Bai giang thuy nang

HỌC PHẦN I: THUỶ NĂNG
CHƯƠNG 1. ĐÁNH GIÁ VÀ
BIỆN PHÁP KHAI THÁC THUỶ NĂNG( 6T)
BÀI 1-1. TRỮ NĂNG DÒNG CHẢY ( 2-3 T)
*) Khái niệm.
- Thuỷ năng là năng lượng tiềm tàng trong nước, thể hiện dưới 3 dạng: Hoá
năng, nhiệt năng và cơ năng.
- Hoá năng: thể hiện trong việc làm thành các dung dịch muối
- Nhiệt năng: thể hiện ở sự chênh lệch giữa các lớp nước trên mặt và dưới sâu
- Cơ năng: thể hiện trong dòng chảy, sóng nước, thuỷ triều ....
2 loại: Hoá và nhiệt năng hiện vẫn chưa khai thác được.
*) Môn học Thuỷ năng: là ngành khoa học nghiên cứu sử dụng, khai thác các
nguồn năng lượng nước. ( trong phần này chỉ nghiên cứu sử dụng trữ năng của dòng
chảy ở dạng cơ năng)
Năng lượng dòng chảy ở các đoạn sông rất lớn, con người mới chỉ khai thác
được một phần rất nhỏ. Từ việc phát minh ra Turbin để phát điện cùng với việc truyền
tải điện đi xa, con người ngày càng khai thác, biến thuỷ năng của dòng chảy thành
điện năng để phục vụ đời sống
1. Đánh giá trữ năng của một đoạn sông ( Điện lượng và công suất)
Xét một đoạn song được giới hạn bởi hai mặt cắt 1-1 và 2-2 như hình vẽ 1-1:

Muốn xác định năng lượng tiềm tàng của dòng chảy trong sông thiên nhiên
(hình 1-1) từ mặt cắt (1-1) đến (2-2) ta xét năng lượng mà khối nước W di chuyển
1


trong đoạn ấy đã tiêu hao đi, nghĩa là tìm hiệu số năng lượng giữa hai mặt cắt đó:
Eđs =E1-E2.
Dựa vào phương trình Becnuli chúng ta biết được năng lượng tiềm tàng chứa
trong thể tích nước W(m3) khi chảy qua mặt cắt (1-1) và mặt cắt (2-2) trong thời
gian t(s) sẽ là:


P1 α 1V12
E1 =  Z 1 + +
γ
2g



.W .γ (Jun)



P2 α 2V22

Z
+
+
E2 =  2
γ
2g


(1-1)


.W .γ (Jun)



(1-2)

+ Z1; Z2 - cao trình mặt nước tại mặt cắt 1-1 và mặt cắt 2-2
+ p1; p2 - áp suất trên mặt nước tại mặt cắt 1-1 và mặt cắt 2-2
+ γ - trọng lượng thể tích của nước; γ= 9,81.103 N/m3
+ V1; V2 - vận tốc dòng chảy tại mặt cắt 1-1 và mặt cắt 2-2
+ α1; α2 - hệ số xét đến sự phân bố lưu tốc tại mặt cắt 1-1 và mặt cắt 2-2
+ g - gia tốc trọng trường.
Khi đó, năng lượng tiềm tàng của đoạn sông:

P − P2 α 1V12 − α 2V22 
E1− 2 = E1 − E 2 = ( Z 1 − Z 2 ) + 1
+
.W .γ (Jun)
γ
2g



(1-3)

Năng lượng trên chính là công sản ra trong t(s) để chuyển khối nước W từ trên
xuống với cột nước toàn phần:

P − P2 α 1V12 − α 2V 22 
H 1− 2 = ( Z 1 − Z 2 ) + 1
+

γ
2g




(1-4)

Cột nước toàn phần trên bao gồm:
-

Cột nước địa hình: Hđh = Z1 – Z2

-

Cột nước áp suất: Has = (P1 – P2)/γ

-

α 1V12 − α 2V22
Cột nước lưư tốc: H lt =
2g

Viết lại: H1-2 = Hđh + Has + Hlt = Htĩnh + Hlt
Trong thực tế thì: P1 ≈ P2 , V1 ≈ V2 . Do đó: Has ≈ 0; Hlt ≈ 0
2


Từ đó:
E1-2 = H1-2.Wγ (jun)
E12 = γ.W.(Z1- Z2) (Jun)

(1-5)
(1-6)

3


E12 = γ.W.H (Jun)
(1-7)
Công thức (1-7) là công thức xác định năng lượng tiềm tàng của một đoạn song bất kỳ,
thay γ = 9,81.103 (N/m3) vào công thức (1-7) ta có:
E = 9,81.103.W.H = 9,81.103.Q.H.t (J)
(1-8)
12

Thay: 1kw = 3600.103 jun, có:
E=

H .Q.t
(KWh)
367,0

(1-9)

Công suất sinh ra của khối nước sẽ là: N12 = E12/t. Khi đó:
3

N = 9,81.10 .Q.H (W)

(1-10)

N = 9,81.Q.H (kW)

(1-11)

Công thức (1-11) được coi là công thức cơ bản nhất để tính toán thuỷ năng hay
phương trình cơ bản để tính toán thủy năng. Nó thường được áp dụng nhiều trong
công
tác quy hoạch, khảo sát, điều tra trữ lượng thuỷ năng tiềm tàng của sông ngòi.

2. Trữ năng theo lưu vực sông
Để tính trữ năng của một lưu vực sông, ta phải phân nó ra thành nhiều đoạn, theo
từng con sông. Sau đó dùng công thức (1-10) để tính trữ năng cho từng đoạn, và cộng
dồn lại . Nguyên tắc phân đoạn cần chú ý:
-

Phân đoạn từ đầu nguồn tới cửa sông đối với từng nhánh sông trước, sông
chính sau thuộc lưu vực, chiều dài phân đoạn ko quá lớn.
- Mặt cắt phân đoạn lấy ở những nơi có Q
và H thay đổi đặc biệt ( như hợp lưu của
các nhánh, nơi có độ dốc thay đổi rõ rệt,
nơi có thác ghềnh thiên nhiên làm H thay
đổi đột ngột....)

