Nghiên cứu giải pháp kết cấu và hình dạng tối ưu của tháp điều áp phù hợp_unprotected

TS Lê Xuân Khâm cùng với sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong trường Đại học Thủy Lợi luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên c ứu giải pháp kết c ấu và hình dạng tối ưu của tháp điều áp p

i

L ỜI CAM ĐOAN

Học viên xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân học viên Các kết

quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ

một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác gi ả luận văn

Nguy ễn Viết Quỳnh

ii

L ỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập, nghiên cứu với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Phan

Trần Hồng Long và PGS TS Lê Xuân Khâm cùng với sự giúp đỡ của các thầy cô giáo

trong trường Đại học Thủy Lợi luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên c ứu giải pháp kết

c ấu và hình dạng tối ưu của tháp điều áp phù hợp với điều kiện địa hình địa chất

để nâng cao hiệu quả sử dụng cho trạm thủy điện có đường dẫn áp lực dài”đã

được tác giả hoàn thành đúng thời hạn quy định và đảm bảo đầy đủ các yêu cầu trong

đề cương được phê duyệt

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo TS Phan Trần Hồng Long và PGS TS Lê Xuân Khâm đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận văn

Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo Phòng đào tạo đại học và Sau đại học, khoa Công trình, khoa Năng Lượng - Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện luận văn này Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và những người

đi trước đã chỉ bảo, khích lệ, động viên, ủng hộ nhiệt tình và tạo điều kiện, giúp đỡ cho tác giả về mọi mặt trong quá trình học tập cũng như hoàn thiện luận văn

Tuy đã có những cố gắng song do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế nên luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót và tồn tại, tác giả mong nhận được mọi ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo, anh chị em

và các bạn đồng nghiệp

iii

M ỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ix

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài: 1

2 Mục đích của đề tài: 1

3 Cách tiếp cận, nội dung và phương pháp nghiên cứu 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về công trình thủy điện 3

1.1.1 Tiềm năng thủy điện ở Việt Nam 6

1.1.2 Trữ năng lý thuyết 6

1.1.3 Trữ năng kỹ thuật 6

1.1.4 Trữ năng kinh tế ( hay gọi là kinh tế - kỹ thuật ) 6

1.1.5 Các nghiên cứu đánh giá tiềm năng thủy điện trước đây 7

1.1.6 Quy hoạch phát triển điện 9

1.1.7 Một số nhà máy thủy điện có sử dụng tháp điều áp 13

1.2 Công trình tháp điều áp trong trạm thủy điện đường dẫn dài 14

1.2.1 Công dụng 15

1.2.2 Nguyên lý làm việc của tháp điều áp 16

1.2.2.1.Trường hợp giảm tải 16

1.2.2.2 Trường hợp tăng tải 17

1.3 Một số vấn đề đã được nghiên cứu 17

1.3.1 Tháp điều áp kiểu viên trụ 17

1.3.2 Tháp điều áp kiểu viên trụ có màng cản 18

1.3.3 Tháp điều áp kiểu hai ngăn ( có ngăn trên và ngăn dưới ) 18

iv

1.3.4 Tháp điều áp kiểu có máng tràn 18

1.3.5 Tháp điều áp kiểu có lõi trong (còn gọi là kiểu kép hay kiểu sai phân) 18

1.3.6 Tháp điều áp kiểu nén khí 19

1.4 Những vấn đề tồn tại và hướng nghiên cứu của luận văn 19

1.4.1 Những tồn tại trong quá trình xây dựng thủy điện ở Việt Nam 19

1.4.2 Hướng nghiên cứu của luận văn 20

1.5 Kết luận 20

CHƯƠNG 2- NGHIÊN CỨU CÁC HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA THÁP ĐIỀU ÁP 21

2.1 Sự làm việc của tháp điều áp trong các quá trình chuyển tiếp của trạm thủy điện 21 2.1.1.Quá trình khởi động 21

2.1.2 Quá trình dừng máy 22

2.1.3 Quá trình điều chỉnh công suất 23

2.1.4 Quá trình cắt tải 23

2.1.5 Quá trình quay lồng của tổ máy 24

2.2 Các tiêu chí lựa chọn tháp điều áp 25

2.2.1 Địa hình và địa chất 25

2.2.1.1 Địa hình 25

2.2.1.2 Địa chất 27

2.2.1.3 Nhận xét 29

2.2.2 Các tiêu chí ảnh hưởng tới hình dạng, kích thước 29

2.2.3 Điều kiện xây dựng tháp điều áp 31

2.3 Cơ sở lý thuyết phương pháp tính toán 31

2.3.1 Phương trình vi phân cơ bản của tháp điều áp 31

2.3.1.1 Phương trình động lực học 31

2.3.1.2 Phương trình liên tục 33

2.3.2 Tính toán thủy lực tháp điều áp bằng giải tích 34

2.3.2.1 Yêu cầu tính toán 34

2.3.2.2 Tháp điều áp hình trụ khi không xét tới sức cản thủy lực 35

2.3.2.3 Tháp điều áp hình trụ khi xét tới sức cản thủy lực 36

2.3.2.4.Tháp điều áp có màng cản 39

v

2.3.2.5 Tháp điều áp kiểu có máng tràn 41

2.3.3 Phương pháp sai phân hữu hạn và ứng dụng tin học giải các bài toán chế độ không ổn định trong tháp điều áp 41

2.3.3.1 Các phương trình cơ bản 41

2.3.3.2 Phương pháp sai phân hữu hạn Ơle 43

2.3.3.3 Phương pháp sai phân hữu hạn Ơle - Côsi 44

2.4 Kết luận chương 2 44

CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ 45

3.1 Giới thiệu công trình thủy điện Khe Thơi 45

3.1.1 Vị trí công trình 45

3.1.2 Cấp công trình 46

3.1.3 Cấp động đất tính toán 47

3.1.4 Tần suất thiết kế 47

3.2 Nhiệm vụ và các thông số 47

3.2.1 Nhiệm vụ 47

3.2.2 Các thông số của công trình 48

3.2.3 Bố trí công trình 52

3.2.3.1 Đập tràn 52

3.2.3.2 Đập dâng 52

3.2.3.3 Cống xả cát 53

3.2.3.4 Đường ống xả môi trường 53

3.2.3.5.Cửa lấy nước 54

3.2.3.6 Hầm dẫn nước 54

3.2.3.7 Tháp điều áp 55

3.2.3.8 Nhà máy thủy điện và kênh xả 56

3.2.3.9 Trạm phân phối điện 56

3.3 Các yêu cầu vận hành 57

3.4 Lựa chọn và tính toán cho tháp điều áp có kết cấu bổ sung mới 57

3.4.1 Điều kiện xây dựng tháp 58

3.4.2 Tính toán 59

3.5 Phân tích kết quả tính toán 73

vi

3.6 Kết luận chương 3 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

1 Các kết quả đạt được của luận văn 75

2 Một số vấn đề tồn tại 75

3 Các kiến nghị 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

vii

DANH M ỤC HÌNH ẢNH

Hình1-1 Phương thức khai thác thủy năng kiểu đường dẫn 15

Hình 1-2 Sơ đồ đặt tháp điều áp 16

Hình 1-3 Sơ đồ dao động mực nước trong tháp điều áp 17

Hình 1-4 Tháp điều áp kiểu viên trụ 19

Hình 1-5 Tháp điều áp kiểu viên trụ có màng cản 19

Hình 1-6 Tháp điều áp kiểu hai ngăn 19

Hình 1-7 Tháp điều áp kiểu có máng tràn 19

Hình 1-8 Tháp điều áp kiểu có lõi trong 19

Hình 1-9 Tháp điều áp kiểu nén khí 19

Hình 2-1 Quá trình khởi động 22

Hình 2-2 Quá trình dừng máy 23

Hình 2-3 Quá trình tăng tải 23

Hình 2-4 Quá trình cắt tải 24

viii

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tiềm năng lý thuyết của các sông lớn 7

