phân tích dòng không ổn định trên kênh dẫn trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện

Bộ giáo dục v đo tạo Bộ nông nghiệp v ptnt Trờng đại học thuỷ lợi YZ Trần minh đạt Phân tích dòng không ổn định trên kênh dẫn trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 60 - 58 - 40 luận văn thạc sĩ Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Trịnh Quốc Công H nội - 2013 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, thực hiện, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài:“Phân tích dòng không ổn định trên kênh dẫn trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện”. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Trịnh Quốc Công, Bộ môn Thủy điện và NLTT Trường Đại học Thủy Lợi đ ã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận văn này. Tác giả xin chân thành cảm ơn phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, khoa Công trình và khoa Năng Lượng Trường Đại học Thủy lợi cùng các thầy giáo, cô giáo đã tham gia giảng dạy và tận tình giúp đỡ, truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian tác giả học tập chương trình Cao học củ a trường Đại học Thủy Lợi, cũng như trong quá trình thực hiện luận văn này. Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo, Cán bộ Viện Kỹ thuật công trình- Trường Đại học Thủy Lợi, bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã tận tình giúp đỡ trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này. Do còn hạn chế về trình độ chuyên môn, cũng như thời gian có hạn, nên trong quá trình th ực hiện luận văn, tác giả không tránh khỏi một số sai sót. Tác giả mong muốn tiếp tục nhận được chỉ bảo của các thầy, cô giáo và sự góp ý của các bạn bè đồng nghiệp. Mọi chi tiết xin liên hệ tranminhdatwru@gmail.com hoặc Số điện thoại: DĐ: 0975135673. Tác giả chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 08 năm 2013 Tác giả Trần Minh Đạt LỜI CAM ĐOAN Tên đề tài luận văn: “ Phân tích dòng không ổn định trên kênh dẫn trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện ”. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào. Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các hình thức kỷ luật nào của Nhà trường. Tác giả Trần Minh Đạt MỤC LỤC MỞ ĐẦU 5 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục đích của đề tài 2 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2 4. Kết quả dự kiến đạt được 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4 1.1. Tổng quan về tuyến năng lượng của trạm thủy điện 4 1.1.1. Các loại nhà máy thủy điện 4 1.1.2. Các loại đường dẫn nước vào nhà máy thủy điện 7 1.1.3 Phân tích ưu nhược điểm các loại đường dẫn nước vào nhà máy thủy điện. 12 1.2. Tổng quan về các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện [1] 14 1.3. Các nghiên cứu về chuyển động không ổn định trong lòng dẫn hở ở Việt Nam và trên thế giới. 15 1.4. Kết luận chương 1 15 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DÒNG KHÔNG ỔN ĐỊNH TRÊN KÊNH DẪN TRONG CÁC CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP CỦ A TRẠM THỦY ĐIỆN 17 2.1. Phương trình vi phân cơ bản của chuyển động dòng không ổn định biến đổi gấp [7] 17 2.1.1. Sự hình thành sóng gián đoạn 17 2.1.2. Các phương trình