Tính Toán Thuỷ Lực Xác Định Kích Thước Bể Áp Lực

b. Tính toán tổn thất cột nước trong đường dẫn có áp

Tính toán tổn thất cột nước trong đường dẫn có áp cũng được tiến hành theo công thức (12-8) ở trên với các lưu lượng thay đổi mà TTĐ yêu cầu.

2. Tính toán tổn thất năng lượng trong đường dẫn TTĐ

Tổn thất năng lượng (ở đây là tổn thất điện lượng) do hai dạng tổn thất: Tổn thất cột nước và tổn thất do rò rỉ và xả bỏ lưu lượng. Trong đó dạng tổn thất về lưu lượng có thể bỏ qua hay được tính đến trong những trường hợp sau:

- Tổn thất lưu lượng do bốc hơi, rò rỉ qua các cửa van và tổn thất do thấm có thể xét tới trong đường dẫn hở và dài, tuy nhiên theo kinh nghiệm vận hành trên các kênh dẫn nước không có áo lót thì chúng chiếm chừng (0,2 - 0,5) % cho mỗi km dài;

- Tổn thất do thấm từ kênh vào đất được xác định theo bài toán thấm;

- Đối với đường hầm dẫn nước thì tổn thất lưu lượng có thể bỏ qua;

- Tổn lưu lượng trong thời gian xả bỏ nước thừa của TTĐ cũng cần xem xét.

a - Tổn thất năng lượng do tổn thất cột nước

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 317 trang tài liệu này.

Tổn thất năng lượng trên đường dẫn sinh ra do tổn thất cột nước có thể xác định theo trị số trung bình năm của liệt năm thuỷ văn, tính theo công thức sau:

T T

E N dt 9,81 Q h dt

0 0

(12-9)

Để tính tích phân (12-9) ta có thể dùng phương pháp đồ giải như sau:

- Dựa vào lưu lượng của TTĐ ta vẽ đường duy trì Q = f1(t) trong năm (hình12-8)

- Ứng với các trị số Q tra đường tổn thất cột nước h = f2(Q) như đã thiết lập ở hình (12-7) đối với đường dẫn không áp, ta được các trị số tổn thất cột nước tương ứng với các Q và vẽ được đường duy trì tổn thất cột nước h = f3(t) . Trường hợp đường dẫn có áp ta sử dụng công thức (12-8) để tính tổn thất cột nước theo Q và cũng vẽ được đường duy trì tổn thất cột nước h = f3(t). Hai đường Q = f1(t) và h = f3(t) hình (12-8);

- Từ giá trị Q và h tương ứng ta tính và vẽ ra đường N = f(t).

Hình 12-8.Các đồ thị để tính toán tổn thất năng lượng.

Phần diện tích giới hạn giữa đường N = f(t) với trục hoành ot chính là năng lượng trung bình năm bị tổn thất do tổn thất cột nước mà ta cần xác định. Tính toán tổn

thất năng lượng chỉ kể đến tổn thất cột nước được dùng trong giai đoạn tính sơ bộ hoặc

được dùng khi các điều kiện tổn thất về lưu lượng được bỏ qua như đã nói ở trước.

b. Tính tổn thất năng lượng trường hợp có xét đến những yếu tố khác

Vào mùa lũ TTĐ thường phải xả bỏ nước thừa như vậy, cần đề cập việc tính tổn thất năng lượng trong mùa xả bỏ nước trong tổn thất chung của cả năm.

* Đối với TTĐ có đường dẫn tự điều tiết:

- Đối với TTĐ đường dẫn tự điều tiết vào thời kỳ xả nước thừa, nếu cột nước làm việc H lớn hơn hoặc bằng cột nước tính toán (H  Htt) thì có thể tăng lưu lượng lên để bù cho tổn thất cột nước nhằm đạt được công suất tối đa của trạm, và kich thước đường dẫn lấy tăng thêm để tháo được lưu lượng tăng thêm này. Trường hợp này tổn thất năng lượng do tổn thất cột nước gây ra khi xả nước thừa không tính đến trong (12- 9).Và trường hợp nầy tổn thất năng lượng chung được tính không kể tổn thất mùa xả lũ:

E N dt (12-9')

(Trong đó Tx là thời gai TTĐ xả nước thừa trong năm, xem biểu đồ 12-8).

