Bài giảng thủy năng và thủy điện chương 7 PGS nguyễn thống

Nguyễn Thống 4 GIỚI THIỆU Công trình điều áp có nhiệm vụ giảm hạn chế bất lợi tăng, giảm áp suất lớn gây ra do hiện tượng nước va trong đường ống áp lực của các dự án thủy điện!

Trang 1

Chương 7: Công trình điều áp

PGS TS Nguyễn Thống

1

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

BỘ MÔN KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC

PGS TS NGUYỄN THỐNG

Email: nguyenthong@hcmut.edu.vn or nthong56@yahoo.fr

Web: http://www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong/

Tél (08) 38 640 979 - 098 99 66 719

2

Chương 1 : Tổng quan

Chương 2 : Tài nguyên nước và quy hoạch

khai thác Chương 3 : Các phương pháp khai thác năng

lượng nước

Chương 4 : Điều tiết hồ chứa thuỷ điện

Chương 5 : Đập dâng & công trình tháo lũ

Chương 6 : Công 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

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

3

CÔNG TRÌNH ĐIỀU ÁP

1 Tổng quát

2 Hiện tượng dao động mực nước

trong công trình điều áp (CTĐA)

3 Cấu tạo CTĐA (tính toán các

thông số cơ bản của CTĐA)

4

GIỚI THIỆU Công trình điều áp có nhiệm

vụ giảm (hạn chế) bất lợi (tăng, giảm áp suất lớn) gây ra do hiện tượng nước

va trong đường ống áp lực của các dự án thủy điện!

5

GIỚI THIỆU

Có 2 loại công trình điều áp:

 Bể điều áp (áp lực)

6

GIỚI THIỆU

Giếng điều áp được sử dụng khi đường dẫn nước loại có áp (đường hầm)

Bể điều áp được sử dụng khi đường dẫn nước loại không áp (kênh dẫn)

Công trình được bố trí ở vị trí cuối đường dẫn nước (đầu đường ống

áp lực)

Trang 2

7

D=3,5m, L=9065m i=0,0061

Giếng điều áp

Đường hầm

Đường ống AL

GIẾNG ĐIỀU ÁP Nhà máy

8

Kênh

Đường ống áp lực

BỂ ÁP LỰC

9

Mục đích:

ống áp lực

đường hầm

 Cung cấp hay tạm trử nước tạm

thời khi NM mở hay đóng van

« đột ngột » tạo ra hiện tượng

nước va

10

Q

CÁC LOẠI GIẾNG ĐIỀU ÁP

Đường ống

áp lực

Giếng điều áp Đường

hầm

Dung tích phục vụ nước va dương

Dung tích phục vụ nước va âm

11

Giếng điều

áp hình trụ

Đường

hầm

Đường ống áp lực

Cổ giếng

12

Trang 3

13

Giếng

ống áp lực

14

NỘI DUNG TÍNH TOÁN Xác định đường kính giếng :

nước va dương

nước va âm

15

NỘI DUNG TÍNH TOÁN

Xác định cao trình miệng

giếng

 Mực nước cao nhất khi

xảy ra nước va dương

(xảy ra khi NM đang vận

hành và đóng van nhanh)

16

NỘI DUNG TÍNH TOÁN

Xác định cao trình đáy giếng

 Xảy ra khi nước va âm, NM đang nghĩ hoặc chạy với lưu lượng nhỏ và tăng tải đột ngột (không khí bị hút vào đường ống áp lực  CẤM)

17

ĐƯỜNG CỘT NƯỚC ĐO ÁP H

Q

p/γ

p: áp suất nước tại vị trí xét

z

Mặt chuẩn o- o

giếng

Đỉnh giếng

Đường cột nươc đo áp

18

HIỆN TƯỢNG DAO ĐỘNG MỰC NƯỚC GiẾNG

Hồ chứa

Mực nước tỉnh

Đường hầm s (m 2 )

Giếng

S (m 2 )

z

t

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

G0 G1

z

Zmax

R R’

NM

L

W (m/s)

V (m/s)

Q

Dao động mực nước giếng theo t

Trang 4

19

Chú ý :

