Đăng ký thành viên

Bài viết này mô tả ba loại tuabin thủy lực, các ứng dụng và các thành phần của chúng.

Các nhà máy thủy điện là một trong những nguồn năng lượng tái tạo chính. Chúng hoạt động bằng cách sử dụng nước tích trữ trong các đập hoặc dưới dạng nước chảy tràn để sản xuất điện sạch, chi phí thấp thông qua việc quay các tuabin thủy lực bằng năng lượng của dòng nước chảy hoặc rơi từ trên cao.

Trong thực tế, điện năng được sản xuất ra bởi các máy phát điện đồng bộ hoặc máy phát điện xoay chiều đồng bộ, dẫn động thông qua các tuabin.

Thiết bị bơm thủy lực (Ảnh st)

Tuabin này chuyển đổi động năng hoặc thế năng của nước (tức là đập chứa nước) thành cơ năng. Các máy phát điện, ghép nối với bánh xe công tác thông qua trục, chuyển đổi cơ năng thành điện năng. Các đập là các hồ chứa nước, cung cấp thế năng cho cột nước. Cột nước là chênh lệch giữa mực nước tích trữ trong hồ chứa và mực nước ở đường ống xả.

Hình 1. Mô hình phát điện thủy điện (Ảnh st)

Việc thiết kế và lựa chọn tuabin phụ thuộc vào lưu lượng nước và cột nước tại hiện trường, từ cột nước thấp đến cột nước cao. Hiểu biết về các loại tuabin, cùng với các ứng dụng và cách sử dụng chúng, là rất quan trọng để tối đa hóa tính năng và hiệu quả của các cơ sở thủy điện.

Các loại tuabin

Tuabin được ghép trực tiếp với máy phát điện, tạo thành một tổ máy phát điện. Có ba loại tuabin thủy lực chính: Tuabin xung lực, tuabin phản lực và tuabin cánh quạt

Việc lựa chọn tuabin cho một ứng dụng cụ thể phụ thuộc vào công suất đầu ra và chiều cao cột nước mà tuabin sẽ hoạt động. Bánh xe Pelton thường phù hợp với chiều cao cột nước lớn nhất, tuabin Francis phù hợp với chiều cao cột nước trung bình, và loại tuabin cánh quạt phù hợp với độ cao cột nước thấp.

Hình 2. Thông số trên nhãn máy của Tuabin thủy lực Francis, Loại: Thẳng đứng với một bánh xe công tác kết hợp với Máy phát điện xoay chiều có tốc độ danh định 136,4 vòng/phút (Ảnh st)

Tuabin phản lực

Francis là một loại tuabin phản lực trong đó bánh xe công tác và ống hút chứa đầy nước. Có thể chế tạo Tuabin Francis với trục ngang hoặc trục đứng. Các tuabin lớn hơn thường có trục đứng. Vỏ ốc xoắn tạo thành một đường dẫn nước khép kín xung quanh tuabin và cho phép nước đi vào bánh xe công tác từ mọi phía. Ống hút dẫn nước thoát ra từ bánh xe công tác xuống kênh xả.

Với các tuabin lớn, người ta thường chia đầu xả theo chiều ngang của ống hút thành hai hoặc nhiều đường dẫn nước nữa bằng các tấm phân dòng theo phương thẳng đứng hoặc nằm ngang, giúp uốn thẳng dòng chảy trước khi xả nước ra lần cuối.

