NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU HỒ CHỨA CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Với các lý do trên, đề tài “Nghiên cứu đề xuất phương án vận hành tối ưu hồ chứa cho Nhà máy thủy điện Đồng Nai 3” được đề xuất vừa là giải pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất trong

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

,

TRƯƠNG HUY TƯỜNG

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU HỒ CHỨA CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Mã số: 60.52.02.02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ ĐÌNH DƯƠNG

Phản biện 1: PGS.TS NGÔ VĂN DƯỠNG

Phản biện 2: TS LÊ HỮU HÙNG

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc

sĩ kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 03

tháng 03 năm 2018

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hệ thống điện Việt Nam gồm có các nhà máy điện, các lưới điện, các hộ tiêu thụ được liên kết với nhau thành một hệ thống để thực hiện 4 quá trình sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng, đây là hệ thống điện hợp nhất giữa 3 miền Bắc, Trung, Nam qua đường dây siêu cao áp 500 kV Cấp điện áp truyền tải chính của

Hệ thống điện Việt Nam là 110 kV, 220 kV và 500 kV Hiện nay, tổng công suất đặt của các nhà máy điện trong hệ thống điện quốc gia khoảng 42.000 MW, trong khi phụ tải lớn nhất năm 2017 ở mức 32.340 MW, như vậy hệ thống điện quốc gia có đủ khả năng đáp ứng được nhu cầu và có dự phòng Đến năm 2020, cùng với sự gia tăng về phụ tải, dự kiến tổng công suất nguồn điện sẽ vào khoảng 65.500 MW, chính vì vậy sẽ kéo theo việc xây dựng hàng loạt các nhà máy điện Các nhà máy điện hiện hữu phải được vận hành một cách hiệu quả nhất và hệ thống lưới truyền tải cũng có kế hoạch phát triển tương ứng

Với các lý do trên, đề tài “Nghiên cứu đề xuất phương án vận hành tối ưu hồ chứa cho Nhà máy thủy điện Đồng Nai 3” được đề

xuất vừa là giải pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất trong vận hành vừa góp phần nâng cao sản lượng điện cho Nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 đóng góp vào hệ thống điện quốc gia

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu, khảo sát thực trạng sử dụng nước hồ chứa nhằm đưa

ra giải pháp vận hành kinh tế có thể áp dụng và tăng hiệu quả sử dụng nguồn nước phát điện cho Nhà máy Thuỷ điện Đồng Nai 3; Nghiên cứu, khảo sát các ràng buộc về điều tiết hồ chứa khi nhà máy thủy điện tham gia vận hành trong hệ thống điện; khảo sát những ràng buộc trong công tác điều tiết hồ chứa theo quy trình vận hành hồ chứa do Chính phủ ban hành trên hệ thống sông Đồng Nai

để từ đó đưa ra phương án vận hành vừa hiệu quả vừa đúng quy định, thỏa mãn các ràng buộc;

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Chế độ vận hành của Hệ thống điện Việt Nam; các vấn đề liên quan đến hệ thống điện mà nhà máy kết nối vào; những ràng buộc về hồ chứa theo quy trình vận hành liên hồ chứa sông Đồng Nai cũng như hồ chứa và chế độ vận hành của Nhà máy thủy điện Đồng Nai 3; chế độ thuỷ văn của Nhà máy thuỷ điện

Đồng Nai 3

Phạm vi nghiên cứu: Tính toán tìm phương thức vận hành tối ưu nhằm nâng cao sản lượng điện năng, đảm bảo đúng các quy định theo quy trình vận hành hồ chứa và yêu cầu của hệ thống điện đối với Nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa lý thuyết và thực tế: Nghiên cứu lý thuyết về các phương pháp tính toán xây dựng biểu đồ vận hành tối ưu, trên cơ sở

số liệu thực tế có được về thuỷ văn được thống kê ở các năm trước của Nhà máy thuỷ điện Đồng Nai 3, công tác vận hành thực tế của Nhà máy, những ràng buộc và vướng mắt trong vận hành hồ chứa trong việc tuân thủ quy trình vận hành hồ chứa và đảm bảo đúng các quy định để từ đó đề xuất phương án vận hành hồ chứa hợp lý nhất