Bảng 1.2 Tiềm năng kinh tế kỹ thuật các lưu vực sông chính 8

Bảng 1.3 Tiềm năng kinh tế kỹ thuật của các sông lớn 9

Bảng 1.4 Danh mục các dự án nguồn điện vào vận hành giai đoạn 2011-2020 10

Bảng 1.5 Danh mục các dự án thủy điện vừa và nhỏ 12

Bảng 1.6 Tổng hợp một số công trình thủy điện đã và đang xây dựng có sử dụng tháp điều áp 14

Bảng 1.7 Thống kê các hình dạng tháp điều áp 19

Bảng 3.1 Cấp công trình 46

Bảng 3.2 Tần suất dòng chảy lớn nhất và nhỏ nhất thiết kế công trình chính 47

Bảng 3.3 Bảng các thông số chính của thủy điện Khe Thơi 48

Bảng 3.4 Mực nước tăng lên lớn nhất khi cắt tải cả hai tổ máy 61

Bảng 3.5 Tính toán mực nước thấp nhất trong tháp điều áp khi tăng tải tổ máy số 2 67

ix

DANH M ỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

BNNPTNT Bộ nông nghiệp phát triển và nông thôn

BTCT Bê tông cốt thép

BTTL Bê tông trọng lực

CVC Bê tông đầm rung

MNLTK Mực nước lũ thiết kế

MNTL Mực nước thượng lưu

MNTĐA Mực nước tháp điều áp

MNDBT Mực nước dâng bình thường

MNC Mực nước chết

MSK Medvedev-Sponheuer-Karnik (Thang động đất)

QĐ - TTg Quyết định Thủ tướng

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

TĐ Thủy điện

TTĐ Trạm thủy điện

TT Thứ tự

1

PH ẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Hiện nay, nền kinh tế nước ta đang trong giai đoạn phát triển mạnh, nhu cầu về năng lượng ngày càng lớn Việc khai thác, xây dựng các công trình thủy điện của nước ta

vẫn đang tiếp tục phát triển, nhiều ứng dụng mới và công nghệ mới được áp dụng Trong việc xây dựng, vận hành trạm thủy điện, các quá trình chuyển tiếp chế độ làm

việc tổ máy phát điện (đóng, mở, tăng, giảm, cắt tải) đều gây ra hiện tượng nước va và

có khi trị số áp lực nước va rất lớn Việc nghiên cứu giảm tác hại của nước va bằng tháp điều áp cho thủy điện đường dẫn dài vẫn liên tục được nghiên cứu, tính toán, cải

tiến, áp dụng đối với cả các trạm đã xây dựng cũng như đang và sẽ xây dựng Hiện nay, trong việc tính toán tháp điều áp, các công ty tư vấn hoặc thiết kế thường sử dụng các công thức kinh nghiệm hoặc phần mềm tính toán Tuy nhiên, kết quả tính toán có khi cho chiều cao tháp quá cao, chưa tận dụng hết điều kiện địa hình, địa chất để chọn

loại tháp, kích thước tháp hợp lý hơn, hoặc khó cải tiến hình dạng phù hợp vì trong

phần mềm không có mẫu sẵn, cần phải có công thức, mô hình hoặc công trình kiểm

chứng

2 Mục đích của đề tài:

- Nghiên cứu tổng kết các dạng tháp điều áp thường dùng

- Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích đánh giá và tính toán, đề xuất lựa chọn hình dạng, kích thước tối ưu cho tháp điều áp tương ứng với từng điều kiện cụ thể của trạm thủy điện

- Tính toán áp dụng cho một trạm thủy điện thực tế đã xây dựng để đối chứng

3 Cách tiếp cận, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Cách tiếp cận:

- Từ thực tế: Quá trình vận hành, sự cố, tác dụng của các tháp điều áp trạm thủy điện, thu thập hồ sơ thiết kế tháp điều áp các trạm thủy điện đã xây dựng

2

- Tiếp cận từ các điều kiện kỹ thuật: Tính toán ảnh hưởng nước va, dao động mực nước trong tháp điều áp, đề xuất một số hình dạng, kích thước, kết cấu để phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất và nâng cao hiệu quả của tháp điều áp

- Tiếp cận từ các điều kiện kinh tế: Giảm khối lượng xây dựng, giảm ảnh hưởng nước

va, đảm bảo khả năng vận hành của trạm thủy điện

Nội dung nghiên cứu:

- Thu thập các tài liệu đã nghiên cứu liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu về các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện

- Nghiên cứu về một số hình dạng, kích thước, kiểu loại tháp thưởng dùng

- Ví dụ tính toán với các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện

- Ứng dụng, tính toán, đề xuất hình dạng kết cấu bổ sung mới hoặc thay thế khác cho tháp điều áp

- Phân tích và đánh giá kết quả tính toán

- Thu thập tài liệu và ứng dụng cho một vài công trình thủy điện thực tế có xây dựng tháp điều áp

Phương pháp nghiên cứu:

- Điều tra, thống kê và tổng hợp

- Nghiên cứu từ cơ sở lý thuyết đến các ứng dụng tính toán cho một số hình dạng tháp thường dùng

- Tổng kết một số dạng địa hình địa chất thường gặp

- Đề xuất lựa chọn hình dạng và kích thước tối ưu cho tháp điều áp tương ứng với từng điều kiện cụ thể của trạm thủy điện

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về công trình thủy điện

Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới, có lượng mưa trung bình hàng năm cao, khoảng 1.800 - 2.000mm Với địa hình miền Bắc và biên giới miền Tây đồi núi cao, phía Đông là bờ biển dài trên 3.400km nên nước ta có hệ thống sông ngòi khá dày đặc với hơn 3.450 sông Và với điều kiện tự nhiên thuận lợi như vậy nên tiềm năng thuỷ điện

của nước ta tương đối lớn Theo tính toán lý thuyết, tổng công suất thủy điện của nước

ta vào khoảng 35.000MW, trong đó 60% tập trung tại miền Bắc, 27% phân bố ở miền Trung và 13% thuộc khu vực miền Nam Tiềm năng kỹ thuật (tiềm năng có thể khai thác khả thi) vào khoảng 26.000MW, tương ứng với gần 970 dự án được quy hoạch, hàng năm có thể sản xuất hơn 100 tỷ kWh, trong đó nói riêng thuỷ điện nhỏ có tới 800

dự án, với tổng điện năng khoảng 15 - 20 tỉ kWh/năm

Đến năm 2013, tổng số dự án thủy điện đã đưa vào vận hành là 268, với tổng công

suất 14.240,5 MW Hiện có 205 dự án với tổng công suất 6.1988,8 MW đang xây

dựng và dự kiến đưa vào vận hành trong giai đoạn 2015-2017 Như vậy, theo kế

hoạch, đến năm 2017, có 473 dự án sẽ đưa vào khai thác vận hành, với tổng công suất

là 21.229,3 MW, chiếm gần 82% tổng công suất tiềm năng kỹ thuật của thủy điện Năm 2012, các nhà máy thủy điện đóng góp 48,26% (13.000 MW) và 43,9% (tương ứng 53 tỷ kWh) điện năng cho ngành điện

