PHẦN V: THIẾT KẾ TUYẾN NĂNG LƯỢNG
1.1. Các công trình chuyển nước vào nhà máy thuỷ điện
1.1.2. Thiết kế đường ống áp lực cho trạm thuỷ điện
1. Chọn tuyến đường ống áp lực.
Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của từng TTĐ mà người ta có thể áp dụng một trong các phương thức dẫn nước sau đây:
a. Trục đường ống vuông góc với nhà máy:
Ưu điểm : + Đường ống không bị uốn cong khi vào nhà máy do đó giảm được chiều dài của đường ống và tổn thất thủylực trong đường ống nhỏ.
+ Nhà máy song song với đường đồng mức vì vậy khối lượng đào đắp nhỏ.
Nhược điểm: khi đường ống đặt hở mà xảy ra sự cố vỡ ống thì rất nguy hiểm cho nhà máy.
Ứng dụng: Dùng rất phổ biến trừ trường hợp cột nước của TTĐ quá cao.
b. Trục đường ống song song với trục nhà máy : Ưu điểm: Nhà máy vận hành an toàn .
Nhược điểm: + Do đường ống bị uốn cong vì vậy làm tăng chiều dài đường ống và tổn thất thuỷ lực.
+Trục nhà máy vuông góc đường đồng mức nên khối lượng đào đắp lớn .
Ứng dụng: cho trường hợp cột nước cao, độ dốc địa hình không lớn lắm.
c. Trục đường ống đặt xiên góc với trục nhà máy: Phương thức này làm tăng kích thước nhà máy, gây khó khăn cho việc bố trí thiết bị do đó phương thức này ít được ứng dụng.
Đối với TTĐ Bản Vẽ do cột nước không lớn lắm (Hmax=75m), mặt khác đường ống bằng thép và được bọc lớp bê tông bên ngoài vì vậy khả năng xảy ra vỡ ống rất nhỏ. Do đó tôi chọn phương thức dẫn nước có trục đường ống vuông góc với nhà máy cho TTĐ Bản Vẽ.
2. Chọn loại đường ống và tính đường kính ống.
+ Hiện nay thường ở các TTĐ thường dùng hai loại đường ống phổ biến là:
ống bê tông và ống thép. Tuy nhiên ống bằng thép có ưu điểm hơn hẳn là: chịu được áp lực nước bên trong cao, kết cấu nhẹ, lượng nước tổn thất bé, độ nhám nhỏ, độ bền lớn … .Vì vậy đối với TTĐ Bản Vẽ tôi chọn đường ống áp lực bằng thép.
+ Tính toán đường kính ống(Dkt):
Ta thấy vốn đầu tư xây dựng cơ bản và chi phí vận hành hằng năm của đường ống dẫn nước tăng theo đường kính ống, song tổn thất thì ngược lại. Vì vậy việc xác định đường kính đường ống áp lực cần căn cứ vào luận chứng kinh tế kỹ thuật. Trong thiết kế sơ bộ do chưa có đầy đủ các tài liệu về chỉ tiêu
thiết kế, do vậy tôi xác định đường kính đường ống áp lực theo công thức kinh nghiệm sau:
Dkt =
Vkt
Q . 785 , 0
max
Trong đó : Qmax - lưu lượng thiết kế lớn nhất trong đường ống áp lực. Đối với phương thức cấp nước độc lập Qmax = Qtm = 136,29 (m3/s).
Vkt - lưu tốc kinh tế trong đường ống áp lực. Đối với ống thép Vkt=(3÷6 m/s).
DKT = (7,6 5,38) )
6 3 .(
785 , 0
29 ,
136 = ÷
÷ (m).
Chọn Dkt = 6 (m).
+ Tính chiều dày thành ống(δ ).
Sơ bộ tính chiều dày thành ống theo tải trọng tác dụng vào ống, chủ yếu là áp lực nước bên trong.
δ = 2.ϕ.H1.ϕ.D2.[ ]σ
γ kt
Trong đó :
γ - trọng lượng riêng của nước, lấy γ = 10 (kN/ m3).
H - cột nước lớn nhất khi có kể đến áp lực nước va: H = Hmax + ∆H
∆H - cột nước do áp lực nước va tạo nên sơ bộ có thể lấy.
∆H = H3max =75,3916=25,3(m).Do đó H = 75,916 + 25,3 =101,216 (m).
Dkt - đường kính đường ống: Dkt = 6(m)
[σ] - ứng suất cho phép của thép, (kN/m2), với thép lấy có CT3 ta có: [σ]=2100(kg/cm2) = 210.103 (kN/m2).
