Bài giảng tin học ứng dụng trong thủy điện nguyễn văn sơn chủ biên, hồ sỹ mão, nguyễn thị nhớ

TRƯ Ờ NG ĐẠ I HỌ C THỦ Y LỢ I
BỘ MÔN THỦ Y ĐIỆ N VÀ NĂNG LƯ Ợ NG TÁI TẠ O
PGS.TS. NGUYỄ N VĂN SƠ N ( chủ biên )
THS. HỒ SỸ MÃO – THS. NGUYỄ N THỊ NHỚ

BÀI GIẢ NG

TIN HỌ C Ứ NG DỤ NG TRONG
THỦ Y ĐIỆ N

HÀ NỘ I - 2017



TRƯ Ờ NG ĐẠ I HỌ C THỦ Y LỢ I
BỘ MÔN THỦ Y ĐIỆ N VÀ NĂNG LƯ Ợ NG TÁI TẠ O
PGS.TS. NGUYỄ N VĂN SƠ N ( chủ biên )
THS. HỒ SỸ MÃO – THS. NGUYỄ N THỊ NHỚ

BÀI GIẢ NG

TIN HỌ C Ứ NG DỤ NG TRONG
THỦ Y ĐIỆ N

HÀ NỘ I - 2017




Lời nói đầu
Nhằm đáp ứng nhu cầu giảng dạy, học tập và nghiên cứu về mô phỏng số các đặc tính

thủy lực của đường ống, đường hầm cũng như các đặc năng lượng của tổ máy. Bộ môn Thủy
điện và Năng lượng tái tạo tiến hành biên soạn cuốn bài giảng “Tin học ứng dụng trong
Thủy điện” làm tài liệu học tập chính thức cho sinh viên nghành Thủy điện và năng lượng
tái tạo.
Trong thực tế thiết kế các trạm Thuỷ điện, việc tính toán nước va và tính toán dao động
mực nước của tháp điều áp cần phải được tính toán chính xác hóa một cách nhanh chóng để
đáp ứng được yêu cầu của thực tiễn sản xuất hiện nay, giúp nhà thiết kế nhanh chóng xác
định được phương án khai thác, quy mô kích thước và các giải pháp kết cấu công trình hợp
lý. Cuốn sách này tập trung giới thiệu phương pháp tính nước va, tháp điều áp và điều chỉnh
tổ máy bằng phương pháp mô phỏng số. Ở Chương 1, những kiến thức căn bản về các
phương pháp truyền thống để tính toán nước va và tính toán thủy lực tháp điều áp sẽ được
thể hiện. Chương 2 và Chương 3 sẽ giới thiệu phần mềm, các phương pháp và thuật toán
căn bản để lập trình tính toán. Chương 4 và Chương 5 giới thiệu các bước hướng dẫn sử
dụng và một số bài tập ví dụ.
Cuốn bài giảng này do PGS.TS. Nguyễn Văn Sơn chủ biên cùng với Th.s Nguyễn Thị
Nhớ và Th.s Hồ Sỹ Mão biên soạn. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp quí
báu của PGS.TS. Hồ Sĩ Dự, TS. Trịnh Quốc Công, TS.Phan Trần Hồng Long cùng toàn thể
các Thầy Cô trong bộ môn cũng như các nhà khoa học trong và ngoài trường. Ngoài ra, cuốn
sách này không thể được xuất bản nếu không có sự ủng hộ về tinh thần và vật chất của
Trường Đại học Thủy lợi cũng như Ban giám hiệu nhà trường.
Mặc dù đã cố gắng nhưng không tránh khỏi những khiếm khuyết, chúng tôi rất mong
nhận được ý kiến đóng góp của quí bạn đọc để tài liệu được hoàn thiện hơn.


Mục lục

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TÍNH TOÁN NƯỚC VA VÀ THÁP ĐIỀU ÁP
............................................................................................................................................... 6
1.1 Khái quát chung về nước va .................................................................................. 6
1.2 Tính toán bảo đảm hạn chế vượt tốc tổ máy và các biện pháp giảm áp lực nước va khi

cắt tải ....................................................................................................................... 7
1.3 Tháp điều áp ........................................................................................................ 8
CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TRANSIENTS ................................................ 9
2.1 Giới thiệu về phần mềm TRANSIENTS ................................................................. 9
2.1.1 Sự cần thiết xây dựng phần mềm tính toán nước va, thủy lực tháp điều áp ................. 9
2.1.2 Các ứng dụng tính toán ................................................................................................. 9
2.2 Các sơ đồ tuyến năng lượng của trạm thủy điện có thể ứng dụng ............................. 10
2.3 Các tổ hợp tính toán và tổng hợp kết quả .............................................................. 11
2.3.1 Các tổ hợp cơ bản ....................................................................................................... 11
2.3.2 Tổ hợp đặc biệt và các tổ hợp cộng tác dụng.............................................................. 12
2.3.3 Thời gian đóng mở tuabin........................................................................................... 13
2.3.4 Tổng hợp kết quả từ các tổ hợp tính toán ................................................................... 13
CHƯƠNG 3 THUẬT TOÁN LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN ÁP LỰC NƯỚC VA VÀ
TÍNH TOÁN THỦY LỰC THÁP ĐIỀU ÁP CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN .................... 14
3.1 Giải hệ phương trình lưới đặc trưng của sóng nước va ............................................ 14
3.2 Hệ phương trình vi phân của tháp điều áp ............................................................. 15
3.3 Các điều kiện biên đơn giản................................................................................. 15
3.3.1 Cửa lấy nước ............................................................................................................... 15
3.3.2 Cửa thoát nước ............................................................................................................ 16
3.3.3 Các vị trí có tiết diện thay đổi ..................................................................................... 16
3.3.4 Vị trí rẽ nhánh (1n) ................................................................................................ 16
3.3.5 Vị trí hợp lưu (n+1)..................................................................................................... 17
3.4 Điều kiện tháp điều áp, tháp van .......................................................................... 17
3.4.1 Tháp điều áp................................................................................................................ 17
3.4.2 Tháp van ..................................................................................................................... 18
3.5 Điều kiện biên tổ máy thủy điện........................................................................... 19
3.5.1 Phương trình cơ bản về lưu lượng và chuyển động quay của tổ máy......................... 20
3.5.2 Đặc tính của tuabin thủy lực. ...................................................................................... 20
3.5.3 Tính vận tốc quay của tổ máy thuỷ điện ..................................................................... 21
3.5.4 Lập bài toán biên tổ máy thủy điện............................................................................. 22

3.6 Mô phỏng nguyên lý hoạt động của máy điều tốc tổ máy thủy điện.......................... 23
3.6.1 Mô hình toán máy điều tốc ......................................................................................... 23
3.6.2 Mô phỏng điều khiển tự động tổ máy thủy điện ......................................................... 24
3.6.3 Mô phỏng tổ máy thủy điện làm việc song song trong hệ thống điện lực .................. 26
3.6.4 Ví dụ ứng dụng tính toán cho công trình thực tế ........................................................ 28
CHƯƠNG 4 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM TRANSIENTS ......................... 30
4.1 Cài đặt phần mềm............................................................................................... 30
4.1.1 Cài đặt và gỡ phần mềm ............................................................................................. 30
4.1.2 Khởi động - kết thúc chương trình và các ứng dụng xử lý file số liệu ....................... 30
4.1.3 Demo........................................................................................................................... 30
4.1.4 Một số thuật ngữ ......................................................................................................... 30
4.2 Thực hiện lập sơ đồ tính toán tuyến năng lượng ..................................................... 31
4.2.1 Vẽ sơ đồ bố trí hệ thống đường dẫn nước................................................................... 31


