Nghiên cứu ảnh hưởng hiện tượng trễ dòng chảy đến đối với hiệu quả vận hành của các nhà máy thủy điện nhỏ có cột nước thấp làm việc trong bậc thang

8 14 0
Nghiên cứu ảnh hưởng hiện tượng trễ dòng chảy đến đối với hiệu quả vận hành của các nhà máy thủy điện nhỏ có cột nước thấp làm việc trong bậc thang

Đang tải... (xem toàn văn)

Thông tin tài liệu

Đề tài này xem xét mức độ ảnh hưởng của thời gian trễ pha dòng chảy đối với doanh thu của các nhà máy thủy điện nhỏ có cột nước thấp. Từ đó một số khuyến nghị được đề xuất trong quy hoạch, thiết kế, vận hành các nhà máy thủy điện nhỏ có cột nước thấp làm việc theo bậc thang. Mời các bạn cùng tham khảo!

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG HIỆN TƯỢNG TRỄ DÒNG CHẢY ĐẾN ĐỐI VỚI HIỆU QUẢ VẬN HÀNH CỦA CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN NHỎ CÓ CỘT NƯỚC THẤP LÀM VIỆC TRONG BẬC THANG Nguyễn Đức Nghĩa1 Tóm tắt: Thực tế vận hành nhà máy thủy điện nhỏ có cột nước thấp làm việc bậc thang ghi nhận tượng trễ pha dòng chảy các nhà máy thủy điện (NMTĐ) Hiện tượng trễ pha dòng chảy làm cho dòng chảy đến bị chậm so với nhu cầu phát điện NMTĐ qua làm giảm hiệu phát điện Ảnh hưởng tượng thể thông qua yếu tố: tăng mức tiêu hao nước mực nước hồ chứa giảm suy giảm giá bán điện trung bình khơng đủ nước phát tối đa thời điểm giá bán điện cao phải phát điện vào khung có giá bán điện thấp Trong nghiên cứu này, xem xét mức độ ảnh hưởng thời gian trễ pha dòng chảy doanh thu NMTĐ nhỏ có cột nước thấp Từ số khuyến nghị đề xuất quy hoạch, thiết kế, vận hành NMTĐ nhỏ có cột nước thấp làm việc theo bậc thang Từ khóa: Thủy điện bậc thang, nhà máy thủy điện cột nước thấp, trễ pha dòng chảy, suất tiêu hao nước ĐẶT VẤN ĐỀ * Trong quy hoạch thủy điện, NMTĐ thường xây dựng nối dạng bậc thang, ví dụ hình Trên dịng sơng lớn, đoạn sơng có độ dốc khơng lớn, bị giới hạn bị điều kiện ngập lụt NMTĐ thường có cột nước thấp Tại Việt Nam, hầu hết NMTĐ có cột nước thấp NMTĐ nhỏ (Nlm ≤ 30MW), vận hành theo biểu giá chi phí tránh theo khung thấp điểm, trung bình cao điểm Trong nghiên cứu này, xem xét ảnh hưởng hiên tượng trễ dòng chảy đến, mà cụ thể thời gian trễ dòng chảy đến so với khung cao điểm mức độ suy giảm hiệu vận hành NMTĐ nhỏ có cột nước thấp Từ khuyến nghị đề xuất để hạn chế ảnh hưởng tiêu cực tượng Trường Đại học Thủy lợi Hình Sơ đồ khai thác bậc thang nhà máy thủy điện cột nước thấp a) Bậc thang sông Danube (Knut Sierotzki, 2017); b) Bậc thang sông Gâm; c) Bậc thang sông Chảy NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Đặc điểm nhà máy thủy điện cột nước thấp NMTĐ cột nước thấp (H tt ≤ 10m) thường KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) 159 xây dựng sông lớn, với lưu lượng qua nhà máy lớn, mức tiêu hao nước (kQ – thể tích nước cần dùng để phát đơn vị điện năng, đơn vị thường dùng m3 /kWh) biến động lớn (có thể lên đến 40%) tùy theo trạng thái làm việc cơng trình (Nguyễn Đức Nghĩa, 2017) Do đó, hiệu sử dụng nước nhà máy thủy điện cột nước thấp phụ thuộc nhiều vào chế độ vận hành Hình thể đặc tính lượng nhà máy thủy điện cột nước thấp, với Htt = 6.2m, Qmax = 250 m3/s Khi trạng thái vận hành thay đổi, suất tiêu hao nước biến đổi tới 36%: kQ = 58 (m3/kWh) Ztl =120.5 (m) N = (MW) so với kQ = 79 (m3/kWh) Ztl =119.0 (m) N = 10.3 (MW) Do xây dựng đoạn sơng