• s : tiết diện hầm

• S : tiết diện giếng điều áp

• L : chiều dài hầm

• z : mực nước giếng tại thời điểm t Quy

ước chiều dương hướng lên, gốc tại mực

nước tỉnh

• w, v : vận tốc TB trong hầm và giếng tại t

20

MỤC ĐÍCH TÍNH

1 Xác định kích thước giếng (S)

2 Xác định mực nước cao nhất trong giếng khi có nước va dương  dùng trong xác định cao trình miệng giếng

3 Xác định mực nước thấp nhất trong giếng khi có nước va âm  dùng trong xác định cao trình đáy giếng

21

TÍNH GIẾNG ĐIỀU ÁP

VỚI SƠ ĐỒ

LÝ TƯỞNG (chuyển động nước

không mất năng lượng)

22

Giả thiết:

• S hằng số (giếng điều áp hình trụ)

• Thể tích hồ TL là rất lớn (MN hồ không đổi khi có nước va)

• Bỏ qua tổn thất năng lượng trong

đường hầm và giếng

• Lưu lượng Q 0 (chảy qua đường ống

áp lực) giảm về 0 (nước va dương) là tức thì

23

HIỆN TƯỢNG ĐƯỢC MÔ TẢ BỞI 2

PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN

Phương trình LỰC:

- Luật Newton 2: F=ma

 Khảo sát khối chất lỏng giới

hạn bởi G0 và G1(trong đường

hầm)

24

SƠ ĐỒ LÝ TƯỞNG

Phương trình liên tục:

- Luật bảo toàn khối lượng vật chất

 Khảo sát tính liên tục tại vị trí

nối Đ/HẦM GIẾNG

Đ/ỐNG ÁP LỰC

Trang 5

25

XÁC ĐỊNH TỔNG NGOẠI LỰC TÁC DỤNG LÊN G 0 G 1

Hồ chứa

Giếng

S (m 2 )

z

t

G0 G1

z

Zmax

R R’

L (H-z)

Q

KHỐI CHẤT LỎNG XEM XÉT

TÍNH TỔNG NGOẠI LỰC F

VỊ TRÍ XÉT P/T LIÊN TỤC

H

T

26

Bài tập: Xác định các thành phần ngoại lực (F) tác dụng lên khối chất lỏng giới hạn trong đường hầm.

27

Phương trình Newton (theo trục đ/hầm) :

(1)

Phương trình liên tục :

(2)

(w và z là 2 ẩn số)

0









dt

dw g

L dt

dw sL g



dt

dz S Sv

sw  

F

m

28

Từ (1) & (2):

Với:

0

2









dt

z d z

dt

z d s

S g

(3)

LS

gs





29

Lời giải của phương trình vi phân

trên có dạng:

z = Zmsin(  t+  )

Đây là chuyển động điều hoà có biên

độ không đổi Z m và tần số 

Chu kỳ :

s

S g

L

T  2 

30

XÁC ĐỊNH BIÊN ĐỘ

CHUYỂN ĐỘNG Zm Dựa vào nguyên lý:

 Thế năng khối chất lỏng (trong giếng) so với mặt chuẩn bằng động năng của khối chất lỏng trong đường hầm

Trang 6

31

Q

W (m/s)

32

Từ đó:

2 0

max

g 2

1 2

Z S



S

s g

L w



Thế năng

Động năng

Vận tốc ban đầu trong đường hầm

33

Bài tập: Nguyên tắc xác định

Zmaxsin(  t+  ) ?

 Sơ đồ lý tưởng   =0 ?

34

Hồ chứa

Giếng

S (m 2 )

z

t

G0 G1

z

Zmax

R R’

L (H-z)

Q

H

T z=Zmaxsin(  t)

35

Bài 1 : Cho hệ thống với các thông

số: L=10km, s=10m 2 , S=100m 2 ,

w 0 =2m/s Tính T và biên độ dao

động nước trong giếng Z max Lấy

g=10m/s 2

Lời giải : T=10’28’’, Z max =20m.

Bài 2: Lấy số liệu bài tập 1, xác định S

để biên độ dao động max trong

giếng là 10m

36

Bài 3 : Tương tự trên với : L=5km, s=15m2, S=250m2, w0=4m/s

Bài 4 : Một hệ thống có các thông số: L=3km, s=12m2, w0=4m/s

Tính D của giếng để biên độ dao động của nước trong giếng là

Zmax= 15m

Trang 7

37

TÍNH GIẾNG ĐIỀU ÁP VỚI

(có kể đến mất năng lượng

do lực ma sát, mất năng

cục bộ trong hệ thống)

38

Trong hệ thống thực:

 Luôn luôn có mất năng lượng đường dài do ma sát

& mất năng cục bộ (thay đổi tiết diện, hướng dòng chảy đột ngột) khi nước chảy trong hệ thống

39

Trong hệ thống thực:

 Đóng van trên đường ống

(từ tuabin) KHÔNG xảy ra

tức thì mà xảy ra dần dần 

Q0  0 (nước va dương)

trong một khỏang thời gian

T >0  Q trong đường ống

áp lực giảm DẦN về 0

40

Hồ chứa

MN tỉnh

Đường hầm

Giếng điều áp

z

t

1

z

Z max

R R’

NM

HỆ THỐNG THỰC

Dao động mực nước trong giếng TẮT DẦN

41

Phương trình động lực: Theo phương X

F x =ma x (4)

Với

L chiều dài; s tiết diện hầm γ trọng lượng

đơn vị nước, g gia tốc trọng trường

F x = Lực tỉnh (F 1 ) + Lực ma sát (F 2 )

Ls

m

g





42

F 1 =γs(z-dh g -dh v ) : lực thuỷ tỉnh

: mất năng lượng cục bộ giếng

: mất năng do mở rộng đột ngột

: lực tương đương với h *

w

: mất năng tổng trong hầm

g g

V V dh

2g





h h V

V V dh

2g



*

F sh

*

h h h

Trang 8

43

Từ đó:

Gọi:

Khối nước trong đường hầm:

(Z theo chiều từ trên xuống)

h h h h h h h h

*

V V V V L V V V V L

h

*

w w g v

h h dh dh

 

h

w h

z h

Số hạng kể đến ảnh hưởng mất năng lượng

44

PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC Nguyên lý bảo toàn khối lượng:

Q tuabin .dt = V h s.dt + S.dz

đường hầm giếng điều áp

 tuabin h 

dz 1

h h

Q V s

g

Q V S



Giếng Đường hầm Ống áp lực

(7)

45

Giả thiết:

(biên thiên tuyến tính Q tuabin)

Nếu chọn chiều (+) hướng lên, phương trình

(6) là:

Và phương trình (2) sẽ là:

max

van

Q

T

  

 

h

w h

dV g

z h

dt  L  

 tuabin h 

dz 1

Q V s

dt  S 

46

Với 2 ẩn số Z (mực nước giếng) và V h (vận tốc dòng chảy trong hầm) sẽ xác định được với 2 phương trình (6)* và (7)*

Tuy vậy vì nó là phi tuyến  KHÔNG tìm được lời giải giải tích

phương pháp số (ví dụ sai phân hữu hạn) để giải

47

MỘT SỐ KẾT QUẢ

TÍNH TOÁN NƯỚC VA BẰNG PHƯƠNG PHÁP

SAI PHÂN CỦA CÁC CÔNG TRÌNH THỰC TẾ

48

520 530 540 550 560 570

0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440 1620 1800

T (s)

DỰ ÁN A LƯỚI

MN GIẾNG VỚI NƯỚC VA DƯƠNG

MNDBT

Mất năng lượng từ hồ đến giếng điều áp khi chạy l/l Q 0

Trang 9

49 520

530

540

550

560

0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440 1620 1800

T (s)

DỰ ÁN A LƯỚI

MN GIẾNG VỚI NƯỚC VA ÂM

50

350 360 370 380 390 400

0 240 480 720 960 1200 1440 1680

T (s)

Z (m) DỰ ÁN A VƯƠNG

MN GIẾNG VỚI NƯỚC VA DƯƠNG

51

300

310

320

330

340

350

360

0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440 1620 1800

T (s)

MN GIẾNG VỚI NƯỚC VA ÂM

52

ĐIỀU KIỆN ĐỂ DAO ĐỘNG TRONG GIẾNG TẮT DẦN

 Yêu cầu cần để thiết bị (tuabin, máy phát) làm việc BÌNH THƯỜNG

53

Điều kiện D Thoma- Jaeger : Đó

là điều kiện để dao động mực

nước trong giếng là TẮT DẦN :

0

0 0 pg

gcH 2

) H / z 482 , 0 1 ( Ls

F

Diện tích giếng yêu cầu tối thiểu

để dao động MN trong giếng tắt dần

54

H0 =H-h0 : cột nước tác dụng

H  Cột nước tỉnh

h0  mất năng lượng trong hầm

L,d  chiều dài, đường kính hầm

(giải lặp !!!!)

