Chương 2: Hệ thống phát điện thủy điện

Chia sẻ: Kubin Kubin | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

236
lượt xem 85
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trọng lượng, tỷ số nén và hệ số nhớt của nước (1) Trọng lượng của nước Khối nước nở ra ...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Chương 2: Hệ thống phát điện thủy điện

Phát điện Thuỷ JE-HYO-B-01 điện CHƯƠNG II: HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN THỦY ĐIỆN I. Thủy lực học I.1 Trọng lượng, tỷ số nén và hệ số nhớt của nước (1) Trọng lượng của nước Khối nước nở ra hay co lại không đáng kể khi nhiệt độ thay đổi. Nhiệt o độ tăng lên làm cho nước giãn nở và mật độ của chúng giảm. Ở 4 C nước có 3 trọng lượng riêng bằng 1, trọng lượng của 1m là 1000 kg. Mối quan hệ giữa nhiệt độ và trọng lượng riêng của nước được thể hiện trong bảng II.1. (2) Tỷ số nén của nước Nước có tính chất nén. Áp lực bên ngoài làm khối nước co lại một chút và chúng trở lại trạng thái ban đầu khi không còn áp lực nữa. Gọi thể tích nước là "V" đặt dưới áp suất "P" ở một nhiệt độ nhất định, "V" sẽ giảm đi một lượng "∆V" khi "P" tăng "∆P", quan hệ giữa "V" và "P" được thể hiện trong công thức sau. 1 ∆V (II.1) K= V ∆P Tỷ số nén của nước được cho trong bảng II.2. Bảng II.1 Quan hệ giữa nhiệt độ và trọng lượng riêng của nước Trạng thái Đông đặc (băng) Lỏng (nước) Nhiệt độ o C -20 -10 0 0 4 10 15 20 30 50 100 3 T.L.riêng [ t/m ] 0,9408 0,9186 0,9167 0,9999 1,0000 0,9997 0,9991 0,9982 0,9957 0,9881 0,9534 Bảng II.2 Tỷ số nén của nước -6 Áp suất Tỷ số nén ( × 10 ) Áp suất khí quyển 2 o o o o (kg/cm ) Cột nước (m) 0 C 10 C 15 C 20 C 1 ~ 25 10 ~ 250 52,5 50,0 49,5 49,1 25 ~ 50 250 ~ 500 51,6 49,2 48,0 47,6 (3) Hệ số nhớt của nước Tính nhớt của nước làm thay đổi vận tốc dòng chảy theo phương vuông góc và phương dòng chảy. Ứng suất trượt tỷ lệ với sự biến thiên của vận tốc, được thể hiện trong công thức sau: dv f = µ (II.2) dy 16 Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA- EVN)
Phát điện Thuỷ JE-HYO-B-01 điện Trong đó: f: ứng suất trượt y: khoảng cách giữa các đường dòng 17 Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA- EVN)
v: vận tốc của nước “µ” là “hệ số nhớt”. Hệ số nhớt của nước được cho trong bảng II.3. Bảng II.3 Hệ số nhớt của nước Nhiệt độ Trị số “µ” o [ C] 2 (kg⋅giây./m ) 2 (g⋅giây./cm ) 0 0,0001832 0,00001832 5 0,0001547 0,00001547 10 0,0001332 0,00001332 15 0,0001162 0,00001162 20 0,0001023 0,00001023 25 0,0000912 0,00000912 30 0,0000818 0,00000818 I.2 Áp suÊt của nước Áp suất của nước được tính toán như sau. Như minh họa trên hình II.1, giả sử cột nước trong một thùng không chuyển động có chiều cao giả 2 thiết là “H”(m) kể từ mặt nước, diện tích mặt cắt đều là “A”(m ), cột nước được xem như là chịu một áp lực duy trì bằng “P”(kg) tác dụng lên đáy thùng. 3 3 Gọi trọng lượng trên một đơn vị thể tích nước bằng w (kg/m )[kgf/m ], 3 Thể tích của cột nước bằng = AH (m ) Trọng lượng của cột nước bằng = wAH (kg) Do đó, P = wAH (kg) (II.3) Trị số áp lực trung bình của nước “p” tại đáy của cột nước bằng: P 2 p= = wH(kg/m ) (II.4) A Trị số “p” cho biết áp suất của nước ở độ sâu H(m). Nên: p H= w 3 3 w = 1000(kg/m ) [kgf/m ] Vì vậy: 2 p = 1000 H (kg/m ) (II.5) 2 Khi p được cho với đơn vị là (kg/cm ), p × 10 (m) 4 H= w Mà w = 1000(kg): p w ×10 = 4 H=
