Giáo trình Nhà máy thủy điện

Đề c−ơng môn học 
Nhμ máy thuỷ điện 
(Dùng cho hệ Đại học - Ngành Điện năng - Tr−ờng ĐHKTCN) 
Khối l−ợng: 60 tiết. Số học trình: 4 Số học phần: 2. 
Ch−ơng I. 
Nguồn thuỷ năng và khả năng sử dụng nguồn thuỷ năng 
1-1. Giới thiệu chung. 
I. Công nghệ năng l−ợng và vai trò của thuỷ năng. 
II. Tình hình phát triển thuỷ điện. 
1-2. Năng l−ợng của dòng chảy và nhà máy thuỷ điện 
I. Năng l−ợng của dòng chảy. 
II. Nhà máy thuỷ điện và phân loại nhà máy thuỷ điện.7 
III. Một số đặc điểm của nhà máy thuỷ điện. 
Ch−ơng II. Thông số thuỷ năng của Nhà máy thuỷ điện. 
2-1. Các đặc tr−ng của dòng chảy tự nhiên 
I. Biểu đồ thuỷ văn. 
II. Các thông số của dòng chảy. 
III. Các đ−ờng cong đảm bảo n−ớc. 
2-2. Hồ chứa và cột n−ớc của nhà máy thuỷ điện. 
I. Hồ chứa n−ớc của nhà máy thuỷ điện. 
II. Cột n−ớc của nhà máy thuỷ điện. 
III. Ph−ơng trình cân bằng n−ớc của hồ chứa. 
IV. Đ−ờng cong luỹ tích dòng chảy. 
V. Đ−ờng cong luỹ tích phụ tải. 
VI. Dung tích đủ của hồ chứa. 
2-3. Điều tiết dòng chảy. 
 I. Khái niệm về điều tiết dòng chảy. 
 II. Các nguyên tắc điều tiết. 
 III. Tần suất của l−u l−ợng điều tiết. 
Ch−ơng III. Tính toán thiết kế Nhà máy thuỷ điện. 
3-1. Tính toán các thông số chủ yếu khi thiết kế Nhà máy thuỷ điện. 
I. Các thiết bị chính của nhà máy thuỷ điện. 
II. Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chủ yếu. 
III. Tính toán lựa chọn các thông số chủ yếu. 
3-2. Chọn tua bin n−ớc trong thiết kế Nhà máy thuỷ điện. 
I. Khái niệm chung. 
II. Các thông số chính của tua bin. 
III. Các loại tua bin. 
IV. Hiện t−ợng khí thực và chiều cao cột hút cho phép. 
V. Đặc tính của tua bin. 
VI. Chọn tua bin. 
3-3. Chọn máy phát thuỷ điện trong thiết kế Nhà máy thuỷ điện. 
I. Định nghĩa. 
II. Kết cấu máy phát th−ờng. 
III. Chọn các thông số cơ bản của máy phát. 
3-4. Kết cấu của các loại Nhà máy thuỷ điện. 
 I. Nhà máy thuỷ điện ngang đập. 
II. Nhà máy thuỷ điện sau đập và đ−ờng dẫn. 
III. Nhà máy thuỷ điện ngầm. 
IV. Nhà máy thuỷ điện tích năng. 
V. Nhà máy thuỷ điện thuỷ triều. 
-------o0o-------- 
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 1 
1
Ch−ơng 1 
Nguồn thuỷ năng 
khả năng sử dụng nguồn thuỷ năng 
1.1 Giới thiệu chung 
I. Công nghệ năng l−ợng và vai trò của thuỷ năng. 
1. Công nghệ năng l−ợng. 
Là công nghệ phát triển nguồn năng l−ợng tự nhiên thành các dạng năng l−ợng 
khác: Cơ năng, điện năng, nhiệt năng, quang năng... 
- Nguồn năng l−ợng tự nhiên: 
+ Hoá năng: than đá, dầu mỏ, khí đốt... 
+ Cơ năng: năng l−ợng của dòng sông, sóng biển, thuỷ triều, gió... 
+ Năng l−ợng nguyên tử: Uran 235, Uran 238... 
Các dạng năng l−ợng trên đ−ợc biến đổi thành điện năng thông qua các nhà máy 
điện và nó là nguồn năng l−ợng truyền thống. 
- Năng l−ợng mới: năng l−ợng mặt trời, địa nhiệt, các chất sinh khí, đ−ợc biến 
đổi thành điện năng thông qua các thiết bị biến đổi năng l−ợng mới. 
 2. Vai trò và trữ năng của thuỷ điện. 
Trên thế giới, thuỷ điện ngày càng đóng vai trò quan trọng, theo thống kê năm 
1995 thuỷ điện chiếm khoảng 23,5% tổng điện năng tiêu thụ. Tỷ lệ này ngày càng tăng 
do những tác động đến môi tr−ờng của nhà máy nhiệt điện và nhà máy điện hạt nhân... 
Bảng 1-1 
STT Hệ thống sông 
Trữ năng lý thuyết 
109 kWh 
Trữ năng kỹ thuật 
109 kWh 
G.chú 
1 Sông Đà 68,50 31,175 
2 Sông Đồng Nai 27,30 10,335 
3 Sông Sêsan 16,50 7,948 
4 Sông Lô-Gâm 28,20 4,752 
5 Sông Thu Bồn 16,00 4,575 
6 Sông Srêpok 12,10 2,636 
7 Sông Cả 14,00 2,556 
8 Sông Mã 14,6 1,256 
9 Sông Ba 10,10 1,240 
10 Sông Thao 25,20 0,757 
11 Các sông khác 38,87 1,688 
 Tổng 271,37 68,918 
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 1 
2
Tại Việt Nam, thuỷ điện đóng vai trò to lớn trong Hệ thống điện và chiếm khoảng 
(50ữ60)% công suất toàn hệ thống. Nguồn thuỷ năng ở n−ớc ta khá lớn −ớc tính 
khoảng 271,3 tỷ kWh và có thể sử dụng trên 68,918 tỷ kWh để xây dựng thuỷ điện. Tập 
trung chủ yếu vào 3 hệ thống sông lớn là: Sông Đà, sông Đồng nai, Sông Sêsan... đ−ợc 
thể hiện cụ thể (bảng 1-1). 