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn

Luận văn đề xuất phương án vận hành một cách khoa học, hợp lý cho Nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 đáp ứng được các mục tiêu đề

ra Đề tài có tính thực tiễn cao, có thể áp dụng cho một nhà máy thủy điện thực tế là Nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 và có thể phát triển ứng dụng cho các nhà máy thủy điện khác

6 Bố cục luận văn

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan Nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán điều tiết dòng chảy để vận hành tối ưu hồ chứa của nhà máy thủy điện

Chương 3: Tính toán đề xuất phương án vận hành tối ưu hồ chứa cho nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Chương 1 TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3 1.1 VỊ TRÍ CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3

Công trình thủy điện Đồng Nai 3 nằm trên lãnh thổ 2 tỉnh Lâm Đồng và Đăk Nông

Lưu vực sông Đồng Nai đến vị trí tuyến đập có diện tích 2541

km2 vùng hồ của thuỷ điện Đồng Nai 3, có dân cư thưa thớt

1.2 NHIỆM VỤ CÔNG TRÌNH

- Góp phần giảm lũ cho hạ du;

- Góp phần tưới tiêu cho hạ du;

- Đảm bảo hiệu quả phát điện

- Lưu lượng trung bình:83.3 m3/s

- Lưu lượng lũ thiết kế (P = 0.1%):10.000 m3/s

- Lưu lượng lũ kiểm tra (P=0.02%):13.300 m3/s

1.4.2 Hồ chứa

Hồ chứa là nơi tích nước để tạo năng lượng cho tổ máy hoạt động

- Mực nước dâng bình thường: 476 m

- Kích thước cửa van:14x17,5m

- Lưu lượng thiết kế tại mức nước dâng bình thường: 10.188 m3/s

1.4.5 Cửa nhận nước

- Cao trình ngưỡng: 456.5m

- Số khoang: 2

a Cửa sửa chửa

- Loại cửa van: Dưới sâu

- Khoảng thông thủy: 8,0 m

- Trọng lượng cửa van: 47,049 tấn

b Cửa vận hành

- Loại cửa van: Dưới sâu

- Số lượng cửa van: 1

- Chiều rộng thông thủy: 8m

- Lưu lượng thiết kế: 78,4 m3/s

- Lưu lượng lớn nhất 1 tổ máy:215 m3/s

1.5 SƠ ĐỒ NỐI ĐIỆN CHÍNH NHÀ MÁY

- Sử dụng sơ đồ tứ giác, công suất điện được truyền tải từ 2 máy phát với điện áp đầu ra 15,75 kV qua 2 máy cắt 901 và 902, dao cách

ly đầu cực, đến 2 máy biến áp chính T1, T2 tăng áp lên 230 kV và đến hệ thống thanh cái trạm phân phối điện C21, C22, C23, C24 Từ

thanh cái C23, C24 nối đường dây đến trạm 500 kV Đắk Nông qua 2 đường dây 273 và 274

Công suất phát của tổ máy phụ thuộc lớn vào lưu lượng, chiều cao cột nước

PTĐ = 9,81.η.(Htl – Hhl) Q

Hình 1.8: Đặc tính tua bin thủy điện Đồng Nai 3

Ứng với một mức công suất phát cố định mà chiều cao cột nước

có xu hướng thấp dần thì yêu cầu lưu lượng nước chạy máy phải tăng lên và ngược lại Ở các nhà máy thuỷ điện chạy bằng lưu lượng như Thác Bà, Đồng Nai 4, Đồng Nai 5, Trị An việc thay đổi cột nước từ mực nước dâng bình thường đến mức nước chết là không nhiều Nên việc phát công suất định mức của tổ máy cũng ít phụ thuộc vào trị số này Do vậy, những tổ máy này vẫn phát được công suất cực đại khi

