Luận văn nghiên cứu tính toán xác định kích thước hợp lý tháp điều áp cho trạm thủy điện khe thơi

LỜI CAM ĐOAN
Học viên xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân học viên. Các kết
quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ
một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã
được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận văn

LỜI CẢM ƠN
i


Sau thời gian học tập, nghiên cứu với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Phan
Trần Hồng Long và PGS. TS Lê Xuân Khâm cùng với sự giúp đỡ của các thầy cô giáo
trong trường Đại học Thủy Lợi, luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu tính toán xác
định kích thước hợp lý tháp điều áp cho trạm thủy điện Khe Thơi” đã được tác giả
hoàn thành đúng thời hạn quy định và đảm bảo đầy đủ các yêu cầu trong đề cương
được phê duyệt.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo TS. Phan Trần Hồng Long và
PGS. TS. Lê Xuân Khâm đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin
khoa học cần thiết cho luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo Phòng đào tạo đại học và Sau đại học, khoa
Công trình, khoa Năng Lượng - Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình giảng dạy và
giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện luận văn này.

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và những người
đi trước đã chỉ bảo, khích lệ, động viên, ủng hộ nhiệt tình và t ạo điều kiện, giúp đỡ cho tác
giả về mọi mặt trong quá trình học tập cũng như hoàn thiện luận văn.
Tuy đã có những cố gắng song do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế nên luận văn này không

thể

tránh khỏi những thiếu sót và tồn tại, tác giả mong nhận được mọi ý kiến đóng góp
và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo, anh chị em và các bạn đồng nghiệp.

ii


Mục lục

iii


Danh mục hình ảnh
Hình 1-1. Phương thức khai thác thủy năng kiểu đường dẫn có áp...........................................................3
Hình 1-2. Sơ đồ đặt tháp điều áp................................................................................................................5
Hình 1-3. Sơ đồ dao động mực nước trong tháp điều áp...........................................................................6
Hình 2-1. Tháp điều áp kiểu viên trụ........................................................................................................10
Hình 2-2. Tháp điều áp kiểu viên trụ có màng cản..................................................................................10
Hình 2-3. Tháp điều áp kiểu hai ngăn.......................................................................................................11
Hình 2-4. Tháp điều áp kiểu có máng tràn...............................................................................................11
Hình 2-5. Tháp điều áp kiểu có lõi trong..................................................................................................11
Hình 2-6. Tháp điều áp kiểu nén khí........................................................................................................11
Hình 3-1. Diễn biến mực nước tháp khi cắt tải toàn bộ (D = 9m)...........................................................34
Hình 3-2. Diễn biến mực nước tháp khi tăng tải tổ máy cuối cùng (D=9m)..........................................44

iv


Danh mục bảng biểu
Bảng 1.1. Tổng hợp một số công trình thủy điện đã và đang xây dựng có sử

dụng tháp điều áp................................................................................................4
Bảng 2.1. Thống kê các hình dạng tháp điều áp.............................................10
Bảng 3.1. Bảng các thông số chính của thủy điện Khe Thơi.........................18
Bảng 3.2. Mực nước tăng lên lớn nhất khi cắt tải cả hai tổ máy (D = 9m). .28
Bảng 3.3. Tính toán mực nước thấp nhất trong tháp điều áp khi tăng tải tổ
máy số 2 (Trường hợp D = 9m)........................................................................37
Bảng 3.4. Tổng hợp kết quả tính toán.............................................................46
Bảng 3.5. So sánh kết quả với hồ sơ thiết kế...................................................48

v


vi


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Hiện nay, nền kinh tế nước ta đang trong giai đoạn phát triển mạnh, nhu cầu về năng
lượng ngày càng lớn. Việc khai thác, xây dựng các công trình thủy điện của nước ta
vẫn đang tiếp tục phát triển, nhiều ứng dụng mới và công nghệ mới được áp dụng vào
quá trình thiết kế, xây dựng và vận hành trạm thủy điện.
Trong quá trình vận hành trạm thủy điện, khi tổ máy thực hiện việc chuyển tiếp chế độ
làm việc đều gây ra hiện tượng nước va và có khi trị số áp lực nước va rất lớn, đặc biệt
đối với các trường hợp như cắt tải toàn bộ hoặc tăng tải tổ máy cuối cùng. Việc nghiên
cứu giảm tác hại của nước va cho trạm thủy điện đường dẫn vẫn đang tiếp tục được
nghiên cứu, tính toán, cải tiến, áp dụng đối với cả các trạm đã xây dựng cũng như đang
và sẽ xây dựng. Tháp điều áp là một trong những hạng mục của công trình nhà máy
thủy điện có tác dụng giảm tác hại của hiện tượng nước va. Các mực nước trong tháp
khi cắt và tăng tải thể hiện rõ nhất của hiện tượng nước va đồng thời cũng là thông số
quyết định chiều cao của tháp. Các thông số đường kính và chiều cao tháp có ảnh

hưởng qua lại lẫn nhau, đề tài sẽ nghiên cứu tính toán ảnh hưởng qua lại này để đề
xuất kích thước hợp lý cho tháp điều áp, với ví dụ ứng dụng là trạm thủy điện Khe
Thơi
2. Mục đích của đề tài:
- Nghiên cứu tổng kết các dạng tháp điều áp và các công trình thủy điện có sử dụng
tháp điều áp ở Việt Nam
- So sánh, đánh giá các phương pháp xác định mực nước trong tháp trong quá trình
chuyển tiếp của trạm thủy điện. Đề xuất và chọn phương pháp tính cho trạm thủy điện
Khe Thơi.
- Áp dụng tính toán, lựa chọn kích thước tháp hợp lý trong phạm vi cho phép cho trạm
thủy điện Khe Thơi.
3. Cách tiếp cận, nội dung và phương pháp nghiên cứu.
1