II. Tình hình phát triển thuỷ điện. 
Trong Hệ thống điện nhiều n−ớc trên thế giới, thuỷ điện chiếm tỷ lệ t−ơng đối lớn, 
trung bình trên thế giới khoảng 25%. Giá thành sản xuất điện năng của nhà máy thuỷ 
điện rẻ hơn nhiệt điện và ít ảnh h−ởng đến môi tr−ờng. Vì vậy ngành thuỷ điện trên thế 
giới rất phát triển cả về số l−ợng và chất l−ợng. 
Tại Việt Nam với trữ l−ợng rất lớn khoảng 90 tỷ kWh/năm kỹ thuật, đ−ợc quan 
tâm phát triển khá sớm (Nhà máy thuỷ điện Đa nhim: 160MW, Thác Bà: 108MW). 
Trong những năm gần đây đã phát triển đ−ợc nhiều nhà máy với công suất khá lớn 
(Nhà máy thuỷ điện Hoà Bình: 1920MW, Yaly: 720MW, Trị An: 400MW, Hàm Thuận: 
300MW...) và sắp tới đ−a vào sử dụng nhiều nhà máy với công suất lớn (Nhà máy thuỷ 
điện Sơn La: 2400MW, Sêsan IV: 340MW, Sêsan III: 259 MW, Na Hang: 300MW, 
Đồng Nai IV: 280 MW...) và nhiều nhà máy khác nh−ng chúng ta mới chỉ khai thác 
đ−ợc rất ít khoảng 20%. 
Tuy nhiên thuỷ điện đã chiếm tỷ trọng khá lớn, khoảng 60% công suất của hệ 
thống điện Việt Nam. Trong t−ơng lai khi nhu cầu phát triển kinh tế tăng cao đòi hỏi 
nhiều năng l−ợng điện thì thuỷ điện là nguồn năng l−ợng cần phải khai thác triệt để do 
giá thành rẻ và nguồn than đá để phát triển nhiệt điện đã không còn nhiều (giá thành 
sản xuất 1 kWh điện năng của Nhà máy thuỷ điện Hoà Bình: 73 VND, các nhà máy 
nhiệt điện trung bình: 1000 VND). 
Ngoài ra thuỷ điện còn có vai trò quan trọng trong lợi dụng tổng hợp và phòng 
chống thiên tai. 
Một xu h−ớng quan trọng trong thiết kế điện khí hoá là sử dụng các trạm thuỷ 
điện với công suất nhỏ, cung cấp cho các khu vực xa xôi hiểm trở có điều kiện thuận 
lợi để xây dựng các thuỷ điện nhỏ (0,1ữ1000)kW. Nếu sử dụng l−ới điện quốc gia chi 
phí đ−ờng dây tải điện rất lớn. 
1.2 Nguồn thuỷ năng 
I. Năng l−ợng của dòng chảy. 
1. Khái niệm. 
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 1 
3
ở dạng tự nhiên, năng l−ợng dòng chảy của dòng sông một phần bị mất mát để 
bào mòn vào lòng sông, một phần cọ sát vào đá sỏi đất, một phần để chống lực ma sát 
của lòng sông và lực ma sát trong bản thân chất lỏng. 
Các nhà máy thuỷ điện đã sử dụng năng l−ợng của dòng chảy và tập chung vào 
một chỗ (bằng cách đắp đập hoặc đào kênh dẫn) làm quay tuabin thuỷ lực để chạy 
máy phát điện. Động cơ sơ cấp của các máy phát điện là tuabin n−ớc, nối dọc trục với 
máy phát. Tuabin n−ớc là loại động cơ biến thế năng và động năng của n−ớc thành cơ 
năng. Quá trình biến đổi năng l−ợng đ−ợc thực hiện nh− sau: 
Thuỷ năng → Cơ năng → Điện năng 
Ngoài ra, có thể sử dụng năng l−ợng của thuỷ triều (khi thuỷ triều nâng lên, sử 
dụng cột n−ớc để phát điện). Tuy nhiên việc sử dụng nguồn năng l−ợng này còn gặp 
nhiều khó khăn nên ngày nay ch−a đ−ợc sử dụng rộng rãi. Nh−ợc điểm chính của loại 
thuỷ điện này là tính chất gián đoạn và không đồng đều (trong một ngày thuỷ triều 
dâng lên trong một số giờ rồi hạ xuống). 
2. Tính toán năng l−ợng của dòng chảy. 
Tính toán năng l−ợng của dòng chảy một khúc sông, ta xét một dòng chảy từ mặt 
cắt I-I đến II-II (hình 1-1). 
Giả sử trong thời gian T có một khối l−ợng n−ớc là W đang chuyển động ở mặt 
cắt I-I về phía mặt cắt II-II. 
Theo lý thuyết động lực học chất lỏng (ph−ơng trình Becnuli) tại mặt cắt I-I khối 
l−ợng n−ớc W sẽ chứa một năng l−ợng có thể tính theo công thức sau: 
 γ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ α+γ+= .W.g.2
v.pZE
2
111
11 (kg.m) (1-1) 
Trong đó: 
I
L (km)
Z (m)
H
Z1, v1, p1 
I
II
II
Z2, v2, p2 
Hình 1-1: Dòng chảy cơ sở
- Z1, Z2 là chiều cao mức n−ớc ở mặt cắt I-I và II-II, (m). 
- v1, v2 là vận tốc trung bình của dòng chảy ở mặt cắt I-I và II-II, (m/s). 
- p1, p2 là áp suất trong lòng n−ớc ở mặt cắt I-I và II-II, (kg/ m2). 
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 1 
4
- γ = ρ. g là trọng lực của một m3 n−ớc. 
