Bài giảng thủy năng và thủy điện chương 2 PGS nguyễn thống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPỒ CHÍ MINH

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

BỘ MÔN KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC

Chương 1 : Tổng quan.
Chương 2 : Tài nguyên nước và quy hoạch
khai thác.
Chương 3 : Các phương pháp khai thác năng
lượng nước.
Chương 4 : Điều tiết hồ chứa thuỷ điện.
Chương 5 : Đập dâng & công trình tháo lũ.
Chương 6 : Công trình lấy nước và dẫn nước.
Chương 7 : Tháp (giếng) điều áp.
Chương 8 : Đường ống áp lực & hiện tượng
nước va.
Chương 9 : Nhà máy Thuỷ điện.
2

PGS. TS. NGUYỄN THỐNG
Email: or
Web: //www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong/
4/4/2013

Tél. (08) 38 640 979 - 098 99 66 719

1

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

TÀI NGUYÊN NƯỚC & KHAI THÁC
NĂNG LƯỢNG

Nối đỉnh

TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN
I.
ĐỊA HÌNH

1. TÀI NGUYÊN NƯỚC
- Địa hình.
- Thuỷ văn.
2. HẠNG MỤC CÔNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN
- Mô tả tổng quát.
- Tính chất cơ bản.
- Năng lượng.

Tiểu lưu vực

Ranh giới
lưu vực
đến v/trí S

s1

LƯU VỰC
(km2) (tỷ lệ 1/50000)

S
GIỚI HẠN MỘT LƯU VỰC

3

PGS. TS. Nguyễn Thống

Đường dốc
nhất
4

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác
LƯU VỰC: Diện tích thu nước rơi về đến một vị trí
thoát nước S

- Giới hạn bởi các đường nối đỉnh địa hình, đường
có độ dốc lớn nhất tại vị trí nối điểm thoát
nước.
- Diện tích Sb gia tăng khi vị trí S di chuyển về hạ lưu.
- Sb được xác định từ bản đồ có tỷ lệ 1/50000 
1/200000.
- Đơn vị sử dụng km2 :
 Lưu vực bé :
Sb<10-50 km2
 Lưu vực trung bình : 10-50km2  Lưu vực lớn :
Sb>1000 km2

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác
TRẮC DỌC DÒNG CHẢY : Đường trung vị C của
mặt thoáng tự do với lưu lượng Q cho.
Độ dốc i=dz/dS (m/km)
Z
(0.1  50)
z
Phổ biến độ dốc giảm
m
khi về hạ lưu
S
0
C

M(s,z)

S

5

PGS. TS. Nguyễn Thống

s

C

6

PGS. TS. Nguyễn Thống

1


THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THUỶ VĂN
Nghiên cứu về nước trong thiên nhiên về
các yếu tố: cường độ, phân bố, chu kỳ
(trên mặt đất và dưới đất)
 Cường độ mưa (mm/h, l/s/ha).
Thấm vào đất.

 Bốc hơi.

 Lưu lượng Q: thể tích nước đi ngang
qua một diện tích ướt trong đơn vị thời
gian (s).
 Lưu lượng trung bình ngày: Thể tích
nước 24h / 86400.
 Lưu lượng trung bình tháng: Thể tích
nước tháng/Thời gian tháng.
 Module dòng chảy qm(l/s/km2)
qm=Q0/Sb (Q0: lưu lượng trung bình năm
lưu vực, Sb diện tích lưu vực)

7

PGS. TS. Nguyễn Thống

8

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Ví dụ vùng Vu Gia-Thu Bồn : qm = 40  90

l/s/km2).
 Xét lưu vực 200km2, lưu vực có
qm=60l/s/km2  Lưu lượng Q0 của khu
vực là:
Q0 =200*60/1000 = 12m3/s
(Q0 lưu lượng trung bình năm)

CHUỖI DÒNG CHẢY THEO THỜI GIAN
Qi (m3/s)
Qm (m3/s)

Q(t)
0

T(th)

• Nếu xét Q là lưu lượng dòng sông
 ý nghĩa vật lý  Q >=0 (ngoại trừ
trường hợp dòng chảy có ảnh
hưởng của thủy triều).
Ti

9

PGS. TS. Nguyễn Thống

10

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

CHUỖI LƯU LƯỢNG CỘNG DỒN W(t)

• DÒNG CHẢY LŨ
3
Qmax-p=0.1% Q (m /s)

t

W( t )   Q( t )dt   Qi t

Qmax-p=0.2%
p=5%

Qmax-p=5%

Chú ý: Đường luôn luôn tăng hoặc nằm ngang vì Qi>=0
W

p=0.2%

i

0

0

(m3)
tan(α)=ΔW/ ΔT =Qi
T(th)

0
PGS. TS. Nguyễn Thống

Ti

p=0.1% (tần suaát xuaát hieän)

11

T (h)

ĐẶC TRƯNG:
- Lưu lượng đỉnh lũ.
- Tổng thể tích trận lũ.
- Dạng đường dòng chảy lũ.
- Thời gian kéo dài trận lũ.

