Báo cáo chuyên đề cấu tạo nhà máy thuỷ điện

Theo quy hoạch phát triển điện Việt Nam trong giai đoạn 2001-2010, địnhhướng 2020 các lưu vực sông lớn nước ta có tổng tiềm năng thuỷ điện tại các vị trí cóthể khai thác với công suất lắ

MỤC LỤC

I Tổng quan 4

1 Khái niệm về thủy điện 4

2 Tầm quan trọng của thủy điện 5

3 Tình hình phát triển thủy điện tại Việt Nam 6

II Nguyên lý và phương pháp khai thác thủy năng 8

1 Đánh giá năng lượng tiềm tàng cho một dòng nước 8

2 Khả năng lợi dụng năng lượng tiềm tàng 11

a Những hạn chế trong việc lợi dụng năng lượng tiềm tàng của đoạn sông 11 b Công suất và điện lượng của trạm thuỷ điện 11

3 Các phương pháp tập trung năng lượng 13

a Nguyên lý khai thác thủy năng 13

b Biện pháp khai thác thủy năng 13

III Khái quát về trạm hủy điện và phân loại nhà máy thủy điện: 18

1 Tổng quan công trình trạm thuỷ điện 18

a Các công trình chính 18

b Các công trình phục vụ: 19

c Các công trình tạm thời 19

2 Nhà máy thuỷ điện được phân loại theo các cách sau: 19

a Phân loại theo công suất lắp máy 19

b Phân loại theo điều kiện nhà máy chịu áp lực nước thượng lưu 20

c Phân loại theo cột nước của trạm Thuỷ điện 20

d Phân loại theo kết cấu nhà máy 20

3 Các loại trạm thuỷ điện cụ thể 21

IV Cấu tạo một nhà máy thủy điện: 31

1 Cửa nhận nước 33

2 Bộ dẫn động thuỷ lực nâng hạ cánh phai đập tràn xả đáy 33

3 Đập tràn xả đáy 33

4 Hệ thống khí nén OPY – 220/110 KV 33

5 Hệ thống khí nén cao và hạ áp gian máy trong nhà máy 33

6 Hệ thống dầu xả của các biến thế tự ngẫu và các máy biến thế tự dùng 33

7 Hệ thống dầu tuabin 34

8 Hệ thống cấp nước kỹ thuật tổ máy và biến thế 34

9 Hệ thống cung cấp nước sản xuất 34

10 Hệ thống làm khô phần nước qua các tổ máy 34

11 Máy biến áp 34

12 Kháng điện 34

13 Máy cắt 34

14 Dao cách ly và dao nối đất 35

15 Hệ thống chống sét 35

16 Thanh cái 35

17 Biến điện áp (TU) và biến dòng điện (TI) 35

e Tác động có lợi của dự án đến sự phát triển của nghề cá 47

2 Tác động tiêu cực trong giai đoạn vận hành 47

a Bồi lắng 47

b Tác động đến chất lượng nước 48

c Tác động đến hệ thực vật 50

d Tác động đến hệ động vật: 50

e Thủy sinh, nghề cá, sinh thái hồ chứa 51

f Tác động tới hạ lưu: 51

g Tác động đến tài nguyên khoáng sản: 51

h Tác động môi trường kinh tế xã hội: 51

i Tác động đến y tế, sức khỏe cộng đồng 52

j Di tích lịch sử khảo cổ: 52

k Tác động của vấn đề tái định cư 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Các nhà máy thủy điện lớn tại Việt Nam (công suất >100MW) 6

Bảng 2: Các tác động môi trường đối với hình thành nhà máy thuỷ điện 45

Bảng 3: Các yếu tố gây tác động 50

Bảng 4: Chấm điểm các nguồn gây tác động đến môi trường trong quá trình xây dựng đến vận hành trạm thủy điện 55

DANH MỤC HÌNH Hình 1: Cơ cấu nguồn điện Việt Nam (Nguồn: EVN) 8

Hình 2: Sơ đồ dòng chảy sông tự nhiên 9

Hình 3: Sơ đồ dùng đập tạo thành cột nước 14

Hình 4: Trạm thuỷ điện bố trí ngang đập 15

Hình 5: Trạm thuỷ điện bố trí sau đập 15

Hình 6: Sơ đồ tập trung cột nước bằng đường dẫn 16

Hình 7: Sơ đồ tập trung cột nước bằng đập và đường dẫn 17

Hình 8: Một số trường hợp đặc biệt dùng phương thức khai thác kiểu đường dẫn 18

Hình 9: Nhà máy thuỷ điện ngang đập 22

Hình 10: Nhà máy thuỷ điện sau đập 23

Hình 11: Nhà máy thuỷ điện đường dẫn 24

Hình 12: Các loại kết cấu Nhà máy thuỷ điện ngầm và nửa ngầm 26

Hình 13: Các loại kết cấu phần dưới Nhà máy thuỷ điện kết hợp xả lũ 27

Hình 14: Thời gian thuỷ triều lên xuống áp dụng cho trạm thuỷ điện 1 hồ 1 chiều 29

Hình 15: Thời gian thuỷ triều lên xuống áp dụng cho trạm thuỷ điện một hồ 2 chiều 30

Hình 16: Thời gian thuỷ triều lên xuống áp dụng cho trạm thuỷ điện 2 hồ 1 chiều 31

