PHẦN V: THIẾT KẾ TUYẾN NĂNG LƯỢNG
1.2. Công trình chuyển nước từ nhà máy thuỷ điện xuống hạ lưu
Kênh xả ra của nhà máy thuỷ điện đi từ cửa ra của nhà máy thuỷ điện chạy xiên về phía hạ lưu để nối với sông Cả. Đáy kênh xả trong đoạn đầu giáp với nhà máy thuỷ điện có độ dốc ngược 1:5, kênh có mặt cắt hình thang.
Bên bờ trái kênh bố trí tường chạy dọc nối từ đầu hồi nhà máy để tránh dao động mực nước hạ lưu khi nhà máy thuỷ điện làm việc trong mùa xả nước thừa.
CHƯƠNG 2 : TÍNH TOÁN NƯỚC VA TRONG ĐƯỜNG ỐNG ÁP LỰC 2.1. Khái niệm.
Nước va là sự thay đổi áp lực trong đường ống dẫn nước có áp do kết quả của việc thay đổi lưu tốc hay nói cách khác là biến đổi lưu lượng. Trị số nước va được đánh giá là trị số gia tăng hoặc suy giảm cột nước tại các tiết diện đường ống. Sự ảnh hưởng của nước va trong quá trình chuyển tiếp của TTĐ đối với các bộ phận công trình và chế độ điều chỉnh trong thiết kế và trong quá trình vận hành là rất lớn.
2.2. Nguyên nhân.
Nguyên nhân vật lý của sự tăng hay giảm áp lực là do lực quán tính của khối nước đang chảy trong ống. Khi ta đóng cánh hướng nước của turbin, lưu lượng và lưu tốc của dòng chảy trong ống sẽ giảm dần do đó sinh ra lực quán tính. Theo định lý Đalămbe thì hướng của lực quán tính là hướng ngược chiều của gia tốc, vì vậy khi tốc độ dòng chảy giảm đi hướng của lực quán tính cùng hướng với lưu tốc, do đó làm tăng thêm áp lực trong ống dẫn gọi là nước va dương.
Ngược lại, khi mở cánh hướng nước chuyển động dòng chảy trong ống trở thành chuyển động nhanh dần lực quán tính đổi thành hướng ngược chiều với dòng chảy vì vậy trong ống phía trước cửa van có hiện tượng giảm áp lực gọi là nước va âm.
2.3. Mục đích của việc tính toán nước va.
Mục đích của việc tính toán áp lực nước va dương là để xác định trị số áp lực lớn nhất để kiểm tra khả năng chịu lực của đường ống.
Mục đích của việc tính toán áp lực nước va âm là để kiểm tra cao trình tuyến đường ống xem có khả năng xảy ra áp suất chân không trong đường ống hay không.
2.4. Tính toán áp lực nước va.
2.4.1. Tốc độ truyền sóng nước va và pha nước va.
a. Tốc độ truyền sóng áp lực nước va (C): phụ thuộc vào tính đàn hồi, tính đồng chất của vật liệu làm ống và của bản thân chất lỏng. Tốc độ truyền sóng được xác định theo công thức tổng quát của I.E. Jucốpki.
C =
δ ε
. E
D 1 .
C0 + Trong đó:
• Co: Tốc độ truyền sóng âm thanh trong nước.
C0 =
0
. γ
ε g =
1 21000 . 81 ,
9 = 1435 (m/s).
g: Gia tốc trọng trường.
γ0: Trọng lượng riêng của chất lỏng.
• ε: Môđun đàn hồi của nước; ε = 2,1.104 (kg/cm2 ).
• E: Môđun đàn hồi của ống thép; E = 2,1.106 (kg/cm2).
• δ: Chiều dày thành ống; δ = 50 (mm) = 5.10 -2 (m).
• D: Đường kính trong của đường ống áp lực D = DKT = 6(m).
⇒ C = 967,48(m/s)
10 . 5 . 10 . 1 , 2
6 . 10 . 1 , 1 2
1435
2 6
4 =
+ − .
b. Tính toán pha nước va (tf).
Khoảng thời gian truyền sóng áp lực nước va kể từ khi xuất hiện truyền tới hồ chứa và phản hồi lại cơ cấu điều chỉnh gọi là pha nước va ( tf ).
tf = ( )s
C
L 0,25 48
, 967
119 . 2 .
2 = =
Mặt khác thời gian cần để đóng mở bộ phận hướng nước của turbin cỡ trung bình và lớn là Ts = (3 ÷ 10) (s). Với TTĐ Bản Vẽ tôi lấy Ts = 8 (s).
Ta thấy Ts = 8 (s) > tf = 0,25 (s). Như vậy trong đường ống xảy ra nước va gián tiếp.
