TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

ỨNG DỤNG QUI HOẠCH ĐỘNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT NĂM THEO MÔ HÌNH TẤT ĐỊNH CỦA HỒ CHỨA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN LÀM VIỆC ĐỘC LẬP APPLYING DYNAMIC PROGRAMMING TO CONSTRUCT PROGRAM ON CACULATING FOR ANNUAL REGULATION ACCORDING TO DETERMINISTIC MODEL OF INDEPENDENT – WORKING RESERVOIR HYDROELECTRIC POWER PLANT

NGUYỄN THẾ HÙNG – LÊ HÙNG Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT Tính điều tiết mực nước hồ chứa nhà máy thủy điện là một vấn đề phức tạp, việc điều tiết hợp lý tài nguyên nước trong hồ chứa có ý nghĩa hết sức quan trọng, đối với nền kinh tế quốc dân. Để nâng cao hiệu ích điện năng thì bên cạnh việc phát triển nguồn điện, trao đổi, nhập khẩu thì việc tìm được một sách lượt tối ưu vận hành hồ chứa thủy điện sẽ làm tăng sản lượng điện. Bài báo này, chúng tôi giới thiệu xây dựng mô hình toán tất định xác định chế độ vận hành điều tiết tối ưu hồ chứa làm việc độc lập, dùng phương pháp qui hoạch động để giải và lập chương trình tính bằng ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng Borland Delphi.

ABSTRACT Calculating water level regulation in reservoir for hydroelectric power plant is a complex problem. Reasonable water resources regulation in reservoir plays an important role in national economy. In order to increase electrical energy effectiveness, besides the development, exchange and import of electrical power sources, we must find out an optimization policy in opertating hydroelectric power reservoir, because it can increase the electrical energy of hydroelectrical plant. In this paper, we introduce the construction of deterministic mathematical model to determine optimum regulation of independent working reservoir, applying dynamic programming for finding its solution and establishing the programming of caculating by Borland Delphi object-oriented language program.

1. Giới thiệu

Theo phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2006 – 2015, có định hướng đến năm 2025, nhằm góp phần đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội của cả nước với mức tăng GDP khoảng 8,5% - 9% năm giai đoạn 2006 - 2010 và cao hơn, thì dự báo nhu cầu điện nước ta sẽ tăng ở mức 20% năm trong giai đoạn 2006 - 2015, đồng thời chuẩn bị phương án tăng ở mức 22% năm cho trường hợp tăng trưởng đột biến.

66

Để đáp ứng nhu cầu trên, bên cạnh việc phát triển nhập khẩu và trao đổi điện năng, nhằm nâng cao hiệu ích điện năng, tiết kiệm các nguồn nguyên vật liệu

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

hiếm, cũng như góp phần vào việc cải thiện môi trường, ngành điện, đồng thời phải tiến hành hai biện pháp: quản lý nhu cầu và nâng cao hiệu quả khai thác nguồn điện. Nếu tìm được một sách lược vận hành tốt, một trong những biện pháp có thể thực hiện mang tính khả thi cao để khai thác điện năng có hiệu quả đó là vận hành tốt các nhà máy thủy điện, có thể tăng hiệu suất về mặt điện năng năm của trạm thủy điện 2-3%. Trong bài báo nầy, các tác giả thiết lập mô hình toán và xây dựng chương trình tính toán được thiết lập cho bài toán đơn hồ với mục tiêu phát điện làm việc độc lập bằng ngôn ngữ Borland Delphi. Ứng dụng chương trình tính cho hồ chứa thủy điện EA Krông Rou, kết quả tính toán được so sánh với các phương pháp đường chỉ thẳng và phương pháp biểu đồ điều phối.

2. Mô hình toán tất định xác định chế độ vận hành tối ưu hồ chứa điều tiết năm của nhà máy thủy điện

Hàm mục tiêu được chọn là sản lượng điện năng của nhà máy thủy điện đạt cực đại ứng với trị số mức nước vận hành ở các khoảng thời gian trong năm của hồ chứa làm việc độc lập. Các điều kiện giới hạn của hồ chứa trong trường hợp này là công suất vận hành, lưu lượng qua Tuabin, giới hạn về mực nước, và một số ràng buộc tương ứng.

