Tính c ấ p thi ế t c ủa Đề tài
Nền kinh tế Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, dẫn đến nhu cầu năng lượng ngày càng tăng Việc khai thác và xây dựng các công trình thủy điện vẫn tiếp tục được đẩy mạnh, với nhiều ứng dụng và công nghệ mới được áp dụng để đáp ứng nhu cầu này.
Trong xây dựng và vận hành trạm thủy điện, nghiên cứu giảm tổn thất thủy lực là rất quan trọng Việc này không chỉ nâng cao hiệu quả cột nước mà còn giúp tăng cường khả năng phát điện.
Bể áp lực đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp lưu lượng nước đầy đủ và giảm thiểu tổn thất cột nước, giúp chuyển đổi dòng nước từ kênh dẫn không áp thành dòng nước có áp cho nhà máy thủy điện.
Các trạm thủy điện nhỏ tận dụng dòng chảy tự nhiên của sông với lưu lượng biến thiên lớn, nhưng không có khả năng xây hồ lớn để điều tiết Do đó, nghiên cứu các giải pháp công trình nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng bể áp lực cho các trạm thủy điện đường dẫn là rất quan trọng.
M ục đích của Đề tài
- Nghiên cứu tổng kết các dạng bể áp lực thường dùng.
- Đề xuất lựa chọn hình dạng, kích thước tối ưu của bể áp lực và phương pháp tính toán tương ứng.
- Tính toán áp dụng cho một trạm thủy điện thực tế đã xây dựng để đối chứng.
Cách ti ế p c ận và phương pháp nghiên cứ u
Quá trình vận hành của các bể áp lực tại trạm thủy điện rất quan trọng, đòi hỏi sự chú ý đến thiết kế và hiệu suất Việc thu thập hồ sơ thiết kế bể áp lực từ một số trạm thủy điện đã xây dựng giúp phân tích và cải thiện hiệu quả hoạt động Những dữ liệu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách thức vận hành mà còn hỗ trợ trong việc tối ưu hóa thiết kế cho các dự án tương lai.
- Tiếp cận từ các điều kiện kỹ thuật: Tính toán thủy lực, đề xuất môt số hình dạng, kích
2 thước hợp lý mới cho bể áp lực.
Nghiên cứu về các điều kiện kinh tế nhằm xác định kích thước hợp lý cho trạm thủy điện, giảm khối lượng đào đắp và xây dựng, đồng thời giảm tổn thất cột nước, đảm bảo khả năng vận hành ổn định.
- Thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về bể áp lực khi vận hành bìnhthường
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về bể áp lực trong các chế độ chuyển tiếp
- Nghiên cứu mô hình tính toán với một số hình dạng bể áp lực thường dùng
- Ứng dụng, tính toán, đề xuất hình dạng kích thước hợp lý khác cho bể áp lực.
- Phân tích và đánh giá kết quả tính toán
- Thu thập tài liệu và ứng dụng cho công trình thực tế: thủy điện Đăk Rơsa
- Điều tra, thống kê và tổng hợp
- Phương pháp nghiên cứu từ cơ sở lý thuyết đến các công thức kinh nghiệm khi thiết kế bể áp lực
- Nghiên cứu ứng dụng, đề xuất lựa chọn hình dạng và kích thước tối ưu của bể áp lực và phương pháp tính toán tương ứng
TỔNG QUAN
Tổng quan về thủy điện nhỏ
Thủy điện là một trong những nguồn năng lượng quan trọng trong hệ thống điện của Việt Nam, đặc biệt là thủy điện nhỏ Với nhu cầu sử dụng điện ngày càng gia tăng và chi phí cho các nguồn năng lượng khác vẫn cao, thủy điện sẽ đóng vai trò then chốt trong tương lai.
Công trình thủy điện bao gồm các yếu tố như đập, hồ chứa, đường dẫn và nhà máy, với mục tiêu chuyển đổi năng lượng nước thành điện năng Nước từ hồ chứa được dẫn đến nhà máy thủy điện qua hệ thống đường dẫn Có ba phương thức khai thác thủy năng dựa trên cách tập trung cột nước: kiểu đập, kiểu đường dẫn và kiểu hỗn hợp đập và đường dẫn.
Công trình thủy điện sử dụng phương thức khai thác thủy năng kiểu đập (nhà máy thủy điện ngang đập và sau đập):
Hình 1.1Phương thức khai thác thủynăng kiểu đập
Phương thức này tập trung cột nước và điều tiết lưu lượng hiệu quả, nhưng việc xây dựng đập cao sẽ làm tăng chi phí và gây ngập lụt cho khu vực thượng lưu, dẫn đến giá thành công trình cao hơn.
Công trình thủy điện sử dụng phương thức khai thác thủy năng kiểu đường dẫn và kiểu hỗn hợp.
Công trình thủy điện khai thác thủy năng có hai phương thức chính: kiểu đường dẫn và kiểu hỗn hợp Trong phương thức đường dẫn, cột nước được tạo ra từ các đường dẫn dài, bao gồm cả đường dẫn không áp như kênh và hầm không áp, cũng như đường dẫn có áp như hầm áp lực và ống áp lực Trong khi đó, phương thức hỗn hợp kết hợp cả đường dẫn và đập để tạo ra cột nước.
Hình1.2Phương thức khai thác thủy năng kiểu đường dẫn
1- Đập, 2- Đường dẫn có áp, 3- Tháp điều áp, 4- Đường dẫn nước vào tuabin, 5- Nhà máy thủy điện, 6- Sông
Nhà máy thủy điện là công trình thủy công được thiết kế với các thiết bị động lực như tuabin và máy phát điện, cùng với các thiết bị phụ trợ, nhằm mục đích sản xuất điện năng.
Công trình bể áp lực trong trạm thủy điện
Bể áp lực nằm ở cuối đường dẫn nước không áp, kết nối với hệ thống dẫn nước có áp hoặc đường dẫn nước turbin Do đó, bể áp lực cần thực hiện các nhiệm vụ quan trọng trong việc chuyển tiếp giữa các hệ thống dẫn nước.
Phân phối nước đồng đều trong các đường ống dẫn nước của turbin là rất quan trọng, nhằm đảm bảo rằng mỗi đường ống hoạt động độc lập và hiệu quả trong quá trình vận hành bình thường.
5 cũng như khi sự cố hoặc sửa chữa cần phải đóng hoàn toàn không cho nước chảy vào đường ống.
Lưới chắn rác thô ở đầu đường dẫn giúp loại trừ rác bẩn chưa được xử lý, đồng thời ngăn ngừa rác bẩn bổ sung trên đường dẫn không lọt vào đường ống.
Đảm bảo xả lượng nước thừa từ trạm thủy điện khi thay đổi công suất là cần thiết, hoặc cung cấp nước cho hạ lưu khi trạm ngừng hoạt động hoặc hoạt động với công suất thấp, nhằm đáp ứng nhu cầu lưu lượng nước nhất định cho hạ lưu.
- Làm giảm dao động mực nước trước đường ống áp lực trong các quá trình chuyển tiếp của trạm thuỷ điện.
Để bảo vệ đường ống áp lực khỏi bùn cát, cần đảm bảo an toàn cho turbin Bể áp lực có thể bao gồm các bộ phận cấu thành cần thiết để thực hiện nhiệm vụ này.
1.2.1 B ộ phận lấy nước (cửa nước vào)
Cửa nước vào là bộ phận quan trọng nhất của bể áp lực, có nhiệm vụ lấy nước vào các đường ống turbin, đảm bảo yêu cầu về khối lượng và chất lượng Thường được thiết kế dưới dạng tường chắn, cửa nước vào bể áp lực bao gồm các cửa van công tác, van sửa chữa, lưới chắn rác, thiết bị đóng mở, thiết bị năng chuyển, cùng với các ống thông khí và ống cân bằng áp lực Hình dạng và cách bố trí các bộ phận này cần đảm bảo tổn thất thủy lực tối thiểu và an toàn trong quá trình vận hành.
Van công tác, hay còn gọi là van sự cố, là thiết bị quan trọng trong hệ thống cửa nước, với thiết kế phẳng và khả năng đóng mở độc lập, điều khiển tự động tại chỗ Đối với đường ống dẫn nước turbin đặt hở trên mặt đất, van công tác cần được chọn là loại van đón nhanh Ngoài ra, van sửa chữa tại cửa lấy nước bể áp lực thường được thiết kế dưới dạng phai hoặc van phẳng.
Lưới chắn rác được lắp đặt giữa hai cửa van sửa chữa và van công tác, với góc nghiêng từ 10° đến 30° theo phương thẳng đứng, nhằm ngăn chặn rác bẩn và vật nổi lớn chảy vào bể áp lực Việc đặt lưới nghiêng giúp thuận tiện hơn cho việc dọn dẹp rác bằng các thiết bị cơ giới.
Ngưỡng cửa lấy nước cần được lắp đặt ở độ cao thích hợp để đảm bảo rằng miệng các ống dẫn nước turbin luôn ngập dưới mực nước thấp nhất trong bể áp lực, nhằm ngăn không cho không khí xâm nhập vào đường ống trong quá trình vận hành Đỉnh tường chắn bể áp lực và cửa lấy nước nên cao hơn mực nước cao nhất trong bể từ 0,3 đến 1,0 m, tùy thuộc vào kích thước của bể và cấp công trình.
Khoang trước là phần mở rộng của đường dẫn trước cửa lấy nước, giúp đảm bảo dòng chảy thuận lợi và giảm thiểu tổn thất thủy lực tại bể áp lực và cửa vào Để đạt được điều này, bộ phận chuyển tiếp cần có tiết diện lớn, với vận tốc dòng chảy thấp, nhằm biến động năng thành thế năng Chiều rộng và chiều sâu của khoang trước được xác định bởi tiết diện đường dẫn không áp và kích thước của cửa lấy nước Kích thước tiết diện đầu khoang trước tăng dần theo chiều sâu và mặt bằng, phụ thuộc vào kích thước cửa lấy nước.
Hình 1.3 Cắt dọc bể áp lực theo dòng chảy
1- Kênh dẫn; 2- Khe phai; 3- Lưới chắn rác; 4- Cửa lấy nước; 5- Ống thông khí; 6-
Cửa van công tác; 7- Ống dẫn nước turbin
Hình 1.4 Các bộ phận cấu thành của bể áp lực
1- Ống dẫn nước turbin; 2- cửa lấy nước; 3- Khoang trước; 4- Xi phông xả nước; 5-
Tràn, dốc nước, và các hệ thống như đường tháo vật nổi (băng tuyết), lỗ xả cát, lỗ xả đáy, tường ngực, công trình liên kết bể điều tiết ngày, và ống tháo cạn bể điều tiết ngày đều là những yếu tố quan trọng trong thiết kế và vận hành các công trình thủy lợi Những cấu trúc này giúp quản lý nước hiệu quả, đảm bảo an toàn và giảm thiểu rủi ro cho môi trường xung quanh.
Góc mở rộng của bể áp lực ở khoang trước không vượt quá 10° đến 12° theo phương ngang và thẳng đứng Vận tốc dòng chảy trong khu vực này thường dao động từ 0,6 đến 0,8 m/s Cửa nước vào và khoang trước được kết nối bởi tường cánh, tương tự như phần tiếp nối của các vai đập Nếu chiều dài bể áp lực quá lớn so với các điều kiện tiếp nối và mở rộng, người ta thường sử dụng các tường hướng dòng dưới dạng trụ bin hoặc tường mỏng để giảm kích thước bể.
Hình 1.5 Các sơ đồ bố trí các thành phần của bể áp lực
1- Kênh dẫn; 2- Khoang trước; 3- Đường ống dẫn nước áp lực; 4- Đường xả vật nổi; 5- Tràn; 6- Tường hướng vật nổi; 7- Phao nổi; 8- Trụ pin hướng dòng; 9&10- Dốc nước
Khoang trước của bể áp lực có thể được thiết kế dưới dạng khối chìm, nửa chìm nửa nổi hoặc nổi hoàn toàn, sử dụng các đê bao hoặc tường chắn nước Hình dạng và các bộ phận kết nối với đường dẫn và cửa nước vào phụ thuộc vào điều kiện địa hình và địa chất của vị trí công trình.
Công trình xả nước của bể áp lực có vai trò quan trọng trong việc xả bỏ nước khi trạm thủy điện giảm công suất, cũng như trong các tình huống cắt tải sự cố của trạm.
Các công trình xả nước cần phải được thiết kế để đảm bảo khả năng đóng mở tự động và nhanh chóng Đối với các kênh không tự điều tiết, việc bố trí công trình xả nước ở vị trí cuối là rất quan trọng để kiểm soát mực nước cao nhất Trong khi đó, đối với kênh tự điều tiết, công trình xả nước nên được tích hợp vào cấu trúc của bể áp lực ở hạ lưu để đáp ứng nhu cầu cung cấp nước.
9 cấp nước liên tục với lưu lượng lớn Lưu lượng tính toán của công trình xả nước thường lấy bằng lưu lượng lớn nhất trong kênh.
Một số vấn đề đã được nghiên cứu
Lãnh thổ Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới với lượng mưa trung bình hàng năm cao, khoảng 1.800 - 2.000mm, cùng địa hình miền Bắc đồi núi và bờ biển dài trên 3.400km, tạo điều kiện thuận lợi cho hệ thống sông ngòi dày đặc với hơn 3.450 hệ thống Tiềm năng thuỷ điện của nước ta rất lớn, với tổng công suất lý thuyết khoảng 35.000MW, trong đó 60% tập trung tại miền Bắc Tiềm năng kỹ thuật khả thi vào khoảng 26.000MW, tương ứng với gần 970 dự án quy hoạch, có khả năng sản xuất hơn 100 tỷ kWh mỗi năm Tính đến năm 2015, đã có 268 dự án thuỷ điện đi vào vận hành với tổng công suất hơn 14.240,5 MW, và 205 dự án khác đang xây dựng với tổng công suất 6.1988,8 MW, dự kiến sẽ đưa vào vận hành trong giai đoạn 2015-2017, nâng tổng số dự án lên 473 với tổng công suất 21.229,3 MW.
Thủy điện chiếm gần 82% tổng công suất tiềm năng kỹ thuật, với các nhà máy thủy điện đóng góp 48,26% tổng công suất (13.000 MW) và 43,9% sản lượng điện (53 tỷ kWh) cho ngành điện vào năm 2015.
Các dự án thủy điện lớn trên 100MW đã gần như được khai thác hết, với những dự án có vị trí thuận lợi và chi phí đầu tư thấp đã được triển khai Trong tương lai gần, các dự án thủy điện công suất nhỏ sẽ được đầu tư khai thác Tại Việt Nam, thủy điện đóng góp một tỷ trọng lớn trong cơ cấu sản xuất điện, chiếm khoảng 32% vào năm 2015 Dự báo từ Quy hoạch phát triển điện VII cho thấy đến năm 2020 và 2030, tỷ trọng thủy điện vẫn duy trì ở mức cao, lần lượt là 23%.
Ngoài việc phát điện, các nhà máy thủy điện còn có vai trò quan trọng trong việc cắt giảm và chống lũ cho khu vực hạ du trong mùa mưa bão, đồng thời cung cấp nước phục vụ cho sản xuất và nhu cầu sinh hoạt của người dân.
Theo phân cấp tại Việt Nam, các nguồn thủy điện có công suất tối đa 30MW được xếp loại là thủy điện nhỏ (TĐN), trong khi các nguồn thủy điện có công suất lớn hơn được gọi là thủy điện lớn.
Theo Tổ chức TĐN của Liên hiệp quốc (Small Hydropower UNIDO), các nguồn TĐ có công suất từ 200 kW - 10 MW được gọi là TĐN, trong khi các nhà máy có công suất từ 10 MW - 100 MW được phân loại là TĐ vừa Tại Việt Nam, TĐN (công suất < 30MW) đã bao gồm các TĐ vừa Do đó, các dự án TĐN có công suất trên 15MW cần được thẩm định nghiêm túc về quy hoạch, thiết kế, xây dựng cũng như các tác động môi trường và xã hội.
Các dự án thủy điện lớn thường gây ra tác động tiêu cực đến môi trường và xã hội, bao gồm việc chiếm dụng diện tích đất đai, chủ yếu là đất nông nghiệp, dẫn đến hàng nghìn hộ dân phải di dời và tái định cư Ngoài ra, một khu vực văn hóa có thể bị chôn vùi dưới lòng hồ, và lượng phát thải khí nhà kính, đặc biệt là mê tan, gia tăng do sự phân hủy của các sinh vật bị ngập trong hồ.
Khác với thủy điện lớn, thủy điện nhỏ (TĐN) có quy mô nhỏ hơn và tác động môi trường, xã hội thường không đáng kể, nên được phân loại là nguồn năng lượng tái tạo Các công trình TĐN thường có đập thấp và đường dẫn nhỏ, với khối lượng xây dựng hạn chế và diện tích chiếm đất nhỏ, do đó việc chặt phá rừng để xây dựng cũng không lớn Mỗi trạm TĐN thường chỉ bao gồm 2-3 tổ máy, máy biến áp, trạm phân phối điện và đường dây tải điện 35 kV hoặc 110 kV Nếu có hồ chứa, dung tích của nó cũng nhỏ hoặc không có hồ chứa Nhiều nhà máy TĐN hoạt động dựa vào lưu lượng cơ bản của sông suối thông qua việc xây dựng đập dâng, vì vậy không thể thực hiện nhiệm vụ chống lũ cho hạ lưu.
Tiềm năng điện mặt trời (TĐN) của Việt Nam ước tính đạt khoảng 4.000MW, trong đó, nguồn điện có công suất từ 100kW đến 30MW chiếm tỷ lệ 93-95% Ngược lại, nguồn điện có công suất dưới 100kW chỉ chiếm từ 5-7%, với tổng công suất vượt quá 200MW.
Về hiệu quả kinh tế, thủy điện nhỏ (TĐN) không đạt được mức độ như thủy điện lớn, với suất đầu tư TĐN khoảng 25 - 30 tỷ đồng/MW, trong khi thủy điện lớn chỉ từ 20 - 25 tỷ đồng/MW (tính theo giá năm 2011) Các dự án TĐN đã được triển khai và đang hoạt động trước đây cũng cho thấy sự chênh lệch này.
Theo Quy hoạch phát triển thủy điện nhỏ (Quyết định số 3457/QĐ-BCT ngày 18/10/2005), Việt Nam có tổng cộng 239 dự án thủy điện nhỏ với tổng công suất 1.520,67 MW, phân bố ở 24 tỉnh, trong đó Lâm Đồng dẫn đầu với 45 dự án và 288 MW, tiếp theo là Yên Bái với 29 dự án và 236,3 MW, và Nghệ An với 18 dự án và 151,3 MW Đến năm 2011, cả nước đã đầu tư xây dựng và đưa vào vận hành hơn 200 dự án thủy điện, đạt tổng công suất gần 35.000 MW, trong đó gần 90% là thủy điện nhỏ Khoảng 60% tổng công suất tiềm năng đã được khai thác, với sản lượng điện năm 2011 từ các nhà máy thủy điện nhỏ đạt 7,845 tỉ kWh, chiếm 19% tổng lượng điện phát ra từ nguồn thủy điện và hơn 7% sản lượng điện toàn hệ thống, thể hiện sự đóng góp quan trọng của thủy điện nhỏ.
Chương trình phát triển thủy điện đã được lập như sau:
1.3.1 Các công trình th ủy điện do EVN làm chủ đầu tư
Thủy điện Đại Ninh tọa lạc tại xã Ninh Gia, huyện Đức Trọng, tỉnh Lâm Đồng, với hồ nước lớn, trong khi nhà máy điện của nó nằm ở xã Phan Lâm, huyện Bắc Bình, tỉnh Bình Thuận.
Công trình được xây dựng từ nguồn vốn vay ODA của Chính phủ Nhật Bản, khởi công vào ngày 10 tháng 5 năm 2003 và chính thức đi vào vận hành vào đầu năm 2008 Công trình này có công suất phát điện đáng kể.
300 MW, và chuyển nước từ lưu vực sông Đồng Naisang lưu vực sông Lũyđể cấp nước cho tỉnh Bình Thuận
Hồ chứa được hình thành bởi hai đập chính Đa Nhim và Đa Queyon cùng với bốn đập phụ, một đập tràn vận hành, một đập tràn sự cố, và một kênh nối giữa hai hồ Tổng dung tích của hồ chứa đạt 319,77 triệu m³ Nước từ hồ được dẫn qua một đường hầm áp lực dài 11,2 km xuyên qua núi và một ống áp lực bằng thép dài 1,818 km đến nhà máy phát điện Lưu lượng nước thiết kế qua nhà máy là 55,4 m³/giây, cung cấp cho hai tổ máy phát điện với tổng công suất lắp đặt 300 MW.
MW, mỗi tổ máy là 150 MW.
Thủy điện Rào Quán, tọa lạc tại huyện Hướng Hóa, tỉnh Quảng Trị, sở hữu 02 tổ máy với tổng công suất lắp máy đạt 70 MW và sản lượng điện trung bình khoảng 265 triệu KWh Công trình này không chỉ khai thác hiệu quả nguồn nước sông Thạch Hãn mà còn mang lại lợi ích tổng hợp cho khu vực.
Những tồn tại và hướng nghiên cứu của luận văn
1.4.1 Nh ững tồn tại trong quá trình xây dựng thủy điện ở Việt Nam
Hiện nay, nhiều doanh nghiệp trong và ngoài quốc doanh như VINACONEX, COMA, COSEVCO, LICOGI đang đầu tư vào thủy điện dưới các hình thức BOO và BOT, nhờ vào tiềm năng và sự hỗ trợ của nhà nước Hàng chục công trình thủy điện đã và đang được thiết kế và xây dựng.
1.4.1.1Tình hình thiết kế trạm thủy điện có hồ điều tiết ngày đêm
- Về vấn đề xác định dung tích hồ điều tiết ngày đêm cùng với giải pháp công trình:
Hiện nay, việc thiết kế các trạm thủy điện nhỏ với hồ điều tiết ngày đêm gặp nhiều khó khăn trong việc xác định dung tích bồi lắng Đặc biệt, với các trạm thủy điện có hồ điều tiết nằm ở thượng lưu đập mà không có bụng hồ, nếu thiết kế hồ theo tuổi thọ công trình theo quy phạm hiện hành, sẽ dẫn đến dung tích chết rất lớn và đập phải cao, gây ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của dự án Do đó, trong việc lựa chọn dung tích bồi lắng để tối ưu hóa khai thác nguồn thủy năng, tồn tại hai quan điểm thiết kế trái ngược nhau.
Quan điểm 1 nhấn mạnh việc thiết kế đầu mối an toàn cho việc lấy nước với mực nước dâng bình thường tối ưu, không bao gồm dung tích chết để tránh lắng đọng bùn cát Đối với vấn đề bồi lắng lòng hố, sẽ được xử lý bằng cách nạo vét khi hồ đầy, với chu kỳ nạo vét có thể ngắn (1 năm như tại thủy điện Za Hưng – Quảng Nam) hoặc theo vòng đời kinh tế (30 năm như công trình Tà Thàng – Lào Cai) Quan điểm này mang lại cả ưu điểm và nhược điểm đáng lưu ý.
+ Ưu điểm: Là giá thành đầu tư xây dựng công trình rẻ do chi phí xây dựng đầu mối thấp.
Nhược điểm của việc xây dựng hồ là có thể bị lấp đầy ngay trong năm đầu tiên sau khi đưa vào vận hành Điều này buộc nhà máy phải tạm dừng hoạt động để thực hiện nạo vét hàng năm, dẫn đến giảm số giờ phát điện và kéo dài thời gian thu hồi vốn, làm giảm tính hiệu quả của dự án.
Với quan điểm này đã đưa vào thiết kế cho công trình thủy điện Nậm Mu – Hà Giang,
Nà Lơi – Điện Biên, Za Hưng …
Quan điểm 2 đề xuất thiết kế đầu mối an toàn lấy nước với mực nước dâng bình thường tối ưu, bao gồm dung tích chết để lắng đọng bùn cát trong 5-10 năm hoặc tối đa 30-40 năm Hệ thống cửa van được bố trí để xả bùn cát lơ lửng và một phần bùn cát di đẩy, trong khi việc bồi lắng lòng hồ sẽ được xử lý bằng nạo vét khi hồ đầy Quan điểm này có những ưu điểm và nhược điểm riêng.
Trung tâm điện (TTĐ) sẽ hoạt động lâu dài hơn so với quan điểm trước, giúp giảm thiểu thời gian dừng để nạo vét và đảm bảo việc bán điện diễn ra liên tục Điều này mang lại lợi thế cho các TTĐ được đầu tư theo hình thức BOO và BOT, tạo điều kiện thuận lợi cho các chủ đầu tư trong quá trình thương thảo hợp đồng mua bán điện.
Nhược điểm của hệ thống này là chi phí đầu tư tăng cao do cần lắp đặt cửa van và đầu mối cao hơn Bên cạnh đó, việc vận hành cũng trở nên phức tạp hơn do tình hình lũ miền núi thường xảy ra bất thường và thời gian tập trung lũ diễn ra nhanh chóng.
Các công trình thủy điện được thiết kế theo xu hướng này là: Thủy điện Ngòi Phát, Tà Thàng, Sử Pán …
Bể áp lực kết hợp xả cát là một yếu tố quan trọng trong thiết kế công trình hiện nay Tuy nhiên, nhiều dự án vẫn dựa vào tài liệu tham khảo để xác định kích thước mà chưa đánh giá đầy đủ tính khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế Việc này có thể ảnh hưởng đến hiệu quả và độ bền của công trình.
1.4.1.2Tình hình xây dựng và vận hành trạm thủy điện có hồ điều tiết ngày đêm
Các công trình thủy điện với hồ điều tiết đã được xây dựng và vận hành trong một thời gian ngắn, do đó chưa có báo cáo tổng kết và đánh giá cụ thể về hiệu quả hoạt động của chúng.
1.4.2 Hướng nghiên cứu của luân văn
Nghiên cứu các giải pháp tối ưu cho công trình nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng bể áp lực tại trạm thủy điện là rất cần thiết, đặc biệt trong bối cảnh thủy điện kênh dẫn dài Việc áp dụng các giải pháp hợp lý không chỉ giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của bể áp lực mà còn góp phần vào việc tăng cường hiệu quả tổng thể của trạm thủy điện.
Kết luận chương I
Trên thế giới, bể áp lực có nhiều hình dạng khác nhau, trong đó một số hình dạng bể áp lực tại các nhà máy thủy điện ở Trung Quốc được tổng hợp trong Phụ lục 1.
Phụ lục 1 cung cấp cái nhìn tổng quan và đa dạng cho các nhà thiết kế Việt Nam về bể áp lực, giúp họ bố trí và tính toán hình dạng cũng như kích thước bể áp lực phù hợp với điều kiện địa hình và địa chất.
Tại Việt Nam, hiện chưa có báo cáo tổng kết về việc áp dụng các hình dạng khác nhau của bể áp lực trong các trạm thủy điện Việc ứng dụng các công thức kinh nghiệm và hình dạng tương đối đơn giản Chiều cao cột nước phát điện tại các trạm thủy điện ở Việt Nam thường dao động từ vài mét đến vài chục mét, trong khi ở Trung Quốc, chiều cao này có thể lên tới khoảng 2000m Công suất của nhà máy cũng biến đổi từ vài MW đến vài trăm MW, và góc đoạn kết nối giữa kênh và bể áp lực có thể thay đổi từ 0° đến 90° Lưu lượng thiết kế cũng rất đa dạng, từ vài m³/s đến hơn nghìn m³/s Những thông tin này có thể được tham khảo để thiết kế bể áp lực phù hợp cho các công trình thủy điện tại Việt Nam.
Bảng 1.3 Tổng hợp một số công trình thủy điện có sử dụng bể áp lực ở Việt Nam
TT Tên công trình Công suất
Kích thước bể áp lực lxbxh (m) Địa điểm
1 TĐ Đăk Rơ Sa 7,5 45x10x7,9 Kon Tum
2 TĐ Đăk Rung 8 17x6,1x7,2 Đăk Nông
3 TĐ Đăk Pône 15,6 37x4,5x6,5 Kon Tum
4 TĐ Nà Tẩu 6 20x5x8,6 Cao Bằng
5 TĐ Ea Súp 3 6,5 90x2,5x7,2 Đăk Lăk
6 TĐ Đăk PSI 3 6 120x9x8,3 Kon Tum
7 TĐ Đăk PSI 4 8 120x9x8,3 Kon Tum
8 TĐ Đăk Ru 6,9 47,05x3,5x5,7 Đăk Nông
9 TĐ Nậm Khốt 10 62x4,4x6,9 Sơn La
10 TĐ Bắc Nà 17 34x6x6,8 Lào Cai
11 Đăk Rơ Sa 2 2,4 50x3,8x5,2 Kon Tum
CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CÁC HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA BỂ ÁP LỰC
Điều kiện thủy lực trong bể áp lực
Mục đích của việc xác định mực nước cao nhất trong bể áp lực khi cắt tải và mực nước thấp nhất khi giảm tải là rất quan trọng Khi giảm lưu lượng phát điện, sóng dương xuất hiện, làm tăng mực nước trong bể Ngược lại, khi tăng lưu lượng phát điện, sóng âm sẽ xuất hiện, dẫn đến việc mực nước hạ xuống Các sóng này có chiều cao ban đầu là Δh0 và di chuyển theo dòng chảy với vận tốc truyền sóng c, được tính theo công thức cụ thể.
Trong đó: c: Vận tốc truyền sóng;
V 0 : Vận tốc ban đầu của dòng chảy;
F 0 : Tiết diện ban đầu của dòng chảy; Δh: Chiều cao sóng;
B’: Chiều rộng của dòng chảy ở vị trí trung bình của chiều cao sóng; g: Gia tốc trọng trường;
Khi chiều cao sóng Δh nhỏ hơn 0,1h (với h là độ sâu dòng chảy không có sóng), có thể loại bỏ trị số Δh trong căn, dẫn đến việc công thức trở nên đơn giản hơn.
Chênh lệch lưu lượng giữa mặt cắt sóng đã truyền đến và mặt cắt ban đầu được xác định bằng công thức ΔQ = Q – Q0 = cΔhB’ Giá trị ΔQ biểu thị lưu lượng biến đổi do sóng, thường được gọi là lưu lượng sóng.
Điều kiện làm việc của bể áp lực trong các quá trình chuyển tiếp trạm thủy điện
2.2.1 Cao trình m ực nước dâng cao nhất khi giảm tải đột ngột
Khi giảm tải một phần hoặc toàn phần trong một thời đoạn rất ngắn, sẽ phát sinh sóng dương trong bể láp lực và kênh dẫn.
Sóng di chuyển dọc theo chiều dài kênh, dẫn đến sự gia tăng mực nước tại một mặt cắt nhất định theo thời gian Mực nước sẽ tiếp tục tăng cho đến khi sóng phản xạ từ hồ chứa trở lại mặt cắt đó, lúc này sóng mới bắt đầu giảm Thời điểm này tương ứng với mực nước cao nhất tại mặt cắt đã đề cập.
Hình 2.1 Sơ đồ truyền sóng a-Giảmtải;b-Tăngtải
Để xác định trị số mực nước cao nhất có thể theo phương pháp Trec - tôi - sốp, cần bắt đầu từ thời điểm ban đầu với dòng chảy ổn định, lưu lượng nước Q0 và các yếu tố thủy lực tại mặt cắt đã được xác định.
Khi giảm tải: ΔQ0 = Q 0 – Q 0 ’ (2-4) Ởmặt cắt 0 – 0 cuối bể áp lực xuất hiện sóng dương truyền lên thượng lưu Thừa nhận mấy giả thuyết sau:
- Mặt truyền của sóng thẳng đứng.
- Mặt thoáng sau khi sóng truyền đến sẽ nằm ngang.
- Bỏ qua lực ma sát.
Trên đoạn n, n-1 của dòng chảy, phương trình chênh lệch lưu lượng sóng sẽ là: ΔQn = c n B n ’ Δhn (2-5)
Các ký hiệu như trên, n là chỉ số cho mặt cắt n Vận tốc truyền sóng theo (2-1):
Trong đó: Chỉ số 0 chỉ các trị số ban đầu tại mặt cắt n lấy phương chuyển động của sóng là chiều dương.
Thời gian truyền sóng từ mặt cắt n-1 đến mặt cắt n là: n n n t l
Trong đó: l n : Khoảng cách hai mặt cắt; cn : Vận tốc trung bình của sóng truyền, có thể tính: n n 1 n c 1(c c )
Thể tích thay đổi trong thời đoạn Δt n ở đoạn giữa mặt cắt 0-0 và n-n (phần gạch chéo trên hình 2-2) là:
Từ công thức hình học có thể xác định:
Trong đó: f0, f n-1 , f n – diện tích mặt sóng thẳng đứng ở các mặt cắt 0-0, n-1, n…
Hình 2.2 Sơ đồ tính toán mực nước dâng cao nhất trong bể áp lực Ởtiết diện xuất phát 0-0, sóng ban đầu Δh0 và vận tốc v0 có thể xác định:
Giải bài toán theo trình tự sau:
Từ mặt cắt cuối bể 0-0, tính toán cho mặt cắt 1-1, xác định chiều cao sóng Δh 1 Trị số
Để tính Δh1, sử dụng công thức (2-12) với (n-1) thay bằng (0) và (n) thay bằng (1) Giá trị c1 được tính theo công thức (2-6) và (2-11) Nếu hai giá trị c1 thu được từ hai công thức này trùng hoặc gần trùng nhau, thì Δh1 sẽ được chấp nhận Ngược lại, cần phải tính lại Δh1 bằng phương pháp thử dần hoặc thông qua biểu đồ.
Với trị số Δh1 và c 1 đã tính được, mặt nước ở 1-1 sẽ ở cao trình:
Trong đó: Z1,0 - Cao trình mặt nước ở mặt cắt 1-1 trong chuyển động ổn định ban đầu
Từ Z1 tính chuyển qua mặt cắt 2-2, cách tính giống như trên.
Cuối cùng xác định tại mặt cắt cuối cùng S-S (mặt cắt đầu kênh dẫn tiếp xúc với hồ chứa ở thượng lưu).
Trong quá trình truyền sóng từ mặt cắt 0-0 đến S-S, thời gian truyền là T, mực nước tại 0-0 tăng liên tục và đạt Z'' khi sóng đến S-S Tại S-S, mực nước ổn định, và sóng phản xạ bắt đầu di chuyển ngược lại với tốc độ c, bằng với tốc độ sóng truyền đi Trong thời gian sóng phản xạ từ S-S về 0-0, thời gian T' cũng bằng T, trong khi mực nước tại 0-0 tiếp tục tăng cho đến khi sóng phản xạ trở lại, lúc này mực nước tại 0-0 đạt Zmax Biến đổi mực nước tại 0-0 được thể hiện trong hình 2-3.
Hình 2.3 Biến đổi mựcnước ở mặt cắt cuối bể áp lực khi giảm tải
Trong tính toán gần đúng có thể tính như một đoạn với mặt cắt 0-0 và mặt cắt đầu kênh S-S
Nếu trong bể tuyến tràn hoặc xi phông ở cao trình Zđ thì ở thời điểm bắt đầu tràn, công thức (2-2) tính vận tốc truyền sóng trở thành: n ' 0 nd n 1 n
Q md : lưu lượng trung bình của tràn hoặc xi phông trong khoảng thời gian sóng truyền từ mặt cắt n-1 đến n.
2.2.2 M ực nước thấp nhất trong bể khi tăng tải
Trường hợp tăng tải tương ứng với lưu lượng từ Q0 đến Q ' 0
Cùng với những giả thiết:
- Mặt cắt đỉnh sóng thẳng đứng trong khi truyền.
- Mặt nước của dòng chảy sau khi truyền sóng đạt đến độ ổn định cuối cùng với độ dốc i
Xét sóng truyền từ mặt cắt 0-0 đến n-n (hình 2-4) các phương trình cơ bản sẽ là: n n ' n n
Thời gian truyền sóng từ o-o đến n-n: n n n t s
Vận tốc truyền sóng trung bình:
W n : Vận tốc nước chuyển trong thời đoạn tn (phần gạch chéo trên hình 2-4)
Hình 2.4 Sơ đồ tính mực nước thấp nhất trong bể áp lực Biểu thức lưu lượng:
Q: Lưu lượng trung bình giữa mặt cắt 0-0 và n-n
K: Trị số trung bình của môđun lưu lượng ở mặt cắt tương ứng.
Khi sóng lan truyền đến đầu kênh, mực nước trong bể giảm xuống đến cao trình Z, được tính theo công thức Z 0 = Z 0 − η 0 Tại đoạn S-S, vận tốc và chiều cao sóng được xác định bằng các thông số s s ' s s h Q c B.
Xác định lưu lượng ∆Qs tại tiết diện S-S khi sóng truyền tới, theo công thức: s 0
(2-28) Các trị số K, I là chỉ giá trị trung bình của K, I giữa các tiết diện.
Khi sóng truyền tới tiết diện S-S với độ sâu nước htb:
= + tb 0 h : Độ sâu trung bình trên kênh.
B s , B 0 : Chiều rộng mặt nước trong kênh tại S-S và 0-0 Độ dốc thủy lực:
Chiều cao sóng tại tiết diện 0-0 khi sóng truyền đến đầu kênh:
Có thể tính Δhs rồi tìm cs theo (2.2-22), ΔQs theo (2.2-24), sau đó tìm Δhs theo (2.2-
Nếu kết quả trùng với Δhs đã định ra trên thì trị số Δhs đã định là đúng.
Cùng với giả thiết thời gian truyền sóng từ 0-0 đến S-S và ngược lại đều bằng nhau thì
36 mực nước thấp nhất tại mặt cắt 0-0 là: min 0 0 0
Z 0 : Mực nước tại mặt cắt 0-0 ban đầu.
Xây dựng tiêu chí xác định kích thước hợp lý
Bể áp lực chuyển đổi dòng chảy không áp từ kênh dẫn thành dòng chảy có áp vào đường ống áp lực Khi xảy ra sự cố cắt tải hoàn toàn, bể áp lực cần xả lưu lượng lớn qua tràn để tránh hư hại cho bờ kênh và các công trình lân cận Trong trường hợp tăng tải đột ngột, mực nước tối thiểu trong bể áp lực phải đảm bảo không để không khí hút vào đường ống, gây ảnh hưởng đến hoạt động của tuốc bin Trong quá trình vận hành ổn định, bể áp lực phải cung cấp đủ nước cho đường ống áp lực, đồng thời cần kiểm tra các mức nước thấp nhất và cao nhất để xác định kích thước bể Vị trí và bố trí mặt bằng của bể áp lực phụ thuộc vào sơ đồ bố trí của trạm thủy điện.
Bài viết này tập trung vào nghiên cứu bể áp lực có cấu trúc phổ biến, thường được đặt ở cuối kênh dẫn tự động điều tiết Các bể áp lực thường được kết hợp với bể lắng xả cát nhằm giảm thiểu lượng bùn cát có hại chảy vào đường ống, giúp bảo vệ cánh tuốc bin Bể áp lực bao gồm hai phần chính: khoang trước và phần thu nước.
Khoang trước là khu vực kết nối giữa phần thu nước và kênh dẫn, có chiều sâu và chiều rộng tăng dần từ kênh dẫn đến phần thu nước Điều này giúp tạo ra một thể tích nước và độ sâu cần thiết cho hoạt động thu nước hiệu quả.
Phần thu nước là thành phần quan trọng, kết nối bể với đầu đường ống áp lực, bao gồm các bộ phận như lưới chắn rác, cửa van lấy nước, khe phai sửa chữa, lỗ thông khí và cống xả cát Việc xác định kích thước của bể áp lực kinh tế cần tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Để xác định chính xác cao trình đỉnh tường bể áp lực, cần xem xét các thông số như đường kính đường ống áp lực, lưu lượng qua nhà máy, số tổ máy, và thời gian đóng mở tuốc bin Việc này giúp đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và kinh tế, đồng thời cần xác định mực nước cao nhất trong bể áp lực khi có sóng nước va dương.
Khoang trước là bộ phận nối tiếp giữa đường dẫn và phần thu nước, có tiết diện tăng đều từ đường dẫn đến phần thu nước Đáy của khoang trước cần thấp hơn đáy phần thu nước từ 0,5 đến 1,0 mét để ngăn chặn bùn cát lắng đọng trôi vào phần thu.
H: Chiều sâu lớn nhất của phần thu, tính đến đỉnh tường. h: Chiều sâu kênh dẫn.
Nếu bố trí công trình tháo nước thừa ở khoang trước Ví dụ với tràn tự do thì lưu lượng qua tràn được tính theo công thức sau:
Q max là lưu lượng lớn nhất của nhà máy, trong khi m, B, H tr lần lượt là hệ số lưu lượng, chiều rộng và độ sâu lớp nước tràn, với Htr thường được lấy trong khoảng (0,2 ÷ 0,6) m Mực nước dâng bình thường trong bể được xác định bằng mực nước dâng bình thường ở hồ chứa thượng lưu, đã trừ đi các tổn thất dọc đường và cục bộ của dòng chảy từ hồ chứa đến bể áp lực.
Cao trình ngưỡng tràn lấy cao hơn mực nước dâng bình thường trong bể từ (3 ÷ 5) cm
Phần khoang trước cần có tiết diện mở rộng dần và đối xứng trên mặt bằng để tối ưu hóa dòng chảy Nếu không thể bố trí đối xứng hoặc phần này quá ngắn, cần sử dụng các tường hướng dòng để đảm bảo phân phối dòng chảy đều Trong thiết kế, cần lựa chọn hình dạng và kích thước sao cho giảm thiểu tổn thất thủy lực.
Phần này để nối với đường ống dẫn nước vào turbin và đặt các thiết bị đầu ống dẫn Yêu cầu chung cũng giống như ở cửa lấy nước.
Chiều rộng mỗi khoang cửa: b k = (1,5 ÷ 1,8)D (2-34) Trong đó:
D: Đường kính trong của ống dẫn nước vào turbin
Vậy chiều rộng toàn bộ phần thu nước:
Trong đó: n: Số khoang. d: Chiều dầy trụ pin.
Chiều dài phần thu nước L2 phụ thuộc vào vị trí của các thiết bị đầu ống dẫn như cửa van sửa chữa, lưới chắn rác và cửa van công tác Để giảm thiểu tổn thất qua lưới chắn rác, cần điều chỉnh vận tốc dòng chảy vào phần thu lấy với giá trị Vk.
= (0,7 ÷ 0,8) m/s, do đấy độ sâu phần thu: k T k k h Q
Q T : Lưu lượng lớn nhất của một đường ống áp lực. Độ ngập sâu tối thiểu của mép trên ống áp lực phải:
V 0 : Vận tốc lớn nhấttrong đường ống áp lực.
2.3.3 Tính toán các m ực nước trong bể
Để tính toán mực nước thấp nhất trong bể, cần xem xét trường hợp khi tổ máy cuối cùng hoạt động với tải lớn nhất, trong khi các tổ máy khác đều chạy ở mức tải tối đa Từ đó, mực nước thấp nhất trong bể được xác định bằng công thức: min n 1− h.
Mực nước trong bể áp lực khi tất cả các tổ máy chạy ở công suất tối đa (n-1 tổ máy) cần được xác định Sóng giảm áp Δh xảy ra khi tổ máy cuối cùng tăng tải từ mức không đến công suất lớn nhất, và trị số Δh có thể được tính toán theo phương pháp đã đề cập trong phần tính toán thủy lực Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, các thông số này có thể được ước lượng để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Từ phương trình cân bằng nước:
Q : Lưu lượng tăng tải lớn nhất khi qua ống dẫn áp lực. c: Vận tốc truyền sóng giảm áp, lấy theo công thức:
F 0 và B’: Tiết diện ướt trước cửa ống dẫn ở thời điểm ban đầu và chiều rộng trung bình của tiết diện ướt trên.
- Ngoài ra, ta cần phải quan tâm tới sự tạo thành phễu khi chất lỏng chảy qua lỗ: Khi
Khi 40 chất lỏng chảy qua lỗ lớn ở các cột nước nhỏ, việc tháo cạn bình chứa thường dẫn đến sự hình thành các phễu Cường độ quay của phễu có thể mạnh đến mức tạo ra một dải không khí (lỗ) trong phễu, chiếm toàn bộ chiều dày của chất lỏng và ăn sâu vào lỗ xả Điều này làm giảm diện tích làm việc của lỗ và khả năng thoát nước của nó.
Hiện tượng tạo phễu còn ít được nghiên cứu Ở đây chỉ nêu ra một vài hệ thức tính toán theo số liệu của V I Poolicôpxki và R G Perenman
Cột nước phân giới tương ứng với sự xuất hiện sự gián đoạn của lõi không khí đi vào lỗ đáy có thể xác định theo công thức R G Perenman:
V 0 : Vận tốc trung bình tại mặt cắt co hẹp tức là khoảng cách khoảng gần bằng 0,5D thấp hơn mặt phẳng lỗ.
Cột nước phân giới đặc trưng cho sự chảy với phễu không ổn định Phễu ổn định xuất hiện khi cột nước
Với vận tốc v0 và đường kính lỗ D cho trước, sau khi tính được tỉ số v 0 gD có thể tìm được tỉ số H k
D theo đồ thị Nếu thấy cột nước H < Hk thì phễu không khí sẽ ăn sâu vào lỗ.
Mực nước dâng cao nhất trong bể áp lực, được xác định là mực nước lớn nhất (∇max), tính toán dựa trên toàn bộ lưu lượng lớn nhất của nhà máy qua tràn Từ đó, có thể xác định được Htr theo công thức (2).
∇dt: Cao trình đỉnh tràn. Đối với trường hợp không có công trình tháo tràn như kênh tự điều tiết.
Mực nước dâng bình thường trong bể được xác định bằng ∇max cộng với chiều cao sóng tăng áp Δh’ Để tính toán Δh’, có thể áp dụng các phương pháp tính toán thủy lực đã đề cập trước đó Trong giai đoạn tính toán sơ bộ, có thể sử dụng các giá trị ước lượng để đơn giản hóa quá trình.
Q T : Lưu lượng lớn nhất của nhà máy.
C’: Vận tốc truyền sóng tăng tính theo công thức:
Hình 2.5 trình bày sơ đồ xác định kích thước của bể áp lực, bao gồm: a- Mặt cắt dọc bể và sơ đồ sóng giảm áp; b- Mặt cắt dọc bể và sơ đồ sóng tăng áp; c- Mặt bằng.
Chiều cao lớn nhất của đỉnh tường bể áp lực:
Các hình dạng, kích thước đề xuất
Do điều kiện địa hình, địa chất mà có mấy dạng sơ đồ sau:
Trục đường dẫn được căn chỉnh với trục bể áp lực và đồng phương với các ống dẫn nước turbin, giúp giảm thiểu tổn thất thủy lực Thiết kế này không chỉ có kết cấu đơn giản mà còn tiết kiệm không gian mặt bằng.
Trục của đường dẫn làm với trục của các đường ống áp lực một góc nghiêng α < 90 0
Do sự thay đổi hướng dòng chảy, tổn thất thủy lực ở kiểu thẳng trở nên lớn hơn Rác bẩn và bùn cát không phân bố đồng đều trên lưới chắn rác và khu vực lắng, gây khó khăn trong việc dọn dẹp và tháo rửa.
Trục của đường dẫn và trục ống dẫn nước vào turbin tạo thành một góc α ≤ 90 độ Khoang trước có hình dạng uốn cong, yêu cầu kéo dài và tăng bán kính cong, dẫn đến kích thước mặt bằng lớn hơn Tổn thất thủy lực trong thiết kế này cao hơn so với sơ đồ bể thẳng, và cấu trúc phức tạp hơn Đường tháo nước thừa được bố trí ở một bên bờ của khoang trước.
Hình 2.6 Các sơ đồ bố trí bể áp lực a-Kiểu bể áp lực thẳng; b-Kiểu xiên góc; c-Kiểu cong; d-Kiểu vuông góc
1-Kênh dẫn; 2-Khoang trước; 3-Đường dẫn nước vào turbin; 4-Đường tràn tháo nước thừa; 5-Dốc nước.
Trục của đường dẫn và trục của đường ống dẫn nước vào turbin làm với nhau một góc α = 90 0
Phần thu nước vuông góc với khoang trước
Kiểu này gây ra tổn thất thủy lực lớn do dòng chảy chuyển hướng 90 độ, dẫn đến sự phân bố không đều của rác bẩn và bùn cát Kích thước trên mặt bằng có thể nhỏ hơn so với các kiểu xiên và cong.
Nói chung là nên cố gắng bố trí theo sơ đồ 1, nhưng do điều kiện địa hình, địa chất, mà
1 trong 3 kiểu sauđược lựa chọn.
Cơ sở lý thuyết phương pháp tính toán, lựa chọn hợp lý
Gồm có các phần chính: Khoang trước, phần thu nước và phần tháo nước thừa.
Là phần nối tiếp bể với đường dẫn không áp, dòng chảy mở rộng dần từ tiết diện đường dẫn không áp đến tiết diện phần thu nước.
Góc mở rộng của khoang trước cần duy trì trong khoảng 10° đến 12° theo cả phương ngang và phương đứng để đảm bảo vận tốc dòng chảy phân bố đồng đều Vận tốc trung bình tại tiết diện cuối khoang thường dao động từ 0,6 đến 0,8 m/s.
Trên mặt bằng tối ưu, khoang trước thường có trục thẳng kết hợp với đường dẫn và phần thu nước Tuy nhiên, trong một số trường hợp do điều kiện địa hình và địa chất, khoang trước có thể cần thiết phải thiết kế cong hoặc gãy khúc Để đảm bảo dòng chảy phân phối đều trên mặt bằng, có thể sử dụng tường hướng dòng.
Trong trường hợp chiều dài khoang trước quá lớn do hạn chế góc mở rộng, cần rút ngắn và đặt các tường hướng dòng Tại vị trí nối giữa khoang trước và phần thu nước, cao trình đáy khoang trước phải thấp hơn từ 0,5 đến 1 m để giữ cát lắng đọng Tại đây, cần lắp đặt đường hầm tháo cát với kích thước 0,4 x 0,6 đến 0,6 x 0,8 và cửa van phẳng để định kỳ tháo cát lắng.
Khu vực nối liền với khoang trước có chức năng phân phối nước vào các đường ống có áp lực, với phần thu nước được chia thành các khoang riêng biệt, ngăn cách bởi các trụ pin Mỗi khoang được trang bị các thiết bị tương tự như đã nêu ở phần cửa lấy nước, bao gồm cửa van sửa chữa, lưới chắn rác, cửa van công tác, ống thông khí, thiết bị đóng mở cửa, thiết bị nâng chuyển, và cầu công tác.
Cửa van thường được thiết kế dưới dạng van phẳng, trong khi cửa van sửa chữa có thể là van phẳng hoặc van phai Đối với cánh cửa van công tác, nếu thiết kế không có chế áp lực nước va, cần phải trang bị thiết bị đóng nhanh để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động.
Lưới chắn rác được lắp đặt giữa hai cửa van sửa chữa và cửa van công tác, nghiêng một góc từ 10 đến 30 độ so với phương thẳng đứng, nhằm thuận tiện cho việc thu gom rác bằng thiết bị cơ giới.
Hình 2.7 Cắt dọc bể áp lực
1- Kênh dẫn; 2- Khe phai sửa chữa; 3- Lưới chắn rác; 4- Cửa hành lang tháo cát; 5- ống thông khí; 6- Cửa van công tác; 7- ống dẫn nước vào turbin.
2.5.3 Công trình tháo nước thừa
Công trình này có nhiệm vụ xả lưu lượng thừa khi nhà máy giảm công suất, cần tính toán cho trường hợp nhà máy hoạt động với công suất tối đa nhưng phải cắt tải hoàn toàn do sự cố Do đó, lưu lượng tháo phải được xác định dựa trên lưu lượng làm việc lớn nhất của nhà máy Thường gặp những kiểu xả lưu lượng khác nhau trong các tình huống này.
Tràn tự do là hình thức tháo nước đơn giản nhất, thường được đặt ở một bên bờ của khoang trước với mặt cắt ốp-phi-xê-rốp Tuy nhiên, nhược điểm của tràn tự do là lưu lượng đơn vị nhỏ, yêu cầu chiều dài tuyến tràn lớn hoặc cột nước trên đỉnh tràn phải đạt từ 0,5 đến 0,8 m Do đó, cần phải tăng chiều dài khoang trước hoặc nâng cao bờ bể áp lực Trong một số trường hợp, tuyến tràn có thể được thiết kế cong để kéo dài đỉnh tràn.
Xi phông là một công trình tháo nước thừa có lưu lượng lớn hơn tràn tự do từ 4 đến 5 lần, thường được thiết kế với ít nhất hai ống Để thích ứng với các mức thay đổi phụ tải và loại bỏ hiện tượng sóng âm trong bể, có thể bố trí các ngưỡng ống với chênh lệch cao độ Mặc dù kiểu tràn xi phông có những ưu điểm về khả năng tháo nước, nhưng cấu trúc của nó phức tạp hơn so với tràn tự do.
Hình 2.8 Mặt bằng bể áp lực
1- Ống dẫn nước vào turbin; 2- Cửa van công tác; 3- Khoang trước; 4- Xi phông tháo nước thừa; 5-Tràn tháo nước thừa; 6-Dốc nước; 7- Cửa xả cát; 8- Cửa nối tiếp với bể điều tiết ngày.
Hình 2.9 Các công trình tháo nước thừa ở bể áp lực a-Mặt bằng bể áp lực với đường tràn cong; b- Mặt cắt tràn; c- Xi phông
1- Khoang trước; 2- Tràn dạng cong; 3- Máng dẫn nước sau tràn; 4- Tường áp lực đầu ống dẫn; 5-Cửa lấy nước; 6- Dốc nước
Cửa tháo tràn có cửa van mang lại nhiều lợi ích như kích thước nhỏ gọn và khả năng kiểm soát dao động trong bể ở mức độ tối ưu Ngoài ra, thiết kế này còn cho phép kết hợp với các phương pháp xói rửa cát lắng đọng trong bể, nâng cao hiệu quả hoạt động.
Có thể kết hợp nhiều kiểu khác nhau để giảm kích thước mặt bằng của bể Đường tháo nước thừa cần có đường dẫn ra hạ lưu sau các công trình tháo nước, thường ở cao trình bể áp lực lớn hơn so với dòng chảy tự nhiên Do đó, cần thiết kế đường dẫn dưới dạng dốc nước hoặc bậc nước, với tính toán tiêu năng ở cuối đường tháo.
2.5.4 Các b ộ phận công trình khác trong bể áp lực
Ngoài những thành phần chính đã nêu trên, còn những bộ phận công trình khác trong bể áp lực như:
Cửa tháo cát là thiết bị quan trọng trong bể áp lực, nơi mà vận tốc dòng chảy thường nhỏ, dẫn đến sự lắng đọng của bùn cát, chủ yếu ở khoang trước Khoang trước này hoạt động như một bể lắng cát, do đó cần phải đặt cửa tháo cát ở vị trí đáy thấp nhất của khoang trước, ngay trước phần thu nước Cửa tháo cát thường có dạng phẳng và có thể được lùi vào một đoạn để lắp đặt thiết bị đóng mở trên bờ bể áp lực, đảm bảo hiệu quả trong việc tháo rửa bùn cát.
Hành lang tháo cát: nối từ cửa tháo cát ra ngoài Đường tháo cát còn kết hợp để tháo nước khi sửa chữa bể áp lực và kênh dẫn.
Các cửa lấy nước phục vụ cho các nhu cầu khác: Khi có sự kết hợp lấy nước từ thượng lưu cho các mục đích như nước sinh hoạt hoặc tưới tiêu, bể áp lực sẽ được trang bị thêm các cửa lấy nước để đáp ứng những yêu cầu này.
Khi điều kiện địa hình cho phép, bể điều tiết ngày có thể được đặt gần bể áp lực, và cần thiết phải xây dựng công trình nối giữa hai bể này.
Kết luận chương 2
Vị trí bể áp lực là cuối kênh dẫn và đầu đường ống, vị trí đặt bể áp lực đặt gần mái
Trong quá trình vận hành, các bể có độ dốc 50 độ dễ xảy ra hiện tượng trượt và lún do nền không ổn định Cần kiểm tra các sơ đồ trượt có thể xảy ra như phẳng hoặc hỗn hợp, đặc biệt khi nền đất không đồng nhất hoặc có nhiều lớp địa chất khác nhau Đồng thời, việc tính toán thấm cũng rất quan trọng để xác định tổn thất lưu lượng do thấm Tùy thuộc vào điều kiện địa hình và địa chất, có thể lựa chọn bể chìm, nổi hoặc nửa chìm nửa nổi Hình thức kết cấu phải đảm bảo ổn định, vững chắc, thuận tiện cho khai thác và giảm chi phí tối đa Thông thường, việc chọn trục bể áp lực song song với kênh dẫn là phương án tối ưu nhất.
Khi kiểm tra mực nước thấp nhất trong bể áp lực để xác định xem không khí có bị hút vào đường ống hay không, cần tính toán sự hình thành phễu khi chất lỏng chảy qua lỗ Việc này thường dựa vào tỷ lệ diện tích cửa lấy nước và áp lực cột nước Đặc biệt, trong các trường hợp cột nước thấp và tiết diện cửa lấy nước lớn, công thức (2-41) và (2-42) nên được áp dụng.