C¸c ph©n ®o¹ n b¾t buéc

Hình 1-2
Các bước tiến hành:
B1) Điều tra thu thập tài liệu:

- Ngoài ra khi chọn mặt cắt phân đoạn
cần chú ý những nơi thuận tiện, cho khai
thác và có thể chọn làm tuyến xây dựng

công trình.


Căn cứ bản đồ địa hình, dự kiến các vị trí cần phân đoạn, chuẩn bị bố trí các
công việc cần thiết khác. Sau đó đi thực địa để điều tra khảo sát, chọn tuyến phù hợp
với thực tế.
Tại các phân đoạn, đo đạc cao trình mặt nước, lưu lượng bình quân từ đó vẽ quan
hệ Z~L và Q~L ( L là chiều dài đoạn sông)
B2) Tính công suất và vẽ biểu đồ trữ lượng thuỷ năng.
-

Công suất cho từng đoạn sông:
Sử dụng công thức:
N = 9,81.Q.H

(kw)

Trong đó:
+ Cột nước H = cao trình đầu đoạn – cao trình cuối đoạn ( cao trình đầu đoạn i sẽ
là cao trình cuối đoạn i+1 )
Hi = Zid - Zic
+ Lưu lượng đoạn: tính trung bình
Qi =

Qid + Qic
2

Bỏ qua các tổn thất và nước vào đoạn qua các mạch ngầm, suối nhỏ.... mặc dù đã
phân đoạn nhưng không loại trừ được hết.
Từ đó tính được Ni ,

Có các trị số Ni vẽ được đường biểu diễn công suất cho từng đoạn sông: N i ~ Li ,
đường biểu diễn công suất trên một đơn vị dài: N i/Li ~ Li ; và đường biểu diễn tổng
công suất theo chiều dài đoạn sông:
-

∑ Ni ~ Li

Vẽ biểu đồ trữ năng:

Biểu đồ này thể hiện trữ năng của
một con sông, chưa kể sông nhánh.

Z, N L , Q, N
N

Nhận xét:
+ Độ dốc mặt nước càng về cuối
càng giảm( do đoạn ở miền núi dốc
hơn đoạn đồng bằng). Ngoại trừ
trường hợp đặc biệt có thác ghềnh.

Q

Z

NL

+ Đường biểu diễn lưu lượng, nhiều
chỗ tăng đột ngột do có lưu lượng ở
ngoài đổ vào.

+ Công suất trên một đơn vị dài (NL)
ở đầu và cuối sông nhỏ hơn ở giữa.

L
(km)

Hình 1-3


Bởi vì, ở đầu có cột nước cao, nhưng
lưu lượng nhỏ; còn ở cuối có lưu
lượng lớn, nhưng cột nước nhỏ.

3. Đánh giá trữ năng theo lãnh thổ
3.1 Trữ năng lý thuyết
Theo lý thuyết như đã nêu trên, có thể tính được trữ năng tiềm tàng của dòng
nước, nhưng trong thực tế không thể sử dụng được hết được năng lượng đó. Do
vậy đó gọi là trữ năng lý thuyết.
Về lý luận, ta tính được năng lượng tiềm tàng của đoạn sông. Thực tế không
thể
lợi dụng được hết năng lượng đó, do các nguyên nhân sau:
- Có thể đoạn sông nào đó không thể lợi dụng được do khó khăn về kỹ
thuật, hoặc do ngập lụt các công trình, các mỏ quý các khu dân cư lớn, các khu
canh tác phì nhiêu… dẫn đến không thuận lợi về mặt kinh tế.
- Mặt khác trong quá trình khai thác không thể tránh khỏi tổn thất lưu
lượng do bốc hơi, rò rỉ và thấm, tổn thất cột nước khi chảy qua các công trình lấy
nước và dẫn nước và máy móc thuỷ lực.vv…
Cho nên đồng thời với việc tính toán trữ lượng thuỷ năng tiềm tàng, cần
tiến hành tính toán trữ lượng thuỷ năng có thể khai thác được (thường gọi là trữ
năng kỹ thuật). Trữ năng kỹ thuật không những phụ thuộc và điều kiện thiên

nhiên của dòng sông,mà còn phụ thuộc vào trình độ kỹ thuật, hoàn cảnh kinh tế
của xã hội và sơ đồ khai thác đã hợp lý hay chưa. Phải thông qua tính toán
kinh tế kỹ thuật mới định ra được phương án hợp lý, lợi dụng tối đa nguồn năng
lượng thiên nhiên.
3.2 Trữ năng kỹ thuật
Trữ năng kỹ thuật của một con sông là phần trữ năng lý thuyết mà con người có
thể khai thác được dưới góc độ kỹ thuật và phù hợp với trình độ kỹ thuật của mình.
Trữ năng kỹ thuật phụ thuộc vào điều kiện thiên nhiên, trình độ kỹ thuật, hoàn
cảnh kinh tế của xã hội và sơ đồ khai thác thuỷ năng.
3.3 Trữ năng kinh tế
Trữ năng kinh tế là phần trữ năng kỹ thuật mà con người muốn khai thác có hiệu
quả kinh tế.
Trên thực tế có nhiều tuyến đáp ứng được các điều kiện kỹ thuật để XD, tuy
nhiên có tuyến đem lại hiệu quả ktế cao, có tuyến đem lại hiệu quả ktế thấp. Khi


trình độ khoa học ngày càng phát triển và nguồn năng lượng yêu cầu ngày càng
lớn, trữ năng ktế tiến gần đến trữ năng kỹ thuật.
Thông thường trữ năng ktế chiếm 20-40% trữ năng lý thuyết.

Bảng 1.1Trữ năng lý thuyết và kinh tế-kỹ thuật một số lưu vực lớn ở Việt Nam

*) Trạm thuỷ điện - khai thác năng lượng tiềm tàng của dòng chảy
- Để có thể khai thác thuỷ năng phát điện, cần phải xây dựng trạm thuỷ điện bao
gồm các hạng mục chính: Đập, hồ chứa, tuyến năng lượng, NMTĐ.....