ϕ1 - hệ số hạ thấp ứng suất cho phép, thường lấy ϕ1 = 0,75
ϕ2 – hệ số đường hàn, ϕ2 = 0,9 ÷ 0,95, căn cứ vào kỹ thuật hàn và phương pháp kiểm nghiệm để quyết định.
δ = 2.γ.1..2.[ ] 2.010,75.101.0,9,.216210..6103 21,42.10 3( ) 21,42( )
mm D m
H kt
=
=
= −
σ ϕ ϕ
Mặt khác chiều dày đường ống phải đảm bảo đủ cứng, đủ khả năng chịu áp lực chân không, không bị bóp méo trong quá trình thi công và vận hành. Do đó chiều dày của thành ống phải thoả mãn điều kiện:
δ ≥ 46,2( ) 130
6000
130Dkt mm
=
=
Từ hai điều kiện trên tôi chọn δ = 50 (mm).
3. Chiều dài đường ống áp lực.
Chiều dài đường ống áp lực là đoạn tính từ cửa lấy nước của nhà máy thuỷ điện đến cánh hướng nước của turbin. Trên cơ sở bố trí tuyến năng lượng trên mặt bằng tổng thể, tôi xác định được chiều dài đường ống áp lực là: L = 100 (m), còn chiều dài đường ống đi là 119m.
4. Đoạn chuyển tiếp.
Do đường kính ống dẫn nước áp lực lớn hơn đường kính cửa vào turbin nên phải có đoạn chuyển tiếp và chiều dài đoạn chuyển tiếp được tính theo công thức sau:
Lchuyển tiép = 7.(Dkt – Dcv) = 7.(6 – 4,7) = 9,1(m).
Trong đó : Dkt - Đường kính đường ống dẫn nước áp lực; Dkt = 6(m).
Dcv - Đường kính cửa vào của buồng xoắn; Dcv = 2.ρcv = 4,7(m).
1.1.3. Thiết kế cửa lấy nước cho TTĐ Bản Vẽ.
Cửa lấy nước (CLN) là công trình đầu tiên trên tuyến năng lượng, nó lấy nước trực tiếp từ hồ chứa.
1. Yêu cầu đối với CLN.
+ Cung cấp đủ lưu lượng trong mọi chế độ làm việc của TTĐ và các nhu cầu dùng nước khác.
+ CLN phải có khả năng ngừng cung cấp hoàn toàn lưu lượng khi có sự cố hoặc khi sửa chữa .
+ CLN phải ngăn ngừa được các vật nổi, rác bẩn trôi vào ống dẫn nước hoặc turbin.
+ CLN phải đảm bảo điều kiện bền và điều kiện ổn định . 2. Chọn hình thức cửa lấy nước.
Theo chế độ dòng chảy trong cửa lấy nước ta có hai hình thức cửa lấy nước.
- CLN có áp: dòng chảy trong nó không có mặt thoáng, phạm vi ứng dụng của nó là không hạn chế, đặc biệt nó được ứng dụng trong trường hợp mực nước thượng lưu thay đổi nhiều.
- CLN không áp: được ứng dụng trong trường hợp mực nước thượng lưu thay đổi ít.
Theo vị trí làm việc của cửa lấy nước ta có hai hình thức cửa lấy nước.
- CLN kiểu bên bờ . - CLN kiểu đập.
Đối với TTĐ Bản Vẽdo mực nước thượng lưu thay đổi lớn (127 m ÷ 145 m), cửa lấy nước bố trí trong đập. Do đó tôi chọn hình thức cửa lấy nước có áp, kiểu đập.
3. Các thiết bị bố trí trong cửa lấy nước.
Các thiết bị bố trí trên cửa lấy nước bao gồm; Lưới chắn rác (LCR ), cửa van, thiết bị nâng chuyển, ống thông hơi, ống cân bằng áp lực.
a. Lưới chắn rác. (LCR).
Tác dụng của lưới chắn rác là tránh không cho các vật nổi, rác bẩn trôi vào nhà máy thuỷ điện. LCR có cấu tạo là dạng hệ khung kim loại trên đó có các thanh lưới bố trí dọc. Để giảm bớt sự cản trở của các thanh lưới tới dòng chảy ta chọn thanh lưới có mặt cắt ngang dạng hình lưu tuyến. Khoảng cách giữa các thanh lưới phụ thuộc loại turbin sử dụng trong nhà máy thủy điện, với trạm thủy điện Bản Vẽ sử dụng turbin PO nên khoảng cách giữa hai thanh lưới được xác định như sau.
