Hướng dẫn sử dụng bộ máy phát điện

Hướng dẫn sử dụng bộ máy phát điện
Máy phát điện có khả năng chuyển đổi năng lượng cơ học hoặc các dạng năng lượng tái tạo khác thành năng lượng điện. Thông thường, người ta thường sử dụng máy phát điện tuabin hơi nước, tuabin hoặc động cơ đốt trong (xăng, diesel và các loại động cơ khác) làm nguồn động lực; tuy nhiên, trong những năm gần đây, các nguồn năng lượng tái tạo mới đã xuất hiện, bao gồm năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng mặt trời, sinh khối, năng lượng đại dương, v.v. Với công suất lớn hơn của các bộ máy phát điện diesel, máy có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài để cung cấp điện, đồng thời có thể hoạt động độc lập, không cần kết nối song song với lưới điện khu vực, giúp đảm bảo độ tin cậy cao ngay cả khi xảy ra sự cố lưới điện. Đặc biệt phổ biến ở một số khu vực nơi nguồn điện không ổn định, máy phát điện diesel đóng vai trò vừa là nguồn điện dự phòng, vừa là nguồn điện khẩn cấp; đồng thời, nhờ tối ưu hóa hợp lý thông qua hệ thống áp suất thấp, chúng thường được ưu tiên cung cấp điện cho các tải quan trọng trong trường hợp mất điện, do đó đã được ứng dụng rộng rãi trong các dự án. Dưới đây là giới thiệu về các nguyên lý cơ bản và cấu tạo của các máy phát điện thông dụng:
1. Hệ thống tuabin và máy phát điện tuabin. Để đạt được hiệu suất cao, các hệ thống này thường được chế tạo từ tuabin tốc độ cao, thường là 3000 vòng/phút (tần số 50 Hz) hoặc 3600 vòng/phút (tần số 60 Hz). Tốc độ tuabin tại các nhà máy điện hạt nhân tuy thấp nhưng vẫn từ 1.500 vòng/phút trở lên. Đối với các tổ máy tuabin-máy phát điện tốc độ cao, nhằm giảm lực ly tâm sinh ra do ứng suất cơ học và giảm mài mòn do gió, người ta thường thiết kế đường kính rôto tương đối nhỏ, chiều dài tương đối lớn, tức là sử dụng rôto mỏng. Đặc biệt đối với các tổ máy công suất lớn tốc độ cao từ 3.000 vòng/phút trở lên, do giới hạn về độ bền vật liệu, đường kính rô-to thường bị giới hạn chặt chẽ, thường không vượt quá 1,2 mét. Chiều dài thân rô-to cũng bị giới hạn bởi tốc độ tới hạn thứ hai. Khi chiều dài thân lớn hơn 6 lần đường kính, tốc độ tới hạn thứ hai của rô-to sẽ gần với tốc độ vận hành của máy phát, có thể gây ra rung động lớn trong quá trình vận hành. Do đó, kích thước rôto của các máy phát điện tuabin tốc độ cao công suất lớn bị hạn chế nghiêm ngặt. Đối với máy phát điện tuabin làm mát bằng không khí có công suất khoảng 100.000 kilowatt, kích thước rôto đã đạt đến giới hạn, và để tăng công suất máy phát thêm nữa, chỉ có thể đạt được bằng cách tăng tải điện từ. Do đó, chúng ta phải tăng cường hệ thống làm mát cho máy phát. Vì vậy, đối với các máy phát tuabin có công suất từ 5 đến 10 triệu kW, công nghệ làm mát bằng hydro hoặc nước là các giải pháp hiệu quả. Kể từ thập niên 1970, công suất tối đa của các tổ máy tuabin-máy phát đã đạt mức 130 đến 150 triệu kilowatt.Kể từ năm 1986, nghiên cứu về vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn cao đã đạt được bước đột phá lớn. Công nghệ siêu dẫn được kỳ vọng sẽ được ứng dụng trong tuabin và máy phát điện tuabin, từ đó tạo ra một bước nhảy vọt mới trong lịch sử.
2. Tổ máy thủy điện được truyền động bởi các tổ máy tuabin phát điện. Do điều kiện tự nhiên của các nhà máy thủy điện khác nhau, công suất và tốc độ của tổ máy thủy điện có sự chênh lệch đáng kể. Thông thường, các nhà máy thủy điện quy mô nhỏ và các nhà máy thủy điện tác động tốc độ cao sử dụng tuabin có cấu trúc ngang, trong khi các nhà máy thủy điện quy mô lớn và trung bình sử dụng cấu trúc dọc đa năng với máy phát điện tốc độ trung bình và cao. Do các nhà máy thủy điện thường nằm xa khu vực đô thị ở hầu hết các địa điểm, việc tải điện lên đường dây truyền tải thường mất nhiều thời gian hơn; do đó, hệ thống điện thủy điện phải đáp ứng các yêu cầu về độ ổn định cao hơn: các thông số của động cơ cần được lựa chọn cẩn thận; mô-men quán tính của rôto phải lớn. Do đó, hình dáng của tuabin-máy phát điện thủy điện khác biệt do đường kính rôto lớn và chiều dài ngắn. Bộ phát điện thủy điện khởi động nhanh và thời gian vận hành thực tế ngắn, mang lại tính linh hoạt cao trong lịch trình vận hành; ngoài khả năng cung cấp công suất tổng thể, chúng đặc biệt phù hợp làm đơn vị đỉnh tải và đơn vị dự phòng trong trường hợp sự cố. Công suất tối đa của tổ máy thủy điện đã đạt 70 triệu kilowatt.