Cách tiếp cận:
- Từ thực tế: Quá trình vận hành, sự cố, tác dụng của các tháp điều áp trạm thủy điện,
thu thập hồ sơ thiết kế tháp điều áp của một số trạm thủy điện ở Việt Nam
- Tiếp cận từ các điều kiện kỹ thuật: Tính toán ảnh hưởng nước va, dao động mực
nước trong tháp điều áp, đề xuất kiểm tra so sánh lại kết quả tính toán mực nước cao
nhất và thấp nhất trong tháp điều áp
- Tiếp cận từ các điều kiện kinh tế: So sánh, có thể đề xuất giảm khối lượng xây dựng,
mà vẫn đảm bảo khả năng vận hành của trạm thủy điện
Nội dung nghiên cứu:
- Thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết cắt tải toàn bộ và tăng tải tổ máy cuối cùng của trạm thủy
điện
- Tính toán mực nước trong tháp cho các phương án kích thước khác nhau với phạm vi
cho phép
- Phân tích và đánh giá kết quả tính toán, lựa chọn kích thước hợp lý cho tháp điều áp

của trạm thủy điện Khe Thơi.
Phương pháp nghiên cứu:
- Điều tra, thống kê và tổng hợp
- Biến đổi và giải hệ ba phương trình sai phân bằng phương pháp thử dần
- Tổng hợp kết quả tính toán, so sánh và đề xuất lựa chọn hình dạng và kích thước hợp
lý cho trạm thủy điện Khe Thơi.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về các công trình thủy điện có tháp điều áp ở Việt Nam
1.1.1. Phương thức khai thác thủy năng kiểu đường dẫn có áp
Các trạm thủy điện thường sử dụng nguyên lý tập trung cột nước hoặc tập trung lưu
lượng để phát điện. Đối với trường hợp tập trung cột nước, có nhiều cách khai thác
như tập trung bằng đập hoặc tập trung bằng đường dẫn hoặc sử dụng kết hợp cả hai.
Cụ thể, đối với công trình thủy điện khai thác thủy năng kiểu đường dẫn hiện nay, cột
nước phát điện thường được tạo ra do cả đường dẫn và đập. Đường dẫn có thể là
đường dẫn không áp như kênh, đường hầm không áp… hay đường dẫn có áp như
đường hầm có áp, đường ống áp lực…

Hình 1-1. Phương thức khai thác thủy năng kiểu đường dẫn có áp
1-sông tự nhiên; 2-đập; 3-cửa lấy nước; 4-đường hầm dẫn nước; 5-tháp điều áp; 6-nhà
van; 7-đường ống áp lực; 8-mố cố định; 9-nhà máy thủy điện; 10-đường dây điện
1.1.2. Tổng hợp một số trạm thủy điện có sử dụng tháp điều áp tại Việt Nam

3


Từ các công trình đầu tiên như Đa Nhim, Ialy, đến các công trình mới xây dựng như

Nậm Chiến, Hủa Na, việc tính toán thiết kế đã có nhiều cải tiến đáng kể. Hiện nay
ngoài việc xây dựng các trạm thủy điện đường dẫn mới có sử dụng tháp điều áp, ngay
cả một số trạm đã vận hành cũng được thiết kế lắp đặt thêm công suất bằng cách xây
dựng thêm tuyến năng lượng mới (thủy điện Đa Nhim) hoặc trích xuất lưu lượng từ
tuyến năng lượng đã có (thủy điện Ialy).
Bảng 1.1. Tổng hợp một số công trình thủy điện đã và đang xây dựng có sử dụng tháp
điều áp.

1

TĐ Ialy

720

Chiều dài
Đ.Hầm L
(m)
3.798

2

TĐ Huội Quảng

520

4.000

18

3

TĐ Đồng Nai 4

340

4.288

20

4
5
6

TĐ Nậm Chiến
TĐ Sông Tranh 2
TĐ Hủa Na

200
190
180

9.900
1.545,4
3.403,2

12
25
24

7

TĐ Đa Nhim

160

5.000

17

8 TĐ An Khê
9 TĐ Sông Bung 4
10 TĐ Rào Quán
11 TĐ Sông Côn
12 TĐ Tà Thàng
13 TĐ Nậm Toóng
14 TĐ Za Hưng
15 TĐ Hương Sơn
16 TĐ Sử Pán
17 Séo Chong Hô
18 TĐ Bản Cốc
19 TĐ Nậm Chim
20 TĐ Đasiat
21 TĐ Khe Thơi

160
156
64
63
56
30

30
30
28
22
18
15
13,5
12

3.075
2.420
5.330
4.324
4.585
4.247,5
1.265,8
521,7
7.160
2.300
2.061
1.239,5
2.187
2.021,6

9,5
15
4
8
12
6

9
6
5
5
4
5
6,5
9

TT

Tên công trình

Công suất
Nlm (MW)

