PHẦN MỀM TRANSIENTS TÍNH TOÁN ÁP LỰC NƯỚC VA VÀ TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG MỨC NƯỚC TRONG THÁP ĐIỀU ÁP CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN ( VERTION 6 0)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI BỘ MÔN THUỶ ĐIỆN PHẦN MỀM TRANSIENTS TÍNH TOÁN ÁP LỰC NƯỚC VA VÀ TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG MỰC NƯỚC TRONG THÁP ĐIỀU ÁP CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN ( VERTION 6.0) Hà nội, năm 2005 - 1 - M U Hiện nay ở nớc ta, cùng với sự phát triển kinh tế, số lợng các trạm thuỷ điện tham gia cung cấp điện cho hệ thống điện ngày càng nhiều. Trong quá trình thiết kế các trạm thuỷ điện, việc tính toán dòng không ổn định trên tuyến năng lợng và việc tính toán tối u điều khiển tổ máy thuỷ điện cũng nh đánh giá mực độ ổn định khi điều khiển tổ máy phát điện là rất cần thiết. Việc tính toán trên phải thông qua rất nhiều bớc nh tối u hoá các thông số công trình với các phơng án sơ đồ tuyến năng lợng khác nhau, tối u thời gian đóng mở, tối u quá trình đóng mở và tối u các thông số điều khiển với các tổ hợp cột nớc làm việc khác nhau v.v. Ta thấy khối lợng công việc là rất lớn, nếu tính toán bằng tay theo các phơng pháp giải tích hoặc phơng pháp đồ giải thì mất rất nhiều thời gian công sức và khó tránh khỏi các tồn tại sau: Tớnh toỏn ỏp lc nc va v tớnh toỏn dao ng mc nc ca thỏp iu ỏp c tớnh toỏn riờng r tớnh h thng thp, khụng xột c nh hng qua li gia cỏc hng mc, kt qu kộm chớnh xỏc. Hin nay ch yu dựng cụng thc kinh nghim tớnh toỏn, a vo nhiu gi thit gim b bt cỏc nhõn t nh hng dn n kt qu tớnh toỏn kộm chớnh xỏc, khụng trc quan, d nhm ln. Cỏc phng phỏp c khụng tớnh toỏn c cỏc t hp tớnh toỏn phc tp hoc l vic tớnh toỏn mt quỏ nhiu thi gian. Vi cỏc trm thu in cú h thng ng dn phc tp thng c n gin hoỏ nờn khú trỏnh khi sai sút. Do khi lng tớnh toỏn ln nờn cỏc nh thit k d b qua nhiu bc tớnh, b qua nhiu t hp tớnh cú th dn n mt an ton cụng trỡnh khi a vao vn hnh sau ny hoc l cỏc thụng s cha c ti u lm gim hiu qu kinh t ca cỏc d ỏn thu in, lóng phớ vn u t ca ch u t v.v. Hin nay trờn th gii, i vi cỏc nc phỏt trin do cỏc d ỏn thu in ó c khai thỏc tng i trit (khi ú cụng ngh thụng tin cha mnh gii bi toỏn dũng khụng n nh mt cỏch tng quỏt) nờn cỏc phn mm tớnh toỏn dũng khụng n nh cú ỏp ch yu tp trung gii quyt cỏc bi toỏn v cp thoỏt nc, cỏc ng ng dn du, n khớ v.v( Nh pipeX, surgeX, WaterCAD, ANSYS, FLUENT v.v ). Do ú m h ớt u t vao xõy dng cỏc phn mm tớnh toỏn ch chuyn tip ca trm thu in, nờn hin nay trờn th gii co rt ớt phn mm gii bi toỏn ch chuyn tip ca trm thu in, nhng phn mm ny c giao bỏn vi giỏ rt cao v cng tng i khú s dng, ngoi ra cú mt s cụng ty ln trờn th gii ó xõy dng phn mm