Nghiên cứu xây dựng thuật toán và phần mềm tính toán thủy lực trạng thái không ổn định dọc tuyến năng lượng công trình thủy điện ở việt nam
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (45.85 MB, 181 trang )
BO GIAO DUC VA DAO TAO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XAY DUNG
BáO CáO TỔNG KẾT
ĐÊ Tải KHO&đ HỌC Vũ CÔNG NGHỆ CấP BỘ
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TỐN VÀ PHẦN MỀM TÍNH TỐN THỦY
LUC TRANG THÁI KHƠNG ỔN ĐỊNH DỌC TUYẾN NĂNG LƯỢNG
CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM
MG số: B2010 - 03 - 70
Chủ nhiệm đề tài:
Ths. Pham Thanh Nam
HA NOI, THANG 6/2011
THANH VIEN THAM GIA NGHIEN CUU DE TAI
VÀ ĐƠN VỊ PHĨI HỢP CHÍNH
Thành viên tham gia nghiên cứu đề tài
+ ThS. Phạm Thành Nam, chủ nhiệm đề tài, Trưởng bộ môn thủy lực - thủy
văn, trường Đại học xây dựng:
+ PGS. TS. Nguyễn Thượng Bằng. tham gia nghiên cứu. Phó trưởng bộ môn
xây dựng thủy lợi - thủy điện, Viện trưởng Viện Khoa học và Cơng nghệ Cơng
trình thủy. trường Đại học xây dựng:
+ PGS. TS. Hồng Đình Dũng, tham gia nghiên cứu, cán bộ giảng dạy bộ môn
xây dựng thủy lợi - thủy diện. trường Đại học xây dựng:
+ KS. Nguyễn Đức Hạnh, tham gia nghiên cứu, cán bộ giảng dạy bộ môn xây
dựng thủy lợi - thủy điện, trường Đại học xây dựng:
+ KS. Phạm
Đức Cường, tham gia nghiên cứu, nghiên cứu viên, Viện Khoa
học và Công nghệ Cơng trình thủy, trường Đại học xây dựng.
Đơn vị phối hợp chính
Viện Khoa học và Cơng nghệ Cơng trình thủy - trường Đại học xây dựng.
CC
NG
;
“2
-
—
=
THƯ VIÊN
( TRƯỜNG ĐAII
ko
MUC LUC
M.9)s:8110/98:79)/65:1120 0005... ................... 5
IM.\)28(0/98:)))):0/Tm.............................,Ô 6
IMj.9)58116/99:10011200-900017.
7 .................,ÔỎ 8
THÔNG TIN KÉT QUẢ NGHIÊN CỨU...........................---22 £+©++£tE+++ttr+++ttrxertrrerrrrr 10
INFORMATION ON RESEARCH RESULLTS...........................----2-2++2+++zetrvexeeeeee 12
(1270000575 —....................ƠỎ. 14
e:i/eicm ...............ƠƠ.
YEU CAU THUC TE VE TÍNH TỐN CHÉ ĐỘ KHÔNG ÔN ĐỊNH...
1.1
Một số hư hỏng và sự cố tuyến năng lượng của TTĐ.......................--------«-cc-«-ee
1.1.1
Hư hỏng và sự cố đường dẫn khơng áp.........................---.-----------©c+++ccxercxrrreeeee 17
1.1.2
Hư hỏng và sự cố đường dẫn có áp.......................-------+25+©c+++rxvrrerkxerrxrrrxerrkerrkee 19
1⁄2
Yêu cầu về thiết kế và vận hành TTĐ đường dẫn ở nước ta ..........................--------PHƯƠNG PHÁP LUẬN VỀ DÒNG KHƠNG ƠN ĐỊNH THAY ĐƯI GÁP..................
2.1
Một số kiến thức cơ bản về dịng khơng ổn định..........................-------+-c«+e+cccsee
2.1.1
Các dạng chuyển động của chất lỏng trong kênh hở.........................---------°<2
22
57
27
27
2.1.2
Cac loại sóng chuyển động khơng ổn định trong kênh hở............................------- 28
2.1.3.
Phương trình vi phân cơ bản của dịng khơng ổn định...........................------------+ 31
2.1.4
Sơ lược các phương pháp giải phương trình Saint Venant .............................
---
2.2 _ Dịng khơng ỗn định thay đổi gấp trong kênh hở - Sóng gián đoạn...
2.2.1
Sự hình thành sóng gián đoạn.................................-----------+<<<<+<+eeeteresetrsrsrrerrrseeere
2.2.2
Các phương trình cơ bản của sóng gián đoạn ..............................--------------+5
2.2.3
Sóng trong kênh dẫn của trạm thuỷ điện.............................---------2-cc-s©ccsserxrereeee 41
2.3
Nước va trong đường Ống áp lựC.........................--------©-++©c++++r+e+rrxeerrxeerrxserreerrrxee 43
2.3.1
Hiện tượng nước va (Water Hammer) trong đường ống áp lực........................-- 43
2.3.2
Cơ sở lý thuyết của hiện tượng nước va
2.3.3
Vận tốc truyền sóng nước Va..........................................e-ccccscecceesecrerrrsrressrrrree
2.3.4
Nước va trực tiếp và nước va gián tiẾp.......................--------+-©+++c+everxererxerrrxerrrrree 47
2.3.5
Hệ phương trình vi phân cơ bản.........................--------5-555s 5+ S+s*s*eeetesetesrsrsrsrsrsrsre 50
2.3.6
2.3.7
Giải hệ phương trình vi phân cơ bản.......................---------+©++++ecxeerrrxeererrxeeeee 52
Điều kiện ban đầu và điều kiện biên
2.3.8
Phương pháp giải tích tính tốn áp lực nước vVa.........................----------+-s+x+xeeeeeeees 57
2.4
Dao động mực nước trong GĐA..................................ccces2221562551159520181011233411125151150 61
2.4.1.