3 bộ máy phát điện diesel
Máy phát điện chạy bằng động cơ diesel hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng từ diesel thành điện năng; tùy theo mục đích sử dụng khác nhau, có thể phân loại thành máy phát điện diesel trên đất liền và máy phát điện diesel trên biển; Nếu phân loại theo thương hiệu, có thể chia thành máy phát điện diesel trong nước và nhập khẩu; nếu phân loại theo tốc độ quay, có thể chia thành máy phát điện tốc độ thấp và máy phát điện tốc độ cao.
3.1 Máy phát điện chạy bằng động cơ diesel: các nguyên lý hoạt động cơ bản, chuyển đổi năng lượng từ dầu diesel thành điện năng. Trong xi-lanh của động cơ diesel, không khí sạch đã qua bộ lọc không khí được phun ra dưới áp suất cao qua vòi phun, trộn lẫn với dòng dầu diesel, tạo ra lực ép đẩy piston lên trên, làm giảm thể tích, nhiệt độ tăng nhanh, dẫn đến sự cháy của dầu diesel. Sau khi nhiên liệu diesel được đốt cháy, hỗn hợp khí cháy giãn nở mạnh và nhanh về thể tích, đẩy piston xuống, quá trình này được gọi là ‘giai đoạn làm việc’. Trong xi-lanh, lực đẩy tác động lên thanh piston được chuyển hóa thành mô-men xoắn thông qua trục khuỷu, từ đó làm quay trục khuỷu. Máy phát điện xoay chiều đồng bộ không chổi than và trục khuỷu động cơ diesel được lắp đặt đồng trục; động cơ diesel dùng để truyền động làm quay rô-to của máy phát điện, dựa trên nguyên lý ‘cảm ứng điện từ’, máy phát điện sẽ tạo ra điện áp cảm ứng, và khi đóng mạch tải sẽ sinh ra dòng điện. Phần này chỉ mô tả nguyên lý hoạt động cơ bản nhất của bộ máy phát điện. Để đảm bảo nguồn điện ổn định và có thể sử dụng được, hệ thống còn cần có các thiết bị điều khiển động cơ diesel và máy phát điện, cùng các thiết bị bảo vệ và mạch điện tương ứng.
3.2 Phân tích kết cấu của các tổ máy phát điện diesel
Một loại máy phát điện diesel phổ biến chủ yếu bao gồm ba bộ phận: động cơ diesel, máy phát điện và hệ thống điều khiển. Động cơ diesel và máy phát điện có hai loại kết nối: một là kết nối linh hoạt, tức là việc ghép nối hai bộ phận thông qua khớp nối; hai là kết nối cứng, với các bu lông có độ bền cao kết nối máy phát điện bằng tấm thép và đĩa bánh đà của động cơ diesel; trên thị trường hiện nay, các máy phát điện diesel thường sử dụng kết nối cứng hơn, trong đó một số động cơ diesel và máy phát điện được kết nối sau khi lắp đặt ở đầu giá đỡ công cộng, sau đó được kết hợp với tác dụng bảo vệ của các cảm biến khác nhau, chẳng hạn như cảm biến nhiệt độ, các cảm biến này hiển thị trực quan tình trạng hoạt động của động cơ cho người vận hành, và thông qua các cảm biến này, bạn có thể thiết lập giới hạn trên; khi đạt hoặc vượt quá giới hạn này, hệ thống điều khiển sẽ phát cảnh báo sớm, lúc này nếu người vận hành không thực hiện các biện pháp kiểm soát, hệ thống sẽ tự động tắt máy, nhờ đó bộ máy phát điện diesel hoạt động theo cơ chế tự bảo vệ. Hệ thống điều khiển máy phát điện diesel có nhiệm vụ thu thập phản hồi từ các cảm biến khác nhau, xử lý thông tin, hiển thị dữ liệu và thực hiện chức năng bảo vệ thực tế; bảng điều khiển thường được lắp đặt trên máy phát điện, được gọi là bảng điều khiển kiểu ba lô, có một phần màn hình độc lập được đặt trong phòng điều khiển, gọi là bảng điều khiển tách rời; bảng điều khiển này kết nối với máy phát điện và các cảm biến thông qua các dây cáp, lần lượt hiển thị các thông số điện và thông số vận hành của động cơ. Ngoài ra, các máy phát điện còn có khung gầm, bộ nối, bộ tản nhiệt, bình nhiên liệu, và một số được trang bị ống giảm thanh và vỏ bảo vệ.
4 tuabin gió
Năng lượng gió từ tuabin gió được chuyển đổi thành công việc cơ học để cung cấp năng lượng cho máy móc, còn được gọi là cối xay gió. Nói chung, mặt trời đóng vai trò là nguồn nhiệt để làm nóng khí quyển – môi trường làm việc được sử dụng trong động cơ. Kết nối cơ học với nguồn điện để truyền động các cánh quạt tuabin gió trục ngang thông qua hộp số tốc độ cao và trục đa năng với khớp nối linh hoạt kết nối mô-men xoắn với trục máy phát điện; khớp nối này phải có đặc tính giảm chấn và hấp thụ rung động tốt, khả năng hấp thụ lực theo hướng bán kính, hướng trục và góc lệch, đồng thời khớp nối các thiết bị cơ khí để ngăn ngừa quá tải. Một loại cánh quạt khác sử dụng hộp số truyền động trực tiếp, không qua động cơ quạt mà được kết nối trực tiếp với động cơ.