Hình 1-4
Công suất của NMTĐ: do các tổn thất về lưu lượng, cột nước và tổn thất qua các
thiết bị, máy móc nên công suất của NMTĐ luôn nhỏ hơn công suất tự nhiên dòng

chảy tính theo (1-2). Công suất trạm thuỷ điện là:
N = 9,81 QHη
Trong đó: Q, H đã trừ đi phần tổn thất
η: hiệu suất trạm thuỷ điện ( η <= 1)
η = ηTB x ηmf x ηtđ
ηTB: hiệu suất turbin
ηmf: hiệu suất máy phát
ηtđ : hiệu suất truyền động ( trường hợp nối liền trục: ηtđ=1)
Điện lượng của trạm thuỷ điện: Phụ thuộc vào công suất mà nó phát ra và thời
gian phát công suất đó.
t

E = ∫ N .dt
0

Hoặc rời rạc hoá ( chia nhỏ thời đoạn t, tính gần đúng )
n

E = ∑ N i .t i
i =1


Trong đó: ti là khoảng thời gian mà trạm phát công suất N i , n: số thời đoạn làm
việc.
Để tính toán thuỷ năng, thường dùng các trị số điện lượng sau:
-

Điện lượng ngày: Engày

-

Điện lượng tuần: Etuần

-

Điện lượng tháng: Etháng

-

Điện lượng mùa: Emùa

-

Điện lượng năm: Enăm

Các giá trị trên sẽ được nói cụ thể ở các phần sau.

BÀI 1-2. NGUYÊN LÝ VÀ SƠ ĐỒ KHAI THÁC THUỶ NĂNG
1. Nguyên lý chung
Từ công thức tính toán thuỷ năng cho đoạn sông và cho trạm thuỷ điện
N = 9,81 QHη
Chúng ta thấy để khai thác tốt nhất nguồn thuỷ năng của dòng chảy cần phải có
các biện pháp tăng lưu lượng( Q), cột nước (H) và hiệu suất nhà máy (η). Đối với cột
nước, nhìn chung dòng sông là thoải dần, loại trừ một số thác ghềnh. Cho nên phải có
các biện pháp để tập trung. Đối với lưu lượng, thì cần phải làm cho thích ứng với nhu
cầu dùng nước – trữ nước vào mùa lũ để cung cấp cho mùa kiệt. Ngoài ra cần phải sử
dụng các thiết bị tốt cho nhà máy để có hiệu suất cao.
Như vậy, nguyên lý chung của việc khai thác thuỷ năng là:
-

Tập trung cột nước H

-

Tập trung và điều tiết lưu lượng Q


-

Nâng cao hiệu suất nhà máy

-

Đối với phần thuỷ năng này chỉ nghiên cứu 2 vấn đề: Tập trung cột nước(H)
và lưu lượng, điều tiết lưu lượng (Q). Phần hiệu suất sẽ được trình bày trong
phần turbin

2. Các biện pháp khai thác thuỷ năng
2.1. Khai thác thủy năng bằng đập dâng

H tÜnh

§ Ëp d©ng

§ êng mÆt n í c tù nhiªn

Hình 1-5
-

Nội dung:

Xây dựng đập tại một tuyến thích hợp nơi cân khai thác. Đập tạo ra cột nước do
sự chênh lệch mực nước thượng hạ lưu đập. Đồng thời tạo nên hồ chứa có tác dụng tập
trung và điều tiết lưu lượng, làm tăng khả năng phát điện trong mùa kiệt, nâng cao hiệu
quả lợi dụng tổng hợp nguồn nước như cắt lũ chống lụt, cung cấp nước, nuôi cá, vận
tải thuỷ…Phương thức tập trung cột nước như sơ đồ hình (1-5) được gọi là phương
thức khai thác kiểu đập
-

Ưu điểm:

Vừa tập trung được cột nước vừa tập trung được lưu lượng. Ngoài ra còn phục
vụ các yêu cầu lợi dụng tổng hợp như: Phân lũ, tưới, giao thông thuỷ, thuỷ sản, …
-

Nhược điểm:

Nếu đập quá cao thì khối lượng xây lớn, diện tích ngập lụt lớn, môi trường bị ảnh
hưởng nhiều. Trường hợp bị ngập các mỏ khoáng sản quý, đường giao thông huyết
mạch thì có thể không kinh tế khi XD CT.
-

Áp dụng:

Sơ đồ khai thác kiểu đập thường thích ứng với các vùng trung du của các sông nơi có
độ dốc lòng sông tương đối nhỏ, địa hình địa thế thuận lợi cho việc tạo nên hồ chứa
có dung tích lớn là tổn thất ngập lụt tương đối nhỏ. Ngược lại ở vùng thượng lưu, do
lòng sông hẹp, độ dốc lòng sông lớn nên dù có làm đập cao cũng khó tạo thành hồ

chứa có dung tích lớn. Ở hạ lưu, độ dốc lòng sông nhỏ, xây đập cao dẫn đến ngập lụt
lớn thiệt hại nhiều. Cho nên ở vùng này ít có điều kiện khai thác kiểu đập.
- Bố trí nhà máy:
Sơ đồ khai thác thuỷ năng kiểu đập nói lên cách tập trung cột nước bằng đập
dâng. Còn NMTĐ thì có thể bố trí nhiều dạng, nhưng phổ biến nhất là 2 dạng chính.
- NM đặt ở ngang đập: Thường áp dụng khi H thấp NM chịu được lực như 1
phần của đập

NMT§
NMT§

Hình 1.6
-

NM bố trí ở sau đập: Loại này thường được áp dụng nhất

NMT§
NMT§

Hình 1.7
Loại này có thể áp dụng cho cột nước từ vừa đến cao có trường hợp có thể tạo
cột nước H tới 300m như trạm Nuarêch của Nga
2.2. Biện pháp khai thác thuỷ năng bằng đường dẫn

Hình 1.8: Sơ đồ khai thác thủy năng kiểu đường dẫn (Loại có áp)
1. Tháp điều áp phía thượng lưu; 2. Tháp điều áp phía hạ lưu; 3. Nhà máy thuỷ điện ;
4. Đường hầm dẫn nước ; 5. Đường ống áp lực dẫn nước vào tuốc bin