p ×10 = 10p(m) 4 (II.6) 1000
Hình II.1 Áp suÊt thủy tĩnh Trị số “H” biểu thị “cột áp”. Từ biểu thức ta thấy áp suất của nước bằng 1/10 chiều cao của cột nước (đơn vị chiều cao cột nước là m), và cột nước có 2 trị số gấp 10 lần áp suất đo được ở đơn vị kg/cm . Quá trình đo áp suất của nước thường được thực hiện bằng đ ồng hồ Piezometer, hoặc các thiết bị khác tương tự. Piezometer có thể đo mức nước trong bể bằng cách lắp ghép một ống thủy tinh cố định đặt theo phương thẳng đứng “a” với một ống nối “b” tới bể nước, như minh họa trên hình II.2. Áp lực tại khớp nối "O" có thể được tính bằng P = 2 wH (kg/m ) theo công thức (II.4), do đó có thể tính được áp suất của nước. Hình II.2 Đo mức nước của bể I.3 Nguyên lý liên tục Nguyên lý liên tục của dòng chảy có thể được giải thích như sau. Xét đặc tính dòng chảy của nước được bao kín xung quanh như trên hình II.3. Nếu A1 , A2 là diện tích mặt cắt tại điểm A, B, và v 1 ,v 2 tương ứng là vận tốc trung bình tại A, B, lưu lượng qua mặt cắt trong một đơn vị thời gian là A1 v 1 tại A, và A2 v 2 tại B. Khi nước được bao quanh bằng kim
loại cứng thì thể tích nước giữa hai điểm A và B là không đổi và khi nước chảy liên tục thì không có khoảng trống nào có thể tồn tại trong đó. Do đó, nếu giả thiết mật độ của nước không thay đổi thì khối lượng nước giữa A và B là không đổi. Nếu
không có đường vào hoặc ra giữa hai điểm đó thì thể tích nước vào ở A và ra ở B luôn bằng nhau trong một khoảng thời gian nhất định. “Nguyên lý liên tục của dòng chảy ” được thể hiện qua biểu thức: A1 v1 = A2 v2 = Q (II.7) Q là trị không đổi của lưu lượng nước. Trong kênh hở, dòng chảy có một phần mặt nước tự do có thể chuyển động lên xuống nên lưu lượng nước Q không phải là không phụ thuộc vào vị trí của mặt cắt như kênh kín hoàn toàn. Tuy nhiên, nguyên lý này có thể áp dụng cho các kênh có mặt nước tự do khi mức nước và hình dạng của kênh không thay đổi. A B Hình II.3 Nguyên lý liên tục của dòng chảy I.4 Cột áp lưu tốc Khi xem xét đặc tính của dòng chảy, ngoài thế năng thì cần chú ý đến sự có mặt của động năng. Giả thiết rằng nước có trọng lượng w(kg)[kgf] đang chuyển động với vận tốc v(m/s), động năng được tính theo công thức sau: 2 w Ở đây gia tốc trọng trường: g = 9,8 (m/s ), khối lượng của nước: M (kg), g = do đó, 2 1 2 1 w 2 wv Mv = ( )v = (kg-m)[kgf-m] (II.8) 2 2 g 2g Khi mức nước tăng lên bằng h(m) và giả thiết rằng tất cả động năng chuyển thành thế năng, khi đó thế năng bằng “wh (kg-m)[kgf-m]”, Nên 2 wv wh = v= 2gh (m/s) 2g
Q h= 2g (II.9) Biểu thức này cho biết “cột áp lưu tốc” h là “cột áp” sinh ra do dòng chảy chuyển động.