Có thể nói, cho đến nay các dự án thủy điện lớn có công suất trên 100MW hầu như đã được khai thác hết Các dự án có vị trí thuận lợi, có chi phí đầu tư thấp cũng đã được triển khai thi công Còn lại trong tương lai gần, các dự án thủy điện công suất nhỏ sẽ được đầu tư khai thác

Hiện nay, ngoài các dự án lớn do EVN đầu tư, có nguồn vốn và kế hoạch thực hiện đúng tiến độ, thì các dự án vừa và nhỏ do chủ đầu tư ngoài ngành điện thường chậm

tiến độ hoặc bị dừng Lý do của tình trạng các dự án chậm tiến độ hoặc bị dừng là do;

- Nền kinh tế nước ta trong thời gian qua gặp khó khăn

- Các dự án không hiệu quả, không đủ công suất như trong quy hoạch và nghiên cứu

khả thi, hoặc chi phí đầu tư quá cao, khó khăn trong việc hoàn vốn

4

- Các dự án chủ đầu tư không đủ năng lực tài chính, hoặc chủ đầu tư không có kinh nghiệm quản lý dự án, tự thi công dẫn đến chất lượng công trình kém và thời gian kéo dài

- Một số dự án gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sinh thái, chặt phá rừng trên diện rộng, ảnh hưởng đến hạ du bị thu hồi, tạm loại ra khỏi quy hoạch

Ở nước ta, thủy điện chiếm một tỷ trọng cao trong cơ cấu sản xuất điện Hiện nay, mặc

dù ngành điện đã phát triển đa dạng hóa nguồn điện, nhưng thủy điện vẫn đang chiếm

một tỷ trọng đáng kể Năm 2014, thủy điện chiếm khoảng 32% trong tổng sản xuất điện Theo dự báo của Qui hoạch phát triển điện đến năm 2020 với tầm nhìn 2030 tỷ

trọng thủy điện vẫn còn khá cao, tương ứng là 23%

Ngoài mục tiêu phát điện, các nhà máy thủy điện còn có nhiệm vụ cắt và chống lũ cho

hạ du trong mùa mưa bão, đồng thời cung cấp nước phục vụ sản xuất và nhu cầu dân sinh trong mùa khô

Theo phân cấp của Việt Nam, các nguồn thủy điện có công suất đến 30MW thì được phân loại là thủy điện nhỏ Các nguồn thủy điện có công suất lớn hơn gọi là thủy điện

lớn

Tuy nhiên, theo Tổ chức thủy điện của Liên hiệp quốc (Small Hydropower UNIDO), thì các nguồn thủy điện có công suất từ 200 kW - 10 MW gọi là thủy điện nhỏ, còn các nhà máy có công suất từ 10 MW - 100 MW là thủy điện vừa Như vậy, theo phân loại

của Việt Nam thì thủy điện nhỏ (công suất lắp máy ≤ 30MW) đã bao gồm các thủy điện loại vừa của thế giới Điều này có nghĩa là đối với các dự án thủy điện nhỏ có công suất trên 15MW cũng cần phải chú ý thẩm định nghiêm túc về qui hoạch, thiết

kế, xây dựng và về các tác động môi trường và xã hội

Khác với thủy điện lớn, thủy điện nhỏ có qui mô nhỏ, các tác động về môi trường và

xã hội thường không lớn nên nó được xếp vào các nguồn năng lượng tái tạo Ở các công trình thủy điện nhỏ, quy mô công trình thường là đập thấp, đường dẫn nhỏ, khối lượng xây dựng không lớn, diện tích chiếm đất không nhiều và vì vậy mà diện tích

rừng bị chặt phá phục vụ công trình cũng không lớn Mỗi trạm thủy điện nhỏ thường

chỉ có 2-3 tổ máy, máy biến áp, trạm phân phối điện và đường dây tải điện 35 kV hoặc

110 kV Các nhà máy thủy điện nhỏ nếu có hồ chứa thì dung tích cũng bé hoặc không

5

có hồ chứa Nhiều nhà máy chạy bằng lưu lượng cơ bản của sông suối thông qua xây

dựng đập dâng Vì lý do đó nên thủy điện nhỏ không làm được nhiệm vụ chống lũ cho

hạ lưu

Theo đánh giá, tiềm năng thủy điện nhỏ của Việt Nam vào khoảng 4.000MW, trong đó

loại nguồn có công suất từ 100kW-30MW chiếm 93 - 95%, còn loại nguồn có công

suất dưới 100kW chỉ chiếm 5 - 7%, với tổng công suất trên 200MW

Theo phân cấp hiện nay, việc cấp phép đầu tư các dự án thủy điện nhỏ thuộc thẩm quyền của Ủy ban nhân dân các tỉnh Và cũng do qui mô nhỏ nên trong nhiều năm qua, nhiều địa phương đã buông lỏng quản lý, dẫn đến việc quy hoạch, thiết kế, thẩm định

và vận hành không phù hợp nên nhiều dự án thủy điện đã gây ra các tác động tiêu cực

về môi trường xã hội không nhỏ cho người dân xung quanh các dự án

Sự cân nhắc tính toán này phải được thực hiện đầy đủ và khoa học, trên cơ sở quyền lợi chung của cộng đồng, quốc gia và sử dụng các phương pháp phân tích tiên tiến nhất Xây dựng đập trên một con sông cũng giống như xây một xa lộ qua một vùng hoang dã, nó sẽ chia cắt môi trường thiên nhiên thành hai không gian khác nhau Trong trường hợp đập có hồ chứa để điều hòa dòng nước thì dòng chảy tự nhiên của con sông sẽ thay đổi Sự thay đổi sẽ nhiều hay ít tùy theo hồ chứa được vận hành như thế nào Khi dòng chảy tự nhiên của một con sông thay đổi, thì hệ sinh thái trong lưu vực con sông đó cũng bị ảnh hưởng và có thể mất một thời gian khá lâu mới tìm được

sự cân bằng mới, hoặc thậm chí không tìm lại được lại cân bằng ban đầu

Các dự án thủy điện thường nằm ở những vùng rừng núi nên khi xây dựng cần phải khai quang một diện tích lớn để xây các công trình như: đường sá, đập, nhà máy, đường dây dẫn điện Phần lòng hồ sẽ bị ngập nước cũng phải được khai quang, và dân cư trong vùng phải được dời đi chỗ khác Những hoạt động này sẽ ảnh hưởng lên môi trường thiên nhiên đã có sẵn trước đó và tác động lên hệ sinh thái của khu vực Đời sống của dân cư trong vùng cũng như các giá trị văn hóa lịch sử của khu vực dự

án cũng sẽ bị thay đổi hoặc biến mất hoàn toàn Để có thể đánh giá đúng đắn lợi ích của một dự án thủy điện, tất cả các yếu tố nêu trên cần được phân tích đầy đủ, kể cả những thiệt hại hay lợi ích không thể hoặc rất khó định lượng theo các chỉ tiêu giá trị

6

1.1.1 Tiềm năng thủy điện ở Việt Nam

Theo quy ước, trong quy hoạch thủy điện, phải xác định nguồn trữ năng lý thuyết, trữ năng kỹ thuật và nhất là trữ năng kinh tế

1.1.3 Trữ năng kỹ thuật

Trữ năng kỹ thuật là nguồn năng lượng mà trình độ kỹ thuật hiện nay cho phép khai thác được tại các vị trí lựa chọn Kinh nghiệm một số nước cho thấy trữ năng kỹ thuật khoảng bằng 40 – 50% của trữ năng lý thuyết