MÔ HÌNH TOÁN TẤT ĐỊNH XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU HỒ CHỨA ĐIỀU TIẾT NĂM CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CHO NHƯ SAU Hàm mục tiêu

(1)

Các ràng buộc: (2) Vi+1 = Vi + Wi - Wxả-i

(3)

(4)

= f3[Wxả-i/Ti]

= f2[(Vi + Vi+1)/2] (5)

(6) (7) (8) (9) (10) Zđầu = MNDBT Zcuối = MNDBT MNC Nmin Zi Ni MNDBT Ngh-i

67

) (11) Ngh = f4(

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

(12) Qmin-i Qi Qmax-i

: Điện lượng trung bình thời đoạn i (kwh); : Dung tích hồ cuối thời đoạn i (hay đầu thời đoạn i +1) (m3); : Dung tích hồ đầu thời đoạn i (m3);

Trong đó : Ei Vi+1 Vi Wxả-i : Tổng lượng nước ra khỏi hồ chứa trong thời đoạn i (m3) ; : Hiệu suất trung bình của trạm thủy điện trong thời đoạn i.  : Cột nước phát điện trung bình trong thời đoạn i (m);

: Mực nước thượng lưu trung bình trong thời đoạn i (m);

: Mực nước hạ lưu trung bình trong thời đoạn i (m);

: Cột nước tổn thất trong thời đoạn i; : Mực nước đầu chu kỳ điều tiết (m) ; : Mực nước cuối chu kỳ điều tiết (m) ;

: Công suất tối thiểu của trạm thủy điện, trong trường hợp hồ chứa

: Công suất giới hạn trạm thủy điện trong thời đoạn được xác định

: Lưu lượng nước vận hành qua Tuabin trong thời đoạn i (m3/s);

Zđầu Zcuối MNC : Mực nước chết (m); MNDBT : Mực nước dâng bình thường (m); Nmin điều tiết năm thì đây là công suất đảm bảo của trạm thủy điện (kw); Ngh-i tương ứng với các kiểu Tuabin khác nhau (kw); Qi Qmin-i : Lưu lượng tối thiểu phụ thuộc vào yêu cầu đảm bảo mức nước hạ lưu trong thời đoạn i (m3/s) ; Qmax-i : Lưu lượng lớn nhất qua Tuabin trong thời đoạn i (m3/s); t : Thời gian tính của thời đoạn i (hour).

3. Xây dựng thuật toán và chương trình tính Phương trình truy toán ngược theo lý thuyết qui hoạch động ứng dụng để

(13) cực đại giá trị hàm mục tiêu năng lượng ký hiệu E được xác định như sau: Với

: Giá trị lũy tích tối ưu điện năng của hàm mục tiêu có được khi hồ chứa từ thời điểm ban đầu Zo đến mực nước Zn,j vào cuối chu kỳ điều tiết (thời điểm n); : Giá trị điện năng khi đối tượng di chuyển từ trạng thái k

bất kỳ ở thời điểm n-1 đến trạng thái j bất kỳ ở thời điểm n; : Giá trị tối ưu điện năng sinh ra khi đối tượng di chuyển từ

68

trạng thái ban đầu Z0 đến trạng thái Zn-1 đã được xác định. - Tính toán được bắt đầu tại cuối chu kỳ điều tiết (i=n) và kết thúc tại đầu

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

- Sơ đồ thuật toán và chương trình tính được xây dựng bằng ngôn ngữ lập

chu kỳ điều tiết (i = 1) trình hướng đối tượng Borland Delphi.

Hình 1: Thuật toán tính điện năng Elt→Max

Hình 2: Chương trình tính vận hành hồ chứa NMTĐ

69

4. Ứng dụng chương trình tính công trình thủy điện Ea Krông Rou Ứng dụng chương trình đã thiết lập, tính cho công trình thủy điện EA Krông Rou và so sánh với các phương pháp đường chỉ thẳng, phương pháp biểu đồ điều phối. Các thông số công trình thủy điện EA Krông Rou: Mực nước dâng bình thường MNDBT =606(m); Mực nước chết MNC=590(m); Công suất lắp máy Nlm=28 (MW);

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

Công suất đảm bảo Nđb=7.76(MW); Lưu lượng lớn nhất qua nhà máy Qmax=6.52(m3/s); Cột nước lớn nhất Hmax=537.24(m); Cột nước nhỏ nhất Hmin = 494.2(m); Cột nước tính toán Htt = 507.0(m).

Bảng 1 : Lưu lượng dòng chảy đến (3 năm)

Năm T.1 T. 2 T.3 T.4 T.5 T.6 T.7 T.8 T.9 T.10 T.11 T.12

TB năm 1999 9.34 3.79 1.62 0.8 2.11 2.13 0.97 0.51 2.32 11.22 17.61 22.94 6.28 2000 16.96 6.89 2.89 1.56 4.39 4.35 1.88 1.26 4.49 13.83 21.22 14.88 7.88 2001 6.03 2.53 1.21 0.72 0.51 0.44 0.38 0.56 1.5 11.71 11.38 5.08 3.50

