Giáo trình Thủy năng-Thủy điện - Chương 2: Tài nguyên nước và quy hoạch khai thác - Nguyễn Thống

ai thác năng lượng nước. Chương 4 : Điều tiết hồ chứa thuỷ điện. Chương 5 : Đập dâng & cơng trình tháo lũ. Chương 6 : Cơng trình lấy nước và dẫn nước. Chương 7 : Tháp (giếng) điều áp. Chương 8 : Đường ống áp lực & hiện tượng nước va. Chương 9 : Nhà máy Thuỷ điện. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 3 TÀI NGUYÊN NƯỚC & KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG 1. TÀI NGUYÊN NƯỚC - Địa hình. - Thuỷ văn. 2. HẠNG MỤC CƠNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN - Mơ tả tổng quát. - Tính chất cơ bản. - Năng lượng. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 4 LƯU VỰC (km2) (tỷ lệ 1/50000) GIỚI HẠN MỘT LƯU VỰC Đường dốc nhất Nối đỉnh S s1 Tiểu lưu vực TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN I. ĐỊA HÌNH Ranh giới lưu vực đến v/trí S PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 5 LƯU VỰC: Diện tích thu nước rơi về đến một vị trí thốt nước S - Giới hạn bởi các đường nối đỉnh địa hình, đường cĩ độ dốc lớn nhất tại vị trí nối điểm thốt nước. - Diện tích Sb gia tăng khi vị trí S di chuyển về hạ lưu. - Sb được xác định từ bản đồ cĩ tỷ lệ 1/50000  1/200000. - Đơn vị sử dụng km2 :  Lưu vực bé : Sb<10-50 km 2  Lưu vực trung bình : 10-50km2 <Sb<800-1000 km 2  Lưu vực lớn : Sb>1000 km 2 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 6 TRẮC DỌC DỊNG CHẢY : Đường trung vị C của mặt thống tự do với lưu lượng Q cho. Z S 0 m S z M(s,z) C C s Độ dốc i=dz/dS (m/km) (0.1  50) Phổ biến độ dốc giảm khi về hạ lưu 2 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 7 THUỶ VĂN Nghiên cứu về nước trong thiên nhiên về các yếu tố: cường độ, phân bố, chu kỳ (trên mặt đất và dưới đất)  Cường độ mưa (mm/h, l/s/ha). Thấm vào đất.  Bốc hơi. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 8  Lưu lượng Q: thể tích nước đi ngang qua một diện tích ướt trong đơn vị thời gian (s).  Lưu lượng trung bình ngày: Thể tích nước 24h / 86400.  Lưu lượng trung bình tháng: Thể tích nước tháng/Thời gian tháng.  Module dịng chảy qm(l/s/km 2) qm=Q0/Sb (Q0: lưu lượng trung bình năm lưu vực, Sb diện tích lưu vực) PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 9 Ví dụ vùng Vu Gia-Thu Bồn : qm = 40  90 l/s/km2).  Xét lưu vực 200km2, lưu vực cĩ qm=60l/s/km 2  Lưu lượng Q0 của khu vực là: Q0 =200*60/1000 = 12m 3/s (Q0 lưu lượng trung bình năm) PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 10 CHUỖI DỊNG CHẢY THEO THỜI GIAN • Nếu xét Q là lưu lượng dịng sơng  ý nghĩa vật lý  Q >=0 (ngoại trừ trường hợp dịng chảy cĩ ảnh hưởng của thủy triều). Qm (m 3/s) T(th) 0 Qi (m 3/s) Ti Q(t) PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 11 CHUỖI LƯU LƯỢNG CỘNG DỒN W(t) T(th) W (m3) 0 tan(α)=ΔW/ ΔT =Qi Ti Chú ý: Đường luơn luơn tăng hoặc nằm ngang vì Qi>=0   i i t 0 tQdt)t(Q)t(W PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 12 • DỊNG CHẢY LŨ Qmax-p=0.1% Q (m3/s) 0 p=0.1% (tần suất xuất hiện) p=0.2% Qmax-p=0.2% ĐẶC TRƯNG: - Lưu lượng đỉnh lũ. - Tổng thể tích trận lũ. - Dạng đường dịng chảy lũ. - Thời gian kéo dài trận lũ. T (h) p=5% Qmax-p=5% 3 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 13 LƯU LƯỢNG CHẤT RẮN (khối lớn, sỏi, sạn, cát, bụi min)  Vận chuyển đáy.  