12

PGS. TS. Nguyễn Thống

2

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

LƯU LƯỢNG CHẤT RẮN
(khối lớn, sỏi, sạn, cát, bụi min…)
 Vận chuyển đáy.
 Vận chuyển lơ lửng.
Nguyên nhân gây cạn hồ chứa  giảm thể tích
hửu ích !
 Tác động xấu đến tuổi thọ tuabin !
 Nghiên cứu lý thuyết khó vì có nhiều yếu tố
khó xác định can thiệp vào hiện tượng 
nghiên cứu thực nghiệm.

ẢNH HƯỞNG
Thượng lưu
Hồ chứa

Bùn cát lắng đọng
sau N năm

ĐÁY HỒ

Thể tích bùn cát lắng đọng

13

PGS. TS. Nguyễn Thống

ĐẬP

MNDBT

PGS. TS. Nguyễn Thống

Hạ lưu

Vết nứt

Màng chống thấm

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

“Lưỡi” bùn cát

15

PGS. TS. Nguyễn Thống

14

HẠNG MỤC CÔNG TRÌNH CHÍNH
DỰ ÁN THUỶ ĐIỆN
Tổng quát gồm 4 hạng mục theo trình
tự đi qua của nước:
 Đập dâng, CTTL… (tuyến áp lực);
 Công trình lấy nước;
 Công trình dẫn nước (tuyến năng
lượng);
 Nhà máy TĐ  Trạm biến thế.
16

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY
NĂNG
& THỦY
ĐIỆN
THỦY
ĐIỆN
ĐẠI NINH

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

(Lưới chắn rác)
17

PGS. TS. Nguyễn Thống

18

PGS. TS. Nguyễn Thống

3


THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

(Trạm tăng áp)

19

20

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

A

B

Bể áp lực

Kênh dẫn

Hồ

Đường ống
áp lực

MẶT BẰNG

Đập

Cửa lấy
nước

A

F
NMáy

S
Kênh hạ lưu

TRẮC DỌC
PGS. TS. Nguyễn Thống

Mặt chuẩn

S

F

ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN
CÔNG SUẤT SẢN XUẤT PHỤ THUỘC VÀO
CỘT NƯỚC H VÀ LƯU LƯỢNG Q CHẢY QUA
TUABIN.
Cột nước tổng : Ht =ZA-ZF
Công suất thiên nhiên: Pt =gQ(HA-HF)
Với HA=ZA+pA/γ + V2A/2g và (ZA>>pA/γ + V2A/2g)
 Pt = gQ(ZA-ZF) = gQHt watt
Nếu Pt là kW, Q là m3/s và Ht là m:
Pt = 9.81QHt kW

21

22

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

CỘT NƯỚC HỬU ÍCH Hhi
Đó là cột nước địa hình và trừ đi tất cả
các tổn thất năng lượng dòng chảy
(đường dài và cục bộ) khi di chuyển từ:
 cửa lấy nước
 đi qua đường dẫn
 đường ống áp lực và đến trước tuabin.

CỘT NƯỚC HỬU ÍCH Hhi
H hi  H t   dh duongdai   dh cucbo

 dh
 dh

duongdai
cucbo

 Tổng tổn thất đường dài: hầm, áp lực
Tổng tổn thất cục bộ: chắn rác,

tiết diện đổi đ/ngột, đổi phương d/chảy
Đường năng
lượng

TRẮC DỌC
23

PGS. TS. Nguyễn Thống

F
24

PGS. TS. Nguyễn Thống

4


THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

CÔNG SUẤT CÓ ÍCH TẠI MÁY PHÁT
 Pe = tPt = tgQHt (Watt)
Với t chỉ hiệu suất tổng của NM, phụ thuộc vào:
- Mất năng khi dòng chảy đi từ hồ đến NM
(58%)

- Mất năng do tuabin (515%)
- Mất năng do máy phát (13%).
t dao động trong khoảng 76%88%.
Với t trung bình là 82%, ta có:
 Pe = 8QHt (kW)
25

CHÚ Ý

PGS. TS. Nguyễn Thống

CÔNG SUẤT CÓ ÍCH THIÊN NHIÊN
TRƯỚC TUA BIN
P1 = gQHhi (watt)
CÔNG SUẤT CÓ ÍCH SAU MÁY PHÁT
Trong trường hợp tính theo Hhi:
Pe = tuabin mayphat *P1
= tuabin mayphat gQHhi (watt)
26

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

MẤT NĂNG LƯỢNG ĐƯỜNG DÀI
• Manning (kênh):

L V2
dh1   .
( m)
D 2g

• Hazen-Williams (hầm):

1,85

10,68L  Q 

dh1  4.87 
d
 C HW 

Với : hệ số mất năng đường dài, L: chiều dài,
D (b/k thủy lực khi là kênh),d: đường kính, V:
vận tốc trung bình, Q: lưu lượng, CHW tham
số, dh1: mất năng.

