Hệ thống đo lường trong nhà máy thủy điện

Bài viết sau đây trình bày chi tiết một số hệ thống đo lường chính đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận hành nhà máy.

Trong nền công nghiệp hiện tại, thuật ngữ “đo lường” đã trở nên quá quen thuộc, sẽ không phải mô tả nhiều để có thể hình dung được mục đích, tác dụng và tầm quan trọng của nó. Trong các nhà máy công nghiệp sử dụng hoặc điều khiển năng lượng tự nhiên nói chung và nhà máy thuỷ điện nói riêng, đo lường là một khâu quan trọng không chỉ để mô tả trạng thái, đối tượng cần điều khiển mà còn là cơ sở để hiểu rõ, nắm bắt và điều khiển được những nguồn năng lượng tự nhiên không theo quy luật.

Trong bài này, người viết với hy vọng mô tả khái quát về nhà máy thuỷ điện, sẽ trình bày chi tiết một số hệ thống đo lường chính đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận hành nhà máy.

Giới thiệu thiết bị thuỷ điện

Thiết bị quan trọng nhất trong một nhà máy thuỷ điện là tuabin thuỷ lực, được vận hành và điều khiển bởi dòng nước, tuỳ theo sự lựa chọn loại thiết bị này sẽ quyết định kết cấu, hình dạng và phương thức điều khiển của nhà máy thuỷ điện. Để minh hoạ cho hệ thống đo lường, bài viết sẽ sử dụng nhà máy thuỷ điện với tuabin Kaplan trục đứng cánh quay.

Hinh1: Tuabin Kaplan

1. Cánh hướng. 2. Buồng xoắn. 3. Bánh xe công tác. 4. Ống hút.

Nước tích trên hồ chứa được dẫn vào cửa nhận nước tới buồng xoắn tạo áp lực qua hệ thống cánh hướng làm quay tuabin. Bằng việc thay đổi độ mở cánh hướng hoặc đồng thời thay đổi góc nghiêng của bánh xe công tác sẽ làm thay đổi lưu lượng nước qua tuabin, mục đích duy trì tốc độ quay ổn định. Tốc độ của tuabin có ổn định hay không ảnh hưởng rất lớn tới các đại lượng thể hiện năng suất và chất lượng của điện phát ra như công suất phát, điện áp, tần số… Để điều khiển độ mở cánh hướng hay góc nghiêng của bánh xe công tác phải căn cứ vào nhiều thông số thay đổi: mực nước thượng lưu, mực nước hạ lưu, áp lực tại cửa nhận nước (áp lực sau lưới chắn rác), áp lực trong ống hút, áp lực trong buồng xoắn… trong các trường hợp vận hành.

Đo và điều khiển mực nước thượng lưu

Đối với nhà máy thuỷ điện, mực nước thượng lưu có một ý nghĩa hết sức quan trọng, đây là một thông số được điều khiển liên tục trong suốt quá trình vận hành nhà máy.

Mực nước thượng lưu được đo liên tục trong một khoảng cao trình tại cửa nhận nước bằng các rơle kiểu phao; tín hiệu điện của rơle được chuyển thành tín hiệu số thông qua bộ biến đổi và truyền tới hệ thống điều khiển nhà máy. Có thể sử dụng một lõi trong cáp thông tin để truyền tín hiệu này.

Hệ thống điều khiển sẽ điều khiển và giám sát mực nước bằng cách gửi các tín hiệu đầu ra tăng hay giảm đến bộ điều khiển tổ máy để duy trì mực nước thượng lưu trong giới hạn cho phép. Có hai mức tác động cảnh báo cho mỗi trạng thái mực nước cao thấp khi mực nước thực nằm ngoài giới hạn này. Mực nước thượng lưu được điều khiển bằng cách tác động tăng/giảm lưu lượng nước qua tuabin hoặc/và mở cửa van đập tràn.

Mục tiêu điều khiển tránh mực nước thượng lưu quá cao và tránh gây nguy hiểm cho tuabin trong trường hợp mực nước thượng lưu quá thấp.

Các trường hợp vận hành khi mực nước thượng lưu xuống thấp:

- Phát tín hiệu sa thải phụ tải cho các tổ máy theo các điều kiện tốc độ, không tải, đồng bộ ứng với mực nước thấp cấp 1.
- Phát tín hiệu dừng máy cho các tổ máy trong trường hợp mực nước thượng lưu thấp cấp 2.
- Thường xuyên phát tín hiệu trong quá trình khởi động, mang tải và dừng các tổ máy để giữ mực nước trong tầm điều khiển.

Độ chính xác của hệ thống đo mực nước phải tốt hơn 1% trên toàn bộ thang đo. Mực nước được hiển thị bằng số trên màn hình vận hành của hệ thống điều khiển tương ứng với giá trị vạch chia 100mm và 10mm, điều này thoả mãn yêu cầu theo dõi sự thay đổi nhỏ của mực nước và không ảnh hưởng tới độ chính xác chung theo yêu cầu.