1.1.4 Trữ năng kinh tế ( hay gọi là kinh tế - kỹ thuật )

Trữ năng kinh tế kỹ thuật là nguồn năng lượng thủy điện hợp lý có thể khai thác một cách chắc chắn và kinh tế trong giai đoạn hiện tại Qua nghiên cứu một số nước cho thấy trữ năng kinh tế thường bằng khoảng 60 – 70% của nguồn trữ năng kỹ thuật Tính toán thủy năng cho các công trình dựa theo các nguyên tắc cơ bản sau đây:

Công thức tính toán cơ bản

N = 9,81 x Q x H x η (kW)

Trong đó:

N: Công suất trạm thủy điện, (kW)

Q: Lưu lượng dòng chảy qua turbin, (m3

/s) H: Chiều cao cột nước tính toán, (m)

7

η: Hiệu suất trạm thủy điện

Trong giai đoạn tính toán sơ bộ có thể dùng công thức: N = k x Q x H

k = 9,81 x ηtb x ηmf

Nước ta có tiềm năng thủy điện dồi dào và phân bố trên hầu khắp các vùng lãnh thổ Với trên 2200 sông suối lớn nhỏ có chiều dài từ 10 km trở lên, tổng tiềm năng lý thuyết nguồn thủy điện nước ta khoảng trên 300 tỷ kWh/năm, nhưng hiện nay ta mới chỉ sử dụng một phần tiềm năng thủy điện này

1.1.5 Các nghiên cứu đánh giá tiềm năng thủy điện trước đây

Theo đánh giá của trung tâm nghiên cứu và thiết kế thủy điện

Năm 1980, Trung tâm này đã nghiên cứu tính toán cho 2.171 sông suối đã xác định được trữ năng lý thuyết và kinh tế của các lưu vực ghi trong bảng 1.1 và bảng 1.2

Bảng 1.1 Tiềm năng lý thuyết của các sông lớn

STT Tên sông, khu vực Diện tích lưu vực (km 2 )

Nguồn : Trung tâm nghiên cứu và thiết kế thủy điện 1980

Trung tâm nghiên cứu và thiết kế thủy điện, thông qua việc nghiên cứu 80 công trình thủy điện đã và đang dự kiến xây dựng, xác định được khoảng 14.000MW ( bảng 1.2), điện lượng khoảng 68,917 tỉ KWh Ngoài đánh giá trên, Trung tâm còn xác định thêm tiềm năng kinh tế của 67 công trình thủy điện loại vừa, hàng năm cho điện lượng 11,579 tỉ KWh và 108 công trình thủy điện nhỏ, điện lượng khoảng 2 tỉ KWh, tổng trữ

8

năng thủy điện vừa và nhỏ khoảng 14,411 tỉ KWh Như vậy nếu kể cả thủy điện vừa

và nhỏ thì tổng trữ năng kinh tế nước ta có thể lên tới 80,466 tỉ KWh

Bảng 1.2 Tiềm năng kinh tế kỹ thuật các lưu vực sông chính

STT Lưu vực sông Diện tích lưu vực (km 2

)

Công suất lắp máy (MW)

Điện năng TB năm (10 6

Nguồn: Trung tâm nghiên cứu và thiết kế thủy điện 1980

Đánh giá của Viện Quy hoạch kinh tế điện và Công ty khảo sát thiết kế Điện I

Tiềm năng lý thuyết 300 tỉ KWh/năm, trong đó miền Bắc là 181 tỉ KWh, miền Trung

là 89 tỉ KWh, miền Nam là 30 tỉ KWh

Tiềm năng kinh tế kỹ thuật (bảng 1.3) Trong đó miền Bắc có 51 tỉ KWh, miền Trung

có 18,5 tỉ KWh, miền Nam có 10,6 tỉ KWh Tổng số các vị trí nhà máy thủy điện (theo quy hoạch thủy điện có công suất lắp máy N>10MW/trạm) là 154 nhà máy Trong đó: Loại có công suất lắp đặt > 500MW là 8 nhà máy

Loại có công suất lắp đặt 200 - 500MW có 13 nhà máy

Loại có công suất lắp đặt 50 - 200MW có 56 nhà máy

Loại có công suất lắp đặt 10 - 50MW có 81 nhà máy

Tiềm năng thủy điện nhỏ khoảng 1.600 - 2.000MW (tính với các trạm có công suất lắp đặt N<10MW/ nhà máy), với khoảng 500 nhà máy

13 6 Sông Sê Rêpok 205 3,26 623 3,57 3.269 4,1

15 13 Miền Nam (Sông

Nguồn: Viện Quy hoạch kinh tế điện và công ty khảo sát thiết kế Điện I - 1994

1.1.6 Quy hoạch phát triển điện

Theo quyết định phê duyệt quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 -

2020 thì mục tiêu về dự báo phụ tải là đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội của

cả nước Đảm bảo thực hiện tiến độ xây dựng các nhà máy thủy điện có các lợi ích

tổng hợp như: chống lũ, cấp nước, sản xuất điện, phát triển hợp lý có hiệu quả các nguồn nhiệt điện khí, đẩy mạnh xây dựng nhiệt điện than, phát triển thủy điện nhỏ, năng lượng mới và tái tạo cho các vùng sâu, vùng xa, miền núi, biên giới, hải đảo, chủ động trao đổi điện năng có hiệu quả với các nước trong khu vực, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia và phát triển bền vững

Theo đó danh mục các dự án nguồn điện vào vận hành giai đoạn 2011-2020 theo Quyết định số 1208/QĐ-TTg ngày 21 tháng 07 năm 2011 của Thủ tướng Chính phủ

10

Bảng 1.4 Danh mục các dự án nguồn điện vào vận hành giai đoạn 2011-2020

4A

10 TĐ Xekaman 3 (Lào) 250 Công ty cổ phần Việt Lào

4 TĐ Xe Ka Man 1 (Lào) 290 Công ty cổ phần Việt Lào

Công trình vào v ận hành

năm 2016

9 TĐ Hạ Sê San 2 (Cam Pu

Công trình vào v ận hành

năm 2017

Công trình vào v ận hành

năm 2018

Công trình vào v ận hành

năm 2019

2 TĐ tích năng Đông Phù Yên

Công trình vào v ận hành

năm 2020

1 TĐ tích năng Đông Phù Yên

3 TĐ Nậm Mô 1 (Nam Kan –

12

Danh mục các dự án thủy điện vừa và nhỏ theo Quyết định số 1208/QĐ-TTg ngày 21 tháng 07 năm 2011 của Thủ tướng Chính phủ

Bảng 1.5 Danh mục các dự án thủy điện vừa và nhỏ

1.1.7 Một số nhà máy thủy điện có sử dụng tháp điều áp

Công trình dẫn nước của trạm thủy điện có thể có một phần là công trình không áp (lấy nước từ hồ chứa bằng kênh dẫn hoặc đường hầm không áp) hoặc hoàn toàn là có

áp (từ cửa lấy nước từ hồ chứa được dẫn vào đường hầm có áp, đường ống áp lực) Đối với loại đường dẫn có áp hoàn toàn thì trần công trình lấy nước (cửa lấy nước) có

áp được bố trí ở cao trình sâu hơn MNC khi mực nước thay đổi nhiều Sử dụng loại công trình này cho phép tăng độ sâu công tác của hồ chứa và do đó tăng được dung tích hiệu dụng của hồ Những công trình sử dụng tuyến dẫn nước có áp thường bố trí tháp điều áp để giảm áp lực nước va do đó chi phí cho tuyến năng lượng khá tốn kém Chính vì vậy cần phải có giải pháp công trình hợp lý chọn tháp điều áp thích hợp cho tuyến năng lượng để giảm thiểu chi phí đầu tư cho công trình cũng như làm tăng hiệu quả kinh tế cho dự án