1.2. Công trình tháp điều áp trong trạm thủy điện
1.2.1. Vị trí và công dụng
4

Đường kính
tháp D (m)
7

Địa điểm
Gia Lai
Sơn La – Lai
Châu
Đắk Nông –
Lâm Đồng

Sơn La
Quảng Nam
Nghệ An
Lâm Đồng –
Ninh Thuận
Gia Lai
Quảng Nam
Quảng Trị
Quảng Nam
Lào Cai
Sa Pa – Lào Cai
Quảng Nam
Hà Tĩnh
Lào Cai
Sa Pa – Lào Cai
Nghệ An
Sơn La
Lâm Đồng
Nghệ An


Trong quá trình vận hành trạm thủy điện, chế độ không ổn định xảy ra khi có sự biến
đổi theo thời gian của các đại lượng như công suất, cột nước, lưu lượng và số vòng
quay. Khi lưu lượng thay đổi, vận tốc nước trong đường dẫn cũng thay đổi, nếu vận
tốc tăng đột ngột, áp lực nước trong đường dẫn sẽ giảm đột ngột và ngược lại.
Hiện tượng nước va là hiện tượng tăng giảm áp lực khi thay đổi đột ngột lưu lượng.
Áp lực nước va có thể lên rất cao khi tổ máy bị cắt tải toàn bộ và có thể giảm xuống
thấp khi tăng tải tổ máy cuối cùng.
Để giảm tác hại và ảnh hưởng của nước va, biện pháp tạo ra mặt thoáng gần nhà máy
thủy điện như tháp điều áp đã được ứng dụng phổ biến đối với các trạm thủy điện

đường dẫn. Vị trí của tháp trường được bố trí tại khu vực có địa hình thay đổi.
Tháp điều áp có tác dụng giữ cho đường hầm dẫn nước phía trước tháp khỏi bị áp lực
nước va quá lớn và làm giảm nhỏ áp lực nước va ở phần đường ống dẫn nước từ tháp
vào tuabin.

Hình 1-2. Sơ đồ đặt tháp điều áp
1- Tháp điều áp phía thượng lưu; 2- Tháp điều áp phía hạ lưu; 3- Nhà máy thủy điện;
4- Đường hầm dẫn nước áp lực; 5- Đường ống áp lực dẫn nước vào tuabin
1.2.2. Nguyên lý làm việc của tháp điều áp
1.2.2.1.Trường hợp giảm tải và cắt tải

5


Khi giảm tải đột ngột lưu lượng tuabin từ Q o xuống Q1. Do quán tính của dòng chảy,
lưu lượng vào đường hầm dẫn nước vẫn là Qo, như vậy sẽ có một trị số lưu lượng ΔQ
= Qo – Q1 chảy vào tháp, làm cho mực nước trong tháp dâng lên dần, từ đó độ chênh
lệch mực nước giữa thượng lưu (trong hồ chứa) và trong tháp giảm dần, dẫn đến vận
tốc dòng chảy giảm dần, do đó lưu lượng trong đường hầm giảm dần. Nhưng cũng do
quán tính của dòng chảy, mực nước trong tháp không dừng ở mực nước tương ứng với
lưu lượng Q1 trong đường hầm mà vẫn tiếp tục dâng lên thậm chí cao hơn cả mực
nước thượng lưu. Sau đó, để cân bằng thủy lực, nước phải chảy ngược trở lại về
thượng lưu, mực nước trong tháp lại hạ xuống. Nhưng cũng do lực quán tính nó lại hạ
xuống quá mức nước cân bằng và dòng chảy lại chảy vào tháp. Cứ như vậy, mực nước
trong tháp dao động theo chu kỳ và tắt dần do ma sát. Cuối cùng mực nước trong tháp
dừng ở mực nước ổn định mới ứng với lưu lượng Q1 (hình 1-3).
Trường hợp giảm tải trong thiết kế thường tính với mực nước thượng lưu cao nhất và
phụ tải bị cắt là lớn nhất (thường là cắt toàn bộ công suất lớn nhất của nhà máy) để xác
định mực nước cao nhất của tháp điều áp (Zmax).

Hình 1-3. Sơ đồ dao động mực nước trong tháp điều áp
1.2.2.2 Trường hợp tăng tải

Khi lưu lượng qua tuabin tăng đột ngột mực nước trong tháp hạ xuống đến trị số Z min
và cũng dao động theo chu kỳ và tắt dần ngược lại với trường hợp trên. Trong thiết kế
thường tính với mực nước thấp nhất ở thượng lưu là MNC và mức tăng tải lớn nhất có
thể xảy ra trong vận hành để xác định mực nước thấp nhất của tháp (Zmin).

6


1.3. Một số vấn đề đã được nghiên cứu
1.3.1. Nghiên cứu về hình dạng tháp điều áp
Ngoài các dạng tháp điều áp thường gặp, một số hình dạng khá khác biệt như kết hợp
nhiều tháp đặt song song; đặt nối tiếp; kết hợp dạng van một chiều cũng đã được
nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới.
1.3.2. Nghiên cứu về phương pháp tính toán
Ngoài các phương pháp giải tích, đồ giải, với sự hỗ trợ của máy tính điện tử, các
phương pháp sai phân, thử dần cũng được ứng dụng để chính xác hóa kết quả tính toán
mực nước dao động trong tháp điều áp.
1.3.3. Một số vấn đề còn tồn tại
Việc tính toán cho các trạm thủy điện lớn thường đã được tối ưu hóa và tính toán hợp
lý kích thước tháp điều áp dựa trên điều kiện vận hành và độ dao động mực nước trong
tháp điều áp. Tuy nhiên đối với các trạm thủy điện đường dẫn có công suất nhỏ hơn,
nhiều nhà tư vấn thiết kế vẫn sử dụng các công thức giải tích để tính toán kích thước
tháp điều áp. Điều này có thể dẫn đến những kết quả chưa hợp lý như chênh lệch mực
nước quá cao hoặc quá thấp, kích thước, tiết diện tháp có thể quá lớn hoặc quá nhỏ.
1.3.4. Hướng nghiên cứu của luận văn
Luận văn sẽ đi sâu nghiên cứu, lựa chọn phương pháp tính toán xác định kích thước
tháp điều áp hợp lý cho trạm thủy điện đường dẫn có công suất nhỏ hơn và ứng dụng