cơ bản của đầu sóng gián đoạn 19 2.1.3. Hiện tượng truyền sóng gián đoạn trong lòng dẫn hở 20 2.2. Các phương pháp giải hệ phương trình vi phân sóng gián đoạn 21 2.2.1. Tính sóng gián đoạn dựa trên lý thuyết đặc trưng 21 2.2.2. Tính sóng gián đo ạn bằng phương pháp sai phân trực tiếp 23 2.2.3 Xác định sóng gián đoạn bằng phương pháp Tre-tu-xôp 26 2.3. Lựa chọn phương pháp tính toán dòng không ổn định trên kênh dẫn trong các chế độ chuyển tiếp 28 2.3.1. Xác định các đặc trưng sóng gián đoạn trên kênh khi cắt tải 28 2.3.2. Xác định các đặc trưng sóng gián đoạn trên kênh khi tăng tải 31 2.4. Kết luận chương 35 CHƯƠNG III: ÁP DỤNG PHÂN TÍCH DÒNG KHÔNG ỔN ĐỊNH TRÊN KÊNH DẪN TRONG CÁC CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP KHÁC NHAU CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN NÀ TẨU-TỈNH CAO BẰNG 36 3.1. Giới thiệu công trình Nà T ẩu 36 3.1.1 Vị trí 36 3.1.2. Nhiệm vụ của dự án 37 3.1.3. Cấp công trình 37 3.1.4. Điều kiện tự nhiên 37 3.1.5. Các quy trình, quy phạm và tiêu chuẩn thiết kế áp dụng 38 3.1.6. Sự phù hợp của Dự án thủy điện Nà Tẩu với Quy Hoạch 39 3.1.7. Các nghiên cứu tính toán 39 3.1.8. Tác động môi trường đền bù giải phóng mặt bằng 40 3.1.9. Hình thức đầu tư 40 3.1.10. Hiệu quả kinh tế tài chính của dự án 41 3.1.11. Sơ đồ khai thác tuyến năng l ượng 41 3.1.12. Tác động của dự án đến chất lượng cuộc sống con người 45 3.2. Tính toán dòng không ổn định trong kênh trong trường hợp cắt tải 48 3.2.1. Điều kiện đầu 49 3.2.2. Điều kiện biên 50 3.2.3 Kết quả tính toán sóng tăng áp khi cắt tải 51 3.3. Tính toán dòng không ổn định trong kênh trong trường hợp tăng tải 55 3.3.1. Điều kiện đầu 55 3.3.2. Điều kiện biên 56 3.3.3 Kết quả tính toán sóng giảm áp khi tăng tải 58 3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng kích thước bể áp lực đến mực nước cao nhất trong bể khi cắt tải 62 3.5. Kết luận chương 3 63 KẾT LUẬN 65 1. Kết quả đạt được của luận văn 65 2. Vấn đề còn tồn tại và phương hướng nghiên cứu tiếp theo 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 BẢNG KÊ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Nhà máy thủy điện ngang đập 5 Hình 1.2: Nhà máy thủy điện sau đập 6 Hình 1.3: Nhà máy thủy điện đường dẫn 7 Hình 1.4: Kênh tự điều tiết 9 Hình 1.5: Kênh không tự điều tiết 9 Hình 1.6: Đường hầm không áp đặt ở đầu tuyến năng lượng 10 Hình 1.7: Đường hầm áp lực dẫn nước vào nhà máy thủy điện 11 Hình 1.8: Đường ống áp lực dẫn nước vào nhà máy 12 Hình 2-1: Sóng thu ận dương Hình 2-3:Sóng thuận âm 18 Hình 2-2:Sóng nghịch dương Hình 2-4: Sóng nghịch âm 18 Hình 2-6: Quá trình truyền đi của sóng gián đoạn âm 1 Hình 2-5: Quá trình truyền đi của sóng gián đoạn dương 1 Hình 2-7: Sóng gián đoạn thuận – dương 22 Hình 2-8: Sơ đồ sai phân ẩn hình chữ nhật 23 Hình 2-10: Sơ đồ xác định mực nước cao nhất trong bể áp lực khi giảm tải 30 Hình 2.11: Sơ đồ khối tính toán sóng gián đoạn khi cắt tải 31 Hình 2-12: Sơ đồ xác định mự c nước thấp nhất trong bể áp lực khi tăng tải 33 Hình 2.13: Sơ đồ khối tính toán sóng gián đoạn khi tăng tải 34 Hình 3-1: Vị trí công trình thủy điện Nà Tẩu 36 Hình 3-2: Mặt bằng tổng thể công trình thủy điện Nà Tẩu 1 Hình 3-3: Cắt dọc tổng thể công trình thủy điện Nà Tẩu 