Bài giảng Thủy điện 1

Bài giảng Thủy điện CHƢƠNG I KHÁI QUÁT VỀ THỦY NĂNG VÀ NGUYÊN LÝ KHAI THÁC §1-1 THỦY NĂNG VÀ CÁC DẠNG THỦY NĂNG Thuỷ năng lƣợng tiềm tàng nƣớc Môn thuỷ ngành khoa học nghiên cứu sử dụng, khai thác nguồn lƣợng nƣớc Nƣớc thiên nhiên mang lƣợng dạng: hoá năng, nhiệt năng, Hoá nƣớc thể chủ yếu việc tạo thành dung dịch muối hoà tan loại đất đồi núi nƣớc sông Nhiệt nƣớc thể chênh lệch nhiệt độ lớp nƣớc mặt dƣới đáy sông, nƣớc mặt đất nƣớc ngầm Hai dạng lƣợng nƣớc nói có trữ lƣợng lớn, song phân tán, kỹ thuật sử dụng cịn nhiều khó khăn, chƣa khai thác đƣợc Cơ nƣớc thiên nhiên thể mƣa rơi, dịng chảy sơng suối, dòng nƣớc thuỷ triều Dạng lƣợng lớn, ta có khả điều kiện sử dụng Trong dịng sơng có nguồn lƣợng lớn khai thác dễ dàng Năng lƣợng tiềm tàng thƣờng ngày bị tiêu hao cách vơ ích vào việc khắc phục trở lực đƣờng chuyển động, ma sát nội bộ, bào mịn xói lở bờ sơng lịng sơng, vận chuyển phù sa bùn cát vật rắn, công sản để vận chuyển khối nƣớc Nƣớc ta vùng nhiệt đới, mƣa nhiều, lƣợng mƣa thƣờng từ 1500-2000 mm/năm Có vùng nhƣ Hà Giang, dọc Hồng Liên Sơn, Tây Côn Lĩnh , Tây Nguyên lƣợng mƣa đến 4000-5000 mm/năm nên nguồn nƣớc phong phú Năng lƣợng khai thác từ nguồn nƣớc chủ yếu dịng chảy mặt (sơng, suối), thuỷ triều dịng hải lƣu Tuy nhiên mơn học thủy điện I , tập trung nghiên cứu dịng chảy sơng suối Trữ lƣợng thủy giới lớn Theo nghiên cứu công bố B Xlebinger hội nghị Năng lƣợng tồn giới lần thứ (Ln Đơn - 1950), trữ lƣợng thủy giới đƣợc thống kê Bảng 1.3 Bảng 1.1 Trữ lƣợng thủy giới theo B Xlebinger Vùng Châu Âu Châu Á Châu Phi Bắc Mỹ Nam Mỹ Châu Úc Châu Đại dƣơng Tổng cộng tồn trái đất Diện tích (103 Km2) Trữ lƣợng (106 Kw) 11.609 41.839 30.292 24.244 17.798 8.557 134.339 200 2.309 1.155 717 1.110 119 5.610 Mật độ công suất (Kw/Km2) 17,3 55,0 38,2 29,5 62,5 13,9 41,7 Theo số tài liệu nghiên cứu, nƣớc ta có 1000 sông suối (chiều dài > 10Km) với trữ tiềm tàng khoảng 260 - 280 tỷ Kwh Trong lƣu vực sông Đà, Lô-Gâm sông Đồng Nai có nguồn lƣợng lớn Đánh giá trữ lý thuyết trữ kinh tế kỹ thuật Việt Nam đƣợc thống kê Bảng 1.2 Bảng 1.3 Bộ mơn Cơng trình Thủy, Khoa XD Thủy lợi-Thủy điện Bài giảng Thủy điện Bảng 1.2 Trữ lý thuyết kinh tế-kỹ thuật số lƣu vực lớn Việt Nam Tên lƣu vực sông Sông Lô Sông Thao Sông Đà Sông Mã Sông Cả Sông Vũ Gia - Thu Bồn Sông Trà Khúc Sông Ba Sông Sê San 10 Sông Sêrêpok 11 Sông Đồng Nai Tổng cộng E0 lý thuyết (106 KWh) 39.600 25.963 71.100 12.070 10.950 15.564 5.269 10.027 21.723 13.575 27.719 249.090 E0 kỹ thuật (106 KWh) 4.752 7.572 31.175 1.256 2.556 4.575 1.688 1.239 7.948 2.636 10.335 68.917 E0 LT/E0 KT (%) 12 29 43 10 23 30 32 12 39 20 37 27,5 Bảng 1.3: Trữ kỹ thuật lƣu vực lớn Việt Nam Tên lƣu vực S Hồng + S Thái Bình S Mã + S Cả Vùng Đèo Ngang, Đèo Cả S Đồng Nai Chi lƣu S Mê Kông Các lƣu vực khác Tổng cộng Số bậc thang thủy điện 138 18 28 21 14 28 247 Công suất (MW) 12.600 1.400 1.500 1.600 2.000 2.100 21.200 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THỦY ĐIỆN VIỆT NAM Ở nƣớc ta việc khai thác sử dụng dịng nƣớc có từ lâu, nhƣng từ đầu kỷ thứ XX phát triển mạnh mẽ Hàng nghìn năm trƣớc, tổ tiên ta nhƣ số dân tộc Aicập, Trung Quốc biết lợi dụng sông suối để xay lúa, giã gạo làm cọn nƣớc để đƣa nƣớc lên cao phục vụ nông nghiệp Trong thời gian trƣớc năm 1960, Miền Bắc số TTĐ với quy mô công suất nhỏ đƣợc xây dựng mà lớn TĐ Cấm Sơn sơng Hóa (Lạng Sơn) với Nlm = 4800 KW (những năm 1980 bị tháo bỏ tổ máy