- ρ là trọng l−ợng của một m3 n−ớc, ρ = 1000 kg/m3. 
- g: gia tốc trọng tr−ờng: g = 9,8 (m/s2). 
- W: khối n−ớc bất kỳ, (m3). 
 - α1 là hệ số hiệu chỉnh kể đến sự phân bố không đều của vận tốc dòng chảy 
trên diện tích của mặt cắt I-I. 
ω
ω
=α
∫∫
ω
3
1
3
1 v
du
Với: 
+ u là vận tốc tại dω. 
+ ω là diện tích mặt cắt. 
+ v1 là vận tốc trung bình của dòng chảy. 
Nếu vận tốc đều, lấy α1 = 1. 
Trong công thức (1-1) thành phần trong ngoặc gọi là cột áp. 
- γ+
1
1
pZ là cột áp thuỷ tĩnh. 
- 
g2
v. 211α là cột áp thuỷ động. 
Theo lý thuyết động lực học chất lỏng, nếu dòng chảy là lý t−ởng không tổn hao 
thì trong quá trình chuyển động của khối n−ớc W năng l−ợng chứa trong đó không thay 
đổi (thế năng giảm, động năng tăng). 
Tuy nhiên với các dòng sông thì luôn luôn có sự thất thoát năng l−ợng do đó khi 
chuyển động đến mặt cắt II-II thì năng l−ợng chứa trong khối n−ớc W là: 
1
2
222
22 E.W.g.2
v.pZE <γ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ α+γ+= (kg.m) 
Năng l−ợng của dòng sông chảy từ mặt cắt I-I đến II-II để sinh công là hiệu số 
của năng l−ợng tại 2 mặt cắt: E1 - E2. 
γ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ α−α+γ
−+−=−=Δ .W.
g.2
v.v.ppZZEEE
2
22
2
1121
2121 (kg.m) 
Với dòng chảy thực tế một cách gần đúng có thể coi: p1≈p2, v1≈v2 và α1≈α2, khi 
đó công do khối n−ớc W sinh ra. 
( ) γ−=−=Δ .W.ZZEEE 2121 (kg.m) 
Giả thiết, khoảng cách giữa mặt cắt I-I và II-II là toàn bộ chiều dài của dòng 
chảy. Còn khối n−ớc W có trị số bằng l−ợng n−ớc chảy qua một mặt cắt bất kỳ của 
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 1 
5
dòng sông trong thời gian 1 giây, nghĩa là về trị số W = Q. Khi đó thì chênh lệch năng 
l−ợng ΔE sẽ chính là công suất của toàn bộ dòng chảy N sinh ra trong 1 giây. 
N = H.Q.γ (kg.m/s) 
Trong đó: 
- H là độ dốc của toàn bộ dòng chảy gọi là chiều cao cột n−ớc. 
H = Z1 - Z2 
- Q là l−u l−ợng của dòng sông (m3/giây). 
Có thể biểu diễn đơn vị công suất của dòng chảy theo đơn vị kW. 
Ta có: 1 kW = 1000 (kg.m/s) do đó: 
 H.Q.81,9
1000
1000.81,9.Q.H
1000
g..Q.H
1000
.Q.HN ==ρ=γ= (kW) (1-2) 
Từ biểu thức trên ta thấy: 
- Công thức trên cho phép ta đánh giá đ−ợc khả năng sinh công lớn nhất của một 
dòng chảy tự nhiên, do đó còn đ−ợc gọi là tiềm năng của dòng chảy. Tuy nhiên đây 
ch−a phải là công suất của nhà máy thuỷ điện vì các nhà máy thuỷ điện chỉ sử dụng 1 
phần rất nhỏ của khả năng sinh công. 
- Từ công thức tính toán khả năng sinh công của một phần dòng chảy bất kỳ ta thấy 
năng l−ợng chứa trong dòng chảy tự nhiên đ−ợc phân bố rải khắp chiều dài dòng chảy. 
Tuy nhiên mật độ năng l−ợng phân bố không đều, nếu đoạn có độ dốc càng lớn thì mật độ 
năng l−ợng càng cao. Đó chính là vị trí thuận lợi để xây dựng nhà máy thuỷ điện. 
Công thức tính toán công suất của nhà máy thuỷ điện khi thiết kế: 
H.Q..81,9NTD Δη= (kW) (1-3) 
Trong đó: 
- ΔH là chênh lệch mức n−ớc tr−ớc và sau của nhà máy thuỷ điện, m. 
- η là hiệu suất chung của nhà máy thủy điện. 
η = ηT. ηF 
- ηT là hiệu suất của tuabin n−ớc và trong đ−ờng ống dẫn n−ớc ηT = (0,88ữ0,91). 
- ηF là hiệu suất của máy phát ηF = (0,95ữ0,98). 
Vậy, η = (0,8ữ0,9) trong tính toán th−ờng lấy gần đúng η = 0,86. 
Thay vào công thức trên, ta có: 
NTD = 9,81. 0,86. Q. ΔH = 8,3. Q. ΔH. (1-4) 
Công thức trên th−ờng đ−ợc sử dụng đánh giá sơ bộ công suất của nhà máy thuỷ 
điện khi thiết kế. 
II. Nhà máy thuỷ điện và phân loại nhà máy thuỷ điện. 
1. Nhà máy thuỷ điện. 
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 1 
6
Từ tính toán trên ta thấy, năng l−ợng của dòng chảy có thể đ−ợc sử dụng và 
chuyển hoá thành điện năng qua các nhà máy thuỷ điện. Công suất của nhà máy thuỷ 
điện phụ thuộc vào l−u l−ợng Q và cột n−ớc ΔH của dòng chảy. 
+ L−u l−ợng dòng chảy giảm: công suất của nhà máy giảm xuống và công suất đó 
có thể thấp hơn nhu cầu của phụ tải. 