tính toán cho trạm thủy điện Khe Thơi.
1.4. Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quan về các trạm thủy điên có sử dụng tháp điều áp; vị trí,
nguyên lý và công dụng của tháp điều áp trong hai trường hợp nguy hiểm nhất là cắt
tải toàn bộ và tăng tải tổ máy cuối cùng.

7


Việc sử dụng tháp điều áp điều áp để giảm áp lực nước va với trạm thủy điện đường
dẫn vẫn là giải pháp thích hợp, vận hành an toàn nếu tính đúng và chính xác mực nước
dao động trong tháp điều áp.
Ngoài việc tính toán chính xác cho các trạm thủy điện lớn, đối với trạm thủy điện nhỏ
cũng nên ứng dụng các cách tính chính xác, thể hiện rõ quá trình thay đổi mực nước
trong tháp hơn là chỉ có mực nước cao nhất và thấp nhất trong các quá trình chuyển
tiếp.

8


CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN MỰC NƯỚC TRONG THÁP
ĐIỀU ÁP
2.1. Một số loại tháp điều áp hay được sử dụng
Một số hình dạng và tên gọi của tháp điều áp thường được sử dụng trên tuyến năng
lượng trạm thủy điện như: Tháp điều áp kiểu viên trụ, tháp điều áp kiểu viên trụ có
màng cản, tháp điều áp kiểu hai ngăn (có ngăn trên và ngăn dưới), tháp điều áp kiểu có
máng tràn, tháp điều áp kiểu có lõi trong (còn gọi là kiểu kép hay kiểu sai phân), tháp
điều áp kiểu nén khí.
2.1.1. Tháp điều áp kiểu viên trụ
Tháp điều áp kiểu viên trụ (hình 2-1 bảng 2.1) là một giếng đứng hoặc nghiêng có tiết

diện không thay đổi. Kiểu này có kết cấu đơn giản, dễ thi công, tính toán thiết kế cũng
đơn giản. Nhưng có nhược điểm cơ bản nhất là ở chế độ ổn định khi dòng chảy qua
tháp tổn thất thủy lực cục bộ ở chỗ nối tiếp đường hầm và đường ống với tháp có thể
lớn, đồng thời dung tích tháp lớn, thời gian dao động kéo dài. Tháp điều áp kiểu viên
trụ được ứng dụng ở các trạm thủy điện cột nước thấp, mực nước thượng lưu ít thay
đổi.
2.1.2. Tháp điều áp kiểu viên trụ có màng cản
Thực chất là tháp điều áp kiểu viên trụ (hình 2-2 bảng 2.1), nhưng nó có đặt một màng
cản ở đáy tháp để tăng thêm tổn thất thủy lực khi dòng chảy vào và ra khỏi tháp. Màng
cản có thể dưới dạng lỗ cản hoặc lưới cản… làm tăng tổn thất thủy lực khi nước chảy
qua nó và do đó giảm được biên độ dao động dẫn đến giảm được dung tích tháp và làm
cho dao động mực nước trong tháp tắt nhanh. Ngoài ra so với tháp viên trụ nó còn
giảm được tổn thất thủy lực của dòng ổn định khi qua vị trí đặt tháp. Tháp điều áp kiểu
này được ứng dụng ở các trạm thủy điện cột nước trung bình và mực nước thượng lưu
ít thay đổi.
2.1.3. Tháp điều áp kiểu hai ngăn (có ngăn trên và ngăn dưới)
9


Tháp điều áp kiểu này (hình 2-3 bảng 2.1) gồm hai ngăn và một giếng đứng, ngăn trên
và ngăn dưới có tiết diện lớn hơn nhiều so với giếng đứng. Nguyên lý làm việc như
sau: Khi thay đổi phụ tải, mực nước trong tháp dao động, nhưng vì tiết diện giếng
đứng nhỏ, nên mực nước trong tháp thay đổi rất nhanh làm cho thời gian dao động
giảm. Nhưng nếu chỉ với tiết diện đứng thì biên độ dao động sẽ rất lớn, vì vậy khi mực
nước trong tháp dao động đến cao độ nhất định, do tiết diện được mở rộng rất nhiều ở
ngăn trên hoặc ngăn dưới nên biên độ dao động sẽ không tăng nhanh được. Như vậy
tháp điều áp loại này không những đã giảm được thời gian dao động mà còn hạn chế
được biên độ dao động mực nước trong tháp.
2.1.4. Tháp điều áp kiểu có máng tràn
Nguyên lý làm việc tương tự như trường hợp tháp hai ngăn (hình 2-3), nhưng ngăn