Nhiệm vụ và nguyên tắc làm việc của GĐA........................-----¿--+ce+ccrxesrerkeerrrree 61
2.42 — Phân loại GĐAÁ¡.:.:............cc..ceeKieeeiVeeei-eiiieii.escsrdrscoloslE
TSETTTEUVETTESN 63
2.4.3.
Hệ phương trình vi phân cơ bản............................--¿--5+ +52 ++*++*E#E+£esteterrerseereeree
2.4.4
Điều kiện ban đầu và điều kiện biên....
2.4.5
Phương pháp giải...................................-----5-5552
11111401 1k re
CHUNG
ái la b0 Ai ta ngàng B268 0018103 0A30149631485546005191231618116304Exs3833056ssxxseSS
TT
THUẬT TỐN TÍNH TỐN DỊNG KHƠNG ƠN ĐỊNH THAY ĐƠI GÁP.............. 74
3.1 _ Thuật tốn tính sóng trong kênh:................................
---- «+ + + +#++E£zEeeeexrsersezerrrrsrrereree 74
3.1.1
Sơ đồ khối tính sóng trong kênh của TTĐ........................----2-+©+++tz+e+zrxerrrrerxee 74
3.1.2
Thuật tốn tính sóng trong kênh của TTD ...
eS.
Bieber
15
G5220 G2 GGGGGGGQGSGKGESSGASSSAOMQGSUSSSASNEEC 95
3.2 _
Thuật tốn tính nước va trong đường ống áp lực..........................-------+-sss+zxe+exeee 98
3.2.1
Sơ đồ khối tính nước va trong đường ống ỏp lc.......................------------s-âc-ôcee 98
3.2.2 _
Thut toỏn gii bi toỏn ỏp lc nước vVa..........................----5-5 5< S*s+etererrrrestrrrersee 99
3.2.3
Trình tự giải bài tốn áp lực nước va
3.3 _
Thuật tốn tính tốn dao động mực nước trong GA
..........................----------s<<<
3.3.1
Sơ đồ khối tính dao động mực nước trong GĐA...........................---------«+c-+se++ 109
3.3.2 _
Thuật tốn tính dao động mực nước trong GA .........................---- -------<<-
3.3.3 — Trình tự giải.....................................................
CHƯƠNG Á. . . . ciiieiassesssssrdtxevoblllLU0S7TTEUETETTEEETESTT-ET.111572y.1xe 120
XÂY DỰNG CHUONG TRINH TINH TOAN DONG KHONG ON ĐỊNH THAY
DOI GAP TRONG TUYẾN NĂNG LƯỢNG TRẠM THỦY ĐIỆN ĐƯỜNG DÄN.... 120
4.1
Tên chương trình
4.2
Giao diện của chương trình.............................----s<< + sx vs vn g1
re 120
4.3
Nền tảng ngơn ngữ lập trình...............................---2+++©++e+trxeerkeerrrerrkrrrkerrkerrrrree 125
44C
TÁCBiẢ:”...
4.5
Một số nhận xét sau khi lập trình và chạy thử............................-----+ «+ «sxeerxeerxe 125
CHƯƠNGŠs
c7
coi
TT
KIÊM ĐỊNH CHƯƠNG TRÌNH...
LAN
1
7x77 7 c4 co ctànntarooikisrsisAtinioeekidisissetskeke 125
T1 1111172 12-ccnnegenhghgHong HỆ nh
VN H5 1885050048078 060808 0. 128
„. 128
...............
oem ce ennoeecneeecnnseennsecanenndichintstnanunsaanbonsevensayn 132
5.1.1
Céng trình thủy điện Suối Tráng.................................--------©+++©c+xescrrxeerrrxererrkee 132
5.12
Cơng trình thủy điện Nậm CÍ...............................-----+-©c+e+ecrxerrrkerrrrkrrrrrrkrrrrree 133
5.1.3
Cơng trình thủy điện Xêkaman 3 ..................................
--- 5 <5 << xxx 9 9 1 ve ee 134
5.1.4
Cơng trình thủy điện Sơng Hinh..................................
-- - 5< «5< + kg. 11g gxx veere 135
5.2 __ So sánh kết quả tính tốn .............................---2-2 ©+++©++++E++xtEErxetErxrtrrrerrrrrrrrrrerrre 136
5.2.1
cổ
ao...
.
. .................
136
522
Kết quả tính áp lực nước va tại mặt cắt cuối ống...
.. 136
5.2.3
Kết quả tính mực nước trong GĐA..........................----2-2©++++++vtrvetrrrxerrrrrrrrr 138
KẫT LUN V KIN NGH..............................-2-2-đâ++ÊÊE++eÊE++tEEEEtEErEetrrxrrtrrrrrrrrrrrrrree 140
TI LIU THAM KHO...........................----22++cc22t+eeEEEtrzvrrrree ".....