4.2.2 Bố trí các hạng mục công trình trên sơ đồ tính toán: .................................................. 31
4.3 Nhập số liệu tính toán của các hạng mục công trình ............................................... 32
4.3.1 Nhập số liệu các đoạn đường dẫn nước có áp (Pipeline)............................................ 32
4.3.2 Nhập số liệu các tháp điều áp (Tank) ......................................................................... 33
4.3.3 Nhập số liệu các tổ máy thủy điện (Hydropower unit) ............................................... 34
4.3.4 Nhập số liệu các chế độ chuyển tiếp (Transitive regime) ........................................... 35
4.3.5 Nhập sô liệu loại tuabin .............................................................................................. 36
4.3.6 Nhập số liệu các van nước (Valve) ............................................................................. 37
4.3.7 Nhập số liệu các tháp van (Gate) ................................................................................ 39
4.4 Thực hiện tính toán nước va và dao động mực nước trong tháp điều áp .................... 40
4.4.1 Đặt các yêu cầu tính toán ............................................................................................ 40
4.4.2 Thực hiện tính toán ..................................................................................................... 40
4.5 Khai thác kết quả tính toán .................................................................................. 41
4.5.1 Xem kết quả dạng bảng số .......................................................................................... 41
4.5.2 Xem kết quả dạng đồ thị ............................................................................................. 42

4.5.3 Lưu file kết quả ........................................................................................................... 42
CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TRANSIENTS GIẢI CÁC BÀI TOÁN NƯỚC
VA, ĐIỀU CHỈNH TỔ MÁY ............................................................................................ 44
5.1 Bài toán 1 .......................................................................................................... 44
5.1.1 Số liệu tính toán .......................................................................................................... 44
5.1.2 Vẽ sơ đồ tính toán ....................................................................................................... 44
5.1.3 Hướng dẫn nhập dữ liệu.............................................................................................. 47
5.1.4 Chạy chương trình ...................................................................................................... 52
5.1.5 Khai thác kết quả ........................................................................................................ 53
5.2 Bài toán 2 – Mô hình công trình thực tế ................................................................ 57
5.2.1 Giới thiệu về công trình .............................................................................................. 57
5.2.2 Sơ đồ hóa đường tuyến năng lượng ............................................................................ 60
5.2.3 Nhập số liệu ................................................................................................................ 60
5.2.4 Kết quả tính toán tổ hợp 1, chế độ cắt tải ................................................................... 66
5.2.5 Kết quả tính toán tổ hợp 2, chế độ tăng tải ................................................................. 70
5.2.6 Kết quả tổ hợp tính toán với mực nước lớn nhất trong hồ ở chế độ cắt tải ................ 72
5.3 Một số bài tập áp dụng ........................................................................................ 73
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 76


Danh mục Hình vẽ và đồ thị
Hình 1-1 Sự ảnh hưởng của Ts đến max và max .................................................................... 7
Hình 1-2 Sơ đồ đặt Tháp điều áp ........................................................................................... 8
Hình 3-1 Sơ đồ lưới đặc trưng ............................................................................................. 14
Hình 3-2 Mô hình toán máy điều tốc PID ........................................................................... 24
Hình 3-3 Mô hình toán điều khiển hệ thống của tổ máy làm việc độc lập .......................... 25
Hình 3-4 Mô hình toán các tổ máy thuỷ điện ...................................................................... 26
Hình 3-5 Sơ đồ khai thác ..................................................................................................... 28
Hình 3-6 Kết quả tính toán quá trình biến đồi vận tốc quay của tổ máy thủy điện theo thời
gian ...................................................................................................................................... 28

Hình 4-1 Cửa sổ chính để nhập sơ đồ tính toán .................................................................. 31
Hình 4-2 Cửa sổ nhập liệu kết cấu đoạn đường dẫn nước có áp. ....................................... 33
Hình 4-3 Cửa sổ nhập liệu kết cấu tuyến đường dẫn nước có áp nhiều lớp ....................... 33
Hình 4-4 Cửa sổ nhập liệu của tháp điều áp ....................................................................... 34
Hình 4-5 Cửa sổ nhập liệu của tổ máy thủy điện ................................................................ 35
Hình 4-6 Cửa sổ nhập liệu chế độ chuyển tiếp .................................................................... 35
Hình 4-7 Cửa sổ nhập liệu loại tuabin ................................................................................ 36
Hình 4-8 Đường đặc tính tổng hợp của tuabin.................................................................... 37
Hình 4-9 Cửa sổ nhập liệu của van ..................................................................................... 38
Hình 4-10 Cửa sổ nhập liệu của van (van đang trong quá trình đóng hoặc mở) ............... 38
Hình 4-11 Cửa sổ nhập liệu của tháp van .......................................................................... 39
Hình 4-12 Cửa sổ nhập liệu trạng thái của tháp van .......................................................... 39
Hình 4-13 Cửa sổ Options ................................................................................................... 40
Hình 4-15 Kết quả tính toán ................................................................................................ 41
Hình 4-16 Biểu đồ dao động mực nước trong tháp điều áp ................................................ 42
Hình 5-1 Sơ đồ tính toán...................................................................................................... 44
Hình 5-2 Giao diện chính của phần mềm ............................................................................ 45
Hình 5-3 Sơ đồ các đoạn ống .............................................................................................. 46
Hình 5-4 Sơ đồ tuyến năng lượng khi chưa nhập số liệu .................................................... 46
Hình 5-5 Nhập mực nước..................................................................................................... 47
Hình 5-6 Nhập thông số đường ống 1 ................................................................................. 47
Hình 5-7 Nhập thông số đoạn ống 2 .................................................................................... 48
Hình 5-8 Nhập thông số đoạn ống 3 .................................................................................... 48
Hình 5-9 Thực hiện lệnh copy dữ liệu từ ống 3 sang 4........................................................ 49
Hình 5-10 Sơ đồ tuyến năng lượng khi nhập xong dữ liệu .................................................. 49
Hình 5-11 Nhập thông số tháp điều áp ................................................................................ 50
Hình 5-12 Nhập thông số van ............................................................................................. 51
Hình 5-13 Nhập thông số chuyển tiếp ................................................................................ 51
Hình 5-14 Nhập thông số van .............................................................................................. 52
Hình 5-15 Cửa sổ options ................................................................................................... 52

Hình 5-16 Cửa sổ options ................................................................................................... 53
Hình 5-17 Thực hiện tính toán ............................................................................................ 53
Hình 5-18 Phân bố áp lực nước trên đoạn đường ống 1 ..................................................... 54


