Ch II he thong phat dien thuy dien

Công thức 1.11 áp dụng cho dòng chảy lý tưởng không xét đến tổn thất cột nước, ta có thể được viết lại trong công thức 1.12 sau khi thêm vào thành phần "hAB" để biểu thị tổn thất cột nướ

CHƯƠNG II HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN THỦY ĐIỆN

I Thủy lực học

I.1 Trọng lượng, tỷ số nén và hệ số nhớt của nước

(1) Trọng lượng của nước

Khối nước nở ra hay co lại không đáng kể khi nhiệt độ thay đổi Nhiệt độ tăng lên làm cho nước giãn nở và mật độ của chúng giảm Ở 4oC nước có trọng lượng riêng bằng 1.0, trọng lượng của 1m3 là 1000 kg Mối quan hệ giữa nhiệt độ và trọng lượng riêng của nước được thể hiện trong bảng 1.1

(2) Tỷ số nén của nước

Nước có tính chất nén Áp lực bên ngoài làm khối nước co lại một chút và chúng trở lại trạng thái ban đầu khi không còn áp lực nữa

Gọi thể tích nước là "V" đặt dưới áp suất "P" ở một nhiệt độ nhất định, "V" sẽ giảm đi một lượng "V" khi "P" tăng "P", quan hệ giữa "V" và "P" được thể hiện trong công thức sau

K = V

1 P

V





Tỷ số nén của nước được cho trong bảng 1.2

Bảng 1.1 Quan hệ giữa nhiệt độ và mật độ của nước

Nhiệt độ o

Mật độ [ t/m 3

] 0.9408 0.9186 0.9167 0.9999 1.0000 0.9997 0.9991 0.9982 0.9957 0.9881 0.9534

Bảng 1.2 Tỷ số nén của nước

Áp suất khí quyển

(3) Hệ số nhớt của nước

Tính nhớt của nước làm thay đổi vận tốc dòng chảy theo phương vuông góc và phương dòng chảy Ứng suất trượt tỷ lệ với sự biến thiên của vận tốc, được thể hiện trong công thức sau:

f =  dy

dv

Trong đó f: ứng suất trượt

y: khoảng cách giữa các đường dòng v: vận tốc của nước

“” là “hệ số nhớt” Hệ số nhớt của nước được cho trong Bảng 1.3

Bảng 1.3 Hệ số nhớt của nước

Trị số “”

Nhiệt độ

I.2 Áp suÊt của nước

Áp suÊt của nước được tính toán như sau Như minh họa trên Hình 1.3, giả sử cột nước trong một thùng không chuyển động có chiều cao giả thiết là “H”(m) kể từ mặt nước, diện tích mặt cắt đều là “A”(m2), cột nước được xem như là chịu một áp lực duy trì bằng “P”(kg) tác dụng lên đáy thùng

Gọi trọng lượng trên một đơn vị thể tích nước bằng w (kg/m3)[kgf/m3],

Thể tích của cột nước bằng = AH (m3) Trọng lượng của cột nước bằng = wAH (kg)

Trị số áp lực trung bình của nước “p” tại đáy của cột nước bằng:

p = A

P

Trị số “p” cho biết áp suÊt của nước ở độ sâu H(m)

Nên:

H = w p

w = 1000(kg/m3) [kgf/m3]

Vì vậy:

p = 1000 H (kg/m2) (1.5) Khi p được cho với đơn vị là (kg/cm2),

H = w

p  104 (m)

Mà w = 1000(kg):

H = w

p

104 =

1000 p

Hỡnh 1.3 Áp suất thủy tĩnh

Trị số “H” biểu thị “cột ỏp” Từ biểu thức ta thấy ỏp suất của nước bằng 1/10 chiều cao của cột nước (đơn vị chiều cao cột nước là m), và cột nước cú trị số gấp 10 lần

ỏp suất đo được ở đơn vị kg/cm2 Quỏ trỡnh đo ỏp suất của nước thường được thực hiện bằng đồng hồ Piezometer, hoặc cỏc thiết bị khỏc tương tự Piezometer cú thể đo mức nước trong bể bằng cỏch lắp ghộp một ống thủy tinh cố định đặt theo phương thẳng đứng