142
EHU DỤC xa sxc t2: kỆng hd Dognaisatouilnlkdgaahsgidobpisibietssoiaasaslisgafatassmiad-S58 144
BẢN SAO THUYÉT MINH ĐỀ TÀI.............................-2-22©2S££+e£EEetEEEetEExetErxerrrrrerrrrree 174
DANH MUC BANG BIEU
TT
Bang 2.1
Bang 2.2
Bang 2.3
Bang 5.1
Bang 5.2
Bang 5.3
Tén bang biéu
Trang
Sự phản xạ của sóng tại vật cản rắn
30
Sự phản xạ của sóng tại hồ chứa
30
Mơ đun đàn hồi của vật liệu làm ống và chất lỏng
46
So sánh kết quả tính sóng trong kênh khi cắt 100% phụ tải
128
So sánh kết quả tính tốn áp lực nước va tại cuối ống khi cắt
100% phụ tải
So sánh kết quả tính đao động mực nước trong GĐA khi cắt
100% phụ tải
129
129
DANH MỤC HÌNH VẼ
TT
Tên hình vẽ
Hinh 1.3
Hư hỏng kênh dẫn thủy điện Nậm Má
Sự cố Kênh dẫn nước thủy điện Đăk NRung I
Lắp đặt van giảm áp tại thủy điện Nà Lòa
Hinh 1.4
Đường ống áp lực TTĐÐ Đa Nhim
Hinh 1.5
Đường ống áp lực TTĐ Vĩnh Sơn
Hinh 1.6
Tháp điều áp TTĐ Vĩnh Sơn
Hinh 1.7
GDA 6 TTD Hàm Thuận
Hinh 1.1
Hinh 1.2
Hinh 1.9
Thap diéu 4p TTD Khe Dién
Giéng diéu 4p TTD Nam Chién (dang thi cơng)
Hinh 2.1
Các loại sóng trên kênh hở
Hinh 2.2
Phân loại các phương pháp số giải phương trình Saint-Venant
Hinh 2.3
Lưới sai phân
Hinh 2.4
Sơ đồ các loại sóng gián đoạn
Hinh 2.5
Sự suy thối đầu sóng của sóng âm
Hinh 2.6
Sóng gián đoạn do mở đột ngột cửa van
Hinh 2.7
Dòng ổn định trong chuyển động tương đối
Hinh 1.8
Hinh 2.8
Sự hình thành và phát triển sóng xả đương trên kênh có ma sát
Hinh 2.9
Sơ đồ chuyển động của mặt sóng
Hinh 2.10
Nước va trong đường ống đàn hồi
Hinh 2.11
Sơ đồ truyền sóng nước va khi tuốc bin đóng từ từ
Hinh 2.12
Sơ đồ tính tốn nước va gián tiếp
Hinh 2.13
Sơ đồ đường đặc tính
Hinh 2.14
Sơ đồ tính tốn nước va tại các mặt cắt trung gian
Hinh 2.15
Đồ thị dao động mực nước trong GĐA.
Hinh 2.16
Một số loại GĐA.
Hinh 3.1
Sơ đồ khối tính sóng trong kênh động lực của TTĐ
Hinh 3.2
Mơ phỏng tính tốn sự dịch chuyền của sóng nghịch dương
Hinh 3.3
Quan hệ mực nước - thời gian sóng dương
Hinh 3.4
Mơ phỏng tính tốn sự dịch chuyển của sóng nghịch âm
Hinh 3.5
Quan hệ mực nước - thời gian sóng âm
Hinh 3.6
Sơ đồ khối tính tốn áp lực nước va
Trang
18
19
21
24
24
25
25
26
26
29
34
35
36
37
37
38
41
42
47
48
51
53
60
62
64
74
79
86
87
95
98
Hình 3.7
Quan hệ độ mở cánh hướng dịng theo thời gian đóng (mở)
Hình 3.8
X4y dung biéu dé Q' = f(t)
Hinh 3.9
Sơ đồ khối tính tốn dao động mực nước trong GĐA.
104
105
109
DANH MUC CHU VIET TAT
Chiều dày thành ống
Trọng lượng riêng của chất lỏng
Hệ số tơn thất dọc đường
Đặc tính qn tính của đường ống
Hệ số lưu lượng
Diện tích tiết diện kênh
Hệ số tổn thất cục bộ
Hệ số đặc tính biến dạng của thành-ống
Mô đun đàn hồi của chất lỏng, Sai số tương đối
Số m
Pha nước va
Hệ số đặc trưng đường ống
Độ mở cánh hướng dòng
Chiều rộng
Bể áp lực
Hệ số Chezy, Vận tốc truyền sóng
Đường kính ống
Đường kính bánh xe cơng tác tuabin
Mô đun đàn hồi của vật liệu làm ống
Diện tích tiết diện Ống, tiết diện hầm
Gia tốc trọng trường
Độ sâu dòng chảy
Cột nước
Tổn thất thủy lực
Độ đốc đọc đáy kênh
Độ dốc mặt nước
Chiều dài kênh, chiều dài đường ống
Khối lượng, mái đốc kênh
Độ nhám
LH
Z
Y®%
Cơng suất lắp máy
Áp lực
Lưu lượng dịng chảy
Bán kính thủy lực
<
Vận tốc dịng chảy trung bình, vận tốc địng chảy tức thời
N
Thời gian
Mực nước
BTCT
Bê tơng cốt thép
Giếng điều áp
MNC
Mực nước chết
MNDBT
Mực nước dâng bình thường
MNG
Mực nước trong giếng điều áp
Mực nước thượng lưu
NMTĐ
Nhà máy thủy điện
PP PTHH
Phương pháp phân tử hữu hạn
PP SP
Phương pháp sai phân
TL-TD
Thủy lợi — thủy điện
TID
Trạm thủy điện
BQ GIAO DUC VA DAO TAO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
THONG TIN KET QUA NGHIEN CUU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài:
Nghiên cứu xây dựng thuật tốn và phần mềm tính tốn thủy lực
trạng thái khơng ổn định dọc tuyến năng lượng các cơng trình
thủy điện ở Việt Nam
- Mã số: B2010 - 03 - 70
- Chủ nhiệm: THs. Phạm Thành Nam
- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học xây dựng
- Thời gian thực hiện: 12 tháng (từ 6/2010 đến 6/2011)
2. Mục tiêu:
- Xây dựng thuật tốn giải hệ phương trình vi phân cơ bản của dịng chảy khơng
ổn định thay đổi gấp trên tuyến năng lượng của TTĐ (từ công trình lấy nước
đến kênh xả của nhà máy thủy điện).