loi ny nhng ch s dng ni b m khụng chuyn giao ra bờn ngoi. - 2 - Xuất phát từ tình hình thực tế nói trên chúng tôi đã nghiên cứu ứng dụng các lý thuyết về dòng không ổn định có áp, các phương trình điều khiển tổ máy thuỷ điện, phương pháp đường đặc trưng hệ phương trình truyền sóng nước va, mô hình hoá sơ đồ, phần tử hoá sơ đồ tuyến năng lượng, lập chương trình trên máy tính giải quyết đồng thời các tồn tại nêu trên. Chương trình lập bằng ngôn ngữ VISUAL BASIC 6.0 với giao diện đồ hoạ trực quan sinh động. Giúp các nhà tư vấn tiết kiệm thời gian công sức, tối ưu hoá các thông số công trình cũng như tối ưu hoá các tham số điều khiển nâng cao hiệu quả kinh tế của dự án, nâng cao độ tin cậy, kéo dài tuổi thọ của các thiết bị và giảm thiểu rui ro. Điều đó có ý nghĩa khoa học và hiệu quả kinh tế là rất rõ ràng. CÁC ỨNG DỤNG THỰC TẾ Hiện nay phần mềm này (phần 1 - tính toán dòng chảy không ổn định trên tuyến năng lượng) đã được chuyển giao cho các công ty tư vấn xây dựng điện thuộc Tổng công ty điện lực Việt Nam như: Công ty tư vấn xây dựng điện 1, Công ty tư vấn xây dựng điện 2, Công ty tư vấn xây dựng điện 4 v.v. Các nhà thiết kế nêu trên đã áp dụng tính toán cho rất nhiều dự án thuỷ điện thực tế như: Thuỷ điện Sông Tranh 2, thuỷ điện Pleikrông, thuỷ điện An Khê Kanak, thuỷ điện Buôn Kướp, Thuỷ điện Sông Ba Hạ, thuỷ điện Za Hung v.v. Địa chỉ liên hệ: TS. NguyÔn V¨n S¬n. Email: Van_son73@yahoo.com ĐTCQ : 04.5639113 ĐTNR : 04.5535030 DĐ : 09.12118064 ĐC:175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội - 3 - Những điểm mới ở Vertion 6.0: 1. Đối với trạm thuỷ điện có tháp điều áp, chương trình có thể tính toán cho các tổ hợp cộng tác dụng: Như sau khi tổ máy thuỷ điện tăng tai được một khoảng thời gian (Khi mực nước trong tháp điều áp vẫn chưa ổn định trở lại) thì gặp sự cố phải ngắt tải đột ngột. Khi đó sẽ xẩy ra cộng tác dụng của hai việc điều khiển, tổ hợp này rất nguy hiểm. 2. Trên sơ đồ tính toán, các đoạn đường dẫn được vẽ với kích thước phù hợp với tiết diện của nó giúp cho người sử dụng dẽ dàng phat hiện ra sai sót khi nhập số liệu ( Nhập sai tiết diện đường dẫn). 3. Chương trình đã thiết kế cho nhiều loại tháp điều áp. 4. Chế độ của tháp van được thể hiện bằng hình ảnh động rất trực quan, tránh cho người sử dụng lựa chọn nhầm lẫn. 5. Tự động tính toán trạng thái ban đầu trước khi tính toán chế độ chuyển tiếp. 6. Các thuật toán được tối ưu hoá để đẩy nhanh tốc độ tính toán. 7. Tự động điều chỉnh số lượng phần tử chia cho phù hợp. 8. Trên bảng kết quả chi rõ vị trí các mặt cắt trên các đoạn đường dẫn. 9. Vẽ cao trình tim đường dẫn và đường đo áp lớn nhất và nhỏ nhất trên cùng biểu đồ, giúp người sử dụng dẽ dàng thấy được sự phân bố áp lực và các vị tri xuất hiện áp suất chân không. 