Nghiên cứu giải pháp giảm áp suất chân không trong ống hút của nhà máy thuỷ điện ngầm bằng kết cấu khe hẹp tại tháp van - TS. Nguyễn Văn Sơn

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIẢM ÁP SUẤT CHÂN KHÔNG TRONG ỐNG HÚT<br /> CỦA NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN NGẦM BẰNG KẾT CẤU KHE HẸP TẠI THÁP VAN<br /> <br /> TS. NGUYỄN VĂN SƠN, BỘ MÔN THUỶ ĐIÊN VÀ NLTT - TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI<br /> <br /> <br /> Tóm tắt: Dạng nhà máy thuỷ điện ngầm, có đường dẫn thoát nước hạ lưu kéo dài. Khi<br /> cắt tải đột ngột áp lực nước va âm rất lớn gây ra áp suất chân không ở hạ lưu tổ máy, do đó<br /> phải bố trí tháp van hạ lưu để giảm áp lực nước va âm, nhưng do mực nước trong tháp dao<br /> động mạnh cũng làm giảm áp lực và gây ra áp suất chân không trong ống hút ở hạ lưu tổ<br /> máy. Để giải quyết vấn đề đó, nội dung của nghiên cứu là thông qua sử dụng phần mềm<br /> Transients V7.0 phân tích đưa ra giải pháp kết cấu khe hẹp và tính toán tìm ra kích thước kết<br /> cấu khe hẹp hợp lý. Kết quả nghiên cứu áp dụng cho trạm thuỷ điện Huội Quảng đáp ứng<br /> được yêu cầu hạn chế độ chân không trong phạm vi cho phép và phù hợp với kết cấu khe van<br /> va cửa van.<br /> Từ khoá: Áp suất chân không;Cao trình lắp máy tuốc bin Chế độ chuyển tiếp; Áp<br /> lực nước va; Tổn thất thuỷ lực.<br /> <br /> <br /> 1/ Đặt vấn đề.<br /> Hiện nay ở nước ta, cùng với sự phát triển kinh tế, số lượng các trạm thuỷ điện tham gia<br /> cung cấp điện cho hệ thống điện ngày càng nhiều, trong đó có một số trạm thuỷ điện có kết<br /> cấu dạng đường dẫn áp lực dài, nhà máy ngầm, đường dẫn thoát nước hạ lưu chảy có áp và có<br /> chiều dài lớn. Do đặc điểm của các trạm thuỷ điện dạng này có đường dẫn thoát nước hạ lưu<br /> chảy có áp có chiều dài lớn, nên quán tính của dòng chảy rất lớn. Do quán tính của dòng chảy<br /> lớn, nên khi cắt tải các tổ máy thuỷ điện sẽ phát sinh áp lực nước va âm rất lớn, gây ra áp suất<br /> chân không ở vị trí cửa ra của bánh xe công tác tuốc bin. Khi áp suất chân không vượt qua<br /> 10m (Hck-<br /> 8m).<br /> 2/ Các biện pháp hạn chế áp suất chân không phía sau bánh xe công tác tuốc bin nước.<br /> Để hạn chế áp suất chân không phía sau bánh xe công tác của tuốc bin nước chúng ta có<br /> thể sử dụng các giải pháp công trình sau.<br /> a/ Hạ thấp cao trình đặt máy tuốc bin.<br />  Giải pháp hạ thấp cao trình lắp đặt tuốc bin nhằm làm tăng áp lực tĩnh ban đầu ở phía<br /> sau bánh xe công tác của tuốc bin, khi xẩy ra chế độ chuyển tiếp áp suất phía sau bánh se công<br /> tác sẽ giảm đi một giá tri nhất định, nhưng do áp suất ban đầu đủ lớn nên độ chân không vẫn<br /> nằm trong phạm vi cho phép.