- Viết chương trình tính tốn, phần giao diện và thiết lập phần mềm tính tốn.
- Kiểm nghiệm phần mềm qua các cơng trình thực tế.
-Ung dung phan mềm vào thực tế sản xuất và phục vụ đào tạo.
3. Tính mới và tính sang tao:
- Theo quy hoạch phát triển nguồn điện trong Tổng sơ đồ VI (quy hoạch phát
triển hệ thống năng lượng Quốc gia đến năm 2015 có xét đến triển vọng năm
2025), hàng trăm trạm thủy điện kiểu đường dẫn ở nước ta sẽ được thiết kế và
xây dựng.
- Tat cả các TTĐ kiểu đường dẫn này đều phải đương đầu với bài tốn tính tốn
chế độ dịng chảy không ổn định thay đổi gấp. Đây là bài toán rất phức tạp mà
trên thế giới và ở Việt Nam chưa có một phần mềm đồng bộ, tiện ích và tin cậy
để sử dụng.
- Đề tài đã hoàn thành mục tiêu đề ra, chương trình có thể được sử dụng để tính
tốn trong thiết kế cũng như vận hành các trạm thủy điện kiểu đường dẫn.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Tổng quan về phương pháp luận tính tốn chế độ không ổn định;
-10-
- Xây dựng thuật tốn tính tốn sóng khơng ổn định thay đổi gấp trong kênh của
trạm thủy điện;
- Viết chương trình tính tốn sóng khơng ổn định thay đổi gấp trong kênh của
trạm thủy điện;
- Xây dựng thuật toán tính tốn nước va và dao động mực nước trong giếng
điều áp của trạm thủy điện;
- Viết chương trình tính toán nước va và dao động mực nước trong giếng điều
áp của trạm thủy điện;
:
- Tổng hợp thuật toán và phần mềm tính tốn chế độ khơng én định thay đổi
gấp dọc tuyến năng lượng của trạm thủy điện đường dẫn.
5. Sản phẩm:
- Báo cáo tổng kết
- Báo cáo tóm tắt
- Thuật tốn và chương trình tính tốn
- Số học viên cao học: 02 (bảo vệ năm 2010)
+ ThS. Nguyễn Văn Hoàng
+ ThSs. Nguyễn Văn Thiện
- Số bài báo: 02 (Gửi đăng Tạp chí KHCN Xây dựng - Đại học xây dựng)
+ Bài 1: Thuật tốn và chương trình tính sóng trong kênh của trạm thủy điện
+ Bài 2: Thuật tốn và chương trình tính nước va trong đường ống áp lực
của trạm thủy điện
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
- Thuật tốn và chương trình tính tốn trợ giúp các kỹ sư thiết kế, cán bộ giảng
dạy và sinh viên ngành xây dựng cơng trình thủy của trường Đại học xây dựng;
- Phương thức chuyền giao kết quả nghiên cứu: quảng cáo, chuyển giao miễn
phí phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học công nghệ trong trường Đại học xây
dựng;
- Viện Khoa học và Cơng nghệ Cơng trình thủy đã và đang áp dụng chương
trình trong nghiên cứu và thiết kế.
-11-
MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING
NATIONAL UNIVERSITY OF CIVIL ENGINEERING
INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
- Project title:
Investigation on algorithm and development of the
lalculation for the unsteady flow in the hydraulic line of
the hydro power project in Vietnam
- Code number: B2010 - 03 - 70
- Coordinator: M. Eng. Pham Thanh Nam
- Implementing institution: National University of Civil Engineering
- Duration: 12 months (from 6/2010 to 6/2011)
2. Objectives:
- Set up the algorithm to solve the basic equations of the unsteady flow in the
hydraulic line of the hydro power project (from intake structure to the tail water
way structure of hydro power plant).
- Develope the programme for clculation.
- To verify the programme through some of the actual projects.
- To apply the developed programme to the design and trainning works.
3. Creativeness and Innovativeness:
- There are hundred high head hydro power projects in our country will be
designed and constructed in year 2015 to 2025 (according to the VI General
Plan).
- These high head hydro power projects will cope with the problem of solving
the unsteady flow. This matter is very complicated and was not complex
investigated in Vietnam.
- The investigaion has been completed. The setup programme can be used in
design and operation of the hydro power projects.
4. Research Results:
- Literature review of the methodology on the unsteady flow;
oi Du
- Develope the algorthm to calculate the rapidly change unsteady flow in the
open channel of the hydro power plant;
- Develope the programme to calculate the rapidly change unsteady flow in the
open channel of the hydro power plant;
- Develope the algorthm to calculate water hamme
and the change of water
level in surge tank of the hydro power projects;
- Develope the programme to calculate water hamme and the change of water
level in surge tank of the hydro power projects;
- To synthesite algorthm and programme of the calculation on the rapidly
change unsteady flow on the line of the high head hydro power projects.
5. Productions:
- The-general-report
- The briefly report
- The algorthm and programme for clculation
- Number of the master student: 02 (passed in year 2010)
+ M. Eng. Nguyén Van Hoang
+M. Eng. Nguyễn Văn Thiện
- Number of paper: 02
6. Efeccts, transfer alternatives of research result and applicability:
- The algorthm and programme will help engineers, lectures and students in the
hydraulic structure department;
- The transfer alternatives of research result and applicability: advertise,
uncharge transfer in education and trainning in the National University of Civil
Engineering;
- The Institute of Science and Technology of Hydraulic Structure has used these
programme in design and investigation.
-13-
MO DAU
1.
Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
Hiện nay và trong tương lai, vấn đề an ninh năng lượng của Quốc gia đang
được Nhà nước quan tâm giải quyết. Chính sách phát triển năng lượng hiện nay đã tạo
điều kiện để hàng loạt các nhà máy sản xuất điện năng ra đời như các nhà máy thủy
điện, nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện hạt nhân...
Trong công tác tính tốn và thiết kế các trạm thủy điện và nhiệt điện ln ln
phải giải quyết bài tốn tính toán chế độ thủy lực trong trạng thái én định và trạng thái
khơng ổn định ở các cơng trình dẫn nước như kênh hở, đường hầm, giếng điều áp,
đường ống tuốc bin và kênh xả.
Đây là bài toán rất phức tạp. Về mặt cơ sở lý luận đã tương đối rõ ràng, đó là hệ
phương trình vi phân cơ bản của dịng chảy (phương trình động lượng và phương trình
liên tục), nhưng việc giải hệ phương trình này một cách sáng tạo và đạt mức độ chính
xác u cầu thì còn phải tiếp tục nghiên cứu.
Một số cơ quan tư vấn trong nước đã thực hiện việc tính tốn chế độ không ổn
định dọc tuyến năng lượng của trạm thủy điện bằng Microsoft Excel hoặc viết chương
trình tính tốn đơn giản cho từng hạng mục cơng trình.
Trên thế giới phần mềm thương mại nỗi tiếng Mike 11 và Mike 23 của Đan
Mạch chỉ giải quyết bài tốn thủy lực dịng không ổn định trên hệ thống sông thiên
nhiên và kênh mương chứ chưa giải quyết vấn đề sóng dao động trong giếng điều áp,
sóng nước va trong đường ống áp lực và kênh xả hạ lưu.
Nhu cầu tính tốn, thiết kế, thâm tra, kiểm định các cơng trình thủy điện, nhiệt
điện trong nước, trong khu vực và trên quốc tế liên quan đến bài tốn thủy lực dịng
khơng ổn định thay đổi gấp dọc tuyến năng lượng không ngừng tăng cao.
Bộ môn thủy lực-thủy văn và bộ môn xây dựng thủy lợi-thủy điện của trường
Dai hoc xây dựng có đủ các chuyên gia giỏi và nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực này
nhưng chưa có điều kiện tập trung trí tuệ và cơng sức để cùng xây dựng một chương
trình mạnh để giải quyết bài tốn trên.
Chính trong bối cảnh đó cùng với chủ trương của Đảng và Nhà nước là phải
phát triển KHCN đi tắt, đón đầu, chú trọng vào lĩnh vực tin học đã giúp cho nhóm đề
thực hiện nghiên cứu này.
2.
Tính cấp thiết của đề tài
-
Theo quy hoạch phát triển nguồn điện trong Tổng sơ đồ VI (quy hoạch phát
triển hệ thống năng lượng Quốc gia đến năm 2015 có xét đến triển vọng năm
-14-
2025), hang trăm trạm thủy điện kiểu đường dẫn ở nước ta sẽ được thiết kế và
xây dựng.
Tắt cả các TTĐ kiểu đường dẫn này đều phải đương đầu với bài tốn tính tốn
chế độ dịng chảy khơng én định thay đổi gấp. Đây là bài toán rất phức tạp mà
trên thế giới và ở Việt Nam chưa có một phần mềm đồng bộ, tiện ích và tin cậy
để sử dụng.
Đề tài hồn thành mục tiêu đề ra, chương trình có thể được sử dụng để tính tốn
trong thiết kế cũng như vận hành các trạm thủy điện kiểu đường dẫn.
Đó chính là tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu.
Mục tiêu của đề tài
Đề tài nghiên cứu nhằm
đạt các mục tiêu sau:
Xây dựng thuật tốn giải hệ phương trình vi phân cơ bản của dịng chảy khơng
ơn định thay đôi gâp trên tuyên năng lượng của TTĐ (từ công trình lẫy nước
đên kênh xả của nhà máy thủy điện).
Viết chương trình tính tốn, phần giao diện và thiết lập phần mềm tính tốn.
Kiểm nghiệm phần mềm qua các cơng trình thực tế.
Ứng dụng phần mềm vào thực tế sản xuất và phục vụ đào tạo.
Cách tiếp cận
Cách tiếp cận của đề tài là dựa trên cơ sở các nghiên cứu trong và ngồi nước
về địng khơng ổn định thay đổi gấp, xây dựng phương pháp giải hệ phương trình vi
phân cơ bản bằng lý thuyết, viết chương trình, sau đó kiểm nghiệm chương trình và so
sánh kết quả tính tốn với những kết quả của những cơ quan có uy tín đối với các cơng
trình cụ thể.
5.
Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết để xây dựng thuật toán và chương
trinh.
Sử dụng phương pháp đối chiếu và so sánh kết quả để kiểm định chương trình.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tương nghiên cứu là tuyến năng lượng (từ cơng trình lấy nước, đường dẫn,
giếng điều áp, đường ống áp lực, nhà máy thủy điện, kênh xả hạ lưu) của các
cơng trình thủy điện đường dẫn có mặt thống.
Phạm vi nghiên cứu rộng, khơng giới hạn bởi quy mơ, đặc điểm của cơng trình
để có một phần mềm tổng hợp, đa tiện ích.
-15-
7.
