Tính toán nước va dương trong đường ống thủy điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA [ \ TRẦN ĐÌNH TRÍ TÍNH TOÁN NƯỚC VA DƯƠNG TRONG ĐƯỜNG ỐNG THỦY ĐIỆN Chuyên ngành: Mã số ngành: Xây dựng công trình thủy 60.58.40 LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh 12-2006 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN THỐNG Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc só bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngày………….tháng……………năm 2006 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự Do – Hạnh phúc -Tp.HCM ngày ……… tháng…………năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN ĐÌNH TRÍ Phái: Nam Năm sinh:1981 Nơi sinh: Qủang Nam Chuyên ngành: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY MSHV: 02004532 I.TÊN ĐỀ TÀI TÍNH TOÁN NƯỚC VA DƯƠNG TRONG ĐƯỜNG ỐNG THỦY ĐIỆN II.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 1.NHIỆM VỤ Tính toán nước va dương đường ống thủy điện 2.NỘI DUNG Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Lý thuyết nước va Chương 3: Giới thiệu phương pháp giải tóan nước va Chương 4: Thuật tóan chương trình tính nước va phương pháp sai phân hữu hạn Chương 5: Ví dụ áp dụng Chương 6: Kết luận III.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS.NGUYỄN THỐNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS.TS.NGUYỄN THỐNG TS.HUỲNH THANH SƠN Nội dung đề cương Luận văn Thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày……… tháng……… năm 2007 PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CẢM ƠN Sau trình nghiên cứu làm việc thân, với giúp đỡ thầy cô; luận văn tốt nghiệp Thạc só hoàn thành thời hạn Trước tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.Tiến Só Nguyễn Thống Tiến Só Huỳnh Thanh Sơn giúp đỡ trình hoàn thành Luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh truyền đạt kiến thức cho thời gian học Thạc Só Xin cảm ơn tập thể cán phòng Đào tạo sau đại học tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ thời gian học tập trường Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Công ty VinaMekong tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận văn Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2007 TRẦN ĐÌNH TRÍ TÓM TẮT LUẬN VĂN Tên đề tài:” Tính toán nước va dương đường ống thủy điện” Lý thuyết giải vấn đề nước va đường ống có áp phổ biến chương trình tính toán nước va nước ta hạn chế Vì công trình thủy điện dạng đường ống áp lực Sông Bung 4, Sông Bung 2, Alưới, Buông Koup, Dambri xây dựïng nước ta chưa chủ động việc tính toán nước va đường ống có áp mà phải mua chương trình tính toán nước để giải Vì mục đích luận văn viết chương trình tính tóan, xác định giao động áp lực nước va dương ống thủy điện theo thời gian phương pháp sai phân hữu hạn Nội dung luận văn gồm phần sau: -Phần đầu luận văn vào tìm hiểu lý thuyết toán dòng không ổn định ống có áp phương pháp giải -Phần trình bày giải thuật chương trình tính toán nước va phương pháp sai phân hữu hạn -Phần cuối so sánh kết chương trình viết phương pháp sai phân hữu hạn với kết phương pháp giải tích, phương pháp đường đặc trưng phần mềm Hytran New Zealand SUMMARY OF THESIS Theme of thesis:” Calculation of the positive