không hiệu quả, có phƣơng án lắp máy phục hồi lại), hồ chứa 250 triệu m3, số TTĐ nhỏ; TTĐ Bàn Thạch kênh gần đập Bái Thƣợng Thanh Hóa có Nlm = 960 KW đƣợc xây dựng từ năm 1959, đến 1963 khánh thành Một số TTĐ nhỏ (với Nlm khoảng vài trăm KW) có mặt rải rác tỉnh Lào Cai, Bắc Cạn, Lạng Sơn Những năm từ 1960 đến 1975 có TTĐ quy mơ lớn đƣợc xây dựng TTĐ Đa Nhim sông Đa Nhim (thƣợng nguồn dịng Đồng Nai) ngƣời Nhật xây dựng từ 4/1961 đến 1/1964 hoàn thành với Nlm = 160.000 KW, hồ chứa 165 triệu m3, cột nƣớc phát điện 798 m TTĐ Thác Bà sông Chảy (Yên Bái) đƣợc xây dựng từ năm 1960-1961 theo kế hoạch hồn thành năm 1965, có Nlm = 108.000 KW, hồ chứa có tổng dung tích 3,94 tỷ m3(Do chiến tranh, q trình thi cơng gián đoạn, nên thực tế đến 5/1971 mƣới hoàn thành phát tổ máy với cơng suất 108MW Năm 1986 thức nâng công suất trạm lên 120MW) Bộ môn Công trình Thủy, Khoa XD Thủy lợi-Thủy điện Bài giảng Thủy điện Sau năm 1975, hàng loạt công trình thủy lợi - thủy điện lớn khắp miền đất nƣớc đƣợc xây dựng chuẩn bị xây dựng Có thể tham khảo số liệu thống kê Bảng 1.4 Bảng 1.4 Thống kê số TTĐ lớn Việt Nam Tên TTĐ Thác Bà* Đa Nhim* Hịa Bình* Trị An* Vinh Sơn* Thác Mơ* Yali* Sông Hinh* Hàm Thuận* 10 Đa Mi* 11 Cần Đơn 12 Sơn La 13 Lai Châu 14 Huội Quảng 15 ĐạI Thị 16 Bắc Mê 17 Cửa Đạt 18 Bản Mai 19 Rào Quán 20 Ba Hạ 21 An Khê 22 An Vƣơng I 23 Plei Krông 24 Sê san 25 Sê San 26 Thƣợng Kon Tum 27 Đồng Nai 28 Đồng Nai 29 Đại Ninh 30 Buôn Kuốp Tên sông S Chảy S Đa Nhim S Đà S Đồng Nai S Ba S Bé S Sê San S Hinh S La Ngà S La Ngà S Bé S Đà S Đà S Nậm Mu S Lô Gâm S Lô Gâm S Mã S Cả S Rào Quán S Ba S Ba S Thu Bồn S Sê Sna S Sê San S Sê San S Sê San S Đồng Nai S Đồng Nai S Đồng Nai S Sêrêpốk Thời gian XD (năm XD H.thành) 1960-1965-1972 1961-1964 1979-1989 1982-1989 1985-1991 1990-1994 1992-2000 1994-2001 1995-2000 1995-2000 1999- Bộ mơn Cơng trình Thủy, Khoa XD Thủy lợi-Thủy điện Nlm (MW) Tổng Vhồ (triệu m3) 108-120 160 1.920 400 66 102 720 70 300 160 72 2400-3600 1500 800 300 280 170 338 70 200 145 145 120 259 340 260 288 200 254 85 3.940 165 9.45 2.800 1.470 399 1.105 67,4 165,5 8.000-26.000 3.500 163 1.345,9 1.327,2 200,7 - Bài giảng Thủy điện §1-2 ĐÁNH GIÁ NĂNG LƢỢNG TIỀM TÀNG CỦA DÕNG NƢỚC I Tính cơng suất điện lƣợng cho đoạn sông Muốn xác định lƣợng tiềm tàng dịng chảy sơng thiên nhiên (hình 1-1) từ mặt cắt (1-1) đến (2-2) ta xét lƣợng mà khối nƣớc W di chuyển đoạn tiêu hao đi, nghĩa tìm hiệu số lƣợng hai mặt cắt đó: E = E1-E2  v1 Q H Z2 v2 Dựa vào phƣơng trình Bec-nui biết đƣợc lƣợng tiềm tàng chứa thể tích nƣớc W(m3) chảy qua mặt cắt (1-1) thời gian t(s) là:  p1 1 v12    W (Jun) (1-1) E1 =  Z1    g   Hình 1-1 Trong đó: + Z1 - cao trình mặt nƣớc mặt cắt 1-1 + p1 - áp suất mặt nƣớc mặt cắt 1-1 + - trọng lƣợng thể tích nƣớc; = 9,81.103 N/m3 + V1 - vận tốc dòng chảy mặt cắt 1-1 + 1 - hệ số xét đến phân bố lƣu tốc mặt cắt 1-1 + g - gia tốc trọng trƣờng Giả thiết đoạn sông xét khơng có sơng nhánh đổ vào, nghĩa coi lƣợng nƣớc W chảy qua mặt cắt (1-1) (2-2) khơng đổi Khi lƣợng nƣớc W chảy qua mặt cắt (2-2) có lƣợng tiềm tàng là:  p  v2  E2 =  Z   2 W (Jun) (1-2)  2g   Ý nghĩa ký hiệu biểu thức (1-2) giống nhƣ ký hiệu (1-1) Vậy lƣợng tiềm tàng đoạn sông là:  E1-2 = E1-E2 =  Z1    p1 1 v12  p  v2   W -  Z   2 W   2g   2g    p1  p 1V12   V22    W (Jun)  2g  = ( Z1  Z )   (1-3) Phân tích biểu thức (1-3) ta thấy E cơng sản t giây để di chuyển lƣợng nƣớc W từ mặt cắt (1-1) sang (2-2) với