Nội dung nghiên cứu
Đề tài sẽ thực hiện các nội dung nghiên cứu chính sau:
Nghiên cứu tổng quát về lý thuyết dịng khơng én định thay đổi gấp. Các vấn đề
về địng khơng én định đã xảy ra ở các cơng trình TL-TĐ của Việt Nam;
-
Xây dựng thuật tốn tinh tốn chế độ khơng ổn định thay đổi gấp trên kênh và
-
Xây dựng thuật tốn tính tốn chế độ khơng ổn định giếng điều áp, đường ống
đường hầm dẫn nước không áp;
áp lực và kênh xả hạ lưu;
-
Xây dựng mô hình tốn và đề xuất nội dung viết chương trình và phan mềm
tính tốn;
-
Viết chương trình tính tốn (mơ đun kênh hở và đường hằm);
-
Viết chương trình tính tốn (mơ đun giếng điều áp và đường ống áp lực và kênh
xả hạ lưu);
-
Kiểm nghiệm mơ hình và chương trình sau khi viết xong.
-16-
CHUONG 1
YEU CAU THUC TE VE TINH TOAN CHE DO KHONG ON DINH
1.1
Một số hư hỏng và sự cố tuyến năng lượng của TTĐ
Tuyến năng lượng của trạm thủy điện đường dẫn gồm nhiều hạng mục, từ cửa
nhận nước đến kênh xả của NMTĐ. Trong q trình thi cơng và khai thác vận hành,
nhiều hư hỏng và sự cố các hạng mục trên đã xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau.
Trong phần này chọn lọc và giới thiệu một vài sự cố điển hình liên quan đến
dịng khơng ổn định biến đổi gay trên kênh dẫn va trong đường ống có áp ở TTĐ.
1.1.1
1.
Hư hồng và sự cố đường dẫn không áp
Hư hỏng kênh dẫn nước thủy điện Nậm Má
Cơng trình thuỷ điện Nậm Má được xây dựng và khai thác từ năm 1993 do tỉnh
Hà Tuyên này là tỉnh Hà Giang đầu tư và xây dựng. Cơng trình được khai thác theo
phương thức đường dẫn hở (lấy nước theo kiểu Tiaron và dẫn nước bằng kênh chữ
nhật). Công trình bao gồm các hạng mục chính sau:
- __ Đập tràn kết cấu bằng bê tơng.
- __ Cơng trình lấy nước theo kiểu Tiaron
- _ Kênh dẫn hở bằng bê tơng và đá xây có tiết diện hình chữ nhật cùng hệ
thống các cơng trình trên kênh được bố trí bên sườn phải suối, từng đoạn có
lắp đậy bê tơng.
- __ Bể áp lực, tràn bên, xả cát và cửa lấy nước đầu đường ống áp lực.
- _ Đường ống áp lực thép cùng hệ thống 3 mồ néo và 18 mồ đỡ.
-
Nha may, ham xa va tram bién áp tăng ngồi trời.
Vi trí xây dựng: Cơng trình được xây dựng trên suối Nậm Má thuộc địa bàn của
Xã Cao Bồ, huyện Vị Xuyên tỉnh Hà Giang. Nhà máy thuỷ điện được xây dựng bên
cạnh đường giao thông liên xã từ Cao Bồ đi Việt Lâm và cách Uỷ ban nhân dân huyện
Vị Xun khoảng 25 km về phía Đơng Bắc.
Cơng suất lắp máy theo thiết kế của cơng trình 14 Nj, = 3.200 kW. Đập tràn
được xây dựng trên nền đá gốc kết hợp lấy nước theo kiểu Tiaron. Chiều cao đập tràn
khoảng 4-6 m, theo tiêu chuẩn Việt Nam 285:2002, cơng trình thuộc cơng trình cấp
IV, tần suất lũ thiết kế là 1,5%, tần suất bảo đảm cấp điện là 80%.
pro | pea
THƯ VIỆN
TRƯỞNG ĐẠI HỌC
XÂY DỰNG _⁄
-1Z
Cơng trình có nhiệm vụ chủ yếu là cấp điện cho huyện Vị Xuyên và hoà vào
lưới điện quốc gia tại tram 110/35/20-10kV Ha Giang nằm cách cơng trình khoảng
10km về phía Bắc-Đơng bắc với cấp điện áp 10kV.
Trong năm 2007, do phụ tải yêu cầu thay đổi liên tục, chế độ thủy lực trong
kênh dẫn biến động lớn, có sự tham gia của sóng trong kênh động lực cộng với địa
chất nền yếu nên hệ thống kênh bị hư hỏng năng.
Một số hình ảnh cơng trình thủy điện Nậm Má vào tháng 8 năm 2007.
Hình 1.1: Hư hỏng kênh dẫn thủy điện Nậm Má
2.
Vỡ kênh dẫn nước thủy điện Đăk NRung I
Sự cố xây ra vào lúc 8 giờ ngày 8 tháng 11 năm 2010, tại bon Boong Dinh, xã
Trường Xuân, huyện Đăk Song - Đăk Lăk làm cho kênh dẫn nước vào Nhà máy thủy
-18-
điện Đắk Rung I bị vỡ dài gần 70m, sâu hơn 10m khiến hàng chục nghìn mỶ nước, đất
đá xối xuống phía dưới gây cho nhiều diện tích ray, tài sản trên đất của người dân bi
nước cuốn trôi, vùi lấp, đồng thời phá vỡ một đường giao thông liên thôn và một cây
cầu. Gây thiệt hại hàng trăm triệu đồng của nhân dân.
Hình 1.2: Sự cố Kênh dẫn nước thủy điện Đăk NRung I
Xác định ban đầu cho thấy: Vị trí bị vỡ cách đập chứa nước khoảng 400m,
chiều dài tuyến kênh và đường bị sạt lở khoảng 70m, khoảng 300 trụ tiêu và 500 cây
cà phê bị mắt trắng hoàn toàn, 300 cây cà phê bị vùi trong đất.