Hình 5-19 Diễn biến H, Q cuối đoạn ống 1 ......................................................................... 54
Hình 5-20 Phân bố áp lực nước trên đoạn đường ống 2 ..................................................... 54
Hình 5-21 Diễn biến H, Q đầu đoạn 2 ................................................................................. 55
Hình 5-23 Phân bố áp lực nước đoạn ống 3, 4 ................................................................... 55
Hình 5-24 Diễn biến H, Q đầu đoạn 3 ................................................................................. 56
Hình 5-25 Diễn biến H, Q cuối đoạn 3 ................................................................................ 56
Hình 5-26 Dao động mực nước trong TĐA ......................................................................... 56
Hình 5-27 Sơ đồ hóa tuyến năng lượng công trình thủy điện.............................................. 60
Hình 5-28 Nhập số liệu đoạn hầm ...................................................................................... 60
Hình 5-29 Nhập kết cấu đường hầm ................................................................................... 61
Hình 5-30 Nhập thông số tháp điều áp ............................................................................... 61
Hình 5-31 Nhập thông số đoạn đường ống áp lực ............................................................. 62
Hình 5-32 Nhập thông số đoạn ống nhánh .......................................................................... 62
Hình 5-33 Đường đặc tính tổng hợp chính tua bin tâm trục HL200 .................................. 63
Hình 5-34 Đường đặc tính tổng hợp chính tua bin tâm trục HL200 được số hóa ............. 63
Hình 5-35 Cửa sổ nhập thông số tua bin ............................................................................ 64
Hình 5-36 Cửa sổ nhập thông số đường đặc tính tổng hợp chính...................................... 64
Hình 5-37 Thông số đường đặc tính tổng hợp chính tua bin HL200 được số hóa .............. 65
Hình 5-38 Nhập thông số tua bin, máy phát điện ............................................................... 65
Hình 5-39 Nhập chế độ chuyển tiếp tổ máy ......................................................................... 66
Hình 5-40 Nhập thông số đoạn kênh xả hạ lưu nhà máy .................................................... 66
Hình 5-41 Phân bố áp lực nước toàn tuyến năng lượng .................................................... 67
Hình 5-42 Dao động mực nước, lưu lượng trong tháp điều áp .......................................... 67
Hình 5-43 Diễn biến H, Q đầu đoạn ống 2 .......................................................................... 67
Hình 5-44 Diễn biến H, Q cuối đoạn ống 2 ........................................................................ 68

Hình 5-45 Diễn biến H, Q đầu đoạn 3, 5 ............................................................................ 68
Hình 5-46 Diễn biến H, Q cuối đoạn 3, 5 ............................................................................ 68
Hình 5-47 Diễn biến H, Q tại tua bin .................................................................................. 69
Hình 5-48 Quan hệ độ mở a0~t ........................................................................................... 69
Hình 5-49 Quan hệ Q~t ...................................................................................................... 69
Hình 5-50 Số vòng quay vượt tốc tuyệt đối.......................................................................... 70
Hình 5-51 Số vòng quay vượt tốc tương đối ....................................................................... 70
Hình 5-52 Diễn biến công suất tổ máy ................................................................................ 70
Hình 5-53 Sơ đồ tuyến năng tượng tổ hợp tăng tải ............................................................. 71
Hình 5-54 Phân bố áp lực nước va toàn tuyến .................................................................... 71
Hình 5-55 Dao động mực nước trong TĐA ......................................................................... 71
Hình 5-56 Sơ đồ tuyến năng lượng tổ hợp cắt tải ở mực nước lũ kiểm tra hồ chứa ........... 72
Hình 5-57 Phân bố áp lực nước va toàn tuyến ................................................................... 72
Hình 5-58 Dao động mực nước trong TĐA ......................................................................... 72


CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TÍNH TOÁN NƯỚC VA VÀ THÁP ĐIỀU
ÁP
1.1 Khái quát chung về nước va
Chế độ không ổn định của Trạm thủy điện xẩy ra khi có sự biến đổi theo thời gian của
các đại lượng như công suất, cột nước, lưu lượng, số vòng quay v.v.. Chế độ này xuất hiện
khi có sự thay đổi phụ tải dẫn đến phải điều chỉnh lưu lượng qua tuabin. Khi đó tổ máy thuỷ
điện sẽ chuyển đổi từ trạng thái làm việc ổn định này sang trạng thái làm việc ổn định khác,
quá trình đó chính là chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện. Trong các quá trình chuyển tiếp
này, các bộ phận gồm cánh hướng nước; cửa van; lưu lượng và lưu tốc trong ống dẫn nước
có áp sẽ thay đổi. Sự thay đổi lưu tốc trong ống dẫn nước gây nên sự thay đổi áp lực trong
ống. Sự thay đổi áp lực lúc tăng lúc giảm, xảy ra liên tục và nó tác dụng lên thành ống gây
nên sự rung động thân ống, hiện tượng này gọi là hiện tượng nước va, phần áp lực gia tăng
hoặc giảm đi so với áp lực ban đầu gọi là trị số áp lực nước va.
Cơ sở lý thuyết để tính toán nước va là từ phương trình biến đổi động lượng Dalamber

của khối nước, tính chất cộng tác dụng của sóng áp lực nước va, ta sẽ xây dựng được hệ
phương trình truyền sóng nước va dạng tương đối như phương trình (1-1) như sau:
  n  , j 1   ( n 1 )  , j  2  .q n  , j 1  q ( n 1 )  , j   k .q n  , j . q n  , j

  n  , j   ( n 1 ) , j 1   2  .q n  , j  q ( n 1 )  , j 1   k .q n  , j . q n  , j



H H  Ho - áp lực nước va tương đối;

Ho
Ho



(1-1)

cV0max cQ0max TW

 - đặc trưng thứ nhất của
2gHo 2gFHo t f

đường ống; Ho - cột nước tĩnh lớn nhất trước khi xẩy ra nước va; H (m) chỉ cột nước tại các
mặt cắt; q  Q

Q0 max

- lưu lượng tương đối; Q0max - lưu lượng lớn nhất qua tuabin tương ứng

cột nước Ho ở chế độ ổn định với độ mở lớn nhất của cửa van hoặc cánh hướng nước tuabin;

Q(m3/s) chỉ lưu lượng nước tại các mặt cắt; chỉ số j, j+1 chỉ vị trí các mặt cắt liên tiếp; ký
hiệu  chỉ thời gian cần thiết để sóng nước va lan truyền giữa 2 mặt cắt nghiên cứu; ký hiệu
n là số tự nhiên, thể hiện tính tổng quát của hệ phương trình; n, (n+1) chỉ các thời điểm
liên tiếp nhau; F(m2) là tiết diện thông thủy của đường dẫn có áp giữa 2 mặt cắt nghiên cứu;
c(m/s) là vận tốc truyền sóng nước va trong đường dẫn có áp giữa 2 mặt cắt nghiên cứu;
g=9,81(m/s2) – gia tốc trọng trường; f là hệ số ma sát.
Sử dụng hệ phương trình này kết hợp với các điều kiện ban đầu và các điều kiện biên ta
có thể xác các đặc trưng H, Q của chế độ không ổn định ở tiết diện bất kỳ và thời điểm bất
kỳ. Có nhiều phương pháp để tính toán, nhưng phổ biến nhất là các phương pháp giải tích
và sử dụng phần mềm để tính toán. Tính toán nước va bằng phương pháp giải tích được trình
bầy chi tiết trong tài liệu “Giáo trình công trình trạm thủy điện”. Phương pháp này có tính
học thuật cao rõ ràng nhưng có nhược điểm là khối lượng tính toán rất lớn, nên phải đưa vào
nhiều giả thiết gần đúng dẫn đến kết quả tính toán tương đối đơn giản và hạn chế. Phương
pháp lập trình hoặc sử dụng các phần mềm chuyên dụng có sẵn sẽ khắc phục được các vấn
đề nêu trên được trình bày ở Chương 4 và Chương 5.