có độ dốc khơng cao nên khả tạo hồ chứa cơng trình thủy điện dạng hạn chế bị giới hạn diện tích ngập lụt Với dung tích hữu ích hạn chế, NMTĐ cột nước thấp có khả điều tiết dòng chảy ngày, chủ yếu 1-2 Do đó, với NMTĐ cột nước thấp có cơng suất nhỏ (≤ 30MW), giá bán điện theo biểu giá chi phí tránh được, cơng tác vận hành gặp nhiều khó khăn Vào mùa khơ, hồ chứa không đủ khả chuyển nước từ khung khác sang cao điểm doanh thu dự án giảm 50% chênh lệch giá bán điện khung lớn, khoảng 3.66 lần (hình 2) Hình Giá bán điện theo khung ngày thường vào mùa khô NMTĐ nhỏ năm 2020 (Bộ Cơng thương, 2019) Hình Đặc tính lượng điển hình nhà máy thủy điện cột nước thấp Bên cạnh đó, mực nước thượng lưu hạ thấp cơng suất khả dụng NMTĐ cột nước thấp giảm nhanh Theo hình 2, mực nước chết (MNC =119.0m), công suất khả dụng NMTĐ cịn lại 75.3% so với cơng suất lắp máy (Nlm) Như vậy, mực nước thấp NMTĐ phát công suất mong muốn dù lượng nước hồ nhiều ảnh hưởng lớn tới hiệu vận hành cơng trình, đặc biệt NMTĐ có giá bán điện chênh lệch lớn theo khung 160 2.2 Hiện tượng trễ pha dòng chảy nhà máy thủy điện hệ thống sơng Hiện tượng trễ pha dịng chảy NMTĐ bậc thang kết chuyển động khơng ổn định lịng dẫn hở, lưu lượng thay đổi theo khơng gian thời gian Hệ phương trình có dạng sau (Nguyễn Cảnh Cầm, 2006): Trong công thức trên: Q – lưu lượng, w – diện tích mặt cắt ngang, s – tọa độ xác định vị trí KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) mặt cắt, t – thời gian, z – cao độ mực nước, p – áp suất bề mặt, v – lưu tốc dòng chảy, hw – tổn thất cột nước, g – gia tốc trọng trường Nghiên cứu tập trung đánh giá tác động tượng trễ pha dịng chảy lan truyền dịng chảy khơng ổn định (dạng sóng), để đơn giản mà khơng làm giảm tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu, tác giả giả thiết sóng sơng hồ chứa lan truyền nguyên vẹn với tốc độ lan truyền dòng chảy lòng dẫn xác định sau: , đó: c – tốc độ lan truyền sóng giảm áp, g – gia tốc trọng trường, h – độ sâu dòng chảy (Hồ Sĩ Dự, 2003) Giả sử khoảng cách NMTĐ kề L, thời gian chậm pha dòng chảy là: L t  (3) c Có nghĩa sau thời gia Dt kể từ thời điểm NMTĐ phía phát điện dịng chảy tới NMTĐ phía với lưu lượng ban đầu Thực tế vận hành bậc thang NMTĐ ghi nhận tượng tương tự Số liệu vận hành thực tế NMTĐ nhỏ có cột nước thấp có tượng trễ pha dịng chảy bậc thang, có nghĩa dịng chảy sau khỏi hạ lưu nhà máy phía cần khoảng thời gian để tới tuyến nhà máy phía hồ chứa ngập chân Hình thể đường trình vận hành điển hình NMTĐ Bảo Lâm 1, Mơng Ân, Cẩm Thủy 1: - Hình 3a cho thấy, thời điểm 9h30 17h00 NMTĐ Bảo Lâm NMTĐ phía (Bảo Lạc B Bảo Lâm 3A) đồng thời phát điện, sau khoảng 15p lưu lượng đến tuyến NMTĐ Bảo Lâm bắt đầu tăng, sau khoảng 120p lưu lượng đạt đỉnh Tại thời điểm 11h30 20h, nhà máy phía dừng phát điện lưu lượng tới tuyến Bảo Lâm trì khoảng thời gian sau - Hiện tượng tương tự xẩy NMTĐ Mơng Ân (hình 3b) Ngồi thấy khung cao điểm buổi sáng dòng chảy trễ khoảng 15p, cao điểm buổi chiều trễ 30p Như thời gian trễ dòng chảy phụ thuộc vào lưu lượng đến trước sau thời điểm thay đổi cơng suất a) b) c) Hình Hiện tượng trễ pha dòng chảy đến NMTĐ Màu đỏ - lưu lượng đến (giá trị tương đối so với lưu lượng lớn NMTĐ; màu xanh - lưu lượng hạ lưu; màu xanh dương - mực nước hồ chứa a) NMTĐ Bảo Lâm ngày 04/05/2021; b) NMTĐ Mông