33 , 30 13 400 30
1 = =
= D
b (cm). Với b = (3÷10)cm.
Chọn b = 10(cm)., và các thanh lưới tiết diện tròn với φ = 1 (cm)
b. Thiết bị vớt rác trên lưới.
Việc dọn rác bẩn trên lưới chắn rác nhờ các thiết bị chuyên dụng. Các thiết bị này được bố trí trên cầu trục sử dụng chung cho toàn bộ cửa lấy nước.
c. Cửa van.
Cửa lấy nước của TTĐ Bản Vẽ được bố trí hai cửa van: van công tác và van sửa chữa.
Van sửa chữa luôn đặt trước van công tác, có nhiệm vụ đóng không cho nước vào đường ống của nhà máy thuỷ điện khi có yêu cầu sửa chữa tổ máy hoặc van công tác. Van sửa chữa đóng khi nước đứng yên (van công tác đã chặn nước đóng trước).
Cấu tạo: là van phẳng, vật liệu làm van là thép.
Van công tác dùng để đóng không cho nước chảy vào đường ống trong các trường hợp khi có yêu cầu sửa chữa hay bị sự cố. Trong quá trình vận hành của nhà máy thuỷ điện, van công tác luôn ở trong tư thế sẵn sàng làm việc.
Cấu tạo: là van phẳng làm bằng thép.
d. Thiết bị nâng chuyển.
Để phục vụ cho việc đóng mở, thao tác tháo lắp các van và lưới chắn rác cũng như việc vớt rác bẩn trên lưới chắn rác ta bố trí cần trục chân dê để phục vụ chung cho toàn bộ các cửa lấy nước của TTĐ Bản Vẽ.
e. Ống thông khí .
Ống thông khí có nhiệm vụ làm giảm bớt áp lực chân không trong đường ống khi đóng van công tác hoặc tháo cạn nước trong đường ống áp lực. Cao trình miệng ống phải bố trí sao cho không bị ngập và phải bố trí lưới hoặc nắp đậy để tránh đất đá rơi vào trong ống. Tiết diện đường ống thông khí được xác định theo công thức sau: FK =
k k
V Q
Trong đó:
• Qk - Lưu lượng không khí, nó phụ thuộc vào cách đặt đường ống áp lực: Với đường ống đướng ống áp lực đặt trong đập bê tông thì có thể lấy bằng lưu lượng lớn nhất qua tổ máy, Qk = Qtm = 136,29 (m3/s).
• Vk - Vận tốc không khí trong ống thông khí, thường Vk=(25÷50) (m/s). Chọn Vk= 40 (m/s).
⇒ Fk = 3,41( ) 40
29 ,
136 2
= m
Đường kính ống thông khí: 2,08( ).
14 . 3
41 , 3
* 4 .
4F m
Dk = k = = π
Vậy chọn Dk = 2,10 (m).
f. Ống cân bằng áp lực.
Ống cân bằng áp lực có nhiệm vụ tạo nên sự cân bằng về áp lực nước trước và sau van công tác, để giảm nhẹ lực nâng và tránh được những chấn động khi mở, bằng cách dẫn nước từ thượng lưu vào đầy đường ống áp lực trước khi mở cửa van. Ống cân bằng áp lực được bố trí trong thân trụ pin.
g. Tường ngực.
Tường ngực chịu toàn bộ áp lực nước tác dụng vào CLN và truyền vào đất đá sau CLN.
Cấu tạo: là khối bê tông cốt thép có chiều dày lớn.
h. Tường chắn vật nổi.
Tác dụng: ngăn không cho vật nổi trôi vào đường dẫn trên lưới chắn rác.
Làm giảm kích thước lưới chắn rác đồng thời tạo nên kết cấu giằng làm tăng độ cứng của toàn bộ CLN.
Cấu tạo: là tấm bê tông cốt thép có chiều dày đủ chịu áp lực nước và sự va đập của vât nổi.
Kích thước và kết cấu tông bộ phận của CLN được thể hiện trong các bản vẽ.
4. Tính toán cửa lấy nước.
a. Xác định vận tốc dòng chảy trước CLN.
Vận tốc trước lưới chắn rác phụ thuộc vào độ ngập sâu của CLN so với MNDBT, độ bẩn của dòng chảy và phương thức vớt rác trên LCR. Nếu vận tốc càng lớn thì áp lực thuỷ động tác dụng lên lưới chắn rác càng lớn thì càng khó vớt rác do đó:
+ Nếu độ ngập sâu ≤ 25(m) và thường xuyên vớt rác trong quá trình vận hành thì: v= (1÷1,2) m/s.