Hình 17: Sơ đồ cấu tạo nhà máy thủy điện 32

Hình 18: Tuabin Francis 37

Hình 19: Tuabin Kaplan 38

Hình 20: Mặt cắt một mô hình Tuabin dòng cột áp thấp 39

Hình 21: Nguyên lý hoạt động Tuabin Pelton 40

Hình 22: Mô hình thi nghiệm Tuabin Pelton 41

Hình 23: Ứng dụng thực tế Tuabin xung lực hai lần 42

Hình 24: Nguyên lý hoát động Tuabin xung lực hai lần 43

Hình 25: Phạm vị áp dụng các loại Tuabin 44

Hình 26: Sơ đồ dự báo diễn biến hồ chứa 49

ra, lựa chọn và thực hiện các phương pháp biến đổi năng lượng từ nguồn năng lượng

sơ cấp đến năng lượng cuối để đát hiệu quả kinh tế cao nhất và cũng là nhiệm vụ củacon người chúng ta

Thuỷ năng là một dạng năng lượng tiềm tàng trong nước Năng lượng tiềm tàng

đó thể hiện dưới ba dạng: Hoá năng - nhiệt năng - cơ năng

Hoá năng của nước thể hiện trong việc làm thành các dung dịch muối hoà tan,các loại trong nước sông để biến thành năng lượng Nhiệt năng của nước sinh ra do sựchênh lệch nhiệt độ giữa các lớp nước trên mặt và dưới đáy sông, biển, giữa nước trênmặt đất và trong các mỏ nước ngầm Hai dạng năng lượng của nước nêu trên tuy có trữlượng lớn, nhưng phân bố rời rạc khó khai thác

Cơ năng của nước thể hiện trong mưa, trong dòng chảy của sông suối, trong sóngnước và thuỷ triều Trong đó năng lượng của dòng sông là nguồn năng lượng rất lớn

và khai thác thuận tiện hơn cả Trong khi đó sông suối nhỏ được phân bố ở nhiều nơi,việc xây dựng trạm thuỷ điện và việc sử dụng thiết bị điện lại đơn giản hơn so với việc

sử dụng các năng lượng khác

Do những đặc điểm trên việc sử dụng thuỷ năng để phát điện đã trở thành phổbiến Kể từ năm 1934 tại Pháp, sau đó tại Nga, người ta đã chế tạo thành công cácturbin nước để phát điện Cho đến nay việc sử dụng các turbin nước để phát điện ngàycàng phát triển mạnh mẽ hơn

Tại nước ta có trên 1000 con sông suối với trữ năng tiềm tàng rất lớn Trong đó

có các con sông Đà, sông Lô, hệ thống sông Đồng Nai có nguồn năng lượng lớn hơn

cả

Trong công cuộc đổi mới đất nước, từng bước trở thành một nước công nghiệp,

có sự đóng góp to lớn của các công trình thủy điện, mang ý nghĩa lịch sử như thủyđiện Hòa Bình, công trình lớn nhất khu vực Đông Nam Á; ngoài ra còn có các nhà

máy thuỷ điện Thác Bà, Thác Mơ, Trị An, Yaly… đang đóng góp tích cực cho côngngiệp hoá hiện đại hoá đất nước

Hiện nay chúng ta đang tiến hành khẩn trương việc nghiên cứu khai thác thuỷnăng và lợi dụng tổng hợp nguồn nước ở các con sông lớn nhỏ trên khắp đất nước Hệthống sông Đồng Nai được chú ý quan tâm hơn cả bởi trên hệ thống này sẽ được xâydựng nhiều nhà máy thuỷ điện, tiến tới sẽ hình thành một hệ thống các bậc thang thuỷđiện

2 Tầm quan trọng của thủy điện

Thuỷ điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước Đa số năng lượng thuỷđiện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một tuabinnước và máy phát điện Kiểu ít được biết đến hơn là sử dụng năng lượng động lực củanước hay các nguồn nước không bị tích bằng các đập nước như năng lượng thuỷ triều.Thuỷ điện là nguồn năng lượng có thể hồi phục

Năng lượng lấy được từ nước phụ thuộc không chỉ vào thể tích mà cả vào sựkhác biệt về độ cao giữa nguồn và dòng chảy ra Sự khác biệt về độ cao được gọi là ápsuất Lượng năng lượng tiềm tàng trong nước tỷ lệ với áp suất Để có được áp suất caonhất, nước cung cấp cho một turbine nước có thể được cho chảy qua một ống lớn gọi

là ống dẫn nước có áp

Ngoài nhiều mục đích phục vụ cho các mạng lưới điện công cộng, một số dự ánthuỷ điện được xây dựng cho những mục đích thương mại tư nhân Ví dụ, việc sảnxuất nhôm đòi hỏi tiêu hao một lượng điện lớn, vì thế thông thường bên cạnh nhà máynhôm luôn có các công trình thuỷ điện phục vụ riêng cho chúng Tại Cao nguyênScotland đã có các mô hình tương tự tại Kinlochleven và Lochaber, được xây dựngtrong những năm đầu thế kỷ 20 Tại Suriname, đập hồ van Blommestein và nhà máyphát điện được xây dựng để cung cấp điện cho ngành công nghiệp nhôm Alcoa

Ở nhiều vùng tại Canada (các tỉnh bang British Columbia, Manitoba, Ontario,Québec và Newfoundland và Labrador) thuỷ điện được sử dụng rất rộng rãi tới mức từ

