THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG BỘ MÔN KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC

Chương 1 : Tổng quan. Chương 2 : Tài nguyên nước và quy hoạch

khai thác.

Chương 3 : Các phương pháp khai thác năng

PGS. TS. NGUYỄN THỐNG

Email: nguyenthong@hcmut.edu.vn or nthong56@yahoo.fr

lượng nước. Chương 4 : Điều tiết hồ chứa thuỷ điện. Chương 5 : Đập dâng & công trình tháo lũ. Chương 6 : Công trình lấy nước và dẫn nước. Chương 7 : Tháp (giếng) điều áp. Chương 8 : Đường ống áp lực & hiện tượng

nước va.

Web: //www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong/

Chương 9 : Nhà máy Thuỷ điện.

2

4/4/2013

1

Tél. (08) 38 640 979 - 098 99 66 719

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Nối đỉnh

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác TÀI NGUYÊN NƯỚC & KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG

ĐỊA HÌNH Tiểu lưu vực

TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN I. Ranh giới lưu vực đến v/trí S

s1

LƯU VỰC

1. TÀI NGUYÊN NƯỚC - Địa hình. - Thuỷ văn. 2. HẠNG MỤC CÔNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN - Mô tả tổng quát. - Tính chất cơ bản. - Năng lượng.

Đường dốc nhất

S

(km2) (tỷ lệ 1/50000)

3

4

GIỚI HẠN MỘT LƯU VỰC

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác LƯU VỰC: Diện tích thu nước rơi về đến một vị trí

TRẮC DỌC DÒNG CHẢY : Đường trung vị C của thoát nước S mặt thoáng tự do với lưu lượng Q cho.

Z z - Giới hạn bởi các đường nối đỉnh địa hình, đường có độ dốc lớn nhất tại vị trí nối điểm thoát nước. m Độ dốc i=dz/dS (m/km) (0.1  50) Phổ biến độ dốc giảm khi về hạ lưu - Diện tích Sb gia tăng khi vị trí S di chuyển về hạ lưu. - Sb được xác định từ bản đồ có tỷ lệ 1/50000  S 1/200000. 0 s C M(s,z) Sb<10-50 km2 C

5

6

Sb>1000 km2 S

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

1

- Đơn vị sử dụng km2 :  Lưu vực bé :  Lưu vực trung bình : 10-50km2

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác  Lưu lượng Q: thể tích nước đi ngang qua một diện tích ướt trong đơn vị thời gian (s).

 Lưu lượng trung bình ngày: Thể tích

THUỶ VĂN Nghiên cứu về nước trong thiên nhiên về các yếu tố: cường độ, phân bố, chu kỳ (trên mặt đất và dưới đất)

nước 24h / 86400.

 Lưu lượng trung bình tháng: Thể tích

 Cường độ mưa (mm/h, l/s/ha). Thấm vào đất.  Bốc hơi.

nước tháng/Thời gian tháng.  Module dòng chảy qm(l/s/km2) qm=Q0/Sb (Q0: lưu lượng trung bình năm

7

8

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

lưu vực, Sb diện tích lưu vực)

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Ví dụ vùng Vu Gia-Thu Bồn : qm = 40  90

l/s/km2).

Qi (m3/s)

Q(t)

 Xét lưu vực 200km2, lưu vực có qm=60l/s/km2  Lưu lượng Q0 của khu vực là:

T(th)

CHUỖI DÒNG CHẢY THEO THỜI GIAN Qm (m3/s)

0 Ti

Q0 =200*60/1000 = 12m3/s (Q0 lưu lượng trung bình năm)

9

10

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

• Nếu xét Q là lưu lượng dòng sông  ý nghĩa vật lý  Q >=0 (ngoại trừ trường hợp dòng chảy có ảnh hưởng của thủy triều).

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

CHUỖI LƯU LƯỢNG CỘNG DỒN W(t) p=0.1% (tần suaát xuaát hieän)

p=0.2% • DÒNG CHẢY LŨ Qmax-p=0.1% Q (m3/s) Qmax-p=0.2% p=5% T (h) Qmax-p=5% 0 Chú ý: Đường luôn luôn tăng hoặc nằm ngang vì Qi>=0 W (m3) tan(α)=ΔW/ ΔT =Qi T(th) 0

ĐẶC TRƯNG: - Lưu lượng đỉnh lũ. - Tổng thể tích trận lũ. - Dạng đường dòng chảy lũ. - Thời gian kéo dài trận lũ.

