Chương 2: Hệ thống phát điện thủy điện pot

Phát điện Thuỷ điện JE-HYO-B-01 16 Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN) CHƯƠNG II: HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN THỦY ĐIỆN I. Thủy lực học I.1 Trọng lượng, tỷ số nén và hệ số nhớt của nước (1) Trọng lượng của nước Khối nước nở ra hay co lại không đáng kể khi nhiệt độ thay đổi. Nhiệt độ tăng lên làm cho nước giãn nở và mật độ của chúng giảm. Ở 4 o C nước có trọng lượng riêng bằng 1, trọng lượng của 1m 3 là 1000 kg. Mối quan hệ giữa nhiệt độ và trọng lượng riêng của nước được thể hiện trong bảng II.1. (2) Tỷ số nén của nước Nước có tính chất nén. Áp lực bên ngoài làm khối nước co lại một chút và chúng trở lại trạng thái ban đầu khi không còn áp lực nữa. Gọi thể tích nước là "V" đặt dưới áp suất "P" ở một nhiệt độ nhất định, "V" sẽ giảm đi một lượng " ∆ V" khi "P" tăng " ∆ P", quan hệ giữa "V" và "P" được thể hiện trong công thức sau. K = 1 ∆ V V ∆ P (II.1) Tỷ số nén của nước được cho trong bảng II.2. Bảng II.1 Quan hệ giữa nhiệt độ và trọng lượng riêng của nước Trạng thái Đông đặc (băng) Lỏng (nước) Nhiệt độ o C -20 -10 0 0 4 10 15 20 30 50 100 T.L.riêng [ t/m 3 ] 0,9408 0,9186 0,9167 0,9999 1,0000 0,9997 0,9991 0,9982 0,9957 0,9881 0,9534 Bảng II.2 Tỷ số nén của nướ c Áp suất Tỷ số nén ( × 10 -6 ) Áp suất khí quyển (kg/cm 2 ) Cột nước (m) 0 o C 10 o C 15 o C 20 o C 1 ~ 25 10 ~ 250 52,5 50,0 49,5 49,1 25 ~ 50 250 ~ 500 51,6 49,2 48,0 47,6 (3) Hệ số nhớt của nước Tính nhớt của nước làm thay đổi vận tốc dòng chảy theo phương vuông góc và phương dòng chảy. Ứng suất trượt tỷ lệ với sự biến thiên của vận tốc, được thể hiện trong công thức sau: f = µ dv (II.2) dy Trong đó: f: ứng suất trượt y: khoảng cách giữa các đường dòng v: vận tốc của nước “µ” là “hệ số nhớt”. Hệ số nhớt của nước được cho trong bảng II.3. Bảng II.3 Hệ số nhớt của nướ c Nhiệt độ [ o C] Trị số “ µ ” (kg ⋅ giây./m 2 ) (g ⋅ giây. / cm 2 ) 0 0,0001832 0,00001832 5 0,0001547 0,00001547 10 0,0001332 0,00001332 15 0,0001162 0,00001162 20 0,0001023 0,00001023 25 0,0000912 0,00000912 30 0,0000818 0,00000818 I.2 Áp suÊt của nước Áp suất của nước được tính toán như sau. Như minh họa trên hình II.1, giả sử cột nước trong một thùng không chuyển động có chiều cao giả thiết là “H”(m) kể từ mặt nước, diện tích mặt cắt đều là “A”(m 2 ), cột nước được xem như là chịu một áp lực duy trì bằng “P”(kg) tác dụng lên đáy thùng. Gọi trọng lượng trên một đơn vị thể tích nước bằng w (kg/m 3 )[kgf/m 3 ], Thể tích của cột nước bằng = AH (m 3 ) Trọng lượng của cột nước bằng = wAH (kg) Do đó, P = wAH (kg) (II.3) Trị số áp lực trung bình của nước “p” tại đáy của cột nước bằng: p = P = wH(kg/m 2 ) (II.4) A Trị số “p” cho biết áp suất của nước ở độ sâu H(m). Nên: H = p w Vì vậy: w = 1000(kg/m 3 ) [kgf/m 3 ] p = 1000 H (kg/m 2 ) (II.5) Khi p được cho với đơn vị là (kg/cm 2 ), H = Mà w = 1000(kg): p × 10 4 (m) w H = p × 10 4 = w p × 10 4 = 10p(m) (II.6) 1000 Hình II.1 Áp suÊt thủy t ĩnh Trị số “H” biểu thị “cột áp”. Từ biểu thức ta thấy