trên có đường tràn nước. Kiểu này (hình 2-4 bảng 2.1) có ưu điểm là hoàn toàn có thể
khống chế mực nước cao nhất của tháp, nhưng có nhược điểm là mất một phần nước
qua máng tràn, phải bố trí đường tràn thoát nước từ tháp điều áp.
2.1.5. Tháp điều áp kiểu có lõi trong (còn gọi là kiểu kép hay kiểu sai phân)
Kiểu này (hình 2-5 bảng 2.1) gồm có giếng đứng ở trong và ngăn ngoài, ở đáy giếng
đứng có các lỗ thông với ngăn ngoài, nhưng các lỗ này nhỏ, khi mực nước dao động,
nước không thoát từ giếng đứng ra ngoài kịp (vì các lỗ thông nhỏ) nên thay đổi mực
nước nhanh, tạo ra hiệu quả giống trường hợp (hình 2-3), sau đó nước mới chảy dần
qua lỗ thông để cho mực nước trong giếng và ngăn ngoài bằng nhau.
2.1.6. Tháp điều áp kiểu nén khí
Kiểu này (hình 2-6 bảng 2.1) không khí trong tháp trên mặt thoáng được ngăn cách với
không khí bên ngoài.
Bảng 2.1. Thống kê các hình dạng tháp điều áp

Hình 2-1. Tháp điều áp kiểu viên trụ

Hình 2-2. Tháp điều áp kiểu viên trụ có
màng cản

10


Hình 2-3. Tháp điều áp kiểu hai ngăn

Hình 2-4. Tháp điều áp kiểu có máng tràn

Hình 2-5. Tháp điều áp kiểu có lõi trong

Hình 2-6. Tháp điều áp kiểu nén khí

2.2. Sự làm việc của tháp điều áp trong các quá trình chuyển tiếp trạm thủy điện
Chế độ không ổn định của trạm thủy điện xảy ra khi có sự biến đổi theo thời gian của
công suất, cột nước, lưu lượng, số vòng quay… Chế độ này xuất hiện khi có sự điều
chỉnh lưu lượng qua tuabin. Khi tổ máy thủy điện chuyển chế độ làm việc từ trạng thái
này sang trạng thái khác như khi mở máy, dừng máy, thay đổi công suất, cắt tải, quay
lồng tốc…, lưu lượng qua tuabin thay đổi theo thời gian dẫn đến chế độ làm việc của
toàn bộ hệ thống công trình trên tuyến năng lượng đều chuyển sang chế độ làm việc
không ổn định. Các chế độ không ổn định của các bộ phận công trình do tổ máy
chuyển chế độ làm việc được gọi là các chế độ chuyển tiếp và quá trình thay đổi từ chế
độ này sang chế độ khác được gọi là quá trình chuyển tiếp.
Có hai quá trình gây ra mực nước dao động lớn nhất trong tháp điều áp là quá trình cắt
tải toàn bộ (mực nước dâng lên cao nhất) và quá trình tăng tải tổ máy cuối cùng (mực
nước giảm xuống thấp nhất)
2.2.1. Quá trình điều chỉnh công suất (tăng tải tổ máy cuối cùng)
Quá trình này được tiến hành tương ứng với sự thay đổi phụ tải của các hộ dùng điện
trong giới hạn điều chỉnh bình thường. Vùng thay đổi công suất thông thường đối với
các loại tuabin cũng khác nhau: đối với tâm trục khoảng 50 ÷ 100%; tuabin cánh quay
khoảng 25 ÷ 100%.

11


Khi tăng tải, độ mở của cánh hướng nước được thay đổi từ độ mở ban đầu khi t = 0
(khi phụ tải ban đầu bằng 0; a 0 = ax ) đến độ mở cuối cùng ac khi t = Ts, lưu lượng qua
tuabin tăng lên gây ra nước va âm làm giảm tạm thời cột nước công tác của tuabin và
do đó làm chậm quá trình tăng công suất (tương ứng với tăng mômen), phải sau thời
gian nhất định đến thời điểm t p lớn hơn thời gian điều chỉnh cánh hướng nước T s,
tuabin mới đạt công suất yêu cầu cuối cùng. Thời gian điều chỉnh công suất t p càng
nhỏ, quá trình tăng tải càng nhanh, điều kiện điều chỉnh tuabin và công suất càng tốt.
Tổ hợp tính toán thường ứng dụng với mục nước thượng lưu là mực nước chết, (n-1)

tổ máy đang vận hành với công suất tối đa, tăng tải tổ máy cuối cùng từ không tải lên
công suất tối đa. Nước cấp cho nhà máy sẽ lấy một phần từ đường hầm trước tháp điều
áp và một phần từ trong tháp, mực nước trong tháp sẽ hạ xuống đến khi xuất hiện
chênh lệch thủy lực để có dòng chảy ngược vào tháp.
2.2.2. Quá trình cắt tải
Quá trình cắt tải xảy ra khi tổ máy có sự cố, thông thường là do đoản mạch trên đường
dây tải điện của hệ thống điện hoặc trên các mạch của máy phát điện, khi đó tổ máy
đang đảm nhận phụ tải đột ngột bị các máy cắt tự động cắt khỏi hệ thống điện. Sau khi
bị cắt khỏi hệ thống, mômen trên trục tuabin lớn hơn mômen cản rất nhiều, số vòng
quay tổ máy tăng lên rất nhanh (hình 2-10), hệ thống điều chỉnh tự động tổ máy sẽ
nhận biết ngay điều bất thường này và lập tức tiến hành tự động đóng cánh hướng
nước.
Lưu lượng qua tuabin giảm gây nên nước va dương làm tăng cột nước công tác và do
đó làm chậm quá trình giảm mômen M (trong khoảng thời gian ban đầu do hậu quả
của nước va mà mômen có thể tăng). Quá trình đóng cánh hướng nước vẫn tiếp tục và
số vòng quay tuabin vẫn tiếp tục tăng và đạt giá trị cực đại cho đến khi mômen trên
trục tuabin giảm về tới 0 ở độ mở am> ax và sau đó đổi dấu (mômen âm do sức cản của
nước) số vòng quay bắt đầu giảm dần. Quá trình đóng vẫn tiếp tục và số vòng quay
giảm cho đến khi cánh hướng nước đóng hoàn toàn a0 = 0 nhưng vẫn còn ở mức cao
hơn số vòng quay định mức n 0, độ mở a0 = 0 được duy trì một khoảng thời gian cho
đến khi số vòng quay giảm về xấp xỉ trị số định mức n 0, khi đó hệ thống tự động sẽ mở