"hydro" đã được dùng để chỉ bất kỳ nguồn điện nào phát ra từ nhà máy điện Nhữngnhà máy phát điện thuộc sở hữu nhà nước tại các tỉnh đó được gọi là BC Hydro,Manitoba Hydro, Hydro One (tên chính thức "Ontario Hydro"), Hydro-Québec vàNewfoundland và Labrador Hydro Hydro-Québec là công ty sản xuất thuỷ điện lớnnhất thế giới, với tổng công suất lắp đặt năm 2005 đạt 31.512 MW

Thuỷ điện, sử dụng năng lượng dòng chảy của các con sông hiện nay chiếm 20%lượng điện của thế giới Na Uy sản xuất toàn bộ lượng điện của mình bằng sức nước,

thác rồi hay không thể khai thác được vì các lý do khác như môi trường

3 Tình hình phát triển thủy điện tại Việt Nam

Việt Nam là một quốc gia được thiên nhiên ưu đãi có hệ thống sông ngòi phongphú, đa dạng trải khắp chiều dài đất nước nên rất thuận lợi cho việc phát triển thủyđiện: Tiềm năng về thủy điện trên tất cả các hệ thống sông của Việt Nam khoảng 123

tỉ kWh/năm tương đương với khoảng 31.000 MW Hiện nay, các công trình thuỷ điện

đã khai thác được khoảng 4.800 MW, chiếm hơn 50% tổng công suất lắp máy của toàn

hệ thống điện quốc gia (khoảng 12.000 MW) và mới khai thác được 16% tiềm năngthủy điện Theo quy hoạch phát triển điện Việt Nam trong giai đoạn 2001-2010, địnhhướng 2020 các lưu vực sông lớn nước ta có tổng tiềm năng thuỷ điện (tại các vị trí cóthể khai thác với công suất lắp máy lớn hơn 30 MW) đạt 15.374 MW, tương đươngsản lượng điện khoảng 66,9 tỉ kWh/năm, các lưu vực sông nhỏ và trạm thuỷ điện vớicông suất lắp máy dưới 30 MW ước tính chiếm khoảng 10% công suất của các trạm cócông suất lớn hơn 30 MW, tương tương khoảng 1.530 MW

Bảng 1: Các nhà máy thủy điện lớn tại Việt Nam (công suất >100MW)

A Đang vận hành

2 Bản Chát 220 Lai Châu

D Qui hoạch

Nguồn: EVN

Ngành điện được coi là một trong những ngành then chốt, nhận được nhiều sựquan tâm của nhà nước, phấn đấu đẩy nhanh tốc độ tăng trưởng bình quân hàng năm

sản xuất chủ yếu từ các nhà máy thủy điện và nhiệt điện than, dầu, tuabin khí dầu vàcác nguồn phát điện độc lập (IPP) Trong cơ cấu nguồn điện tính đến cuối năm 2007thì thủy điện chiếm 37% và nhiệt điện chiếm 56% Nhiệt điện vẫn chiếm tỷ trọng lớnnhất Tương lai, trong cơ cấu nguồn điện sẽ vẫn tiếp tục nâng dần tỷ trọng các nguồnphi thủy điện Theo kế họach đến năm 2020, thuỷ điện chỉ chiếm 28,5%; nhiệt điệndầu và khí chiếm 26,7%; nhiệt điện than chiếm 30,2%; nhập khẩu 5,8%

Hình 1: Cơ cấu nguồn điện Việt Nam (Nguồn: EVN)

II Nguyên lý và phương pháp khai thác thủy năng

1 Đánh giá năng lượng tiềm tàng cho một dòng nước

Hình 2: Sơ đồ dòng chảy sông tự nhiênMuốn xác định năng lượng tiềm tàng của dòng chảy trong sông thiên nhiên (hình2) từ mặt cắt (1-1) đến (2-2) ta xét năng lượng mà khối nước W di chuyển trong đoạn

ấy đã tiêu hao đi, nghĩa là tìm hiệu số năng lượng giữa hai mặt cắt đó: E = E1-E2Dựa vào phương trình Becnulli chúng ta biết được năng lượng tiềm tàng chứatrong thể tích nước W(m3) khi chảy qua mặt cắt (1-1) trong thời gian t(s) sẽ là:

Trong đó:

+ Z1 - cao trình mặt nước tại mặt cắt 1-1

+ p1 - áp suất trên mặt nước tại mặt cắt 1-1

+ γ - trọng lượng thể tích của nước; γ= 9,81.103 N/m3

Ý nghĩa các ký hiệu trong biểu thức (1-2) giống như các ký hiệu của (1-1)

Vậy năng lượng tiềm tàng của đoạn sông sẽ là:

E = γ.W (Z1 - Z2 ) (J) (6)

E = γ.W H (J) với H = Z1 - Z2 (7)Biểu thức (7) chính là công thức cho phép ta xác định năng lượng tiềm tàng củabất kỳ đoạn sông nào

Nếu thay W = Q.t và γ = 9,81.103 N/m3 vào biểu thức trên thì ta được:

E = 9,81.103.H.Q.t (J) (8)

Nếu thay đơn vị điện lượng J bằng KWh với 1KWh =3600.103J, ta sẽ có:

Từ biểu thức (8) và (9) ta có thể xác định công suất N của dòng nước trong mộtđoạn sông theo côngthức chung: Từ (8) ta có:

N = 9.81.103.Q.H (W) (10)

N = 9.81.Q.H (kW) (11)

2 Khả năng lợi dụng năng lượng tiềm tàng

a Những hạn chế trong việc lợi dụng năng lượng tiềm tàng của đoạn sông.