I.5 Định lý Bernoulli Định lý Bernoulli là một định lý áp dụng “đ ịnh luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng” cho dòng chảy, có thể được mô tả như sau. Dòng chảy chất lỏng lý tưởng không có tính nhớt, tính co giãn và không biến đổi theo thời gian, chỉ chịu tác dụng của trọng trường thì tổng động năng, thế năng, áp năng lũy tích dọc theo dòng chảy đơn là không đổi. Đây là phát biểu của “Định lý Bernoulli”. Các thành phần sử dụng trong thủy lực học của động năng, thế năng, áp năng là như sau. 2 v : cột áp lưu tốc (đơn vị đo chiều dài) 2g p : cột áp (đơn vị đo chiều dài) w h : cột áp thế năng (đơn vị đo chiều dài) Do đó, Định lý Bernoulli’s được viết như sau. v2 p + + h = không đổi = C (II.10) 2g w Công thức trên được áp dụng cho dòng chảy chất lỏng không bị nén, không có tính nhớt, và chảy ổn định không có sự biến động nào, (II.10) còn có thể được viết lại khi xét đến sự cản trở do ma sát. Hình II.4 minh họa cho biểu thức được viết lại trong thực tế. 2 vA p 2 vB p + A + hA = + B +h =H (II.11) 2g w 2g w B
Hình II.4 Định lý Bernoulli
I.6 Tổn thất cột nước Dòng chảy trong thực tế chịu nhiều sự cản trở khác nhau, chúng có tác động làm giảm trị số của các dạng năng lượng nói trên. Đó là “tổn thất cột nước”, có thể được giải thích như sau. 3 Nếu lưu lượng của dòng chảy là Q(m /s) và tổn thất năng lượng trong một giây bằng E(kg-m) thì tổn thất dòng chảy cho một đơn vị trọng lượng/đơn vị thời gian được tính bằng E/wQ, và tổn thất loại này được gọi là “tổn thất cột nước”. Vì vậy dễ thấy rằng “tổn thất cột nước” tăng tỷ lệ với lượng nước chảy xuống. Công thức (II.11) áp dụng cho dòng chảy lý tưởng không xét đến tổn thất cột nước, ta có thể được viết lại trong công thức (II.12) sau khi thêm vào thành phần "hAB " để biểu thị tổn thất cột nước giữa hai điểm A và B được mô tả trên hình II.4. vA 2 p 2 vB p + A + hA = + B + hB + h AB 2g w 2g w (II.12)
II. Tính toán công suất của nhà máy thủy điện II.1 Công suất phát ra của nhà máy điện Công suất phát ra của nhà máy điện được quyết định bởi cột nước và trị số lưu lượng nước. Phương pháp tính toán lý thuyết công suất phát ra của nhà máy điện được tính toán như sau: (1) Công suất phát ra theo lý thuyết 3 Giả thiết trọng lượng riêng của nước bằng 1000 kg/m , H là chiều cao 3 của cột nước có đơn vị là (m) và Q là lưu lượng nước có đơn vị là (m /s). Năng lượng sinh ra trong một đơn vị thời gian được tính bằng: P = 1000QH (kgm/s) Mà 1kgm/s = 9,8j và 1kW = 1000j nên công thức này có thể được viết lại như sau: 1000QH * 9,8 P= = 9,8QH [kW] (II.13) 1000 P biểu thị trị số thủy năng lý thuyết sử dụng để chạy tua bin nước và máy phát phát điện. Công thức trên cho biết thủy năng được chuyển hóa thành cơ năng, sau đó thành điện năng. (2) Công suất phát ra của nhà máy điện Hiệu suất của tua bin η W là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào tua bin, và hiệu suất của máy phát η η là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào máy phát, công suất ra của tua bin PW (kW) và công suất của máy phát P (kW) được tính như sau: Pw = 9,8*η W *QH (kW) P = 9,8*η W *η η QH (kW) (II.14) Công suất phát ra của máy phát thường được gọi là công suất phát của nhà máy điện. Hiệu suất của tua bin và máy phát được giới thiệu sơ lược trong bảng II.4, chúng phản ánh sự phụ thuộc của công suất phát vào các nhân tố khác. Tích số “(Hiệu suất tua bin) x (Hiệu suất máy phát)” được gọi là “Hiệu suất tổng hợp” hay “Hiệu suất tổng”. Bảng II.4 Hiệu suất máy phát và hiệu suất tuabin - Các trị số gần đúng Công suất phát (kW) Hiệu suất tuabin (%) Hiệu suất Hiệu suất tổng máy phát hợp 2.000 83 (%)94 (%) 78 5.000 85 96 82
10.000 87 97 84 Lớn hơn hoặc 88,92 97 85,89 bằng 20.000