áp suất của nước bằng 1/10 chiều cao của cột nước (đơn vị chiều cao cột nước là m), và cột nước có trị số gấp 10 lần áp suất đo được ở đơn vị kg/cm 2 . Quá trình đo áp suất của nước thường được thực hiện bằng đồng hồ Piezometer, hoặc các thiết bị khác tương tự. Piezometer có thể đo mức nước trong bể bằng cách lắp ghép một ống thủy tinh cố định đặt theo phương thẳng đứng “a” với một ống nối “b” tới bể nước, như minh họa trên hình II.2. Áp lực tại khớp nối "O" có thể được tính bằng P = wH (kg/m 2 ) theo công thức (II.4), do đó có thể tính được áp suất của nước. Hình II.2 Đo mức nước của bể I.3 Nguyên lý liên tục Nguyên lý liên tục của dòng chảy có thể được giải thích như sau. Xét đặc tính dòng chảy của nước được bao kín xung quanh như trên hình II.3. Nếu A 1 , A 2 là diện tích mặt cắt tại điểm A, B, và v 1 ,v 2 tương ứng là vận tốc trung bình tại A, B, lưu lượng qua mặt cắt trong một đơn vị thời gian là A 1 v 1 tại A, và A 2 v 2 tại B. Khi nước được bao quanh bằng kim loại cứng thì thể tích nước giữa hai điểm A và B là không đổi và khi nước chảy liên tục thì không có khoảng trống nào có thể tồn tại trong đó. Do đó, nếu giả thiết mật độ của nước không thay đổi thì khối lượng nước giữa A và B là không đổi. Nếu không có đường vào hoặc ra giữa hai điểm đó thì thể tích nước vào ở A và ra ở B luôn bằng nhau trong một khoảng thời gian nhất định. “Nguyên lý liên tục của dòng chảy ” được thể hiện qua biểu thức: A 1 v 1 = A 2 v 2 = Q (II.7) Q là trị không đổi của lưu lượng nước. Trong kênh hở, dòng chảy có một phần mặt nước tự do có thể chuyển động lên xuống nên lưu lượng nước Q không phải là không phụ thuộc vào vị trí của mặt cắt như kênh kín hoàn toàn. Tuy nhiên, nguyên lý này có thể áp dụng cho các kênh có mặt nước tự do khi mức nước và hình dạng của kênh không thay đổi. A B Hình II.3 Nguyên lý liên tục của dòng chảy I.4 Cột áp lưu tốc Khi xem xét đặc tính của dòng chảy, ngoài thế năng thì cần chú ý đến sự có mặt của động năng. Giả thiết rằng nước có trọng lượng w(kg)[kgf] đang chuyển động với vận tốc v(m/s), động năng được tính theo công thức sau: Ở đây gia tốc trọng trường: g = 9,8 (m/s 2 ), khối lượng của nước: M = do đó, w (kg), g 1 Mv 2 = 1 ( w )v 2 = wv 2 (kg-m)[kgf-m] (II.8) 2 2 g 2g Khi mức nước tăng lên bằng h(m) và giả thiết rằng tất cả động năng chuyển thành thế năng, khi đó thế năng bằng “wh (kg-m)[kgf-m]”, Nên wh = wv 2 v = 2gh (m/s) 2g v 2 Q h = 2g (II.9) Biểu thức này cho biết “cột áp lưu tốc” h là “cột áp” sinh ra do dòng chảy chuyển động. A B 2 I.5 Định lý Bernoulli Định lý Bernoulli là một định lý áp dụng “định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng” cho dòng chảy, có thể được mô tả như sau. Dòng chảy chất lỏng lý tưởng không có tính nhớt, tính co giãn và không biến đổi theo thời gian, chỉ chịu tác dụng của trọng trường thì tổng động năng, thế năng, áp năng lũy tích dọc theo dòng chảy đơn là không đổi. Đây là phát biểu của “Định lý Bernoulli”. Các thành phần sử dụng trong thủy lực học của động năng, thế năng, áp năng là như