Về lý luận, ta tính được năng lượng tiềm tàng của đoạn sông Thực tế không thểlợi dụng được hết năng lượng đó, do các nguyên nhân sau:

- Có thể đoạn sông nào đó không thể lợi dụng được do khó khăn về kỹ thuật,hoặc do ngập lụt các công trình, các mỏ quý các khu dân cư lớn, các khu canhtác phì nhiêu… dẫn đến không thuận lợi về mặt kinh tế

- Mặt khác trong quá trình khai thác không thể tránh khỏi tổn thất lưu lượng dobốc hơi, rò rỉ và thấm, tổn thất cột nước khi chảy qua các công trình lấy nước vàdẫn nước và máy móc thuỷ lực.vv…

Cho nên đồng thời với việc tính toán trữ lượng thuỷ năng tiềm tàng, cần tiếnhành tính toán trữ lượng thuỷ năng có thể khai thác được ( thường gọi là trữ năng kỹthuật) Trữ năng kỹ thuật không những phụ thuộc và điều kiện thiên nhiên của dòngsông, mà còn phụ thuộc vào trình độ kỹ thuật, hoàn cảnh kinh tế của xã hội và sơ đồkhai thác đã hợp lý hay chưa Phải thông qua tính toán kinh tế kỹ thuật mới định rađược phương án hợp lý, lợi dụng tối đa nguồn năng lượng thiên nhiên

b Công suất và điện lượng của trạm thuỷ điện

Muốn khai thác thuỷ năng để phát điện, chúng ta phả xây dựng trạm thuỷ điện.Công trình chủ yếu của trạm thuỷ điện là công trình dâng nước ( đập ), công trình tràn

và xả nước thừa, công trình lấy nước và dẫn nước, các thiết bị máy móc thuỷ lực và cơđiện trong nhà máy của trạm thuỷ điện trong quá trình khai thác có tổn thất Tổn thấtthuỷ năng của trạm thuỷ điện thể hiện ở:

- Tổn thất lưu lượng do bốc hơi, ngấm theo các đường nước ngầm, thấm qua lòng

hồ, vai đập và thân đập rò rỉ qua công trình và một phần lưu lượng thừa phải xả

bỏ khi lưu lượng đến nhiều mà công trình không đủ khả năng trữ, turbine không

đủ khả năng tháo lưu lượng lớn

cũng nhỏ hơn 1 và bằng:

= TB.mf.tđ

Trong đó:

TB - Hiệu suất turbine

mf - Hiệu suất máy phát

tđ - Hiệu suất truyền động

Nếu turbine và máy phát nối trực tiếp (liên tục ) thì ηtđ = 1

Công thức (12) có thể viết dưới dạng:

N = K.Q.H (13)Trong đó: K = 9,81.η

Thông thường khi tính toán thuỷ năng, chưa chọn được thiết bị, nên chưa xácđịnh được η Khi tính toán thường lấy theo kinh nghiệm

Dạng chung để tính điện lượng của trạm là:

(14) hoặc

Trong đó

ti - thời gian mà trạm làm việc với công suất Ni

n - Số thời đoạn làm việc

3 Các phương pháp tập trung năng lượng

a Nguyên lý khai thác thủy năng

Từ các công thức N = 9,81.η Q.H hay N = K.Q.H, ta thấy N tỉ lệ thuận với Q,H,

và η Do đó muốn tăng công suất phải tìm cách tăng Q, H, η Việc tăng lưu lượng Q

có thể dùng các biện pháp tập trung và điều tiết dòng chảy, tăng lưu lượng mùa kiệt.Mặt khác có thể lấy nước từ lưu vực khác bổ sung cho lưu lượng của trạm

Cột nước H thì phân bố, phân tán dọc theo chiều dài sông Do đó muốn tăng Hthì phải dùng biện pháp nhân tạo bằng cách xây dựng công trình thuỷ lợi Ngoài ra,muốn cho công suất của trạm thuỷ điện phát ra lớn, phải có máy móc thiết bị tốt, cóhiệu suất cao Biện pháp nâng cao hiệu suất của thiết bị máy móc sẽ được học ở mônhọc “thiết bị thuỷ điện” Trong môn học “ôthuỷ năng ” chỉ giải quyết các vấn đề tậptrung cột nước và tập trung điều tiết lưu lượng Vấn đề này sẽ được trình bày ở phần “Biện pháp khai thác thuỷ năng”dưới đây

b Biện pháp khai thác thủy năng

Tuỳ theo biện pháp tăng cột nước, mà ta có các phương thức khai thác thuỷ năngsau đây:

- Dùng đập để tạo thành cột nước

- Dùng đường dẫn để tạo thành cột nước

- Dùng hỗn hợp cả đập và đường dẫn để tạo thành cột nước

Dùng đập để tạo thành cột nước.