Đo mực nước hạ lưu

Mực nước hạ lưu được đo trong một dải cao trình bằng bộ biến đổi áp lực (hoặc kiểu rơle phao) treo trong một ống thép đặt tại sàn cao trình nâng hạ cửa van ống hút. Tín hiệu điện của bộ chuyển đổi áp suất – điện được chuyển sang tín hiệu số và truyền về hệ thống điều khiển nhà máy.

Mực nước hạ lưu và mực nước thượng lưu được chỉ báo trong phòng điều khiển như một phần của hệ thống điều khiển chung

Đo chênh áp cửa nhận nước

Hai bộ rơle đo chênh áp hai bên lưới chắn rác, kiểm soát độ tụ của rác tại lưới chắn rác và cho biết mức độ tổn thất cột nước qua lưới chắn rác. Nguyên tắc của bộ rơle này dựa trên hai đầu cảm biến đo áp lực hoạt động theo kiểu vi sai. Các cặp tiếp điểm thích hợp được trang bị để gửi tín hiệu cảnh báo tới hệ thống điều khiển nhà máy khi tổ thất cột nước qua lưới chắn rác là 3m.

Đo lường tại cửa nhận nước

Trong trường hợp sự cố hoặc sửa chữa, các của van sửa chữa và sự cố tại cửa nhận nước sẽ được đóng lại, thông thướng cửa van sự cố được vận hành bằng hệ thống xilanh thuỷ lực, thời gian vận hành hoàn toàn khoảng vài giây. Ngoài các tín hiệu về mực nước và độ chênh áp đã nêu trên, tín hiệu chỉ báo trạng thái và độ mở cửa van cũng được đo và truyền tới hệ thống điều khiển, độ mở cửa van có thể được cài đặt từ hệ thống điều khiển. Tại tủ điều khiển tổ máy được bố trí một nút dừng sự cố, lệnh đóng sự cố các cửa van cửa nhận nưôccs thể thực hiện tại trung tam điều khiển hoặc tủ điều khiển tổ máy.

Đo và điều khiển cửa van đập tràn

Trong trường hợp mực nước thượng lưu quá cao, để bảo đảm an toàn cho công trình, cửa van đập tràn được mở để xả bớt lượng nước trên hồ chứa. Các của van đập tràn thường được điều khiển bằng các hệ thống xilanh thuỷ lực. Tín hiệu chỉ báo trạng thái và độ mở cửa van được truyền về hệ thống điều khiển, độ mở cửa van có thể được cài đặt từ hệ thống điều khiển trung tâm.

Việc mở các cửa van đập tràn đối với các nhà máy có hệ thống đập lớn là hết sức nguy hiểm cho hạ lưu, vì vậy có một số nhà máy được thiết kế với các cửa van xả đáy, cũng được điều khiển bằng xilanh thuỷ lực.

Đo nhiệt độ

Một máy quét nhiệt độ và một máy in được trang bị để theo dõi nhiệt độ cuộn dây và ổ bạc của máy phát, máy in sẽ in ra các giá trị nhiệt độ và giá trị báo động khi có yêu cầu. Máy quét có hai mức đặt báo động có thể đặt cho giá trị nhiệt độ khi vượt quá ngưỡng, chu kỳ quét của máy quét nhỏ hơn 10s. Hệ thống quét có khả năng xử lý ít nhất 25 đầu cảm biến nhiệt độ và có đủ các tiếp điểm cần thiết tại các mức khác nhau cho các tín hiệu đi vào PLC.

Các cảm biến nhiệt được sử dụng đo nhiệt độ các bộ phận sau:

- Các dây dẫn trên lõi từ stator máy phát.
- Khe lõi từ stator.
- Lõi stator.
- Các ổ hướng, ổ đỡ máy phát và tuabin.
- Đệm trục tuabin.
- Đầu vào của hệ thống nước làm mát.
- Đầu ra của hệ thống nước làm mát.

Các điện trở shunt và các thiết bị thích hợp được bố trí trong mạch kích thích rôtor để đo nhiệt độ cuộn dây rôtor một cách liên tục.

Nhiệt độ tổ máy được chỉ báo bởi các đồng hồ với các khoá lựa chọn 20 vị trí gắn trên dãy tủ điều khiển mỗi tổ máy, tín hiệu được lấy từ các cảm biến nhiệt ở trên.

Đo tốc độ

Thiết bị an toàn quá tốc ly tâm máy phát được trang bị có khả năng tự kiểm tra, kết hợp với một công tắc có các tiếp điểm để đóng các mạch một chiều 220kV và được cài đặt tại giá trị cao hơn 5% so với số vòng quay tức thời tối đa khi sa thải phụ tải hoàn toàn và máy điều tốc vận hành bình thường. Công tắc có thể chỉnh định để tác động tức thời tại giá trị tốc độ hoạt động của nó.