Đường kính tháp D (m) Địa điểm

Châu

1.2 Công trình tháp điều áp trong trạm thủy điện đường dẫn dài

Đối với công trình thủy điện khai thác thủy năng kiểu đường dẫn, tức là lợi dụng điều

kiện địa hình địa chất để tạo ra cột nước phát điện lớn hơn thì cột nước được tạo ra do

cả đường dẫn và đập Đường dẫn có thể là đường dẫn không áp như kênh, đường hầm không áp… hay đường dẫn có áp như đường hầm có áp, đường ống áp lực…

15

Hình1-1 Phương thức khai thác thủy năng kiểu đường dẫn 1-sông tự nhiên; 2-đập; 3-cửa lấy nước; 4-đường hầm dẫn nước; 5-tháp điều áp; 6-nhà van; 7-đường ống áp lực; 8-mố cố định; 9-nhà máy thủy điện; 10-đường dây điện Nhà máy thủy điện là công trình thủy công bên trong đó bố trí các thiết bị động lực (turbin, máy phát điện) và các thiết bị phụ trợ nhằm phục vụ công tác sản xuất điện

mặt thoáng để giảm áp lực nước va (hình 1-2) Do đó nó có tác dụng giữ cho đường

hầm dẫn nước phía trước tháp khỏi bị áp lực nước va quá lớn và nó còn làm giảm nhỏ

áp lực nước va ở phần đường ống dẫn nước từ tháp vào turbin

16

Hình 1-2 Sơ đồ đặt tháp điều áp 1- Tháp điều áp phía thượng lưu; 2- Tháp điều áp phía hạ lưu; 3- Nhà máy thủy điện; 4- Đường hầm dẫn nước áp lực; 5- Đường ống áp lực dẫn nước vào turbin

1.2.2 Nguyên lý làm việc của tháp điều áp

1.2.2.1.Trường hợp giảm tải

Khi giảm tải đột ngột lưu lượng turbin từ Qo xuống Q1 Do quán tính của dòng chảy, lưu lượng vào đường hầm dẫn nước vẫn là Qo, như vậy sẽ có một trị số lưu lượng

ΔQ = Qo – Q1 chảy vào tháp, làm cho mực nước trong tháp dâng lên dần, từ đó độ chênh lệch mực nước giữa thượng lưu (trong hồ chứa) và trong tháp giảm dần, dẫn đến

vận tốc dòng chảy giảm dần, do đó lưu lượng trong đường hầm giảm dần Nhưng cũng

do quán tính của dòng chảy, mực nước trong tháp không dừng ở mực nước tương ứng

với lưu lượng Q1 trong đường hầm mà vẫn tiếp tục dâng lên thậm chí cao hơn cả mực nước thượng lưu Sau đó, để cân bằng thủy lực nước phải chảy ngược trở lại về thượng lưu, mực nước trong tháp lại hạ xuống Nhưng cũng do lực quán tính nó lại hạ xuống quá mức nước cân bằng và dòng chảy lại chảy vào tháp Cứ như vậy, mực nước trong tháp dao động theo chu kỳ và tắt dần do ma sát Cuối cùng mực nước trong tháp dừng

ở mực nước ổn định mới ứng với lưu lượng Q1(hình 1-3)

Trường hợp giảm tải trong thiết kế thường tính với mực nước thượng lưu cao nhất và

phụ tải bị cắt là lớn nhất (thường là cắt toàn bộ công suất lớn nhất của nhà máy) để xác định mực nước cao nhất của tháp điều áp (Zmax)

17

Hình 1-3 Sơ đồ dao động mực nước trong tháp điều áp

1.2.2.2 Trường hợp tăng tải

Khi lưu lượng qua turbin tăng đột ngột mực nước trong tháp hạ xuống đến trị số Zmin

và cũng dao động theo chu kỳ và tắt dần ngược lại với trường hợp trên Trong thiết kế thường tính với mực nước thấp nhất ở thượng lưu là MNC và mức tăng tải lớn nhất có

thể xảy ra trong vận hành để xác định mực nước thấp nhất của tháp (Zmin)

1.3 Một số vấn đề đã được nghiên cứu

Các dạng tháp điều áp thường gặp như: Tháp điều áp kiểu viên trụ, tháp điều áp kiểu viên trụ có màng cản, tháp điều áp kiểu hai ngăn (có ngăn trên và ngăn dưới), tháp điều áp kiểu có máng tràn, tháp điều áp kiểu có lõi trong (còn gọi là kiểu kép hay kiểu sai phân), tháp điều áp kiểu nén khí

1.3.1 Tháp điều áp kiểu viên trụ

Tháp điều áp kiểu viên trụ (hình 1-4 bảng 1.7) là một giếng đứng hoặc nghiêng có tiết

diện không thay đổi Kiểu này có kết cấu đơn giản, dễ thi công, tính toán thiết kế cũng đơn giản Nhưng có nhược điểm cơ bản nhất là ở chế độ ổn định khi dòng chảy qua tháp tổn thất thủy lực cục bộ ở chỗ nối tiếp đường hầm và đường ống với tháp có thể

lớn, đồng thời dung tích tháp lớn, thời gian dao động kéo dài Tháp điều áp kiểu viên

trụ được ứng dụng ở các trạm thủy điện cột nước thấp, mực nước thượng lưu ít thay đổi

18

1.3.2 Tháp điều áp kiểu viên trụ có màng cản

Thực chất là tháp điều áp kiểu viên trụ (hình 1-5 bảng 1.7), nhưng nó có đặt một màng

cản ở đáy tháp để tăng thêm tổn thất thủy lực khi dòng chảy vào và ra khỏi tháp Màng

cản có thể dưới dạng lỗ cản hoặc lưới cản… làm tăng tổn thất thủy lực khi nước chảy qua nó và do đó giảm được biên độ dao động dẫn đến giảm được dung tích tháp và làm cho dao động mực nước trong tháp tắt nhanh Ngoài ra so với tháp viên trụ nó còn

giảm được tổn thất thủy lực của dòng ổn định khi qua vị trí đặt tháp Tháp điều áp kiểu này được ứng dụng ở các trạm thủy điện cột nước trung bình và mực nước thượng lưu

ít thay đổi

1.3.3 Tháp điều áp kiểu hai ngăn ( có ngăn trên và ngăn dưới )

Tháp điều áp kiểu này (hình 1-6 bảng 1.7) gồm hai ngăn và một giếng đứng, ngăn trên

và ngăn dưới có tiết diện lớn hơn nhiều so với giếng đứng Nguyên lý làm việc như sau: Khi thay đổi phụ tải, mực nước trong tháp dao động, nhưng vì tiết diện giếng đứng nhỏ, nên mực nước trong tháp thay đổi rất nhanh làm cho thời gian dao động

giảm Nhưng nếu chỉ với tiết diện đứng thì biên độ dao động sẽ rất lớn, vì vậy khi mực nước trong tháp dao động đến cao độ nhất định, do tiết diện được mở rộng rất nhiều ở ngăn trên hoặc ngăn dưới nên biên độ dao động sẽ không tăng nhanh được Như vậy tháp điều áp loại này không những đã giảm được thời gian dao động mà còn hạn chế được biên độ dao động mực nước trong tháp