10. Khi nhập số liệu các đường cong quan hệ, chỉ cần nhập đến các điểm gẫy mà không cần phải nhập các đoạn kéo dài. 11. Chương trình tự động làm rõ mối liên kết giữa các đoạn đường dẫn và các hạng mục khác, như tháp van, van nước … 12. Chương trình tự động kiểm tra va phát hiện ra nhưng sai sót cơ bản và chỉ ra nhưng hạng mục chưa nhập đầy đủ số liệu. 13. Chương trình đã được sửa đổi sang giao diện bằng tiếng việt. 14. Đường đặc tính của tuốc bin được biểu diễn trong nhiều hệ toạ độ khác nhau, như trong hệ toạ độ không gian 3 chiều. Đường đặc tính tổng hợp của tuốc bin được chương trình tự động mở rộng số liệu sang những vùng thiếu hụt số liệu. 15. Các thao tác được trực quan và thuận tiện hơn, như cần xem hoặc nhập số liệu của hạng mục nào chỉ việc bấm chuột trực tiếp vào hạng mục đó trên sơ đồ tính toán. PH N 1 - C S Lí THUYT V PH M VI NG DNG I/ Cơ sở tính toán 1/ Hệ phơng trình đạo hàm riêng biểu diễn bản chất vật lý của sóng nớc va: =ì+ =+ì+ 0 g 0 1 c 2 x v t H vvf t v gx H (A-1) H - là cột nớc (mét), v - là lu tốc trung bình của dòng chảy (m/s), x - chiều dòng chảy (mét). t - thời gian (giây). C - vận tốc chuyền sóng nớc va (m/s). g =9.81 m/s 2 là gia tốc trọng trờng. 2/ Giải hệ phơng trình lới đặc trng: Phơng trình lới đặc trng. = =+++ + a dt dx VVf gA aS VV A A g a dt dV g a dt dH C X 0 8 sin : 2 23 = =+ a dt dx VVf gA aS VV A A g a dt dV g a dt dH C X 0 8 sin : 2 24 Trong đó: a Vận tốc sóng nớc va, A Tiết diện ớt, S Chu vi ớt, x Chỉ đạo hàm riêng theo chiều dàI, Góc nghiêng của tim đờng dẫn nớc có áp, Hệ số ma sát. f Hình 1A Sơ đồ lới đặc trng Tích phân phơng trình lới dặc trng, kết quả nh sau. 2-6 PLPP QBCH = PRMP QBCH += 2-8 Trong đó: 76314315331 CCCCCCCCCCCHC LP ++= 76214215221 CCCCCCCCCCCB L + += g a C = 1 P A C 1 2 = L L A Q C = 3 LP LP AA AA C + = 4 tC = sin 2 1 5 )(8 )( 6 LP LP AA tfSS C + + = L L A Q C = 7 1 7 1 6 1 3 1 1 4 1 1 3 1 1 1 5 1 3 1 3 1 1 CCCCCCCCCCCHC RM +++= - 4 - 1 7 1 6 1 2 1 1 1 4 1 2 1 1 1 5 1 2 1 2 1 1 CCCCCCCCCCCB R +++= g a C 2 1 1 = P A C 1 1 2 = R R A Q C = 1 3 RP RP AA AA C + = 1 4 tC = sin 2 1 1 5 )(8 )( 1 6 RP RP AA tfSS C + + = R R A Q C = 1 7 T phơng trình (2-6) và (2-8)Ta giải đợc lu lợng và cột nớc tại các mặt cắt trung gian: LR MP P BB CC Q + = 2-9 2-10 PLPP QBCH = 3/ Hệ phơng trình vi phân của tháp điều áp. () =+ì+ = 0 L . 0 hottt dh dh thap t ZhZ Fg dt dQv F QrQv dt dZ (A-2) Z t : là mực trong nớc tháp điều áp. F thap : là tiết diện tháp điều áp. Tiết diện tháp điều áp thay đổi theo chiều cao hình thành các loại tháp điều áp khác nhau. Q v : Là lu lợng chảy đến trong đờng hầm trớc tháp điều áp. Q r : Là lu lợng chảy vào trong đờng dãn sau tháp điều áp. F dh : Là tiết diện đờng hầm dẫn nớc trớc tháp điều áp. L dh : Là chiều dài đờng hầm dẫn nớc trớc tháp điều áp. h tt : Là tổn thất thuỷ lực, (h tt = h d +h c ). h d : Là tổn thất dọc đờng trong đờng hầm trớc tháp điều áp. h c : Là tổn thất cục bộ khi nớc chảy vào tháp điều áp. hfQQQQ cvrv = .