12


cánh hướng nước đến độ mở không tải a x và duy trì ở đó để chuẩn bị cho quá trình
đóng lại tổ máy vào hệ thống.
Các đặc trưng quan trọng nhất của quá trình cắt tải là trị số áp lực nước va lớn nhất
ΔHmax và số vòng quay lớn nhất nmax. Các trị số này không được vượt quá các trị số cho
phép tương ứng với từng loại tuabin, máy phát và đặc điểm công trình.

Tổ hợp tính toán thường ứng dụng với mục nước thượng lưu là mực nước cao nhất, tất
cả các tổ máy đang vận hành với công suất tối đa hoặc lưu lượng lớn nhất có thể. Đột
ngột đóng cánh hướng nước trong thời gian Ts. Lưu lượng nước từ đường ống vào nhà
máy giảm đột ngột, xuất hiện dòng chảy từ đường hầm trước tháp điều áp vào tháp,
mực nước trong tháp sẽ tăng cao đến khi xuất hiện chênh lệch thủy lực đủ để có dòng
chảy ngược ra tháp vào đường ống.
2.3. Cơ sở lý thuyết phương pháp tính toán mực nước trong tháp điều áp
2.3.1. Phương trình vi phân động lượng
Xét cho trạng thái chảy không ổn định của hệ thống "Đường hầm dẫn nước - Tháp
điều áp" với đường hầm dẫn nước nằm ngang hình 1-3 (khi tính toán thuỷ lực một
cách đầy đủ, cần xét sự dao động của cả khối nước gồm cả đường hầm dẫn nước, tháp
điều áp và đường ống áp lực. Riêng trong đường ống áp lực cũng có dao động, nhưng
tác động này ảnh hưởng không đáng kể đến sự dao động mực nước trong tháp điều áp.
Để đơn giản ta coi toàn bộ hệ thống bao gồm khối nước tuyệt đối cứng, như vậy có thể
coi sự biến thiên của lưu lượng tuabin diễn ra ngay mặt cắt đầu đường ống áp lực. Từ
đó khối nước dao động chỉ gồm đường hầm dẫn nước và tháp điều áp).
Theo định luật biến thiên động lượng, hình chiếu của vectơ biến thiên động lượng của
khối nước di chuyển trong đường hầm dẫn nước trước tháp trong thời gian dt chiếu lên
trục x bằng tổng hình chiếu của tất cả các ngoại lực tác dụng đến khối nước.
d (mV ) x
=∑X
dt

(2-1)

Khối lượng nước trong đường hầm dẫn nước không thay đổi trong quá trình dao động:

13

m=

L. f .γ
g

Trong đó:
V: Vận tốc dòng chảy trong đường hầm dẫn nước (m/s), chiều dương hướngtừ thượng
lưu xuống hạ lưu.
f: Tiết diện đường hầm dẫn nước (m2).
L: Chiều dài đường hầm dẫn nước (m).
γ: Trọng lượng riêng của nước (T/m3).
g: Gia tốc trọng trường (m/s2).
Hình chiếu véc tơ vận tốc dương lên trục x sẽ có dấu ngược lại: V x = -V
Hình chiếu các ngoại lực tác dụng vào khối nước lên trục x (ΣX) bao gồm:
-Áp lực nước lên hai đầu khối nước: -γ.f.(Z-h th - hv); với Z- Chênh lệch mực nước
trong tháp điều áp (m), so với mực nước tĩnh trong hồ chứa hoặc trong bể áp lực, chiều
dương hướng xuống dưới; hth = ξ th

Vth . Vth
2.g

- tổn thất cột nước khi nước chảy vào và ra

V2
khỏi tháp; ξth - hệ số cản cục bộ của tháp; hv =
- cột nước lưu tốc (γfhv – áp lực
2.g

thủy động); Vth – vận tốc dòng chảy trong tháp điều áp (m/s), chiều dương hướng từ
dưới lên trên.

Lực ma sát và các lực cản lên khối nước khi di chuyển:

; với

- tổn thất cột

nước trong đường hầm gồm các tổn thất cục bộ (hc) và tổn thất ma sát dọc đường (hL):
hw* = hL + hc
hL = λ

L V . V L.V . V
= 2
d 2.g
C .R

hc = ξ c

V. V
2.g

Trong đó: C – Hệ số Sezi.
14


R - Bán kính thuỷ lực của đường hầm dẫn nước.
ξc - Tổng các hệ số tổn thất cục bộ.
λ – Hệ số sức cản thuỷ lực dọc đường của đường hầm dẫn nước.
d - Đường kính đường hầm.
Hình chiếu trọng lực và áp lực nước vuông góc với trục x nên bằng không (xét trường
hợp đường hầm nằm ngang).