1.6.3 Vận hành theo biểu đồ đặc tính hồ chứa

Hình 1.9: Biểu đồ vận hành hồ chứa thủy điện Đồng Nai 3

- Vùng I (Vùng cung cấp nâng cao): Khi mực nước trong hồ chứa nằm trong vùng này, nhà máy thủy điện được phát với công suất cao hơn công suất đảm bảo trong thời kỳ đó để tranh thủ sản xuất điện, tiết kiệm nhiên liệu cho hệ thống, tránh xả thừa

- Vùng II (vùng cung cấp đảm bảo): trong bất kỳ thời điểm nào mực nước hồ nằm trong vùng cung cấp đảm bảo nhà máy thủy điện cung cấp cho hệ thống năng lượng đảm bảo

+ Nếu mực nước hồ thấp hơn giới hạn dưới của vùng này phải giảm công suất phát để đưa mực nước hồ về giới hạn dưới vùng này + Nếu mực nước hồ cao hơn giới hạn trên của vùng này, được phép tăng công suất phát để đưa mực nước hồ về đường giới hạn trên của vùng này

- Vùng III (vùng cung cấp hạn chế 90% mức đảm bảo): trong bất

kỳ thời điểm nào mực nước hồ nằm trong vùng này, nhà máy thủy điện sử dụng lưu lượng bằng 90% lưu lượng đảm bảo để phát điện

- Vùng IV (vùng cung cấp hạn chế 80% mức đảm bảo): trong bất

kỳ thời điểm nào mực nước hồ nằm trong vùng này, nhà máy thủy điện sử dụng lưu lượng nhỏ hơn hoặc bằng 80% lưu lượng đảm bảo

b Nguyên tắc vận hành trong mùa cạn:

- Vận hành theo các thời kỳ và theo thời đoạn 10 ngày

c Vận hành hồ chứa Đồng Nai 3:

- Hàng ngày, hồ Đồng Nai 3 vận hành xả nước với lưu lượng trung bình ngày không nhỏ hơn:

+ 50 m3/s đối với thời kỳ I (từ 01/12 đến 30/4)

+ 45 m3/s đối với thời kỳ II (từ 01/5 đến 30/6)

1.6.5 Vận hành điều tiết lũ

a Quy định về thời kỳ lũ:

- Quy định về mùa lũ: Mùa lũ được định nghĩa bắt đầu từ ngày 1/7 đến ngày 30/11 hàng năm

b Nguyên tắc vận hành giảm lũ cho hạ du

c Quy định về mực nước vận hành hồ trong mùa lũ:

d Vận hành giảm lũ cho hạ du đối với hồ Đồng nai 3:

e Vận hành đưa mực nước hồ Đồng Nai 3 về mực nước cao nhất trước lũ:

f Vận hành đảm bảo an toàn công trình

g Tích nước cuối mùa lũ

1.7 KẾT QUẢ SỐ LIỆU VẬN HÀNH TRONG QUÁ KHỨ

Căn cứ số liệu thủy văn được thống kê từ năm 1978 đến năm

2017, ta có thể xác định được năm kiệt, năm nước về trung bình và năm nhiều nước Bảng số liệu thống kê như sau:

Năm 2016: năm nhiều nước với Qv = 78,7 m3 với tổng lưu lượng

Hệ thống điện Quốc gia

- Hồ chứa thuỷ điện Đồng Nai 3 có dung tích trung bình nên có khả năng tích nước vào mùa mưa và phát điện vào mùa khô năm sau

Do đó, hồ thủy điện Đồng Nai 3 là hồ điều tiết dài hạn hoặc điều tiết năm

- Trên thực tế hồ chứa Đồng Nai 3 được vận hành dựa trên mức nước hồ theo bảng đồ điều phối hồ chứa và vận hành theo quy trình liên hồ chứa sông Đồng Nai Do đó, về mặt điều tiết hồ chứa chưa thật sự rõ ràng và chưa tối ưu Qua số liệu thực tế vận hành cho thấy, nhiều năm vẫn có nước xả còn lớn và thời gian vận hành ở mực nước thấp cũng như vận hành hồ chưa đến mực nước chết vẫn còn nhiều dẫn đến hiệu quả sử dụng nước không cao