cột nƣớc toàn phần là:  H1-2= ( Z1  Z2 )   p1  p 1V12   V22     2g  Nghĩa là: E1-2 = .W H1-2 (Jun) Xét cột nƣớc tồn phần, ta thấy gồm thành phần: - Cột nƣớc địa hình: Hđh = (Z1 - Z2) - Cột nƣớc áp suất: Has = (1-4) (1-5) p1  p  Bộ môn Công trình Thủy, Khoa XD Thủy lợi-Thủy điện Bài giảng Thủy điện - Cột nƣớc lƣu tốc: Hlt =  V12   V22 2g Do H1-2 viết: H1-2 = Hđh + Has + Hlt Trong thực tế, trị số áp suất p1, p2 hai đầu đoạn sông nghiên cứu thƣờng chênh lệch Mặt khác giả thiết lƣợng nƣớc đoạn sông xét không đổi nên khia đặc trƣng hình dạng hai mặt cắt sơng gần giống dẫn đến v1  v 1V12  V22 p1 p  Bỏ qua sai số không đáng 1   Nghĩa coi  2g 2g   kể biểu thức (1-3) viết dƣới dạng đơn giản E = .W (Z1 - Z2 ) (Jun) (1-6) E = .W H (Jun) với H = Z1 - Z2 (1-7) Biểu thức (1-7) cơng thức cho phép ta xác định lƣợng tiềm tàng đoạn sông Nếu thay W = Q.t  = 9,81.103 N/m3 vào biểu thức ta đƣợc: E = 9,81.103.H.Q.t (Jun) (1-8) Nếu thay đơn vị điện lƣợng jun kwh với 1kwh =3600.103 jun, ta có: E H.Q.t 367,2 (kWh) (1-9) Từ biểu thức (1-8) (1-9) ta xác định cơng suất N dịng nƣớc đoạn sơng theo cơng thức chung: N  E Từ (1-8) ta có: t N = 9,81.103.Q.H (W) (1-10) N = 9,81.Q.H (kW) (1-11) Công thức (1-11) đƣợc coi công thức để tính tốn thuỷ Nó thƣờng đƣợc áp dụng nhiều công tác quy hoạch, khảo sát, điều tra trữ lƣợng thuỷ tiềm tàng sơng ngịi II Tính trữ lƣợng thủy cho sơng Muốn tính tữ lƣợng thuỷ nặng cho mọt sông, ta phân nhiều đoạn, dùng cơng thức (1-11) tính trữ lƣợng thuỷ cho đoạn sau cộng dồn lại Thực tế để dễ nhận thấy tiện sử dụng, ngƣời ta dùng số liệu khảo sát, tính tốn vẽ thành biểu đồ nhƣ hình(1-2) Các bƣớc tiến hành nhƣ sau: Điều tra, khảo sát thu thập tài liệu a Nguyên tắc phân đoạn: Ta biết, muốn tính cơng suất, phải biết lƣu lƣợng Q cột nƣớc H đoạn Khi phân đoạn cần tuân theo số nguyên tắc nhƣ: - Phân đoạn từ nguồn đến cửa sông - Phân đoạn nơi Q H thay đổi đặc biệt nhƣ nơi có sơng nhánh suối lớn chảy vào làm cho lƣu lƣợng tăng lên rõ rệt, nơi có độ dốc lịng sơng bắt đầu thay đổi đặc biệt nơi có thác ghềnh thiên nhiên Đó nguyên tắc chọn mặt cắt phận đoạn cịn phải lƣu ý vị trí thuận tiện có lợi cho việc khai thác, nơi có khả chọn làm tuyến xây dựng cơng trình thuỷ điện sau b Cách tiến hành điều tra khảo sát thu thập tài liệu Bộ mơn Cơng trình Thủy, Khoa XD Thủy lợi-Thủy điện Bài giảng Thủy điện Trƣớc thực địa nên sơ nghiên cứu địa hình đồ tỉ lệ 1/100.000; 1/50.000 hay 1/25.000 Dự kiến sơ vị trí cần bố trí phân đoạn, định hành trình, bố trí kế hoạch tiến hành cơng tác chuẩn bị cần thiết khác Quá trình thực địa nhiều phải thay đổi định thêm số vị trí phân đoạn Nguyên nhân đồ đo đặc không đầy đủ chi tiết, lâu, dƣới tác động thiên nhiên ngƣời có thay đổi Tại mặt cắt phân đoạn phải tiến hành đo đạc cao tình mặt nƣớc, vẽ quan hệ cao trình chiều dài sông L Đồng thời mặt cắt phân đoạn tiến hành đo đạc thủy văn, kết hợp với số liệu quan trắc khí tƣợng khác, nắm tình hình lƣu vực, để Hình 1-2 tính đƣợc lƣu lƣợng bình quân chảy qua mặt cắt Ở xác định lƣu lƣợng bình qn Q theo hai cách: Có thể trị số trung bình nhiều năm lấy lƣu lƣợng bình quân năm trạm thủy văn có tần suất p=50% Ngồi cần thiết ta tính trữ lƣợng thủy cho năm nƣớc vói tần suất 90%, 95% vv…Từ số liệu Q, ta vẽ đƣợc quan hệ lƣu lƣợng với chiều dài sông Q~L Tại vị trí thuận lợi cho việc xây dựng cơng trình thủy điện tài liệu thủy văn nói cịn thiếu phải bố trí trạm quan trắc để giúp cho việc đánh giá trữ lƣợng thủy