Bài giảng Thủy năng-Thủy điện - Chương 2: Tài nguyên nước và quy hoạch khai thác

Nội dung text: Bài giảng Thủy năng-Thủy điện - Chương 2: Tài nguyên nước và quy hoạch khai thác

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPỒ CHÍ MINH THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác BỘ MƠN 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 lượng nước. Chương 4 : Điều tiết hồ chứa thuỷ điện. Chương 5 : Đập dâng & cơng trình tháo lũ. Chương 6 : Cơng trình lấy nước và dẫn nước. PGS. TS. NGUYỄN THỐNG Chương 7 : Tháp (giếng) điều áp. Email: nguyenthong@hcmut.edu.vn or nthong56@yahoo.fr Chương 8 : Đường ống áp lực & hiện tượng Web: //www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong/ nước va. Chương 9 : Nhà máy Thuỷ điện. 4/4/2013 Tél. (08) 38 640 979 - 098 99 66 719 1 2 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác TÀI NGUYÊN NƯỚC & KHAI THÁC TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN Nối đỉnh NĂNG LƯỢNG I. ĐỊA HÌNH Tiểu lưu vực 1. TÀI NGUYÊN NƯỚC - Địa hình. Ranh giới - Thuỷ văn. lưu vực đến v/trí S s1 2. HẠNG MỤC CƠNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN - Mơ tả tổng quát. - Tính chất cơ bản. LƯU VỰC - Năng lượng. Đường dốc (km2) (tỷ lệ 1/50000) S nhất 3 GIỚI HẠN MỘT LƯU VỰC 4 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác LƯU VỰC: Diện tích thu nước rơi về đến một vị trí TRẮC DỌC DỊNG CHẢY : Đường trung vị C của thốt nước S mặt thống tự do với lưu lượng Q cho. - Giới hạn bởi các đường nối đỉnh địa hình, đường Độ dốc i=dz/dS (m/km) cĩ độ dốc lớn nhất tại vị trí nối điểm thốt Z (0.1 50) nước. z Phổ biến độ dốc giảm m - Diện tích Sb gia tăng khi vị trí S di chuyển về hạ lưu. khi về hạ lưu - Sb được xác định từ bản đồ cĩ tỷ lệ 1/50000 S 1/200000. 0 - Đơn vị sử dụng km2 : s C 2 M(s,z) Lưu vực bé : Sb 1000 km S 5 6 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 1
2. THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác THUỶ VĂN Lưu lượng Q: thể tích nước đi ngang qua một diện tích ướt trong đơn vị thời Nghiên cứu về nước trong thiên nhiên về gian (s). các yếu tố: cường độ, phân bố, chu kỳ (trên mặt đất và dưới đất) Lưu lượng trung bình ngày: Thể tích nước 24h / 86400. Cường độ mưa (mm/h, l/s/ha). Lưu lượng trung bình tháng: Thể tích Thấm vào đất. nước tháng/Thời gian tháng. Bốc hơi. 2 Module dịng chảy qm(l/s/km ) qm=Q0/Sb (Q0: lưu lượng trung bình năm 7 lưu vực, Sb diện tích lưu vực) 8 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Ví dụ vùng Vu Gia-Thu Bồn : qm = 40 90 CHUỖI DỊNG CHẢY THEO THỜI GIAN l/s/km2). Q (m3/s) Xét lưu vực 200km2, lưu vực cĩ i Q (m 3/s) q =60l/s/km2 Lưu lượng Q của khu m m 0 Q(t) vực là: T(th) 0 3 T Q0 =200*60/1000 = 12m /s • Nếu xét Q lài lưu lượng dịng sơng (Q0 lưu lượng trung bình năm) ý nghĩa vật lý Q >=0 (ngoại trừ trường hợp dịng chảy cĩ ảnh hưởng của thủy triều). 9 10 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác CHUỖI LƯU LƯỢNG CỘNG DỒN W(t) • DỊNG CHẢY LŨ Q (m3/s) t Qmax-p=0.1% p=0.1% (tần suất xuất hiện) W(t) Q(t)dt Q t Qmax-p=0.2% p=0.2%  i i 0 p=5% T (h) Qmax-p=5% Chú ý: Đường luơn luơn tăng hoặc nằm ngang vì Qi>=0 0 ĐẶC TRƯNG: W (m3) - Lưu lượng đỉnh lũ. tan(α)=ΔW/ ΔT =Q i - Tổng thể tích trận lũ. T(th) - Dạng đường dịng chảy lũ. 0 Ti 11 - Thời gian kéo dài trận lũ. 12 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 2
3. THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác LƯU LƯỢNG CHẤT RẮN ẢNH HƯỞNG (khối lớn, sỏi, sạn, cát, bụi min ) Thượng lưu ĐẬP MNDBT Vận chuyển đáy. Vận chuyển lơ lửng. Hồ chứa Bùn cát lắng đọng sau N năm Nguyên nhân gây cạn hồ chứa giảm thể tích ĐÁY HỒ Hạ lưu hửu ích ! Tác động xấu đến tuổi thọ tuabin ! Nghiên cứu lý thuyết khĩ vì cĩ nhiều yếu tố Thể tích bùn cát lắng đọng khĩ xác định can thiệp vào hiện tượng Vết nứt nghiên cứu thực nghiệm. 13 Màng chống thấm 14 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác HẠNG MỤC CƠNG TRÌNH CHÍNH “Lưỡi” bùn cát DỰ ÁN THUỶ ĐIỆN Tổng quát gồm 4 hạng mục theo trình tự đi qua của nước: Đập dâng, CTTL (tuyến áp lực); Cơng trình lấy nước; Cơng trình dẫn nước (tuyến năng lượng); Nhà máy TĐ Trạm biến thế. 15 16 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦYTHỦY NĂNG ĐIỆN & THỦY ĐẠI NINH ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác (Lưới chắn rác) 17 18 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 3
4. THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác 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 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác A B Kênh dẫn Bể áp lực ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CƠNG SUẤT SẢN XUẤT PHỤ THUỘC VÀO Hồ Đường ống CỘT NƯỚC H VÀ LƯU LƯỢNG Q CHẢY QUA MẶT BẰNG áp lực TUABIN. Đập Cửa lấy F Cột nước tổng : Ht =ZA-ZF nước A NMáy S Cơng suất thiên nhiên: Pt = gQ(HA-HF) Với H =Z +p /γ + V2 /2g và (Z >>p /γ + V2 /2g) Kênh hạ lưu A A A A A A A Pt = gQ(ZA-ZF) = gQHt watt 3 Nếu Pt là kW, Q là m /s và Ht là m: TRẮC DỌC P = 9.81QH kW F t t S Mặt chuẩn 21 22 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác CỘT NƯỚC HỬU ÍCH Hhi CỘT NƯỚC HỬU ÍCH Hhi Đĩ là cột nước địa hình và trừ đi tất cả H H dh dh hi t  duongdai  cucbo các tổn thất năng lượng dịng chảy dhduongdai Tổng tổn thất đường dài: hầm, áp lực (đường dài và cục bộ) khi di chuyển từ: cửa lấy nước dh Tổng tổn thất cục bộ: chắn rác,  cucbo tiết diện đổi đ/ngột, đổi phương d/chảy đi qua đường dẫn đường ống áp lực và đến trước tuabin. Đường năng lượng TRẮC DỌC F 23 24 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 4
5. THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác CƠNG SUẤT CĨ ÍCH TẠI MÁY PHÁT CHÚ Ý Pe = tPt = t gQHt (Watt) CƠNG SUẤT CĨ ÍCH THIÊN NHIÊN Với t chỉ hiệu suất tổng của NM, phụ thuộc vào: TRƯỚC TUA BIN - Mất năng khi dịng chảy đi từ hồ đến NM P1 = gQHhi (watt) (5 8%) CƠNG SUẤT CĨ ÍCH SAU MÁY PHÁT - Mất năng do tuabin (5 15%) Trong trường hợp tính theo H : - Mất năng do máy phát (1 3%). hi P =   *P t dao động trong khoảng 76% 88%. e tuabin mayphat 1 Với t trung bình là 82%, ta cĩ: = tuabin mayphat gQHhi (watt) Pe = 8QHt (kW) 25 26 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác MẤT NĂNG LƯỢNG ĐƯỜNG DÀI Bài tập 1. Dự án thuỷ điện cĩ các thơng số • Manning (kênh): L V2 sau: dh1  . (m) D 2g - Cột nước địa hình (tổng): Ht =300 m. 3 • Hazen-Williams (hầm): 1,85 - Lưu lượng qua tua bin: Q=50 m /s. 10,68L Q a. Xác định cơng suất thiên nhiên (MW). dh1 4.87 d CHW b. Giả sử hiệu suất tổng NM là t=0.80. Tính Với : hệ số mất năng đường dài, L: chiều dài, cơng suất phát ra từ NM (MW). 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 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Bài tập 2. Lấy lại số liệu bài 1. NM cĩ đường Bài tập 3. Lấy số liệu bài 1 với đường dẫn hầm đường kính 4m, dài 5km. Đường nước là kênh hình thang dài 5km cĩ độ ống áp lực đường kính 3m dài 500m. dốc i=0.001 (giả thiết chảy đều). Đường a. Xác định tổn thất năng lượng trong ống áp lực d=3m và dài 500m. đường hầm và đường ống áp lực theo a. Tính mất năng trong đường ống áp lực -2 Manning với 1=10 cho đường hầm với tính theo Hazen-Williams với CHW=130. -2 2=0.8*10 cho đường ống áp lực. b. Tính cột nước hiệu ích. b. Tính cột nước hiệu ích và cơng suất hửu c. Cơng suất phát ra từ NM, cho biết hiệu 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
6. THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Cơng suất lắp máy: CƠNG SUẤT LẮP MÁY PI Pi =  gQmaxHtt (W) Qmax: lưu lượng lớn nhất qua NM. Cơng suất lắp đặt trong H : cột nước tính tốn. nhà máy thủy điện tt Htt được xác định là hàm của cột (Powerhouse). 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 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác CỘT NƯỚC TÍNH TỐN KINH NGHIỆM Giá trị tham khảo của : H (1) H 92.5%H  hi = tuabin . mayphat tt tb voi H N tb N (2) tuabin = 0.85 0.94 H H (H H ) tt hi_ min hi_ max hi_ min mayphat = 0.95 0.98 voi ]0,1[ CHÚ Ý: Hhi Ht dhi • Hhi_min Hhi_min = MNC - MNHL – dhmax Cơng suất thiên nhiên: P =9.81QH (kW) (mực nước hồ nhỏ nhất, MNC, Qmax mất t t năng max Hhi_min). Giả thiết Ht khơng đổi trong khoảng thời gian TRONG THỰC TẾ SẢN XUẤT H XÁC T(s). Năng lượng E trong khoảng t/gian T(s) tt là: ĐỊNH TỪ BÀI TỐN KINH TẾ. T T E(kj) Pt dt 9.81H t Qdt 9.81H tVu 35 0 0 36 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 6
7. THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Bài tập 4. Một dự án thuỷ điện cĩ các tham số: Vu thể tích nước vào hồ từ 0 (s) T (s). - Lưu vực : S =400km2. Tính E theo kWh: 9.81H V H V E(kWh) t u t u 2 3600 367 - Module dịng chảy : qm =60 l/s/km . - Cột nước tổng : Ht = 500m Giả thiết hiệu suất tổng NM  =0.74 ta cĩ: t a. Tính lưu lượng trung bình Q0 dịng chảy và H V H V thể tích nước đến hồ trong 1 năm. E(kWh)  t u t u 367 500 b. Tính gần đúng năng lượng tích trử trong 1 năm (E tr.kWh), giả thiết hiệu suất tổng NM 3 tb, Ý nghĩa: Với Vu=1m nước chứa ở cao độ là 0.74. Ht=500m so với mặt chuẩn sẽ phát ra năng lượng E=1 kWh. 37 38 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác SỐ GIỜ CHẠY CƠNG SUẤT LẮP MÁY (T) KHẢ NĂNG ĐIỀU TIẾT CỦA HỒ T=E /P (h) anuelle i  = Whi/Va (0 1) E : năng lượng trung bình hàng năm anuelle Whi dung tích hữu ích hồ (niv. Min niv. Max). P : cơng suất lắp MN i Va thể tích nước đến hồ TB trong 1 năm. NM trung bình & lớn : (3500h 4200h). - Hồ điều tiết ngày :  T >4000h). - Hồ điều tiết tuần, tháng:  : 1-2% 5-6% Nhận xét: - Hồ điều tiết năm  : 5-6% 12-14% T > 6000h Cĩ thể lắp thêm cơng suất mở - Hồ điều tiết nhiều năm  >12-14% rộng NM T 400 h : NM với hồ (điều tiết tháng, năm, nhiều năm). d. Cho biết dung tích hữu ích hồ là 350 tr.m3. 41 Tính  hồ. 42 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 7
8. THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Bài tập 6. Một dự án TĐ cĩ: - Đường hầm d=4m,dài 4km Số liệu: Xem Nang luong_lap bang.xls - Đường ống áp lực d=2.8m dài 250m. Mất năng lượng tính theo H-W cĩ CHW=100 cho đường T 1 2 3 4 5 6 hầm và 120 cho đường ống: H(m) 380 375 370 365 360 355 Cho biết: Q(m3/s) 60 55 30 20 15 10 - Hiệu suất tuabin & máy phát là t = 0.833 - Cơng suất lắp máy Pi =144 Mw Cột nước tự nhiên H và lưu lượng Q theo thời T 7 8 9 10 11 12 gian xem bảng sau (1 tháng cĩ 30 ngày). H 340 345 390 390 390 390 Tính năng lượng năm (tr.kWh). 43 Q 9 20 40 45 70 70 44 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Chương 2: Tài nguyên & Quy hoạch khai thác Hướng dẫn: Cột nước hữu ích Hhi Hướng dẫn: dh1 4.92 4.19 1.36 0.64 0.38 0.18 Ntn 209.3 191.2 106.9 71.0 52.7 34.7 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 dh 12.58 3.19 11.49 14.29 32.37 32.37 Nkhanang 24.1 55.9 123.7 138.2 204.6 204.6 Hhi 327.42 341.81 378.51 375.71 357.63 357.63 Nthuc 24.1 55.9 123.7 138.2 144.0 144.0 45 E 17.3 40.2 89.1 99.5 103.7 103.746 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Chương 2: Tài nguyên & Qưy hoạch khai thác 47 PGS. TS. Nguyễn Thống 8