2.4.2. Tính toán nước va dương.
Với mục đích tính toán là kiểm tra khả năng chịu lực của đường ống, vì vậy phải tìm được tổ hợp tính toán sao cho áp lực tác dụng lên đường ống là lớn nhất. Do đó tôi tính toán cho hai tổ hợp là cột nước tính toán và cột nước lớn nhất để chọn tổ hợp bất lợi nhất là tổ máy thứ nhất đang làm việc bình thường thì đột ngột cắt tải tổ máy thứ hai.
a. Trường hợp 1:
• Cột nước tĩnh H = Hmax = 75,916 (m).
• Lưu lượng lớn nhất chảy qua đường ống là:
QH max= Q’1M Hmax . D12 . Hmax = 0,7917.42. 75,916 = 109,7 (m3/s).
• Độ mở lớn nhất của cánh hướng nước là: a0 H max = 22.
• Độ mở tương đối ban đầu của cánh hướng nước:
τđ =
max max
max 0
max 0
H H Q
Q a
a H o tt
=
=
Qo = QoHmax = max
max
.Q H
Htt
⇒ τđ = Hmax
Htt
=7559,,916317=0,8
• Độ mở tương đối cuối của cánh hướng nước: τc = 0.
• Nếu ta coi quá trình đóng cánh hướng nước là đường thẳng, thì thời gian để đóng hoàn toàn cánh hướng nước từ độ mở tương đối ban đầu τđ = 0,8 đến τc = 0 là Ts’ = τđ.Ts = 0,8.8 = 6,4 (s).
Xác định chỉ số đặc trưng thứ nhất của đường ống:
à =
max max H
H . g . 2
V .
C = 2967.9,81,48.75.3,,91688 = 2,55 Xác định chỉ số đặc trưng thứ hai của đường ống:
σ = , s max
max H
T . H . g
V .
L =9,81119.75.,3916,88.6,4= 0,098
Trong đó: VH max-Lưu tốc lớn nhất trong đường ống ứng với trường hợp H = Hmax = 75,916(m).
VH max = 4. 2 43,.14109.6,72 3,88( / )
max m s
D Q
kt
H = =
π
Ta thấy à.τđ = 2,55.0,8 = 2,04 > 1; Như vậy với trường hợp này xảy ra nước va pha giới hạn ξ1 < ξm. Độ tăng tương đối áp lực nước va dương lớn nhất tại cuối đường ống trong trường hợp này là:
ξmax = σ2(σ+ σ2 +4)=0,0982 (0,098+ 0,0982+4)=0,103
Trị số áp lực nước va dương lớn nhất tại cuối đường ống trong trường hợp này là:
∆H = ξmax.Hmax = 0,103.75,916 = 7,82 (m).
Cột nước lớn nhất tại cuối đường ống trong trường hợp này là:
H = Hmax+ξmax.Hmax = 75,916 + 0,103.75,916 = 83,736 (m).
b. Trường hợp 2:
• Cột nước tĩnh H = Htt = 59,317 (m).
• Lưu lượng lớn nhất chảy qua đường ống là Q max= 136,29 (m3/s).
• Độ mở lớn nhất của cánh hướng nước là: a0 max = 34.
• Độ mở tương đối ban đầu của cánh hướng nước : τđ = 1.
• Độ mở tương đối cuối của cánh hướng nước : τc = 0.
• Thời gian để đóng hoàn toàn cánh hướng nước từ độ mở tương đối ban đầu τđ = 1 đến τc = 0 là Ts = 8 (s).
Xác định chỉ số đặc trưng thứ nhất của đường ống : à =
tt max
H . g . 2
V .
C =
317 , 59 . 81 , 9 . 2
82 , 4 . 48 ,
967 = 3,986
Xác định chỉ số đặc trưng thứ hai của đường ống:
σ =
s tt
max
T . H . g
V .
L =9,81119.59.4,317,82.8= 0,123 Trong đó : Vmax- Lưu tốc lớn nhất trong đường ống .
Vmax = 4. 2 43.136,14.6,292 4,82( / )
max m s
D Q
kt
= π =
Ta thấy à.τđ = 3,986.1= 3,986 > 1; Như vậy với trường hợp này xảy ra nước va pha giới hạn ξ1 < ξm. Độ tăng tương đối áp lực nước va dương lớn nhất tại cuối đường ống trong trường hợp này là:
ξmax = σ2(σ + σ2 +4)=0,1232 (0,123+ 0,1232 +4)=0,131
Trị số áp lực nước va dương lớn nhất tại cuối đường ống trong trường hợp này là:
∆H = ξmax.Htt = 0,131.59,317 = 7,77 (m).