Gọi tổng tổn thất côt nước hw = hL + hc + hth + hv, từ (2-1) ta có phương trình vi phân:
dV g
= ( Z − hw )
dt L

(2-2)

2.3.2. Phương trình vi phân liên tục
Theo định luật liên tục của dòng chảy: lưu lượng qua tuabin (nghĩa là lưu lượng nước
vào đường ống áp lực) trong thời gian dt sẽ bằng lượng nước chảy qua đường hầm dẫn
nước cộng (hoặc trừ) lượng nước từ tháp điều áp chảy ra trong cùng thời gian đó:
QT = Qd + Qth

(2-3)

QT.dt = f.V.dt + F.dZ
hoặc

dZ QT − f .V
=
dt
F

(2-4)

Trong đó:
Qd- lưu lượng dòng chảy trong đường hầm dẫn nước trước tháp điều áp (m3/s); Q d=f.v
Qth- lưu lượng chảy vào (ra) tháp điều áp: Qth = F .

dZ

dt

QT- lưu lượng dòng chảy vào tuabin (m3/s)
F- tiết diện tháp điều áp (m2).
2.3.3. Hệ phương trình vi phân cơ bản của tháp điều áp
Hệ hai phương trình (2-2) và (2-4) là hệ phương trình vi phân cơ bản của tháp điều áp.
2.3.4. Các phương pháp tính toán tháp điều áp
15


2.3.4.1 Phương pháp giải tích

Sử dụng một số giả thiết để đơn giản hóa tính toán, phương pháp này được ứng dụng
cho một số dạng tháp cụ thể, có thể tính được mực nước lớn nhất và thấp nhất trong
tháp điều áp. Tuy nhiên do sử dụng nhiều giả thiết, nên kết quả tính toán không có độ
chính xác cao.
2.3.4.2 Phương pháp đồ giải

Nội dung của phương pháp này là dùng đồ thị để giải hệ phương trình vi phân cơ bản
của dòng chảy không ổn định trong tháp điều áp. Kết quả tính toán có thể vẽ được
đường quá trình dao động mực nước trong tháp điều áp. Khối lượng tính toán và vẽ
hình thường phải thực hiện thủ công, chênh lệch các bước thời gian thường được chọn
là ¼ chu kỳ dao động hay trong khoảng 5÷20s.
2.3.4.3 Phương pháp sai phân

Các phương pháp sai phân có thể ứng dụng tốt hơn hai phương pháp trên để giải quyết
chính xác các giá trị mực nước và đường quá trình dao động mực nước trong tháp điều
áp. Các bước thời gian có thể giảm nhỏ hơn cả một giây.
2.4. Phân tích và lựa chọn phương pháp tính toán
2.4.1. Yêu cầu tính toán

Tính toán thủy lực để xác định các trị số sau:
-Tính toán biên độ dao động để từ đó chọn kích thước và hình dạng tháp điều áp sao
cho dao động hợp lý nhất theo điều kiện kinh tế và kỹ thuật.
-Tính toán mực nước cao nhất trong tháp điều áp: Phải tính với mực nước hồ lớn nhất,
tổn thất thuỷ lực nhỏ nhất có thể xảy ra trong đường dẫn trong trường hợp đó và giảm
đột ngột toàn bộ phụ tải của nhà máy (từ lưu lượng lớn nhất đến lưu lượng bằng
không).
-Tính toán mực nước thấp nhất trong tháp điều áp. Phải tính với mực nước thấp nhất
trong hồ chứa (mực nước chết), tổn thất thuỷ lực lớn nhất trong đường hầm và có thể
xảy ra trong các trường hợp tăng tải sau:

16


+Tăng công suất tương đương với một tổ máy, nhưng không nhỏ hơn 33% công suất
toàn nhà máy, với cỡ nhà máy có công suất N > 30.000kw.
+Tăng công suất tương đương với một tổ máy, nhưng không nhỏ hơn 50% công suất
toàn nhà máy, với cỡ nhà máy có công suất N < 30.000kw.
+Tăng từ một công suất nhất định đến 100% công suất toàn nhà máy, hoặc với một giá
trị công suất mà nhà máy tham gia vào việc điều chỉnh tần số của hệ thống mạng điện.
Sau khi xác định được mức nước thấp nhất trong tháp điều áp phải kiểm tra điều kiện
mép trên của ống dẫn nước vào tuabin phải thấp hơn mực nước này ít nhất là 2 ÷ 3 mét
để tránh không khí lọt vào tuabin.
-Tính toán cho tháp điều áp ở đường thoát nước sau tổ máy, mọi điều kiện công suất,
tổn thất phải chọn ngược lại với tính toán trên.
2.4.2. Lựa chọn phương pháp tính toán
Các phương pháp giải tích và đồ giải thường chỉ được ứng dụng để tính toán dao động
đối với các trường hợp đơn giản khi lưu lượng thay đổi tức thời và đơn giản hóa kết
cấu của toàn bộ hệ thống dẫn nước của trạm thủy điện. Hiện nay với sự ứng dụng của
máy tính điện tử trong tính toán, phương pháp sai phân nên được ứng dụng trong mọi

trường hợp tính toán tháp điều áp nhà máy thủy điện. Hướng nghiên cứu của luận văn
sẽ sử dụng phương pháp sai phân với bước thời gian Δt = 1 giây để tính toán.
2.5. Kết luận chương 2
Chương 2 đã trình bày các dạng tháp điều áp thường gặp và sự làm việc của tháp điều
áp trong hai quá trình chuyển tiếp nguy hiểm nhất là cắt tải toàn bộ và tăng tải tổ máy
cuối cùng. Các phương trình vi phân cơ bản của tháp cũng đã được trình bày cùng với
một số phương pháp giải thông dụng như giải tích, đồ giải. Qua phân tích các phương
pháp giải, kiến nghị chọn phương pháp sử dụng các phương trình sai phân sẽ đưa đến
kết quả chính xác hơn cho trường hợp ứng dụng tính toán của các trạm thủy điện nhỏ.

