	115,4	92	65,2	150	40

Ghi chú:

Không nên dùng các trị số trong dấu ngoặc vì lý do công nghệ chế tạo máy phát.

Sau khi chọn được D1 và n ta cần kiểm tra xem với các thông số này turbine làm việc với các chế độ cột nước và lưu lượng tương ứng có đảm bảo hiệu suất làm việc cho phép hay không. Để kiểm tra vùng hiệu suất ta cần sử dụng đờng đặc tính tổng hợp chính của hệ turbine đó (xem phần sau), nếu đảm bảo về hiệu suất ta tiếp tục tính toán và xác định một số thông số khác.

Trong trường hợp kiểu turbine nào đó có biểu đồ riêng đi kèm (ví dụ hình 6-8 cho biểu đồ riêng của kiểu turbine cánh quay  587-Bb) việc chọn D1 và n đơn giản như sau: Từ Htk và Ntb tra được hai thông số D1 và n ngay. Ví dụ có Htk = 14 m, và công suất turbine Ntb = 1250kW ta tra ra được một điểm nằm ở hình bình hành có ghi số 375, tức là n = 375 v/ph, từ điểm đó kéo song song với hai cạnh nghiêng của hình bình hành ta sẽ được đường kính D1 = 140 cm. Bên trái biểu đồ riêng có biểu đồ tra độ cao hút của turbine hS = f(H) lập ở cao trình đặt nhà máy  = 0. Đối với turbine cánh quay biểu đồ có hai đường hS = f(H), để tra hS ta phải nội suy, với turbine tâm trục thì chỉ có một đường. Áp dụng biểu đồ độ cao hút này để tra như sau: cũng ví dụ trên với cột nước thiết kế Htk = 14 m tra nội suy được độ cao hút hS = + 1,5, tính ra [HS] = hS - /900 với nơi đặt turbine có cao trình  0.

Hình 6-8. a) Biểu đồ riêng của turbine  587-Bb

b) Quan hệ  = f(H).

c. Lựa chọn độ cao hút cho phép:

Độ cao hút thay đổi theo giao động mực nước, theo cột nước và công suất làm việc của turbine, do vậy cần tính với nhiều tổ hợp làm việc để xác định và chọn ra độ cao hút cho phép [HS]. Từ đó chọn được cao trình đặt turbine để tránh khí thực. Độ cao hút có thể tính theo các công thức sau đây:

H 10 kH h 900



900

(6-4)

H 10 ()H h

900



900

(6-5)

Trong đó:  - hệ số khí thực, cho trong bảng (6-1) hoặc tra trên đường đặc tính tổng hợp

 - Cao trình đặt nhà máy so với mực nước biển;

 - Độ hiệu chỉnh hệ số khí thực (tra quan hệ  = f(H) trên hình 6-8,b); H - Cột nước làm việc của turbine ở chế độ đã cho;

k = 1,05 - 1,1

hS - Độ cao hút ứng với mực nước biển ( tra ở các biểu đồ riêng).

2. Kiểm tra hiệu suất turbine khi đã chọn D1 và n

Hmax

Như trên đã nói, sau khi tính và chọn đường kính tiêu chuẩn D1 và vòng quay đồng bộ n của turbine cần phải kiểm tra với các thông số này có đảm bảo turbine làm việc với hiệu suất trong phạm vi cho phép hay không. Dựa vào D1 và n đã chọn, giao động cột nước từ Hmin đến Hmax , ta tính các vòng quay quy dẫn n'1 và các lưu lượng quy dẫn Q'1 tương ứng với các cột nước và công suất và đem chúng đặt lên đường đặc tính tổng hợp chính của kiểu turbine đã biết đê kiểm tra (hình 6-9).

Với cột nước: H

max

có: n



1H max

n D1

và



1H max

Ntb

9,81. . D2 H3/ 2

1 max

Htk

có:



1Htk

n D1

và



1Htk

Ntk

9,81. . D 2 H3/ 2

Htk

Hmin

có:



1H min

n D1

1 tk

Hmin

Hình 6-9: a) kiểm tra vùng làm việc của turbine tâm trục; b) là kiểm turbine cánh quay.

Hình 6-9. Kiểm tra vùng làm việc của turbine tâm trục và cánh quay.

VI. 3. 3. Các kích thước khác của BXCT turbine phản kích

Khi đã chọn được đường kính tiêu chuẩn D1 ta có thể sơ bộ xác định thêm những kích thước khác khi chưa có kích thước cụ thể để phục vụ cho giai đoạn thiết kế sơ bộ.

Hình 6-10,a trình bày kích thứơc theo biên dạng mặt cắt kinh tuyến của turbine tâm trục (TT) của hai dạng BXCT tỷ tốc thấp và tỷ tốc cao, trong đó các kích thước biểu thị theo hệ số với đường kính tiêu chuẩn D1 của BXCT, tuỳ theo kiểu turbine. Biên dạng của mặt cắt kinh tuyến thường chọn theo mô hình có tỷ tốc gần với tỷ tốc nS của turbine cần thiết kế. Bảng 6-5 sau đây là của một số turbine tâm trục dã được sử dụng có hiệu suất cao ở LX cũ. Có thể thay đổi biên dạng này đôi chút cho phù hợp với yêu cầu thiết kế. Ví dụ có thể tăng tỷ số giữa chiều cao CCHD b0 so với giá trị đã cho trong bảng 6-5, như vậy tăng chất lượng chống xâm thực của BXCT. Đối với BXCT có nS lớn và trung bình có thể lấy b0/D1 = 0,35 - 0,2; còn đối với nS nhỏ lấy b0/D1 = 0,16 - 0,08.

Hình 6-10. Kích thước cụm BXCT turbine TT và CQ

Hình 6-10,b trình bày kích thước biên dạng phần dẫn dòng theo mô hình turbine đã tiêu chuẩn hoá lấy theo tỷ lệ với D1 của turbine cánh quay (CQ) và được dẫn ra theo bảng 6-6. Các biên dạng đã cho trong bảng 6-6 phụ thuộc vào cột nước H của turbine. Trong khoảng H = 1,5 - 80m có 9 biên dạng cánh khác nhau. Tỷ số b0/D1 và dbt/D1 dặc trưng cho khả năng thoát nước của turbine. Khi H nhỏ, Q lớn thì dường kính bầu cần nhỏ và b0 phải tăng để tăng khả năng thoát Q.

Bảng 6-5. Kích thước kinh nghiệm và số liệu lấy với turbine tâm trục

Hmax- Hmin

kiểu turbine	b0/D1	n1'	n'1tt	Q'1max	Q'1min
30-45	TT45/123	0,35	75	78	1400	1350
40-75	TT75/728	0,30	73	74	1370	1250
70-115	TT115/697	0,25	68	72	1250	1030
110-170	TT170/741	0,20	67	69	1030	680
180-230	TT230	0,16	62	67	650	420
220-310	TT310	0,12	60	65	420	280
300-400	TT400	0,10	58	62	280	200
380-500	TT500	0,08	57	60	200	150