Bài tập 1. Dự án thuỷ điện có các thông số
sau:
- Cột nước địa hình (tổng): Ht =300 m.
- Lưu lượng qua tua bin:
Q=50 m3/s.
a. Xác định công suất thiên nhiên (MW).
b. Giả sử hiệu suất tổng NM là t=0.80. Tính

công suất phát ra từ NM (MW).

27

PGS. TS. Nguyễn Thống

28

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Bài tập 2. Lấy lại số liệu bài 1. NM có đường
hầm đường kính 4m, dài 5km. Đường
ống áp lực đường kính 3m dài 500m.
a. Xác định tổn thất năng lượng trong
đường hầm và đường ống áp lực theo
Manning với 1=10-2 cho đường hầm với
2=0.8*10-2 cho đường ống áp lực.
b. Tính cột nước hiệu ích và công suất hửu
ích (MW) cuối đường ống tương ứng.

Bài tập 3. Lấy số liệu bài 1 với đường dẫn
nước là kênh hình thang dài 5km có độ

dốc i=0.001 (giả thiết chảy đều). Đường
ống áp lực d=3m và dài 500m.
a. Tính mất năng trong đường ống áp lực
tính theo Hazen-Williams với CHW=130.
b. Tính cột nước hiệu ích.
c. Công suất phát ra từ NM, cho biết hiệu
suất tổng của máy phát & tuabin là =0.85.

29

PGS. TS. Nguyễn Thống

30

PGS. TS. Nguyễn Thống

5


THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

CÔNG SUẤT LẮP MÁY PI

 Công suất lắp đặt trong

nhà máy thủy điện
(Powerhouse).

Công suất lắp máy:

Pi = gQmaxHtt (W)
Qmax: lưu lượng lớn nhất qua NM.
Htt : cột nước tính toán.
Htt  được xác định là hàm của cột
nước hiệu ích trong cả chuỗi điều
tiết (xem sau).
: tích hiệu suất tuabin & máy phát.

31

PGS. TS. Nguyễn Thống

32

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

CỘT NƯỚC TÍNH TOÁN KINH NGHIỆM

Giá trị tham khảo của :
= tuabin . mayphat
tuabin = 0.85  0.94
mayphat = 0.95  0.98

(1)
(2)

H tt  92.5%H tb

voi H tb 

H

hi

N

N

H tt  H hi _ min  (H hi _ max  H hi _ min )
voi  ]0,1[



CHÚ Ý:
H hi  H t  dh i
• Hhi_min < Htt < Hhi_max
i

• (2) dùng khi dao động mực nước hồ bé
33

PGS. TS. Nguyễn Thống

34

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Note:
- Htt < Hhi_max = MNDBT – MNHL – dhmax
(hồ chứa đầy, MNDBT, Qmax tổn thất
max  Hhi_max).
- Htt> Hhi_min = MNC - MNHL – dhmax
(mực nước hồ nhỏ nhất, MNC, Qmax mất
năng max  Hhi_min).
 TRONG THỰC TẾ SẢN XUẤT  Htt XÁC
ĐỊNH TỪ BÀI TOÁN KINH TẾ.

NĂNG LƯỢNG CỘNG DỒN E
Theo định nghĩa:
E =P(watt).t(s) (joule=watt-seconde)

Với E= P.t /1000/3600 (kWh).
Công suất thiên nhiên:
Pt=9.81QHt (kW)
Giả thiết Ht không đổi trong khoảng thời gian
T(s). Năng lượng E trong khoảng t/gian T(s)
là:
T
T
E (kj)   Pt dt  9.81H t  Qdt  9.81H tVu

35

PGS. TS. Nguyễn Thống

0

0

36

PGS. TS. Nguyễn Thống

6


THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Vu thể tích nước vào hồ từ 0 (s)  T (s).
Tính E theo kWh:
9.81H t Vu H t Vu
E(kWh ) 

3600
367
Giả thiết hiệu suất tổng NM t=0.74 ta có:

E(kWh )  

H t Vu H t Vu

367
500

Ý nghĩa: Với Vu=1m3 nước chứa ở cao độ
Ht=500m so với mặt chuẩn sẽ phát ra năng
37
lượng E=1 kWh.

PGS. TS. Nguyễn Thống

Bài tập 4. Một dự án thuỷ điện có các tham số:
- Lưu vực :
S =400km2.
- Module dòng chảy : qm =60 l/s/km2.