Ân ngày 07/05/2021; c) NMTĐ Cẩm Thủy ngày 01/05/2020 - Dòng chảy đến NMTĐ Cẩm Thủy (hình 3c) có diễn biến khác biệt so với NMTĐ nêu Ở dòng chảy đến dịng chảy hạ lưu tuyến cơng trình gần lệch pha hoàn toàn Nguyên nhân phía NMTĐ Cẩm Thủy KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) 161 NMTĐ Bá Thước 2, loại NMTĐ vận hành thị trường điện cạnh tranh, có chế khung vận hành hoàn toàn khác biệt 2.3 Ảnh hượng tượng trễ pha dòng chảy nhà máy thủy điện nhỏ, cột nước thấp, làm việc bậc thang Các ví dụ hình phản ánh rõ trình vận hành NMTĐ có tượng lệch pha dịng chảy đến tuyến cơng trình - Khi lưu lượng đến bị trễ, để phát điện tối đa cao điểm mực nước hồ chứa bị giảm xuống nhanh Khi mực nước thượng lưu giảm làm cho suất tiêu hao nước tăng, làm giảm hiệu dự án Sơ thấy hình 3a 3b cột nước phát điện giảm trung bình khoảng 0.2m Trong trường hợp vận hành tối ưu, doanh thu bị giảm khoảng 2% (so sánh cột nước giảm với cột nước tính tốn H tt = 9.2m) Nếu cơng tác vận hành không tốt mức suy giảm doanh thu cịn lớn nhiều - Trên hình 3c, cột nước giảm khoảng 0.5m, tương ứng với 8% doanh thu Ngồi ra, dung tích hữu ích hạn chế, nhà máy phải phát cao điểm với công suất 40%Nlm 2h, trong cao điểm buổi chiều phát công suất lớn Suy giảm doanh thu hạn chế dung tích điều tiết khoảng 19% Tổng mức độ suy giảm doanh thu trường hợp lên tới 27% Như thấy, tượng trễ dịng chảy hưởng lớn đến mức độ hiệu dự án, thể thông qua yếu tố: tăng mức tiêu hao nước suy giảm giá bán điện trung bình Trong quy hoạch, thiết kế, vận hành NMTĐ nhỏ có cột nước thấp cần xem xét kỹ mức độ ảnh hưởng tượng lệch pha dòng chảy tuyến cơng trình 2.4 Tính tốn ảnh hưởng thời gian trễ dòng chảy đến doanh thu NMTĐ nhỏ có cột nước thấp Để đánh giá ảnh hưởng tượng trễ pha dịng chảy đến, chúng tơi thiết lập mơ hình vận 162 NMTĐ vào thời đoạn tuần mùa khô (từ 9h30 thứ tuần đến 9h30 thứ tuần kế tiếp) Giả sử NMTĐ nghiên cứu nằm NMTĐ nhỏ khác, vận hành theo biểu giá chi phí tránh Trong tuần nghiên cứu, NMTĐ phía phát điện khung cao điểm với cấp lưu lượng phát điện 30 ÷ 90% lưu lương lớn NMTĐ nghiên cứu Dòng chảy đến truyền nguyên vẹn đến NMTĐ phía với giải thiết trễ pha từ ÷ 300 phút so với cao điểm Mơ hình dịng chảy đến mơ tả hình 4, q = Q/Qmax lưu lượng tương đối Hình Mơ hình dịng chảy đến điển hình với thời gian trễ 120 phút Ứng với cấp lưu lượng đến khác nhau, phương án gốc chọn phương án khơng có thời gian trễ dòng chảy đến so với cao điểm Doanh thu phương án gốc Boi Với cấp lưu lượng đến, giả thiết thời gian trễ dòng chảy đến so với cao điểm, doanh thu tương ứng phương án giả thiết Bij Doanh thu tương đối phương án thời gian trễ so với phương án gốc bij = Bij/Boi VÍ DỤ TÍNH TỐN MINH HỌA 3.1 Số liệu dùng tính tốn Ví dụ tính tốn áp dụng cho NMTĐ có thông số bảng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) Bảng Các thông số TT Thông số Đơn vị Giá trị MNDBT (m) 120.50 MNC m 119.00 Vhi triệu m3 1.00 Nlm MW 14.00 Hmax m 7.45 Htt m 6.20 Hmin m 5.01 Qmax m3/s 250.00 NMTĐ có cột nước làm việc thay đổi tương đối lớn 2.44m, tương đương với 32% cột nước Hmax Các đặc tính hồ chứa, qua hệ hạ lưu nhà máy đường đặc tính vận hành tua bin thể hình c) Hình Các đặc trưng cơng trình a) Đặc trưng hồ chứa; b) Quan hệ hạ lưu nhà máy; c) Đường đặc tính vận hành tuabin 3.2 Kết tính tốn Kết tính