Vận chuyển lơ lửng. Nguyên nhân gây cạn hồ chứa  giảm thể tích hửu ích !  Tác động xấu đến tuổi thọ tuabin !  Nghiên cứu lý thuyết khĩ vì cĩ nhiều yếu tố khĩ xác định can thiệp vào hiện tượng  nghiên cứu thực nghiệm. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 14 ẢNH HƯỞNG MNDBT Thể tích bùn cát lắng đọng ĐẬP ĐÁY HỒ Bùn cát lắng đọng sau N năm Màng chống thấm Hạ lưu Hồ chứa Thượng lưu Vết nứt PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 15 “Lưỡi” bùn cát PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 16 HẠNG MỤC CƠNG TRÌNH CHÍNH DỰ ÁN THUỶ ĐIỆN Tổng quát gồm 4 hạng mục theo trình tự đi qua của nước:  Đập dâng, CTTL (tuyến áp lực);  Cơng trình lấy nước;  Cơng trình dẫn nước (tuyến năng lượng);  Nhà máy TĐ  Trạm biến thế. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 17 THỦY ĐIỆN ĐẠI NINH (Lưới chắn rác) PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 18 4 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 19 (Trạm tăng áp) PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 20 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 21 Kênh dẫn NMáy Cửa lấy nước Bể áp lực Đường ống áp lực Đập Kênh hạ lưu MẶT BẰNG Hồ A F F A Mặt chuẩn TRẮC DỌC B S S PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 22 ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CƠNG SUẤT SẢN XUẤT PHỤ THUỘC VÀO CỘT NƯỚC H VÀ LƯU LƯỢNG Q CHẢY QUA TUABIN. Cột nước tổng : Ht =ZA-ZF Cơng suất thiên nhiên: Pt =gQ(HA-HF) Với HA=ZA+pA/γ + V 2 A/2g và (ZA>>pA/γ + V 2 A/2g)  Pt = gQ(ZA-ZF) = gQHt watt Nếu Pt là kW, Q là m 3/s và Ht là m: Pt = 9.81QHt kW PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 23 CỘT NƯỚC HỬU ÍCH Hhi Đĩ là cột nước địa hình và trừ đi tất cả các tổn thất năng lượng dịng chảy (đường dài và cục bộ) khi di chuyển từ:  cửa lấy nước  đi qua đường dẫn  đường ống áp lực và đến trước tuabin. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 24 F TRẮC DỌC CỘT NƯỚC HỬU ÍCH Hhi   cucboduongdaithi dhdhHH  duongdaidh  cucbodh  Tổng tổn thất đường dài: hầm, áp lực Tổng tổn thất cục bộ: chắn rác, tiết diện đổi đ/ngột, đổi phương d/chảy Đường năng lượng 5 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 25 CƠNG SUẤT CĨ ÍCH TẠI MÁY PHÁT  Pe = tPt = tgQHt (Watt) Với t chỉ hiệu suất tổng của NM, phụ thuộc vào: - Mất năng khi dịng chảy đi từ hồ đến NM (58%) - Mất năng do tuabin (515%) - Mất năng do máy phát (13%). t dao động trong khoảng 76%88%. Với t trung bình là 82%, ta cĩ:  Pe = 8QHt (kW) PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 26 CHÚ Ý CƠNG SUẤT CĨ ÍCH THIÊN NHIÊN TRƯỚC TUA BIN P1 = gQHhi (watt) CƠNG SUẤT CĨ ÍCH SAU MÁY PHÁT Trong trường hợp tính theo Hhi: Pe = tuabin mayphat *P1 = tuabin mayphat gQHhi (watt) PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 27 MẤT NĂNG LƯỢNG ĐƯỜNG DÀI • Manning (kênh): • Hazen-Williams (hầm): Với : hệ số mất năng đường dài, L: chiều dài, D (b/k thủy lực khi là kênh),d: đường kính, V: vận tốc trung bình, Q: lưu lượng, CHW tham số, dh1: mất năng. )m( g2 V . D L dh 2 1  85,1 HW 87.41 C Q d L68,10 dh        PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 28 Bài tập 1. Dự án thuỷ điện cĩ các thơng số sau: - Cột nước địa hình (tổng): Ht =300 m. - Lưu lượng qua tua bin: Q=50 m3/s. a. Xác định cơng suất thiên nhiên (MW). b. Giả sử hiệu suất tổng NM là t=0.80. Tính cơng suất phát ra từ NM (MW). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 29 Bài tập 2. Lấy lại số liệu bài 1. NM cĩ đường hầm đường kính 4m, dài 5km. Đường ống áp lực đường kính 3m dài 500m. a. Xác định tổn thất năng lượng trong đường hầm và đường ống áp lực theo Manning với 1=10 -2 cho đường hầm với 2=0.8*10 -2 cho đường ống áp lực. b. Tính cột nước hiệu ích và cơng suất hửu ích (MW) cuối đường ống tương ứng. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 30 Bài tập 3. Lấy số liệu bài 1 với đường dẫn nước là kênh hình thang dài 5km cĩ độ dốc i=0.001 (giả thiết chảy đều). Đường ống áp lực d=3m và dài 500m. a. Tính mất năng trong đường ống áp lực tính theo Hazen-Williams với CHW=130. b. Tính cột nước hiệu ích. c. Cơng suất phát ra từ NM, cho biết hiệu suất tổng của máy phát & tuabin là =0.85. 6 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 31 CƠNG SUẤT LẮP MÁY PI  Cơng suất lắp đặt trong nhà máy thủy điện (Powerhouse). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 32 Cơng suất lắp máy:  Pi = gQmaxHtt (W) Qmax: lưu lượng lớn nhất qua NM. Htt : cột nước tính tốn. Htt  được xác định là hàm của cột nước hiệu ích trong cả chuỗi điều tiết (xem sau). : tích hiệu suất tuabin & máy phát. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 33 Giá trị tham khảo của : = tuabin . mayphat tuabin = 0.85  0.94 mayphat = 0.95  0.98 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 34 CỘT NƯỚC TÍNH TỐN KINH NGHIỆM (1) (2) CHÚ Ý: • Hhi_min < Htt < Hhi_max • (2) dùng khi dao động mực nước hồ bé N H Hvoi N hi tb  tbtt H%5.92H  [1,0]voi )HH(HH min_himax_himin_hitt    i ithi dhHH PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 35 Note: - Htt < Hhi_max = MNDBT – MNHL – dhmax (hồ chứa đầy, MNDBT, Qmax tổn thất max  Hhi_max). - Htt> Hhi_min = MNC - MNHL – dhmax (mực nước hồ nhỏ nhất, MNC, Qmax mất năng max  Hhi_min).  TRONG THỰC TẾ SẢN XUẤT  Htt XÁC ĐỊNH TỪ BÀI TỐN KINH TẾ. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 36 NĂNG LƯỢNG CỘNG DỒN E Theo định nghĩa: E =P(watt).t(s) (joule=watt-seconde) Với E= P.t /1000/3600 (kWh). Cơng suất thiên nhiên: Pt=9.81QHt (kW) Giả thiết Ht khơng đổi trong khoảng thời gian T(s). Năng lượng E trong khoảng t/gian T(s) là: ut T t T t VHdtQHdtPkjE 81.981.9)( 00   7 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 37 Vu thể tích nước vào hồ từ 0 (s)  T (s). Tính E theo kWh: Giả thiết hiệu suất tổng NM t=0.74 ta cĩ: Ý nghĩa: Với Vu=1m 3 nước chứa ở cao độ Ht=500m so với mặt chuẩn sẽ phát ra năng lượng E=1 kWh. 367 VH 3600 VH81.9 )kWh(E utut  500 VH 367 VH )kWh(E utut  PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 38 Bài tập 4. Một dự án thuỷ điện cĩ các tham số: - Lưu vực : S =400km2. - Module dịng chảy : qm =60 l/s/km 2. - Cột nước tổng : Ht = 500m a. Tính lưu lượng trung bình Q0 dịng chảy và thể tích nước đến hồ trong 1 năm. b. Tính gần đúng năng lượng tích trử trong 1 năm (Etb, tr.kWh), giả thiết hiệu suất tổng NM là 0.74. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 39 SỐ GIỜ CHẠY CƠNG SUẤT LẮP MÁY (T) T=Eanuelle/Pi (h) Eanuelle: năng lượng trung bình hàng năm Pi: cơng suất lắp MN NM trung bình & lớn : (3500h4200h). NM nhỏ : ( 5000h(?) > T >4000h). Nhận xét: T > 6000h  Cĩ thể lắp thêm cơng suất  mở rộng NM T < 3000h  NM cĩ cơng suất lắp “thừa !!!” PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 40 KHẢ NĂNG ĐIỀU TIẾT CỦA HỒ  = Whi/Va (01) Whi dung tích hữu ích hồ (niv. Min  niv. Max). Va thể tích nước đến hồ TB trong 1 năm. - Hồ điều tiết ngày :  < 12% - Hồ điều tiết tuần, tháng:  : 1-2%5-6% - Hồ điều tiết năm  : 5-6%12-14% - Hồ điều tiết nhiều năm  >12-14% PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 41 THỜI GIAN LÀM ĐẦY HỒ (TÍCH NƯỚC) Tr =Vu/Qa (h) Vu dung tích hữu ích (m 3) Qa lưu lượng TB (m 3/h). 1. Tr < 2 h : NM máy chạy theo lưu lượng thiên nhiên. 2. 2h<Tr<400h : NM với cống điều tiết (điều tiết ngày, tuần). 3. Tr > 400 h : NM với hồ (điều tiết tháng, năm, nhiều năm). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 42 Bài tập 5. Dự án TĐ cĩ các tham số sau: - Lưu lượng TB : Q0 = 90m 3/s - Cột nước tính tốn : Htt = 120m. a. Giả thiết hiệu suất tổng là =0,74, tính gần đúng năng lượng TB năm khi lấy Ht=Htt. b. Giả thiết số giờ chạy cơng suất lắp máy là 4200h, tính cơng suất lắp máy Pi(MW). c. Giả thiết hiệu suất của tuabin & máy phát là t=0.80, tính lưu lượng max Qmax(m 3/s). d. Cho biết dung tích hữu ích hồ là 350 tr.m3. Tính  hồ. 8 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 43 Bài tập 6. Một dự án TĐ cĩ: - Đường hầm d=4m,dài 4km - Đường ống áp lực d=2.8m dài 250m. Mất năng lượng tính theo H-W cĩ CHW=100 cho đường hầm và 120 cho đường ống: Cho biết: - Hiệu suất tuabin & máy phát là t = 0.833 - Cơng suất lắp máy Pi =144 MW Cột nước tự nhiên H và lưu lượng Q lấy ra khỏi hồ theo thời gian xem bảng sau (1 tháng cĩ 30 ngày). Tính năng lượng năm (tr.kWh). PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 44 Số liệu: T 1 2 3 4 5 6 H(m) 380 375 370 365 360 355 Q(m3/s) 60 60 60 60 40 40 T 7 8 9 10 11 12 H 340 345 355 370 375 380 Q 40 40 40 60 60 60 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Qưy hoạch khai thác 45