1 Hình 3.4: Mô hình tính toán nước va 50 Hình 3.5: Biểu đồ lưu lượng theo thời gian (TH cắt tải toàn bộ) 51 Hình 3.7: Mô hình tính toán nước va 57 Hình 3.8: Biểu đồ lưu lượng theo thời gian (TH tăng tải tổ máy cuối cùng) 58 Hình 3.9: Biến thiên mực nước tại các mặt cắt của kênh khi tăng tải 61 Hình 3.10: Quan hệ chiều rộng bể áp lực với mực nước lớn nhất trong bể áp lực 63 BẢNG KÊ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Bảng các thông số chính của công trình 46 Bảng 3.2: Đường mặt nước trong kênh trước khi xảy ra cắt tải 49 Bảng 3.3: Kết quả tính toán các đặc trưng sóng tăng áp trong kênh khi cắt tải 52 Bảng 3.4: Dao động mực nước tại các mặt cắt trên kênh theo thời gian 53 Bảng 3.5: Đường mặt trong kênh trước khi xảy ra cắt tải 56 Bảng 3.6: Kết quả tính toán đặc trưng sóng gián đoạn khi t ăng tải 59 Bảng 3.7: Dao động mực nước tại các mặt cắt trên kênh theo thời gian 60 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước nên nhu cầu điện năng ngày càng tăng. Điều đó đã đặt ra nhiều cấp thiết về năng lượng cho đất nước. Chính vì vậy mà các công trình trạm thủy điện được xây dựng trên ngày một nhiều. Theo báo cáo năm 2011 của viện Năng lượng - Bộ công th ương thì năm 2011, ở Việt Nam chúng ta thủy điện cung cấp gần 40% điện năng, gần 50% công suất cho toàn hệ thống với tổng công suất khoảng 27 nghìn MW; phần còn lại là nhiệt điện than – khí – dầu và năng lượng tái tạo. Đến quý III/2012, thủy điện vừa và nhỏ đã phát lên lưới điện quốc gia khoảng 190 nhà máy với tổng công suất khoảng 1500 MW; còn 49 nhà máy thủy điện l ớn với tổng công suất 11.600 MW là nguồn điện chủ đạo đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia. Nước ta có diện tích tự nhiên 329.200 km2, nhưng ¾ lãnh thổ là rừng và đồi núi, với tổng cộng 2.360 sông suối có chiều dài từ 10km trở lên trong đó có nhiều sông lớn bắt nguồn từ nước ngoài, nên diện tích hứng nước lớn hơn nhiều diện tích lãnh thổ của nước ta, vì vậy trữ năng lý thuy ết đạt tới khoảng 310 tỷ KWh/năm. trong đó trữ năng kinh tế kỹ thuật có thể đạt tới 90 tỷ KWh/năm, tổng công suất lắp. Công trình thủy điện bao gồm nhiều hạng mục như: Hồ chứa, các công trình trên tuyến năng lượng, nhà máy, kênh xả. Tuy theo điều kiện địa hình, địa chất mà các công trình thủy điện đường dẫn thường sử dụng mộ t trong hai phương pháp tập trung cột nước đó là dung kênh dẫn hoặc đường hầm dẫn nước có áp. Đối với phương pháp tập trung cột nước bằng kênh dẫn thì các hạng mục trên tuyến năng lượng thường là cửa lấy nước, kênh dẫn, bể áp lực, nhà máy và kênh xả. Để đảm bảo công trình là việc bình thường thì tất cả các hạng mục trên tuyến năng lượng phải đảm bảo vậ n hành an toàn trong mọi chế độ làm việc của nhà máy. Trong công tác tính toán và thiết kế các hạng mục công trình, đặc biệt là tuyến kênh dẫn của trạm thủy điện ngoài tính toán chế độ thủy lực trong trạng thái ổn 2 định, còn phải giải quyết bài toán dòng không ổn định trong các chế độ chuyển tiếp. Đối với dòng không ổn định trên kênh hở của trạm thuỷ điện (đặc biệt là sóng dương), do mang bản chất của sóng gián đoạn (dòng không ổn định biến đổi gấp) nên các phương trình liên tục và phương trình động lượng, mô tả sự dịch chuyển của sóng gián