- Đối với TTĐ có dường dẫn tự điều tiết mùa lũ trạm xả nước thừa làm tăng mực nước hạ lưu do vậy giảm cột nước làm việc của TTĐ, nếu H < Htt, theo đường đặc tính tổng hợp vận hành turbine

thì không thể phát được công suất tối đa của turbine, do vậy cần giảm lưu lượng tháo qua turbine. Để tính đến ảnh hưởng này trong mùa xả nước Tx tổn thất năng lượng tính thêm 1,5 lần. Khi đó tổn thất năm sẽ là:

E 15 Qo h max Tx 

N dt

(12-10)

Trong đó Q0 là lưu lượng phát điện lớn nhất.

* Đối với TTĐ có đường dẫn không tự điều tiết:

Do có cửa van đặt ở cửa lấy nước đầu kênh để giảm bớt lưu lượng nước dẫn qua đường dẫn phù hợp với lưu lượng phát điện nên gần như giữ mực nước cuối kênh xấp xỉ ngưỡng tràn. Tổn thất thuỷ lực trong kênh ít biến đổi và gần bằng hmax . Một cách gần đúng ta tính tổn thất năng lượng đối với đường dẫn không tự điều tiết như sau:

- Đối với đường dẫn không tự điều tiết mà mùa xả nước có cột nước làm việc nhỏ hơn cột nước tính toán thì năng lượng tổn thất cả năm được tính theo công thức:

E 9,81 Qtb h max ( T Tx) 15 Q h Tx

(12-11)

Trong đó Qtb là lưu lương trung bình nhiều năm; Tx là thời gian xả nước thừa.

Trường hợp mùa xả mà cột nước công tác của TTĐ H  Htt thì theo lập luận đã trình bày ở trên sẽ không có thành phần tổn thất thứ hai trong công thức (12-11).

* Đối với TTĐ đường dẫn có áp :

Đối với TTĐ đường dẫn áp lực, nếu chỉ kể đến tổn thất cột nước dọc đường (bỏ qua tổn thất cục bộ) thì công thức tính tổn thất năng lượng theo công thức:

E 

9,81 L

2 2

Q dt

(12-12)

C R 0

Có thể dùng phương pháp đồ giải để xác đinh năng lượng tổn thất như sau:

- Vẽ đường duy trì lưu lượng Q ~ t (hình 12-8,b ở trên);

- Từ các cặp Q ~ t ta xây dựng đường quan hệ Q3 ~ t.

Phần diện tích giới hạn giữa đường Q3 ~ t và trục hoành và đường thẳng ứng với thời gian một năm là T = 8760 giờ chính là E cần tìm. Để đơn giản có thể gần

đúng coi tích phân Q dt = Q tb3T và tính:

E 9,81Q tb3T

2C 2 R

(12-13)

Trong đó: Qtb3 là lưu lượng trung bình lập phương (hình 12-8,b);  = 1,1 - 1,15 là hệ số tính đến việc giảm lưu lượng mùa lũ.

Cũng cần chú ý những điều đã đề cập ở đường dẫn không áp và tính như sau:

- Nếu mùa xả nước mà H  Htt thì do có thể tăng lưu lượng để bù tổn thất cột nước, do vậy bỏ qua tổn thất năng lượng ở mùa nầy, lúc này thay tích phân từ 0 - T bởi tích phân từ TX - T.

- Còn trường hợp mùa xả nước nếu H < Htt thì phải tính đến tổn thất năng lượng do xả nước thừa được nhân với hệ số 1,5 như đã trình bày ở phần trước.

Ngoài ra, khi chọn tiết diện đường hầm áp lực người ta cố gắng tăng cao tốc độ dòng nước trong hầm, thường khoảng V = 3 - 5 m/s để giảm khối lượng đường hầm, và nếu

HoC 2R 3 L

trên đường dẫn áp lực có buồng điều áp thì V < Vgh = , để đảm bảo điều

kiện ổn định sóng trong buồng điều áp, thường V = (0,75 - 0,8)Vgh .

XII. 5. LỰA CHỌN MẶT CẮT KINH TẾ ĐƯỜNG DẪN TTĐ

Trên một phương án tuyến đường dẫn, khi đã biết lưu lượng tính toán và độ dốc tuyến, nếu chọn đường dẫn có tiết diện lớn sẽ có khối lượng xây lắp lớn, nhưng vận tốc sẽ nhỏ dẫn tới tổn thất năng lượng ít, ngược lại nếu tiết diện chọn nhỏ sẽ có khối lượng xây lắp nhỏ nhưng vận tốc lớn và như vậy tổn thất năng lượng lại lớn. Như vậy việc chọn kích thước tiết diện đường dẫn của TTĐ phải trên cơ sở so sánh kinh tế - năng lượng của nhiều phương án để chọn phương án có lợi.