“a” với một ống nối “b” tới bể nước, như minh họa trờn Hỡnh 1.4 Áp lực tại khớp nối

"O" cú thể được tớnh bằng P = wH (kg/m2) theo cụng thức (1.4), do đú cú thể tớnh được

ỏp suất của nước

Hỡnh 1.4 Đo mức nước của bể

I.3 Nguyờn lý liờn tục

Nguyờn lý liờn tục của dũng chảy cú thể được giải thớch như sau

Xột đặc tớnh dũng chảy của nước được bao kớn xung quanh như trờn Hỡnh 1.5 Nếu A1, A2 là diện tớch mặt cắt tại điểm A, B, và v1,v2 tương ứng là vận tốc trung bỡnh tại A, B, lưu lượng qua mặt cắt trong một đơn vị thời gian là A1v1 tại A, và A2v2 tại B Khi nước được bao quanh bằng kim loại cứng thỡ thể tớch nước giữa hai điểm A và B là khụng đổi và khi nước chảy liờn tục thỡ khụng cú khoảng trống nào cú thể tồn tại trong

đú Do đú, nếu giả thiết mật độ của nước khụng thay đổi thỡ khối lượng nước giữa A và

B là khụng đổi Nếu khụng cú đường vào hoặc ra giữa hai điểm đú thỡ thể tớch nước vào

ở A và ra ở B luụn bằng nhau trong một khoảng thời gian nhất định “Nguyờn lý liờn tục

của dòng chảy ” được thể hiện qua biểu thức:

A1v1 = A2v2 = Q (1.7)

Q là trị không đổi của lưu lượng nước Trong kênh hở, dòng chảy có một phần mặt nước

tự do có thể chuyển động lên xuống nên lưu lượng nước Q không phải là không phụ

thuộc vào vị trí cña mặt cắt như kênh kín hoàn toàn Tuy nhiên, nguyên lý này có thể áp

dụng cho các kênh có mặt nước tự do khi mức nước và hình dạng của kênh không thay

đổi

Hình 1.5 Nguyên lý liên tục của dòng chảy

I.4 Cột áp lưu tốc

Khi xem xét đặc tính của dòng chảy, ngoài thế năng thì cần chú ý đến sự có mặt

của động năng Giả thiết rằng nước có trọng lượng w(kg)[kgf] đang chuyển động với vận

tốc v(m/s), động năng được tính theo công thức sau:

Ở đây gia tốc trọng trường: g = 9.8 (m/s2), khối lượng của nước: M =

g

w (kg),

do đó,

2

1

Mv2 =

2

1 ( g

w )v2 =

g

wv2

Khi mức nước tăng lên bằng h(m) và giả thiết rằng tất cả động năng chuyển thành thế

năng, khi đó thế năng bằng “wh (kg-m)[kgf-m]”,

Nên

wh =

g

wv2

v = 2gh(m/s)

 h =

g

v2

Biểu thức này cho biết “cột áp lưu tốc” h là “cột áp” sinh ra do dòng chảy chuyển

động

I.5 Định lý Bernoulli

Định lý Bernoulli là một định lý áp dụng “định luật bảo toàn và chuyển hóa năng

lượng” cho dòng chảy, có thể được mô tả như sau

Dòng chảy chÊt láng lý tưởng không có tính nhớt, tính co giãn và không biến đổi

A

B

theo thời gian, chỉ chịu tác dụng của trọng trường thì tổng động năng, thế năng, áp năng lũy tích dọc theo dòng chảy đơn là không đổi Đây là phát biểu của “Định lý Bernoulli”

Các thành phần sử dụng trong thủy lực học của động năng, thế năng, áp năng là như sau

g

v2 : cột áp lưu tốc (đơn vị ®o chiÒu dài)

w

p : cột áp (đơn vị ®o chiÒu dài)

h : cột áp thế năng (đơn vị ®o chiÒu dài)

Do đó, Định lý Bernoulli’s được viết như sau

g

v2 + w

p + h = không đổi = C (1.10)

Công thức trên được áp dụng cho dòng chảy chÊt láng không bị nén, không có tính nhớt, và chảy ổn định không có sự biến động nào, (1.10) còn có thể được viết lại khi xét đến sự cản trở do ma sát Hình 1.6 minh họa cho biểu thức được viết lại trong thực

tế

g

vA2 + w

pA + hA =

g

vB2 + w

pB + hB = H (1.11)