+ L−u l−ợng dòng chảy tăng: các hộ tiêu thụ điện năng không sử dụng hết công 
suất của nhà máy, một phần công suất thừa và n−ớc phải tháo qua các công trình xả lũ 
không cho qua tuabin. 
Do sự phân bố l−u l−ợng của dòng chảy là ngẫu nhiên không phù hợp với yêu cầu 
tiêu thụ điện năng của các hộ tiêu thụ, nên vấn đề đặt ra là phải tìm cách phân phối 
năng l−ợng đó. Nh− vậy, cần phải xây dựng hồ chứa n−ớc để điều tiết l−u l−ợng dòng 
chảy qua thuỷ điện. Hồ chứa n−ớc sẽ giữ lại l−ợng n−ớc thừa trong mùa n−ớc lớn ( 
mùa lũ) và dự trữ để sử dụng trong mùa n−ớc nhỏ (mùa khô) để tăng công suất của nhà 
máy thuỷ điện. Một phần l−ợng n−ớc thừa mà hồ chứa không thể giữ lại đ−ợc nữa do 
thể tích hồ chứa có hạn sẽ đ−ợc chảy qua các công trình xả lũ. 
Từ những phân tích trên, ta thấy việc sử dụng năng l−ợng các dòng sông cần phải 
giải quyết hai nhiệm vụ: tạo thành cột n−ớc và điều chỉnh l−u l−ợng n−ớc. 
2. Phân loại Nhà máy thuỷ điện. 
a) Phân loại theo công suất lắp máy. 
- Nhà máy thuỷ điện lớn: Nln ≥ 1000 (MW). 
- Nhà máy thuỷ điện vừa: 15 (MW) ≤ Nln < 1000 (MW). 
- Nhà máy thuỷ điện nhỏ: Nln < 15 (MW). 
b) Phân loại theo cột n−ớc. 
- Nhà máy thuỷ điện cột n−ớc cao: Hmax > 400 (m). 
- Nhà máy thuỷ điện cột n−ớc trung bình: 50 (m) ≤ Hmax ≤ 400 (m). 
- Nhà máy thuỷ điện cột n−ớc thấp: 400 (m) < Hmax. 
c) Phân loại theo kết cấu của nhà máy. 
c.1) Nhà máy thuỷ điện kiểu đập: Với những sông có l−u l−ợng n−ớc lớn nh−ng độ 
dốc nhỏ để tạo sự chênh lệch cột n−ớc ΔH lớn, có thể xây dựng đập chắn, từ đó xây 
dựng nhà máy thủy điện gọi là nhà máy thuỷ điện kiểu đập (hình 1-2). Đập càng cao 
thì công suất càng lớn tuy nhiên cột n−ớc do đập tạo nên có thể bị hạn chế do điều kiện 
kinh tế và kỹ thuật không cho phép. Nhà máy thuỷ điện kiểu đập gồm có 2 loại: 
 + Nhà máy thuỷ điện ngang đập: nhà máy nằm ngay trong đập do đó kết cấu 
phức tạp, để đảm bảo điều kiện kinh tế kỹ thuật cột n−ớc khoảng (35ữ40)m. 
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 1 
7
 + Nhà máy thuỷ điện sau đập: nhà máy nằm sau đập dâng n−ớc. Khi cột n−ớc 
cao vì lý do ổn định nhà máy phải nằm sau đập, đôi khi đ−ờng dẫn n−ớc không di qua 
đập mà bố trí đi vòng ra ngoài đập (Hoà Bình), cột n−ớc khoảng (30ữ45)m. 
- Ưu điểm: Có công suất lớn do tận dụng đ−ợc toàn bộ l−u l−ợng của dòng sông, 
tạo đ−ợc hồ chứa n−ớc để điều tiết và vận hành tối −u nhà máy thuỷ điện trong hệ thống. 
- Nh−ợc điểm: Vốn đầu t− cao, đập không thể xây dựng qúa cao vì điều kiện kinh 
tế-kỹ thuật, đập quá cao có thể làm ngập một vùng rộng lớn, ảnh h−ởng đến sinh thái 
môi tr−ờng. 
Nhà máy thuỷ điện có thể xây dựng nối tiếp trên cùng một dòng sông gọi là hệ 
thống khai thác bậc thang, trong tr−ờng hợp đó công suất của mỗi nhà máy tăng lên do 
khả năng điều tiết năng l−ợng của dòng chảy tốt hơn. 
c.2) Nhà máy thủy điện đ−ờng dẫn dẫn: gồm 2 loại: 
+ Xây dựng ở những nơi có cột n−ớc đ−ợc tạo thành một cách tự nhiên từ các thác 
n−ớc (hình 1-3), lợi dụng độ cao của thác n−ớc ta đặt đ−ờng ống dẫn n−ớc vào nhà 
máy tạo cột áp. 
+ Xây dựng ở những sông có l−u l−ợng n−ớc ít, nh−ng độ dốc lớn (hình 1-4). Kênh 
trong đ−ợc cấu tạo bởi hai phần: Phần đầu đ−ợc xây dựng d−ới dạng kênh dẫn hở (1) 
với độ dốc rất nhỏ. Có nhiệm vụ đ−a n−ớc đi xa không làm thay đổi nhiều mức n−ớc 
đến vị trí thuận lợi có thể tạo thành cột n−ớc cao để xây dựng nhà máy thuỷ điện (3). 
Phần cuối đ−ợc xây dựng d−ới dạng các ống dẫn kín (2) có nhiệm vụ đ−a mức n−ớc từ 
trên cao xuống thấp giữ nguyên cột áp vào các tuabin của nhà máy. 
Hình 1-2: Nhà máy thuỷ điện kiểu đập
ΔH
Đập
TL
HLNhà 
máy 
ΔH
Hình 1-3: Nhà máy thuỷ điện đ−ờng dẫn-tại thác tự nhiên 
H ... - Tính độ hiệu chỉnh tốc độ quay qui dẫn: 
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ −η
η=Δ 1.'n'n
max.tt
max.T
ln.11 (v/p) (3-33) 
- Tính độ hiệu chỉnh l−u l−ợng qui dẫn: 
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ −η
η=Δ 1.'Q'Q
max.tt
max.T
tt.11 (l/s) (3-34) 
- Tính tốc độ quay qui dẫn thực tế đi qua Tuabin. 