12

11

Ti

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

2

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

ẢNH HƯỞNG

Thượng lưu

ĐẬP

LƯU LƯỢNG CHẤT RẮN (khối lớn, sỏi, sạn, cát, bụi min…)

MNDBT

Hồ chứa

Bùn cát lắng đọng

sau N năm

 Vận chuyển đáy.  Vận chuyển lơ lửng. Nguyên nhân gây cạn hồ chứa  giảm thể tích

Hạ lưu

ĐÁY HỒ

hửu ích !

Thể tích bùn cát lắng đọng Vết nứt

 Tác động xấu đến tuổi thọ tuabin !  Nghiên cứu lý thuyết khó vì có nhiều yếu tố khó xác định can thiệp vào hiện tượng  nghiên cứu thực nghiệm.

13

14

Màng chống thấm

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

“Lưỡi” bùn cát

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác HẠNG MỤC CÔNG TRÌNH CHÍNH DỰ ÁN THUỶ ĐIỆN Tổng quát gồm 4 hạng mục theo trình

tự đi qua của nước:

 Đập dâng, CTTL… (tuyến áp lực);  Công trình lấy nước;  Công trình dẫn nước (tuyến năng

lượng);

15

16

PGS. TS. Nguyễn Thống

 Nhà máy TĐ  Trạm biến thế. PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY ĐIỆN ĐẠI NINH Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

17

18

(Lưới chắn rác)

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

3

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác (Trạm tăng áp)

19

20

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

B

Bể áp lực Kênh dẫn

Hồ

Đường ống áp lực

MẶT BẰNG

ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CÔNG SUẤT SẢN XUẤT PHỤ THUỘC VÀO CỘT NƯỚC H VÀ LƯU LƯỢNG Q CHẢY QUA TUABIN.

Đập

F

Cửa lấy nước NMáy

A

S

A

A/2g và (ZA>>pA/γ + V2

A/2g)

Kênh hạ lưu

TRẮC DỌC

F

S

21

22

Mặt chuẩn

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

Cột nước tổng : Ht =ZA-ZF Công suất thiên nhiên: Pt =gQ(HA-HF) Với HA=ZA+pA/γ + V2  Pt = gQ(ZA-ZF) = gQHt watt Nếu Pt là kW, Q là m3/s và Ht là m: Pt = 9.81QHt kW

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

CỘT NƯỚC HỬU ÍCH Hhi

 Tổng tổn thất đường dài: hầm, áp lực

CỘT NƯỚC HỬU ÍCH Hhi Đó là cột nước địa hình và trừ đi tất cả các tổn thất năng lượng dòng chảy (đường dài và cục bộ) khi di chuyển từ:

Tổng tổn thất cục bộ: chắn rác, tiết diện đổi đ/ngột, đổi phương d/chảy

Đường năng lượng

 cửa lấy nước  đi qua đường dẫn  đường ống áp lực và đến trước tuabin.

TRẮC DỌC

F

24

23

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

4

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

CÔNG SUẤT CÓ ÍCH TẠI MÁY PHÁT

 Pe = tPt = tgQHt (Watt) Với t chỉ hiệu suất tổng của NM, phụ thuộc vào: - Mất năng khi dòng chảy đi từ hồ đến NM

(58%)

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác CHÚ Ý CÔNG SUẤT CÓ ÍCH THIÊN NHIÊN TRƯỚC TUA BIN P1 = gQHhi (watt) CÔNG SUẤT CÓ ÍCH SAU MÁY PHÁT

= tuabin mayphat gQHhi (watt)

25

26

Trong trường hợp tính theo Hhi: Pe = tuabin mayphat *P1 PGS. TS. Nguyễn Thống

- Mất năng do tuabin (515%) - Mất năng do máy phát (13%). t dao động trong khoảng 76%88%. Với t trung bình là 82%, ta có:  Pe = 8QHt (kW) PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

MẤT NĂNG LƯỢNG ĐƯỜNG DÀI

Bài tập 1. Dự án thuỷ điện có các thông số

• Manning (kênh):

sau:

• Hazen-Williams (hầm):

- Cột nước địa hình (tổng): Ht =300 m. - Lưu lượng qua tua bin: Q=50 m3/s. a. Xác định công suất thiên nhiên (MW). b. Giả sử hiệu suất tổng NM là t=0.80. Tính

công suất phát ra từ NM (MW).