- Cột nước tổng :
Ht = 500m
a. Tính lưu lượng trung bình Q0 dòng chảy và
thể tích nước đến hồ trong 1 năm.
b. Tính gần đúng năng lượng tích trử trong 1
năm (Etb, tr.kWh), giả thiết hiệu suất tổng NM
là 0.74.
38

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

SỐ GIỜ CHẠY CÔNG SUẤT LẮP MÁY (T)
T=Eanuelle/Pi (h)
Eanuelle: năng lượng trung bình hàng năm
Pi: công suất lắp MN
NM trung bình & lớn : (3500h4200h).
NM nhỏ : ( 5000h(?) > T >4000h).
Nhận xét:
T > 6000h  Có thể lắp thêm công suất  mở
rộng NM
T < 3000h  NM có công suất lắp “thừa !!!” 39
PGS. TS. Nguyễn Thống

KHẢ NĂNG ĐIỀU TIẾT CỦA HỒ
 = Whi/Va (01)
Whi dung tích hữu ích hồ (niv. Min  niv. Max).
Va thể tích nước đến hồ TB trong 1 năm.
- Hồ điều tiết ngày :
 < 12%
- Hồ điều tiết tuần, tháng:  : 1-2%5-6%
- Hồ điều tiết năm
 : 5-6%12-14%
- Hồ điều tiết nhiều năm
 >12-14%
40

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỜI GIAN LÀM ĐẦY HỒ (TÍCH NƯỚC)
Tr =Vu/Qa (h)
Vu dung tích hữu ích (m3)
Qa lưu lượng TB (m3/h).
1. Tr < 2 h : NM máy chạy theo lưu lượng
thiên nhiên.

2. 2htiết ngày, tuần).
3. Tr > 400 h : NM với hồ (điều tiết tháng, năm,
nhiều năm).
41

PGS. TS. Nguyễn Thống

Bài tập 5. Dự án TĐ có các tham số sau:
- Lưu lượng TB :
Q0 = 90m3/s
- Cột nước tính toán :
Htt = 120m.
a. Giả thiết hiệu suất tổng là =0,74, tính gần
đúng năng lượng TB năm khi lấy Ht=Htt.
b. Giả thiết số giờ chạy công suất lắp máy là
4200h, tính công suất lắp máy Pi(MW).
c. Giả thiết hiệu suất của tuabin & máy phát là
t=0.80, tính lưu lượng max Qmax(m3/s).
d. Cho biết dung tích hữu ích hồ là 350 tr.m3.
42
Tính  hồ.
PGS. TS. Nguyễn Thống

7


THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Bài tập 6. Một dự án TĐ có:
- Đường hầm d=4m,dài 4km
- Đường ống áp lực d=2.8m dài 250m. Mất năng
lượng tính theo H-W có CHW=100 cho đường
hầm và 120 cho đường ống:
Cho biết:
- Hiệu suất tuabin & máy phát là t = 0.833
- Công suất lắp máy Pi =144 Mw
Cột nước tự nhiên H và lưu lượng Q theo thời
gian xem bảng sau (1 tháng có 30 ngày).
Tính năng lượng năm (tr.kWh).
43

PGS. TS. Nguyễn Thống

Số liệu: Xem Nang luong_lap bang.xls
T

1

2

3

4

5

6

H(m)

380

375

370

365

360

355

Q(m3/s)

60

55

30

20

15

10

T

7

8

9

10

11

12

H

340

345

390

390

390

390

Q

9

20

40

45

70

70

44

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Hướng dẫn:

Hướng dẫn: Cột nước hữu ích Hhi

dh1

4.92

4.19

1.36

0.64

0.38

0.18

dh2

19.42

16.53

5.39

2.54

1.49

0.71

dh

24.34

20.72

6.75

3.19

1.87

0.88

Hhi

355.7

354.3 363.2 361.8 358.1 354.1

dh1

12.00

0.64

2.32

2.89

6.54

dh2

0.58

2.54

9.17

11.40

25.82 25.82

3.19

11.49

Ntn

209.3 191.2

106.9

71.0

52.7

34.7

Nkhanang 174.4 159.2

89.1

59.1

43.9

28.9

Nthuc

144.0 144.0

89.1

59.1

43.9

28.9

E

103.7 103.7

64.1

42.6

31.6

20.8

6.54

dh

12.58

Hhi

327.42 341.81 378.51 375.71 357.63 357.63

Ntn

14.29 32.37 32.37
45

PGS. TS. Nguyễn Thống

28.9

67.1

148.5

165.9

245.6

245.6

Nkhanang 24.1

55.9

123.7

138.2

204.6

204.6

Nthuc

24.1

55.9

123.7

138.2

144.0

144.0

E

17.3

40.2

89.1

99.5

103.7

46
103.7

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN
Chương 2: Tài nguyên & Qưy hoạch khai thác

47

PGS. TS. Nguyễn Thống

8