H=Hdd

đ ờng ống áp lực

Nhà máy

Hỡnh 1.9: S khai thỏc thy nng kiu ng dn (Loi khụng ỏp)
-Ni dung:
Dựng ng dn to thnh ct nc. ng dn cú th l kờnh mỏng, ng dn
hay ng hm cú ỏp (Hỡnh 1-8) hoc khụng ỏp (Hỡnh 1-9). ng dn cú dc nh
hn sụng sui, nờn dn cng i xa chờnh lch gia ng dn v sụng sui cng
ln, ta c ct nc cng ln. Hay núi cỏch khỏc, ng dn di ch yu tng
thờm ct nc cho trm thy in. p õy thp v ch cú tỏc dng ngn nc li
ly nc vo ng dn. Do p thp nờn núi chung tn tht do ngp lt nh.
Phng phỏp tp trung ct nc bng ng dn l b trớ CLN ca NM v tuyn
NM xa nhau, li dng dc ca a hỡnh to chờnh ct nc

Hồ chứa

Bể điều tiết ngày
(hoặc BAL)

NMTĐ

đ ờng ống áp lực

Ta thy : dc lũng sụng cng ln, CLN v tuyn NM b trớ cng xa thỡ ct
nc ca TT cng ln. Tuy nhiờn, nu b trớ quỏ xa nhau thỡ vn u t cho tuyn
nng lng ln v khụng hiu qu v mt kinh t. Vic chn v trỳ xõy dng NM cn
thụng qua tớnh toỏn so sỏnh kinh t chn cho phự hp

Tuỳ theo địa hình mà trên tuyến dẫn nước vào NM có thể xây dựng cấc hạng
mục công trình như: cầu máng, xi phông, TĐA, vv… khi thiết kế cần chú ý chọn
tuyến dẫn sao cho ngắn nhất và ít có các công trình trên tuyến nhất.
Áp dụng:
Biện pháp khai thác thuỷ năng kiểu đường dẫn thường được áp dụng cho các đoạn
sông thượng lưu, nơi có độ dốc lòng sông thay đổi lơn, lòng sông hẹp. Nếu dùng đập để
tạo nên cột nước thường không có lợi cả về tập trung cột nước, tập trung và điều tiết lưu
lượng vì để có cột nước cao cần phải xây đập rất cao và không lợi về kinh tế. Mặt khác
do địa hình lòng sông các đoạn thượng lưu thường hẹp nên mặc dù có thể tạo được cột
nước nhưng dung tích hồ nhỏ không điều tiết được đáng kể lưu lượng từ mùa lũ cho
mùa kiệt. Vì vậy biện pháp thích hợp nhất là dùng đường dẫn để tạo cột nước.
-

-

Ưu điểm:

Khối lượng xây dựng công trình đầu mối nhỏ, diện tích ngập lụt của hồ nhỏ. Cột
nước tập trung được lớn
- Nhược điểm:
Hồ nhỏ nên không điều tiết được lưu lượng . Khối lượng xây dựng tuyến dẫn có
thể lớn nếu có địa hình không thuận lợi mà cột nước lại không tập trung được cao
3. Biện pháp khai thác thuỷ năng bằng đập kết hợp đường dẫn
-

Nội dung:

Khi điều kiện địa hình cho phép vừa có thể xây đập tạo hồ điều tiết một phần lưu
lượng vừa có thể bố trí NM ở xa tuyến công trình đầu mối, lợi dụng độ dốc địa hình để

tạo cột nước thì tốt nhất là dùng biện pháp khai thác thuỷ năng kiểu kết hợp

Nhµ m¸y

-

Hdd

H

Hd

Sơ đồ khai thác này là sự kết hợp của hai sơ đồ khai thác đã nêu. Cột nước của
nhà máy là tổng cột nước đạp dâng và do đường dẫn tạo nên. Hồ điều tiết của sơ đồ
này thường không lớn như trường hợp của sơ đồ khai thác kiểu đập

Áp dụng : Thường được xây dựng ở các đoạn sông trung và thượng lưu của
sông (Nơi có độ dốc thay đổi từ lớn sang nhỏ).


- Ưu nhược điểm: Những ưu điểm nhược điểm của sơ đồ này là trung hòa của
hai sơ đồ khai thác kiểu đập và kiểu đường dẫn đã nêu ở trên
4. Trạm thuỷ điện tích năng
Để tránh phải xả nước thừa và lợi dụng những thời điểm thừa điện người ta
nghiên cứu xây dựng TTĐ kiểu tích năng
Nội dung chính của loại TTĐ kiểu tích năng là:
hå trªn
hå d í i

Vào những thời điểm mà yêu cầu phụ tải thấp, lượng điện năng dùng ít mà lượng

nước đến các hồ của TTĐ lại nhiều. Để tránh xả lãng phí nguồn nước và tận dụng
nguồn năng lượng thừa người ta dùng máy bơm ( có thể kết hợp vào cùng một tổ máy
của TTĐ) bơm nước từ hồ phía dưới lên hồ được nghiên cứu xây dựng ở phía trên cao.
Như vậy lượng nước thừa được tích lại ở hồ phía trên. Khi nào yêu cầu phụ tải lớn,
lượng nước suống hồ dưới không đủ, thì lại dùng nước từ hồ trên phát điện bằng cách
xả ngược lại qua NMTĐ
Quá trình này có thể lặp đi lặp lại nhiều lần
Việc bố trí các tổ máy TĐ và máy bơm cùng các chi tiết của loại hình TTĐ này
được trình bày trong phần công trình trạm. ở phần này chỉ nghiên cứu khai thác thủy
năng theo kiểu tích trữ năng lượng như đã nêu
Ưu điểm của loại hình này là tận dụng được nguồn điện thừa và nguồn nước
thừa để phục vụ phát điện cho những lúc thiếu. Nhưng nhược điểm của nó là phải có
địa hình phù hợp, vì cân bằng tốt điện lượng trong hồ sử dụng trong thực tế. ở Việt
Nam chưa có TTĐ nào theo kiểu này

3. Khai thác thủy năng một bậc và bậc thang
3.1. Khai thác 1 bậc
Là loại sơ đồ chỉ có 1 TTĐ khai thác năng lượng của cả con sông. Nguồn nước
chỉ khai thác sử dụng 1 lần
Sơ đồ khai thác 1 bậc áp dụng cho các con sông nhỏ có chiều dài ngắn và các
con sông không thuận lợi và kinh tế cho khai thác nhiều bậc.