2 h

pg h

0 V ( Ls / gF ) z

g 2 / ) d / L ( c





Trang 10

55

Điều kiện D Thoma :

• H 0 : cột nước hiệu ích

• h 0 mất năng lượng trong đường hầm với V h

0 0

2

2 gH h

Ls V F

F  pg  h

g 2 / V ).

d / L (

h0     h2

56

Bài tập 1: Tính đường kính tối thiểu của giếng để dao động mực nước là tắt dần theo Thoma và theo Thoma-Jaeger (g=9,81m/s 2 ):

a V h =4m/s,L=4km,d=4m, H=200m, =0,005,

=0,8(Thoma:43.8m 2 , Th.-Jaeger:45.5m 2 )

b V h =3.5m/s, L=8km, d=3m, H=400m,

=0,006, =1,5

(xem Excel  Thoma)

57

Câu hỏi

1 Để giảm mực nước trong giếng

điều áp khi có nước va DƯƠNG,

ta có thể xem xét các tham số

nào?

2 Theo Anh (Chị), có cần thiết

TĂNG tiết diện giếng điều áp

trên SUỐT chiều CAO hay không

để GIẢM MỰC NƯỚC GIẾNG khi

có nước va DƯƠNG?

58

Câu hỏi

3 Như câu hỏi 2 cho trường hợp nước va ÂM

4 Một cách định tính, hãy cho biết mực nước trong giếng khi hiện tượng đã ỔN ĐỊNH

trong 2 t/hợp: nước va DƯƠNG, nước va ÂM?

59

Hướng dẫn

MNDBT

MNC

60

Bài tập 2 :

a Viết hệ pt 6* và 7* dưới dạng pt sai phân với sơ đồ hiện

b Trình bày trình tự giải hệ phương trình câu (a) để xác định z trong giếng theo thời gian t

Trang 11

Chương 7: Cơng trình điều áp

61

Số liệu áp dụng:

• Q max =48 m 3 /s

• T van =9”

• Z t=0 =0m

• d h =4m

• d g =16m

2

0.5*10

h

L 8.10

d  c 0.8

62

động mực nước trong giếng với các tham số như sau

(Xem Excel  GiengDieuAp-NuocVa.xls)

63

1 Thông số ban đầu

Trường hợp tính nước va (1: n/va duong;

2:n/va am) 2

Thời gian đóng van tuabin T : 10 (s)

Lưu lượng qua NM khi bắt đầu đóng (mở)

van : 86 (m 3 /s)

Vận tốc nước trong đường hầm tại t=0 9.47 (m/s)

Lưu lượng qua NM ổn định sau khi đóng

(mở) van : 172 (m 3 /s)

Lưu lượng MAX theo điều kiện tuabin : 172 (m 3 /s)

Chiều dài đường hầm : 9065 (m)

Đường kính đường hầm : 3.4 (m)

64

Diện tích mặt cắt ngang đường hầm : 9.08 (m 2 ) Đường kính giếng điều áp D1: 7.0 (m) Diện tích mặt cắt ngang giếng S1: 38.48 (m 2 ) Đường kính giếng điều áp D2: 7.0 (m) Diện tích mặt cắt ngang giếng S2: 38.48 (m 2 ) Đường kính giếng điều áp D3: 15.0 (m) Diện tích mặt cắt ngang giếng S3: 176.71 (m 2 ) Cao độ đáy tháp điều áp 512.0 m

65

Mức nước trong giếng điếu áp trước khi xãy

ra nước va 595.0 m

MNDBT (m) : 605.0 m

MNC (m) : 595.0 m

Đường kính cổ giếng 3.4 m

Tiết diện cổ giếng 9.08 (m 2 )

Mức nước trong giếng điếu áp ổn định sau

khi xãy ra nước va 595.0 m

Vận tốc nước trong đường hầm ổn định sau

nước va 18.94 m/s

66

2, Tổn thất năng lượng cột nước H/số tổn thất đường dài + cục bộ

cửa vào và trong hầm:

Tổng các hệsố tổn thất cục bộ trên đường hầm 3.0 0.15 Hệ số tổn thất cục bộ cửa vào

đường hầm áp lực : 0.8 0.04 Hệ số tổn thất đường dài QP 1-75 Δ 

0.00

4 2.33 H/số tổn thất cục bộ vị trí nối

đ/hầm và giếng : 1 Hệ số cột nước lưu tốc 1 Hệ số tổn thất đường dài 3.25

Định dạng
Số trang	12
Dung lượng	1,15 MB