( ). r f : Là hệ số cản của màng cản tháp điều áp. Z hồ : Là mực nớc hồ chứa ở cửa vào đờng hầm dẫn nớc. 4/ Các điều kiện biên. phn ny ch yu gii thiu ngi s dng nm c cỏc cụng thc cỏc thnh phn tn tht cc b trong chng trỡnh nhp s liu cho chớnh xỏc. m bo khụng lm phc tp hoỏ vn nờn phn ny khụng i sõu vo gii thiu phng phỏp gii cỏc h phng trỡnh biờn. aCửa lấy nớc Phơng trình sóng nghịch C PRMP QBCH += Tổn thất cục bộ: 22 2 22 P PP P P uP gA QQ gA Q HH = Các hệ số C M và B R phụ thuộc và kết cấu đờng hầm. Giải hệ phơng trình trên sẽ đợc các kết quả lu lợng và áp lực. - 5 - bCửa thoát nớc Phơng trình sóng thuận: + C PLPP QBCH = Tổn thất cục bộ 22 2 22 P PP P P dP gA QQ gA Q HH += Các hệ số C P và B L phụ thuộc và kết cấu đờng hầm. Giải hệ phơng trình trên sẽ đợc các kết quả lu lợng và áp lực. cCác vị trí có tiết diện thay đổi Có 2 phơng trình sóng thuận và sóng nghich + C 11 PLPP QBCH = C 22 PRMP QBCH += Phơng trình liên tục 21 PP QQ = Tổn thất cục bộ 2 2 22 2 2 2 2 2 2 2 1 11 1 2 1 2 1 1 2222 gA QQ gA Q H gA QQ gA Q H PP P P PP P P ++=+ dVị trí rẽ nhánh (1+n). Có (2n+3) phơng trình Phơng trình liên tục nP QQQQ + + + = 211 (2-28) + 1 C 1 1 1 1 PLPP QBCH = (2-29) = ni C 1 (2-30) += += += nRnMnn RM RM QBCH QBCH QBCH 2222 1111 Tổn thất cục bộ ở ống chính 2 1 11 01 2 1 2 1 10 22 P PP P P P P gA QQ gA Q HH += (2-31) Tổn thất cục bộ trên các đầu ống nhánh(n) - 6 - ++= ++= ++= 2 0 2 2 0 2 2 22 20 2 2 2 2 20 2 1 11 10 2 1 2 1 10 22 22 22 n nn n n n n gA QQ gA Q HH gA QQ gA Q HH gA QQ gA Q HH (2-32) eVị trí hợp lu (n+1). Có (2n+3) phơng trình Phơng trình liên tục nP QQQQ + + + = 21 (2-35) + = ni C 1 (2-36) = = = nLnPnn LP LP QBCH QBCH QBCH 2222 1111 1 C PRMP QBCH + = (2-37) Tổn thất cục bộ ở các vị trí cuối mỗi đoạn (n) += += += 2 0 2 2 0 2 2 22 20 2 2 2 2 20 2 1 11 10 2 1 2 1 10 22 22 22 n nn n n n n gA QQ gA Q HH gA QQ gA Q HH gA QQ gA Q HH (2-38) Tổn thất cục bộ tại đầu đờng dẫn hợp lu 2 0 2 2 0 22 P PP P P P P gA QQ gA Q HH ++= (2-39) - 7 - fTháp điều áp: Tổn thất chảy qua họng cản TPTPpp QQHZ = (2-42) Trong đó P Z Mực nớc trong tháp Hệ số sức kháng 2 2 c c gF = P H Năng lợng đơn vị của vị trí chân tháp TP Q Lu lợng chảy vào tháp Phơng trình liên tục của TĐA 2 00 TTPP QQ F t ZZ + = (2-43) Trong đó Mực nớc TĐA ở thời điểm trớc 0 Z 0T Q Lu lợng chảy vào TĐA ở thời điểm trớc F Tiết diện TĐA t Bớc thời gian Đặt F t w 2 = kết hợp (2-422-43đợc 0 00 T TP TP Qw wQZH Q + = 2-44 Phơng