+ Nếu độ ngập sâu >25(m), tiến hành vớt rác thường xuyên thì: v
=(0,6÷0,8)m/s.
+ Nếu độ ngập sâu quá lớn, và không thể tiến hành vớt rác thường xuyên thì: v = (0,3÷0,5) m/s.
Với TTĐ Bản Vẽ có MNDBT - MNC = 18 m, độ ngập sâu < 20÷25(m) và tiến hành vớt rác thường xuyên do đó tôi chọn vận tốc trước lưới chắn rác là v
= 1,2 (m/s).
b. Xác định kích thước cửa vào của CLN.
Diện tích cửa vào CLN có dạng hình chữ nhật và được xác định theo biểu thức:
F=Qvtm =1361,2,29=113,575 (m2).
Với F =113,575 (m2) tôi chọn kích thước cửa vào CLN là: bxh = 15,5x7,5 (m2).
c. Xác định cao trình trần và ngưỡng CLN.
Cao trình trần CLN (∇CLNT ) được xác định theo công thức sau:
1 CLN
T =MNC−h
∇
Trong đó : h1 là khoảng cách từ MNC tới trần CLN để tránh tạo nước xoáy và không khí lọt vào trong đường ống: h1= (1÷2) (m); chọn h1 = 1(m).
1 127−
=
∇CLNT = 126 (m).
Cao trình ngưỡng CLN (∇CLNN ):
CLN h
T CLN
N =∇ −
∇
Trong đó : h chiều cao cửa vào CLN; h = 8,5 (m).
=
∇CLNN 126-7,5 = 118,5 (m).
Kiểm tra cao trình ngưỡng CLN theo điều kiện bùn cát ta có:
( CLN bc
N −Z
∇ ) = (118,5- 117,25) = 1,25(m).
Vậy bùn cát không lọt vào trong cửa lấy nước.
d. Hình dạng cửa lấy nước.
- Xác định hình dạng cửa vào CLN:
Phương trình của trần CLN có dạng:
) 1 ' 1 ( '
' '
'
2 2
2 2
2 =
+ −
ε a
Y a
X
Phương trình của ngưỡng CLN có dạng:
) 1
"
1 (
"
"
"
"
2 2
2 2
2 =
+ −
ε a
Y a
X
Trong đó:
ε: Hệ số co hẹp dòng chảy theo phương thẳng đứng.
acv: Bán trục dài của elip.
- Cao trình tuyến phân chia dòng chảy:
∇pc = MNDBT – ht' ht' = ht – ht"
( )
" .
h h
h h P
t t
t = −
ht: Chiều sâu nước trước cửa nước vào.
ht = MNDBT – ∇Đáy = 145 – 105 = 40m.
∇Đáy – là cao trình đáy tại vị trí cửa lấy nước. ∇Đáy = 105m.
P: Chiều cao ngưỡng cửa lấy nước, P = ∇n – ∇Đáy = 118,50 – 105 = 13,50 m.
Với ∇n: Cao trình ngưỡng cửa lấy nước, ∇n = 118,50 m.
h: Chiều cao đường ống, h = 6 m.
⇒ 15,88
6) (40 13,50.40 h)
(h
" P.h h
t t
t =
= −
= − m.
⇒ ht' = ht – ht" = 40 – 15,88 = 24,12 m.
⇒ ∇pc = MNDBT – ht' = 145 – 24,12 = 120,88 m.
- Các thông số kích thước cửa vào:
ε'.a' = ∇n + h – ∇pc = 118,50 + 6 – 120,88 = 3,62 m.
a' = ∇Tr – ∇pc = 126 – 120,88 = 5,12 m.
⇒ ., 35,,1262 0,71 ,
, = , = =
a ε a ε
ε".a" = ∇pc – ∇n = 120,88 – 118,5 = 2,38 m. Mặt khác:
ε"=0,57+1,10,043−η", η" ha""
t
=
⇒ ε".a" =
,, ,, ).
88 , 1 15 , 1
043 , 57 0 , 0
( a
− a
+ = 2,27. Giải phương trình, ta được:
a1,,= a2,, = 6,68 m. ⇒ 0,356 68
, 6
38 , 2 .