H

3.2. Khai thác bậc thang
Trong trường hợp dòng sông dài, 1 TTĐ không thể khai thác hết năng lượng,
người ta chia dòng sông thành nhiều đoạn nhỏ và trên mỗi đoạn xây dựng hồ chứa và
TTĐ để khai thác năng lượng dòng sông

H3

H*

H2

hn

H1

Sơ đồ khai thác bậc thang gồm 3 bậc

Khai thác kiểu bậc thang sử dụng độ dốc lòng sông hoàn thiện và hiệu quả kinh
tế nhất. Dòng nước được tận dụng để phát điện nhiều lần qua mỗi bậc. Dòng nước
được điều tiết không chỉ ở bản thân của trạm mà còn có tác dụng đối với hồ dưới làm
tăng công suất và điện năng của trạm trong hệ thống bậc thang. Bố trí bậc thang cũng
giảm được tổn thất do dòng nước dâng đuôi hồ và tổn thất do tháo cạn hồ.
Khi thiết kế bậc thang cần chsu ý việc : Phân đoạn dòng sông, xác định quy mô
thích hợp cho mỗi đoạn, bố trí các trạm, việc điều tiết dòng chảy trong bậc, khả năng
vận hành liên hợp …
Cột nước tĩnh tổng hợp H* lớn hơn tổng cột nước tĩnh từng bậc
H* > H 1 + H 2 + H 3
Cột nước trạm trong bậc còn có thể ảnh hưởng nếu bậc dưới ngập chôn bậc trên.
Trong quá trình vận hành mực nước hồ luôn giao động nên hiện trường ngập chân
cũng có lúc diễn ra, lúc không
4. Cách tập trung và điều tiết lưu lượng.
- Điều tiết dòng chảy là quá trình phân phối lại dòng chảy theo không gian và
thời gian cho phù hợp với yêu cầu dung nước của các ngành. Muốn điều tiết
được dòng chảy phải có hồ chứa (mục đích là trữ nước trong mùa nhiều nước để
cấp them cho mùa ít nước). Tùy theo yêu cầu dùng nước và chế độ phát điện mà

có những cách tập trung và điều tiết lưu lượng khác nhau. Có nhiều cách phân
loại điều tiết dòng chảy, ở đây chỉ đề cập cách phân loại theo thời gian kéo dài
của chu kỳ điều tiết. Tùy theo thời gian điều tiết (hay chu kỳ điều tiêt) mà người
ta phân ra các dạng điều tiết của TTĐ như sau: Không điều tiết, điều tiết ngày
đêm, điều tiết tuần, điều tiết năm, điều tiết nhiều năm.
4.1.

Không điều tiết.
Loại này thường xuất hiện ở TTĐ đường dẫn, không có dung tích hữu ích,

không có khả năng can thiệp vào lưu lượng thiên nhiên. Lưu lượng nước dùng
luôn luôn bằng lưu lượng thiên nhiên, mực nước thượng lưu luôn bằng MNDBT.
Không có khả năng thay đổi công suất cho phù hợp với yêu cầu dung điện hay
nói cách khác công suất phát của TTĐ luôn luôn bằng công suất của dòng nước
tạo ra. Loại này chỉ thích hợp đảm nhận phần phụ tải không thay đổi.


4.2. Điều tiết ngày (Chu kỳ điều tiết là một ngày đêm).
Đứng về mặt năng lượng dòng chảy và yêu cầu phát điện ta thấy: Trong
một ngày đêm về mùa kiệt lưu lượng thiên nhiên hay công suất thiên nhiên tương
đối đều đặn. Ngược lại, yêu cầu dùng điện trong một ngày đêm thay đổi lớn, cho
nên cần phải tiến hành điều tiết ngày.
Điều tiết ngày nhằm mục đích đảm bảo nhu cầu nước không đều trong ngày
của trạm thuỷ điện do phụ tải của trạm dao động rất lớn, khi đó dòng nước trên
sông hầu như không thay đổi mấy trong phạm vi một ngày đêm về mùa kiệt.

Từ hình vẽ ta thấy : trong thời gian từ t1÷ t2 và t3÷ t4 lưu lượng thiên nhiên lớn hơn
lưu lượng dùng của trạm, nước thừa. Dung tích thừa tương ứng với diện tích (1)

và (3) sẽ được trữ lại trong hồ, làm cho mực nước trong hồ ở thời kỳ đó tăng lên.
Thời gian từ t2÷ t3 lưu lượng dùng của trạm lớn hơn lưu lượng thiên nhiên
đến. Lượng nước được trữ lại hồ trước đây sẽ cấp thêm cho trạm tương ứng diện
tích (2) và làm cho mực nước trong hồ giảm xuống. Dung tích nước trữ lại hồ sẽ
vừa bằng dung tích nước từ hồ cấp thêm cho trạm. Sau một ngày đêm mực nước
trong hồ sẽ trở lại vị trí ban đầu và hoàn thành một chu kỳ điều tiết.


3. Điều tiết tuần.
Về mùa kiệt dòng chảy trong sông hàng tuần, thậm chí trong một thời gian
dài thay đổi rất ít. Trong khi đó yêu cầu dùng nước và dùng điện trong tuần lại
thay đổi.
Để giải quyết mâu thuẫn trên cần có điều tiết tuần.
Để điều tiết, người ta làm hồ chứa để trữ lại lượng nước thừa dùng không hết,
ở từng thời kỳ trong tuần, bổ sung yêu cầu của những ngày khác trong tuần. Dù ở
bất cứ tình hình nào, dung tích của hồ điều tiết tuần cũng không lớn hơn tổng
lượng nước đến một ngày trong mùa kiệt. Kho nước điều tiết tuần đồng thời cũng
tiến hành điều tiết ngày. Điều tiết ngày và điều tiết tuần gọi chung là điều tiết ngắn
hạn.
4. Điều tiết năm.
Dòng chảy trên sông suối phân bố không đều theo thời gian, mùa nhiều
nước, mùa ít nước. Có những con sông lưu lượng lũ hàng năm gấp hàng nghìn lần
lưu lượng kiệt của chúng (thí dụ sông Lục Nam, lưu lượng kiệt Qkiệt = 1,4
m3/s, trong khi đó lưu lượng lũ Qmax 2300, sông Hồng lưu lượng mùa kiệt Qk =
400m3/s còn mùa lũ có
thể lên 40000m3/s) Điều đó dẫn đến công suất của dòng nước trong một năm cũng
có lúc quá lớn, cũng có lúc quá nhỏ. Lượng dòng chảy giữa năm này và năm khác
cũng lớn nhỏ khác nhau, nghĩa là khả năng cung cấp điện trong các năm cũng rất
khác nhau. Trong khi đó yêu cầu dùng điện của các tháng trong năm, của năm
trước và năm sau tương đối ổn định, không có sự lên xuống thất thường mà chỉ