trình liên tục tại vị trí chân tháp (2-45 == += m j MjTP n i Pi QQQ 11 Các phơng trình sóng C+ ( ) Li PPi Pi B HC Q = 2-46 C- ( ) Rj MjP Mj B CH Q = 2-47 Giải hệ phơng trình trên ta đợc - 8 - == == + + + + + ++ + = n i m j RjTLi m j Rj Mj T T n i Li Pi P BQwB B C Qw wQZ B C H 11 0 1 0 00 1 111 (2-49b Thay Hp vào các phơng trình trên sẽ tìm đợc các đại lợng còn lại. gTháp van Tổn thất thu lc chảy vo thỏp van TPTPpp QQHZ = 1 (2-50) Trong đó Mực nớc trong tháp van tại thời điểm tính toán P Z 1P H Cột nớc toàn phần tại điểm P1 TP Q Lu lợng chảy vào tháp van Hệ số sức kháng chảy vào tháp van. 2 2 TV TV gF = Phơng trình liên tục 2 00 TTPP QQ F t ZZ + = (2-51) Trong đó Mực nớc trong tháp van tại thời điểm trớc 0 Z 0T Q Lu lợng chảy vào trong tháp van tại thời điểm trớc F Tiết diện ngang của tháp van - 9 - [...]... cao nhất ( 3/4 chu kỳ dao động của tháp) và mực nớc thấp nhất ( 1/4 chu kỳ dao động thứ 2 của tháp) trong TĐA và khả năng xuất hiện các đờng phân bố áp lực lớn nhất, nhỏ nhất trong các tuyến đờng dẫn nớc có áp Kịch bản: (n-1) tổ máy đang làm việc với khả năng phát điện tối đa, ta tiến hành tăng tải tổ máy cuối cùng đến hết khả năng làm việc của nó, sau 1/2 chu kỳ dao động của tháp điều áp thì gặp... dẫn có áp 3 Tổng hợp kết quả từ các tổ hợp tính toán Từ kết quả tính toán, có thể đa ra các biện pháp, chế độ vận hành trạm thuỷ điện hợp l y để tránh các tổ hợp nguy hiểm Mực nớc cao nhất và thấp nhất trong tháp điều áp là mực nớc cao nhất và thấp nhất trong tất cả các tổ hợp tính toán mà trong thực tế vận hành công trình sau này có thể xẩy ra Cao trình đáy tháp điều áp và đỉnh tháp điều áp đợc tính. .. điều áp B Sử dụng Tháp van hoặc van đĩa để thay thế tổ máy thuỷ điện khi tính toán Do tổ máy thuỷ điện rất phức tạp, khối lợng số liệu rất lớn và có thể còn cha xác định Để phục vụ tính toán thuỷ lực cho các công trình thuỷ công, ta có thể tính toán gần đúng bằng cách dùng tháp van hoặc van để thay thế cho tổ máy thuỷ điện Đặt van hoặc tháp van vào vị trí tổ máy Lu lợng ban đầu đã đợc xác định ở phần. .. cao nhất ( 1/4 chu kỳ dao động của tháp) và mực nớc thấp nhất nhất ( 3/4 chu kỳ dao động của tháp) trong TĐA và khả năng xuất hiện các đờng phân bố áp lực lớn nhất trong các tuyến đờng dẫn nớc có áp Kịch bản: (n) tổ máy đang làm việc với khả năng phát điện tối đa, thì gặp sự cố phải cắt tải đột ngột, ứng với các mực nớc thợng, hạ lu nh sau: 1 Mực nớc thợng lu (Ztl) là MND, mực nớc hạ lu (Zhl) lấy... tốc quay đồng bộ của tổ máy (v/ph) là số pi lấy gần đúng ( =3,14) Mô men cản của máy phát bao gồm lực cản do ma sát, lực cản do dòng phu cô trong sắt từ, tổn hao trong dây dẫn điện, lực cản của phụ tải Trong chế độ sự cố, không có phụ tải nên tổn hao