<br /> Giải pháp này có ưu điểm vừa hạn chế được áp lực chân không khi xẩy ra chế độ chuyển<br /> tiếp, vừa hạn chế hiện tượng khí thực ở chế độ vận hành ổn định. Nhưng giải pháp công trình<br /> này cũng có nhiều nhược điểm làm tăng chiều dài đường dẫn áp lực thượng lưu; làm tăng độ<br /> dốc ngược của đường dẫn nước có áp hạ lưu; làm tăng chiều dài đường hầm giao thông vào<br /> nhà máy và gây khó khăn cho việc tiêu thoát nước nhà máy.<br /> b/ Xây dựng tháp van, tháp điều áp ngay sau nhà máy thuỷ điện.<br /> Giải pháp này hạn chế được áp lực nước va khi xẩy ra chế độ chuyển tiếp, nhưng do<br /> mực nước trong tháp dao động nên áp suất phía sau bánh se công tác cũng sẽ giảm đi một giá<br /> tri đủ nhỏ, nên độ chân không vẫn nằm trong phạm vi cho phép.<br /> Giải pháp này có ưu điểm vừa hạn chế được áp lực chân không khi xẩy ra chế độ chuyển<br /> tiếp, Nhưng không làm tăng độ dốc ngược của đường dẫn nước có áp hạ lưu; không làm tăng<br /> chiều dài đường hầm giao thông vào nhà máy và không tăng khó khăn cho việc tiêu thoát<br /> nước nhà máy. Nhưng giải pháp này phải xây dựng tháp điều áp có tiết diện đủ lớn để biên độ<br /> dao động của tháp đủ nhỏ nên cũng làm tăng giá thành xây dựng.<br /> c/ Xây dựng tháp van, tháp điều áp kết hợp với kết cấu khe hẹp.<br /> Giải pháp xây dựng tháp điều áp phía hạ lưu các tổ máy thuỷ điện hạn chế được áp lực<br /> nước va nhưng lại sinh ra dao động mực nước trong tháp điều áp nên cũng gây nên áp suất<br /> chân không phía sau bánh xe công tác tuốc bin. Để hạn chế được áp lực chân không khi xẩy ra<br /> chế độ chuyển tiếp, thì biên độ dao động của tháp đủ nhỏ nên tiết diện của tháp phải đủ lớn<br /> dẫn đến làm tăng giá thành xây dựng.<br /> Để giảm giá thành xây dựng tháp điều áp hạ lưu, qua nghiên cứu chúng tôi thấy nếu ta<br /> tạo kết cấu khe hẹp thông giữa tháp điều áp và đường hầm dẫn nước, do khe hẹp gây cản trở<br /> dòng chảy chảy ra, chảy vào tháp, nên sẽ hạn chế được biên đọ dao động của mực nước trong<br /> tháp điều áp và làm dao đông này tắt đi rất nhanh. Nhưng cũng chính do khe hẹp này sinh ra<br /> chênh lệnh áp lực giữa tháp điều áp và đường hầm (Khi cắt tải nước sẽ chảy từ trong tháp điều<br /> áp hạ lưu ra, nên áp lực trong tháp điều áp sẽ lớn hơn áp lực trong đường hầm) do đó cũng gây<br /> ra áp suất chân không phía sau bánh xe công tác. Qua nghiên cứu, tính toán chúng tôi thấy nếu<br /> kết cấu khe hẹp có kích thước hợp lý sẽ giảm được dao động mực nước trong tháp điều áp,<br /> nhưng độ chênh lệch áp suất không vượt qua biên độ dao động của tháp điều áp thi sẽ không<br /> làm tăng áp suất chân không phía sau bánh xe công tác tuốc bin.<br /> 3/ Cơ sở lý thuyết tính toán dao động mực nước và áp lực trong tháp van và khe hẹp.