Với : hệ số mất năng đường dài, L: chiều dài, D (b/k thủy lực khi là kênh),d: đường kính, V: vận tốc trung bình, Q: lưu lượng, CHW tham số, dh1: mất năng.

27

28

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Bài tập 2. Lấy lại số liệu bài 1. NM có đường hầm đường kính 4m, dài 5km. Đường ống áp lực đường kính 3m dài 500m.

Bài tập 3. Lấy số liệu bài 1 với đường dẫn nước là kênh hình thang dài 5km có độ dốc i=0.001 (giả thiết chảy đều). Đường ống áp lực d=3m và dài 500m.

a. Tính mất năng trong đường ống áp lực tính theo Hazen-Williams với CHW=130.

a. Xác định tổn thất năng lượng trong đường hầm và đường ống áp lực theo Manning với 1=10-2 cho đường hầm với 2=0.8*10-2 cho đường ống áp lực.

b. Tính cột nước hiệu ích. c. Công suất phát ra từ NM, cho biết hiệu

b. Tính cột nước hiệu ích và công suất hửu ích (MW) cuối đường ống tương ứng.

suất tổng của máy phát & tuabin là =0.85.

29

30

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

5

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

CÔNG SUẤT LẮP MÁY PI

thủy

 Công suất lắp đặt trong nhà máy điện (Powerhouse).

Công suất lắp máy:  Pi = gQmaxHtt (W) Qmax: lưu lượng lớn nhất qua NM. Htt : cột nước tính toán. Htt  được xác định là hàm của cột nước hiệu ích trong cả chuỗi điều tiết (xem sau).

: tích hiệu suất tuabin & máy phát.

31

32

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác CỘT NƯỚC TÍNH TOÁN KINH NGHIỆM

(1) (2)

Giá trị tham khảo của : = tuabin . mayphat tuabin = 0.85  0.94 mayphat = 0.95  0.98

CHÚ Ý: • Hhi_min < Htt < Hhi_max • (2) dùng khi dao động mực nước hồ bé

33

34

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

NĂNG LƯỢNG CỘNG DỒN E

E =P(watt).t(s) (joule=watt-seconde)

Note: - Htt < Hhi_max = MNDBT – MNHL – dhmax (hồ chứa đầy, MNDBT, Qmax tổn thất

max  Hhi_max).

- Htt> Hhi_min = MNC - MNHL – dhmax (mực nước hồ nhỏ nhất, MNC, Qmax mất

năng max  Hhi_min).

 TRONG THỰC TẾ SẢN XUẤT  Htt XÁC

Theo định nghĩa: Với E= P.t /1000/3600 (kWh). Công suất thiên nhiên: Pt=9.81QHt (kW) Giả thiết Ht không đổi trong khoảng thời gian T(s). Năng lượng E trong khoảng t/gian T(s) là:

ĐỊNH TỪ BÀI TOÁN KINH TẾ.

35

36

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

6

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

S =400km2.

Ht = 500m

Bài tập 4. Một dự án thuỷ điện có các tham số: - Lưu vực : - Module dòng chảy : qm =60 l/s/km2. - Cột nước tổng : a. Tính lưu lượng trung bình Q0 dòng chảy và

thể tích nước đến hồ trong 1 năm.

b. Tính gần đúng năng lượng tích trử trong 1 năm (Etb, tr.kWh), giả thiết hiệu suất tổng NM là 0.74.

37

38

Vu thể tích nước vào hồ từ 0 (s)  T (s). Tính E theo kWh: Giả thiết hiệu suất tổng NM t=0.74 ta có: Ý nghĩa: Với Vu=1m3 nước chứa ở cao độ Ht=500m so với mặt chuẩn sẽ phát ra năng lượng E=1 kWh.