Nguyên nhân gây vỡ được xác định là do đóng phụ tải đột ngột cộng mưa lớn
làm nước tràn khỏi kênh, nền bão hòa nước và sạt lở ta luy, đất phía dưới kênh dẫn bị
trơi, kênh dẫn khơng cịn chân nên đã gãy.
1.1.2
Hư hỏng và sự cố đường dẫn có áp
1.
Sự cố đường ống áp lực thủy điện Nà Lòa
-19-
Bằng
Cơng trình thủy điện Nà Lịa nằm trên xã Triệu Âu huyện Phục Hịa tỉnh Cao
do Cơng ty Thuỷ điện Luyện kim Cao Bằng làm chủ đầu tư với tổng kinh phí
xây dựng hơn 110 tỷ đồng, trong đó hơn 80% là nguồn vay tín dụng.
Cơng trình có 3 tổ máy mỗi tổ có cơng suất 2MW tổng cơng suất 6MW.
Nhà máy được xây dựng vào năm 2002 và hoàn thành đưa vào sử dụng năm
2005.
Nhà máy sử dụng công nghệ tiên tiến, điều khiển tự động bằng máy tính của
Trung Quốc.
Nhà máy có hơn 3,5 km đường kênh dẫn và cột nước cao
165m.
Từ độ cao
165m nước được đưa vào ống áp lực với đường kính 1,2m chiều dày của ống được
tăng dần từ đầu ống đến cuối đường ống.
Từ khi đi vào sử dụng đường ống hoạt động bình thường, đến-ngày 05 tháng 07
năm 2009 bị vỡ ống áp lực lần đầu tiên. Nguyên nhân do mắt điện lưới đột ngột cánh
hướng đóng lại nhiều lần ống khơng chịu được áp lực của nước lớn ống bị om, nên đã
xảy ra nỗ nhỏ gây ra vết nứt chiều dài vết nứt khoảng 30cm dày khoảng 5mm, đã xử lý
sự cố bằng cách hàn lại chỗ vỡ đó. Ngày 08 tháng 07 năm 2009 chạy lại máy. Đến
ngày 11 tháng 07 năm 2009 sự cố tương tự lại xảy ra. Lần này ống xé ra to hơn, gây
ngập toàn bộ nhà máy. Thiệt hại về khắc phục sự cố mắt 24 ngày, nối lại các dây cáp,
thay thế dây cáp đã hỏng, sấy máy phát sấy lại các bản mạch điện tử.... Thiệt hại về
kinh tế trên 1 tỷ đồng về phần điện. Về phần đường ống, tiến hành hàn lại đường ống
áp lực, bổ sung đai tăng cứng ở những chỗ yếu và lắp thêm 2 van giảm áp cuối đường
ống. Chí phí sửa chữa mắt gần 400 triệu đồng. Tổng thiệt hại cả về ngừng phát điện và
sửa chữa cơng trình gần 5 tỷ đồng. Van giảm áp có tác dụng khi mắt điện cánh hướng
đóng lại áp lực nước tăng lên làm nước phụt qua 2 giảm áp. Từ khi lắp van giảm áp
hoạt động về đường ống áp lực tốt. Quá trình sửa chữa và lắp đặt van giảm áp xem
hình 1.3.
-20-
Hình 1.3: Lắp đặt van giảm áp tại thủy điện Nà Lịa
2.
Sự cố ống nước có áp của trạm thúy điện Đại Tĩnh Xuyên
Trạm thủy điện Đại tĩnh xuyên nằm trên sông Đại tĩnh cách tây nam thành phố
Tokyo - Nhật Bản 167 km, được xây dựng năm 1963.
Công suất lớn nhất mỗi tổ máy là 32000 mã lực, nhà máy có 3 tổ máy. Nhà
máy có 3 đường ống thép có áp đường kính 2,75m, dài 240m để đưa nước từ giếng
điều áp kiểu so le đẫn vào buồng máy.
Ngày 18/6/1950, nhà máy ngừng hoạt động để kiểm tu theo kế hoạch đã vạch
sẵn, trạm điện bắt đầu vận hành không tải. Khoảng 1,5 giờ sau khi van bướm trên ống
thép có áp số 3 đột ngột bị đóng lại do sai lầm về thao tác do hư hỏng máy. Kết quả là
trong ống nước có áp thượng lưu van bướm đã gây ra sóng nước va có áp rất lớn, làm
cho một đoạn ống thép có áp đài 7,63m bị nứt vỡ từ đỉnh ống. Các mảnh thép vỡ gần
như rải khắp trên dốc núi.
Sau đó, nước từ trong ống thép bị vỡ chảy ra rất nhanh, làm cho một đoạn ống
thép đài 53,3m bị ngập hỏng. Tổn thất: xói trơi khoảng 12.200 mỶ đất, 3 người chết, 6
người bị thương nặng. Dự tính kinh phí xây dựng lại khoảng 445.000 USD, trong đó
kinh phí xây dựng cơng trình 280.000USD, kinh phí tu sửa máy và thay máy
165.000USD. Tổn thất về điện tới 900 triệu kWh.
Sự cố xảy ra cho chúng ta thấy trong thiết kế và vận hành đường ống có áp và
thiết bị điều khiển thủy lực, tác dụng nước va có hại khơng chỉ là một khái niệm trừu
tượng về lý thuyết mà còn là môt vấn đề hiện thực rất cụ thẻ.
-21-
3.
Sự cố vỡ ống thép có áp trạm thủy điện Tiểu Kiến
Trạm thủy điện Tiểu Kiến nằm trên sông Xuyên Châu thuộc hệ thống Sông
Thường Nguyên Từ, huyện Phú Sơn, Nhật Bản.
Trạm bắt đầu vận hành vào tháng 10 năm 1932.