nhƣ tính tốn thiết kế sau đƣợc xác Tính cơng suất cho đoạn ta dùng cơng thức (1-11) N = 9,81.Q.H (kW) Thí dụ ta tính cho đoạn thứ i: Ni = 9,81.Qi.Hi Ta lần lƣợt xác định cho số hạng công thức Để xác định Hi ta lấy cao trình mặt nƣớc đầu đoạn trừ cao trình mặt nƣớc cuối đoạn: Hi =Ziđầu- Zicuối Cịn Qi đƣợc tính trung bình theo lƣu lƣợng đầu đoạn cuối đoạn Qi =(Qiđầu + Qicuối)/2 Khi phân đoạn ta lƣu ý cho khơng có sơng nhsánh đổ vào đoạn Song có mạch nƣớc, rãnh suối nhỏ đổ vào, nên lƣu lƣợng đầu cuối thƣờng khác Do tính tốn ta lấy trị số trung bình Sau có Qi, Hi việc tính tốn cơng suất dịng nƣớc Ni cho đoạn Li đơn giản Có trị số Ni Li tƣơng ứng ta vẽ quan hệ Ni~Li cho đoạn sông Sau vẽ đƣờng biểu diễn cơng suất đơn vị chiều dài đƣờng biểu diễn tổng công suất theo chiều dài  Ni ~Li (xem hình (1-2) Biểu đồ chƣa kể lƣợng tiềm tàng sơng nhánh Muốn tính lƣợng tiềm tàng sơng có kể nhánh, ta tính riêng cho nhánh theo phƣơng pháp nêu Sau cộng lƣợng nhánh, tuyến chúng nhận vào sông Xem xét biểu đồ trữ lƣợng thuỷ ta có số nhận xét sau: - Nhìn chung độ dốc mặt nƣớc xuôi giảm (tức cột nƣớc tính cho đơn vị chiều dài giảm) Trừ trƣờng hợp ngoại lệ có thác thiên nhiên Bộ mơn Cơng trình Thủy, Khoa XD Thủy lợi-Thủy điện Bài giảng Thủy điện - Đƣờng biểu diễn lƣu lƣợng có chỗ tăng độ ngột tuyến có sơng nhánh đổ vào - Cơng suất tính cho đơn vị chiều dài đoạn đầu cuối sông nhỏ đoạn Nguyên nhân đoạn đầu có cột nƣớc lớn song lƣu lƣợng nhỏ đoạn cuối có lƣu lƣợng lớn nhƣng cột nƣớc thấp Do cơng suất đơn vị khơng lớn Trên trình bày cách tính vẽ biểu đồ trữ lƣợng thuỷ cho sơng ngịi Đây tài liệu cần cho công tác nghiên cứu lập quy hoạch khai thác thuỷ điện nhƣ sửa đổi quy hoạch cần thiết III Khả lợi dụng lƣợng tiềm tàng Những hạn chế việc lợi dụng lƣợng tiềm tàng đoạn sơng Về lý luận, ta tính đƣợc lƣợng tiềm tàng đoạn sông Thực tế khơng thể lợi dụng đƣợc hết lƣợng đó, ngun nhân sau: - Có thể đoạn sơng khơng thể lợi dụng đƣợc khó khăn kỹ thuật, ngập lụt cơng trình, mỏ quý khu dân cƣ lớn, khu canh tác phì nhiêu… dẫn đến khơng thuận lợi mặt kinh tế - Mặt khác trình khai thác tránh khỏi tổn thất lƣu lƣợng bốc hơi, rò rỉ thấm, tổn thất cột nƣớc chảy qua cơng trình lấy nƣớc dẫn nƣớc máy móc thuỷ lực.vv… Cho nên đồng thời với việc tính tốn trữ lƣợng thuỷ tiềm tàng, cần tiến hành tính tốn trữ lƣợng thuỷ khai thác đƣợc ( thƣờng gọi trữ kỹ thuật) Trữ kỹ thuật phụ thuộc điều kiện thiên nhiên dịng sơng,mà cịn phụ thuộc vào trình độ kỹ thuật, hồn cảnh kinh tế xã hội sơ đồ khai thác hợp lý hay chƣa Phải thơng qua tính tốn kinh tế kỹ thuật định đƣợc phƣơng án hợp lý, lợi dụng tối đa nguồn lƣợng thiên nhiên Công suất điện lƣợng trạm thuỷ điện Muốn khai thác thuỷ để phát điện, phả xây dựng trạm thuỷ điện Cơng trình chủ yếu trạm thuỷ điện cơng trình dâng nƣớc ( đập ), cơng trình tràn xả nƣớc thừa, cơng trình lấy nƣớc dẫn nƣớc, thiết bị máy móc thuỷ lực điện nhà máy trạm thuỷ điện q trình khai thác có tổn thất Tổn thất thuỷ trạm thuỷ điện thể ở: - Tổn thất lƣu lƣợng bốc hơi, ngấm theo đƣờng nƣớc ngầm, thấm qua lòng hồ, vai đập thân đập rị rỉ qua cơng trình phần lƣu lƣợng thừa phải xả bỏ lƣu lƣợng đến nhiều mà cơng trình khơng đủ khả trữ, turbine không đủ khả tháo lƣu lƣợng lớn - Tổn thất cột nƣớc chảy qua cửa lấy nƣớc, cơng trình dẫn nƣớc turbine nhƣ tổn thất khác máy phát điện hệ thống truyền động Vì cơng suất trạm thuỷ điện bé cơng suất thiên nhiên tính theo (1-11) Công suất trạm thuỷ điện xác