sau. v 2 : cột áp lưu tốc (đơn vị đo chiều dài) 2g p : cột áp (đơn vị đo chiều dài) w h : cột áp thế năng (đơn vị đo chiều dài) Do đó, Định lý Bernoulli’s được viết như sau. v + p 2g w + h = không đổi = C (II.10) Công thức trên được áp dụng cho dòng chảy chất lỏng không bị nén, không có tính nhớt, và chảy ổn định không có sự biến động nào, (II.10) còn có thể được viết lại khi xét đến sự cản trở do ma sát. Hình II.4 minh họa cho biểu thức được viết lại trong thực tế. v 2 A + 2g p A + h = w v 2 B + 2g p B + h = H (II.11) w Hình II.4 Định lý B e rnou lli A B AB I.6 Tổn thất cột nước Dòng chảy trong thực tế chịu nhiều sự cản trở khác nhau, chúng có tác động làm giảm trị số của các dạng năng lượng nói trên. Đó là “tổn thất cột nước”, có thể được giải thích như sau. Nếu lưu lượng của dòng chảy là Q(m 3 /s) và tổn thất năng lượng trong một giây bằng E(kg-m) thì tổn thất dòng chảy cho một đơn vị trọng lượng/đơn vị thời gian được tính bằng E/wQ, và tổn thất loại này được gọi là “tổn thất cột nước”. Vì vậy dễ thấy rằng “tổn thất cột nước” tăng tỷ lệ với lượng nước chảy xuống. Công thức (II.11) áp dụng cho dòng chảy lý tưởng không xét đến tổn thất cột nước, ta có thể được viết lại trong công thức (II.12) sau khi thêm vào thành phần "h AB " để biểu thị tổn thất cột nước giữa hai điểm A và B được mô tả trên hình II.4. (II.12) v 2 A + 2g p A + h = w v 2 B + 2g p B + h + h w II. Tính toán công suất của nhà máy thủy điện II.1 Công suất phát ra của nhà máy điện Công suất phát ra của nhà máy điện được quyết định bởi cột nước và trị số lưu lượng nước. Phương pháp tính toán lý thuyết công suất phát ra của nhà máy điện được tính toán như sau: (1) Công suất phát ra theo lý thuyết Giả thiết trọng lượng riêng của nước bằng 1000 kg/m 3 , H là chiều cao của cột nước có đơn vị là (m) và Q là lưu lượng nước có đơn vị là (m 3 /s). Năng lượng sinh ra trong một đơn vị thời gian được tính bằng: P = 1000QH (kgm/s) Mà 1kgm/s = 9,8j và 1kW = 1000j nên công thức này có thể được viết lại như sau: P = 1000QH * 9,8 1000 = 9,8QH [kW] (II.13) P biểu thị trị số thủy năng lý thuyết sử dụng để chạy tua bin nước và máy phát phát điện. Công thức trên cho biết thủy năng được chuyển hóa thành cơ năng, sau đó thành điện năng. (2) Công suất phát ra của nhà máy điện Hiệu suất của tua bin η W là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào tua bin, và hiệu suất của máy phát η ｇ là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào máy phát, công suất ra của tua bin P W (kW) và công suất của máy phát P (kW) được tính như sau: Pw = 9,8*η W *QH (kW) P = 9,8*η W *η ｇ QH (kW) (II.14) Công suất phát ra của máy phát thường được gọi là công suất phát của nhà máy điện. Hiệu suất của tua bin và máy phát được giới thiệu sơ lược trong bảng II.4, chúng phản ánh sự phụ thuộc của công suất phát vào các nhân tố khác. Tích số “(Hiệu suất tua bin) x (Hiệu suất máy phát)” được gọi là “Hiệu suất tổng hợp” hay “Hiệu suất tổng”. Bảng II.4 Hiệu suất máy phát và hiệu suất tuabin - Các trị số gần đúng Công suất