1
tt
TC.1TC
T.1 'nH
D.n
'n Δ−= (v/p) (3-35) 
- Tính l−u l−ợng qui dẫn thực tế đi qua Tuabin. 
13
ttTC.1T
T
T.1 'Q
H.D..8,9
N'Q Δ−η= (v/p) (3-36) 
B−ớc 5: Xác định chiều cao cột hút của Tuabin. 
Theo đặc tính tổng hợp chính của Tuabin với n’1.T và Q’1.tt xác định đ−ợc hệ số khí 
thực σ và tính đ−ợc chiều cao cột hút cho phép [HS]. 
B−ớc 6: Xác định cao trình thực của Tuabin. 
Cao trình cho phép không xảy ra hiện th−ợng khí thực là: 
]H[][ STT +∇=∇ (m) 
B−ớc 7: Xác định tốc độ quay lồng của Tuabin. 
1
max
111 D
H
.'nn = (v/p) (3-37) 
Trong đó: n’11 là tốc độ quay lồng qui dẫn, v/p. 
Ví dụ 2: 
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 3 
Chọn Tuabin cho Nhà máy thuỷ điện biết: NT = 40MW, Hmax = 45 m, Htb = 42,4 m, 
Hmin = 30,4 m, Htt = 36 m, cao trình của Tuabin ∇T = 72 m. 
Giải: 
B−ớc 1: Chọn số l−ợng và loại Tuabin. 
Theo biểu đồ sử dụng Tuabin (hình 3-11) chọn loại TT45/820. 
B−ớc 2: Xác định đ−ờng kính sơ bộ của Tuabin. 
Xác định n’1.ln sao cho trên đ−ờng 5% ứng với dải tốc độ của Tuabin, Tuabin có hiệu 
suất lớn nhất. Từ đặc tính ở phụ lục ta có: n’ln = 90 (v/p). 
Xác định Q’1.tt trên đ−ờng dự trữ 5% với n’ln = 90 (v/p) thì Q’1.tt = 1420 (l/s). 
Hiệu suất tính toán lớn nhất là: ηtt.max = 91%. Với Q’1.tt = 1420 (l/s) thì ηT.tt = 90% 
3
tttt.1tt.T
T
1
H.'Q..81,9
ND η= (m) 
So sánh với đ−ờng kính Tuabin tiêu chuẩn, chọn D1.TC = 4 m. 
B−ớc 3: Xác định sơ bộ tốc độ của Tuabin. 
Theo công thức sau: 
5,146
4
4,42.90
D
H.'n
n
TC.1
tbln1 === (v/p) 
So sánh với tốc độ Tuabin tiêu chuẩn ứng với đ−ờng kính D1= 4m, chọn tốc độ tiêu 
chuẩn nTC = 150 (v/p). 
B−ớc 4: Xác định tốc độ quay và l−u l−ợng qui dẫn thực tế của Tuabin với D1.TC và 
nTC đã biết. 
- Δη = ηT.max - ηtt..max. 
Trong đó: 
%2,91912,0
4,42
36.
4
8,3).91,01(1
H
H
.
D
D
).1(1
H
H
.
D
D
1
1
105max.T
10
tb
tt5
TC.1
tt.1
max.ttmax.T10
tb
tt5
TC.1
tt.1
max.tt
max.T
==−−=η
η−−=η→=η−
η−
Vậy: Δη = ηT.max - ηtt..max = 0,912 - 0,91 = 0,002 = 0,2%. 
Và hiệu suất của Tuabin: ηT = ηT.tt + Δη = 90% + 0,2% = 90,2%. 
- 098,01
91,0
912,0.901.'n'n
max.tt
max.T
ln.11 =⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −=⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ −η
η=Δ (v/p) 
- 56,11
91,0
912,0.14201.'Q'Q
max.tt
max.T
tt.11 =⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −=⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ −η
η=Δ (l/s) 
- 9,99098,0
36
4.150'n
H
D.n
'n 1
tt
TC.1TC
T.1 =−=Δ−= (v/p) 
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 3 
- 13
tt
2
TC.1T
T
T.1 'Q
H.D..81,9
N'Q Δ−η= 
 )s/m(306,1)s/l(130656,110
36.4.902,0.81,9
40000 33
32
==−= 
B−ớc 5: Xác định chiều cao cột hút của Tuabin. 
- n’1.T = 99,9 (v/p). 
- Q’1.tt = 1420 (l/s). 
Tra đặc tính tổng hợp chính của Tuabin ta có: 
- σ = 0,2. 
Vậy, chiều cao cho phép của cột hút là: 
[ ] 236.2,0.1,1
900
7210H..k
900
10H TS =−−=σ−∇−≤ σ (m) 
B−ớc 6: Xác định cao trình thực của Tuabin. 
Cao trình cho phép không xảy ra hiện th−ợng khí thực là: 
74272]H[][ STT =+=+∇=∇ (m) 
B−ớc 7: Xác định tốc độ quay lồng của Tuabin. 
Theo đặc tính quay lồng của Tuabin tâm trục, với a0 = 20 mm thì n’11 = 120 v/p. 
201
4
45.120
D
H
.'nn
1
max
111 === (v/p). 
Vậy, với chế độ làm việc tính toán của Nhà máy thuỷ điện trên, Tuabin có các thông 
số sau: 
- NT = 40 MW; - [HS] = 2 m 
- H = 36 m; - D1 = 4 m 
- ∇T = 72 m; - n = 150 v/p 
3.3 chọn máy phát trong thiết kế Nhμ máy thuỷ điện 
I. Định nghĩa. 
Máy phát thuỷ điện là thiết bị biến cơ năng của Tuabin n−ớc thành điện năng 
cung cấp cho phụ tải, là máy phát đồng bộ 3 pha. 