Xây dựng đập tại một tuyến thích hợp nơi cân khai thác Đập tạo ra cột nước do

sự chênh lệch mực nước thượng hạ lưu đập Đồng thời tạo nên hồ chứa có tác dụng tậptrung và điều tiết lưu lượng, làm tăng khả năng phát điện trong mùa kiệt, nâng caohiệu quả lợi dụng tổng hợp nguồn nước như cắt lũ chống lụt, cung cấp nước, nuôi cá,vận tải thuỷ…

Hình 3: Sơ đồ dùng đập tạo thành cột nướcPhương thức tập trung cột nước như sơ đồ hình 3 được gọi là phương thức khaithác kiểu đập Phương thức này có ưu điểm là vừa tập trung được cột nước vừa tậptrung và điều tiết lưu lượng phục vụ cho việc lợi dụng tổng hợp nguồn nước Song nó

có nhược điểm là đập càng cao, khối lượng xây lắp càng nhiều, kinh phí lớn, ngập lụt

và thiệt hại nhiều Khi thiết kế xây dựng phải thông qua tính toán kinh tế kỹ thuật , sosánh lựa chọn phương án có lợi

Sơ đồ khai thác kiểu đập thường thích ứng với các vùng trung du của các sôngnói có độ dốc lòng sông tương đối nhỏ, địa hình địa thế thuận lợi cho việc tạo nên hồchứa có dung tích lớn là tổn thất ngập lụt tương đối nhỏ Ngược lại ở vùng thượng lưu,

do lòng sông hẹp, độ dốc lòng sông lớn nên dù có làm đập cao cũng khó tạo thành hồchứa có dung tích lớn Ở hạ lưu, độ dốc lòng sông nhỏ, xây đập cao dẫn đến ngập lụtlớn thiệt hại nhiều Cho nên ở vùng này ít có điều kiện khai thác kiểu đập

Với sơ đồ khai thác kiểu đập, trạm thuỷ điện có thể bố trí ở ngang đập hay sauđập (xem hình 4 và 5 ) nhưng thường thấy hớn cả là loại trạm thuỷ điện sau đập Trạmthuỷ điện ngang đập chỉ thích ứng trong trường hợp cột nước thấp, nhà máy đủ sứcchịu lực như một đoạn đập và kết cấu kinh tế

1- Lòng sông thiên nhiên, 2- đường nước dâng; 3- đập;

4- nhà máy thủy điện; 5- hồ chứa nước

Hình 4: Trạm thuỷ điện bố trí ngang đập

1- Lòng sông thiên nhiên, 2- đường nước dâng; 3- đập;

4- nhà máy thủy điện; 5- hồ chứa nước

Hình 5: Trạm thuỷ điện bố trí sau đập

Tập trung cột nước bằng đường dẫn

Ở những đoạn sông thượng lưu, độ dốc lòng sông thường lớn, lòng sông hẹp,dùng đập để tạo nên cột nước thường không có lợi cả về tập trung cột nước, tập trung

và điều tiết lưu lượng Trong trường hợp này cách tốt nhất là dùng đường dẫn để tạothành cột nước ( hình 6)

1-lòng sông thiên nhiên; 2- kênh hở; 3- đường ống áp lực dẫn nước vào turbine

4- đập; 5- nhà máy thủy điện; 6- bể áp lực

Hình 6: Sơ đồ tập trung cột nước bằng đường dẫnĐặc điểm của phương thức này là cột nước do đường dẫn tạo thành Đường dẫn

có thể là kênh máng, ống dẫn hay đường hầm có áp hoặc không áp Đường dẫn có độdốc nhỏ hơn sông suối, nên dẫn càng đi xa độ chênh lệch giữa đường dẫn và sông suốicàng lớn, ta được cột nước càng lớn Hay nói cách khác, đường dẫn dài chủ yếu đểtăng thêm cột nước cho trạm thủy điện Đập ở đây thấp và chỉ có tác dụng ngăn nướclại để lấy nước vào đường dẫn Do đập thấp nên nói chung tổn thất do ngập lụt nhỏ.Đối với sơ đồ khai thác này tuỳ tình hình và yêu cầu cụ thể mà có thêm các công trìnhphụ khác như: cầu máng, xi phông, bể áp lực, tháp điều áp, bể điều tiết ngày.vv…Cách tập trung cột nước bằng đường dẫn được ứng dụng rộng rãi ở các sông suốimiền núi có độ dốc lớn và lưu lượng nhỏ

Tập trung cột nước bằng đập và đường dẫn.

Khi vừa có điều kiện xây dựng hồ để tạo ra một phần cột nước và điều tiết lưulượng lại vừa có thể lui tuyến nhà máy ra xa đập một đoạn nữa để tận dụng độ dốclòng sông làm tăng cột nước, thì cách tốt nhất là dùng phương pháp tập trung cột nướcbằng đập và đường dẫn

Với phương thức này, cột nước của trạm thuỷ điện do đập và đường dẫn tạothành Đập thương đặt ở chỗ thay đổi độ dốc của lòng sông nơi khai thác ( hình 7)

1- đập; 2- đường dẫn có áp; 3- tháp điều áp; 4- đường ống dẫn nước vào

turbine; 5- nhà máy thủy điện;

Hình 7: Sơ đồ tập trung cột nước bằng đập và đường dẫn

Trong điều kiện của sông suối tự nhiên, phương thức khai thác kiểu đường dẫnngoài việc ứng dụng ở những nơi có độ dốc lớn (II) còn ứng dụng ở những nơi có thácnước tập trung (I), ở những nơi sông uốn khúc (III), chỗ hai sông gần nhau, có caotrình chênh lệch nhau lớn (IV) hay hồ thiên nhiên có nguồn nước phong phú nằm trêncao.(V) ( xem hình 8)