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC HỢP
LÝ CHO TRẠM THỦY ĐIỆN KHE THƠI
17


3.1. Giới thiệu công trình
3.1.1. Vị trí công trình và cấp công trình
3.1.1.1. Vị trí công trình

Suối Khe Thơi là phụ lưu cấp 1 của sông Lam (sông Cả), bắt nguồn từ dãy Trường Sơn
ở phía Tây Nam Nghệ An, chảy xuống địa phận xã Lạng Khê - huyện Con Cuông tỉnh
Nghệ An.
Dự án lợi dụng khai thác dòng chảy tự nhiên của suối Khe Thơi với độ chênh cao địa
hình thiên nhiên từ đập đến nhà máy khoảng 30m, công trình được thiết kế kiểu đường
dẫn bao gồm các hạng mục: cụm đầu mối, cửa lấy nước, đường hầm dẫn nước, tháp
điều áp và nhà máy.
3.1.1.2. Cấp công trình

Trên cơ sở quy mô công trình, điều kiện địa chất, thủy văn, Quy chuẩn QCVN 0405:2012/BNNPTVN2 và TCXDVN 285:20023. Cấp công trình được xét như sau:
Công trình đầu mối:

Thủy điện Khe Thơi với đập bê tông trọng lực có chiều cao đập lớn nhất bằng 41,5m,
đập được đặt trên nền đá. Căn cứ vào mục 3.2.4 Bảng 1 trang 10 QCVN 0405:2012/BNNPTVN, với đập BTTL trên nền đá có chiều cao nằm trong khoảng
25÷60m, cấp thiết kế là cấp II.
Nhà máy thủy điện:
Nhà máy thủy điện Khe Thơi có công suất lắp máy là 12MW, theo TCXDVN
285:2002, cấp thiết kế là cấp III.
3.1.2. Các thông số của công trình
Bảng 3.1. Bảng các thông số chính của thủy điện Khe Thơi
TT
I
1
2
3

Thông số
Thông số hồ chứa
Diện tích lưu vực Flv
Lượng mưa trung bình nhiều năm
Dòng chảy trung bình năm Q0
18

Đơn vị

Giá trị

km2
mm
m3/s

293

1768
10,8


4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
II
1
2
3
4
5
6
7
III
1
2
3
4
5
6

IV
1
2
3
4
5
6
V
1
2
3
4
5
6
7
8
9
VI
1

Lưu lượng đỉnh lũ kiểm tra P = 0,2%
Lưu lượng đỉnh lũ thiết kế P = 1%
MNLKT ( lũ 0,2% )
MNLTK ( lũ 1% )
MNDBT
MNC
Dung tích toàn bộ Wtb
Dung tích hữu ích Whi
Dung tích chết Wc
Diện tích mặt hồ ở MNDBT

Hệ số điều tiết hồ β
Đập dâng chính
Loại
Cao trình đỉnh đập
Chiều rộng đỉnh đập
Chiều cao lớn nhất ( vai trái/ vai phải )
Chiều dài theo đỉnh ( vai trái/ vai phải )
Độ dốc mái thượng lưu
Độ dốc mái hạ lưu
Công trình xả
Tràn xả mặt không có cửa van ( tự do )
Cao độ ngưỡng tràn
Bề rộng thông thủy tràn
Cao độ mũi phun
Cao độ đáy hố xói
Chiều rộng hố xói
Cống dẫn dòng thi công
Số khoang
Kích thước mặt cắt ( BxH )
Chiều dài ( kể cả cửa vào )
Cao trình ngưỡng cửa vào
Cao trình cửa ra
Cao trình đỉnh cửa vào
Cửa lấy nước
Cao độ đáy kênh vào
Kiểu
Số lượng khoang
Cao độ ngưỡng cửa lấy nước
Kích thước lưới chắn rác ( BxH )
Kiểu van sửa chữa

Kích thước van sửa chữa ( BxH )
Kiểu van vận hành, sự cố
Kích thước van vận hành ( BxH )
Đường hầm
Kiểu
19

m3/s
m3/s
m
m
m
m
106m3
106m3
106m3
km2
%

3001
2119
105,47
104
98
96
6,3
0,89
5,41
0,47
0,0026

m
m
m
m
1V:H
1V:H

Bê tông CVC
106
5
37/29,9
75/32,5
1:0
1:0,8

m
m
m
m
m

Thực dụng
98
70
79,1
61,5 – 66
11,4

m

m
m
m
m

1
4x5
35
66
66
82,5

m
m
m
m
m

87
Tháp
1
88,5
4,8x6
Phẳng – trượt
3,8x3,8
Phẳng – bánh xe
3,8x3,8
Không áo + có áo +