Với những hạn chế trên, đề tài sẽ nghiên cứu tính toàn điều tiết tối

ưu hồ chứa nhằm nâng cao hiệu quả vận hành của Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3 cho năm nước về kiệt, năm nước về trung bình và năm nước về nhiều

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT DÒNG CHẢY ĐỂ

VẬN HÀNH TỐI ƯU HỒ CHỨA CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

2.1 ĐIỀU TIẾT HỒ CHỨA

2.1.1 Điều tiết lưu lượng nướctheo nhu cầu công suất của nhà

máy thuỷ điện

Hình 2.1: Sự biến đổi của lưu lượng nước và công suất điện phụ

tải trong năm (a) và trong ngày (b)

Có thể tận dụng tối đa khả năng tích nước của hồ, điều tiết lại

dòng chảy nhằm đáp ứng tốt nhất cho nhu cầu phát điện Hồ càng lớn

thì hiệu quả điều tiết càng cao

2.1.2 Phân loại điều tiết

a Phân loại theo thời gian

b Phân loại theo tính chất điều tiết

Theo tính chất điều tiết người ta chia ra làm hai loại: điều tiết

ngắn hạn và điều tiết dài hạn Trong đó điều tiết ngày và điều tiết

tuần tương ứng với điều tiết ngắn hạn, điều tiết năm và điều tiết nhiều

năm tương ứng với điều tiết dài hạn

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ VẬN HÀNH

TỐI ƯU HỒ CHỨA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

2.Các điều kiện ràng buộc

a- Các đường cong quan hệ:

+ Lưu lượng vận hành: Qmin ≤ Q(t) ≤ QTmax

+ Mức nước thượng lưu: Zmin(t) ≤ Z(t) ≤ Zmax(t) ; (2.3) + Giới hạn công suất phát: PTĐmin(t) ≤ PTĐ(t) ≤ PTĐmax(t)

+ Giới hạn điện năng theo yêu cầu cung cấp :

 Các phương pháp giải

a Phương pháp quy hoạch động rời rạc

Bài toán được minh họa theo sơ đồ hình học, ta nhận thấy chu kỳ tính toán T được chia ra làm N khoảng (tại các điểm chia t =0, t, t ,

tl r x

Q dt

, TN=T) Số thứ tự khoảng được lấy trùng với điểm chia cuối khoảng Mức nước hồ được rời rạc hóa thành M mức tại các giá trị Z1

= Zch, Z2, Z3, , ZM = Zdbt

Nếu NMTĐ vận hành theo mức nước này thì sản lượng điện năng

cả năm đạt cực đại qua đó ta chọn biến điều khiển là mức nước thượng lưu trong hồ, có thể mô tả thành việc tìm một quỹ đạo mức nước trên mặt phẳng (Z,t) sao cho nếu nhà máy thủy điện vận hành theo mức nước này thì sản lượng điện năng cả năm sẽ là cao nhất

- Dựa vào đặc tính thể tích của hồ ta tính được thể tích nước trong

hồ tương ứng tại ti-1 và ti là Vi-1 và Vi Từ đó ta tính được ΔVi = Vi

i tli ri si

i

t

V Q Q

- Tính mức nước thượng lưu trung bình trong khoảng thời gian

b Phương pháp quy hoạch phi tuyến (QHPT)

Bài toán điều tiết dài hạn dòng chảy theo phương pháp QHPT cần thiết phải rời rạc hóa biến thời gian Các biến còn lại được xác định tại các điểm chia tính toán và có thể nhận mọi giá trị trong phạm vi

có thể Như vậy vẫn sử dụng mô hình hàm mục tiêu (2.5), phương trình cân bằng nước dạng (2.6) và (2.7), nhưng mức nước có thể biên thiên liên tục

Như vậy trong trường hợp chung, hàm mục tiêu (2.5) chứa 2N biến độc lập:

E

1

max ).