Trạm thủy điện bố trí theo kiểu dẫn nước, cột nước hữu ích lớn nhất lớn nhất là
154,4 m với lưu lượng lớn nhất là Q=11,9 mỶ/⁄s. Trạm thủy điện có 2 tổ máy với cơng
suất mỗi tơ là 9,3 MW.
Đoạn hạ lưu đường dẫn nước là một ống thép có áp dài 274,7 m, đường kính
1,97 m. Đoạn gần nhà máy ống thép chia thành hai ống nhánh dài 5,64m, đường kính
trong tir 1m dén 0,88m.
Vao 11 gid 01 phút ngày
18/4/1959 khi trạm thủy điện dang vận hành bình
thường thì-trên-đường dây tải điện 60 kV bị sét đánh đột ngột, phụ tải của trạm thủy
điện đã sinh ra sóng động rất lớn. Tiếp sau đó, ống nước có áp bị vỡ. Trong hai phút,
buồng điều khiển lập tức phải ngắt điện cấp tốc, phút thứ 5 thông báo cho nhân viên
quan lý hồ chứa ở thượng lưu đóng cánh cống lại. Phút thứ 8 cánh cống đã đóng xong
nhưng trong thời gian trên nước phun ra ở chỗ nứt đã nhanh chóng men theo bên phải
đường ống tràn xuống buồng máy cùng với bùn cát làm dưới chân máy phát điện
đọng nước tới 70 cm, đất cát bồi lấp trong buồng tuốc bin và xung quanh tới 1400mỶ,
sườn núi gần đường ống đã sạt lở khoảng 3000mỶ, làm cho đường cái gần đó bị hư
hỏng.
Sau khi sảy ra sự cố phát hiện thấy bộ phận ống thép bị vỡ ở chỗ xung quanh
bộ phận lỗ người chui dưới mố đỡ số 3. Miệng nứt bắt đầu từ chỗ khe hàn của tắm
thép tăng cường ở chỗ người chui men theo mặt vịng đệm chỗ này có khoảng 1⁄4 bị
đứt văng ra.
Trước khi sảy ra sự cố, trong khe hàn nói ống thép đã có sẵn khe nứt và gỉ hình
thành từ trước. Do đó, sau khi áp lực gia tăng cao và tran động rất lớn do thay đổi đột
ngột về phụ tải làm cho chỗ nứt mở rộng đột ngột vỡ ra.
1⁄2
Yêu cầu về thiết kế và vận hành TTĐ đường dẫn ở nước ta
Trong những năm 2005 đến 2015, sự nghiệp phát triển thủy điện ở nước ta đạt
mức cao trào nhất hàng chục TTĐ quy mô Quốc gia đã và đang được xây dựng, trong
đó các TTĐ đường dẫn chiếm chiếm tỷ trọng khá lớn. Những TTĐ đường dẫn phức
tạp vì nhiều hạng mục cơng trình và đặc biệt phức tạp khi phải giải quyết vấn đề dịng
khơng ổn định biến đổi gấp trong đường dẫn khơng áp (sóng trong kênh) và trong hệ
thống GĐA và đường ống áp lực (nước va và dao động mực nước trong GĐA).
-22-
Dịng khơng ổn định biến đổi gấp khơng những ảnh hưởng đến q trình thiết
kế mà cịn có ảnh hưởng khơng nhỏ tới qua trình khai thác vận hành. Do đó nghiên
cứu về dịng khơng én định biến đổi gấp không bao giờ lạc hậu đối với sự nghiệp thủy
điện của nước nhà.
TTĐ Hịa Bình trên sơng Đà với cơng suất lắp máy 1.920.000 kW là TTĐ lớn
lớn thứ hai sau TTĐ Sơn La. Thủy điện Hịa Bình tuy khơng phải loại TTĐ đường dẫn
nhưng lại có đường hầm xả nước dài có áp được bố trí GĐA hạ lưu.
TTD Yali trén sông Sê Sanvới công suất lắp máy 720.000 kW là TTĐ có cơng
suất lớn thứ ba. Thủy điện Yali cũng là thủy điện đường dẫn ngầm với đường dẫn
nước đến các tuabin dài được bố trí GĐA thượng lưu kiểu buồng ở cuối đường dẫn.
Cột nước lớn nhất của thủy điện Yali 207 m.
TTD
Da Nhim lay nước từ hồ Đơn Dương
(Lâm Đồng) xả nước xuống
sơng
Cái (Phan-Rang) có cơng suất lắp máy 160:000 kW, đường hằm dẫn nước có áp dài
4878 m, 2 đường ống thép áp lực dài 2340 m, cột nước 799 m. Là TTĐ
lớn nhất Việt Nam.
có cột nước
TTĐ Vĩnh Sơn trên sơng cũng là thủy điện đường dẫn có cơng suất lắp máy
66.000 kW, cột nước tính tốn 630 m. Hai đường ống áp lực với tháp điều áp BTCT
cao 40 m ở cuối đường Ống.
TTĐ Sông Hinh trên sông Hinh (tỉnh Phú Yên) là thủy điện đường dẫn có cơng
suất lắp máy 74.000 kW, cột nước tính tốn 150 m, giếng điều áp BTCT cao 90 m ở
cuối đường hầm.
TTĐ Nậm Chiến trên sông Nậm Chiến, phụ lưu của sông Đà đang xây dựng
(năm 2011) có GĐA sâu nhất Việt Nam.
Và cịn rất nhiều TTĐ lớn và trung bình với kênh dẫn dài, đường ống thép áp
lực đặt trên sường dốc có hoặc khơng có GĐA.
Dưới đây là hình ảnh GĐA và đường ống áp lực ở một số TTĐ của nước ta.
=23-
Hình 1.5: Đường ống áp lực TTĐ Vĩnh Sơn