Tuabin xung lực

Hình 3 minh họa nguyên lý của bánh xe Pelton. Tuabin này thường có trục nằm ngang. Một đường ống áp lực bằng thép dẫn nước đến tuabin vào một vòi phun, cho phép phóng nước ra dưới dạng tia phun tốc độ cao. Tia nước này phun vào vỏ bánh xe, nơi có áp suất gần bằng áp suất khí quyển thực tế, và hướng vào các gáo lắp xung quanh vành đĩa bánh xe. Nước chảy xung quanh các gáo. Tia nước được chia thành hai phần bằng nhau bởi bộ phận trung tâm hoặc vách ngăn và di chuyển quanh bề mặt cong của gáo mà không làm đầy gáo. Khi bánh xe quay, các gáo sẽ di chuyển ra xa khỏi tia nước với vận tốc xấp xỉ bằng một nửa vận tốc của tia nước. Mặc dù nước rời gáo vẫn mang một phần năng lượng (dư), song phần lớn năng lượng ban đầu đã được khai thác hiệu quả để tạo công suất cơ học quay bánh xe (Trong thiết kế tối ưu, tia nước rời gáo với vận tốc thấp nhất có thể để đảm bảo hầu hết năng lượng đã được truyền cho bánh xe)

Hình 3. Tuabin Pelton, vòi phun và các gáo (Ảnh st)

Đôi khi, người ta sử dụng tấm chắn nước để chuyển hướng tia nước ra khỏi bánh xe trong trường hợp sa thải phụ tải, qua đó thực hiện chức năng như van xả áp, giúp ngăn chặn sự gia tăng áp suất nguy hiểm trong đường ống áp lực. Tuy nhiên, người ta cũng sử dụng song song các van xả áp.

Tuabin cánh quạt

Van xả áp và bể điều áp đảm bảo an toàn cho tuabin

Khi các tuabin kết nối với các đường ống áp lực dài, việc bố trí một số phương tiện chống tăng áp suất đột ngột là hết sức cần thiết, đặc biệt là trong trường hợp sa thải phụ tải đột ngột. Sau đây là một số ứng dụng chính khi máy đột nhiên sa thải phụ tải.

Tính năng của tuabin và hiệu suất của nhà máy

Thử nghiệm nghiệm thu là các thử nghiệm dùng để xác định sản lượng và hiệu suất của một tuabin mới và các thử nghiệm này thường yêu cầu đo chính xác lượng nước mà tuabin sử dụng. Chúng cũng dùng để đo tính năng của tuabin dưới các cột nước khác nhau và để xác định tình trạng của thiết bị sau khi hoạt động một thời gian dài.

Thật tiện lợi khi xác định tính năng tổng thể của thiết bị, bao gồm đường ống áp lực, tuabin và máy phát điện. Sản lượng của tổ máy có thể đo bằng công tơ của máy phát điện. Nếu xác định chính xác lưu lượng xả của tuabin thì có thể xác định dễ dàng hiệu suất tổng thể của tổ máy đối với một cột nước cụ thể tại thời điểm thử nghiệm. Như chúng ta đã biết, hiệu suất là tỷ số giữa sản lượng và đầu vào. Sản lượng là đầu ra đo được của máy phát điện tính bằng kilowatt, trong khi đầu vào tỷ lệ thuận với tích của lượng nước sử dụng và cột nước tổng. Đầu vào biểu thị bằng kilowatt theo đó:

Đầu vào tính bằng kW = 0,0845 QH

Trong đó

Q = lượng xả của tuabin tính bằng feet khối mỗi giây (cfs)

H = cột nước thô tính bằng feet (chênh lệch giữa độ cao của đập trước và kênh xả)

Vì thế,

e = Đầu ra/đầu vào = Máy phát điện kW/0,0845 QH

Công suất đầu ra của máy phát điện phụ thuộc vào lượng nước mà tuabin chuyển đổi thành điện, cột nước khả dụng và hiệu suất của tổ máy. Việc sử dụng nước hiệu quả vẫn là vấn đề quan trọng hàng đầu tại tất cả các nhà máy không thường xuyên hoạt động với lượng nước dồi dào và phải cân nhắc thêm các vấn đề như quản lý tích trữ và lắng đọng hồ chứa, tổn thất áp suất và lịch bảo trì để ngăn ngừa hiện tượng xâm thực, v.v., vì đây không phải là lượng có thể chỉ ra trực tiếp bằng công tơ của nhà máy.