,, ,,
,, = ,, = =
a ε a ε
Vậy phương trình cửa lấy nước có dạng:
+ Ngưỡng trên: Xa' (1 Y')2a'2 1
2 2
2 =
ε
+ − ⇔ 5,23 (1 0,71)2.5,232 1 2
2
2 =
+ − Y X
1 50 , 1 23 ,
5 2
2 2
2 + Y =
X
+ Ngưỡng dưới: aX" (1 Y")2a"2 1
2 2
2 =
ε
+ − ⇔ 6,68 (1 0,356)2.6,682 1 2
2
2 =
+ − Y X
1 5 , 18 68 ,
6 2
2 2
2 + Y =
X
e. Tính toán tổn thất thuỷ lực qua CLN :
(Tính theo sổ tay kỹ thuật thuỷ lợi “ phần II công trình trên tuyến năng lượng và thiết bị thuỷ điện -Tập 6- Chương 1)
- Tổn thất thuỷ lực qua tường ngực.
∆ht = ξt. g V
2
2
Với ξt = 0,8
2
1
−ξ ξ
ξ: độ sâu tương đối của tường ngực đối với chiều sâu cửa lấy nước Do độ ngập sâu của tường ngực thay đổi nên ta không xác định được chính xác độ ngập sâu tương đối của tường ngực. Sơ bộ có thể lấy ξt = 0,05 ứng với độ ngập sâu ξ= 0,2
- Tổn thất thủy lực qua lưới chắn rác.
Tổn thất qua lưới chắn rác tính theo công thức:
∆hl = g V
l 2
ξ 2 , Với ξ β sinα
3 / 4
= l S
l
Trong đó:
V: Vận tốc dòng chảy trước lưới
α : góc nghiêng đặt lưới so với mặt phẳng ngang, lấy α = 900 S: chiều dầy mỗi thanh lưới, lấy s = 1(cm)
l : khoảng cách giữa hai thanh lưới, l = 10 (cm)
β : hệ số phụ thuộc hình dạng thanh lưới, lấy theo bảng 1-1 và hình 1- 21
Chọn hình dạng thanh lưới tròn 2 đầu như hình c-121 Tra bảng 1-1 ta được β = 1,67
→ 4/3sin900 10
. 1 67 ,
1
=
ξl = 0,078
- Tổn thất thủy lực qua cửa van.
∆hv = g 2 V2 ξv
Trong đó:
V : Vận tốc tại mặt cắt cửa van, lấy bằng vận tốc trước LCR ξv : hệ số tổn thất cửa van, Chọn cửa van phẳng→ξV = 0,25 - Tổn thất thủy lực ở các khe đặt cửa van.
∆hk =
g V e l g
V
k k
k 0,027 2
2
2 2 =
ξ Với
k k
k e
027l ,
=0 ξ Trong đó:
V: vận tốc dòng chảy ở mặt cắt trước khe van,lấy bằng vận tốc dòng chảy trước LCR
lk, ek: chiều rộng và chiều sâu khe cửa van Sơ bộ chọn lk = 0,6 (m); ek = 0,5 (m)
→ ξk = 0,027.00,,56 = 0,0324
- Tổn thất thuỷ lực đoạn đường dẫn có mặt cắt thay đổi liên tục (đoạn sau lưới chắn rác đến mặt cắt đường hầm dẫn nước).
Tổn thất thuỷ lực tính theo tổn thất dọc đường:
∆hd = Σ∆hdi = Σξdi
2
Vi
2g ξdi = λ i
i i
l 4F /χ Trong đó:
λ: hệ số tổn thất của đoạn đường hầm, phụ thuộc độ nhám thành.
Xác định theo công thức:
2
8g λ = C Theo maninh: C= 1/ 6 i 1/ 6
i
1 1 F
.R .( )
n = n
χ , với n = 0,015
→ ξdi = 4/3
2
) ( 4
. . 8
i i
i
F l n g
χ
li, Fi, χi: chiều dài, diện tích và chu vi ướt của đoạn đường dẫn i.
F1 =(7,5.15,5+6.6)/2 = 76,13 (m2), χ1 = 35(m). l1 = 12 (m) F2 =
4 6 . 14 ,
3 2
= 28,26 (m2) ,χ2 = 3,14.6 = 18,84 (m). l2 = 8 (m)
→ Σξdi = 4/3 2
35 ) 13 , (76 4
12 . 015 , 0 . 81 , 9 . 8
+ 4/3
2
84) , 18
26 , (28 4
8 . 015 , 0 . 81 , 9 . 8
= 0,04
⇒ Tổng các hệ số tổn thất là:
∑ξ = ξt+ξl+2.ξv+2.ξK+∑ξdi = 0,05+0,078 +2.0,25+2.0,0324 +0,04 = 0,733
⇒ Tổn thất cột nước qua CLN là: hCLN = 0,733.
81 , 9 . 2
2 , 1 2
= 0,054 (m)