Cột nước lớn nhất tại cuối đường ống trong trường hợp này là:
H = Htt + ξmax.Htt = 59,317 + 7,77 = 67,087 (m).
Qua tính toán ta thấy trường hợp 1 là trường hợp bất lợi nhất. Khi đó cột nước lớn nhất tại cuối đường ống là : 83,736 (m).
c. Phân bố áp lực nước va dương: Với mục đích đơn giản trong tính toán và tăng thêm an toàn đối với đường ống người ta coi phân bố áp lực nước va dương theo quy luật đường thẳng và bỏ qua mọi tổn thất thuỷ lực.
d. Kiểm tra khả năng chịu lực của đường ống: ta chỉ cần kiểm tra cho tiết diện cuối của đường ống (tiết diện nguy hiểm nhất). Theo điều kiện này thì chiều dày đường ống phải là :
δtt = 2.γ.1..2.[ ] 210.0,.7583.,0736,9.210.6 17,5( )
D mm H kt
= σ =
ϕ
ϕ < δ = 50 (mm)
Vậy chiều dày đường ống đảm bảo làm việc an toàn trong mọi trường hợp.
2.4.3. Tính toán nước va âm .
Mục đích xác định ALNV âm là xác định đường đo áp trong đường hầm để kiểm tra khả năng xuất hiện áp suất chân không trong đường hầm. Để đơn giản trong tính toán ta xác định trị số ALNV âm lớn nhất tại cuối đường dẫn và phân bố chúng theo quy luật đường thẳng.
a. Trường hợp tính toán:
• Tổ máy thứ nhất đang làm việc bình thường, ta tăng tải đột ngột tổ máy thứ 2.
• Mực nước thượng lưu là MNC = 127(m).
• Cột nước tĩnh H = Hmin = 49,876 (m).
• Lưu lượng lớn nhất chảy qua đường ống là:
QH min= Q1’.D12. Hmin = 1,106.42. 49,876 = 124,97(m3/s).
• Độ mở lớn nhất của cánh hướng nước là: a0 max = 34.
• Độ mở tương đối ban đầu của cánh hướng nước : τđ = 0.
• Độ mở tương đối cuối của cánh hướng nước : τc = 1.
• Thời gian để mở hoàn toàn cánh hướng nước từ độ mở tương đối ban đầu τđ =0 đến τc = 1 là Ts = 8 (s).
Xác định chỉ số đặc trưng thứ nhất của đường ống : à =
min min H
H . g . 2
V .
C = 2967.9,81,48.49.4,,87636 = 4,433
Xác định chỉ số đặc trưng thứ hai của đường ống:
σ =
s min
min H
T . H . g
V .
L =9,81119.49.4,876,36.8= 0,136 Trong đó : VH min- Lưu tốc lớn nhất trong đường ống .
VH min = 4. 2 43.,12414.6,972 4,36( / )
min m s
D Q
kt
H = =
π
Ta thấy à.τđ = 4,433.0 = 0 < 1; Như vậy với trường hợp này xảy ra nước va pha thứ nhất ξ1 > ξm. Độ tăng tương đối áp lực nước va âm lớn nhất tại cuối đường ống trong trường hợp này là:
ξmax = 2à.(τd +à.τ21) (− τd +à.τ12) (2 − τ2o −τ12)
Trong đó: τ1 - độ mở tương đối của cánh hướng nước ở cuối pha thứ nhất . τ1 = = 0,827 =0,034
s f
T
t , τ0 = τd = 0 Thay số vào công thức ta có:
ξmax = 2.4,433.(0+4,433.0,0342) (− 0+4,433.0,0342) (2 − 02 −0,0342)
ξmax = - 0,259
Trị số áp lực nước va âm lớn nhất tại cuối đường ống là:
∆H = ξmax.Hmin = - 0,259.49,876 = - 12,92 (m).
b. Phân bố áp lực nước va âm :
Đối với nước va âm trong trường hợp này là nước va pha thứ nhất do đó quy luật phõn bố ỏp lực nước va theo đường cong lừm. Nhưng để đơn giản và dễ vẽ ta coi nó phân bố theo quy luật đường thẳng và đặt dưới đường phân bố tổn thất thuỷ lực. Tổn thất thuỷ lực này tính với lưu lượng tương ứng với độ mở cuối cùng.
c. Tính toán tổn thất thuỷ lực:
Khi tính toán nước va âm thì độ mở cuối cùng của cánh hướng nước là a0max=34, do đó lưu lượng và vận tốc chảy trong đường ống ứng với độ mở này là Q = 123,24(m3/s); v = 4,36(m/s). Tổn thất trong đường ống bao gồm tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ tại các vị trí thay đổi hình dạng hoặc đổi hướng và qua lưới chắn rác được tính với lưu lượng và vận tốc này.
Công thức chung để tính toán tổn thất: htt = ∑hdd +∑hcb Trong đó:
• ∑hdd : Tổn thất dọc đường theo chiều dài dòng chảy.
• ∑hcb: Tổn thất cục bộ tại các chỗ thay đổi hình dạng ống.
+ Xác định tổn thất dọc đường ∑hd d
Σhdd = D.L.2V.g
2
kt
λ =
81 , 9 . 2
36 , .4 6
119 . 0093 ,
0 2
= 0,18 (m) Trong đó: L - chiều dài ống áp lực; L = 119 (m).
Dkt - đường kính đường ống áp lực; Dkt = 6 (m).
V - vận tốc trong đường ống; V = 4,36 (m/s).
g - gia tốc trọng trường; g = 9,81 (m/s2).
λ - hệ số đặc trưng đường ống thép. Vì vận tốc trong đường ống v = 4,36(m/s) > vgh = 2,1(m/s) do đó dòng chảy trong đường ống nằm trong khu sức cản bình phương. Theo Ni-cu-rat-sơ ta có :
14 , D 1 lg .
1 2 kt +
= ∆ λ
⇒
2
kt 1,14 lgD
. 2
1
∆ +
=
λ =
2
14 , 15 1 , 0 lg6000 . 2
1
+ = 0,0093
∆ - độ nhám tuyệt đối của thành ống, lấy với ống thếp cũ: ∆= 0,15 + Xác định tổng tổn thất thuỷ lực cục bộ ∑hcb
• Tổn thất cửa vào đường ống . h1 = ξ1.
g . V 2
2
= 0,194( ) 81
, 9 . 2
36 , .4 2 ,
0 2 = m
• Tổn thất qua lưới chắn rác: Dựa vào công thức (4-82) trang 49 Sổ tay tính toán thuỷ lực ta có:
g v d
h S
.2 sin .
2 1 3
/ 4
2 β α
= = =
81 , 9 . 2
2 , . 1 90 sin 1 .
, 0
1 , . 0 15 ,
0 2
3 / 4
o 0,011 (m).
Trong đó: S – chiều dày lớn nhất của thanh lưới; chọn S = 0,1(m).
d – khoảng cách giữa hai thanh lưới; d = 0,10 (m).
β - hệ số phụ thuộc hình dạng thanh lưới; β = 0,15.
α - góc nghiêng của lưới so với phương nằm ngang; α= 90o. V1 – vận tốc trung bình trên lưới chắn rác; V1= 1,2 (m/s).
• Tổn thất qua khe van, phai:
039 , 81 0 , 9 . 2
36 , .4 02 , 0 . 2 2 . . 2
2 2
3
3 = = =
g
h ξ v (m).
• Tổn thất qua khuỷu cong: Do đường dẫn của TTĐ Bản Vẽ có hai đoạn khuỷu cong do đó tổn thất:
291 , 81 0 , 9 . 2
36 , .4 15 , 0 . . 2 .2 .
2 4 2 2
4 = = =
g
h ξ v (m).
• Tổn thất qua đoạn nối tiếp đường ống áp lực vào buồng xoắn Turbin:
115 , 81 0 , 9 . 2
5 , . 7 04 , . 0
.2 2
2 5
5 = = =
g
h ξ Vcv (m).
Trong đó: Vcv - lưu tốc tại cửa vào của buồng xoắn; Vcv = 7,5 (m/s).
⇒ Tổng tổn thất cục bộ trong đường ống là:
∑hcb = h1 +h2 +h3 +h4 +h5
= 0,194 + 0,011 + 0,039 + 0,291 + 0,115 = 0,65(m).
+ Xác định tổng tổn thất thuỷ lực trên đường ống.
htt = ∑hdđ +∑hcb = 0,18 + 0,65 = 0,83 (m).
d. Kiểm tra cao trình đặt tuyến đường ống:
Sau khi tính toán áp lực nước va âm và tổn thất trên đường ống ta xây dựng được đường đo áp thấp nhất. Kiểm tra thấy cao trình đặt ống nằm dưới đường đo áp thấp nhất. Vậy trong đường ống không suất hiện áp suất chân không trong khi làm việc.
Sinh viên: Trịnh Hoài Nam Lớp 48Đ1
360.3208 604.3 773
831256
1046.7
360.3208 ..7 7731046.7
10000
3202.5 4200 2597.5
MNDBT = 145m MNC = 127m
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 125 Ngành:Công trình Thủy Điện
Biểu đồ phân bố áp lực nước va.
604.3604..7