II. Kết cấu của máy phát. 
Máy phát của Nhà máy thuỷ điện có 3 hình thức lắp máy: 
- Trục đứng: Dùng cho máy phát có công suất lớn, sử dụng các máy phát kiểu 
treo và kiểu ô. 
- Máy phát: Kiểu capxul. 
- Trục ngang, trục xiên: Dùng cho các máy phát có công suất nhỏ. 
a) Máy phát kiểu treo. 
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 3 
Máy phát kiểu treo gồm các bộ phận sau: (hình 3-29) 
- Rotor là bộ phận quay của máy phát (1) gắn chặt vào trục của Tuabin hoặc 
qua cơ cấu truyền động, trên đó gắn các cực từ (2) với các cuộn dây sử dụng dòng điện 
1 chiều để tạo ra từ thông kích từ. 
- Stator là phần cố định của máy phát gồm các cuộn cảm (3), cảm ứng dòng 
điện theo nguyên lý cảm ứng điện từ. 
- ổ trục của máy phát gồm: ổ trục đỡ (4) tiếp nhận các lực của toàn bộ tổ máy 
theo ph−ơng thẳng đứng và ổ trục h−ớng (5) tiếp nhận các dọc trục của toàn bộ tổ máy 
và tải trọng áp lực của dòng chảy qua BXCT. Phần quay đ−ợc gắn chặt vào trục, phần 
cố định gồm các vòng bạc đặt trên các hộp đệm thuỷ lực và đặt trong bể dầu. 
- Giá đỡ các ổ trục gồm: giá đỡ chữ thập trên (6) có kết cấu thép dạng khung 
dầm rẻ quạt đỡ ổ trục đỡ trên và ổ trục h−ớng nằm trên Rotor, toàn bộ Rotor và BXCT 
đ−ợc treo trên giá chữ thập trên nên gọi là máy phát kiểu treo. Giá chữ thập d−ới (7) 
đỡ ổ trục h−ớng d−ới (8) Rotor máy phát. 
- Để tạo kích từ th−ờng sử dụng một máy phát kích từ (9) nối cùng trục với máy 
phát chính để tạo kích từ cho máy phát chính. 
* Đánh giá: Máy phát kiểu treo có độ ổn định cao, không rung nh−ng do có 2 
giá đỡ chữ thập nên chiều cao gian máy lớn. 
12 3 
456 
78
9
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 3 
b) Máy phát kiểu ô. (hình 3-30) 
T−ơng tự nh− máy phát kiểu treo, chỉ khác là ổ trục đỡ nằm d−ới Rotor máy phát. 
Giá chữ thập đỡ ổ trục th−ờng có dạng hình nón cụt đặt trên nắp Tuabin do đó chiều 
cao gian máy đ−ợc giảm thấp. 
* Đánh giá: Máy phát kiểu ô giảm đ−ợc kích th−ớc và trọng l−ợng nên kinh tế 
hơn máy phát kiểu treo nh−ng có độ rung động mạnh. 
Hình 3-30. Tuabin và máy phát điện kiểu Ô
1 Rotor; 2 Cực từ; 3 Cuộn dây Stator; 4 ổ trục đỡ kiểu nón cụt; 5 Máy phát kích từ
12 3 
4
5
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 3 
c) Máy phát kiểu capxul. (hình 3-31) 
Máy phát của tổ máy capxul đ−ợc đặt trong vỏ thép có hình dạng l−u tuyến để giảm 
tổn thất thuỷ lực. 
Tổ máy capxul th−ờng dùng cho các Nhà máy thuỷ điện thuỷ triều và các Nhà máy 
thuỷ điện có cột n−ớc thấp (H ≤ 20 m). 
* Đánh giá: Do dòng chảy qua tổ máy theo h−ớng thẳng nên l−ợng n−ớc qua Tuabin 
tăng (10ữ15)%, vốn đầu t− và kích th−ớc nhà máy giảm (10ữ20)%. 
III. Chọn các thông số cơ bản của máy phát thuỷ điện. 
B−ớc 1: Xác định số cặp cực của Máy phát. 
Từ tốc độ của Tuabin tra (bảng 3-7) ta xác định đ−ợc 2p. 
B−ớc 2: Xác định đ−ờng kính ngoài của Máy phát. 
Đ−ờng kính của Rotor xác định theo công thức sau: 
π
τ= p2.D
*
i (m) (3-38) 
Trong đó: 
Hình 3-31. Tuabin và máy phát điện kiểu capxul 
1- Rotor; 2-Cuộn dây Stator; 3-Giếng vào gian máy; 4, 5- ống dẫn n−ớc; 
6-BPHD; 7-Các trụ thép; 8-Máy phát kích từ 
1 
2 3 
4 5 
6 
7 8 
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 3 
 - 2p là số cực của máy phát. 
 - τ* là chiều dài cung tròn vành bố trí cực Rotor. 
α=τ )S(.A ** 
 - A, α là hệ số phụ thuộc chế độ làm mát của máy phát, theo bảng sau: 
Bảng 3-7 
STT Hệ số Làm mát không khí Làm mát n−ớc + không khí Làm mát n−ớc G.chú
1 A 0,529 0,451 0,432 
2 α 0,246 0,239 0,239 
3 R 18,80 8,90 8,60 
4 Y 0,180 0,150 0,105 
 - 
p2
SS mf* = (MVA) 
 - ϕ= cos
NS mfmf (MVA) 
 - Nmf là công suất của máy phát cần thiết kế, MW. 
 - cosϕ là hệ số công suất của máy phát thiết kế, th−ờng chọn (0,8 ữ0,85). 
Đ−ờng kính Di của rotor phải đảm bảo vận tốc dài của các bộ phận quay lớn nhất 
không v−ợt quá phạm vi cho phép khi Tuabin quay lồng. 
n.k.