1.2 Tính toán bảo đảm hạn chế vượt tốc tổ máy và các biện pháp giảm áp lực nước va
khi cắt tải
Nước va có ảnh hưởng xấu đến khả năng chịu lực của các bộ phận công trình và thiết bị
thuỷ điện cũng như vận hành chúng. Nước va làm gia tăng áp lực nước lên đường ống và
nhiều bộ phận thiết bị thuỷ điện, làm cản trở, gây khó khăn trong quá trình điều chỉnh công
suất và tăng thêm nguy hiểm trong các trường hợp đóng tuabin vì sự cố, làm giảm mức độ
bảo đảm điều chỉnh tổ máy. Một trong các chế độ chuyển tiếp nguy hiểm nhất của các tổ
máy thuỷ điện là quá trình cắt tải. Khi đó tổ máy bị cắt rời khỏi hệ thống điện, số vòng quay
tổ máy tăng lên, đồng thời sẽ làm tăng cột nước do nước va khi đóng cánh hướng nước. Để
hạn chế những tác hại này, ngoài các biện pháp công trình như thay đổi kích thước đường
ống hoặc xây Tháp điều áp nhằm thay đổi Tw và tf thì việc điều chỉnh thời gian đóng mở
tuabin Ts mang lại hiệu quả cao. Tuy nhiên, nếu tăng TS sẽ giảm áp lực nước va nhưng lại có
ảnh hưởng ngược lại với độ chênh lệch tạm thời max = nmax /no (chỉ số về đảm bảo điều chỉnh

tổ máy). Khi chỉ số max vượt quá trị số cho phép, với tốc độ quay lớn tổ máy có thể bị phá
hỏng các bộ phận phần quay do tác động của lực ly tâm. Trị số này đạt được khi cắt tải toàn
bộ từ phụ tải lớn nhất po =1 với thời gian đóng kín tuabin từ độ mở lớn nhất TS và có thể xác
định theo công thức (1-2):

 max 

1

TS

Ta

1

365 N a T S
GD 2 n o2

(1-2)

Phương trình (1-2) cho thấy max đồng biến với tỷ số TS/Ta, có nghĩa là muốn giảm max
cần phải hoặc giảm TS hoặc tăng Ta. Nếu tăng Ta, với công suất và số vòng quay tổ máy đã
xác định cần phải tăng mômen đà GD2 của nó nếu không đóng tuabin TS = , max sẽ tăng
đến vô hạn. Nhưng như chúng ta đã biết tốc độ quay của tuabin không thể vượt quá tốc độ
quay lồng, lý do ở đây là công thức (1-2) được thành lập không xét tới đặc tính tuabin và các
ảnh hưởng khác trong quá trình chuyển tiếp. Sai số của công thức (1-2) có thể đạt tới
2030%, cho nên nó chỉ ứng dụng trong các bước thiết kế sơ bộ. Thông thường trong điều
kiện chế tạo max  1.50  1.65, trong trường hợp đặc biệt với tổ máy công suất không lớn,
nếu trạm thuỷ điện làm việc độc lập thì lấy max  1.35  1.40. Nhưng nếu giảm Ts thì lại
làm tăng áp lực nước va , do vậy thời gian đóng mở TS phải được chọn trên cơ sở vừa đảm

bảo điều kiện ổn định điều chỉnh tổ máy sao cho max không vượt quá trị số cho phép đồng
thời vẫn hạn chế được nước va trong một khoảng giới hạn cho phép.

Hình 1-1 Sự ảnh hưởng của Ts đến max
và max

Để làm được vậy, ta giả thiết nhiều giá trị TS
khác nhau, sau đó xác định max và max, xây
dựng các quan hệ max TS và max TS ứng với
các chế độ chuyển tiếp. Từ max cho phép trên
biểu đồ Hình 1-1 xác định TS và max. Nếu trị số
nước va vượt quá trị số cho phép thì phải nghiên
cứu biện pháp công trình để giảm nó. Mặt khác
cần lưu ý rằng lựa chọn thời gian đóng mở
tuabin TS có liên quan đến thiết bị điều tốc, TS
càng nhỏ năng lực của máy tiếp lực phải càng
lớn và ngược lại.


1.3 Tháp điều áp
Tháp điều áp là một bộ phận tạo ra mặt thoáng (Hình 1-2), nó có tác dụng giữ cho đường
hầm dẫn nước phía trước tháp khỏi bị áp lực nước va. Ngoài ra nó còn làm giảm nhỏ áp lực
ở phần đường ống dẫn nước từ tháp vào tuabin.
1. Tháp điều áp phía thượng lưu
2. Tháp điều áp phía hạ lưu
3. Nhà máy thuỷ điện
4. Đường hầm dẫn nước

Hình 1-2 Sơ đồ đặt Tháp điều áp
Theo hình dạng cấu tạo thường gặp các kiểu tháp sau: Tháp điều áp kiểu viên trụ; viên

trụ có màng cản; kiểu hai ngăn (có ngăn trên và ngăn dưới); kiểu có máng tràn; kiểu có lõi
trong (còn gọi là kiểu kép hay kiểu sai phân); kiểu nén khí hoặc kiểu nửa nén khí. Tháp điều
áp kiểu viên trụ thường áp dụng cho Trạm thủy điện có cột nước thấp; Tháp điều áp kiểu
viên trụ có cản thường áp dụng cho Trạm thủy điện nhỏ có cột nước trung bình; Tháp điều
áp kiểu viên trụ kết hợp ngăn trên thường áp dụng cho Trạm thủy điện vừa có cột nước trung
bình và cột nước lớn. Tháp điều áp hai ngăn áp dụng cho Trạm thủy điện lớn, cột nước tương
đối cao, với địa chất là đá thì ngăn trên bố trí trong khối đào hở trên mặt đất, với Tháp điều
áp của Trạm thủy điện vừa và lớn, cột nước trung bình, Tháp điều áp để hở hoàn toàn trên
mặt đất thì thường sử dụng loại có lõi trong và làm bằng bê tông cốt thép. Tháp điều áp kiểu
khí nén thường áp dụng cho Trạm thủy điện vừa và lớn, có cột nước cao.
Khi thiết kế thường phải so sánh kinh tế, nếu thấy chi phí để xây tháp nhỏ hơn chi phí
giảm bớt do đường hầm dẫn nước không phải chịu áp lực nước va hoặc nhỏ hơn chi phí bằng
các giải pháp giảm áp lực nước va khác, thì xây dựng Tháp điều áp là hợp lý. Trường hợp
ngược lại thì không nên xây dựng Tháp điều áp. Có thể dựa vào tiêu chuẩn gần đúng cần
thiết phải xây dựng Tháp điều áp như sau:
Q
l
TW  max  i  3  6 s
(1-3)
gH o Fi
trong đó: Qmax- lưu lượng lớn nhất chảy trong ống; Ho - cột nước tính toán; li , Fi - tương
ứng là chiều dài và diện tích tiết diện đoạn ống thứ i.


CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TRANSIENTS
2.1 Giới thiệu về phần mềm TRANSIENTS
2.1.1 Sự cần thiết xây dựng phần mềm tính toán nước va, thủy lực tháp điều áp
Thuỷ điện là nguồn năng lượng tái tạo rất quan trọng trong đời sống kinh tế xã hội. Việc
phát triển thủy điện cần phải được đẩy mạnh và khai thác triệt để. Trong thực tế thiết kế các
trạm Thuỷ điện, việc tính toán Nước va và tính toán dao động mực nước của tháp điều áp