1.3.4 Tháp điều áp kiểu có máng tràn

Nguyên lý làm việc tương tự như trường hợp (hình 1-6), nhưng ngăn trên có đường tràn nước Kiểu này (hình 1-7 bảng 1.7) có ưu điểm là hoàn toàn có thể khống chế mực nước cao nhất của tháp, nhưng có nhược điểm là mất một phần nước qua máng tràn,

phải bố trí đường tràn thoát nước từ tháp điều áp

1.3.5 Tháp điều áp kiểu có lõi trong (còn gọi là kiểu kép hay kiểu sai phân)

Kiểu này (hình 1-8 bảng 1.7) gồm có giếng đứng ở trong và ngăn ngoài, ở đáy giếng đứng có các lỗ thông với ngăn ngoài, nhưng các lỗ này nhỏ, khi mực nước dao động, nước không thoát từ giếng đứng ra ngoài kịp (vì các lỗ thông nhỏ) nên thay đổi mực nước nhanh, tạo ra hiệu quả giống trường hợp (hình 1-6), sau đó nước mới chảy dần qua lỗ thông để cho mực nước trong giếng và ngăn ngoài bằng nhau

1.4 Những vấn đề tồn tại và hướng nghiên cứu của luận văn

1.4.1 Những tồn tại trong quá trình xây dựng thủy điện ở Việt Nam

Với điều kiện thuận lợi về tiềm năng cùng với sự cho phép của nhà nước nên hiện nay

có rất nhiều doanh nghiệp trong và ngoài quốc doanh đầu tư vào thủy điện dưới các hình thức BOO, BOT như: VINACONEX, COMA, COSEVCO, LICOGI, … với hàng

chục công trình đã và đang được triển khai thiết kế xây dựng

Vấn đề xác định dung tích hồ điều tiết ngày đêm cùng với giải pháp công trình:

có hiệu quả kinh tế

Các công trình thủy điện có hồ điều tiết ngày đêm mới được xây dựng và vận hành được một thời gian ngắn nên chưa có được sử tổng kết, đánh giá

Việt Nam có nhiều công trình thủy điện nằm ở những vị trí rất khó khai thác, nằm khá

xa trung tâm tiêu thụ điện, trung tâm kinh tế - xã hội nên đầu tư khó khăn, vốn đầu tư cao, cho nên cần có những nghiên cứu nhằm tối ưu các hạng mục của công trình để dễ thi công, dễ quản lý vận hành, giảm giá thành xây dựng, giảm diện tích chiếm đất…

1.4.2 Hướng nghiên cứu của luận văn

Luận văn sẽ tổng hợp các phương pháp tính toán của các loại tháp điều áp thường dùng; sẽ đi sâu nghiên cứu đề xuất giải pháp kết cấu và hình dạng tháp điều áp có tiết

diện thay đổi theo độ cao nhằm mục đích ứng dụng phù hợp hơn và tính toán đối

chứng cụ thể cho trạm thủy điện Khe Thơi

Phần tính toán được thiết kế để giải hệ ba phương trình ba ẩn bằng công cụ solver trong Excel và các kết quả sẽ được kiểm tra với hồ sơ của tư vấn thiết kế

1.5 Kết luận

Qua chương 1 tìm hiểu được tổng quan về trạm thủy điện và tiềm năng phát triền thủy điện vào các năm tới

Công dụng của tháp điều áp có tác dụng giữ cho đường hầm dẫn nước phía trước tháp

khỏi bị áp lực nước va quá lớn và nó còn làm giảm nhỏ áp lực nước va ở phần đường ống dẫn nước từ tháp vào turbin

Nguyên lý làm việc và các ưu nhược điểm của một số loại tháp điều áp thường gặp như tháp điều áp kiểu viên trụ, tháp điều áp kiểu viên trụ có màng cản, tháp điều áp

kiểu hai ngăn, tháp điều áp kiểu có máng tràn, tháp điều áp kiểu có lõi trong, tháp điều

áp kiểu nén khí

độ này sang chế độ khác được gọi là quá trình chuyển tiếp

2.1.1.Quá trình khởi động

Là quá trình chuyển tiếp từ trạng thái nghỉ của tổ máy sang trạng thái bắt đầu nhận tải Sau khi nhận được tín hiệu mở máy, các công việc phục vụ khởi động được thực hiện theo một sơ đồ công nghệ định trước như: cấp nước làm mát, bôi trơn, mở các cửa van…, sau đó các cánh hướng nước được mở đến độ mở khởi động am lớn hơn độ mở không tải ax một chút (hình 2-1) đủ để mômen động lực do dòng nước gây ra trên trục turbin vượt qua trị số mômen ma sát trong các ổ trục Khi đó tổ máy bắt đầu quay và

số vòng quay tăng nhanh cho đến khi gần đạt trị số định mức n0 thì hệ thống điều

chỉnh sẽ đóng cánh hướng nước về trị số độ mở không tải ax, tại đây mômen động lực cân bằng với mômen ma sát và số vòng quay đạt được trị số định mức, tần số máy phát

bằng tần số dòng điện của hệ thống, máy phát hòa đồng bộ và đóng mạch

Sự thay đổi áp lực thủy động trong quá trình khởi động không lớn, nó được thể hiện dưới dạng áp lực nước va âm trong ống dẫn nước áp lực vào turbin

thống điện lực chưa bị cắt mạch thì số vòng quay của turbin vẫn không thay đổi và

bằng trị số định mức n0 Tại thời điểm khi mômen trên trục turbin bằng không (mômen động lực cân bằng với mômen ma sát) máy phát được cắt mạch khỏi hệ thống điện

Quá trình tiếp theo cánh hướng nước vẫn tiếp tục đóng đến hết trong thời gian ngắn, số vòng quay giảm dần do sức cản của nước (mômen trên trục turbin lúc này có giá trị

âm) cho đến khi còn lại khoảng 35 ÷ 40% thì hệ thống phanh hãm tổ máy bắt đầu làm

việc và tổ máy nhanh chóng dừng lại Các đặc trưng cơ bản của quá trình dừng máy được thể hiện trên hình 2-2

23

Hình 2-2 Quá trình dừng máy

2.1.3 Quá trình điều chỉnh công suất

Quá trình này được tiến hành tương ứng với sự thay đổi phụ tải của các hộ dùng điện trong giới hạn điều chỉnh bình thường Vùng thay đổi công suất thông thường đối với các loại turbin cũng khác nhau: đối với tâm trục khoảng 50 ÷ 100%; turbin cánh quay khoảng 25 ÷ 100%

Khi tăng tải, độ mở của cánh hướng nước được thay đổi từ độ mở ban đầu khi t = 0 (khi phụ tải ban đầu bằng 0; a0 = ax ) đến độ mở cuối cùng ac khi t = Ts, lưu lượng qua turbin tăng lên gây ra nước va âm làm giảm tạm thời cột nước công tác của turbin và

do đó làm chậm quá trình tăng công suất (tương ứng với tăng mômen), phải sau thời gian nhất định đến thời điểm tp lớn hơn thời gian điều chỉnh cánh hướng nước Ts, turbin mới đạt công suất yêu cầu cuối cùng Thời gian điều chỉnh công suất tp càng

nhỏ, quá trình tăng tải càng nhanh, điều kiện điều chỉnh turbin và công suất càng tốt Các đặc trưng của quá trình tăng tải được thể hiện trên hình 2-3

Hình 2-3 Quá trình tăng tải Quá trình giảm tải cũng tương tự như quá trình dừng máy (hình 2-2), điểm khác nhau

của quá trình này so với quá trình dừng máy là độ mở của cánh hướng nước a0 không

giảm đến độ mở không tải ax và tổ máy không cắt khỏi hệ thống điện

2.1.4 Quá trình cắt tải

Quá trình cắt tải xảy ra khi tổ máy có sự cố, thông thường là do đoản mạch trên đường dây tải điện của hệ thống điện hoặc trên các mạch của máy phát điện, khi đó tổ máy