phát (kW) Hiệu suất tuabin (%) Hiệu suất máy phát (%) Hiệu suất tổng hợp (%) 2.000 83 94 78 5.000 85 96 82 10.000 87 97 84 Lớn hơn hoặc bằng 20.000 88,92 97 85,89 II.2 Cột nước (1) Cột nước tổng Cột nước tổng là chênh lệch về độ cao giữa mức nước vào và mức nước ra. Giá trị đọc được lớn nhất gọi là cột nước tổng cực đại. (2) Cột nước tĩnh Cột nước tĩnh là sự chênh lêch giữa mức nước của bể áp lực (hoặc bể tràn) và mức nước đầu ra của ống hút khi tất cả các tua bin ở trạng thái dừng. Mức nước đầu ra có thể được đo ở ống hút hoặc tại điểm mà đường trung tâm của vòi phun đi vào bánh xe công tác. Giá trị lớn nhất đọc được gọi là cột nước tĩnh cực đại. (3) Cột nước hiệu dụng Tổn thất cột nước là tổn thất do ma sát trên đường dẫn nước và các nhân tố khác như lưu lượng nước chảy xuống từ điểm lấy nước vào tới kênh thoát nước ra qua kênh dẫn và ống thép. Cột nước tổng là cột nước tổng thực tế có thể sử dụng để vận hành tua bin. Cột nước hiệu dụng được tính bằng hiệu số giữa cột nước tổng và tổn thất cột nước. Cột nước tổng và cột nước hiệu dụng được tính như sau. - Đối với tua bin xung kÝch : (Xem minh họa trên hình II.5) Cột nước tổng = [Mức nước dâng tại điểm lấy nước vào] - [Mức nước dâng ở đầu ra] - § ối với các tua bin trục ngang: Cột nước hiệu dụng = [cột nước tổng] - [tổn thất cột nước giữa điểm lấy nước vào và bể áp lực (bể tràn)] - [tổn thất cột nước giữa bể áp lực (bể tràn) và đường vào tuabin] - [chênh lệch về chiều cao mức nước dâng ở đầu ra và tại điểm mà đường trung tâm của vòi phun đi vào vòng bánh răng của bánh công tác (hoặc chênh lệch về chiều cao trung bình giữa chúng) - § ối với các tua bin trục đứng: Cột nước hiệu dụng = [cột nước tổng] - [tổn thất cột nước giữa điểm lấy nước vào và bể áp lực (bể tràn)] - [tổn thất cột nước giữa bể áp lực (bể tràn) và đường vào tuabin] -[chênh lệch về chiều cao mức nước dâng ở đầu ra và tại điểm mà đường trung tâm của vòi phun đi vào của bánh công tác]. - Đối với tua bin phản kÝch : (Xem minh họa trên hình II.6) Cột nước tổng = [mức nước vào] - [mức nước ra] Cột nước hiệu dụng = [cột nước tổng] - [tổn thất giữa điểm lấy nước vào Reservoir G l1 12 và bể áp lực (bể tràn)] - [tổn thất giữa bể áp lực (bể tràn) và điểm vào tua bin] - [chênh lệch giữa mức nước của ở đầu ra của ống hút và mức nước dâng đầu ra]- [cột nước lưu tốc tại đầu ra của ống hút] Tổn thất giữa điểm lấy nước vào và bể tràn h l1 Cột nước hiệu dụng Cột nước tĩnh Cột nước tổng Hồ chứa Vận tốc tại điểm lấy nước vào Vận tốc t ạ i đáy của bể tràn Tổn thất giữa bể tràn và điểm vào tua bin H H st Cột nước hiệu dụng Cột nước tổng v 2 H = H - h - h - h - 2 2.g Chênh lệch giữa mức nước ra và điểm mà tia trung tâm của vòi phun đi vào vòng răng của bánh công tác Hình II.5 Quan hệ giữa các cột nước tổng, cột nước tĩnh và cột nước hiệu dụng (Đối với tua bin xung kÝch ) − h Tổn thất giữa điểm lấy nước vào và bể ®iÒ u ¸p Cột nước hữu ích là cột nước tổng có thể sử dụng trong thực tế để vận hành tua bin. Trong đó cột nước tổng là độ chênh lệch giữa mức nước