waterhammer in hydropower pressure pipes” The theory of calculating the waterhammer in pressure pipes is very popular but good programs available to analyze waterhammer problems in our country are very rare Therefore hydropowers using pressure pipes which have been being constructed in Viet Nam such as Soâng Bung 4, Soâng Bung 2, Alưới, Buôn Koup, Dambri are not active to calculate the waterhammer in pressure pipes without using the foreign calculation program Thus the objective of this thesis is performing the positive waterhammer calculation program in hydropower pipes using an implicit finite difference method -The first part of thesis is introducing the theory of transient flow in pressure pipes and way of solving -The next part of thesis is describing the algorithm of calculation program by an implicit finite difference method -The end part of thesis is comparing the result of the calculation program by an implicit finite difference method with other as analytic method, method of characteristics and computer software HYTRAN of New Zealand -0 - MUÏC LỤC Chương 1-GIỚI THIỆU CHUNG Trang 1.1.Đặt vấn đề 1.2.Mục tiêu nghiên cứu .2 1.3.Phaïm vi nghiên cứu 1.4.Cấu trúc luận văn Chương 2-LÝ THUYẾT CƠ BẢN .3 2.1.Phương trình nước va 2.2.Các đặc trưng đường ống 2.2.1.Kích thước đường ống 2.2.2.Vận tốc sóng nước va 2.2.3.Hệ số nhám Darcy-Weisbach f 11 2.3.Điều kiện bieân 12 2.3.1.Mực nước thượng lưu .12 2.3.2.Nuùt noái oáng 13 2.3.3.Tháp điều áp 14 2.3.4.Van cuoái oáng .17 Chương 3-PHƯƠNG PHÁP GIAÛI .18 3.1.Giới thiệu chung 18 3.2.Phương pháp Joucowski-Allievi 18 -0 - 3.2.1.Dạng phương trình 18 3.2.2.Nước va trực tiếp .19 3.2.3.Nước va gián tiếp 20 3.3.Phương pháp đường đặc trưng 21 3.3.1.Dạng phương trình baûn 21 3.3.2.Trình tự giải .21 3.3.3.Điều kiện bieân 24 3.4.Phương pháp sai phân 28 3.4.1.Dạng phương trình 28 3.4.2.Sơ đồ sai phân hữu hạn .29 3.4.3.Sơ đồ sai phân hữu hạn phương trình động lực liên tục .29 3.4.4.Điều kiện biên 30 Chương 4-GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH TÍNH NƯỚC VA KHI DÙNG PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN 36 4.1.Giới hạn chương trình 36 4.1.1.Đường ống 36 4.1.2.Điều kiện biên 36 4.2.Sô đồ tổng quát giải thuật 37 4.3.Ví dụ kiểm tra kết chương trình 38 4.3.1.Giải phương pháp Joucowski-Allievi .39 4.3.2.Giải phương pháp đường đặc trưng 39 4.3.3.Giải phương pháp sai phân hữu hạn 42 4.3.4.Giải phần mềm Hytran 42 -0 - 4.3.5.Đánh giá kết .43 Chương 5-VÍ DỤ TÍNH TOÁN 44 5.1.Ví dụ 5.1.1.Phương pháp sai phân hữu hạn 44 5.1.2 Phần mềm Hytran 48 5.1.3.Đánh giá kết ví dụ 50 5.2.Ví duï 50 5.2.1.Phương pháp sai phân hữu hạn 50 5.2.2 Phần mềm Hytran 52 5.2.3.Đánh giá kết ví dụ 54 5.3.Ví dụ 54 5.3.1.Phương pháp sai phân hữu haïn 54 5.3.2.Phần mềm Hytran 56 5.3.3.