1.3 NGUYÊN TẮC SỬ DỤNG VÀ KHAI THÁC TÀI NGUYÊN
1.3.3 Các phương pháp khai thác tài nguyên nước
1.3.3.7 Đánh giá năng lượng của một con sông
Để đánh giá trữ năng lý thuyết của một con sông hay của cả hệ thống sông lớn gồm dòng chính và các phụ lưu, phương pháp thường được sử dụng trong thực tế là dùng các công thức (2.32) và (2.33) cho từng đoạn ngắn của sông, sau đó cộng luỹ tích cho toàn bộ các phụ lưu và dòng chính. Để thuận tiện trong sử dụng, có thể theo các bước sau đây:
(1) Thu thập các tài liệu cần thiết bao gồm: bản đồ địa hình khu vực (thường là tỷ lệ 1/50.000), bản đồ và tài liệu đo mưa, đo lưu lượng (nếu có)...
(2) Nghiên cứu bản đồ địa hình và tiến hành phân đoạn theo nguyên tắc:
phân đoạn cho sông nhánh trước, sông chính sau. Chiều dài mỗi đoạn không quá lớn (có thể lấy chiều dài mỗi đoạn không lớn hơn 10 Km) và trong đoạn có các yếu tố thủy lực ít thay đổi, thường các mặt cắt phân đoạn là những chỗ có sông nhánh đổ vào, chỗ có thác nước, chỗ dự định sẽ xây dựng công trình.
(3) Xác định đường phân thủy lưu vực cho mỗi đoạn. Đo diện tích lưu vực tập trung nước của mỗi đoạn.
(4) Xác định cao độ đáy sông tại các mặt cắt phân đoạn; Xác định lưu lượng tại các mặt cắt phân đoạn.
(5) Đối với mỗi đoạn, tính độ chênh mực nước bằng độ chênh địa hình giữa hai mặt cắt, lưu lượng tính toán là trung bình cộng của lưu lượng mặt cắt đầu và mặt cắt cuối của đoạn. Sử dụng công thức (2.32) để tính công suất lý thuyết của đoạn sông. Sau đó cộng lỹ tích công suất của các đoạn ta sẽ có công suất lý thuyết của cả con sông hay hệ thống sông. Điện năng lỹ thuyết của con sông trong một năm được xác định theo (2.33), trong đó thời gian t = 8760 giờ, công suất là công suất lý thuyết cộng dồn vừa tính được.
(Như vậy mức độ chính xác của kết quả sẽ phụ thuộc khá nhiều vào việc chia đoạn dài hay ngắn, ước tính độ dốc của đoạn sông và xác định lưu lượng mỗi mặt cắt như thế nào).
Sau khi tính công suất và điện năng lý thuyết trong năm của con sông hay hệ thống sông, cần phải xác định thêm một số số liệu khác nói lên đặc trưng chung của lưu vực sông như: độ dốc trung bình của con sông (hay độ dốc trung bình của lưu vực), chiều rộng trung bình của lưu vực sông, độ khúc khuỷu của dòng sông, mật độ công suất (KW/Km2), mật độ điện năng (KWh/Km2), phân bố công suất theo chiều dài sông,.. .
Các kết quả tính toán trên đây nói lên trữ năng tiềm tàng hay trữ năng lý thuyết của con sông, nó có ý nghĩa quan trọng trong hoạch định hướng nghiên cứu
trong khảo sát và khai thác chung. Có thể nhận xét ngay rằng: vùng thượng nguồn có lòng sông dốc hơn nhưng lưu lượng lại nhỏ hơn (tại đây khai thác TTĐ kiểu đường dẫn là hợp lý, vùng trung du có độ dốc lòng sông và lưu lượng tương đối lớn nên năng lượng tập trung cao nhất (tại đây xây dựng các phương án khai thác kết hợp giữa tập trung cột nước và hồ điều tiết để tập trung lưu lượng là hợp lý), tại vùng hạ du lòng sông dốc rất ít nhưng lưu lượng dòng chảy lại rất lớn (nếu khai thác thủy điện lòng sông cột nước thấp là phù hợp). Tuy nhiên không thể khai thác hết năng lượng tiềm tàng trên đây của sông ngòi được, mà phần năng lượng có thể khai thác được chỉ là trữ năng kỹ thuật và trữ năng kinh tế sẽ được đề cập ở tiết 2.6.2.
(b) Trữ năng kỹ thuật và trữ năng kinh tế của một con sông
Trữ năng kỹ thuật của một con sông là phần trữ năng lý thuyết con người có thể khai thác được dưới góc độ kỹ thuật và phù hợp với trình độ kỹ thuật công nghệ của mình. Về kỹ thuật chúng ta chỉ có thể xây dựng các công trình thủy lợi tại những vị trí mà điều kiện địa hình, địa chất cho phép, hơn nữa cũng không thể tận dụng được toàn bộ trữ năng lý thuyết của những phụ lưu nhỏ, nằm rải rác trên các triền núi cao. Để đánh giá được trữ năng kỹ thuật của một con sông, người ta phải nghiên cứu một số tuyến tại đó có thể xây dựng được trạm thủy điện, đánh giá quy mô của trạm thông qua cột nước và lưu lượng có thể khai thác được (quá trình này được gọi là tính toán Thủy năng-Thủy lợi, sẽ được đề cập ở Chương IV và V). Tổng hợp công suất và điện năng có thể khai thác được trên phương diện kỹ thuật này lại, sẽ cho trữ năng kỹ thuật của con sông. Trữ năng kỹ thuật là phần trữ năng mà con người có thể khai thác phục vụ mục đích của mình.
Trữ năng kinh tế hay trữ năng kinh tế - kỹ thuật là phần trữ năng kỹ thuật mà con người muốn khai thác một cách có hiệu quả kinh tế. Nói cách khác, có nhiều tuyến đáp ứng các điều kiện kỹ thuật để xây dựng được trạm thủy điện, nhưng sẽ có tuyến cho hiệu quả khai thác cao và có tuyến cho hiệu quả khai thác thấp. Như vậy, tuỳ thuộc vào quan niệm về hiệu quả kinh tế mà chúng ta lập các phương án đầu tư khai thác, đầu tư công trình nào? không đầu tư công trình nào?
đầu tư công trình nào trước? đầu tư công trình nào sau?... Đánh giá trữ năng kinh tế - kỹ thuật có ý nghĩa tương đối và phục vụ mục đích của con người trong từng giai đoạn. Có thể nói khi trình độ con người đã phát triển cao, nhu cầu năng lượng lớn thì trữ năng kinh tế sẽ tiến dần tới trữ năng kỹ thuật có thể khai thác được từ sông ngòi.
Thông thường trữ năng kinh tế-kỹ thuật chiếm từ 20% đến 40% trữ năng lý thuyết của toàn bộ hệ thống sông. Đánh giá trữ năng kỹ thuật một số hệ thống sông ở Việt Nam (bảng 1.4). Ngoài ra có thể tham khảo số liệu tổng hợp sau:
- Trữ năng lý thuyết các sông suối miền Bắc nước ta: 182.109 KWh/năm (Trong đó trữ năng kỹ thuật là chiếm khoảng 25%): 45.109KWh/năm - Trữ năng lý thuyết các sông suối miền Nam nước ta: 118.109 KWh/năm (Trong đó trữ năng kỹ thuật là chiếm khoảng 32%): 38.109KWh/năm 1.3.3.8 Các phương pháp khai thác năng lượng nước mặt
Như đã đề cập ở trên, năng lượng của sông suối tiêu hao dọc đường để khắc phục sức kháng thủy lực, xói mòn đất đá lòng sông, vận chuyển khối nước kèm theo bùn cát và vật nổi.... Để sử dụng năng lượng đó của sông cần phải giảm tổn thất thủy lực và tập trung năng lượng phân tán dọc dòng sông lại để khai thác.
Trên nguyên tắc như vậy, khi xem xét công thức (2.32) hoặc (2.33) ta thấy, công suất của dòng nước phụ thuộc vào hai thành phần là: Cột nước (H) và Lưu lượng của dòng chảy (Q), do đó các biện pháp tập trung năng lượng thông qua hoặc là tập trung cột nước hoặc tập trung lưu lượng hoặc kết hợp cả hai. Về mặt nguyên tắc có thể kể ra các phương pháp tập trung năng lượng như sau:
- Tập trung cột nước: Tập trung cột nước có thể tận dụng độ chênh địa hình tự nhiên để hoặc là xây dựng công trình dâng nước (Đập dâng), hoặc xây dựng công trình dẫn nước (có áp hoặc không áp) trên một chiều dài nhất định để tạo độ chênh so với mực nước hạ lưu, ngoài ra có thể tập trung cột nước nhân tạo thông qua trạm thủy điện tích năng. Địa hình thuận lợi cho loại hình khai thác này là khu vực miền núi, thượng nguồn của sông suối.
- Tập trung lưu lượng: ở trạng thái tự nhiên toàn bộ lượng nước trong các sông suối đều liên tục chảy xuôi ra đến biển, nếu để ý đến tính có chu kỳ của dòng chảy trong năm trên sông suối, chúng ta có thể xây dựng các hồ chứa nhằm tích trữ nước trong mùa nhiều nước để tăng lưu lượng của dòng chảy trong mùa ít nước. Việc làm như vậy gọi là điều tiết dòng chảy sẽ được trình bày kỹ hơn trong Chương III và Chương IV. Loại hình khai thác này phù hợp với địa hình vùng trung du và hạ du của sông ngòi.
(a) Tập trung cột nước bằng đập dâng
Phương pháp này yêu cầu phải xây dựng một đập ngăn sông để nâng cao mực nước ở phía thượng lưu và giảm độ dốc thủy lực (độ dốc đường mặt nước) của dòng sông phía thượng lưu đồng thời giảm vận tốc dòng chảy ở thượng lưu, do đó tập trung được năng lượng dòng chảy thông qua việc tập trung cột nước.
Các trạm thủy điện sử dụng sơ đồ này được gọi là: TTĐ sau đập và TTĐ lòng sông (hay TTĐ ngang đập). Sơ đồ trạm thủy điện sau đập khai thác năng lượng dòng chảy thông qua việc tập trung cột nước được trình bày trong Hình 1.11.
B
K h
H Ho 2 -§Ëp d©ng
3 - NMT§
1 - Hồ chứa
1
2
3 B
K
Hình 1.11: Sơ đồ trạm thủy điện sau đập khai thác cột nước tập trung của dòng chảy
Phương pháp khai thác năng lượng theo cách tập trung cột nước bằng đập dâng là một trong những phương pháp được áp dụng rộng rãi và sớm nhất trong lịch sử phát triển ngành xây dựng trạm thủy điện. Trên thế giới có nhiều thành tựu vĩ đại về quy mô chiều cao của đập, theo thông kê có tới hơn 30 đập có chiều cao hơn 200m, mà dưới đây là một số đập cao nhất thế giới.
Tên và loại đập Quốc gia Chiều cao đập (m)
Nurek (đập đất) Liên Xô cũ 300
Grand Dixance (BT trọng lực) Thụy Sĩ 285
Vaiont (đập vòm) Italy 262
Mica (đập đá đổ) Canada 245
Sayano Shushensk (BT trọng lực) Liên Xô cũ 245
Mauvoisin (đập vòm) Thụy Sĩ 237
Bhakra (BT trọng lực) ấn Độ 226
Nước ta có đập Hòa Bình cao 128 m (đáy đập cao độ -5,0, đỉnh đập cao độ 123m), là đập đá đổ chống thấm bằng lõi sét, đập Sơn La dự kiến xây dựng là loại bê tông trọng lực cũng có độ cao hơn 100m (đáy đập cao độ +95, đỉnh đập ở cao độ 220m hoặc 270m).
(b) Tập trung cột nước bằng đường dẫn
Khi địa hình tự nhiên thuận lợi, nước sông được lấy vào đường dẫn (kênh hay đường hầm dẫn nước) có độ dốc thủy lực nhỏ hơn độ dốc của lòng sông, hơn nữa tuyến đường dẫn sẽ đi tắt, cắt ngang địa hình tới tuyến hạ lưu nơi xây dựng trạm thủy điện, tại đó cao độ đáy sông thấp hơn rất nhiều so với mức nước thượng lưu tại điểm bắt đầu lấy nước. Nếu đường dẫn càng dài thì độ chênh mực nước tạo được càng lớn. Đường dẫn có thể là kênh hở, đường hầm không áp, đường hầm có áp, nhiệm vụ của đường dẫn là tạo cột nước (nhiệm vụ chính) và vận chuyển nước tới TTĐ. Cũng có thể tăng cột nước phát điện bằng cách tận dụng độ dốc dọc của sông phía hạ lưu. Khi đó ta sử dụng kênh thoát nước có độ dốc nhỏ hơn độ dốc của lòng sông thiên nhiên phía hạ lưu. Sơ đồ một số kiểu trạm thủy điện kiểu đường dẫn được giới thiệu ở Hình 1.12. Các ký hiệu trong hình vẽ cũng tương tự như trong Hình 1.12, chỉ thêm tuyến đường dẫn, bể áp lực ở cuối đường dẫn và tuyến đường ống áp lực dẫn nước tới tuốc bin. Trường hợp này đập dâng nước thường rất thấp, chỉ làm nhiệm vụ dâng nước đủ để chảy vào đường dẫn nước.
1-Cửa lấy n-ớc
2 -Đập dâng 3-Kênh dẫn 4-Bể áp lực B
5-Đ-ờng ống áp lực
H Ho 6-NMT§
K h 2
B 1 3
4 6
K 5
Giếng điều áp
§Ëp d©ng B
Đ-ờng ống áp lực h
H Ho
NMT§
K
Đập dâng và Bể áp lực B
Đ-ờng ống áp lực NMTĐ
ngÇm H
Ho h
K
Đ-ờng hầm xả
Hình 1.12: Sơ đồ trạm thủy điện đường dẫn không áp khai thác cột nước tập trung của dòng chảy
Phương pháp khai thác năng lượng theo cách tập trung cột nước bằng đường dẫn cũng là một trong những phương pháp hiệu quả và được áp dụng rộng
rãi trên thế giới. Quy mô về cột nước lớn nhất ở các trạm thủy điện trên thế giới được thống kê dưới đây (cho các TTĐ có cột nước lớn hơn 1000m).
Tên TTĐ Quốc gia Cột nước lớn nhất (m)
Laures Italy 2030
Reisseck-Kreuzeck áo 1771
Chandoline Thụy Sỹ 1750
Fully Thụy Sỹ 1654
Juan Carosio Pê Ru 1440
Portillon d' Olle Pháp 1400
Sellrain - Silz áo 1237
Bissorte Pháp 1150
Venous Italy 1100
Schwanden Thụy Sỹ 1090
Lucendro Thụy Sỹ 1000
Phương pháp này rất hay được áp dụng ngay cả khi phải chuyển nước lưu vực, nếu dòng sông ở lưu vực lân cận thấp hơn hẳn so với tuyến khai thác ở lưu vực xây dựng hồ, lúc đó nước từ hồ của lưu vực nghiên cứu được chuyên bằng đường dẫn sang NMTĐ đặt ở lưu vực thấp hơn kia, bằng cách này cột nước phát điện sẽ tăng lên rất nhiều. Trạm thủy điện đường dẫn Đa Nhim ở nước ta áp dụng hình thức chuyển nước lưu vực đó và tạo nên cột nước phát điện rất lớn (798m), là trạm có cột nước lớn nhất của chúng ta hiện nay.
Các trạm thủy điện tập trung cột nước để khai thác năng lượng dòng chảy thường có cột nước phát điện lên đến hàng trăm mét, và chúng còn được gọi là TTĐ cột nước cao.
(c) Tập trung lưu lượng bằng hồ chứa
Quay lại công thức (2.32), rõ ràng còn một hình thức tập trung năng lượng của dòng chảy để khai thác thông qua lưu lượng sử dụng qua trạm thủy điện. Để tập trung lưu lượng, các hồ chứa có dung tích lớn được xây dựng. Độ lớn của hồ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: trình độ khai thác, điều kiện địa hình, địa chất, kinh tế, xã hội,... Nhưng quy mô tối đa của hồ không vượt quá khả năng có thể của dòng chảy thông qua tổng lượng nước đến trong năm tại tuyến xây dựng.
Sơ đồ trong Hình 1.11 hoàn toàn có thể sử dụng để mô tả cho phương pháp khai thác bằng cách tập trung lưu lượng. Với một dung tích đủ lớn của hồ chứa, ngoài khả năng tập trung cột nước, hồ còn làm nhiệm vụ Điều tiết dòng chảy, tức là phân phối lại dòng chảy thiên nhiên đến hồ để có được lưu lượng xả qua tuốc bin điều hòa hơn trong chu kỳ tính toán, lưu lượng đã điều hòa này gọi là lưu
lượng điều tiết. Lưu lượng điều tiết là lưu lượng tham gia vào công thức (2.32) để phát điện, nó có giá trị lớn hơn lưu lượng thiên nhiên trong mùa ít nước bởi vì hồ chứa đã cung cấp thêm từ dung tích nước được trữ lại trong mùa nhiều nước.
Các hồ chứa phục vụ phát điện thường có dung tích hàng tỷ m3 nước và chu kỳ điều tiết thường dài (năm hoặc nhiều năm). Hồ Hòa Bình có dung tích tổng cộng là 9,45 tỷ m3, trong đó dung tích hữu ích chiếm khoảng 50%. Hồ Trị An (bậc cuối cùng trên dòng chính Đồng Nai) cũng có hồ chứa lợi dụng tổng hợp với dung tích tổng cộng là 2,8 tỷ m3. Hồ Sơn La theo quy hoạch cũng có phương án khai thác với dung tích dung tích hơn 20 tỷ m3. Trên thế giới có nhiều hồ dung tích cực lớn do con người xây dựng phục vụ mục đích phát điện và các mục đích khác, có thể kể đến những hồ lớn nhất với dung tích hơn 100 tỷ m3 như:
Tên hồ chứa Tên sông Dung tích hồ (109m3)
Owen Falls Nile 205
Kakhovskaja Dnieper 182
Kariba Zambezi 180
Bratsk Angara 169
Sadd-el-Ali Nile 164
Akosombo Volta 148
Daniel Johnson Manicouagan 142
Guri Caroni 136
(d) Các hình thức khai thác khác
Trên đây là ba phương pháp tập trung và khai thác năng năng lượng cơ bản.
Trong thực tế, khi đã xây dựng hồ chứa làm nhiệm vụ điều tiết dòng chảy thì cũng đồng thời tập trung được cột nước và ngược lại. Hình thức này được gọi là Phương pháp hỗn hợp. Phương pháp hỗn hợp là hình thức phổ biến nhất trong lĩnh vực thủy lợi-thủy điện, đặc biệt với những hồ chứa làm nhiệm vụ khai thác tổng hợp nguồn nước.
Một hình thức có tương lai hứa hẹn là Trạm thủy điện tích năng. Tư tưởng của loại TTĐ này xuất phát từ việc điện năng sản xuất ra nếu không được tiêu thụ ngay sẽ rất khó lưu trữ lại. Một trong các hình thức đó là: sử dụng năng lượng thừa của hệ thống điện để hút nước từ hạ lưu lên trữ vào hồ chứa, khi hệ thống có nhu cầu thì lượng nước đã trữ được xả qua tuốc bin để phát điện. Như vậy cả tuốc bin thủy lực và máy phát điện thủy lực ở TTĐ tích năng phải làm việc được cả hai chiều của dòng chảy (gọi là tuốc bin thuận nghich), chiều thuận là phát điện ở chế độ tuốc bin và máy phát điện, chiều nghịch ở chế độ máy bơm nước và động cơ điện.
Với TTĐ tích năng, tuy bị hai lần tổn thất, lượng điện năng trả lại cho hệ thống điện chỉ khoảng 60% 75% những vẫn hiệu quả bởi vì giá điện năng khi lấy