tăng dần theo mức độ phát triển các cơ sở sản xuất và nhu cầu sinh hoạt của xã hội.
Để giải quyết mâu thuẫn trên, người ta xây dựng hồ chứa để chứa nước thừa vào mùa
lũ, cung cấp cho mùa kiệt thiếu nước, làm cho năng lực phát điện trong năm điều
hoà hơn. Cách tập trung và điều tiết lưu lượng giữa các mùa trong 1 năm như vậy
được gọi là điều tiết năm hay điều tiết mùa. Chu kỳ của nó là một năm.
Với hồ điều tiết năm, có hai hình thức trữ nước và cung cấp nước sau đây.
- Trữ nước có xả (điều tiết không hoàn toàn): trữ nước ngay từ đầu đến khi hồ đầy


(đến mực nước dâng bình thường), lượng nước đến thừa xả bỏ (hình 1-14a). Hoặc trong
quá trình trữ nước có thể tiến hành xả nước (hình 1-14b). Khi nào dùng cách trữ này
hay cách trữ kia cho thích hợp, tuỳ tình hình thuỷ văn của sông ngòi và điều kiện
công tác của hồ chứa mà quyết định.
- Trữ nướckhông xả (điều tiết hoàn toàn): Nước đến bao nhiêu nếu thừa sẽ trữ hết vào
hồ. Loại này tận dụng hết lượng nước, song dung tích hồ phải lớn hơn loại trên
(hình1-14c).
Do dung tích của hồ điều tiết năm lớn hơn nhiều so với hồ điều tiết ngày và
điều tiết tuần nên nó có thể đồng thời tiến hành điều tiết ngày và điều tiết tuần.
5. Điều tiết nhiều năm.
Khi hồ có dung tích lớn, có thể tiến hành trữ nước thừa của năm nhiều nước, để
bổ sung cho năm ít nước. Nghĩa là tiến hành phân phối lại dòng chảy giữa năm này
và năm khác, làm tăng năng lực phát điện cảu năm ít nước và điều hoà năng lực phát điệ
giữa các năm. Cách tập trung và điều tiết lưu lượng giữa các năm gọi là điều tiết nhiều
năm. Chu kỳ điều tiết là một số năm liên tục và không phải là một hằng số.
Năm thứ nhất nhiều nước, trữ nước đến mực nước dâng bình thường (MNDBT). Các
năm sau là năm thứ 2,3,4 trong mỗi năm có một thời kỳ cung cấp nước vào mùa kiệt. Do
lượng nước tháo đi nhiều hơn lượng nước bổ sung vào nên mực nước hồ nói chung là
càng ngày càng giảm xuống mực nước chết (MNC) vào đầu năm thứ 5. Đến cuối năm
thứ 5 hồ lại tích đầy đến MNDBT vì năm này có lũ lớn. Các năm thứ 2,3,4 là các năm
nước kiệt liên tục. Dung tích hồ điều tiết nhiều năm có trị số lớn nhất và tính năng

điều tiết cao nhất. Điều tiết năm và điều tiết nhiều năm gọi chung là điều tiết dài hạn.
Nhìn bề ngoài ta thấy điều tiết ngắn hạn và điều tiết dài hạn có tính năng trái ngược
nhau. Điều tiết ngắn hạn không làm cho lưu lượng điều hoà lại như điều tiết dài hạn mà
làm cho lưu lượng đang ổn định trở thành thay đổi. Song nó thống nhất ở chỗ dù điều
tiết ngắn hạn hay điều tiết dài hạn cũng đều nhằm mục đích là tập trung được lưu lượng
để phân phối lại cho thích ứng với yêu cầu phát điện.
Để có thể tập trung và điều tiết lưu lượng cần phải tiến hành tính toán điều
tiết dòng chảy trên cơ sở tài liệu thuỷ văn, yêu cầu dùng nước, cũng như các điều
kiện kinh tế kỹ thuật của công trình. Những cấn đề cơ bản về tính toán điều tiết


dòng chảy đã được trình bày trong môn học “thuỷ văn công trình” còn những
vấn đề cần thiết ứng dụng trong tính toán thuỷ năng xác định quy mô công trình
hồ chứa của trạm thuỷ điện sẽ được trình bày lại trong các chương sau.
Để phán đoán mức độ điều tiết dòng nước của hồ chứa, người ta dựa vào trị số
dung tích tương đối có ích của hồ chứa β . Đó là tỉ số giữa dung tích có ích của hồ Vh
với lượng dòng chảy năm tính trung bình nhiều năm W0 tại tuyến đập
β =Vh/Wo
Khi β > 0,3 đến 0,5 → tính toán theo hồ điều tiết nhiều năm
Khi 0,02 ≤ β ≤ 0,3 → tính toán theo hồ điều tiết năm
Khi β ≤ 0,02 → tính toán theo hồ điều tiết ngày đêm hoặc không điều tiết.
Tuy nhiên hệ số β chỉ dung để tham khảo trong TTTN còn trong thực tế người ta
thường căn cứ vào lưu lượng phát điện trung bình mùa kiệt và lưu lượng phát điện trung
bình mùa lũ của năm kiệt thiết kế để xác định hình thức điều tiết của hồ chứa.