Đánh giá kết ví dụ 57 5.4.Ví dụ 57 5.4.1.Phương pháp sai phân hữu hạn 58 5.4.2.Biện pháp giải thứ 58 5.4.3.Biện pháp giải thứ hai .59 Chương 6-KẾT LUẬN 60 6.1.Tóm tắt nội dung luận văn kết đạt 60 6.2.Kết luận 60 -0 - 6.3.Hướng phát triển đề tài 60 Tài liệu tham khảo 61 Phuï luïc 1-CHI TIẾT GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH TÍNH NƯỚC VA PL1 PL1.1Số liệu PL1 PL1.2.Các thông số thủy lực đường ống áp lực thời điểm ban đầu PL2 PL1.3.Chế độ vận hành van cuoái oáng PL7 PL1.4.Các thông số thủy lực ống suốt thời gian mô hình PL8 Phụ lục 2-VÍ DỤ TÍNH NƯỚC VA BẰNG PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN VÀ PHẦN MỀM HYTRAN PL11 PL2.1.Ví dụ chương PL11 PL2.2.Ví dụ PL17 PL2.3.Ví duï PL29 PL2.4.Ví dụ PL36 PL2.5.Ví dụ PL42 Phụ lục VÍ DỤ TÍNH TOÁN PL35 PL2.3.2.Chương trình Hytran -TH1: Hai van đóng hoàn toàn p lực nước va lớn nhất: 134.72m Hình PL2.22-Biểu đồ áp lực nước va cuối ống hai van đóng hoàn toàn -TH2: Van đóng hoàn toàn, van mở p lực nước va lớn nhất: 116.65m Hình PL2.23-Biểu đồ áp lực nước va cuối ống van đóng hoàn toàn,van mở Phụ lục VÍ DỤ TÍNH TOÁN PL36 -TH3: Van đóng hoàn toàn, van đóng phần Hmax = 131.5m Hình PL2.24-Biểu đồ áp lực nước va cuối ống van đóng hoàn toàn, van đóng phần PL2.4.Ví dụ Tính nước va đường ống ví dụ 1, phía thượng lưu ống thép 400m có tháp điều áp thông với hồ chứa thượng nguồn đường hầm có đường kính D=2m, chiều dài L=100m Cao trình đỉnh tháp: V=+102m Modul đàn hồi đá: Er=1500000000kg/m2 Trường hợp tính tóan: -Tháp có thành thẳng đứng, đường kính tháp D=5m -Tháp có thành nghiêng 15o, đường kính đáy tháp D=5m PL2.4.1 Giải phương pháp sai phân -Tháp có thành thẳng đứng Phụ lục VÍ DỤ TÍNH TOÁN So lieu dau vao Muc nuoc thuong luu MNTL(m)=100 Muc nuoc luu MNHL(m)=0 Cao tim thuong luu ong(m)=90 So luong tuabin ST=1 So doan ong N=3 Cac thong so doan ong thu la Duong ong duoc dao da hay xay moi ngoai troi D/X [X] ?d Duong kinh cua ong D(m)=2 Modul dan hoi cua da Er=? [E=1500000000kg/m2] Chieu dai ong L(m)=100 So phan doan ong n=5 Cac thong so doan ong thu la Duong ong duoc dao da hay xay moi ngoai troi D/X [X] ? Duong kinh cua ong D(m)=1.2 Chieu day ong t(mm)=12 Chieu dai ong L(m)=200 So phan doan ong n=10 Cac thong so doan ong thu la Duong ong duoc dao da hay xay moi ngoai troi D/X [X] ? Duong kinh cua ong D(m)=1 Chieu day ong t(mm)=14 Chieu dai ong L(m)=200 So phan doan ong n=10 PL37 Phụ lục VÍ DỤ TÍNH TOAÙN PL38 Thong so tuabin thu la Duong kinh cua ong DT(m)=1 Chieu day ong tt(mm)=14 Chieu dai ong vao tuabin LT(m)=2 So phan doan ong vao tuabin nt=1 Luu luong thiet ke tuabin Qtk(m3/s)=4 Duong qua trinh dong tuabin thu la Td(s)=[0 5] a(1=>0)=[1 0] Loai van cuoi (H/B/F/T/U):u ong Hollowjet/Butterfly/Fixed cone/Tube/Undefined Duong quan he mo a va he so luu luong Cd cua van thu la a(1=>0)=[1 0] Cd(0)=[1 0] Loai van cuoi ong Hollowjet/Butterfly/Fixed cone/Tube/Undefined (H/B/F/T/U):t Thong so tuabin thu la Tiet dien ngang cua ong chu nhat hay tron R/C [C]r ============START INPUT REC.SECTION========== Chieu dai cac canh Li(m)=[4.7 4.7 2] Chieu day cac canh bi(m)=[1 1 1] So phan doan cua canh ni=[4 4 4] ===========END INPUT REC.SECTION============ Chieu dai ong vao tuabin LT(m)=10 So phan doan ong vao tuabin nt=2 Luu luong thiet ke tuabin Qtk(m3/s)=10.81 Duong qua trinh dong tuabin thu la Td(s)=[0 5] a(1=>0)=[1 0] Loai van cuoi ong Hollowjet/Butterfly/Fixed cone/Tube/Undefined (H/B/F/T/U):t Thong so tuabin thu la Tiet dien ngang cua ong chu nhat hay tron R/C [C]r ============START INPUT REC.SECTION========== Phụ lục VÍ DỤ TÍNH TOÁN PL45 Chieu dai cac canh Li(m)=[4.7 4.7 2] Chieu day cac canh bi(m)=[1 