Giá trị gia tăng số vòng quay tức thời tối đa không vượt quá 35% khi sa thải phụ tải của một máy phát đang vận hành với 100% độ mở cánh hướng và ứng với giá trị cột nước lớn nhất, với độ dốc của đường đặc tính tốc độ cố định là 3%.

Tổ máy được trang bị một hệ thống chỉ báo số vòng quay với tiếp điểm có thể điều chỉnh. Các tiếp điểm được trang bị tối thiểu để chỉ báo các giá trị số vòng quay 10%, 20%, 50%, 90%, 110% vận tốc bình thường. Thêm vào đó có một tiếp điểm dùng để phát tín hiệu dừng máy khẩn cấp khi lồng tốc, nó được chỉnh định để tác động tại giá trị số vòng quay bằng với giá trị đặt cho thiết bị quá tốc ly tâm.

Thiết bị đo tốc độ tổ máy được lắp vào trục tổ máy, khoảng giữa tuabin và máy phát. Tín hiệu tốc độ được lấy từ đĩa răng cưa trên trục và các cảm biến tốc độ kiểu điện tử. Phạm vi đo tốc độ cho bộ điều khiển chính của bộ điều tốc với mục đích điều khiển tự động và tạo ra độ dốc, các giá trị giới hạn chính xác phải bao trùm từ 85% đến 115% tốc độ định mức. Mỗi tổ máy được trang bị hai bộ cảm biến với các mạch độc lập nhau, một bộ được sử dụng đo tốc độ cho bộ điều tốc, bộ còn lại đo tốc độ cho rơle tần số quay và chỉ báo tốc độ. Tất cả các giá trị tốc độ cần thiết cho hệ thống điều khiển và bảo vệ phải được cung cấp từ thiết bị này hoặc từ các bộ phận nằm trong thành phần của nó.

Dải đo lường sử dụng cho chỉ báo và cho các giá trị giới hạn khác phải độc lập hoàn toàn với các tín hiệu cho bộ điều tốc và có phạm vi đo từ 10% đến 150% tốc độ định mức.

Giám sát độ lệch trục tuabin

Tại ổ hướng tuabin có bố trí một bộ rơle không tiếp xúc kiểm soát độ lệch trục lớn nhất của tuabin. Rơle có 2 mức tác động, mức cảnh báo và mức dừng sự cố cơ khí.

Đo áp suất

Vùng tổ máy được trang bị nhiều thiết bị đo áp suất; tại đây, dao động áp suất có một ý nghĩa hết sức quan trọng.

Một hệ thống đồng hồ đo áp suất được trang bị để đo dao động áp suất khu vực giữa cánh hướng và bánh xe công tác.

Giá trị áp lực tối đa không được vượt quá 40m cột nước trong buồng xoắn hoặc ngay trong tuabin ở chế độ cắt tải đột ngột khi tổ máy đang vận hành mang tải ổn định. Giá trị này được áp dụng với tất cả các điều kiện vận hành bình thường của tổ máy.

Một hệ thống đầu đo được trang bị để đo bất cứ dao động nào trong ống hút.

Các đầu đo tại vị trí tối ưu được xác định để đo lưu lượng theo phương pháp Winter-Kenedy, các đầu đo này được sử dụng để giám sát và kiểm tra hiệu suất tuabin trong suốt tuổi thọ của nhà máy:

- Một bộ đo áp suất vi sai chính xác.
- Bốn bộ đầu đo tại buồng xoắn để đo các giá trị chênh lệch áp suất, phục vụ việc xác định lưu lượng theo phương pháp Winter-Kenedy, cùng với lưu tốc kế để đo lưu lượng qua tuabin.
- Bốn bộ đầu đo với các ống giãn nở để đo hiệu suất theo phương pháp nhiệt động.

Tất cả các thông số được đo lường trong quá trình vận hành đều thay đổi tác động lẫn nhau; với một hệ thống thời gian thực như các nhà máy công nghiệp, các hệ thống đo lường có một vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ hệ thống điều khiển ra quyết định. Tuy nhiên, trong một nhà máy lớn với điều kiện vận hành đặc biệt như nhà máy thuỷ điện, các hệ thống đo lường, đặc biệt là các cảm biến rất hay bị hỏng hoặc thiếu chính xác, cần phải chỉnh định thường xuyên để có thể phản ánh chính xác tình trạng hệ thống để đưa ra giải pháp điều khiển tối ưu.

Hình 2: Đo lường tại cửa nhận nước

4. Bộ chuyển đổi đo lường chênh áp lưới chắn rác.

5. Đo mức nước thượng lưu.

6. Cảm biến đo áp suất lưới chắn rác.

Hình 3: Đo lường tại tổ máy

1. Đo dao động áp suất ống hút.
2. Đo mực nước hạ lưu.
3. Đo áp suất buồng xoắn

LINK 1 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 2 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 3 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 4 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

NGUỒN: (Đàm Khắc Tiến: Tạp chí Tự động hóa ngày nay)

Bài viết sau đây trình bày chi tiết một số hệ thống đo lường chính đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận hành nhà máy.