cần phải được tính toán chính xác hóa một cách nhanh chóng để đáp ứng được yêu cầu của
thực tiễn sản xuất hiện nay, giúp nhà thiết kế nhanh chóng xác định được phương án khai
thác, quy mô kích thước và các giải pháp kết cấu công trình hợp lý.
Việc tính toán nói trên hiện nay ở nước ta còn một số tồn tại sau:
1. Nhiều đơn vị còn tính toán áp lực nước va và tính toán dao động mực nước của
tháp điều áp được tính toán riêng rẽ, không xét được ảnh hưởng qua lại giữa các hạng
mục, kết quả kém chính xác.
2. Dựa vào các công thức kinh nghiệm để tính toán, đưa vào nhiều giả thiết để giảm
bỏ bớt các nhân tố ảnh hưởng dẫn đến kết quả tính toán kém chính xác.
3. Tính toán thủ công tốn nhiều thời gian công sức đặc biệt là khi tính cho nhiều
phương án, không trực quan, dễ nhầm lẫn.
4. Không tính toán được các tổ hợp vận hành phức tạp có thể xẩy ra trong thực tế
(tăng tải tổ máy cuối cùng sau đó gặp sự cố phải cắt tải đột ngột… Tổ hợp này rất nguy
hiểm và cũng dễ xẩy ra, vì các sự cố hầu hết xẩy ra trong quá trình điều khiển). Hiện
nay các tổ hợp này đã được áp dụng để tính toán ở các nước phương tây và ở Trung
Quốc.
5. Đặc biệt là khi tính toán đối với các hệ thống phức tạp như có nhiều tổ máy thuỷ
điện trên cùng một hệ thống đường hầm cấp nước, có tháp điều áp thượng lưu, tháp
điều áp hạ lưu (như thủy điện Huội Quảng…) các phương pháp tính toán cũ khó áp
dụng, kết quả tính toán rất kém chính xác, có thể dẫn đến không an toàn cho việc vận
hành công trình sau này.
Xuất phát từ tình hình thực tế nói trên chúng tôi đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp
đường đặc trưng hệ phương trình truyền sóng nước va, mô hình hoá sơ đồ, phần tử hoá, lập
chương trình trên máy tính giải quyết đồng thời các tồn tại nêu trên. Chương trình lập bằng
ngôn ngữ VISUAL BASIC. Chương trình ngày càng được cải tiến năng cấp với giao diện
đồ hoạ thân thiện, trực quan sinh động tính toán nhanh. Giúp các nhà tư vấn tiết kiệm thời
gian công sức và nâng cao độ tin cậy.
Nhưng kết quả tính toán của chương trình làm căn cứ cho nhà thiết kế lựa chọn giải pháp
công trình, lựa chọn thời gian đóng mở hợp lý, bố trí cao trình tim, kích thước và kết cấu
đoạn các đường dẫn nước có áp, thiết kế kích thước và kết cấu tháp điều áp…

2.1.2 Các ứng dụng tính toán
 Tính toán nước va và dao động mực nước của tháp điều áp khi tăng tải, cắt tải của
thủy điện tích năng.
 Tính toán chế độ đóng mở tuabin đảm bảo điều chỉnh tổ máy.


 Tính toán các tham số điều khiển ổn định
 Tính toán hiệu suất sử dụng nước của tổ máy thủy điện khi có xét đến tổn thất thủy
lực trong đường hầm dẫn nước, giúp lựa chọn chế độ vận hành hợp lý, nâng cao hiệu
quả dùng nước, tăng sản lượng điện.
 Chương trình được bổ sung tính toán vi chỉnh lại hệ số nhám của đường hầm khi
có số liệu đo đạc tổn thất từ hiện trường trạm thuỷ điện.
 Chương trình cho phép vẽ đường phân bố áp lực trên toàn tuyến (tất cả các tuyến
được nối tiếp với nhau) hoặc trên từng tuyến riêng biệt.
 Có chương trình riêng hỗ trợ việc số hóa đường đặc tính tổng hợp chủ yếu của
tuabin từ hình ảnh quét thu được từ máy quét.
 Có thể tính toán giúp các kỹ sư chọn các tổ hợp mô men đà (GDD), vận tốc quay
lồng, thời gian đóng mở và quy trình đóng mở hợp lý.
 Đối với trạm thuỷ điện có tháp điều áp, chương trình có thể tính toán cho các tổ hợp
cộng tác dụng: Như sau khi tổ máy thuỷ điện tăng tải được một khoảng thời gian (khi
mực nước trong tháp điều áp vẫn chưa ổn định trở lại) thì gặp sự cố phải ngắt tải đột
ngột. Khi đó sẽ xẩy ra cộng tác dụng của hai việc điều khiển, tổ hợp này rất nguy hiểm.
 Chế độ của tháp van được thể hiện bằng hình ảnh động rất trực quan, tránh cho
người sử dụng lựa chọn nhầm lẫn.
 Vẽ cao trình tim đường dẫn và đường đo áp lớn nhất và nhỏ nhất trên cùng biểu đồ,
giúp người sử dụng dễ dàng thấy được sự phân bố áp lực và các vị tri xuất hiện áp suất
chân không.
 Đường đặc tính của tuabin được biểu diễn trong nhiều hệ toạ độ khác nhau, như
trong hệ toạ độ không gian 3 chiều. Đường đặc tính tổng hợp của tuabin được chương
trình tự động mở rộng số liệu sang những vùng thiếu hụt số liệu.

2.2 Các sơ đồ tuyến năng lượng của trạm thủy điện có thể ứng dụng
1.

Các loại sơ đồ có thể áp dụng:



Sơ đồ tuyến năng lượng cấp nước độc lập.



Sơ đồ rẽ nhánh nhiều tổ máy.



Sơ đồ tuyến năng lượng có tháp điều áp thượng lưu hoặc tháp điều áp hạ lưu.



Sơ đồ tuyến năng lượng có cả tháp điều áp thượng lưu và tháp điều áp hạ lưu.



Sơ đồ tuyến năng lượng cung cấp nước cho nhiều vị trí khác nhau.

2.

Các loại đường dẫn áp lực có thể áp dụng:



Đường ống thép lộ thiên có hoặc không có khớp co dãn nhiệt.



Đường hầm không áo.

 Đường hầm có một hoặc nhiều lớp áo (ví dụ như đường hầm bọc thép và bọc bê
tông phía ngoài).


 Các loại tiết diện bất kỳ khác, (người sử dụng tự tính tiết diện, chu vi ướt, vận tốc
sóng nước va của đường dẫn, sau đó nhập số liệu vào phần mềm)
3.

Các loại tháp điều áp có thể áp dụng:



Tháp điều áp kiểu viên trụ có hoặc không có màng cản.



Tháp điều áp kiểu hai ngăn có hoặc không có màng cản.



Tháp điều áp kiểu có ngăn trên.



Tháp điều áp kiểu tiết diện thay đổi theo cao trình.

4.

Các loại tuabin có thể áp dụng:



Các loại gáo.



Các loại tuabin tâm trục.



Các loại tuabin cánh cố định.



Các loại tuabin cánh quạt.



Các loại tuabin cánh quay làm việc trong trường hợp không mất đồng bộ (=f(ao)).

5.

Tính toán ảnh hưởng của các trạng thái vận hành của van đĩa, van cầu, tháp van:



Van đĩa, van cầu, tháp van ở trạng thái mở.



Van đĩa, van cầu, tháp van ở trạng thái đóng.



Đang vận hành đóng hoặc mở van đĩa, van cầu, tháp van.

6.

Các chế độ chuyển tiếp:



Chế độ mở máy.



Chế độ tăng tải hoặc giảm tải.



Chế độ cắt tải đột ngột tổ máy bị tách khỏi lưới điện.



Tổ hợp các chế độ khác nhau giữa các tổ máy.



Các tổ hợp chế độ phức tạp khác (như tổ hợp cộng tác dụng…).

2.3 Các tổ hợp tính toán và tổng hợp kết quả
Các tổ hợp tính toán ở dưới đây đưa ra với sơ đồ khai thác có một đường hầm chính cấp
nước cho một nhóm (n) tổ máy. Với các sơ đồ khai thác khác, người sử dụng có thể đưa ra
các tổ hợp tính toán trên cơ sở lý luận các trường hợp đó có thể xẩy ra và có tính chất nguy
hiểm đến các hạng mục công trình trên sơ đồ khai thác đó.
2.3.1 Các tổ hợp cơ bản
A – Các tổ hợp tăng tải.
Mục đích xác định khả năng xuất hiện mực nước thấp nhất trong TĐA và khả năng xuất
hiện các đường phân bố áp lực nhỏ nhất trong các tuyến đường dẫn nước có áp.