II.2 Cột nước (1) Cột nước tổng Cột nước tổng là chênh lệch về độ cao giữa mức nước vào và mức nước ra. Giá trị đọc được lớn nhất gọi là cột nước tổng cực đại. (2) Cột nước tĩnh Cột nước tĩnh là sự chênh lêch giữa mức nước của bể áp lực (hoặc bể tràn) và mức nước đầu ra của ống hút khi tất cả các tua bin ở trạng thái dừng. Mức nước đầu ra có thể được đo ở ống hút hoặc tại điểm mà đường trung tâm của vòi phun đi vào bánh xe công tác. Giá trị lớn nhất đọc được gọi là cột nước tĩnh cực đ ại. (3) Cột nước hiệu dụng Tổn thất cột nước là tổn thất do ma sát trên đường dẫn nước và các nhân tố khác như lưu lượng nước chảy xuống từ điểm lấy nước vào tới kênh thoát nước ra qua kênh dẫn và ống thép. Cột nước tổng là cột nước tổng thực tế có thể sử dụng để vận hành tua bin. Cột nước hiệu dụng được tính bằng hiệu số giữa cột nước tổng và tổn thất cột nước. Cột nước tổng và cột nước hiệu dụng được tính như sau. - Đối với tua bin xung kÝch: (Xem minh họa trên hình II.5) Cột nước tổng = [Mức nước dâng tại điểm lấy nước vào] - [Mức nước dâng ở đầu ra] - §ối với các tua bin trục ngang: Cột nước hiệu dụng = [cột nước tổng] - [tổn thất cột nước giữa điểm lấy nước vào và bể áp lực (bể tràn)] - [tổn thất cột nước giữa bể áp lực (bể tràn) và đường vào tuabin] - [chênh lệch về chiều cao mức nước dâng ở đầu ra và tại điểm mà đường trung tâm của vòi phun đi vào vòng bánh răng của bánh công tác (hoặc chênh lệch về chiều cao trung bình giữa chúng) - §ối với các tua bin trục đứng: Cột nước hiệu dụng = [cột nước tổng] - [tổn thất cột nước giữa điểm lấy nước vào và bể áp lực (bể tràn)] - [tổn thất cột nước giữa bể áp lực (bể tràn) và đường vào tuabin] -[chênh lệch về chiều cao mức nước dâng ở đầu ra và tại điểm mà đường trung tâm của vòi phun đi vào của bánh công tác]. - Đối với tua bin phản kÝch: (Xem minh họa trên hình II.6) Cột nước tổng = [mức nước vào] - [mức nước ra]
Cột nước hiệu dụng = [cột nước tổng] - [tổn thất giữa điểm lấy nước vào
và bể áp lực (bể tràn)] - [tổn thất giữa bể áp lực (bể tràn) và điểm vào tua bin] - [chênh lệch giữa mức nước của ở đầu ra của ống hút và mức nước dâng đầu ra]- [cột nước lưu tốc tại đầu ra của ống hút] Tổn thất giữa điểm lấy Cột nước Cột Cột nước vào và hiệu dụng nước nước bể tràn tĩnh tổng h l1 Hồ chứa r Reservoir Tổn thất giữa bể tràn và điểm vào tua bin H Hst Vận tốc Vận tốc tại đáy của tại điểm b ể tràn lấy nước vào Cột nước hiệu dụng Cột nước Chênh lệch giữa mức nước tổng ra và điểm mà tia trung tâm của vòi phun đi vào vòng v22 răng của bánh công tác H = H G - h l1- h 12 - h - 2.g Hình II.5 Quan hệ giữa các cột nước tổng, cột nước tĩnh và cột nước hiệu dụng (Đối với tua bin xung kÝch)
Cột nước hữu ích là cột Cột nước tĩnh Tổn thất nước tổng có thể sử Độ chênh lệch về thế giữa điểm lấy dụng trong thực tế để giữa mức nước của bể Cột nước tổng nước vào và vận hành áp lực Độ chênh lệch về bể ®iÒu tua bin. Trong đó cột (hoặc bể tràn phía thế giữa mức ¸p nước tổng là độ chênh thượng nước vào và ra l ệc h giữa mức nước lưu) và mức nước ra vào của và ra. ốn g thoát. Hồ chứa Vận tốc tại Vận tốc tại đáy của bể điểm lấy ®iÒu ¸p nước vào Tổn thất giữa bể ®iÒu ¸p và Cột nước tổng Cột nước hiệu dụng điểm vào tua bin Chênh lệch về Vận tốc 2 chiều cao giữa mức tại đầu ra nước ra của υ2 H = H G − h l1 − h l 2 − − h ống hút khỏi ố n g hút và mức 2g nước đầu ra. Hình II.6 Mối quan hệ giữa các cột nước tổng, cột nước tĩnh, cột nước hiệu dụng (Đối với tua bin phản kÝch) II.3 Tổn thất cột nước Các loại tổn thất cột nước chủ yếu được cho trong hình II.7 (1) Tổn thất tại cửa nhận nước: Tổn thất này phụ thuộc vào sự thay đổi tiết diện của cửa nhận nước từ dòng sông có tiết diện lớn hơn và các thiết bị phụ khác (2) Tổn thất trên kênh dẫn nước: tổn thất này do độ dốc và sự thay đổi vận
tốc nước trong kênh dẫn gây nên. (3) Tổn thất tại bể lắng: tổn thất tại bể chìm. (4) Tổn thất trong đường hầm áp lực: Tổn thất do độ uốn cong và ma sát. (5) Tổn thất trong đường ống áp lực: Tổn thất do ma sát và độ uốn cong của ống dẫn. (6) Tổn thất trên kênh xả: Tổn thất do độ dốc tại đầu kênh xả.