Bảng 2. Đặc tính dung tích lòng hồ

F(km2) 0 0.01 0.08 0.36 0.81 1.57 2.25 3.02 3.71 4.96 5.77 W(106m3) 0.00 0.02 0.21 1.23 4.08 9.93 19.43 32.55 49.35 70.95 97.75 620 Z(m) 570 575 580 585 590 595 600 605 610 615

Bảng 3. Quan hệ đặc tính mực nước hạ lưu Q=f(Z) Q(m3) 0 1.3 8 20.6 53.9 104 172 254 354 465 581 714 852 1022 1246 1488 1572 Zhl(m) 53.5 54 54.5 55 55.5 56 56.5 57 57.5 58 58.5 59 59.5 60 60.5 61 61.5

Kết quả tính công trình thủy điện EA Krông Rou

Bảng 4. Kết quả tính dao động mực nước hồ trong 3 năm

4 3 1 2 6 7 8

13 14 18 15 16 19

25 26 27 28 30 31 Tháng 9 10 11 12 5 MNTL (m) 606 606 605.5 604.5 604.5 604.5 603.5 597.5 590 598 606 606 Tháng 20 21 22 23 24 17 MNTL (m) 606 606 606 605.5 606 605 601 594 590 601 606 606 32 33 34 35 36 29 Tháng MNTL (m) 606 606 605.5 604.5 603 601.5 600 598 590 601 606 606

Phương pháp điều tiết theo biểu đồ điều phối 501.37

Phương pháp Đường chỉ thẳng 446.09

Phương pháp điều tiết tối ưu 508.1

Phương pháp điều tiết vận hành hồ chứa thủy điện Elt Max 106(Kwh) * Kết quả dao động mực nước hồ được biểu diễn ở hình 3

70

Bảng 5. Kết quả điện năng trong (3 năm) của thủy điện Ea Krông Rou theo 3 phương pháp

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

* Kết quả biểu diễn tính toán lưu lượng điều tiết (3 năm) trong toạ độ xiên theo các phương pháp qui hoạch động, phương pháp biểu đồ điều phối và phương pháp đường chỉ thẳng được biểu diễn ở hình 4:

Ztl(m)

t(tháng)

Đường lũy tích dòng chảy đến trong tọa độ xiên

Tia điều tiết theo Biểu đồ điều phối

Tia điều tiết theo đường chỉ thẳng

Tia điều tiết theo phương pháp QHĐ

t (tháng)

Hình 3. Biểu diễn dao động mực nước hồ chứa (3 năm) nhà máy thủy điện

71

Hình 4: Biểu diễn tia điều tiết (3 năm) trong toạ độ xiên theo 3 phương pháp

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

5. Kết luận

- Vận hành theo phương pháp qui hoạch động sẽ cho ta điện năng lớn hơn khoảng 1,3% so với phương pháp biểu đồ điều phối và 12,2% so với phương pháp đường chỉ thẳng.

- Việc vận hành xác định điều tiết theo phương pháp đường chỉ thẳng có ưu điểm là xác định lưu lượng điều tiết nhanh nhưng độ chính xác rất thấp vì mắc sai số chủ quan của người vẽ, khi vận hành theo biểu đồ điều phối nó sẽ thiên về an toàn không tận dụng khả năng tối ưu nhất trong vận hành để nâng cao hiệu suất phát điện. - Khi tính toán mực nước vận hành theo phương pháp qui hoạch động, việc kiểm tra tự động các ràng buộc sẽ loại bỏ dễ dàng các phương án không khả thi. - Tìm mực nước tối ưu của hồ chứa có khả năng làm tăng mực nước hồ và làm giảm việc hạn chế công suất do thiếu cột nước.

- Để có thế ứng dụng chương trình tính nhằm giải quyết bài toán tìm chế độ tối ưu dài hạn theo mô hình tất định trong vận hành hồ chứa thì phải dùng phương pháp hiệu chỉnh dần chế độ theo đường quá trình dòng chảy được hiệu chỉnh dần cho đến cuối chu kỳ điều tiết.

- Phải thường xuyên hơn trực đo đạc các số liệu dòng chảy trên các nhà máy thủy điện đang vận hành, để có thể biết được nhiều hơn quy luật dòng chảy, tạo điều kiện tốt cho việc khai thác vận hành hồ chứa theo phương pháp qui hoạch động.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Nhật Lệ (2001), “Tối ưu hóa ứng dụng”, NXB Khoa học và kỹ thuật”, Hà Nội [2] Phạm Phụ (1975), “Cơ sở năng lượng của trạm thủy điện”, NXB Đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà Nội.

72

[3] Mohammad Karamouz - Ferenc Szidarovsky - Banafshed Zahraie (2003), “Water resources systems analysis”, Lewis Publishers, United States of America. [4] Larry W.Mays, Yeou-Koung Tung (1992), “Hydrosystems engineering and management” McGraw-Hill, Inc, Singapore.