1 1] So phan doan cua canh ni=[4 4 4] ===========END INPUT REC.SECTION============ Chieu dai ong vao tuabin LT(m)=10 So phan doan ong vao tuabin nt=2 Luu luong thiet ke tuabin Qtk(m3/s)=10.81 Duong qua trinh dong tuabin thu la Td(s)=[0 5] a(1=>0)=[1 0] Loai van cuoi ong Hollowjet/Butterfly/Fixed cone/Tube/Undefined (H/B/F/T/U):t Cong trinh co thap dieu ap hay khong C/K [C] ? So thap dieu ap Nth= Cac thong so thap dieu ap thu la Vat lieu lam thap la [Thep]/Inox/Gang/Betong/Khac ? b Vi tri thap dieu ap sau ong thu Cao chan thap dieu ap O(m)=18 Cao dinh thap El(m)=26 Loai thap dieu ap 1/2/3/4?1 Tiet dien ngang cua thap chu nhat hay tron R/C [C]r ============START INPUT REC.SECTION========== Chieu dai cac canh Li(m)=[16 16 2] Chieu day cac canh bi(m)=[0.3 0.3 0.3 0.3] So phan doan cua canh ni=[16 16 4] Cap nhat thong so chuong trinh Buoc thoi gian dt(s)=0.1 So buoc thoi gian m=1000 Ket qua tính toan Phụ lục VÍ DỤ TÍNH TOÁN PL46 Muc nuoc va lon nhat thap: Hmax(thap) = 26.412956 Ap luc nuoc va lon nhat tai cuoi ong: Hmax = 26.393241 27 p lực động 26 p lực tónh H(m) 25 24 23 22 21 20 40 60 80 100 t(s) Hình PL2.30-Giao động mặt nước tháp điều áp Từ kết ta thấy nước tràn khỏi tháp với cột nước tràn DH=0.413m Biện pháp giải quyết: 1.Nâng cao trình đỉnh tháp lên +27.5m mở rộng tháp từ chiều rộng 2m thành 2.5m 2.Chủ động làm cửa hình chữ nhật (bxh)=(15x1.5)m, cao trình ngưỡng +24.5m PL2.5.2.Biện pháp giải thứ Cac thong so thap dieu ap thu la Thap duoc dao da hay xay moi ngoai troi D/X [X] ? Vat lieu lam thap la [Thep]/Inox/Gang/Betong/Khac ? b Vi tri thap dieu ap sau ong thu Cao chan thap dieu ap O(m)=18 Cao dinh thap El(m)=27.5 Loai thap dieu ap 1/2/3/4?1 Tiet dien ngang cua thap chu nhat hay tron R/C [C]r ============START INPUT REC.SECTION========== Chieu dai cac canh Li(m)=[16 2.5 16 2.5] Phụ lục VÍ DỤ TÍNH TOÁN PL47 Chieu day cac canh bi(m)=[0.3 0.3 0.3 0.3] So phan doan cua canh ni=[16 16 4] ===========END INPUT REC.SECTION============ Cap nhat thong so chuong trinh Buoc thoi gian dt(s)=0.1 So buoc thoi gian m=1000 Ket qua tính toan Muc nuoc va lon nhat thap: Hmax(thap) = 27.268931 Ap luc nuoc va lon nhat tai cuoi ong: Hmax = 27.190627 28 p lực động 27 p lực tónh 26 H(m) 25 24 23 22 21 20 20 40 60 80 t(s) Hình PL2.31-Giao động mặt nước tháp điều áp Với cách giải nước không tràn khỏi tháp PL2.5.3.Biện pháp giải thứ hai Cac thong so thap dieu ap thu la Thap duoc dao da hay xay moi ngoai troi D/X [X] ? Vat lieu lam thap la [Thep]/Inox/Gang/Betong/Khac ? b Vi tri thap dieu ap sau ong thu Cao chan thap dieu ap O(m)=18 100 Phuï luïc VÍ DỤ TÍNH TOÁN PL48 Cao dinh thap El(m)=26 Loai thap dieu ap 1/2/3/4?3 Tiet dien ngang cua thap chu nhat hay tron R/C [C]r ============START INPUT REC.SECTION========== Chieu dai cac canh Li(m)=[16 16 2] Chieu day cac canh bi(m)=[0.3 0.3 0.3 0.3] So phan doan cua canh ni=[16 16 4] ===========END INPUT REC.SECTION============ Cao trinh day cua Elout(m)=24.5 Cua co dang hinh tron hay chu nhat Tron,Chunhat ? c Chieu rong cua Bc(m)=15 Cao trinh dinh cua Elt(m)=26 Cap nhat thong so chuong trinh Buoc thoi gian dt(s)=0.1 So buoc thoi gian m=1000 Ket qua tính toan Muc nuoc va lon nhat thap: Hmax(thap) = 25.382440