<br /> Phương trình tổn thất chảy qua khe hẹp<br /> của tháp van:<br /> Zp  H p  Q TP Q TP<br /> Phương trình liên tục<br /> n m<br /> <br /> Q<br /> i 1<br /> Pi  Q TP  Q<br /> j 1<br /> Mj<br /> <br /> Hình 1a: Sơ đồ tháp van<br /> Z P  Z0 Q TP  Q T 0<br /> F <br /> Các phương trình sóng thuận nghịch： t 2<br /> c<br /> C+： Q Pi  C Pi  H P  Trong đó:   Là hệ số sức<br /> B Li 2 gFc2<br /> <br /> C-： Q Mj <br /> H P  C Mj  kháng, F ——Tiết diện tháp van hạ lưu,<br /> B Rj t ——Bước thời gian.<br /> <br /> t<br /> Đặt w  , thông qua biến đổi giải hệ các phương trình trên ta tìm được công thức<br /> 2F<br /> tính lưu lượng tức thời chảy vào tháp van và áp lực tức thời trong đường hầm tại vị trí chân<br /> tháp van như sau:<br /> n<br /> C Pi  Z0  wQ T 0 m C Mj<br /> H  Z 0  wQT 0    <br /> QTP  P ; i 1 B Li w   QT0 j  1 B Rj<br /> w   QT 0 H P  n m<br /> 1 1 1<br /> <br /> i  1 B Li<br /> <br /> w   QT0<br />  <br /> j  1 B Rj<br /> <br /> <br /> Tiến hành tính toán trên toàn hệ thống đường dẫn theo các bước thời gian ta tìm được<br /> cả quá trình diễn biến và tìm được thời điểm và giá trị xuất hiện áp xuất chân không nguy<br /> hiểm nhất. Xem kết quả áp dụng tính toán cho trạm thuỷ điện Huội Quảng dưới đây.<br /> 4/ Kết quả tính toán áp dụng cho trạm thuỷ điện Huội Quảng.<br /> a/ Các thông số chính của thuỷ điện Huội Quảng.<br /> Mực nước dâng bình thường MND=370.0 m; MNC=368m; Mực hạ lưu (ứng với<br /> MND Sơn La) Zhl=215.0 m; Mực hạ lưu nhỏ nhất Zhl min=186.11m;<br /> Công suất lắp máy Nlm=2x250MW = 500MW; Cột nước Htt = 151,0m; Lưu lượng<br /> lớn nhất một tổ máy Qmax 1t =191,55 m3/s;<br /> Chiều dài đường hầm trước tháp L=4030m; Đường kính trong D=7,5m; Tháp kiểu<br /> viên trụ D=18m (Fth=254,34m2);<br /> Ống hút hạ lưu : L=70 m; D=7.7m; Tiết diện ngang của tháp van:=146,0 m2; Hầm<br /> tháo nước sau tháp van: L=310m; F=108 m2;<br /> b/ Các tổ hợp tính toán.<br />  Tổ hợp cơ bản 11: Cắt tải toàn bộ từ công suất tối đa ở MNC =368,0 mét, mực nước<br /> hạ lưu Zhl = 187,13m.<br />   Tổ hợp cộng tác dụng 12: Tổ máy thứ nhất đang phát công suất tối đa, tăng tải tổ máy<br /> thứ 2 đến công suất tối đa sau đó gặp sự cố cắt tải toàn bộ ở MNC =368,0 mét, mực<br /> nước hạ lưu Zhl = 187,13m.<br /> c/ Kết quả tính toán kết cấu khe hẹp hợp lý của tháp van hạ lưu của thuỷ điện<br /> Huội Quảng.<br /> Kết quả tính toán cho 2 trường hợp: Trường hợp 1 không tạo khe hẹp; trường hợp 2 tạo<br /> 2 khe hẹp cùng vị trí khe van có kích thước là 2x8x2,75= 44(m2). Kích thước này phù hợp với<br /> kích thước bố trí khe van hạ lưu tổ máy. Cao trình nắp tuốc bin là 179,0m.