Kịch bản: (n-1) tổ máy đang làm việc với khả năng phát điện tối đa, thì tiến hành tăng tải
tổ máy cuối cùng đến khả năng phát điện tối đa của nó, ứng với các mực nước thượng, hạ
lưu như sau:
1. Mực nước thượng lưu (Ztl) là MNC, mực nước hạ lưu (Zhl) lấy thiên nhỏ, lưu lượng
một tổ máy Q tm  Qtt

Ztl  Zhl  hw
(Tổ hợp 1A1). Tổ hợp này mực nước thượng
H tt

lưu thấp nhất nhưng lưu lượng lại không lớn lắm.
B – Các tổ hợp cắt tải toàn bộ

Mục đích xác định khả năng xuất hiện mực nước cao nhất (ở 1/4 chu kỳ dao động của
tháp) và mực nước thấp nhất nhất (ở 3/4 chu kỳ dao động của tháp) trong TĐA và khả năng
xuất hiện các đường phân bố áp lực lớn nhất trong các tuyến đường dẫn nước có áp.
Kịch bản: (n) tổ máy đang làm việc với khả năng phát điện tối đa, thì gặp sự cố phải cắt
tải đột ngột, ứng với các mực nước thượng, hạ lưu như sau:
1. Mực nước thượng lưu (Ztl) là MND, mực nước hạ lưu (Zhl) lấy thiên lớn, lưu lượng
H tt
một tổ máy Q tm 
Qtt (Tổ hợp 1B1). Tổ hợp này mực nước thượng
Ztl  Zhl  hw
lưu cao nhất nhưng lưu lượng lại nhỏ hơn Qtt.
2. Mực nước thượng lưu (Ztl) là MNC, mực nước hạ lưu (Zhl) lấy thiên nhỏ, lưu lượng
một tổ máy Q tm  Qtt

Ztl  Zhl  hw
(Tổ hợp 1B4). Tổ hợp này mực nước thượng
H tt

lưu thấp nhất.
Mực nước cao nhất trong TĐA và đường phân bố áp lực lớn nhất trong các tuyến đường
dẫn nước có áp có thể xuất hiện ở tổ hợp 1B1. Mực nước thấp nhất trong TĐA và đường
phân bố áp lực nhỏ nhất trong các tuyến đường dẫn nước có áp có thể xuất hiện ở tổ hợp
1B4.
2.3.2 Tổ hợp đặc biệt và các tổ hợp cộng tác dụng
A – Các tổ hợp cắt tải toàn bộ khi MNDGC.
Mục đích xác định khả năng xuất hiện mực nước cao nhất trong TĐA và khả năng xuất
hiện các đường phân bố áp lực lớn nhất trong các tuyến đường dẫn nước có áp.
Kịch bản: (n) tổ máy đang làm việc với khả năng phát điện tối đa, thì gặp sự cố phải cắt
tải đột ngột. Mực nước thượng lưu (Ztl) là MNL, mực nước hạ lưu (Zhl) lấy thiên lớn, lưu
H tt

lượng một tổ máy Q tm 
Qtt (Tổ hợp 2A1).
Ztl  Zhl  hw
Mực nước cao nhất trong TĐA và đường phân bố áp lực lớn nhất trong các tuyến đường
dẫn nước có áp ở tổ hợp này có thể nguy hiểm hơn kết quả tính toán ở các tổ hợp cơ bản.
B – Các tổ hợp cộng tác dụng.
Mục đích xác định khả năng xuất hiện mực nước cao nhất (ở 3/4 chu kỳ dao động của
tháp) và mực nước thấp nhất (ở 1/4 chu kỳ dao động thứ 2 của tháp) trong TĐA và khả năng
xuất hiện các đường phân bố áp lực lớn nhất, nhỏ nhất trong các tuyến đường dẫn nước có
áp.


Kịch bản: (n-1) tổ máy đang làm việc với khả năng phát điện tối đa, ta tiến hành tăng tải
tổ máy cuối cùng đến hết khả năng làm việc của nó, sau 1/2 chu kỳ dao động của tháp điều
áp thì gặp sự cố phải cắt tải đột ngột.
1. Mực nước thượng lưu và mực nước hạ lưu lấy theo tổ hợp nguy hiểm hơn trong 2
tổ hợp 1B1 và 2A1 (Tổ hợp 2B1). Tổ hợp này có thể xuất hiện mực nước lớn nhất
trong TĐA và phân bố áp lực lớn nhất trong các tuyến đường dẫn có áp.
2. Mực nước thượng lưu và mực nước hạ lưu lấy theo tổ hợp 1B4 (Tổ hợp 2B2). Tổ
hợp này có thể xuất hiện mực nước thấp nhất trong TĐA và phân bố áp lực nhỏ nhất
trong các tuyến đường dẫn có áp.
2.3.3 Thời gian đóng mở tuabin
Thời gian đóng mở tuabin Ts được xác định sao cho đảm bảo hạn chế được áp lực nước
va và đảm bảo vận tốc quay lồng nằm trong phạm vi cho phép. Quá trình đóng tuabin có thể
là đóng theo đường thẳng hoặc đường gẫy khúc. Thời gian đóng thực tế của từng tổ hợp tính
toán phụ thuộc vào độ mở ban đầu của tuabin. Ví dụ nếu đóng tuabin theo đường thẳng thì
T*s=Ts.τđ với τđ - Độ mở tương đối ban đầu.
2.3.4 Tổng hợp kết quả từ các tổ hợp tính toán
Từ kết quả tính toán của các tổ hợp tính toán khác nhau, tổng hợp ra các kết quả về:
-

-

Mực nước lớn nhất; mực nước nhỏ nhất; áp lực lớn nhất; áp lực nhỏ nhất; lưu lượng
của các vị trí trên tuyến năng lượng của tất các các tổ hợp tính toán.
Các biện pháp công trình, thiết kế kết cấu, yêu cầu kỹ thuật đối với thiết bị tổ máy,
chế độ vận hành trạm thuỷ điện hợp lý để tránh các tổ hợp nguy hiểm.
Mực nước cao nhất và thấp nhất trong tháp điều áp là mực nước cao nhất và thấp nhất
trong tất cả các tổ hợp tính toán mà trong thực tế vận hành công trình sau này có thể
xẩy ra.
Cao trình đáy tháp điều áp và đỉnh tháp điều áp được tính từ các mực nước cao nhất
và thấp nhất cộng với hoặc trừ đi độ cao an toàn. Độ cao an toàn lấy theo quy phạm
và nó phụ thuộc vào mực nước cao nhất và mực nước thấp nhất nêu trên xuất hiện ở
tổ hợp nào.
Đường phân bố áp lực lớn nhất và nhỏ nhất trong các tuyến đường dẫn áp lực phải là
đường bao của tất cả các kết quả tính toán đường phân bố áp lực của tất cả các tổ hợp
tính toán mà có thể xẩy ra trong thực tế vận hành công trình sau này. Căn cứ vào kết
quả đó nhà thiết kế dễ dàng kiểm tra có xuất hiện áp suất chân không hay không cũng
như kiểm tra áp lực lớn nhất tại các vị trí trên tuyến năng lượng đề có thiết kế kết cấu
chịu lực phù hợp.


CHƯƠNG 3 THUẬT TOÁN LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN ÁP LỰC NƯỚC VA VÀ
TÍNH TOÁN THỦY LỰC THÁP ĐIỀU ÁP CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN
3.1 Giải hệ phương trình lưới đặc trưng của sóng nước va
Từ hệ phương trình (1-1) có thể viết dưới dạng hệ phương trình dây chuyền sóng nước va
như sau:
c  R
 R
P

P
R
R

 H ( n 1) ,i 1  H n ,i  gF Q( n1) ,i1  Qn ,i   k .Q( n 1) ,i 1. Q( n 1) ,i 1

(3-1)

c  L
P
P
L
L
H L

 H n ,i  
 Qn ,i  k .Q( n 1) ,i 1. Q( n 1) ,i 1
Q

 ( n 1) ,i 1
gF  ( n1) ,i1
Trong đó: c – Vận tốc sóng nước va, F – Tiết diện ướt, k– hệ số tổn thất thủy lực,  =tthời đoạn.
Giải phương trình lưới dặc trưng
trên, kết quả như sau:
 C P  BL  QP

(3-2)

H P  C M  BR QP

(3-3)

H

P

Hình 3-1 Sơ đồ lưới đặc trưng
Trong đó:

C P  H L  C1C3  C3 C5  C1C3 C 4  C1C3 C6 C7

(3-4)

BL  C1C 2  C 2 C5  C1C 2 C 4  C1C 2 C6 C 7

(3-5)

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

C M  H R  C 11C3  C3 C5  C1 C3 C 1 4  C1 C3 C6 C7
1

1

1

1

1

1

1

1

BR  C1 C2  C2 C5  C1 C2 C4  C1 C2 C6 C7

1

1

(3-6)
(3-7)

Với:
C1 

1
1
Q
F  FL
c
C5  sin  .t
C2 
C3 
C4  P
;
FP ;
FL ;
FP  FL ;
2
g ;
C6 

  P   L  f t
8(FP  FL )

;

C7 

QL
FL

1
1
Q
F F
c
C21 
C31  R C41  P R C51  sin  .t
C 
;
;
;
;
;
FP
FR
FP  FR
2
2g
1
1

C61 

  P   L  f t
8(FP  FL )

;

C7 

QR
FR

(3-8)


– Chu vi ướt, x –chiều dòng chảy, α -góc nghiêng của tim đường dẫn nước có áp, f –
Hệ số ma sát. Từ phương trình (3-3) và (3-4) ta giải được lưu lượng và cột nước tại các mặt
cắt trung gian:
C  CM
QP  P
(3-9)
BR  B L

H P  CP  BL  QP

(3-10)

3.2 Hệ phương trình vi phân của tháp điều áp

Qv  Q r
 dZ
0
 dt  F
thap

(3-11)


 dQ v  gF thap Z  h  Z   0
t
tt
ho
 dt
L dh
Zt: là mực trong nước tháp điều áp.
Fthap: là tiết diện tháp điều áp. Tiết diện tháp điều áp thay đổi theo chiều cao hình thành
các loại tháp điều áp khác nhau.
Qv: Là lưu lượng chảy đến trong đường hầm trước tháp điều áp.
Qr: Là lưu lượng chảy vào trong đường dãn sau tháp điều áp.
Fdh: Là tiết diện đường hầm dẫn nước trước tháp điều áp.
Ldh: Là chiều dài đường hầm dẫn nước trước tháp điều áp.
htt: Là tổn thất thuỷ lực, (htt = hd +hc).
hd: Là tổn thất dọc đường trong đường hầm trước tháp điều áp.
hc: Là tổn thất cục bộ khi nước chảy vào tháp điều áp.
hc  f .(Qv  Qr ). Qv  Qr
f: Là hệ số cản của màng cản tháp điều áp.
Zhồ: Là mực nước hồ chứa ở cửa vào đường hầm dẫn nước.
3.3 Các điều kiện biên đơn giản
Ở phần này chủ yếu giới thiệu để người sử dụng nắm được các công thức các thành phần
tổn thất cục bộ trong chương trình để nhập số liệu cho chính xác. Để đảm bảo không làm
phức tạp hoá vấn đề nên ở phần này không đi sâu vào giới thiệu phương pháp giải các hệ
phương trình biên.
3.3.1 Cửa lấy nước
Phương trình sóng nghịch
H P  C M  BR  Q P
C:
Tổn thất cục bộ:

2
Q P QP
Q
H P  Hu  P 2 
2
2 gAP
2 gAP

(3-12)
(3-13)

Các hệ số CM và BR phụ thuộc và kết cấu đường hầm. Giải hệ phương trình trên sẽ được
các kết quả lưu lượng và áp lực.


3.3.2 Cửa thoát nước
Phương trình sóng thuận:
H P  C P  BL  QP
C :
Tổn thất cục bộ：

(3-14)



HP  Hd 

QP

2

2 gAP

2



Q P QP
2 gAP

2

(3-15)

Các hệ số C Pvà BL phụ thuộc và kết cấu đường hầm. Giải hệ phương trình trên sẽ được
các kết quả lưu lượng và áp lực.
3.3.3 Các vị trí có tiết diện thay đổi
Có 2 phương trình sóng thuận và sóng nghich
H P1  C P  BL  QP1
(3-16)
C:

H P 2  C M  BR  QP 2
Phương trình liên tục
QP1  QP 2
C:
C:

(3-17)
(3-18)

Tổn thất cục bộ：

H P1 

Q P 1 Q P1
Q Q
Q P21
Q P2 2
H




  2 P 2 2P 2
P2
1
2
2
2
2 gA1
2 gA1
2 gA 2
2 gA 2

(3-19)

3.3.4 Vị trí rẽ nhánh (1n)
Có (2n+3) phương trình: Phương trình liên tục

C1

QP1  Q1  Q2  ...  Qn

(3-20)

H P1  C P 1  B L1Q P 1

(3-21)

 H1  CM 1  BR1Q1
H  C  B Q
 2
M2
R2 2

..............

 H n  CMn  BRnQn

(3-22)





Ci 1..n :

Tổn thất cục bộ ở ống chính：

H 0  H P1 

Q Q
QP21
  P10 P1 2P1
2
2 gA1
2 gAP1

Tổn thất cục bộ trên các đầu ống nhánh (n)：

(3-23)


2

QQ
Q1
  0 1 1 12
 H 0  H1 
2
2 gA1
2 gA1

2
Q Q

Q
 H 0  H 2  2 2   0  2 2 22


2 gA2
2 gA2

..................

2
 H 0  H n  Qn   0  n Qn Qn
2
2

2 gAn
2 gAn

(3-24)

3.3.5 Vị trí hợp lưu (n+1)
Có (2n+3) phương trình：
Phương trình liên tục：
QP  Q1  Q2  ...  Qn

Ci 1..n
:



 H1  CP1  BL1Q1
H  C  B Q
 2
P2
L2 2


..........
....

 H n  CPn  BLnQn


H P  CM  BRQP
C1 :
Tổn thất cục bộ ở các vị trí cuối mỗi đoạn (n):
2

QQ
Q1


  0 1 1 12
H
H
 0
1
2
2 gA1
2 gA1

2
Q Q

Q2
H0  H2 

  0  2 2 22
2

2 gA2
2 gA2

..................