Hình 1.6 Định lý Bernoulli

I.6 Tổn thất cột nước

Dòng chảy trong thực tế chịu nhiều sự cản trở khác nhau, chúng có tác động làm giảm trị số của các dạng năng lượng nói trên Đó là “tổn thất cột nước”, có thể được giải thích như sau

Nếu lưu lượng của dòng chảy là Q(m3/s) và tổn thất năng lượng trong một giây bằng E(kg-m) thì tổn thất dòng chảy cho một đơn vị trọng lượng/đơn vị thời gian được

tính bằng E/wQ, và tổn thất loại này được gọi là “tổn thất cột nước” Vì vậy dế thấy rằng

“tổn thất cột nước” tăng tỷ lệ với lượng nước chảy xuống Công thức (1.11) áp dụng cho dòng chảy lý tưởng không xét đến tổn thất cột nước, ta có thể được viết lại trong công thức (1.12) sau khi thêm vào thành phần "hAB" để biểu thị tổn thất cột nước giữa hai điểm A và B được mô tả trên hình 1.6

g

vA2 + w

pA + hA =

g

vB2 + w

pB + hB + hAB (1.12)

II Tính toán công suất của nhà máy thủy điện

II.1 Công suất phát ra của nhà máy điện

Công suất phát ra của nhà máy điện được quyết định bởi cột nước và trị số lưu lượng nước Phương pháp tính toán lý thuyết công suất phát ra của nhà máy điện được tÝnh to¸n nh­ sau:

(1) Công suất phát ra theo lý thuyết

Giả thiết trọng lượng riêng của nước bằng 1000 kg/m3, H là chiều cao của cột nước có đơn vị là (m) và Q là lưu lượng nước có đơn vị là (m3/s) Năng lượng sinh ra trong một đơn vị thời gian được tính bằng:

P = 1000QH (kgm/s)

Mà 1kgm/s = 9.8j, và 1 kW = 1000j nên công thức này có thể được viết lại như sau:

P =

1000

8 9

* QH 1000

= 9.8QH [kW] (2.1)

P biểu thị trị số thủy năng lý thuyết sử dụng để chạy tuabin nước và máy phát phát điện Công thức trên cho biết thủy năng được chuyển hóa thành cơ năng, sau đó thành điện năng

(2) Công suất phát ra của nhà máy điện

Hiệu suất của tua bin ηW là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào tua bin, và hiệu suất của máy phát ηｇ là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào máy phát, công suất ra của tua bin PW (kW) và công suất của máy phát P (kW) được tính như sau:

Pw = 9.8*ηW*QH (kW)

P = 9.8*ηW*ηｇQH (kW) (2.2)

Công suất phát ra của máy phát thường được gọi là công suất phát của nhà máy điện Hiệu suất của tuabin và máy phát được giới thiệu sơ lược trong Bảng 2.1, chúng phản ánh sự phụ thuộc của công suất phát vào các nhân tố khác Tích số “(Hiệu suất tua bin) x (Hiệu suất máy phát)” được gọi là “Hiệu suất tổng hợp” hay “Hiệu suất tổng”

Bảng 2.1 Hiệu suất máy phát và hiệu suất tuabin - Các trị số gần đúng

Công suất phát (kW) Hiệu suất tuabin (%) Hiệu suất máy

phát (%)

Hiệu suất tổng hợp

(%)

Lớn hơn hoặc bằng

20,000

II.2 Cột nước

(1) Cột nước tổng

Cột nước tổng là chênh lệch về độ cao giữa mức nước vào và mức nước ra Giá trị đọc được lớn nhất gọi là cột nước tổng cực đại

(2) Cột nước tĩnh

Cột nước tĩnh là sự chênh lêch giữa mức nước của bể áp lực (hoặc bể tràn) và mức nước đầu ra của ống hút khi tất cả các tua bin ở trạng thái dừng Mức nước đầu ra

có thể được đo ở ống hót hoặc tại điểm mà đường trung tâm của vòi phun đi vào bánh xe công tác Giá trị lớn nhất đọc được gọi là cột nước tĩnh cực đại