định theo công thức: N = 9,81  Q.H (1-12) Trong công thức (1-12) lƣu lƣợng Q cột nƣớc H trừ tổn thất lƣu lƣợng cột nƣớc Mặt khác để thể tổn thất qua máy móc thiết bị cơng thức cịn có hệ số  Hệ số  đƣợc gọi hiệu suất trạm thuỷ điện Hiệu suất nhỏ bằng: Bộ mơn Cơng trình Thủy, Khoa XD Thủy lợi-Thủy điện Bài giảng Thủy điện   TB  mf tđ Trong đó: TB - Hiệu suất turbine mf - Hiệu suất máy phát  tđ - Hiệu suất truyền động Nếu turbine máy phát nối trực tiếp (liên tục )  tđ = Cơng thức (1-12) viết dƣới dạng: N=K.Q.H (1-13) Trong đó: K=9,81  Thơng thƣờng tính tốn thuỷ năng, chƣa chọn đƣợc thiết bị, nên chƣa xác định đƣợc  Khi tính tốn thƣờng lấy theo kinh nghiệm - Trạm thủy điện lớn K= - 8,5 - Trạm thủy điện vừa K= - - Trạm thủy điện nhỏ K= - Điện lƣợng E trạm thuỷ điện điện lƣợng thực tế mà trạm thuỷ điện phát đầu máy phát Trị số phụ thuộc vào công suất thời gian làm việc trạm Dạng chung để tính điện lƣợng trạm là: t E   Ndt (1-14) n Hoặc E   N i t i (1-15) i 1 Trong ti - thời gian mà trạm làm việc với công suất Ni n - Số thời đoạn làm việc Bộ mơn Cơng trình Thủy, Khoa XD Thủy lợi-Thủy điện Bài giảng Thủy điện §1-3 NGUYÊN LÝ KHAI THÁC THUỶ NĂNG Từ công thức N = 9,81  Q.H hay N = K.Q.H, ta thấy N tỉ lệ thuận với Q,H,  Do muốn tăng cơng suất phải tìm cách tăng Q, H,  Việc tăng lƣu lƣợng Q dùng biện pháp tập trung điều tiết dòng chảy, tăng lƣu lƣợng mùa kiệt Mặt khác lấy nƣớc từ lƣu vực khác bổ sung cho lƣu lƣợng trạm Cột nƣớc H phân bố, phân tán dọc theo chiều dài sông Do muốn tăng H phải dùng biện pháp nhân tạo cách xây dựng cơng trình thuỷ lợi Ngồi ra, muốn cho công suất trạm thuỷ điện phát lớn, phải có máy móc thiết bị tốt, có hiệu suất cao Biện pháp nâng cao hiệu suất thiết bị máy móc đƣợc học mơn học “thiết bị thuỷ điện” Trong môn học “ôthuỷ ” giải vấn đề tập trung cột nƣớc tập trung điều tiết lƣu lƣợng Vấn đề đƣợc trình bày phần “ Biện pháp khai thác thuỷ năng”dƣới §1-4 BIỆN PHÁP KHAI THÁC THUỶ NĂNG I Cách tập trung cột nƣớc Tuỳ theo biện pháp tăng cột nƣớc, mà ta có phƣơng thức khai thác thuỷ sau đây: - Dùng đập để tạo thành cột nƣớc - Dùng đƣờng dẫn để tạo thành cột nƣớc - Dùng hỗn hợp đập đƣờng dẫn để tạo thành cột nƣớc Dùng đập để tạo thành cột nƣớc Xây dựng đập tuyến thích hợp nơi cân khai thác Đập tạo cột nƣớc chênh lệch mực nƣớc thƣợng hạ lƣu đập Đồng thời tạo nên hồ chứa có tác dụng tập trung điều tiết lƣu lƣợng, Âáûp Häö làm tăng khả phát điện Âỉåìng nỉåïc dáng mùa kiệt, nâng cao hiệu lợi dụng tổng hợp Hténh nguồn nƣớc nhƣ cắt lũ Loìng säng chống lụt, cung cấp nƣớc, thiãn nhiãn nuôi cá, vận tải thuỷ… Phƣơng thức tập trung cột nƣớc nhƣ sơ đồ hình (13) đƣợc gọi phƣơng thức khai thác kiểu đập Phƣơng thức có ƣu điểm vừa tập trung đƣợc cột nƣớc vừa tập trung điều tiết lƣu lƣợng phục vụ cho việc lợi dụng tổng hợp nguồn nƣớc Song có nhƣợc điểm đập cao, khối lƣợng xây lắp nhiều, kinh phí lớn, ngập lụt thiệt hại nhiều Khi thiết kế xây dựng phải thơng qua tính tốn kinh tế kỹ thuật , so sánh lựa chọn phƣơng án có lợi Hình 1-3 Sơ đồ khai thác kiểu đập thƣờng thích ứng với vùng trung du sơng nói có độ dốc lịng sơng tƣơng đối nhỏ, địa hình địa thuận lợi cho việc tạo nên hồ chứa có dung tích lớn tổn thất ngập lụt tƣơng đối nhỏ Ngƣợc lại vùng thƣợng lƣu, lịng sơng hẹp, độ dốc lịng sơng lớn nên dù có làm đập cao khó tạo thành hồ Bộ mơn Cơng trình Thủy, Khoa XD Thủy lợi-Thủy điện Bài giảng Thủy điện chứa có dung tích lớn Ở hạ lƣu, độ dốc lịng sơng nhỏ, xây