.(

.

Các ràng buộc (2.13) - (2.15) tương ứng với i = 1, 2, , N

2.2.2 Phương pháp tính toán vận hành theo đặc tính hồ chứa

Phương pháp theo đặc tính hồ chứa là vận hành hồ chứa theo trạng thái thực của hồ, có nghĩa dựa vào dự báo thuỷ văn ngắn hạn và mức nước hồ

Hình 2.7: Đường đặc tính hồ chứa

Hàm mục tiêu tính toán của phương pháp đặc tính hồ chứa chính

là sản lượng điện năng trong chu kỳ tính toán:

E = ∫ P(t)dt T

0

Biểu thức P trong hàm mục tiêu có dạng:

P = 9,81.η.(Z – Zhl – ΔH).Q

Quá trình làm việc của hồ chứa thủy điện được thể hiện qua phương trình cân bằng nước:

Qpđ = Qđến ± Qhồ – Qxả – Qtt – Qkh

Giải phương trình cân bằng nước, xác định các giá trị lưu lượng (phát điện, xả, tích vào hoặc lấy từ hồ…) và các thông số hồ chứa (dung tích, mực nước của hồ chứa trong mỗi thời đoạn tính toán), được tiến hành bởi việc điều tiết dòng chảy

2.2.3 Phương pháp đồ thị

a Đường cong luỹ tích

Đường cong luỹ tích là quan hệ giữa tổng lượng nước của dòng chảy tính từ một gốc thời gian nào đó đến thời điểm được xét với khoảng thời gian đã trôi qua

Tổng lượng nước của dòng chảy tính từ thời điểm 0 đến thời điểm

t là:

𝑉(𝑡) = ∫ 𝑄(𝑡) 𝑑𝑡𝑡

0

Q(t): là lưu lượng nước của dòng chảy

b Đường cong luỹ tích trong hệ toạ độ xiên

Thực chất việc biểu diễn đường cong luỹ tích V(t) trong hệ toạ độ xiên góc tương đương với việc biểu diễn đường cong V’(t) trong hệ toạ độ vuông góc thông thường:

𝑉′(𝑡) = ∫ Q(t)dt − Qt 0 t = V(t) −

0

Q0 t Trong đó: Q0 là trị số lưu lượng nước trung bình của dòng chảy trong chu kỳ một năm

Hình 2.8: Đường cong luỹ tích trong hệ toạ độ vuông góc (a), hệ toạ

độ xiên (b)

c Cách vẽ biểu đồ tỷ lệ xích hình tia

Xuất phát từ một điểm O trên cùng mặt phẳng với đường cong lũy tích vẽ một đường thẳng nằm ngang và một tia song song với trục hoành xiên góc Qua điểm cuối của đoạn thẳng nằm ngang dựng một đường thằng đứng, cắt đường thẳng xiên góc tại O’ Đường thẳng này được dùng làm trục tọa độ tính trị số lưu lượng nước (do chiều dài tính từ O’ tỉ lệ với (tgα+tgβ) = Q0 + Q(t))

Hình 2.9: Độ dốc tiếp tuyến với đường cong luỹ tích (a) và biểu

- Tính lưu lượng nước trung bình Q0theo năm;

- Chọn tỉ lệ xích và vẽ trục tung (tính tổng lượng nước) và trục nằm ngang (tính thời gian);

- Dựa vào Q0 vẽ trục hoành xiên góc;

- Xuất phát từ gốc thời gian vẽ nối tiếp các đoạn thẳng có độ nghiên tỉ lệ với lưu lượng nước trong mỗi đoạn

Hình 2.10: Xây dựng đường cong lũy tích theo chuỗi lưu lượng nước,

vẽ theo số liệu lưu lượng nước trung bình tháng, cho trong bảng

chuỗi thủy văn 1 năm