Bài giảng Thuỷ điện

BÀI 1-3. VẤN ĐỀ LỢI DỤNG TỔNG HỢP NGUỒN NƯỚC ( 0,5-1T)
1. Yêu cầu dùng nước của ngành kinh tế

Ngày nay do nền kinh tế ngày càng phát triển, nhu cầu dùng nước của các ngành
ngày càng trở nên cấp thiết.
Nguồn nước không chỉ phục vụ cho việc phát điện mà còn phục vụ cho các nhu
cầu khác như:
- Tưới cho hạ lưu: đảm bảo cấp nước tưới cho diện yêu cầu
- Cung cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp: Đảm bảo các yêu cầu cho đời
sống và các hoạt động sản xuất
- Phục vụ giao thông thuỷ: Cần đảm bảo mực nước hợp lý để tàu bè có thể đi lại
thuận tiện
- Nuôi cá hay kể cả việc đẩy nước mặn xâm nhập nội đồng bằng cách cấp xả
nước xuống hạ du ngăn mặn
- Ngoài ra còn phục vụ vì nhu cầu khác như: du lịch, đảm bảo môi sinh, phòng
chát rừng…
2. Sự phù hợp và mâu thuẫn trong yêu cầu dùng nước của các ngành:
Các ngành dùng nước có yêu cầu rất khác nhau . Thuỷ điện thì không yêu cầu
phụ tải thay đổi nên hạ lưu lượng xả xuống hạ lưu thay đổi làm ảnh hưởng tới mực
nước phái hạ du, do đó ảnh hưởng việc tự chảy, đảm bảo giao thông thuỷ
Các yêu cầu tưới, thuỷ sản, giao thông thuỷ năng cũng phải lúc nào cũng phù
hợp, mà mỗi lúc, mỗi thời điểm chung yêu cầu lưu lượng mà mực nước khác nhau.
Cũng như đối với các yêu cầu khác, vấn đề lợi dụng tổng hợp đòi hỏi phải có quá trình
vận hành sử dụng nước trong hồ cho hiệu quả và hợp lý nhất.
Để điều hoà mâu thuẫn giữa các ngành dùng nưpức, thường phải cố gắng xây
được các hồ dung tích lớn, điều tiết năm hay nhiều năm nhằm đảm bảo phân phối nước
phù hợp. Mặt khác cũng cần xây dựng quy trình vận hành, trên cơ sở tính toán so sánh
các phương án cấp nước cho từng ngành để có thể đem lại hiệu quả lợi dụng tổng hợp
tối đa

21

Bài giảng Thuỷ điện

CHƯƠNG 2: TRẠM THUỶ ĐIỆN LÀM VIỆC TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN LỰC (6T)
Bài 2-1. YÊU CẦU DÙNG ĐIỆN VÀ BIỂU ĐỒ PHỤ TẢI (1÷ 2T)

1. Khái niệm hệ thống điện
Hệ thống điện bao gồm các trạm phát điện, các trạm biến thế, các đường dây tải
điện và các hộ dùng điện
Ngoại trừ các TTĐ rất nhỏ phải làm việc độc lập chỉ cung cấp điện cho 1 vùng
riêng lẻ, còn hầu hết các TTĐ đều làm việc trong hệ thống cùng các trạm phát điện
khác ( có thể không phải là TTĐ)
Việc phối hợp giữa các trạm phát điện trong hệ thống đem lại nhiều hiệu quả lớn
về Kinh tế – kỹ thuật. Về mặt nhu cầu điện, nước giảm được phụ tải lớn nhất hệ thống
do các hộ dùng không từng bao giờ cao điểm tiêu thụ điện. Các trạm phối hợp nên
giảm được công suất dự trữ đến giảm Nlm hệ thống, Nó cũng đảm bảo yêu cầu an toàn
cung cấp điện và chất lượng điện ( điện áp và tần số dòng điện). Các trạm thuỷ điện
trong hệ thống có tính cơ động đảm bảo thay thế các trạm sự cố khác rất tốt
Ngoài các TTĐ còn có các trạm nhiệt điện sử dụng TB khí, TB hơi… tham gia
làm việc trong hệ thống

2. Đặc điểm các hộ dùng điện
Khái quát: Các hộ dùng điện sử dụng điện thông qua các thiết bị tiêu thụ điện kỹ
thuật càng tiến bộ, sản xuất càng phát trỉên thì ngày càng có nhiều thiết bị tiêu thụ điện
mới với yêu cầu dùng điện riêng
Dựa vào tính chất sản xuất các hộ dùng mà có thể phân thành các nhóm như sau:
2.1 Nhóm dùng điện công nghiệp:
tiêu thụ điện nhiều nhất chiếm trung bình 75% điện năng hệ thống
Chế độ dùng điện của các hộ cũng khác nhau, tuỳ theo số ca làm việc. Trong thời
gian làm việc thì điện năng tiêu thụ thường thay đổi ít ( trừ khi khởi động động cơ lớn

or đặc biệt)
Cét trong tuần cũng khác. Bởi vì có nơi làm việc 5 ngày nơi làm việc 6 ngày. Để
tránh tình trạng cùng nghỉ vào ngày chủ nhật, có thể bố trí các ngày nghỉ khác nhau
hay áp dụng giá điện rẻ vào các ngày chủ nhật, các thời gian ít tiêu thụ điện. Còn trong
năm thì các hộ dùng ít thay đổi do quy mô sãnuất ổn định

22


Bài giảng Thuỷ điện
2.2. Nhóm dùng điện sinh hoạt và công trình công cộng
Yêu cầu dùng điện của nhóm này ngày càng tăng nhanh. Lượng tiêu thụ điện
năng của nhóm này thay đổi thất thường. Riêng chế độ thắp sáng thì thường tăng cao
vào buổi tối nhưng về đêm thì lại giảm đáng kể
2.3 Nhóm dùng điện nông nghiệp
Chủ yếu là các trạm bơm phục vụ tưới tiêu. Việc dùng điện phục vụ chế biến
thức ăn gia súc, hay các khâu khác trong chăn nuôi còn ít và quy mô nhỏ. Tỷ lệ dùng
điện nông nghiệp thường chiếm xấp xỉ 10% hệ thống. Phụ tải nhóm này tăng cao vào
thời kỳ tưới ải hoặc tiêu úng nước trong mùa lũ
2.4 Nhóm hộ dùng điện giao thông vận tải
Phục vụ chủ yếu là ngành đường sắt, ngoài là các Gara, sân bay, cảng biển, các
cơ sở sửa chữa phương tiện giao thông vận tải …ở các nước khác là hệ thống tàu điện,
xe điện tiêu thụ điện năng rất lớn