đập cao dẫn đến ngập lụt lớn thiệt hại nhiều Cho nên vùng có điều kiện khai thác kiểu đập Với sơ đồ khai thác kiểu đập, trạm thuỷ điện bố trí ngang đập hay sau đập (xem hình 1-4 1-5 ) nhƣng thƣờng thấy hớn loại trạm thuỷ điện sau đập Trạm thuỷ điện ngang đập thích ứng trƣờng hợp cột nƣớc thấp, nhà máy đủ sức chịu lực nhƣ đoạn đập kết cấu kinh tế Hình 1-4 1-lịng sơng thiên nhiên, 2- đường nước dâng 3- đập, 4- nhà máy thủy điện;5- hồ chứa nước Hình 1-5 1-lịng sơng thiên nhiên, 2- đường nước dâng 3- đập, 4- nhà máy thủy điện; 5- hồ chứa nước Tập trung cột nƣớc đƣờng dẫn Ở đoạn sông thƣợng lƣu, độ dốc lịng sơng thƣờng lớn, lịng sơng hẹp, dùng đập để tạo nên cột nƣớc thƣờng khơng có lợi tập trung cột nƣớc, tập trung điều tiết lƣu lƣợng Trong trƣờng hợp cách tốt dùng đƣờng dẫn để tạo thành cột nƣớc ( hình 1-6) Hình 1-6 1-lịng sơng 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 Đặc điểm phƣơng thức cột nƣớc đƣờng dẫn tạo thành Đƣờng dẫn kênh máng, ống dẫn hay đƣờng hầm có áp khơng áp Đƣờng dẫn có độ dốc nhỏ sông suối, nên dẫn xa độ chênh lệch đƣờng dẫn sơng suối Bộ mơn Cơng trình Thủy, Khoa XD Thủy lợi-Thủy điện 10 Bài giảng Thủy điện Trong thiết kế biết đƣợc điện lƣợng năm lớn (Enămmax ) ứng với độ sâu cơng tác có lợi trạm thủy điện (xác định chƣơng III) tìm vị trí đƣờng ACDEGB nhƣ sau: Giả thiết vị trí đƣờng ACDEGB ứng với trị số N TĐ ct max Phần biểu đồ phụ tải nằm đƣờng thể thay đổi cơng suất cơng tác (N ct ) trạm thủy điện tháng năm Có trị số Nct tháng nhờ đƣờng lũy tích phụ tải ta tìm đƣợc điện lƣợng Engày sau điện lƣợng Etháng ( Etháng= Engàyx30 ngày) tƣơng ứng Tổng điên lƣợng tháng năm điện lƣợng năm mà trạm thủy điện cần phải có (Enăm C) để đảm bảo đƣờng phân chia phụ tải giả thiết TĐ ( N TĐ ct max giả thiết) Nhƣ ứng với đƣờng phân chia phụ tải giả thiết ( N ct max giả thiết ) địi hỏi phải có Enăm C định Giả thiết số vị trí đƣờng phân chia TĐ phụ tải N TĐ ct max tính tốn nhƣ ta tìm đƣợc quan hệ N ct max với Enăm C (hình 4-15c) Đặt trị số Enămmax lên đƣờng quan hệ ta tìm đƣợc trị số N TĐ ct max tƣơng ứng từ xác định đƣợc vị trí đƣờng ACDEGB mà ta cần tìm Phần biểu đồ phụ tải nằm đƣờng phân chia phụ tải ACDEGB mà ta vừa tìm đƣợc biểu thị chế độ cần thiết trạm thủy điện để bảo đảm cung cấp điện an toàn cho hệ thống đƣợc gọi biểu đồ công suất cơng tác bảo đảm Cịn biểu đồ thể cơng suất bình quân thời đoạn (ứng với biểu đồ cơng suất nói trên) gọi biểu đồ cơng suất bảo đảm Cách xác định chế độ làm việc có lợi thích hợp với trạm thủy điện điều tiết năm hoàn toàn điều tiết nhiều năm Đối với trạm thủy điện điều tiết mùa ta cho làm việc mùa lũ theo chế độ bảo đảm nhƣ phải tháo bỏ bớt nƣớc Để tận dụng lƣợng nƣớc chế độ làm việc trạm thủy điện điều tiết mùa xác định theo tiêu chuẩn phƣơng pháp dùng cho năm nƣớc trung bình nhiều nƣớc ( xem phần sau) Cịn chế độ làm việc mùa cấp theo tiêu chuẩn NNĐ = Cụ thể ta phải tìm vị trí đƣờng phân chia phụ tải mùa cấp (đƣờng AA’ BB’ hình 4-15d) cho điện lƣợng mùa cấp trạm thủy điện cần thiết phủ phần phụ tải nằm đƣờng điện lƣợng mùa cấp lớn (Emkmax) ứng với độ sâu cơng tác có lợi biết Cách xác định vị trí đƣờng phân chia tƣơng tự nhƣ có khác ta phải tìm quan hệ TĐ N TĐ ct max với Emùa cấp N ct max với Enăm Cịn có đƣờng quan hệ N TĐ ct max với Emùa kiệt Emkmax ta dễ dàng xác định đƣợc đƣờng AA’ BB’cần tìm II Xác định chế độ trạm năm nƣớc trung bình Đối với trạm thủy điện vận hành Xác định chế độ có lợi trạm thủy điện