<br /> <br /> Ztv max (m) Hck (m)<br /> TT Tổ hợp Không có khe Không có khe<br /> Khe hẹp 44m2 Khe hẹp 44m2<br /> hẹp hẹp<br /> 1 11 170.9 172.3 170.9(-8.1) 172.2(-6.8)<br /> 2 12 170.5 172.0 170.5(-8.5) 171.9(-7.1)<br /> Từ kết quả tính toán ta thấy phương án có kết cấu khe hẹp đã nâng được mực nước thấp<br /> nhất trong tháp van là Ztv min=170,5 mét lên 172,0 mét và giảm áp suất chân không từ -8,5mét<br /> xuống còn -7,1mét.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1: Đao động mực nước trong tháp van khi không có khe hẹp (Tổ hợp 11)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2: Dao động mực nước trong tháp van khi có khe hẹp (Tổ hợp 11)<br />  Hình 3: Phân bố áp lực dọc theo đường hầm tháo nước phía hạ lưu nhà máy<br /> khi không có khe hẹp (Tổ hợp 11)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4: Phân bố áp lực dọc theo đường hầm tháo nước phía hạ lưu nhà máy<br /> khi có khe hẹp 2x8x2,75m2 (Tổ hợp 11)<br /> 5/ Kết luận<br /> Qua kết quả tính toán áp dụng tính toán cho trạm thuỷ điện Huội Quảng, kết quả xác định<br /> hình thức kết cấu phù hợp với các kết cấu khe van, giảm nhỏ được kích thước tháp van và<br /> giảm được áp lực chân không phía sau bánh xe công tác tuốc bin rất có ý nghĩa thực tiễn và<br /> đem lại hiệu quả kinh tế rõ ràng..<br /> Kết quả trên đây mới chỉ nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của kết cấu khe hẹp đến áp suất<br /> chân không sau bánh xe công tác trong chế độ chuyển tiếp, để có các giải pháp công trình hợp<br /> lý cần phải nghiên cứu tổng thể các giải pháp và các vấn đề khác như khí thực tuốc bin, tổn<br /> thất thuỷ lực, điều kiện thi công và các kết cấu liên quan khác.<br /> 6/ Tài liệu tham khảo.<br /> 1. E. Benjamin Wylie and Victor L. Streeter, Fluid transient, McGraw-Hill Book<br /> <br /> Company, 1967.<br /> <br /> 2. Azoury, P. H. Baasiri, M & Najm, H. , Effect of Valve-Closure Schedule on<br /> <br /> Water Hammer, ASCE, j. Hyd. Eng. , Voll 12, No 10, Oct, 1986 PP890-903.<br /> <br /> 3. Contractor. D. N. , Valve Stroking to Control Waterhammer Transients Using<br /> <br /> Dynamic Programming, Numerical Methods for Fluid Transients Analysis, New<br /> <br /> York, N. Y. , 1983, PP 77-81.<br /> <br /> 4. Martin, C. S., Transformation of Pump Turbine Characteristics for Hydraulic<br /> <br /> Transients Annalysis, 5th Int. Conf. on Pressure Surges, 1986.<br /> <br /> 5. 吴荣樵、陈鉴治，水电站水力过渡过程，北京：中国水利水电出版社，1997<br /> <br /> 6. 赖旭、杨建东、陈鉴治，调压室断面积对调节系统稳定域的影响，水利学报，19<br /> <br /> 97.8， No4。<br /> <br /> 7. 赖旭、杨建东、陈鉴治，调速器对上下游双调压井水电站稳定域的影响，武汉水<br /> <br /> 利电力大学学报，1997.10， No5。<br /> <br /> 8. 李进平、李修树，管道非恒定流摩阻损失研究，水利水电学报，2003.3， Vol<br /> <br /> 21, No 6.<br /> <br /> 9. 常兆堂、姜之琦、陈仲华，水轮机调节系统原理、试验与故障处理，中国电力出<br /> <br /> 版社，1995。<br /> <br /> 10. 蔡维由，水轮机调速器，武汉水利电力大学出版社，2000。<br /> <br /> 11. 陈嘉谋，水轮机调节系统计算机仿真，北京：水利电力出版社，1993.6。<br />