trong dây dẫn điện và lực cản của phụ tải không còn, chỉ còn lại các thành phần tổn thất năng lợng do dòng phu cô và lực ma sát Trong chơng trình... BI TOáN áP DụNG A Tính toán hệ số cản của tháp điều áp có họng cản = c 2 gFc2 Nhìn vào hình trên ta thấy rất rõ khi hệ số cản tăng thì giá trị mực nớc lớn nhất trong tháp sẽ giảm Khi hệ số cản tăng t 0 đến một giá trị giới hạn nào đó thì trị số áp lực lớn nhất trong đờng hầm cũng giảm, nhng nếu hệ số cản tiếp tục tăng thì trị số áp lực lớn nhất trong đờng hầm tăng nên rất nhanh dẫn đến trị số áp lực. .. hiệu suất của tuốc bin thực (% ) N là công suất của tuốc bin thực (MW) M là mô men động lực của tuốc bin thực(KN.m) Số liệu các đặc tính trên của tuốc bin đợc nhập vào dới dạng bảng số (dạng ma trận) trong hệ toạ độ n1Q1 n1 là vận tốc quay quy dẫn (v/ph) n ì D1 n1' = n là vận tôc quay của tuốc bin thực(v/ph) H Tính vận tốc quay của tổ máy thuỷ điện Trong chể độ chuyển tiếp, vận tốc quay của tổ máy... vic trong trng hp khụng mt ng b (= f(ao)) 5 Cỏc trng thỏi vn hnh ca van a, van cu, thỏp van: Van a, van cu, thỏp van trng thỏi m Van a, van cu, thỏp van trng thỏi úng ang vn hnh úng hoc m van a, van cu, thỏp van 6 Cỏc ch chuyn tip: Ch m mỏy Ch tng ti hoc gim ti Ch ct ti t ngt t mỏy b tỏch khi li in Cỏc t hp ch phc tp khỏc (Nh t hp cng tỏc dng) III/ Các kết quả tính toán: 1 2 3 4 5 6 7... trớc Q = (KW) 1000 t là thời đoạn tính toán (s) = f ( ao , n1' ) ao là độ mở cánh hớng nớc tại thời điểm tính toán Q 1 ' = f q ( ao , n 1 ' ) Mc là mô men cản của máy phát (KN.m) n o ì D1 H 0,5 .60 .(1 mf ) 1000 N dm n1' = Mc = 2 n db o (rad/s), no (v/ph) là vận tốc quay của tổ máy tại thời điểm trớc ( ã biết) mf là hiệu suất lớn nhất của máy phát Ndm là công suất định mức của tổ máy (MW) ... thợng lu và mực nớc hạ lu lấy theo tổ hợp nguy hiểm hơn trong 2 tổ hợp 1B1 và 1B2 (Tổ hợp 2B1) Tổ hợp này có thể xuất hiện mực nớc lớn nhất trong TĐA và phân bố áp lực lớn nhất trong các tuyến đờng dẫn có áp 2 Mực nớc thợng lu và mực nớc hạ lu lấy theo tổ hợp nguy hiểm hơn trong 2 tổ hợp 1B3 và 1B4 (Tổ hợp 2B2) Tổ hợp này có thể xuất hiện mực nớc thấp nhất trong TĐA và phân bố áp lực nhỏ nhất trong các . TRƯ NG ĐẠI H C THUỶ LỢI BỘ M N THUỶ ĐIỆN PHẦN M M TRANSIENTS TÍNH TOÁN ÁP L C NƯ C VA VÀ TÍNH TOÁN DAO Đ NG M C NƯ C TRONG THÁP ĐIỀU ÁP C A TR M THỦY ĐIỆN ( VERTION 6. 0). van van nư c theo thời gian. PHẦN 2 - T M TẮT HƯ NG DẪN SỬ D NG 1 - Tên chư ng trình : - 16 - TÍNH TOÁN ÁP L C NƯ C VA VÀ TÍNH TOÁN DAO Đ NG M C NƯ C TRONG THÁP ĐIỀU ÁP C A TR M THỦY. Hì = 3 D1 M M1' t = t là hiệu suất c a tu c bin th c (% ). N là c ng suất c a tu c bin th c (MW). M là m men đ ng l c c a tu c bin th c( KN .m) Số liệu c c đ c tính trên c a tu c bin