vận hành năm nƣớc trung bình trạm thủy điện điều tiết năm (mùa ) phức tạp, trị số N, Q,H, ẩn số, đồng thời hàm nhiều biến số khác Muốn tính nhanh, xác ta phải dùng máy tính, ta nói chất vật lý nội dung tốn học mà khơng nói tới phƣơng pháp giải 1)Bài toán: Ta xét trƣờng hợp hệ thống có L trạm nhiệt điện K trạm thủy điện khơng có liên quan thủy lực Bộ mơn Cơng trình Thủy, Khoa XD Thủy lợi-Thủy điện 88 Bài giảng Thủy điện Để tìm chế độ làm việc có lợi, trƣớc hết phải thành lập hàm mục tiêu sau tìm cực trị hàm cho phù hợp với tiêu chuẩn định Nhƣng chế độ làm việc trạm thủy điện thời điểm đƣợc đặc trƣng nhiều thông số nhƣ: mực nƣớc thƣợng lƣu Ztl, dung tích hồ Vh, lƣu lƣợng hồ Qh, cơng suất N, v.v…Vì vậy, phải chọn thơng số làm biến số khơng phụ thuộc Việc xác định chế độ có lợi lúc xác định tập hợp biến số khơng phụ thuộc cho thỏa mãn hàm mục tiêu Ta xét hàm mục tiêu tiêu chuẩn đánh giá chế độ làm việc có lợi là: L C nl    C nl  l1 Ở đây: C nl  - chi phí nhiên liệu trạmnhiệt điện thứ l (I =1,2…L) Tổng chi phí nhiên liệu trạm nhiệt điện thời gian T chu kỳ điều tiết xác định theo công thức: L T l 1 C nl    Sl  B l ( N NĐ ( t ))dt Trong đó: Sl - Giá đơn vị nhiên liệu trạm nhiệt điện thứ l B l ( N NĐ ( t )) - Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu trạm nhiệt điện thứ l Công suất trạm nhiệt điện thời điểm t đƣợc xác định từ điều kiện cân công suất hệ thống L N NĐ1 (t )  P K HT l 1 (t )   N k 1 M TĐ1 (t )   N kd (t )  N ld (t ) (4-2) m 1 Trong biểu thức này: PHT(t) - biểu đồ phụ tải hệ thống M N kd - biểu đồ phụ tải tất trạm thủy điện nhiệt điện khơng có (t ) m 1 khả điều chỉnh K N TĐ1 - tổng công suất trạm thủy điện có khả điều tiết (t ) k 1 N ld (t ) - tổn thất công suất lƣới điện Công suất trạm thủy điện thứ k đƣợc xác định theo công thức sau: N TDk (t )  9,81.TDk QTDk (t ).H k (t ) (4-3) Hiệu suất TDk hàm số lƣu lƣợng QTĐk cột nƣớc Hk TDk = TDk ( QTDk (t ) ; H k (t ) ) Thay (4-3) vào (4-2) lúc hàm mục tiêu có dạng: L T K M l 1 k 1 m 1 Cnl    Cl  Bl ( P HT (t )   9,81.TDk H k (t )  N kd (t  N ld (t ))dt  Bộ mơn Cơng trình Thủy, Khoa XD Thủy lợi-Thủy điện 89 Bài giảng Thủy điện Nhƣng chế độ làm việc trạm thủy điện thời đoạn phụ thuộc vào số ràng buộc Cho nên cực trị hàm mục tiêu phải thỏa mãn ràng buộc Sau số ràng buộc chế độ mà ta thƣờng gặp: - Mực nƣớc hồ thứ k thời đoạn phải thỏa mãn Ztlmin ik ≤ Ztl ik ≤ Ztlmax ik Bộ mơn Cơng trình Thủy, Khoa XD Thủy lợi-Thủy điện 90 Bài giảng Thủy điện §4 - KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ BIỂU ĐỒ QUẢN LÝ HỒ CHỨA I Ý nghĩa nội dung biểu đồ quản lý hồ chứa Nhƣ biết, chế độ trạm thủy điện phải chế độ có lợi cho toàn chu kỳ điều tiết Đối với trạm thủy điện có hồ điều tiết dài hạn, việc xác định chế độ có lợi điều kiện thủy văn khác gặp nhiều khó khăn Nguyên nhân chủ yếu dự báo thủy văn dài hạn chƣa đảm bảo mức độ xác cần thiết, nên chƣa thể biết trƣớc đƣợc thời đoạn trạm thủy điện nên làm việc với công suất tồn chu kỳ có lợi Nếu thời đoạn ta cho trạm thủy điện làm việc với cơng suất lớn thời đoạn khác, chế độ cung cấp điện an tồn không đảm bảo Ngƣợc lại, cho cho trạm thủy điện làm việc với cơng suất nhỏ lƣợng nƣớc xả bỏ tăng lên, không tiết kiệm đƣợc nhiên liệu Hậu giảm đến mức tối thiểu nhƣ ta sử dụng hồ hợp lý Cho nên điều kiện tài liệu dự bảo thủy văn dài hạn khơng xác phải quản lý hồ chứa theo phƣơng pháp đặc biệt, gọi điều phối Điều phối tập hợp số nguyên tắc dẫn sử dụng hồ Các