Tæn thất tại cửa nhận nước Tæn thất do sự thay ®æi về tiết diện , lưới chắ n , và tường chắ n , xuất hiện khi nước chảy qua cống lấy nư ớc.. Tổn thất phụ thuộc vào cấu trúc Đập của kênh dẫn, Tæn thất do sự thay ®æi tiết diện đột ngột tại bể lắng hoặc Cống lấy bể áp nước vào l ực. Bể lắng Kênh dẫn Đư ờng ống Tổn thất trên kênh dẫn chịu áp Tổn thất do cấu trúc miệng Bể phía trên Trạm phát điện vòm của cố n g lấy nước vào, Tổn thất trên kênh xả ma sát, Tổn thất do ma sát sự thay đổi tiết diện mặt cắt, dọc chiều dài kênh, sự độ thay đổi tiết diện mặt uống cong và độ d ốc. cắt và Tổn thất trong đường ống chịu áp do bề mặt nước dố c. Tổn thất do cấu trúc miệng vòm tại điểm chỗ lấy nước vào, do độ cong, maHìnhsự thay sát, 2.3. Tổn thất cột nước c đổi tiết diện mặt cắt và các van điều tiết ở đầu Kênh xả vào. Hình II.7 Các loại tổn thất cột nước
III. Hệ thống phát điện thủy điện Điện năng được sản xuất ra trong các nhà máy thủy điện phụ thuộc vào dung tích nước xả và cột áp. Khi nước ở các dòng sông chảy bởi độ dốc tự nhiên, hầu hết thế năng của nó bị mất đi do các hiện tượng vật lý như ma sát, va chạm và xoáy nước.v.v... Vì vậy công suất phát ra có thể lớn hơn bằng cách sử dụng hiệu quả cột nước, điều đó có nghĩa là với cùng một lượng nước thì dòng nước sẽ chảy xiết với cột nước cao. Thông thường các nhà máy thủy điện được phân loại theo các phương án tạo ra cột nước cao hơn bằng các tác động của con người.(Phân loại theo phương án tạo ra cột nước). (1) Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn Đây là phương án sử dụng cột nước giữa hồ điều tiết hoặc bể áp lực và vị trí đặt nhà máy thủy điện. Nước giữ lại được đưa qua đập xây dựng phía thượng lưu của dòng sông và dẫn tới tua bin của nhà máy thủy điện bằng một kênh dẫn dài. Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn có thể có hồ điều tiết hoặc không, chúng được minh họa trên hình II.8-(a) (2) Nhà máy thủy điện kiểu đập Đây là phương án sử dụng cột nước được tạo ra bằng cách xây dựng đập tại các vị trí thích hợp ở thượng lưu của dòng sông như minh họa trên hình II.8-(b). Nhà máy thủy điện kiểu đập có hồ chứa là công cụ hữu ích để điều tiết và không chịu ảnh hưởng nhiều bởi sự dao động của dòng chảy theo mùa. (3) Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp (đập và kênh dẫn) Đây là phương án tạo ra cột nước bằng đập kết hợp với hệ thống kênh dẫn, tận dụng một cách hiệu quả địa hình tự nhiên như được minh họa trên hình II.8-(c).