24

đang đảm nhận phụ tải đột ngột bị các máy cắt tự động cắt khỏi hệ thống điện Sau khi

bị cắt khỏi hệ thống, mômen trên trục turbin lớn hơn mômen cản rất nhiều, số vòng quay tổ máy tăng lên rất nhanh (hình 2-4), hệ thống điều chỉnh tự động tổ máy sẽ nhận

biết ngay điều bất thường này và lập tức tiến hành tự động đóng cánh hướng nước Lưu lượng qua turbin giảm gây nên nước va dương làm tăng cột nước công tác và do

đó làm chậm quá trình giảm mômen M (trong khoảng thời gian ban đầu do hậu quả

của nước va mà mômen có thể tăng) Quá trình đóng cánh hướng nước vẫn tiếp tục và

số vòng quay turbin vẫn tiếp tục tăng và đạt giá trị cực đại cho đến khi mômen trên

trục turbin giảm về tới 0 ở độ mở am> ax và sau đó đổi dấu (mômen âm do sức cản của nước) số vòng quay bắt đầu giảm dần Quá trình đóng vẫn tiếp tục và số vòng quay

giảm cho đến khi cánh hướng nước đóng hoàn toàn a0 = 0 nhưng vẫn còn ở mức cao hơn số vòng quay định mức n0, độ mở a0 = 0 được duy trì một khoảng thời gian cho đến khi số vòng quay giảm về xấp xỉ trị số định mức n0, khi đó hệ thống tự động sẽ

mở cánh hướng nước đến độ mở không tải ax và duy trì ở đó để chuẩn bị cho quá trình đóng lại tổ máy vào hệ thống

Các đặc trưng quan trọng nhất của quá trình cắt tải là trị số áp lực nước va lớn nhất

ΔHmax và số vòng quay lớn nhất nmax Các trị số này không được vượt quá các trị số cho phép tương ứng với từng loại turbin, máy phát và đặc điểm công trình

Hình 2-4 Quá trình cắt tải

2.1.5 Quá trình quay lồng của tổ máy

tổ máy tăng lên rất nhanh và không bị hạn chế, nó sẽ nhanh chóng đạt trị số lớn nhất

mà trị số này lớn hơn nhiều so với trường hợp cắt tải, chế độ này của turbin được gọi

là chế độ quay lồng

2.2 Các tiêu chí lựa chọn tháp điều áp

2.2.1 Địa hình và địa chất

Đối với các trạm thủy điện đường dẫn, có hai phương thức dẫn nước là dẫn không áp

hoặc có áp Hiện nay khi công nghệ đào hầm được tự động hóa cao, phương án khai thác bằng đường hầm có chi phí giảm nhiều và tránh thất thoát lưu lượng hơn phương

án dẫn hở Tháp điều áp là một bộ phận không thể thiếu đối với trạm thủy điện đường

dẫn dài So với các phương án giảm áp lực nước va khác, tháp điều áp có khả năng tự động điều chỉnh dựa vào mực nước, kết cấu tháp và ma sát của nước Việc lựa chọn địa điểm xây dựng tháp điều áp cần phải căn cứ vào việc phân tích điều kiện địa hình, địa chất tuyến năng lượng trạm thủy điện

2.2.1.1 Địa hình

Căn cứ vào đặc điểm hình thái và trắc lượng địa hình có thể phân biệt địa hình nước ta thành các kiểu địa hình chính như núi, cao nguyên, đồi và đồng bằng

- Kiểu địa hình núi

Kiểu địa hình núi của nước ta bao gồm các miền núi thấp có độ cao dưới 1000m, miền núi trung bình có độ cao 1000 – 2000m, miền núi cao có độ cao trên 2000m Kiểu địa hình núi khá phổ biến và tiêu biểu cho địa hình nước ta

Kiểu địa hình núi cao trên 2000m phần lớn nằm sâu trong đất liền và vùng biên giới, đặc biệt là biên giới phía bắc từ Hà Giang đến Lai Châu, biên giới phía tây thuộc hai

tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh Tiêu biểu cho kiểu địa hình núi cao là dãy Hoàng Liên Sơn, là dãy núi cao nhất nước ta có đỉnh Phansipăng cao 3143m cao nhất bán đảo Đông

Kiểu địa hình núi thấp dưới 1000m thường gặp ở vùng liền kề với vùng núi trung bình

và vùng đồi thành một dải liên tục với các bậc địa hình cao thấp khác nhau Điển hình

của kiểu địa hình núi thấp ở nước ta là vùng Đông Bắc, khu vực Hòa Bình – Thanh Hóa – Nghệ An

- Kiểu địa hình cao nguyên

Cao nguyên là kiểu địa hình có độ cao khá lớn, bề mặt tương đối bằng phẳng, lượn sóng hoặc có các dãy đồi ở trên các miền núi và thường ngăn cách với các vùng đất

thấp bởi các vách bậc địa hình Ở nước ta thường gặp 3 kiểu cao nguyên chính là cao nguyên đá vôi, cao nguyên ba dan và cao nguyên hỗn hợp các loại đá

Kiểu địa hình cao nguyên đá vôi rất điển hình ở vùng núi phía Bắc và Tây Bắc nước

ta Các cao nguyên này thường có độ cao khá lớn, bề mặt bị chia cắt mạnh, mạng lưới sông suối thưa thớt và hiếm nước Một số cao nguyên đá vôi tiêu biểu như Đồng Văn (Hà Giang), Bắc Hà (Lào Cai) Ở Tây Bắc còn một dải các cao nguyên đá vôi có độ cao dưới 1000m là Tả Phình, Sín Chải, Sơn La, Mộc Châu

Kiểu địa hình cao nguyên ba dan có hình dạng mềm mại, bằng phẳng hơn cao nguyên

đá vôi, trên bề mặt còn di tích của các hoạt động núi lửa như các miệng núi lửa, các hố tròn, được bao phủ bởi đất badan Các cao nguyên ba dan của nước ta tập trung ở Tây Nguyên

- Kiểu địa hình đồi

Kiểu địa hình đồi ở nước ta thường gặp ở vùng giáp ranh có tính chất chuyển tiếp từ địa hình miền núi xuống đồng bằng và thường có độ cao trung bình từ 50 – 85m Địa hình đồi thuộc kiểu địa hình bóc mòn do tác động của ngoại lực đã phá hủy, xâm thực

đá gốc hoặc thềm sông, thềm biển

mặt bằng phẳng, độ cao thường không vượt quá 15m, được bồi đắp bằng trầm tích

biển, trầm tích lục địa và phù sa của các con sông lớn trên các vùng trũng bị sụt lún

Có 2 kiểu đồng bằng, đó là đồng bằng châu thổ hình thành ở hạ lưu sông lớn, chủ yếu

do phù sa sông bồi đắp Tiêu biểu là đồng bằng châu thổ sông Hồng và đồng bằng châu thổ sông Cửu Long Kiểu địa hình dải đồng bằng ven biển miền Trung có đặc điểm chung là nhỏ hẹp và dốc hơn nhiều so với đồng bằng châu thổ, ở một số nơi ven

biển còn xuất hiện các cồn cát

2.2.1.2 Địa chất

Thủy điện Huội Quảng:

Khu vực công trình có đặc điểm chung là địa hình phức tạp, núi cao độ dốc rất lớn đặc

biệt khu vực ven các suối Bề mặt tự nhiên có nhiều vách đá, xuất hiện rất nhiều những

tảng đá độc lập kích thước lớn Địa hình bị phân cách nhiều bởi các suối và các khe

suối tạo thành vách Tháp điều áp được bố trí trong khối đá tương đối nguyên vẹn (đới IIB) của khối đá bazan Đá được đặc trưng bằng mức độ nứt nẻ yếu đến trung bình có RQD = 65-70% Phạm vi lân cận hố móng tháp điều áp bị ảnh hưởng của đứt gãy IV-46 và IV-45, đứt gẫy bậc V-36 Đất đá có tính thấm yếu đến trung bình (lu=0,6-2,3), dọc theo đới kiến tạo có khi từ trung bình đến mạnh

Trường hợp này, tháp điều áp được xây dựng trong khối đá cứng tương đối nguyên

vẹn, đảm báo tốt điều kiện địa chất xây dựng

Thủy điện Khe Thơi:

Đất đá hệ tầng Huổi Nhị (S2-D1hn)

28

Thành phần của hệ tầng tại vùng dự án chủ yếu chỉ là đá phiến thạch anh - sericit, đá phiến sericit, có chỗ chứa graphit Đá có màu xám đen, xám xanh đậm, phân phiến khá

mỏng - từ vài centimet tới vài chục centimet

Đá tươi cứng chắc trung bình đến cứng chắc, nứt nẻ mạnh đến trung bình

Trường hợp này, hầm và tháp được bố trí hoàn toàn trong các lớp đá IIA, IIB cứng

chắc đến rất cứng chắc Để giảm tổn thất thủy lực phần nối tiếp giữa đường hầm và tháp điều áp, nên sử dụng loại tháp có màng cản

Thủy điện Quảng Trị:

Khu vực công trình năm tại khu vực rìa khối đá bazan đã bị phong hóa, chỉ còn lại một

lớp mỏng khoảng 10-40m thuộc đới IB Có địa tầng gồm lớp edQ+IA1 dày 22,5m, lớp

IA2 dày 1,5m, lớp IB dày đến 40m Dưới lớp phủ bazan phong hóa là các đá cát bột

kết của hệ tầng Hữu Niên có chiều dày đới phong hóa cổ (IA1+IA2) 10-15m Bề mặt

đá IIB nằm ở cao trình 390-400m

Trường hợp địa chất không được tốt lắm, cần phải có các biện pháp xử lý nền móng để đảm báo ổn định tháp điều áp

Thủy điện Sử Pán 2:

Công trình nằm trên 2 loại đá chính: đá granit cứng chắc phức hệ YeYeSun và đá biến

chất thạch anh biotit bị granit hóa hệ Sinh Quyền (hệ tầng Lũng Pô)

Khu vực nền là đá biến chất điều kiện địa chất kém hơn do sự xuất hiện của một loạt các hệ thống đứt gẫy theo phương á kinh tuyến cắt chéo qua tuyến

Tương tự như trường hợp trên, khi nền địa chất không được tốt và gặp các đới đứt gãy

phải đề phòng có nước ngầm, bố trí thiết bị thoát nước

29

đất Cường độ đá giảm mạnh Đá cấp IV chiếm 60% đá cấp III chiếm 40% Đá IB đá đới phong hóa vừa, nứt nẻ mạnh, màu sắc biến thành màu nâu vàng do sự phá hủy của thành phần Fensphat và các khoáng vật màu yếu khác Một số rất nhỏ đã biến thành đất Cường độ đá giảm mạnh Đá cấp III chiếm 40% đá cấp II chiếm 60% Đá IIA đá đới phong hóa nhẹ, nứt nẻ trung bình, mặt nứt biến màu nhẹ Lõi đá màu xám sáng đốm đen, cấu tạo dạng phiến, kiến trúc hạt vừa đến mịn Đá cứng chắc Đá cấp II chiếm 40% đá cấp I chiếm 60%

2.2.1.3 Nhận xét

Như vậy, qua việc phân tích các dạng địa hình địa chất thường gặp và một số trạm

thủy điện có sử dụng tháp điều áp Việc lựa chọn loại tháp không chỉ căn cứ vào cột nước phát điện; phạm vi thay đổi của mực nước thượng lưu mà còn cần phải lợi dụng địa hình, địa chất để chọn loại tháp cho phù hợp Cụ thể, khu vực xây dựng tháp có địa

chất tốt

Trường hợp địa hình cho phép, mực nước trong tháp thấp hơn nhiều so với mặt đất tự nhiên, nhà máy thủy điện đặt ngầm trong lòng núi, ta nên chọn loại tháp kiểu khí nén

hoặc loại có ngăn

Trường hợp nhà máy đặt nổi ngoài trời, tuyến đường ống áp lực đặt ngầm, căn cứ vào

sự thay đổi độ dốc mặt đất tự nhiên, ta chọn vị trí đặt tháp tại nơi có cao độ mặt đất tự nhiên tương đương cao trình mực nước cao nhất Sau đó tiếp tục phân tích kích thước

tiết diện tháp để chọn khu vực có mặt bằng đảm bảo điều kiện thi công tháp

Khi không thể đặt chìm tháp hoàn toàn, ta phải xây dựng loại tháp nửa nổi nửa chìm

Nếu có thể bố trí đường tràn, ta xây dựng loại tháp có máng tràn, nếu không có thể áp

dụng loại có ngăn trên để giảm chiều cao tháp

2.2.2 Các tiêu chí ảnh hưởng tới hình dạng, kích thước

- Căn cứ vào chiều dài tuyến đường hầm do đó địa hình thay đổi, địa chất không đồng đều

- Tháp điều áp phải đảm bảo sự điều chỉnh của tổ máy được ổn định, tức là không để

xuất hiện các tự dao động Tất cả các kích động làm mặt nước trong tháp điều áp dao

- Không cho phép không khí chui được vào đường ống dẫn vào trạm Điều đó có thể

xảy ra trong trường hợp thể tích tháp điều áp hoặc thể tích buồng dưới của nó không

đủ lớn

- Tính toán thủy lực :

+ Xác định diện tích bé nhất của mặt cắt ngang của tháp điều áp trong vùng làm việc

để thỏa mãn được yêu cầu ổn định của tháp điều áp

+ Xác định mực nước dâng lớn nhất trong tháp điều áp khi đóng turbin và mực nước

giảm nhiều nhất khi mở turbin

- Trong phần thiết kế tính toán kỹ thuật, việc lựa chọn hình dạng và kích thước tháp điều áp không thể tách rời với việc lựa chọn các bộ phận công trình trên hệ thống đường dẫn và nhà máy thủy điện Kết cấu và kích thước tháp điều áp luôn có ảnh hưởng tới trị số áp lực nước va và áp lực nước trong đường hầm dẫn nước trước tháp điều áp Trong thực tế, kích thước tháp điều áp ít ảnh hưởng tới đường kính kinh tế của đường ống dẫn nước turbin, do đó khi xác định hình thức kết cấu và kích thước tháp điều áp chỉ cần xét tới sự ảnh hưởng của chúng tới vốn xây dựng đường hầm trước tháp

- Các đại lượng biến đổi có ảnh hưởng tới vốn xây dựng công trình là biên độ dao động mực nước lớn nhất Zmax, nhỏ nhất Zmin và tiết diện Mực nước cao nhất và thấp

nhất trong tháp điều áp xác định áp lực nước trong đường hầm dẫn nước trước tháp và

vì thế quyết định vốn xây dựng đường hầm

Tiêu chuẩn đánh giá khi so sánh các phương án tháp điều áp là:

Chầm + Ctháp = min