nguyên tắc thƣờng đƣợc thể hình vẽ hình vẽ gọi biểu đồ quản lý hồ chứa Biểu đồ quản lý hồ chứa đƣợc xây dựng sở phân tích chế độ có lợi trạm thủy điện hệ thống năm đặc trƣng cho tình hình thủy văn quan trắc đƣợc khứ Để đáp ứng đƣợc yêu cầu bảo đảm cung cấp điện nâng cao hiệu ích kinh tế, biểu đồ quản lý hồ chứa phải thể đƣợc đƣờng đặc trƣng sau đƣờng cung cấp công suất bảo đảm Đƣờng hạn chế cơng suất Đƣờng phịng ngừa nƣớc thừa II Cách xây dựng biểu đồ quản lý hồ chứa điều tiết năm Vẽ đƣờng cung cấp công suất bảo đảm Yêu cầu công tác hồ chứa điều tiết năm muộn vào cuối mùa lũ hồ phải đạt đến MNDBT, cuối mùa kiệt phải vừa vặn rút xuống MNC Nhiệm vụ đƣờng cung cấp nƣớc theo công suất bảo đảm định lƣợng nƣớc cung cấp tăng thêm lúc mà việc cung cấp nƣớc bình thƣờng đảm bảo Hay nói khác , đƣờng cung cấp cơng suất bảo đảm cho biết tăng cơng suất trạm thủy điện mà đảm bảo cung cấp điện an toàn cho hệ thống Muốn phải thơng qua tính tốn điều tiết dịng chảy vẽ thành đƣờng dẫn tình hình trữ nƣớc hồ chứa Nhƣ ta biết công suất bảo đảm đƣợc xác định từ năm kiệt thiết kế, nên tài liệu thủy văn năm đƣợc sử dụng để vẽ đƣờng công suất bảo đảm Đối với năm thủy văn thiết kế, muốn cho trạm thủy điện phát đƣợc điện lƣợng lớn thời đoạn mùa cấp, hồ phải làm việc đƣợc với công suất bảo đảm, đồng thời dung tích hữu ích vừa đƣợc dùng hết vào cuối mùa Để thỏa mãn điều kiện đó, ta tiến hành tính tốn thủy theo chiều ngƣợc lại với chiều cấp nƣớc, tức tính từ cuối đến đầu mùa cấp Nhiệm vụ tính tốn thủy trƣờng hợp nhƣ dựa vào tài liệu thủy văn năm kiệt thiết kế biểu đồ công suất bảo đảm biết để xác định chế Bộ mơn Cơng trình Thủy, Khoa XD Thủy lợi-Thủy điện 91 Bài giảng Thủy điện độ làm việc tƣơng ứng hồ, có nghĩa xác định đƣờng thay đổi mực nƣớc hồ mùa cấp (nhánh cấp nƣớc) Ztl = Z tl MNDBT Ztl(t) Để tính tốn ta dùng phƣơng pháp lập bảng hay đồ giải Matchiski Từ kết tính tốn, ta vẽ đƣợc nhánh cấp nƣớc Ztl = Ztl(t) (đƣờng hình 4-16) I II MNC t Hình 4-16 Sau chọn số năm kiệt có lƣợng nƣớc Wi gần lƣợng nƣớc năm kiệt thiết kế Wtk, phân phối dòng chảy năm khác Để cho năm tƣơng đƣơng với năm thiết kế, lấy lƣu lƣợng bình quân tháng chúng nhân với tỉ số WTK Sau tiến hành tính tốn Wi thủy cho năm ( nhƣ tính tốn cho năm kiệt thiết kế), ta đƣợc nhóm đƣờng cấp nƣớc (hình 4-16) Vẽ đƣờng bao nhóm đƣờng (đƣờng I) ta đƣợc nhánh đƣờng cung cấp công suất bảo đảm Đối với mùa trữ, tăng cơng suất bảo đảm mà gặp lũ nhỏ hồ không đầy vào cuối mùa Nhƣ mùa tiếp theo, trạm không đủ nƣớc để phát cơng suất bảo đảm Do cần phải tìm điều I kiện cho phép tăng công suất mà hồ II đầy đến MNDBT vào cuối mùa trữ Muốn thỏa mãn đƣợc điều , ta tiến hành tính tốn thủy từ MNDBT đến MNC MNC Cách vẽ nhóm đƣờng trữ nƣớc giống nhƣ cách vẽ nhóm đƣờng cấp nƣớc Đƣờng bao nhóm đƣờng trữ ( t đƣờng I hình 4-17) nhánh trữ Hình 4-17 đƣờng cugn cấp cơng suất bảo đảm Ghép nhánh trữ nhánh cấp lại với ta đƣợc đƣờng cung cấp công suất bảo đảm (đƣờng I hình 4-19).Đƣờng thể lƣợng nƣớc tối thiểu cần phải dự trữ hồ thời đoạn chu kỳ điều tiết để trạm thủy điện bảo đảm cho hệ thống làm việc bình thƣờng năm thủy văn trừ năm kiệt Đó ranh giới vùng làm việc N>Nbđ N=Nbđ Z tl MNDBT Vẽ đƣờng hạn chế công suất Đối với năm nƣớc kiệt, trạm thủyđiện phát đƣợc công suất điện lƣợng đảm bảo, nhiệm vụ điều phối hạn chế đến mức tối thiểu phá hoại chế độ làm việc bình thƣờng hệ thống Lúc đó, trƣớc hết cần biết điều kiện cần cho trạm thủy điện làm việc với N