3. Biểu đồ phụ tải
* Khái niệm: Đồ thị thể hiện sự thay đổi của nhu cầu tiêu thụ điện năng gọi là
BBDPT
3.1 Biểu đồ phụ tải ngày và đường luỹ tích BĐPT
3.1.1 Biểu đồ phụ tải ngày
a. Khái niệm BĐPT ngày đêm

Đồ thị thể hiện sự thay đổi phụ tải trong 1 ngày đêm gọi là BĐPT ngày đêm
BĐPT ngày đêm rất cần thiết cho tính toán năng lượng, phân chia công suất giữa các
trạm, xác định vị trí làm việc, công suất lắp máy các trạm
b. Cách xây dựng
BĐPT bao gồm các yêu cầu của các hộ dùng của các trạm. Tổn thất của lưới phụ
thuộc hệ thống đường dây và thường chiếm 5 – 15% lượng điện phát vào mạng. Lưới
điện tư dùng phụ thuộc quy mô từng trạm và chứa khoảng 0,5 ÷ 2% sản lượng điện
với TTĐ, chiếm xấp xỉ 5 ÷ 10% sản lượng đối với TNĐ
Căn cứ vào yêu cầu dùng và tổn thất tự dùng như đã nêu trong 1 ngày đã vẽ
được BĐPT ngày. Có thể dựng BĐPT ngày dạng đường cong hoặc dạng bậc thang
theo từng giờ để cho tiện sử dụng. Trên thực tế, biểu đồ phụ tải ngày đêm có dạng
răng cưa, nguyên nhân vì công suất khởi động của máy móc lớn và vận hành của các
máy móc ngẫu nhiên, không theo một thứ tự xắp xếp nào. Một cách gần đúng, người
ta có thể đưa về dạng cong trơn hoặc dạng hình thang như hình 2.1

23


Bài giảng Thuỷ điện
P
(kw)

P
(kw)

P"

P'

P

phÇn ®Ø
nh

phÇn gèc

(24h)

(24h)

Hình 2.1
c. Đặc điểm:
- Hình dạng BĐPT phụ thuộc nhu cầu dùng điện của từng thời điểm. Thông
thường BĐPT có 2 đỉnh, buổi sáng và buổi chiều do nhu cầu sinh hoạt, sản xuất và
công nghiệp của chiều do nhu câù sinh hoạt, sản xuất và công nghiệp cao trong giờ
nghỉ trưa phụ tải giảm mạnh, nhất là về nửa đêm gần về sáng.
- Hình dạng biểu đồ phụ tải ngày đêm của các ngày trong năm không giống nhau.
Trong thực tế tính toán không thể sử dụng toàn bộ 365 biểu đồ phụ tải ngày đêm. Vì
thế để đặc trưng cho sự thay đổi phụ tải, người ta thường dùng các biểu đồ phụ thải
ngày đêm điển hình: biểu đồ phụ tải ngày đêm lớn nhất (P’’), trung bình ( P ) và nhỏ nhất
( P’).
- Người ta phân BĐPT thành 2 vùng (Phần) – Xem hình 2.1.
+ Phần gốc: Phần BĐPT từ 0 ÷ P’: ( PT = const)
+ Phần đỉnh: Phần BĐPT từ P’ ÷ P’’
- Để có khả năng so sánh giữa các BĐPT ngày đêm có thể dùng các chỉ số
+ Chỉ số sử dụng đồng thời:
Chế độ làm việc của các hộ dùng điện không giống nhau nên các thời điểm
đòi hỏi công suất lớn nhất cũng không trùng nhau. Do đó phụ tải lớn nhất ngày
đêm luôn luôn nhỏ hơn tổng công suất lớn nhất của các hộ dùng điện.
Tỉ số giữa phụ tải lớn nhất ngày đêm P” với tổng công suất lắp ráp máy của các

hộ dùng điện gọi là chỉ số sử dụng đồng thời ( ρ) .
P' '
ρ=
N lm
+ Chỉ số phụ tải gốc (α) : là tỉ số giữa phụ tải nhỏ nhất P’ và phụ tải trung bình
P ngày đêm.

24


Bài giảng Thuỷ điện

α=

P'
P

+ Chỉ số đồng đều ( β ) : là tỉ số giữa phụ tải nhỏ nhất và phụ tải lớn nhất.

β=

P'
P' '

+ Chỉ số sử dụng phụ tải lớn nhất (δ ) : là tỉ số giữa phụ tải nhỏ nhất P’ và phụ tải
trung bình P ngày đêm.

δ=

P

P' '

αδ
Ta có quan hệ giữa các chỉ số α,β ,δ là: β =1

Từ

δ=

P
P' '

⇒ Số giờ lợi dụng phụ tải lớn nhất:
h = 24 xδ =

Px 24 Eng
=
P"
P"

Số giờ lợi dụng phụ tải lớn nhất trong ngày (h ngày) biểu thị số giờ cần thiết
khi trạm làm việc với phụ tải lớn nhất (P”). Để phát ra điện lượng bằng điện
lượng khi trạm làm việc theo biểu đồ phụ tải ngày đêm.
Ta thấy rằng khi δ tăng, thì số giờ lợi dụng phụ tải lớn nhất cũng tăng, hay
nói khác đi là điện lượng cũng tăng. Do δ ảnh hưởng đến mức lợi dụng máy móc
như vậy, nên cần thiết phải nâng cao trị số δ bằng cách: sắp xếp hợp lý thời gian
làm việc và nghỉ của các hộ dùng điện công nghiệp và điều hòa hợp lý việc dùng
điện của các hộ trong từng thời gian.
3.1.2 Đường luỹ tích biểu đồ phụ tải ngày
- Là đường quan hệ giữa phụ tải P và điện lượng E trong 1 ngày đêm. Đường luỹ

tích giải quyết 2 vấn đề:
+ Với công suất đã biết, xác định điện lượng của trạm ở vùng làm việc nào đó
trên BĐPT
+ Vớiđiện lượng ngày đêm đã biết, xác định công suất mà trạm cần phát
-

Cách xây dựng đường luỹ tích

25