tốn cho phương án Q = 90%Qmax thể bảng Trong đó: t – thời gian trễ dòng chảy đến so với khung cao điểm; B – doang thu tuần; b – doanh thu tương đối; Zmin – mực nước thấp hồ chứa Bảng Mức độ suy giảm doanh thu theo thời gian trễ với Q = 90%Qmax a) b) b TT t (phút) B (triệu đồng) (%) Zmin (m) 10 11 12 30 60 74 90 120 150 180 210 240 270 300 1070.3 993.5 910.2 891.3 838.4 739.4 688.3 636.3 636.3 636.3 636.3 636.3 100.00 92.82 85.04 83.27 78.34 69.08 64.31 59.45 59.45 59.45 59.45 59.45 120.50 119.92 119.29 119.00 119.00 119.00 119.00 119.00 119.00 119.00 119.00 119.00 Bảng thời gian trễ tăng doanh thủ giảm Khi thời gian trễ lớn 74 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) 163 phút tốc độ giảm doanh thu tăng mạnh lúc doanh thu bị giảm đồng thời nguyên nhân: giảm doanh thu tăng mức tiêu hao nước mực nước hồ chứa giảm giảm doanh thu suy giảm giá bán điện trung bình NMTĐ phải phát ngồi cao điểm Điều thể rõ hình so sánh đường trình vận hành trường hợp thời gian trễ 30 120 phút Với thời gian trễ 30 phút doanh thu NMTĐ bị giảm 7.18% mực nước hạ thấp (hình 6a), với thời gian trễ 120 doanh thu giảm 30.92% mực nước hạ thấp NMTĐ phải phát ngồi cao điểm (hình 6b) Khi t ≥ a) 180 phút doanh thu khơng cịn suy giảm với mức thấp lại 59.45% Kết tính tốn cho cấp lưu lượng khác thể hình 7a Sự suy giảm doanh thu (theo %) tăng dần cấp lưu lượng tăng Đường phân chia (nét đứt màu đỏ) giới hạn thời thời gian trễ tối đa ứng với cấp lưu lượng mà NMTĐ khơng phải phát ngồi cao điểm Khi cấp lưu lượng q ≤ 35% hồ chứa có khả điều tiết hồn tồn ứng với cấp thời gian trễ Với thơng số cơng trình nghiên cứu này, đường phân chia thể mức độ suy giảm doanh thu hạn chế khả điều tiết chiếm tỷ trọng lớn b) Hình Quá trình vận hành NMTĐ Qden = 90%Qmax a) Thời gian trễ 30 phút; b) Thời gian trễ 120 phút a) b) Hình Mức độ suy giảm doanh thu xẩy trễ pha dòng chảy a) Phương án tính tốn; b) Khi MNC = 118.0m 164 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) Kết tính tốn cho thấy thời gian trễ dòng chảy tăng lên hiệu ích dự án bị ảnh hưởng lớn Để khảo sát mức độ cải thiện doanh thi tăng khả điều tiết, chúng tơi tính tốn với phương án MNC = 118.0m Kết cho thấy mức độ suy giảm doanh thu cịn lớn (hình 7b), cải thiện ≈ 10% so với phương án MNC = 119.0m Nguyên nhân giảm mực nước xuống sâu thêm mức độ tăng suất tiêu hao nước tăng nhanh nên dù có khả điều tiết tăng mạnh (hơn 150%) mức độ cải thiện không nhiều Đây điểm cần lưu ý quy hoạch, thiết kế vận hành NMTĐ có cột nước thấp bậc thang, tức cần cân đối mức tiêu hao nước khả điều tiết KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết nghiên cứu thấy: - Thời gian trễ pha dịng chảy đến có ảnh hưởng lớn tới hiệu phát điện NMTĐ nhỏ có cột nước thấp Khi tăng khả điều tiết phương án hạ MNC đồng thời làm tăng mức tiêu hao nước nên hiệu không thực lớn - Trong quy hoạch bậc thang thủy điện cần ý đến thời gian trễ dòng chảy NMTĐ đặc điểm vận hành NMTĐ Hạn chế bố trí NMTĐ có đặc điểm q khác (cơng suất chênh lệch lớn, loại hình điều tiết khác biệt, phương thức vận hành khác nhiều) cạnh - Các nhà máy có đặc điểm tương đồng cần bố trí gần đảm bảo thời gian trễ dịng chảy khơng lớn Với NMTĐ nhỏ, cột nước thấp kiến nghị thời gian trễ nhỏ 60 phút Khi bắt buộc thời gian trễ dịng chảy lớn cần xem xét quy định khung cho NMTĐ để nâng cao hiệu hoạt động cho thân NMTĐ toàn hệ thống - Trong thiết kế NMTĐ nhỏ cột nước thấp cần tối ưu MNC thông số khác NMTĐ sở có xét đến thời gian trễ dịng chảy từ bậc thang phía - Phương án vận hành bậc thang nhà máy thủy điện cần xem xét toán vận hành liên hồ chứa có kể đến thời gian trễ dịng chảy đến NMTĐ Trong trường hợp chưa thể tính tốn liên hồ chứa, với thời gian trễ nhỏ, thực phương án vận hành đơn giản kết tính tốn hình 6a: khung cao điểm lưu lượng phát điện NMTĐ tăng dần đến mực nước hồ chứa đạt cực trị lưu lượng giảm dần để đưa mực nước mực nước dự kiến Ngồi ra, với NMTĐ có chủ đầu từ khác nhau, quan quản lý cần có phương án điều phối để hài hịa lợi ích bên nhằm đạt mục tiêu sử dụng có hiệu tài nguyên nước TÀI LIỆU THAM KHẢO Hồ Sĩ Dự nnk (2003), Cơng trình trạm thủy điện, NXB Xây dựng, Hà Nội Nguyễn Cảnh Cầm nnk (2006), Thủy lực (Tập II), NXB Nông nghiệp, Hà Nội Nguyễn Đức Nghĩa (2017) Xây dựng biểu đồ dự trữ điện để đánh giá hiệu phát điện trạm thủy điện nhỏ Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên Trường Đại học Thủy lợi, trang 499-501, Hà Nội Knut Sierotzki (2017) Experiences with the preliminary design guidelines in the design of xayaburi hydroelectric power project MRC Forum on Sustainable Hydropower, Vientiane – Laos Bộ Công thương (2019) Quyết định số 4036/QĐ-BCT ngày 31/12/2019 Ban hành Biểu giá chi phí tránh năm 2020 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) 165 Abstract: STUDY ON INFLUENCES OF RUNOFF DELAY PHENOMENON ON OPERATION EFFICIENCY OF LOW- HEAD SMALL HYDROPOWER STATIONS IN CASCADE HYDROPOWER SYSTEM Operating low – head small hydropower stations in cascade hydropower system has recorded a phenomenon of runoff delay among these stations This phenomenon is the runoff comes to the lower stations of the system unpunctually to generate power as requirement; therefore, it decreases power generation effect of plants Two factors reflect influences of this phenomenon: increasing water consumption rate due to decreasing water level in reservoir and decreasing electricity average price due to generation on low electricity price time In this study, we study influences of the runoff delay time on the income of these stations Hence, some recommendations are proposed in the planning, design, and operation of low – head small hydropower stations in cascade hydropower system Keywords: Cascade hydropower system, Low - head small hydropower station, Runoff delay time, Water consumption rate Ngày nhận bài: 09/6/2021 Ngày chấp nhận đăng: 30/6/2021 166 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) ... tượng trễ pha dòng chảy nhà máy thủy điện nhỏ, cột nước thấp, làm việc bậc thang Các ví dụ hình phản ánh rõ q trình vận hành NMTĐ có tượng lệch pha dòng chảy đến tuyến cơng trình - Khi lưu lượng đến. .. Thực tế vận hành bậc thang NMTĐ ghi nhận tượng tương tự Số liệu vận hành thực tế NMTĐ nhỏ có cột nước thấp có tượng trễ pha dịng chảy bậc thang, có nghĩa dịng chảy sau khỏi hạ lưu nhà máy phía... có xét đến thời gian trễ dịng chảy từ bậc thang phía - Phương án vận hành bậc thang nhà máy thủy điện cần xem xét tốn vận hành liên hồ chứa có kể đến thời gian trễ dòng chảy đến NMTĐ Trong trường

Ngày đăng: 03/10/2021, 16:24

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan