Bài giảng - Thủy điện 2- chương 9&10

Chia sẻ: Sam Sara | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:29

Thêm vào BST

Báo xấu

259
lượt xem 108
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần II.a CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN TUYẾN NĂNG LƯỢNG CỦA TRẠM TĐ Chương IX. KHÁI QUÁT VỀ THÀNH PHẦN VÀ BỐ TRÍ TTĐ IX. 1. CÁC THÀNH PHẦN CUẢ TRẠM THUỶ ĐIỆN Trạm thuỷ điện là tổ hợp các công trình thuỷ công được xây dựng lên để đạt mục đích sử dụng tổng hợp nguồn nước vào việc phát điện, tưới, cấp nước, cải thiện điều kiện vận tải thuỷ, chống lũ, nuôi trồng thuỷ sản ... Nếu công trình lấy nhiệm vụ phát điện làm chính thì công trình được gọi là Trạm thuỷ điện. Trong thành phần công trình...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng - Thủy điện 2- chương 9&10

Phần II.a CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN TUYẾN NĂNG LƯỢNG CỦA TRẠM TĐ Chương IX. KHÁI QUÁT VỀ THÀNH PHẦN VÀ BỐ TRÍ TTĐ IX. 1. CÁC THÀNH PHẦN CUẢ TRẠM THUỶ ĐIỆN Trạm thuỷ điện là tổ hợp các công trình thuỷ công được xây dựng lên để đạt mục đích sử dụng tổng hợp nguồn nước vào việc phát điện, tưới, cấp nước, cải thiện điều kiện vận tải thuỷ, chống lũ, nuôi trồng thuỷ sản ... Nếu công trình lấy nhiệm vụ phát điện làm chính thì công trình được gọi là Trạm thuỷ điện. Trong thành phần công trình có các công trình chính và các công trình phụ. 1. Các công trình chính: Các công trình dâng nước và tháo nước như: đập dâng, đập tràn, giếng tháo lũ ... Các công trình này nhằm tạo nên cột nước phát điện, phân phối lại lượng nước theo yêu cầu và đảm bảo tháo lượng nước thừa về hạ lưu khi lũ về, tháo các vật nổi và rác rưỡi. Các công trình năng lượng, nhằm sản xuất và phân phối năng lượng đáp ứng yêu cầu dùng điện. Thành phần của nó gồm: công trình nhận nước, đường dẫn nước từ thượng lưu vào turbine, tháo nước về hạ lưu, nhà máy thuỷ điện (chứa turbine, máy phát điện, máy biến áp, các thiết bị phụ cơ khí và trang thiết bị nâng hạ, vận chuyển, các thiết bị đièu khiển, các thiết bị phân phối điện ... Các công trình vận chuyển tàu thuyền dùng để thông thương tàu thuyền giữa thượng và hạ lưu đập. Các công trình này gồm có: âu thuyền, thiết bị nâng tàu thuyền ... Công trình nuôi trồng thuỷ sản gồm đường chuyển và nuôi thuỷ sản, đường chuyển thuỷ sản về nơi chúng sinh sản ... Công trình tưới tiêu nhằm đảm bảo cung cấp lượng nước cần thiết như: lấy nước, bể lắng cát, trạm bơm ... Công trình giao thông vận tải nội bộ công trình hoặc giao thông quốc gia, như: cầu, đường bộ, đường sắt, đường cáp ... 2. Các công trình phục vụ: Nhằm đảm bảo vận hành bình thường công trình và đảm bảo nhu cầu cuộc sống và làm việc của nhân viên vận hành và gia đình họ. Bao gồm: nhà ở, nhà văn hoá, nhà hành chính, đường xá, công trình cấp nước, ... 3. Các công trình tạm thời: Các công trình này nhằm phục vụ công trình trong giai đoạn thi công. Nên cố gắn tận dụng làm công trình chính sau khi thi công để đảm bảo kinh tế. Chia hai loại: Các công trình dẫn dòng : nhằm dẫn nước sông không qua vùng hố móng để bảo đảm hố móng hoặc khu xây dựng được khô ráo, đảm bảo công việc thi công, như: đê quay, tuy nen, kênh dẫn... Các phân xưởng sản xuất: nhằm phục vụ cho thi công như: nhà máy bê tông, xưởng gia công cốt thép, gia công gỗ, nhà kho, đường ... 111
IX. 2. CÁC SƠ ĐỒ BỐ TRÍ TTĐ KIỂU ĐẬP Trạm thuỷ điện kiểu đập chia ra hai loại: TTĐ lòng sông và TTĐ áp đâp, tính năng và khả năng chịu áp lực của nó khác nhau do vậy thành phần và cách bố trí của chúng cũng có khác nhau. Sau đây chúng ta nghiên cứu khái quát về chúng. IX. 2. 1. Trạm thuỷ điện lòng sông Hình 9-1. Các phương án bố trí trạm TĐ lòng sông. 1- lòng sông; 2- đập dâng; 3- nhà máy; 4-đập tràn; 5- kênh tháo; 6- âu tàu; 7- trạm phân phối cao áp OPY; 8- ốc đảo; 9- công trình tháo lũ trong n/máy. Đặc điểm của TTĐ lòng sông (còn gọi là TTĐ chặn dòng hay TTĐ ngang đập) là nhà máy trực tiếp chịu áp lực nước thuỷ tĩnh như một đoạn đập. Do vậy loại này được sử dụng với cột nước thấp, thường không quá 40 mét. Ngoài nhà máy thông thường có chức năng bố trí trang thiết bị phát điện thuỷ lực, còn có loại nhà máy kiểu kết hợp với chức năng kết hợp tháo lũ như đập tràn, chính vậy có thể không cần xây đập tràn trong thành phần đầu mối của trạm. TTĐ Vônga, mang tên Đại hội lần thứ 22 Đảng cộng sản Liên xô, thuộc loại nầy (hình 9-1,b). 112
TTĐ lòng sông được xây dựng ở trên những dòng sông nhiều nước, vấn đề tháo lưu lượng thi công thường lớn, dẫn đến có những phương án bố trí điển hình sau: - Bố trí các công trình bê tông chính (nhà máy, đập tràn, âu tầu) bên bờ (sơ đồ I, hình 9-1,a), có thể bố trí công trình bê tông ở một bên bờ hoặc ở cả hai bên bờ sông. Bố trí như vậy sẽ giảm được chiều cao và chiều dài đê quây hố móng, thậm chí không cần đê quây khi bờ không ngập nước. Vào giai đoạn thi công sau, khi chặn dòng sẽ dẫn dòng qua các công trình bêtông đã hoàn thành. Nhược điểm của cách bố trí bên bờ là khối lượng đào đất đá và hố móng quá lớn. - Bố trí các công trình bê tông trên bãi bồi của sông (sơ đồ II): Trong giai đoạn thi công hố móng cần phải đắp các đê quây ngang và dọc. Việc dẫn dòng, kể cả tháo lũ qua lòng sông thiên nhiên. Uu điểm của sơ đồ bố trí này so với sơ đồ I là khối lượng đất đá phải đào ít hơn , nhưng lại phải xây đê quay cao hơn.Việc bố trí tập trung các công trình bê tông tạo khả năng bố trí hợp lý trạm bêtông, đẩy nhanh tốc độ thi công và giảm giá thành xây dựng. - Bố trí công trình bê tông chính ở giữa lòng sông (sơ đồ III, hình 9-1,a). Cách bố trí này ứng dụng khí chiều dài tuyến đập hẹp và bờ sông dốc. Các công trình bêtông chính chiếm gần hết chiều rộng lòng sông, do vậy không thể đồng thời tiến hành xây dựng chúng một giai đoạn mà phải hai, thậm chí ba giai đoạn. Trường hợp này cần đắp đê quây đủ cao để có khả năng tháo lưu lượng lũ qua lòng sông thu hẹp, do vậy gặp rất nhiều khó khăn. - Bố trí hỗn hợp là cách bố trí các công trình bêtông chính ở bờ (hoặc bãi bồi) và cả ở lòng sông (sơ đồ IV, hình 9-1,a), theo cách này nhà máy xây ở một phần lòng sông chính, đập tràn chắn lòng sông nhánh, còn âu tàu hai buồng đặt ở ốc đảo của sông. Cách bố trí này khó cho công tác thi công nên cũng hạn chế sử dụng. Ngoài ra nếu bố trí âu tàu giữa đập tràn và nhà máy thì có thể ở trường hợp nào đó gây khó cho việc thông thương của tàu thuyền qua âu, đặc biệt khi tháo lũ qua đập. Việc bố trí trạm phân phối điện cao áp (OPY) cần bảo đảm khả năng truyền tải điện từ nhà máy đên trạm OPY là gần nhất và có thể đặt trạm OPY ở bờ nào đó sao cho tuyến đường dây tải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật. Có thể đặt hai - ba trạm OPY trên các bờ sông bằng phẳng. Chọn sơ đồ bố trí nào phải lấy yêu cầu khối lượng công tác xây dựng và giá thành công trình đầu mối là nhỏ nhất. IX. 2. 1. Trạm thuỷ điện sau đập Đặc điểm của trạm thuỷ điện kiểu áp đập là nhà máy không trực tiếp chịu áp lực thuỷ tĩnh, áp lực này do đập chịu cả, do vậy nhà máy nhẹ nhàng hơn, không phải tăng chiều cao nhà máy. Trạm thuỷ điện loại này có thể dùng với cột nước từ thấp đến cao, từ 30 - 40m đến 200 - 300 mét và hơn. Thành phần và bố trí các công trình trên tuyến đầu mối cũng tương tự như đối với kiểu TTĐ lòng sông. Đối với TTĐ loại này thì kiểu đập 113
Hình 9-2. Mối quan hệ giữa nhà máy và loại đâp đối với TTĐ áp đập. a- Đối với đập bêtông; b- Đối với đập vật liệu địa phương. và chiều cao có ảnh hưởng lớn đến việc bố trí công trình đầu mối. Sau đây ta xét một số sơ đồ bố trí tương ứng (hình 9-2,a,b) với hai loại đập bê tông trọng lực và đập làm bằng vật liệu địa phương (như đập đât, đá đổ). 1. Trạm thuỷ điện với đập dâng bêtông trọng lực: Hình (9-2,a) nêu ba phương án bố trí nhà máy và đập bêtông trọng lực. - Nhà máy bố trí sau đập (sơ đồ I): vị trí nhà máy nằm sau đập, giữa nhà máy và đập có bố trí khớp biến dạng. Đường ống áp lực dẫn nước đến turbine được đặt trong thân đập bêtông, có thể đặt ống ở tuyến hạ lưu đập hoặc tuyến nằm ở phần dưới của đập. - Nhà máy có thể đặt bên trong thân đập (hình 9-2, sơ đồ II, III). Việc bố trí này chỉ hợp lý với tổ hợp nhất định giữa chiều cao đập và kích thước tổ máy thuỷ lực. Việc 114
đặt nhà máy trong thân đập làm giảm thiểu khối lượng bêtông, tuy nhiên làm phức tạp thêm trạng thái kết cấu. Đập tràn có thể bố trí phía trên nhà máy, như vậy rút ngắn được tuyến công trình bêtông và dẫn đến giảm giá thành xây dựng trạm thuỷ điện. Ngày nay turbine Cap xun trục ngang có đặc tính năng lượng cao được sử dụng cho loại này. 2. Trạm thuỷ điện với đập dâng làm bằng vật liệu địa phương: Hình (9-2,b) trình bày một số sơ đồ bố trí nhà máy trong TTĐ với loại đâp này: - Nhà máy đặt sau đập (sơ đồ I): đây là sơ đồ phổ biến nhất. Cửa lấy nước đặt ở phía trước đập, dạng tháp. Đường ống áp lực đặt ở dưới đập, trên nền đất nguyên dạng; nếu dùng ống thép thì phải có hành lang bêtông cốt thép bao quanh ống, thông thường dùng ống bêtông cốt thép để dẫn nước vào turbine. - Nhà máy đặt trong khối bêtông (sơ đồ II) trong thân đập đất, tháp lấy nước đặt bên bờ, đường tháo không áp từ turbine được dùng xả nước trong giai đoạn thi công. - Nhà máy kết hợp xả nước thừa, đặt trong tháp bêtông cốt thép trụ (sơ đồ III), đặt ở mái thượng của đập. Cửa lấy nước vào turbine đặt trong trụ bêtông, đường xả nước từ turbine làm chung với ống tháo bêtông cốt thép của tràn, đặt bên dưới đập, ống này còn được sử dụng dẫn dòng trong giai đoạn thi công. Hình (9-3) mô tả một ví dụ bố trí các thành phần của trạm thuỷ điện Acuan (Aicập) có công suất lắp máy N = 1600 MW. Nhà máy sau đập và núi, cửa lấy nước trước đập, đường ống áp lực đào ngầm trong núi, trạm OPY đặt trên phần núi. Hình 9-3. Trạm thuỷ điện Acuan (Aicập) trên sông Nin, N = 1600 MW. IX. 3. CÁC SƠ ĐỒ BỐ TRÍ TTĐ KIỂU ĐƯỜNG DẪN Trạm thuỷ điện đường được sử dụng với biên độ giao động cột nước rất rộng: từ vài mét đến 1700 - 2000 mét. Lớn nhất là TTĐ Raisec (Úc) H = 1767m và TTĐ Bôgôta (Côlombia) với H = 2000 m, N = 500 MW. Trạm thuỷ điện đường dẫn có nhiều hạng mục công trình các kiểu và công dụng khác nhau, và đặc biệt khi tuyến đường dẫn kéo dài. Trạm thuỷ điện đường dẫn (sơ đồ khai thác TTĐ đập - đường dẫn cũng vậy), dựa vào điều kiện địa hình và công dụng của các thành phần công trình có thể phân ra các cụm công trình chính sau đây: Cụm công trình đầu mối: nhằm để dâng nước trong sông và hướng dòng chảy vào đường dẫn, làm sạch nước khỏi rác rưởi, bùn cát và vật nổi. Các hạng mục của cụm đầu mối này gồm có: đập, công trình tháo nước thừa, cửa lấy nước, bể lắng cát, công trình tháo cát, tháo vật nổi. 115
Công trình đường dẫn: làm nhiệm vụ đưa nước đến nút trạm với tổn thất cột nước và tổn thất dung tích là nhỏ nhất. Đường dẫn có thể là đường dẫn có áp (tunel, đường ống) hoặc đường dẫn không áp (kênh, tunel, máng). Trên tuyến đường dẫn không áp còn các hệ thống rãnh thoát nước mưa, các cống luồn, cầu máng, máng tràn ngang, các tường chắn đất đá để bảo vệ đường dẫn ..v.v... Công trình nút trạm: để nối đường dẫn với đường ống áp lực đưa nước vào turbine, nhà chứa thiết bị sản xuất và phân phối điện năng. Cụm này gồm có: bể áp lực, bể điều tiêt ngày, đường ống áp lực, buồng điều áp (nếu có), nhà máy TĐ, trạm máy biến áp và trạm phân phối điện, đường tháo nước từ nhà máy về hạ lưu. IX. 3. 1. Các sơ đồ bố trí TTĐ đường dẫn không áp Hình 9-4. Các sơ đồ TTĐ đường dẫn không áp. Trên đoạn sông suối (hình 9-4) có thể có những phương án khai thác sau đây: Phương án I: sử dụng đoạn sông ngắn. Công trình gồm có đập thấp đủ để dâng nước và đưa nước và kênh dẫn, kếnh dẫn chạy dọc theo phương ngang với độ dốc nhỏ hơn độ dốc lòng sông. Ở cuối kênh kênh dẫn được mở rộng và đào sâu xuống để tạo thành bể áp lực trước nhà máy thuỷ điện. Phương án II: Sử dụng được năng lượng lớn hơn phương án I. Đường kênh dẫn được đặt hoặc là dọc theo phương ngang (phương án 2a) với chiều dài kênh lớn, hoặc là tuyến của nó chạy khác tuyến 2a. Cần tính toán kinh tế - năng lượng để chọn phương án. Có thể kinh tế hơn nếu ta chọn phương án đào đường dẫn tunnel không áp (phương án 2 ) dẫn nước đến đoạn cuối kênh và bể áp lực. Việc xả nước thừa của phương án 2 bằng tràn bên, tháo xuống kênh tháo nhanh. Giải pháp kết cấu có thể khác nhau. Phương án III: Phương án này sử dụng độ chênh lòng sông lớn hơn nữa để thu được công suất và điện lượng cao hơn hai phương án trên. Phương án 3a là kéo dài đoạn kênh của phương án 2a, rồi xây bể áp lực và đặt ống áp lực đưa nước vào turbine Phương án này có xây buồng điều áp để giảm áp lực nước va. Phương án khác là đào tunel không áp thay cho đường kênh dẫn (phương án 3 ). 116
IX. 3. 2. Các sơ đồ bố trí TTĐ đường dẫn có áp Hình 9-5. Các sơ đồ TTĐ đường dẫn có áp. Các sơ đồ phương án điển hình đối với TTĐ đường dẫn có áp (hình 9-5) sau: Phương án 1a và 2a, đường dẫn áp lực làm bằng các ống dẫn, đặt dọc theo hướng ngang, ở cuối ống dẫn bố trí tháp điều áp. Phương án 1δ, 2δ và phương án 3 thì đường dẫn dùng hình thức tunel áp lực, buồng điều áp là loại giếng đào trong đá cứng. Phương án 3 và 4 thì nhà máy đặt ngầm dưới đất. Tháo nước từ nhà máy ra sông bằng tunel không áp. Cửa lấy nước trong phương án 4 gần nhà máy nên không cần buồng điều áp. 117
IX. 3. 3. Các sơ đồ bố trí TTĐ đường dẫn ngầm Hình 9-6. Các sơ đồ bố trí trạm thuỷ điện ngầm. a- Giếng và δ - tunel vận chuyển. 1- ống dẫn, cáp; 2- cầu thang; 3- thang máy; 4- nâng vật nặng; 5- thoát không khí; 6- cáp động lực hoặc thanh cái; 7- dẫn nước thấm; 8- tunel vận chuyển; 9- cấp không khí tự nhiên. Việc xây dựng công trình thuỷ điện dưới lòng đất có nhiều ưu điêm so với TTĐ trên mặt đất là: có thể chọn nhiều sơ đồ bố trí trạm, chiều dài đường dẫn nước có thể rút ngắn nhất, do vậy giảm được giá thành xây dựng và giảm tổn thất cột nước. Giảm nhẹ kết cấu đường ống áp lực, nhà máy và các kết cấu khác nhờ lợi dụng khả năng chịu lực của khối đá. Việc thi công công trình ngầm không phụ thuộc vào thời tiết. Giảm chi phí khai thác và sửa chữa TTĐ. Ngày nay kỹ thuật thi công đường hầm hầu như đã cơ giới hoá, kết cấu công trình hoàn thiện nên giá thành TTĐ ngầm nhiều công trình đã rẻ hơn 118
trạm lộ thiên. Việc bố trí TTĐ ngầm được xác định dựa trên cơ sở vị trí của nhà máy. Theo dấu hiệu này có thê chia ra ba sơ đồ sau: Nhà máy ở đầu tuyến (sơ đồ I), nhà máy ở giữa (II) và nhà máy ở cuối tuyến (sơ đồ III). - Sơ đồ bố trí đầu tuyến (I hình 9-6): nhà máy bố trí gần cửa lây nước, đường dẫn áp lực có dạng giếng đứng, hiếm khi giếng nghiêng. Do chiều dài đường dẫn áp lực ngắn nên nhiều trường hợp không cần làm tháp điều áp. Chiều dài đường tháo nước từ turbine ra sông dài, có thể không áp hoặc có áp. Nếu không áp thì rẻ hơn có áp. Tuy nhiên nếu đường tháo dài mà, mực nước hạ lưu đủ lớn thì phải dùng đường tháo có áp và phải xây dựng buồng điều áp hạ lưu sát cửa ra của ống xả turbine. Để nhân viên vận hành ra vào nhà máy cần trang bị thang máy, để đưa thiết bị vào nhà máy, dẫn thanh dẫn điện và thông gió cần đào giếng đứng hoặc nghiêng. Để giảm giá thành thường người ta hay kêt hợp dẫn điện và thông gió hoặc kéo thiết bị và thông gió cùng một giếng (xem hình 10-6,a,δ về cách bố trí kết hợp các giếng và tunel vận chuyển này).. - Sơ đồ bố trí nhà máy ở cuối tuyến (sơ đồ II, hình 9-6): Đặc trưng của sơ đồ này là đường dẫn áp lực dài, nhà máy đặt gần hạ lưu. Do nhà máy gần hạ lưu nên dùng đường hầm ngang vào nhà máy trong thời gian thi công và vận hành, giảm nhẹ công tác thi công và vận hành, mặt khác đường tháo từ nhà máy ra sông ngắn nên có thể không cần xây buồng điều áp hạ lưu. Nhược điểm của sơ đồ này là đường dẫn áp lực dài phải gia cố đường dẫn để tăng khả năng chịu lực, do vậy giá thành đường dẫn tăng và nước va sẽ lớn, dẫn đến việc phải xây buồng điều áp thượng lưu. Đã có những TTĐ đường dẫn tunel lớn như: TTĐ Ingury (Liên xô) đường kính tunel Φ = 9,5 m, dài L = 15 km và TTĐ Vinstra (Hungari) có Φ = 6 m dài L = 23,6 km. Khi giao động mực nước thượng lưu nhỏ, có thể dùng kênh hoặc tunel không áp và có bể áp lực cuối đường dẫn (các sơ đồ II, III phần bên phải). - Sơ đồ bố trí nhà máy ở giữa tuyến (sơ đồ III, hình 9-6). Đặc trưng chính của sơ đồ này là tồn tại đường dẫn và đường tháo dài. Đường dẫn có thể có áp hoặc không áp. Trường hợp đường dẫn có áp, xét tổ hợp chiều dài và cột nước có thể phải xây buồng điều áp thượng, hạ lưu trên tuyến năng lượng Để thông thương với mặt đất cần phải mở các giếng thẳng đứng hoặc giếng nghiêng. Chú ý rằng tunel nằm nghiêng tuy có giảm khối lượng so với tunel đứng nhưng khó cho thi công. Việc chọn sơ đồ bố trí trạm thuỷ điện ngầm được tiến hành theo điều kiện cụ thể và phải qua so sánh kinh tế kỹ thuật các phương án để quyết định. Việc tính toán phải kể đến các mặt: địa hình, địa chất, giá thành công trình, điều kiện thi công, việc điều chỉnh tổ máy, tổn thất năng lượng, chế độ làm việc và sự thuận lợi trong vận hành của trạm. Thực tế thiết kế cho thấy rằng: sơ đồ bố trí nhà máy ở đầu tuyến hợp lý hơn cả khi TTĐ có cột nước trung bình. Cùng với việc tăng cột nước thì sơ đồ nhà máy ở tuyến cuối được ưa dùng. Trong một loạt trường hợp khi điều kiện địa chất và địa hình thuận lợi thì sơ đồ bố trí nhà máy ở giữa tuyến lại tỏ ra có hiệu quả. 119
Chương X. CÔNG TRÌNH LẤY NƯỚC CỦA TTĐ Công trình lấy nước của TTĐ là hạng mục công trình đầu tiên trên tuyến năng lượng, nó có nhiệm vụ lấy nước theo yêu cầu của trạm. Các yêu cầu cơ bản được đặt ra cho cửa lấy nước như sau : - Lấy nước đầy đủ theo yêu cầu, đảm bảo khai thác liên tục và có thể tiến hành sửa chữa mà không phá vỡ chế độ làm việc của trạm thủy điện ; - Có thể ngắt dòng nước nhanh chong khi đường ống hoặc tổ máy bị sự cố ; - Bảo vệ, chống rác nổi chảy vào cống lấy nước, chống vật nổi trôi vào cống ; - Ngăn chặn phù sa đáy có kích thước nguy hiểm chảy vào turbine ; - Khi thiết kế các cống lấy nước cho các đường dẫn vào nhà máy thủy điện, trước tiên phải giải quyết vấn đề về cao trình đặt cống, vị trí các công trình khác trong hệ thống, cũng như chọn kết cấu hợp lý, tổn thất thủy lực là ít nhất. X. 1. PHÂN LOẠI CÔNG TRÌNH LẤY NƯỚC CỦA TTĐ Các công trình lấy nước (còn gọi là Cửa lấy nước) được phân ra hai loại: Cửa lấy nước mặt và cửa lấy nước dưới sâu (xem hình 10-1). Cách phân loại như sau: - Cửa lấy nước mặt (hình 10-1, sơ đồ IV) còn gọi là cửa lấy nước không áp. Đặc điểm của cửa lấy nước này là: dòng chảy trong nó có mặt thoáng. Loại này thường được dùng ở TTĐ và hồ chứa không có hồ điều tiết dài hạn, mực nước thượng lưu ít thay đổi. Loại này thường ưa dùng cho TTĐ đường dẫn có công trình đầu mối cột nước thấp. Hình 10-1. Các sơ đồ phân loại cửa lấy nước của TTĐ. - Cửa lấy nước dưới sâu (hình 10-1, sơ đồ I) còn gọi là cửa lấy nước có áp. Đặc điểm của cửa lấy nước này là nằm dưới mực nước chết ở thượng lưu, dòng chảy trong nó là dòng có áp, không có mặt thoáng. Loại này thường được dùng trong điều kiện mực nước thượng lưu thay đổi đáng kể từ MNDBT đến MNC, trong thực tế cửa lấy nước dưới sâu đặt dưới MNDBT đạt tới 50 - 80 m, thậm chí đến hơn 100 m. Một dạng đặc biệt có thể gặp khi cửa lấy nước nằm dưới MNC đưa nước vào đường dẫn không áp (hình 10-1, sơ đồ II), cửa lấy nước có tác dụng điều chỉnh lưu 120
lượng qua van. Cần xây tiêu năng trên đoạn nối tiếp giữa cửa và đường dẫn. Để tận dụng phần năng lượng mất đi bởi công trình tiêu năng, có thể có lợi nếu xây thêm nhà máy thuỷ điện bổ sung (hình 10-1, sơ đồ III), và lúc này cửa lấy nước trở thành có áp. X. 2. CÁC TRANG THIẾT BỊ CỦA CỬA LẤY NƯỚC Cửa lấy nước có nhiệm vụ lấy đủ nước và nước sạch theo yêu cầu phát điện và lợi dụng tổng hợp, đảm bảo chủ động đóng hay mở nước vào công trình dẫn nước. Cửa lây nước cần được trang bị các thiết bị chính như: lưới chắn rác, các loại van sửa chữa và sự cố, thiết bị nâng chuyển vật nặng, ống dẫn khí, ống cân bằng áp lực ... Hình (10-2) là một ví dụ về thành phần và vị trí bố trí của các trang thiết bị này. Hình 10-2. Các trang thiết bị của cửa lấy nước của TTĐ. 1- tường ngực; 2- lưới chắn rác; 3- rãnh van dặt chung cho lưới chắn rác và van sửa chữa; 4- rãnh dẫn hướng cho gàu ngoạn; 5- van sự cố - sửa chữa; 6- máy nâng thuỷ lực; 7- ống dẫn khí; 8- ống bình áp. X. 2. 1. Lưới chắn rác và thiết bị dọn rác trên lưới 1. Kết cấu lưới chắn rác của trạm thuỷ điện Để bảo vệ turbine khỏi bị rác rưởi và vật nổi trôi vào phá vỡ chế độ vận hành bình thường của tổ máy, cần đặt lưới chắn rác ở cửa vào cửa lấy nước. Thông thường hay dùng lưới chắn rác làm từ các thanh thép. Để giảm tổn thất cột nước qua lưới thì khoảng hở thực giữa các thanh lưới phải rộng, nhưng như vậy sẽ không bảo đảm ngăn vật trôi có kích thước lớn vào đường dẫn. Do vậy khoảng hở thực giữa hai song lưới phải sao cho đạt được hai yêu cầu trên. Khi thiết kế sơ bộ có thể chọn khoảng hở theo đường kính tiêu chuẩn của turbine như sau (hình 10-3): 1 b= D (lấy đối với turbine hướng trục) và b = (5 - 20) cm; 20 1 1 b= D (lấy đối với turbine tâm trục) và b = (3 - 10) cm; 30 1 b = (2 - 7) cm (lấy đối với turbine gáo). 121
Hình 10-3. Cấu tạo lưới chắn rác phẳng. 1- Dầm tựa biên đứng; 2- dầm ngang đỡ song lưới; 3- dầm dọc; 4- giằng chéo; 5- thanh ngang lưới chắn rác; 6- song dọc lưới; 7- khớp nối các tầng lưới. Cấu tạo lưới chắn rác gồm: khung lưới và các song dọc chắn rác 6. Khi lưới có chiều cao lớn được phân ra các đoạn và các tầng, nối các tầng với nhau qua các khớp 7. Khung lưới gồm có các dầm tựa biên 1, các dầm ngang 2, các dầm dọc giữa 3, các thanh dằng xiên 4. Các song dọc chắn rác làm bằng thép tròn đối với lưới nhỏ còn phần lớn có dạng mặt cắt dạng lưu tuyến để tăng độ bền và giảm tổn thất thuỷ lực (hình 10-4). Kích thước của lưới có ảnh hưởng lớn đến kích thước toàn bộ cửa lấy nước, phụ thuộc vào số lượng, loại rác, phượng thức cào rác và phụ thuộc vào tổn thất cột nước trên lưới. Khi nước mang nhiều rác và ngưỡng cửa lấy nước đặt không sâu dưới mực nước dâng bình thường (MNDBT) lắm (< 20 - 25 m) và dọn rác bằng máy thì vận tốc trên lưới chắn rác thường lấy v = (1 - 1,2) m/s. Khi ngưỡng cửa đặt quá sâu, việc dọn rác không thể tiến hành được thì vận tốc trên lưới thường chọn v = (0,25 - 0,5) m/s và lưới được đặt cố định. Khi nước ít rác bẩn thì vận tốc trên lưới lấy không lớn hơn 2 m/s. Điều kiện này khi vớt rác phải dừng máy hoặc giảm công suất phát điện. Đặt lưới chắn rác phảib đảm bảo thuận dòng chảy để tránh gây tổn thất lớn, kết cấu lưới phải vững chắc và thuận tiện cho việc lắp đặt và tháo dỡ lưới và dọn rác. Vị trí đặt lưới thông thường đặt trước van sửa chữa và van sửa chữa-sự cố (van công tác). Tuy nhiên khi nước ít rác và có luận chứng thoả đáng có thể lắp lưới chắn rác giữa hai van 122
(ít gặp). Để giảm kích thước cửa lấy nước và khẩu độ cầu trục phục vụ lưới, nhiều trường hợp người ta dùng chung khe lưới chắn rác và khe van sửa chữa làm một, tuy nhiên cách này gây khó khăn cho vận hành và rác có thể xâm nhập vào van công tác khi kéo lưới lên. Ở trạm thuỷ điện nhỏ, vớt rác thủ công muốn vớt rác tiện lợi phải đặt lưới nghiêng một góc750sovới phương đứng và vận tốc dòng chảy qua lưới phải lấy nhỏ hơn vớt máy. Hình 10-4. Hình dạng mặt cắt ngang song lưới và dầm ngang đỡ lưới. a - mặt cắt ngang hệ thanh; δ - mặt cắt ngang dầm đỡ ngang 2. Thiết bị dọn rác trên lưới chắn rác Hình (10-5) mô tả một số thiết bị dọn rác bằng cơ giới được dùng dọn rác trên các lưới chắn rác. Tuỳ đặc điểm các loại rác và vị trí đặt lới mà có thể chọn để trang bị. - Thiết bị cào rác (b) dùng cào rác nhỏ như rong rêu, cỏ, lá. Nó có khả năng cáo được rác bám trong các khe giữa các song lưới. - Gàu xúc (c) xúc và cào rác vào trong gàu nhờ trọng lượng bản thân gàu và áp lực nước. - Gàu ngoạm (d) dùng để ngoạm các vật nổi lớn phía trước lưới. - Gàu kiểu hàm răng (e) dùng cắt rác bẩn bám trên mặt lưới; khi hạ xuống dưới lưỡi dao 1 sẽ gạt lớp rác trên lưới dồn vào phía trong cạp, cạp móc 2 khép lại và nhấc rác lên nhờ cầu trục. - Loại cạp pôlip (g) dùng để vớt rác và vật nổi từ nhỏ đến lớn phía trước lưới và ở đầu cạp có bố trí thêm các tấm thép, chúng có thể khép kín để đựng rác nhỏ. 123
Hình 10-5. Các thiết bị dọn rác bằng máy. 1- hàm trên; 2 - hàm dưới; 3 - lưỡi dao; 4- lưới; 5 - cào. X. 2. 2. Cửa van Đầy đủ thì cửa van trên cửa lấy nước có hai loại van sau: - Van công tác (van sự cố-sửa chữa) dùng để đóng đón ngăn dòng nước chảy vào đường dẫn khi có sự cố đường ống hoặc máy phải ngừng máy, hoặc khi dừng để sửa chữa chúng. Van này đóng trong khi dòng chảy dang chảy với vận tốc lớn. Do vậy van phải có đủ sức nặng, lực đóng phải lớn và phải luôn ở trạng thái sẳn sàng làm việc. Trường hợp van đặt sau ống thép lộ thiên thì cần phải tác động nhanh (đóng từ 2 - 3 phút); còn nếu đường ống áp lực dặt trọng đập bêtông trọng lực hoặc trong đường hầm có áp thì van không đòi hỏi phải là van đóng nhanh. Van sự cố có thê là van phẳng, van cung van đĩa hoặc van cầu (các van này đã có đề cập ở phần I - phần thiết bị thuỷ điện). - Van sửa chữa dùng để đóng khi dòng nước tỉnh lặng, vì vậy nó không cần phải có lực đóng mở lớn và cũng không cần phải đóng nhanh. Trường hợp cột nước tương đối thấp, cửa van có thể dùng dạng phai độc lập. Hình (10-6) sau đây trình bày cấu tạo của một cửa van phẳng sự cố - sửa chữa. 124
Hình 10-6. Cửa van phẳng sự cố - sửa chữa. 1- dầm ngang; 2 - dầm cột đứng; 3 - dầm tựa; 4 - bản chắn nước bằng thép tấm. - Ống bình áp (hình 10-2): khi van ở vị trí đóng nếu độ sâu ngập nước của cửa van lớn khá lớn, áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên mặt trước cửa van lớn còn mặt sau van không có nước, để giảm lực kéo cửa van khi nâng cửa van cần loại bỏ độ chênh áp lực thuỷ tĩnh nầy. Để làm việc này người ta tháo nước từ thượng lưu qua ống 8 vào sau van để cân bằng áp lực nước tĩnh trước và sau van, sau đó mới nâng van. X. 2. 3. Thiết bị nâng hạ và vận chuyển Để đóng mở, tháo lắp các lưới chắn rác và cửa van các loại và tiến hành dọn rác trên lưới chắn rác cần phải có thiết bị đóng mở và nâng hạ vận chuyển. Thiết bị này có hai dạng: thiết bị đặt cố định dùng riêng (như tời điện, cầu trục, nâng thuỷ lực) và thiết bị di động dùng chung cho một số khoang (như cầu trục cổng). 125
1. Cầu trục di động Cầu trục di động, dùng chung để nâng chuyển các lưới chắn rác và các cửa van, phai khi số khoang lấy nước nhiều. Cũng có thể bố trí một cầu trục phục vụ riêng cho van sửa chữa-sự cố một cầu trục dùng chung cho các lưới chắn rác và van sửa chữa. Nếu van sửa chữa-sự cố có yêu cầu đóng nhanh thì ngoài cầu trục chung còn phải đặt thêm cầu trục tĩnh tại cho từng khoang và trang bị hệ thống điều khiển từ xa hoặc tại chỗ nhằm để đóng nhanh khi sự cố, còn tháo lắp thì vẫn phải dùng cầu trục chung. Hình 10-7. Cầu trục cổng Hình (10-7) là cầu trục cổng có sức nâng 500 tấn, nhiệp 20 m, do Liên xô chế tạo. Cầu trục gồm khung thép 1, xe kéo tải 3 chạy trên ray của cầu 2. Móc chính 4 để nâng hạ vật nặng chính, móc 5 nâng hạ vật nhẹ hơn. Để di huyển cầu trục đến nơi cần thao tác, cầu trục được trang bị các bánh xe lăn 10, lăn trên ray chôn sẵn dọc tuyến. lăn. 2. Thiết bị nâng hạ tĩnh tại Khi chỉ có một hoặc hai khoang lấy nước thì nên sử dụng các thiết bị nâng hạ đặt tĩnh tại, dùng riêng cho từng khoang lấy nước. Loại này có thể là tời điện, cầu trục (cầu trục xem ở phần Nhà máy) hoặc máy nâng thuỷ lực. Thiết bị tĩnh tại chỉ có thể dùng trong thao tác nâng hạ tại khoang, khi cần đưa đi sửa chữa nơi khác cần phải dùng cầu trục di động trên. Các thiết bị dùng đóng mở cố định thường dùng tời điện hoặc máy nâng thuỷ lực , có tốc độ nâng hạ từ 0,2 đến 2 m/s.Trường hợp dùng van đóng nhanh thì tốc độ nâng hạ có thể đạt (8 - 10) m/s. Hình (10-8) trình bày máy nâng thuỷ lực sự cố-sửa chữa và sơ đồ động của nó. Máy nâng thuỷ lực là một xi lanh 1 đặt trên gối tựa 2, 3 chôn trong bê tông, đặt phía trên thiết bị cần thao tác. Đầu dưới của cần pít tông nối với van hoặc lưới 17 bởi cơ cấu nối. 126
Hình 10-8. Máy nâng thuỷ lực và sơ đồ hoạt động. Việc nâng van được tiến hành nhờ áp lực dầu (thường áp lực dưới 40 atmốt phe) từ thiết bị dầu áp lực qua van điều phối 4 đưa vào bên dưới xi lanh 1 để đẩy trục nâng 18 kéo van lên. Để hạ van ta tháo dầu về thùng chứa 14, nhờ trọng lượng van hạ xuống, trường hợp cần lực đóng lớn thì kết hợp áp lực dầu đẩy từ trên xuống. Máy nâng thuỷ lực ngày nay đã chế tạo đạt đến sức nâng 900 tấn. X. 3. CÔNG TRÌNH LẤY NƯỚC MẶT (LẤY NƯỚC KHÔNG ÁP) X. 3. 1. Đặc điểm làm việc của cửa lấy nước mặt và việc chọn vị trí cửa lấy nước Cửa lấy nước mặt của TTĐ đường dẫn thường được xây dựng ở miền núi trên các con sông có độ dốc lớn và tốc độ chảy lớn. Những con sông này vào mùa lũ mang theo nhiều bùn cát, về mùa kiệt thì lại thì lại rất ít nước, có khi không đủ nước cho TTĐ. Bởi vậy cần phải đưa vào đầu mối các đập dâng và đập tràn. Khi xây dựng các các công trình đầu mối này chế độ dòng chảy tự nhiên của sông bị thay đổi; đáy trước đầu mối bị bồi lấp dần khi lũ về mực nước dâng cao cuốn cả những hạt cát đáy vào cửa lấy nước. Ở hạ lưu công trình đầu mối lòng dẫn bị xói lở làm giảm mực nước hạ lưu. Cần phải tính đến những thay đổi trên khi thiết kế cửa lấy nước. Thường người ta xây dựng các công trình chỉnh trị (như đê hướng dòng ..v.v..) để hướng dòng nước trong vào cửa lấy nước, làm bể lắng cát để thu cát có kích thước nguy hiểm và tháo đi nơi khác tránh làm hỏng thiết bị qua nước của turbine. Đặt cửa lấy nước mặt ở bờ lõm để lấy nước trong. X. 3. 2. Các kiểu và kết cấu của cửa lấy nước mặt Có thể chia cửa lấy nước mặt làm ba loại: Cửa lấy nước đặt bên bờ, cửa lấy nước đặt chính diện dòng chảy và cửa lấy nước lưới đáy. 1. Cửa lấy nước đặt ở bờ Hình (10-9) trình bày các loại cửa lấy nước đặt ở bờ sông. 127
Hình 10-9. Một số sơ đồ cửa lấy nước bờ không áp. 1- cửa lấy nước; 2- ngưỡng; 3- cửa van lỗ xói cát; 4- hành lang xói đáy; 4a- hành lang nhận cát; 5- trụ thượng lưu; 6- lưới; 7, 8- cửa van cửa lấy nước; 9- van xói cát; 12- đập tràn; 13- đập dâng; 14- kênh dẫn - Cửa lấy nước có hành lang xói rữa cát ở đáy (hình 10-9,a, δ). Hành lang xói rữa bùn cát đặt bên dưới ngưỡng lấy nước để tháo bùn cát về hạ lưu, còn nước trong được dẫn qua ngưỡng về đường dẫn. Đây là loại được dùng phổ biến do hiệu quả rữa bùn cát trước ngưỡng lấy nước cao. Hành lang đáy có thể chạy thẳng (sơ đồ δ) hoặc chảy vòng như (sơ đồ a). Việc tạo dòng chảy xoáy trong hành lang (sơ đồ δ) nâng cao hiệu quả xói rữa bùn cát khi chiều dài hành lang ngắn và tiết kiệm nước xả. - Cửa lấy nước có hành lang thu cát (hình 10-9,b). Đây là dạng cải tiến của loại trên, cửa vào của hành lang thu cát được đặt ở vùng tập trung cát đáy. Khi bề rộng cửa lấy nước nhỏ (dưới 6 m) thì nên đặt chúng trong trụ thượng lưu (tường hướng dòng), khi lớn hơn 6 m thì đặt chúng ở cả trụ thượng lưu và ở ngưỡng cửa lấy nước. Khi lượng bùn cát ở trước cửa vào kênh dẫn nhiều thì hoặc là xây dựng bể lắng cát hoặc làm rãnh thu và dẫn cát vòng 10 (sơ đồ b) để thu và tháo bùn cát. Hành lang dạng vòng (bình đồ) tạo nên dòng chảy vòng hướng ngang nâng cao khả năng rữa bùn cát. - Cửa lấy nước bờ không có hành lang tháo cát ở ngưỡng (hình 10-10,a). Đây là hình thức kết cấu đơn giản nhất trong các loại cửa lấy nước bờ. Bùn cát lắng đọng ngay trước ngưỡng cửa lấy nước 2 và được tháo qua lỗ tháo 3 khi mở van tháo cát. Hiệu 128
quả tháo cát của loại này yếu, để tránh bùn cát tràn vào cửa lấy nước khi tháo cát thì phải nâng cao ngưỡng lấy nước so với đáy sông. Hình 10-10. Một số sơ đồ cửa lấy nước. a) Cửa lấy nước bờ không có hành lang tháo cát ở ngưỡng (ngưỡng đặc): 1- cửa lấy nước; 2- ngưỡng lấy nước; 3- lỗ tháo cát; 4- đập tràn; 5- kênh dẫn; 6, 7- hệ thống hướng dòng. b) Cửa lấy nước chính diện: 1- ngưỡng lấy nước; 2- lỗ tháo cát đáy; 3- đập tràn; 4- tường hướng vòng; 5- kênh dẫn; 6- thiết bị hướng dòng. Để chống bùn cát đáy vào cửa lấy nước, một biện pháp hữu hiệu là đặt các hệ thống hướng dòng và hướng dòng đáy (hình 10-10); hướng dòng nước trong về cửa lấy nước và hướng bùn cát đáy về cửa xả cát.. Kích thước các tấm hướng có thể lấy như sau: γ = 10 -130, a = (0,7 - 1,1) h, lL = (0,9 - 3) h, hL = (0,14 - 0,67) h, β = 16 - 200. Chiều cao và chiều rộng của hành lang xói rữa bùn cát và hành lang thu cát được xác định qua tính toán và không lấy nhỏ hơn 0,5 - 0,7 m. Khi trong bùn cát có chứa cuội sỏi lớn thì tốc đọ dòng chảy trong hành lang xói rữa lấy không nhỏ hơn 4 - 6 m/s. Đáy và tường bên để tránh khỏi bị bùn cát cào xước cần được lót bằng đá gơranit, bằng các tấm gang hoặc bằng thép tấm, thậm chí ở những chỗ có dạng vòng còn dùng vật lót hai lớp để bảo vệ. 2. Cửa lấy nước đặt chính diện Cửa lấy nước chính diện là loại cửa lấy nước đặt thẳng góc với hướng dòng chảy của sông. Trong loại này phổ biến nhất là cửa lấy nước hai tầng có tường hướng vòng (hình 10-10,b ở trên) tầng trên lấy nước mặt đưa vào kênh dẫn còn tầng dưới tháo bùn cát đáy về hạ lưu. Ngưỡng cửa lấy nước 1 dặt vuông góc với hướng dòng chảy sông. Để tránh gây sự co hẹp dòng chảy và sinh vùng phểu nước ở đoạn tiếp giáp giữa ngưỡng và kênh dẫn người ta kéo dài các tường phân cách 4 thành tường hướng vòng. So với của lấy nước bờ đã trình bày ở trên thì do tầng tháo bùn cát bên dưới thẳng, do vậy bùn cát khi tháo không bị khuấy đục tầng nước trong bên trên. Nhược điểm của cửa lấy nước chính diện hai tầng là làm co hẹp tuyến đập tràn, đối với lòng sông hẹp thì nhược điểm này gây khó khăn cho việc tháo vật nổi như rác rưởi và cây trôi ...; nhược điểm nữa là kết câu cửa lấy nước loại này phức tạp hơn. 129
3. Cửa lấy nước lưới đáy Hình 10-11. Cửa lấy nước lưới đáy. Cửa lấy nước lưới đáy được dùng ở các đoạn sông miền núi có lưu lượng thay đổi nhiều và mang nhiều bùn cát. Cửa lấy nước này là một đập thấp, bên trong thân đập bố trí hành lang nhận nước, có lưới dậy bên trên 5 (hình 10-11). Nước qua lưới chảy vào hành lang nhận nước, rồi dồn về ngăn 10 có tràn bên 12 để tháo nước thừa về lại sông, sau đó qua van điều tiết lưu lượng 13 chảy vao kênh dân 15. Cao trình ngưỡng của đập lấy nước 5 lấy cao hơn đáy sông 1- 2 m, hoặc 3 - 5 m (nếu có bể lắng cát trong thành phần đầu mối và bể lắng đặt ở sau van điều tiết 13). Lưới chắn rác đậy trên hành lang nhận nước làm bằng các thanh thép ở dạng phân đoạn tháo lắp được với chiều rộng 1 - 2 m, còn chiều dài được xác định từ lưu lượng cần lấy. Để giảm lượng rác đọng trên lưới nhận nước cần chọn hình dạng và khoảng cách thanh lưới thích hợp. Trong nhiều trường hợp, trên lưới mịn còn đặt thêm tầng lưới thô để chịu va đập của từ các hòn đá lớn. Khoảng các giữa các thanh lưới thô lấy 5 - 10 cm. Độ nghiêng của lưới theo chiều giảm xuống hạ lưu là 0,1 - 0,2 để bùn cát đáy dễ dịch chuyển trên lưới. Đáy hành lang nhận nước cần có độ dốc đủ để vận chuyển bùn cát qua lưới. Việc tháo bùn cát trước khi đưa nước vào kênh được tiến hành qua hành lang tháo cát 14. 130