Hình 8: Một số trường hợp đặc biệt dùng phương thức khai thác kiểu đường dẫn

1 Tổng quan công trình trạm thuỷ điện

Trạm thuỷ điện là tổ hợp các công trình thuỷ công được xây dựng để đạt mụcđích sử dụng tổng hợp nguồn nước chủ yếu vào việc phát điện, ngoài ra còn nhằm mụcđích tưới, cấp nước, cải thiện điều kiện vận tải thuỷ, chống lũ, nuôi trồng thuỷ sản.Trong trạm thủy điện có các công trình chính và công trình phụ bao gồm:

a Các công trình chính

Các công trình dâng nước và tháo nước như: đập dâng, đập tràn, giếng tháo lũ

Các công trình này nhằm tạo nên cột nước phát điện, phân phối lại lượng nước theoyêu cầu và đảm bảo tháo lượng nước thừa về hạ lưu khi lũ về, tháo các vật nổi và rácrưởi

Các công trình năng lượng nhằm sản xuất và phân phối năng lượng đáp ứng yêu

cầu dùng điện Thành phần của nó gồm: công trình nhận nước, đường dẫn nước từ

thượng lưu vào turbine, tháo nước về hạ lưu, nhà máy thuỷ điện (chứa turbine, máyphát điện, máy biến áp, các thiết bị phụ cơ khí và trang thiết bị nâng hạ, vận chuyển,các thiết bị điều khiển, các thiết bị phân phối điện )

Các công trình vận chuyển tàu thuyền dùng để thông thương tàu thuyền giữa

thượng và hạ lưu đập Các công trình này gồm có: âu thuyền, thiết bị nâng tàuthuyền

Công trình nuôi trồng thuỷ sản gồm đường chuyển và nuôi thuỷ sản, đường

chuyển thuỷ sản về nơi chúng sinh sản

Công trình tưới tiêu nhằm đảm bảo cung cấp lượng nước cần thiết như: lấy

nước, bể lắng cát, trạm bơm

Công trình giao thông vận tải nội bộ công trình hoặc giao thông quốc gia, như:

cầu, đường bộ, đường sắt, đường cáp

b Các công trình phục vụ:

Nhằm đảm bảo vận hành bình thường công trình và đảm bảo nhu cầu cuộc sống

và làm việc của nhân viên vận hành và gia đình họ Bao gồm: nhà ở, nhà văn hoá, nhàhành chính, đường xá, công trình cấp nước,

c Các công trình tạm thời

Các công trình này nhằm phục vụ công trình trong giai đoạn thi công Nên cốgắng tận dụng làm công trình chính sau khi thi công để đảm bảo kinh tế Chia hai loại:

Các công trình dẫn dòng: nhằm dẫn nước sông không qua vùng hố móng để bảo

đảm hố móng hoặc khu xây dựng được khô ráo, đảm bảo công việc thi công, như: đêquay, tuy nen, kênh dẫn

Các phân xưởng sản xuất: nhằm phục vụ cho thi công như: nhà máy bê tông,

xưởng gia công cốt thép, gia công gỗ, nhà kho, đường

2 Nhà máy thuỷ điện được phân loại theo các cách sau:

a Phân loại theo công suất lắp máy

Phân loại theo cách này mang tính tương đối vì nó tuỳ thuộc vào mức độ pháttriển kinh tế - kỹ thuật của từng quốc gia và mỗi quốc gia cũng tuỳ theo từng thời kỳ.Nói chung thường phân ra một cách tương đối các loại nhà máy sau:

- Trạm thuỷ điện nhỏ, khi: công suất lắp máy N < 5000 KW

- Trạm thuỷ điện cấp II, khi: Nlm < 300.000 - 50.000kW;

- Trạm thuỷ điện cấp I, khi: Nlm ≥ 300.000 kW;

- Khi TTĐ có > 1.000.000 kW thường được coi là TTĐ cấp đặc biệt

b Phân loại theo điều kiện nhà máy chịu áp lực nước thượng lưu

Phân loại theo cách này ta có:

- Nhà máy thuỷ điện ngang đập (nhà máy trực tiếp chịu áp lực nước thượng lưu);

- Nhà máy thuỷ điện sau đập và nhà máy đường dẫn ( không trực tiếp chịu áp lựcnước thượng lưu)

c Phân loại theo cột nước của trạm Thuỷ điện

Phân loại theo cách này ta có:

- Trạm thuỷ điện cột nước thấp, khi:Hmax < 50 m;

- Trạm thuỷ điện cột nước trung bình, khi: 50 m ≤ Hmax ≤ 400 m;

- Trạm thuỷ điện cột nước cao, khi:Hmax > 400 m

d Phân loại theo kết cấu nhà máy

Theo cách phân loại này ta có những loại nhà máy sau:

- Nhà máy thuỷ điện không kết hợp xả lũ (công trình xả lũ nằm ngoài nhà máy);

- Nhà máy thuỷ điện kết hợp xả lũ (công trình xả lũ nằm trong nhà máy);

- Nhà máy thuỷ điện kết hợp về kết cấu (nhà máy trong thân đập, nhà máy trongcác mố trụ, nhà máy trong tháp xả nước,

- Nhà máy ngầm và nửa ngầm;

- Nhà máy thuỷ điện tích năng;

- Nhà máy thủy điện thủy triều

Trong thực tế xây dựng nhà máy thuỷ điện có thể phân đơn giản gồm hai loại:

- Các loại nhà máy thông thường: Nhà máy không kết hợp: Nhà máy lòng sông,nhà máy sau đập, nhà máy đường dẫn

- Các loại nhà máy đặc biệt: Nhà máy ngầm, nhà máy kết hợp xả lũ, nhà máytrong thân đậpv.v

3 Các loại trạm thuỷ điện cụ thể

Nhà máy thuỷ điện ngang đập

Nhà máy thuỷ điện ngang đập được xây dựng với cột nước không quá 35 - 40 m

ở đây toàn bộ hệ thống công trình tập trung trên một tuyến Bản thân nhà máy là mộtphần của công trình dâng nước, nó thay thế cho một phần đập dâng chịu áp lực nướcthượng lưu Cửa lấy nước cũng là thành phần của bản thân nhà máy Một đặc điểm cầnlưu ý khi thiết kế đối với nhà máy thuỷ điện ngang đập là về mùa lũ cột nước công tácthường giảm, dẫn đến công suất tổ máy giảm, trong một số trường hợp nhà máy có thểngừng làm việc Để tăng công suất nhà máy trong thời kỳ lũ đồng thời giảm đập tràn,hiện nay trên thế giới người ta thiết kế nhà máy thuỷ điện ngang đập kết hợp xả lũ quađoạn tổ máy Nếu nghiên cứu bố trí một cách hợp lý công trình xả lũ trong đoạn tổmáy thì khi tràn làm việc có thể tạo thành những vị trí có thế tăng cột nước công tác dohiệu quả phun xiết

Đối với nhà máy thuỷ điện ngang đập, cột nước thấp lưu lượng lớn, chiều dàiđoạn tổ máy thường xác định theo kích thước bao ngoài buồng xoắn và ống hút Chiềungang đoạn tổ máy theo chiều dòng chảy phần dưới nước của nhà máy phụ thuộc vàokích thước cửa lấy nước, buồng xoắn tuabin và chiều dài ống hút, đồng thời việc tínhtoán ổn định nhà máy và ứng suất nền có quan hệ đến kích thước phần dưới nước củanhà máy, đặc biệt đối với nền mềm

Để giảm chiều cao phần dưới nước của nhà máy, trong thiết kế thường áp dụngmặt cắt buồng xoắn hình chữ T hướng xuống với đỉnh bằng, như vậy có thể cho phéprút ngắn chiều cao tầng tuabin và máy phát đặt gần tuabin hơn

Để đảm bảo ổn định chống trượt và ứng suất đáy nền không vượt quá trị số chophép, tấm đáy của nhà máy thuỷ điện ngang đập nằm trên nền mềm thường có kíchthước rất lớn Lợi dụng chiều dày tấm đáy người ta bố trí ở thượng lưu cửa lấy nứơchành lang kiểm tra và thu nước (Hình 9)

Hình 9: Nhà máy thuỷ điện ngang đập

Nhà máy thuỷ điện sau đập

Nhà máy thuỷ điện sau đập thường dùng với cột nước từ 30 45m≤H≤250 300m và có thể lớn hơn nữa Nhà máy được bố trí ngay sau đập dâng nước Nhà máykhông trực tiếp chịu áp lực nước phía thượng lưu, do đó kết cấu phần dưới nước vàbiện pháp chống thấm đỡ phức tạp hơn nhà máy ngang đập dâng Nếu đập dâng nước

-là đập bêtông trọng lực thì cửa lấy nước và đường ống dẫn nước Tuabin được bố trítrong thân đập bêtông Khoảng cách giữa đập và nhà máy thường đủ để bố trí cácphòng và máy biến thế (máy nâng điện áp) (Hình 10)

Trong một số trường hợp nếu không ảnh hưởng nhiều đến ứng suất hạ lưu đập đểgiảm khối lượng bêtông và chiều dài đường ống dẫn nước vào tuabin người ta đặt lấnnhà máy vào thân đập

Tuỳ thuộc vào cột nước công tác, nhà máy thuỷ điện sau đập thường dùngTuabin tâm trục, Tuabin cánh quay cột nước cao hoặc tuabin cánh chéo ở nhà máythuỷ điện sau đập phần điện thường bố trí phía thượng lưu giữa đập và nhà máy; còn

hệ thống dầu nước thì bố trí phía hạ lưu (Hình 10)

Hình 10: Nhà máy thuỷ điện sau đập

Nhà máy thuỷ điện đường dẫn

Nhà máy thuỷ điện đường dẫn và nhà máy thuỷ điện sau đập có một số đặc điểmkết cấu giống nhau Cả hai loại nhà máy đều dùng đường ống áp lực dẫn nước vàoTuabin Cũng giống như nhà máy sau đập, loại nhà máy thuỷ điện đường dẫn không

không áp.