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

SỐ GIỜ CHẠY CÔNG SUẤT LẮP MÁY (T)

KHẢ NĂNG ĐIỀU TIẾT CỦA HỒ  = Whi/Va (01)

 < 12%

T=Eanuelle/Pi (h) Eanuelle: năng lượng trung bình hàng năm Pi: công suất lắp MN NM trung bình & lớn : (3500h4200h). NM nhỏ : ( 5000h(?) > T >4000h). Nhận xét: T > 6000h  Có thể lắp thêm công suất  mở

Whi dung tích hữu ích hồ (niv. Min  niv. Max). Va thể tích nước đến hồ TB trong 1 năm. - Hồ điều tiết ngày : - Hồ điều tiết tuần, tháng:  : 1-2%5-6% - Hồ điều tiết năm - Hồ điều tiết nhiều năm

 : 5-6%12-14%  >12-14%

rộng NM

39

40

T < 3000h  NM có công suất lắp “thừa !!!” PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Bài tập 5. Dự án TĐ có các tham số sau: Q0 = 90m3/s - Lưu lượng TB : - Cột nước tính toán : Htt = 120m. a. Giả thiết hiệu suất tổng là =0,74, tính gần

Qa lưu lượng TB (m3/h).

đúng năng lượng TB năm khi lấy Ht=Htt.

THỜI GIAN LÀM ĐẦY HỒ (TÍCH NƯỚC) Tr =Vu/Qa (h) Vu dung tích hữu ích (m3) 1. Tr < 2 h : NM máy chạy theo lưu lượng

b. Giả thiết số giờ chạy công suất lắp máy là

thiên nhiên.

4200h, tính công suất lắp máy Pi(MW).

2. 2h

c. Giả thiết hiệu suất của tuabin & máy phát là

tiết ngày, tuần).

t=0.80, tính lưu lượng max Qmax(m3/s).

3. Tr > 400 h : NM với hồ (điều tiết tháng, năm,

d. Cho biết dung tích hữu ích hồ là 350 tr.m3.

nhiều năm).

41

42

PGS. TS. Nguyễn Thống

Tính  hồ. PGS. TS. Nguyễn Thống

7

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Số liệu: Xem Nang luong_lap bang.xls

T 1 2 3 4 5 6

Bài tập 6. Một dự án TĐ có: - Đường hầm d=4m,dài 4km - Đường ống áp lực d=2.8m dài 250m. Mất năng lượng tính theo H-W có CHW=100 cho đường hầm và 120 cho đường ống:

H(m) 380 375 370 365 360 355

Q(m3/s) 60 55 30 20 15 10

T 7 8 9 10 11 12

Cho biết: - Hiệu suất tuabin & máy phát là t = 0.833 - Công suất lắp máy Pi =144 Mw Cột nước tự nhiên H và lưu lượng Q theo thời

gian xem bảng sau (1 tháng có 30 ngày).

H 340 345 390 390 390 390

Tính năng lượng năm (tr.kWh).

44

43

Q 9 20 40 45 70 70

PGS. TS. Nguyễn Thống

PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác

Hướng dẫn:

Hướng dẫn: Cột nước hữu ích Hhi

45

Ntn 209.3 191.2 106.9 71.0 52.7 34.7 dh1 4.92 4.19 1.36 0.64 0.38 0.18 dh2 19.42 16.53 5.39 2.54 1.49 0.71 Nkhanang 174.4 159.2 89.1 59.1 43.9 28.9 dh 24.34 20.72 6.75 3.19 1.87 0.88 Nthuc 144.0 144.0 89.1 59.1 43.9 28.9 Hhi 355.7 354.3 363.2 361.8 358.1 354.1 E 103.7 103.7 64.1 42.6 31.6 20.8 dh1 12.00 0.64 2.32 2.89 6.54 6.54 Ntn 28.9 67.1 148.5 165.9 245.6 245.6 dh2 0.58 2.54 9.17 11.40 25.82 25.82 Nkhanang 24.1 55.9 123.7 138.2 204.6 204.6 dh 12.58 3.19 11.49 14.29 32.37 32.37 Nthuc 24.1 55.9 123.7 138.2 144.0 144.0 Hhi 327.42 341.81 378.51 375.71 357.63 357.63 E 40.2 89.1 99.5 103.7 103.7 46

PGS. TS. Nguyễn Thống

17.3 PGS. TS. Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Qưy hoạch khai thác

47

PGS. TS. Nguyễn Thống

8