vào và ra. Cột nước tĩnh Độ chênh lệch về thế giữa mức nước của bể áp lực (hoặc bể tràn phía thượng lưu) và mức nước ra của ống thoát. Cột nước tổng Độ chênh lệch về thế giữa mức nước vào và ra Hồ chứa Vận tốc tại điểm lấy nước vào Vận tốc tại đáy của bể ®iÒu ¸p Tổn thất giữa bể ®iÒu ¸p và Cột nước hiệu dụng Cột nước tổng 2 điểm vào tua bin Vận tốc tại đầu ra của Chênh lệch về chiều cao giữa mức nước ra H = H G l1 − h l 2 − υ 2 − h 2g ống hút khỏi ống hút và mức nước đầu ra. Hình II.6 Mối quan hệ giữa các cột nước tổng, cột nước tĩnh, cột nước hiệu dụng (Đối với tua bin phản kÝch ) II.3 Tổn thất cột nước Các loại tổn thất cột nước chủ yếu được cho trong hình II.7 (1) Tổn thất tại cửa nhận nước: Tổn thất này phụ thuộc vào sự thay đổi tiết diện của cửa nhận nước từ dòng sông có tiết diện lớn hơn và các thiết bị phụ khác (2) Tổn thất trên kênh dẫn nước: tổn thất này do độ dốc và sự thay đổi vận tốc nước trong kênh dẫn gây nên. (3) Tổn thất tại bể lắng: tổn thất tại bể chìm. (4) Tổn thất trong đường hầm áp lực: Tổn thất do độ uốn cong và ma sát. (5) Tổn thất trong đường ống áp lực: Tổn thất do ma sát và độ uốn cong của ống dẫn. (6) Tổn thất trên kênh xả: Tổn thất do độ dốc tại đầu kênh xả. [...]... máy thủy điện còn được phân loại theo cách sử dụng dòng chảy, đó là phương thức vận hành nhà máy thủy điện (4) Thủy điện kiểu Run-of-river (sử dụng dòng chảy tự nhiên) Là hệ thống phát điện sử dụng dòng chảy tự nhiên để phát điện không có các tác động điều tiết của con người Thủy điện kiểu này gồm các nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn không có hồ chứa hoặc hồ điều tiết (Xem hình II.9-(a)) (5) Thủy điện. .. Nhà máy thủy điện tích năng Là một hệ thống phát điện có hồ chứa phía trên và phía dưới để đưa nước trở lại bằng bơm nước từ hồ thấp hơn lên hồ cao hơn vào giờ thấp điểm và phát điện trong giờ cao điểm (Xem hình II.9-(d)) Điểm lấy nước vào Không có hồ chứa hay hồ điều tiết để điều tiết dòng chảy, hệ thống này phát điện dựa vào thế năng của dòng chảy tự nhiên Vì vậy hệ số sử dụng nước của hệ thống không... tiết Là hệ thống phát điện có thể điều tiết dòng chảy theo ngày hoặc tuần bằng hồ điều tiết phía thượng lưu ở “các nhà máy kiểu kênh dẫn”, thay đổi công suất phát ra tương ứng với sự thay đổi nhu cầu phụ tải trong ngày (Xem hình II.9-(b)) (6) Nhà máy thủy điện kiểu hồ chứa Là hệ thống phát điện có hồ chứa tự nhiên hoặc nhân tạo vì vậy có thể điều tiết dòng chảy theo mùa, điều chỉnh công suất phát ra... các nhà máy thủy điện lớn đều sử dụng phương án này Kênh xả (b) Nhà máy thủy điện kiểu đập Hồ chứa hoặc hồ điều tiết Đập tràn Bể ®iÒu ¸p Đường dẫn áp Điểm lấy lực nước vào Phương án này tạo ra cột nước bằng việc kết hợp được các ưu điểm của nhà Đường ống ¸p lùc máy thủy điện kiểu đập Trạm phát điện và kênh dẫn Kênh xả (c) Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp Hình II.8 Phân loại các nhà máy thủy điện theo phương... Tailrace Kênh xả (c) Nhà máy thủy điện kiểu hồ chứa Nhà máy điện loại này bơm nước trở lại từ hồ dưới lên hồ trên bằng lượng điện năng kinh tế được cung cấp từ các nhà máy nhiệt điện và điện hạt nhân trong giờ thÊp điểm như lúc nửa đêm hoặc cuối tuần Lượng nước đó được sử dụng hiệu quả ®Ó phát điện trong giờ cao điểm Hồ trên Đập Trạm phát điện Thông thường nhà máy thủy điện tích năng sử dụng hồ chứa... sự thay đổi tiết diện mặt cắt và các van điều tiết ở đầu vào Trạm phát điện Tổn thất cột nước Kênh xả Hình II.7 Các loại tổn thất cột nước Tổn thất trên kênh xả Tổn thất do ma sát dọc chiều dài kênh, sự thay đổi tiết diện mặt cắt và do bề mặt nước dốc III Hệ thống phát điện thủy điện Điện năng được sản xuất ra trong các nhà máy thủy điện phụ thuộc vào dung tích nước xả và cột áp Khi nước ở các dòng... tiết Đập cao Trạm phát điện (b) Nhà máy thủy điện có hồ điều tiết Hồ chứa Nhà máy thủy điện sử dụng một hồ chứa để điều tiết dòng chảy theo mùa Phương án này cho phép tèi đa việc sử dụng nguồn nước bằng cách giữ nước trong hå vào mùa mưa hoặc khoảng thời gian thấp điểm, xả nước và phát điện trong mùa khô để cung cấp lượng nước thích hợp trong mùa khô cho khu vực hạ lưu Đập cao Trạm phát điện Tailrace Kênh... chứa thượng lưu qua kênh dẫn (máng) với độ dốc nhỏ tương ứng để tạo ra cột nước phát điện giữa bể chứa và trạm phát điện Bể chứa Đường ống áp lùc Dòng sông càng dốc thì cột nước có thể đạt được càng lớn mặc dù kênh dẫn ngắn hơn Trạm phát điện (a) Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn Đập cao Hồ chứa hoặc hồ điều tiết Trạm phát điện Phương án này tạo ra cột nước cao giữa mức nước thượng lưu và hạ lưu bằng... dụng cột nước giữa hồ điều tiết hoặc bể áp lực và vị trí đặt nhà máy thủy điện Nước giữ lại được đưa qua đập xây dựng phía thượng lưu của dòng sông và dẫn tới tua bin của nhà máy thủy điện bằng một kênh dẫn dài Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn có thể có hồ điều tiết hoặc không, chúng được minh họa trên hình II.8-(a) (2) Nhà máy thủy điện kiểu đập Đây là phương án sử dụng cột nước được tạo ra bằng cách... trí thích hợp ở thượng lưu của dòng sông như minh họa trên hình II.8-(b) Nhà máy thủy điện kiểu đập có hồ chứa là công cụ hữu ích để điều tiết và không chịu ảnh hưởng nhiều bởi sự dao động của dòng chảy theo mùa (3) Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp (đập và kênh dẫn) Đây là phương án tạo ra cột nước bằng đập kết hợp với hệ thống kênh dẫn, tận dụng một cách hiệu quả địa hình tự nhiên như được minh họa trên . Phát điện Thuỷ điện JE-HYO-B-01 16 Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN) CHƯƠNG II: HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN THỦY ĐIỆN I. Thủy lực học I.1 Trọng lượng, tỷ số nén và hệ số. máy thủy điện còn được phân loại theo cách sử dụng dòng chảy, đó là phương thức vận hành nhà máy thủy điện. (4) Thủy điện kiểu Run-of-river (sử dụng dòng chảy tự nhiên) Là hệ thống phát điện. mặt nước dốc. Hình II.7 Các loại tổn thất cột nước III. Hệ thống phát điện thủy điện Điện năng được sản xuất ra trong các nhà máy thủy điện phụ thuộc vào dung tích nước xả và cột áp. Khi nước