V.60
DD
p
p
ghi π=≤ (m) (3-39) 
Trong đó: 
 - Vp là vận tốc dài quay lồng cho phép lớn nhất: 
 + Vp = 160 (m/s) khi Smf ≤ 175 (MVA). 
 + Vp = 185 (m/s) khi Smf > 175 (MVA). 
 - kp là hệ số quay lồng của Tuabin: 
T.1
11
p 'n
'nk = 
 + n’11 là tốc độ quay lồng qui dẫn, xác định từ Tuabin. 
 + n’1.T là tốc độ quay qui dẫn thực tế qua Tuabin. 
 - n là tốc độ quay định mức của máy phát, theo Tuabin (v/p). 
Vậy đ−ờng kính của máy phát: 
Da = Di + ΔD (m) 
Trong đó: ΔD = (0,5ữ0,9) m 
B−ớc 3: Xác định chiều cao lõi thép của Máy phát. 
Theo công thức: 
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 3 
2
i
0A
a D.n.
S.C.30
l π= (m) (3-40) 
Trong đó: 
 - S0 công suất tính toán khi điều chỉnh hệ số phụ. 
mf0 S.kS = (MVA) 
 - k là hệ số xác định theo bảng sau: 
Bảng 3-8 
Cosϕ 0,8 0,85 0,9 0,95 1 
k 1,08 1,07 1,06 1,045 1 
 - Y*A )S(
RC = 
So sánh và chọn chiều cao tiêu chuẩn theo dãy chiều cao rotor tiêu chuẩn sau: 
40, 80, 100, 110, 130, 140, 150, 175, 190, 210, 230, 259, 275 cm 
B−ớc 4: Xác định cấp điện áp Máy phát. 
Điện áp định mức máy phát có các cấp định mức sau: 3,15; 6,3; 10,5; 13,8; 15,75; 
18; 20; 21; 24 kV. 
- Nếu Smf ≤ 15 MVA, Udm ≤ 6,3 kV. 
- Nếu 15 < Smf ≤ 70 MVA, 6,3 < Udm ≤ 10,5 kV. 
- Nếu Smf >70 MVA, Udm > 10,5 kV. 
B−ớc 5: Xác định loại Máy phát. 
Tính: 
a
i
l
DL = 
 - Nếu L < 4 dùng loại máy phát kiểu treo. 
 - Nếu L > 5 dùng loại máy phát kiểu ô. 
 - Nếu 4 ≤ L ≤ 5 và n > 150 (v/p) dùng loại máy phát kiểu treo. 
 - Nếu 4 ≤ L ≤ 5 và n ≤ 150 (v/p) dùng loại máy phát kiểu ô. 
Máy phát có thông số nh− sau: CB 940/235-30. 
Da = 940 cm, la = 235 cm, 2p = 30. 
Ví dụ 3: 
Chọn máy phát cho Nhà máy thuỷ điện với Tuabin ở Ví dụ 2: 
Giải. 
B−ớc 1: Xác định số cặp cực của Máy phát. 
Ta có: n = 150 v/p. Do đó tra (bảng 3-7) đ−ợc: 2p = 40. 
B−ớc 2: Xác định đ−ờng kính ngoài của Máy phát. 
 - 50
8,0
40
cos
NS mfmf ==ϕ= (MVA) 
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 3 
 - 25,1
40
50
p2
SS mf* === (MVA) 
 - Chọn loại máy phát làm mát bằng không khí, tra (bảng 3-7) ta có: A = 0,529; 
α = 0,246; R = 18,8; Y = 0,18. 
5589,025,1.529,0)S(.A 246,0** ===τ α 
- 119,7
14,3
40.5589,0p2.D
*
i ==π
τ= (m) 
- 2,1
9,99
120
'n
'nk
T.1
11
p === 
- ghi
p
p
gh DD9,16150.2,1.14,3
160.60
n.k.
V.60
D <→==π= (m) 
- Da = Di + ΔD = 7,119 + 0,8881 = 8 (m) 
B−ớc 3: Xác định chiều cao lõi thép của Máy phát. 
- 5450.08,1S.kS mf0 === (MVA) 
 - 59,18
25,1
8,18
)S(
RC 18,0Y*A === 
- 26,1
119,7.150.14,3
54.59,18.30
D.n.
S.C.30
l 22
i
0A
a ==π= (m) = 126 (cm). 
Chọn chiều cao tiêu chuẩn: la = 1,3 (m) = 130 (cm). 
B−ớc 4: Xác định cấp điện áp Máy phát. 
Smf = 50 MVA chọn điện áp định mức Udm = 10,5 kV. 
B−ớc 5: Xác định loại Máy phát. 
- 4,5
3,1
119,7
l
DL
a
i === 
- L > 5 dùng loại máy phát kiểu ô. 
 Vậy ta chọn loại máy phát kiểu ô có thông số nh− sau: CB-840/130-10,5 
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 3 
3.4 Kết cấu của Nhμ máy thuỷ điện 
I. Nhà máy thuỷ điện ngang đập. 
Nhà máy thuỷ điện đ−ợc thực hiện ngay trong thân đập, là một phần của công trình 
dâng n−ớc, chịu áp lực n−ớc th−ợng l−u đồng thời cũng là công trình lấy n−ớc nối tiếp 
với Tuabin. 
Min 
Max 
MNHL
MNSC 
MNC
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 3 
Do Tuabin đặt trong thân đập nên kết cấu của đập phức tạp, chiều cao cột n−ớc 
thấp khoảng (30ữ40)m, công suất khoảng (120ữ150) MW. Để giảm kích th−ớc của 
gian máy th−ờng chọn máy phát kiểu Ô (hình 3-32). hoặc Capxul (hình 3-33). 
Để đảm bảo an toàn trong mùa lũ, Nhà máy thuỷ điện ngang đập th−ờng kết hợp xả lũ. 