2
 H 0  H n  Qn   0  n Qn Qn
2
2

2 gAn
2 gAn

Tổn thất cục bộ tại đầu đường dẫn hợp lưu:
Q Q
Q2
H 0  H P  P 2   P 0 P 2P
2 gAp
2 gAP

(3-25)

(3-26)

(3-27)

(3-28)

(3-29)

3.4 Điều kiện tháp điều áp, tháp van
3.4.1 Tháp điều áp

Tổn thất chảy qua họng cản
Z P  H P  QTP QTP

(3-30)


Trong đó: Z P - mực nước trong tháp, α - hệ số sức kháng.



c

(3-31)

2 gFc2

H P - năng lượng đơn vị của vị trí chân tháp, QTP - lưu lượng chảy vào tháp.
Phương trình liên tục của TĐA:
ZP  Z0
Q  QT 0
(3-32)
F  TP
t
2

Trong đó: Z 0 - mực nước TĐA ở thời điểm trước, QT 0 - lưu lượng chảy vào TĐA ở thời
điểm trước, F - tiết diện TĐA, Δt - bước thời gian. Đặt w 

t
, kết hợp (3-30) và (3-32)
2F

được：

QTP 

H P  Z 0  wQT 0
w   QT 0

(3-33)

Phương trình liên tục tại vị trí chân tháp：
n

Q
i 1

m

Pi

 QTP   QMj

Các phương trình sóng：
C+：

QPi 

C -：

QMj 

j 1

CPi  H P 

H

BLi

P

 CMj 

BRj

Giải hệ phương trình trên ta được
m C
n
C Pi  Z 0  wQ T 0
Mj






B
w
Q
B

j 1
i 1
T0
Rj
H P  n Li
m
1
1
1



w   QT 0
i 1 B Li
j 1 B Rj

(3-34)

(3-35)
(3-36)

(3-37)

Thay Hp vào các phương trình trên sẽ tìm được các đại lượng còn lại.

3.4.2 Tháp van

Tổn thất thuỷ lực chảy vào tháp van
Z P  H P1  QTP QTP

(3-38)

Trong đó: Zp- Mực nước trong tháp van tại thời điểm tính toán, HP1 - cột nước toàn phần
tại điểm P1, QTP - lưu lượng chảy vào tháp van, α - hệ số sức kháng chảy vào tháp van.




 TV

(3-39)

2 gFTV2

Phương trình liên tục：
ZP  Z0
Q  QT 0
(3-40)
F  TP
2
t
Trong đó: Zo - mực nước trong tháp van tại thời điểm trước, QTo - lưu lượng chảy vào
t
trong tháp van tại thời điểm trước, F - Tiết diện ngang của tháp van. Đặt w 
, kết hợp

2F
(3-38) và (3-40) được：
H  Z 0  wQT 0
QTP  P1
(3-41)
w   QT 0

Phương trình liên tục：

QP1  QTP  QP 2
Các phương trình sóng：
C+

QP1 

C-

QP 2 

(3-42)

CP  HP1 

(3-43)

BL

H P2  CM 

(3-44)

BR

Trong đó, H P 2 - Cột nước toàn phần tại điểm P2.
Tổn thất thuỷ lực chảy qua cánh van：
H P1  H P 2   m

QP 2 QP 2
2 gAm

2

(3-45)

Trong đó: Am - Tiết diện mở cánh van,  m - Hệ số tổn thất chảy qua cánh van (tương ứng
với độ mở cánh van). Giải hệ các phương trình trên ta được:
Q Q
CP  Z0  wQT 0 CM


 m P20 2 P20
B
w   QT 0
BR
2gAm BR
HP1  L
1
1
1



BL w   QT 0 BR

(3-46)

Thay HP1 vào các phương trình trên sẽ tìm được các đại lượng còn lại.
3.5 Điều kiện biên tổ máy thủy điện
Trong quá trình vận hành trạm thuỷ điện, hầu hết các sự cố của tổ máy thuỷ điện xẩy ra
trong các quá trình chuyển tiếp như mở máy, tăng tải, giảm tải, dừng máy... Trong các trạng
thái này áp lực trong đường ống thượng lưu và đường dẫn hạ lưu đều thay đổi theo xu hướng
bất lợi cho quá trình điều khiển, áp lực tăng cao hoặc hạ xuống thấp gây nguy hiểm cho
đường dẫn và các công trình trên tuyến. Trong một số trường hợp đặc biệt như sự cố về điện
trên hệ thống điện, sự cố điện của chính máy phat điện... Tổ máy buộc phải tách ra khỏi lưới
điện, để tránh xẩy ra vận tốc quay của tổ máy tăng quá cao vượt trị số cho phép phải đóng
tuabin với vận tốc đóng lớn điều này làm cho áp lực trong đường ống tăng rất cao, áp lực
trong đường dẫn hạ lưu lại hạ xuống có thể làm xuất hiện áp suất chân không. Để giải quyết


mâu thuẫn trên một cách thoả đáng, trong khi thiết kế công trình thuỷ điện, cần phải tính
toán một cách chính xác để có giải pháp công trình hợp lý nhằm bảo đảm vận hành an toàn
và giảm nhỏ chi phí xây dựng công trình. Việc tính toán chính xác các đặc trưng của quá
trình chuyển tiếp là rất cần thiết, nhưng do tính phức tạp của bài toán, nhiều nhân tố ảnh
hưởng do đó phải từng bước nghiên cứu đưa các nhân tố ảnh hưởng vào tính toán để có kết
quả chính xác nhất phục vụ cho thiết kế công trình cũng như vận hành công trình.
3.5.1 Phương trình cơ bản về lưu lượng và chuyển động quay của tổ máy
Tại các biên đường ống, đường dẫn nối tiếp tuabin và máy phát điện có các đặc tính thủy
lực, đặc tính năng lượng thể hiện trên đường đặc tính tổng hợp (các số liệu này được số hóa)
của tuabin, phương trình động lực tổ máy và các công thức liên quan khác.

Q  Q1' D12 H


(3-47)
 d
 Md  Mc
J
 dt
Q – Lưu lượng chảy qua tuabin (m3/s); Q1’ – Lưu lượng quy dẫn (m3/s); D1 - Đường kính
tiêu chuẩn của tuabin (m); H – Cột nước làm việc của tuabin (m); J – Mômen quán tính của
tuabin và máy phát; Md – Mômen động lực; Mc – Mômen cản;  - Vận tốc góc của tổ máy
(rad/s).
3.5.2 Đặc tính của tuabin thủy lực.
Mỗi loại tuabin đều có 2 đặc tính cơ bản sau:
1. Đặc tính lưu lượng thể hiện dưới dạng lưu lượng quy dẫn Q1’(l/s). Q1’ được tính
chuyển đổi từ tuabin thực bằng công thức:

1000Q
D12 H

Q1' 

 Q là lưu lượng của tuabin thực (m3/s).
 D1 là đường kính tiêu chuẩn của tuabin thực (m).
 H là cột nước làm việc của tuabin thực (m)

2. Đặc tính năng lượng thể hiện dưới dạng hiệu suất (%), công suất quy dẫn N1’(KW) và
mô men quy dẫn M1’ (KN.m). Chỉ cần nhập số liệu một trong các đại lượng trên (2 đại
lượng còn lại có thể tính chuyển đổi sang), các đại lượng trên được tính chuyển đổi từ
tuabin thực bằng công thức η=ηT.

N1' 

1000N
D12 H H

M 1' 

M
D13 H

 ηt là hiệu suất của tuabin thực (%).
 N là công suất của tuabin thực (MW).
 M là mô men động lực của tuabin thực(KN.m)

Số liệu các đặc tính trên của tuabin được nhập vào dưới dạng bảng số (dạng ma trận)
trong hệ toạ độ n1’—Q1’
n1' 

nD1
H

 n1’ là vận tốc quay quy dẫn (v/ph).
 n là vận tôc quay của tuabin thực (v/ph).