đoạn, không phải là hệ phương trình Saint-Venant, mà được viết cho một đoạn dòng chảy có chứa sóng gián đoạn. Một số cơ quan tư vấn trong nước đã thực hiện việc tính toán chế độ không ổn định trong các chế độ chuyển tiếp cho kênh dẫn nhưng mới chỉ sử dụng công thức gần đúng tính toán ra chiều cao mực nước dềnh tại cuối kênh mà chưa mô phỏng được quá trình hình thành và truyền sóng nên kết quả tính toán không chính xác và không xác định đượ c các đại lượng liên quan như vận tốc sóng, lưu lượng sóng dọc theo chiều dài kênh dẫn. Từ các yếu tố phân tích trên nên việc thực hiện đề tài “phân tích dòng không ổn định trên kênh dẫn trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Nó giúp cho việc thiết kế, lựa chọn kết cấu kênh dẫn, bể áp lực và các công trình trên kênh được hợp lý, đảm bảo trạm thủy điện làm việc an toàn trong mọi chế độ vận hành của nhà máy. 2. Mục đích của đề tài Xây dựng cơ sở lý thuyết, mô hình toán dòng không ổn định trong kênh dẫn thủy điện trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện. 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu - Điều tra, thống kê và tổng hợp các tài liệu đã nghiên cứu liên quan đến đề tài. - Nghiên cứ u cơ sở lý thuyết về chuyển động không ổn định trong lòng dẫn hở. - Nghiên cứu các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện - Ứng dụng phương pháp số phân tích dòng không ổn định trong kênh dẫn thủy điện trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện. - Phân tích, đánh giá kết quả. [...]... Kết quả phân tích áp lực nước va trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện - Sự thay đổi lưu lượng với thời gian trong ống áp lực của trạm thủy điện trong các chế độ chuyển tiếp - Xác định được cao trình mặt nước trong kênh dẫn tại điểm bất kỳ theo thời gian (Zt ~t) cho các chế độ chuyển tiếp khác nhau của trạm thủy điện - Xác định được cao trình mặt nước trong kênh dẫn dọc theo chiều dài dòng. .. thời gian dẫn đến chế độ làm việc của toàn bộ hệ thống công trình trên tuyến năng lượng đều chuyển sang chế độ làm việc không ổn định Các chế độ không ổn định của các bộ phận công trình do tổ máy chuyển chế độ làm việc được gọi là các chế độ chuyển tiếp và quá trình thay đổi từ chế độ này sang chế độ khác được gọi là quá trình chuyển tiếp Trong các quá trình chuyển tiếp các đặc trưng về động lực học... va trong tuyến đường ống áp lực, gây ra hiện tượng sóng tăng áp, sóng giảm áp trong kênh dẫn Vì vậy trong tính toán thiết kế tuyến kênh dẫn, việc tính toán xác định các đặc trưng dòng chảy trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện là rất cần thiết, làm cơ sở cho việc xác định kích thước, kết cấu kênh dẫn 17 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DÒNG KHÔNG ỔN ĐỊNH TRÊN KÊNH DẪN TRONG CÁC CHẾ ĐỘ CHUYỂN... đó ở các công trình có tuyến đường dẫn dài người ta kết hợp đường ống và các công trình dẫn nước khác 1.2 Tổng quan về các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện [1] Chế độ không ổn định của trạm thủy điện xảy ra khi có sự biến đổi theo thời gian của công suất, cột nước, lưu lượng, số vòng quay v.v… Chế độ này xuất hiện khi có sự điều chỉnh lưu lượng qua turbin Khi tổ máy thủy điện chuyển chế độ làm... đoạn