II. Nhà máy thuỷ điện sau đập và đ−ờng dẫn. 
Hình 3-33. Nhà máy thuỷ điện ngang đập máy phát kiểu Capxul
Min
Max
MNC 
MNSC 
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 3 
Nhà máy thuỷ điện sau đập và đ−ờng dẫn cùng dùng đ−ờng ống dẫn n−ớc vào 
Tuabin, ống áp lực đặt trong đập với Nhà máy thuỷ điện sau đập và đặt lộ thiên với 
Nhà máy thuỷ điện đ−ờng dẫn. Nhà máy này không trực tiếp chịu áp lực của phía 
th−ợng l−u nên kết cấu của đập đơn giản hơn. 
- Nhà máy thuỷ điện sau đập có công suất và cột n−ớc khá lớn khoảng (30ữ300)m 
(hình 3-34). Do không bị hạn chế về chiều cao của gian máy nên có thể sử dụng máy 
phát kiểu treo hoặc kiểu ô cũng nh− Capxul. Để đảm bảo an toàn trong mùa lũ, Nhà 
máy thuỷ điện sau đập th−ờng kết hợp xả lũ. 
- Nhà máy thuỷ điện đ−ờng dẫn có thể sử dụng cột n−ớc rất cao 2000m (hình 3-34). 
Th−ờng sử dụng Tuabin gáo trục đứng hoặc trục ngang. 
Min
MNSC
MNHL
MNC 
Max
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 3 
III. Nhà máy thuỷ điện ngầm. 
Toàn bộ nhà máy nằm sâu trong lòng đất, liên hệ giữa nhà máy với mặt đất bằng các 
giếng hoặc đ−ờng hầm (hình 3-36). Do đó nhà máy th−ờng có cột n−ớc cao và công suất 
lớn, tổn thất cột n−ớc giảm do đi thẳng, có thể sử dụng máy phát kiểu treo hoặc kiểu ô. 
Tuy nhiên do xây dựng ngầm nên khối l−ợng thi công lớn, yêu cầu kỹ thuật cao. 
MNSC 
MNC 
Min
MNHL
Max
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 3 
IV. Nhà máy thuỷ điện tích năng. 
Nhà máy thuỷ điện tích năng gồm 2 hồ chứa n−ớc, 1 ở hạ l−u và 1 ở th−ợng l−u. 
Gồm 2 quá trình bơm trữ n−ớc và phát điện. Trong những giờ yêu cầu phụ tải của hệ 
thống thấp, máy bơm lấy điện từ hệ thống bơm n−ớc từ hồ hạ l−u lên hồ th−ợng l−u để 
phát điện trở lại vào giờ cao điểm của hệ thống. Nhà máy này góp phần đảm bảo an 
ninh năng l−ợng và san phẳng đồ thị phụ tải, có hiệu quả kinh tế cao. 
Nhà máy có thể gồm: 
- Sơ đồ 4 máy với Tuabin, máy phát, động cơ điện, máy bơm. −u điểm là mỗi tổ máy 
đ−ợc thiết kế theo chế độ làm việc tối −u riêng, không phụ thuộc vào nhau nh−ng có 
nh−ợc điểm là tốn kém về không gian và vốn đầu t− nên ít dùng. 
- Sơ đồ 3 máy với Tuabin, máy bơm, động cơ điện thuận nghịch (động cơ-máy phát). 
Sử dụng cho các nhà máy trục đứng (hình 3-37) máy bơm đặt d−ới Tuabin, giữa Tuabin 
và máy bơm có ly hợp để tách máy bơm khi nhà máy làm việc ở chế độ phát điện. Với 
sơ đồ này các thiết bị đ−ợc chế tạo với chế độ tối −u của riêng nó và luôn quay theo 
một chiều nhất định nên vận hành đơn giản và có tính kinh tế cao. Hiện nay các nhà 
máy thuỷ điện tích năng chủ yếu sử dụng sơ đồ này (50%). 
MNSC 
MNDBT 
MNC 
Min 
Max 
1
24 
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 3 
- Sơ đồ 2 máy với 2 quá trình thuận nghịch (động cơ-máy phát, Tuabin-máy bơm) 
(hình 3-38). Khi chuyển từ chế độ máy phát sang máy bơm và ng−ợc lại chỉ cần thay 
đổi chiều quay t−ơng ứng của máy phát. Nhà máy có ít thiết bị nên vốn đầu t− giảm 
(30%), giảm đ−ợc không gian trong nhà máy tuy nhiên do máy làm việc ở 2 chế độ 
khác nhau nên khó có thể làm việc ở chế độ tối −u, việc điều khiển máy làm việc theo 
2 chế độ khác nhau khá phức tạp. 
Phạm vi sử dụng cột n−ớc của nhà máy t−ơng đối rộng nên có thể sử dụng đ−ợc 
Tuabin h−ớng trục, Tuabin tâm trục, Tuabin chéo trục... 
V. Nhà máy thuỷ điện Thuỷ triều. 
Nhà máy thuỷ điện thuỷ triều lợi dụng biên độ dao động năng l−ợng thuỷ triều lên 
xuống để phát điện. Chiều cao biên độ dao động của thuỷ triều ở một số nơi có thể 
t−ơng đối lớn (2ữ6)m. Trong điều kiện địa hình tự nhiên có vinh hẹp ng−ời ta xây đập 
ngăn lại thành bể chứa và trong đó bố trí Nhà máy thuỷ điện để phát điện. 
Nhà máy thuỷ điện thuỷ triều th−ờng dùng tổ máy chảy thẳng làm việc 2 chiều. 
Phần d−ới n−ớc của nhà máy gồm buồng dẫn n−ớc và ống hút thẳng. Khi đổi chiều làm 
việc do thuỷ triều xuống thì ống hút trở thành buồng dẫn. 
Với những đặc điểm trên, Nhà máy thuỷ điện thuỷ triều hợp lý nhất là dùng tổ máy 
phát - Tuabin capxul có thể đặt ngầm hoặc nổi (hình 3-39). 
MNC
MNSC
MNDBT
MNC
MNSC
MNDBT
áo trình Nhà máy Thuỷ điện Ch−ơng 3 
--------o0o--------