Ngoài cách phân loại cơ bản trên nhà máy thuỷ điện còn được phân loại theo vịtrí tương đối của bản thân nhà máy trong bố trí tổng thể: Nhà máy thuỷ điện trên mặtđất, nhà máy thủy điện ngầm được bố trí toàn bộ trong lòng đất, nhà máy thuỷ điệnnửa ngầm với phần chủ yếu của nhà máy bố trí ngầm trong lòng đất, phần mái che cóthể bố trí trên mặt đất

Hình 11: Nhà máy thuỷ điện đường dẫn

Nhà máy thuỷ điện ngầm

Kết cấu nhà máy thuỷ điện ngầm phụ thuộc rất ít vào phương thức tập trung cộtnước mà chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện địa hình và cấu trúc địa chất Nó có thể xâydựng trong những điều kiện địa chất khác nhau, từ đá có cường độ cao cho đến yếu ởnhững nơi địa hình phức tạp, địa chất tầng trên xấu, nếu địa chất dưới sâu tốt cho phépxây dựng nhà máy thuỷ điện ngầm thì khối lượng đào đắp sẽ giảm, tuyến đường ống

áp lực dẫn vào tuabin ngắn, áp lực nước va giảm và có lợi cho việc điều chỉnh tổ máy

Tuỳ thuộc vào cường độ của đá, kết cấu tường và hầm của nhà máy thuỷ điệnngầm cũng khác nhau Hình 12 thể hiện các loại kết cấu nhà máy Thuỷ điện ngầm vànửa ngầm Với cường độ khối đá rất cứng, không có áp lực bên và áp lực đứng rất nhỏ,nếu đá cứng thuộc cấp 8-10 thì không cần phải xây vòm bêtông chịu lực mà chỉ cầntrát tường (sơ đồ I).

Khi cường độ đá thấp hơn và có áp lực đứng thì phải xây vòm chịu lực Trongtrường hợp này có thể có hai cách: áp lực đất đá và tải trọng cầu trục thông qua chânvòm truyền xuống khối đá (sơ đồ IIb) hoặc chỉ có tải trọng cầu trục thông qua hệ thốngdầm và trụ cột truyền xuống khối đá (sơ đồ II)

Trong trường hợp đá có cường độ yếu, có áp lực đứng và ngang, sự nứt nẻ nhiều

và phong hoá mạnh thì phải xây tường và vòm chịu lực (sơ đồ III) Đất đá có cường độquá yếu thì áp dụng kết cấu hình móng ngựa, kết cấu này bảo đảm chống được áp lựcđứng và ngang rất tốt (sơ đồ IV)

Khi nhà máy đặt ở cao trình không sâu lắm thường áp dụng kết cấu kiểu sơ đồ V,phần nhà máy có thể có một phần nổi trên mặt đất, hoặc sau khi xây xong lấp đất lại.Loại nhà máy này thường gọi là kiểu nửa ngầm Sự phối hợp giữa các công trình ngầmđược xác định bởi vị trí bố trí các thiết bị chính và phụ

Trong thiết kế và xây dựng nhà máy thuỷ điện ngầm, người ta nghiên cứu lựachọn phương án bố trí các thiết bị chính và phụ một cách hợp lý phù hợp với điều kiệnthực tế của công trình ở nhà máy thuỷ điện ngầm việc bố trí máy biến thế là một vấn

đề lớn ảnh hưởng nhiều đến kết cấu và việc bố trí các thiết bị chính bên trong nhà máy.Người ta chỉ bố trí máy biến thế trên mặt đất khi nhà máy nằm không sâu lắm, còn nóichung là đặt dưới mặt đất, ở bên cạnh nhà máy trong hành lang riêng hoặc ngay trongnhà máy

Khi phân tích các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và điều kiện vận hành nhà máy thuỷđiện ngầm người ta nhận thấy nó có một số ưu điểm sau:

- Lợi dụng cường độ cao của vòm đá để chuyển một phần tải trọng kết cấu củanhà máy và thiết bị xuống nền móng và do đó giảm nhẹ kết cấu chịu lực

- Công trình xây dựng trong điều kiện địa chất vững chắc, an toàn cao, khả năng

an toàn quốc phòng tốt

- Có thể thi công, lắp ráp liên tục, không phụ thuộc vào thời tiết khí hậu

- Thiết bị vận hành trong điều kiện độ ẩm và nhiệt độ ổn định giảm được ứngsuất trong thiết bị

- Nếu điều kiện địa chất tốt có thể cho phép bố trí nhà máy tại vị trí bất kỳ trên

điện tích năng, nhà máy thuỷ điện thuỷ triều.v.v.

Hình 12: Các loại kết cấu Nhà máy thuỷ điện ngầm và nửa ngầm

Nhà máy thuỷ điện kết hợp xả lũ

Trong thiết kế và thí nghiệm, người ta đã đề ra và thử nghiệm rất nhiều phương

án kết hợp xả lũ qua nhà máy, nhưng trong thực tế xây dựng phổ biến hơn cả có 3 loại:nhà máy kết hợp xả mái, xả mặt (trên buồng xoắn) và xả đáy (dưới buồng xoắn)

Phần dưới nước của nhà máy thuỷ điện ngang đập kết hợp xả lũ có nhiều dạngkết cấu khác nhau tuỳ thuộc vào cột nước và kích thước tổ máy (Hình 13)

Với cột nước từ 25-40 m thường bố trí nhà máy thuỷ điện trong thân đập tràntheo sơ đồ I (nhà máy kết hợp xả mái) Các phòng phụ và phòng đặt các thiết bị phụ bốtrí trên tầng ống hút ở các trạm thuỷ điện có cột nước thấp, đường kính bánh xe côngtác D1 lớn, công trình tràn xả lũ thường áp dụng sơ đồ II Nhược điểm của sơ đồ này lànắp đậy trên gian máy yêu cầu tuyệt đối kín._

Hình 13: Các loại kết cấu phần dưới Nhà máy thuỷ điện kết hợp xả lũ