Trong chương này, tác giả nghiên cứu xây dựng thuật toán để viết chương trình phần mềm tính toán các đặc trưng sóng tăng áp, sóng giảm áp trong kênh dẫn ở các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện 2.1 Phương trình vi phân cơ bản của chuyển động dòng không ổn định biến đổi gấp [7] 2.1.1 Sự hình thành sóng gián đoạn Các yếu tố thủy lực của chuyển động không ổn định phụ thuộc vào hai biến: không. .. cho các chế độ chuyển tiếp khác nhau của trạm thủy điện - Xác định mực nước max, mực nước min trong bể áp lực cuối kênh dẫn, từ đó làm cơ sở tính toán thiết kể bể áp lực cuối kênh dẫn của trạm thủy điện 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về tuyến năng lượng của trạm thủy điện Các công trình chuyển nước từ cửa nước vào tới nhà máy thuỷ điện và từ nhà máy xuống hạ lưu được gọi chung là công trình dẫn. .. trình thủy điện cần thiết phải xét đến các đặc trưng cơ bản của các quá trình chuyển tiếp trong các bộ phận công trình trạm thủy điện Các quá trình chuyển tiếp của trạm thủy điện được chia làm hai loại : - Các quá trình chuyển tiếp trong vận hành bình thường : khởi động , dừng máy, thay đổi công suất (tăng hoặc giảm tải), chuyển tổ máy sang chế độ chạy bù để tăng công suất tác dụng cho hệ thống và chuyển. .. CHUYỂN TIẾP CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN Trong công tác tính toán và thiết kế các trạm thủy điện ngoài tính toán chế độ thủy lực trong trạng thái ổn định còn phải giải quyết bài toán dòng không ổn định ở các công trình dẫn nước như kênh hở, đường hầm, giếng điều áp, đường ống tuốc bin và kênh xả Đây là bài toán phức tạp Về mặt cơ sở lý luận, đó là hệ phương trình vi phân cơ bản của dòng chảy (phương trình động... giảm tải), chuyển tổ máy sang chế độ chạy bù để tăng công suất tác dụng cho hệ thống và chuyển từ chế độ chạy bù về chế độ làm việc bình thường Các quá trình chuyển tiếp khi sự cố của trạm thủy điện : quá trình cắt tải, quá trình lồng tốc và quá trình đưa tổ máy ra khỏi chế 16 độ lồng tốc Các quá trình chuyển tiếp này sẽ ảnh hưởng đến chế độ thủy lực trên tuyến năng lượng của trạm thủy điện như gây... o Dựa vào các công thức (2-38) ÷ (2-43) ta có thể xác định chiều cao sóng tăng và giảm ảp trong các đường dẫn hở 2.3 Lựa chọn phương pháp tính toán dòng không ổn định trên kênh dẫn trong các chế độ chuyển tiếp Giải hệ phương trình vi phân theo phương pháp đường đặc trưng hoặc phương pháp sai phân sẽ cho kết quả tương đối chính xác các đặc trưng sóng gián đoạn trên kênh dẫn của trạm thủy điện tuy nhiên . chuyển động không ổn định trong lòng dẫn hở. - Nghiên cứu các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện - Ứng dụng phương pháp số phân tích dòng không ổn định trong kênh dẫn thủy điện trong các. dọc theo chiều dài kênh dẫn. Từ các yếu tố phân tích trên nên việc thực hiện đề tài phân tích dòng không ổn định trên kênh dẫn trong các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện có ý nghĩa khoa. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DÒNG KHÔNG ỔN ĐỊNH TRÊN KÊNH DẪN TRONG CÁC CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP CỦ A TRẠM THỦY ĐIỆN 17 2.1. Phương trình vi phân cơ bản của chuyển động dòng không ổn định biến đổi gấp [7]