(3) Cột nước hiệu dụng

Tổn thất cột nước là tổn thất do ma sát trên đường dẫn nước và các nhân tố khác như lưu lượng nước chảy xuống từ điểm lấy nước vào tới kênh thoát nước ra qua kênh dẫn và ống thép Cột nước tổng là cột nước tổng thực tế có thể sử dụng để vận hành tua bin Cột nước hiệu dụng được tính bằng hiệu số giữa cột nước tổng và tổn thất cột nước Cột nước tổng và cột nước hiệu dụng được tính như sau

- Đối với tua bin xung kÝch: (Xem minh họa trên Hình 2.1)

Cột nước tổng = [Mức nước dâng tại điểm lấy nước vào] - [Mức nước dâng ở đầu ra]

- §ối với các tua bin trục ngang:

Cột nước hiệu dụng = [cột nước tổng]

- [tổn thất cột nước giữa điểm lấy nước vào và bể áp lực (bể tràn)]

- [tổn thất cột nước giữa bể áp lực (bể tràn) và đường vào tuabin]

- [chênh lệch về chiều cao mức nước dâng ở đầu ra và t¹i điểm mà đường trung tâm của vòi phun đi vào vòng bánh răng của bánh công tác (hoặc chênh lệch về chiều cao trung bình giữa chúng)

- §ối với các tua bin trục dọc:

Cột nước hiệu dụng = [cột nước tổng]

- [tổn thất cột nước giữa điểm lấy nước vào và bể áp lực (bể tràn)]

- [tổn thất cột nước giữa bể áp lực (bể tràn) và đường vào tuabin]

-[chênh lệch về chiều cao mức nước dâng ở đầu ra vµ t¹i điểm mà đường trung tâm của vòi phun đi vào của bánh công tác

- Đối với tua bin phản kÝch: (Xem minh họa trên Hình 2.2)

Cột nước tổng = [mức nước vào] - [mức nước ra]

Cột nước hiệu dụng = [cột nước tổng]

- [tổn thất giữa điểm lấy nước vào và bể áp lực (bể tràn)]

- [tổn thất giữa bể áp lực (bể tràn) và điểm vào tua bin]

- [chênh lệch giữa mức nước của ở đầu ra của ống hút và mức nước dâng đầu ra]

- [cột nước lưu tốc tại đầu ra của ống hút]

Reservoir

Tổn thất giữa điểm lấy nước vào và bể tràn

Vận tốc tại

điểm lấy

nước vào

Vận tốc tại đáy của bể tràn

Tổn thất giữa bể tràn

và điểm vào tua bin

Chênh lệch giữa mức nước ra

và điểm mà tia trung tâm của vòi phun đi vào vòng răng của bánh công tác

Cột nước hiệu dụng Cột nước tổng

H = HG - hl1- h12 - h -

g 2

v2 2

H Hst

Cột nước hiệu dụng

Cột nước tổng

Cột nước tĩnh

Hồ chứa

h l1

Hình 2.1 Quan hệ giữa các cột nước tổng, cột nước tĩnh và cột nước hiệu dụng (Đối với tua bin xung kÝch)

Vận tốc tại đầu ra của ống hút

Chênh lệch về chiều cao giữa mức nước ra khỏi ống hút và mức nước đầu ra

Tổn thất giữa

bể ®iÒu ¸p và điểm vào tua bin

Tổn thất giữa

điểm lấy nước

vào và bể®iÒu

¸p

Hồ chứa

Vận tốc tại

điểm lấy

nước vào

Vận tốc tại đáy của bể

®iÒu ¸p

Cột nước hiệu dụng là cột nước tổng có thể sử dụng trong thực tế để vận hành tua bin Trong đó cột nước tổng là độ chênh lệch giữa mức nước vào và ra

Cột nước tĩnh

Độ chênh lệch về thế giữa mức nước của bể áp lực (hoặc bể tràn phía thượng lưu) và mức nước ra của ống thoát

Cột nước tổng

Độ chênh lệch về thế giữa mức nước vào và ra

h g 2 h h H

H

2 2 2 l 1 l

Cột nước hiệu dụng Cột nước tổng

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa các cột nước tổng, cột nước tĩnh, cột nước hiệu dụng (Đối với tua bin phản kÝch)

II.3 Tổn thất cột nước

Cỏc loại tổn thất cột nước chủ yếu được cho trong Hỡnh 2.3

(1) Tổn thất tại cửa nhận nước: Tổn thất này phụ thuộc vào sự thay đổi tiết diện của cửa nhận nước từ dũng sụng cú tiết diện lớn hơn và cỏc thiết bị phụ khỏc

(2) Tổn thất trờn kờnh dẫn nước: tổn thất này do độ dốc và sự thay đổi vận tốc nước trong kờnh dẫn gõy nờn

(3) Tổn thất tại bể lắng: tổn thất tại bể chỡm

(4) Tổn thất trong đường hầm ỏp lực: Tổn thất do độ uốn cong và ma sỏt

(5) Tổn thất trong đường ống ỏp lực: Tổn thất do ma sỏt và độ uốn cong của ống dẫn (6) Tổn thất trờn kờnh xả: Tổn thất do độ dốc tại đầu kờnh xả

Hỡnh 2.3 Tổn thất cột nước

Tổn thất tại cửa nhận nước Tổn thất do sự thay đổi về tiết diện, lưới chắn, và tường chắn, xuất hiện khi nước chảy qua cống lấy nước

Tổn thất phụ thuộc vào cấu trỳc của

kờnh dẫn, Tổn thất do sự thay đổi tiết

diện đột ngột tại bể lắng hoặc bể ỏp

lực

Tổn thất trờn kờnh dẫn

Tổn thất do cấu trỳc miệng vũm

của cống lấy nước vào, ma sỏt,

sự thay đổi tiết diện mặt cắt, độ

uống cong và độ dốc

Tổn thất trờn kờnh xả Tổn thất do ma sỏt dọc chiều dài kờnh, sự thay đổi tiết diện mặt cắt và

do bề mặt nước dốc Kờnh xả

Trạm phỏt điện

Đường ống chịu ỏp

Bể phớa trờn

Kờnh dẫn

Bể lắng

Cống lấy nước vào

Đập

Tổn thất trong đường ống chịu ỏp

Tổn thất do cấu trỳc miệng vũm tại điểm chỗ lấy

nước vào, do độ cong, ma sỏt, sự thay đổi tiết

diện mặt cắt và cỏc van điều tiết ở đầu vào

III Hệ thống phát điện thủy điện

Điện năng được sản xuất ra trong các nhà máy thủy điện phụ thuộc vào dung tích nước xả và cột áp Khi nước ở các dòng sông chảy bởi độ dốc tự nhiên, hầu hết thế năng của nó bị mất đi do các hiện tượng vật lý như ma sát, va chạm và xoáy nước.v.v Vì vậy công suất phát ra có thể lớn hơn bằng cách sử dụng hiệu quả cột nước, điều đó có nghĩa

là với cùng một lượng nước thì dòng nước sẽ chảy xiết với cột nước cao

Thông thường các nhà máy thủy điện được phân loại theo các phương án tạo ra cột nước cao hơn bằng các tác động của con người.(Phân loại theo phương án tạo ra cột nước) (1) Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn

Đây là phương án sử dụng cột nước giữa hồ điều tiết hoặc bể áp lực và vị trí đặt nhà máy thủy điện Nước giữ lại được đưa qua đập xây dựng phía thượng lưu của dòng sông và dẫn tới tua bin của nhà máy thủy điện bằng một kênh dẫn dài Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn có thể có hồ điều tiết hoặc không, chúng được minh họa trên Hình 1.1-(a)

(2) Nhà máy thủy điện kiểu đập

Đây là phương án sử dụng cột nước được tạo ra bằng cách xây dựng đập tại các

vị trí thích hợp ở thượng lưu của dòng sông như minh họa trên Hình 1.1-(b) Nhà máy thủy điện kiểu đập có hồ chứa là công cụ hữu ích để điều tiết và không chịu ảnh hưởng nhiều bởi sự dao động của dòng chảy theo mùa

(3) Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp (đập và kênh dẫn)

Đây là phương án tạo ra cột nước bằng đập kết hợp với hệ thống kênh dẫn, tận dụng một cách hiệu quả địa hình tự nhiên như được minh họa trên Hình 1.1-(c)