Tiêu chuẩn kinh tế của các phương án là tổng chi phí tính toán năm là nhỏ nhất:

Z C Z

min

(12-14)

To E

Trong đó: K là vốn đầu tư xây dựng đường dẫn (bao hàm đường dẫn và các công trình, thiết bị trên nó) và vốn đầu tư vào các công trình liên quan (như cửa lấy nước, bể áp lực ..v.v..); T0 là thời gian hoàn vốn tiêu chuẩn; C - chi phí vận hành năm, có thể lấy theo % của K, tức là C = pK, thường lấy C = 0,05 K; ZE - chi phí tính đổi để bù lại phần năng lượng bị tổn hao mà trạm khác phải bù (thường lấy nhiệt điện bù) tính như sau:

⎜

Z ⎛1

E ⎝To

⎞

p⎟k ND N

⎠

max

E s

(12-15)

Trong đó:

k ND

- vốn đầu tư cho một đơn vị công suất tăng thêm của trạm nhiệt

điện thay thế; N max - tổn thất công suất lớn nhất do tổn thất cột nước;  = 1,1 - 1,15 - là hệ số tính đổi về công suất của TNĐ thay thế;  = 1,05 - 1,10 - hệ số tính đổi diện lượng của TNĐ thay thế; E - tổn thất điện lượng cua TTĐ do tổn thất cột nước; s - đơn giá sản xuất điện năng tính cho chi phí vận hành TNĐ.

Để đơn giản tính toán, chi phí tính đổi năng lượng bị tổn thất có thể tính như

ZE E sp

(12-15')

trong đó

sp -là đơn giá điện năng, trong đó bao hàm cả chi phí sản xuất và chi

phí mở rộng công suất của các TNĐ thay thế trên một đơn vị điện lượng.

Thường dùng đồ giải để xác định kích thước có Z cực tiểu từ tổng ZE và K/To+C

Sau đây chúng ta áp dụng nguyên lý tính toán kinh tế trên (công thức 12-14) vào việc tính toán chọn mặt cắt ngang kinh tế của kênh dẫn và đường hầm áp lực cua TTĐ.

XII. 5. 1. Tính toán lựa chọn mặt cắt kinh tế kênh dẫn TTĐ

Kênh dẫn của TTĐ có mặt cắt ngang hình thang, hình chữ nhật hoặc vừa chữ nhật vừa hình thang ... Về nguyên tắc là xác định kích thước mặt cắt ướt dựa trên yêu cầu kinh tế là có đầu tư xây dựng, chi phí vận hành và tổn hao năng lượng nhỏ nhất. Sau đây trình bày nguyên lý tính toán trường hợp tổng quát và hay dùng là kênh chữ nhật có bề rộng đáy b và độ sâu nước h. Xét trường hợp hai yếu tố này thay đổi, tính toán kinh tế chọn ra b x h kinh tế nhất.

Tính toán kinh tế kênh với lưu lượng tính toán, độ dốc kênh đã chọn và chế độ dòng chảy đều. Ta giả thiết các trị số b, h và tính ra khối lượng xây dựng kênh, tổn thất năng lượng tương ứng với mặt cắt ướt của kênh để tính ra tổng chi phí tính toán năm của từng phương án. Chọn ra mặt cắt có Z nhỏ nhất. Các bước tính như sau:

- Bước 1: Giả thiết các bề rộng đáy kênh: b1, b2, b3, ..., bn;

- Bước 2: Với từng phương án b = const ta giả thiết các độ sâu h (h1, h2, h3,..., hm) rồi tiến hành tính toán khối lượng và tổn thất năng lượng tương ứng của các cặp b, h, trong đó thành phần ZE theo trường hợp cụ thể cuả tổn thất năng lượng, tính tổng chi phí tính toán năm Z của cặp b x h theo các công thức tính toán (12-14) đã trình bày.

Với các cặp Z1~ h1, Z2~ h2 , Z3~ h3 ... vẽ được đường quan hệ Z = f(h) ứng với bề rộng đáy kênh b = const đã giả thiết. Cũng tiến hành như vậy đối với các bề rộng giả thiết khác, ta vẽ được các đường Z = f(h) ứng với từng b ( hình 12-9,a).

Hình 12-9. Đồ thị xác định kích thước kinh tế kênh.

- Bước 3: Với mỗi bề rộng b trên đồ thị tìm được độ sâu h cho Z nhỏ nhất (các điểm 1, 2, 3, ..., 6 trên hình 12-9,a), tương ứng chọn được các cặp Zmin ~ b và vẽ dược đường quan hệ Zmjn = f2(b) (hình 12-9,b). Từ quan hệ này tìm được bề rộng kinh tế bKT:

- Bước 4: Có bề rộng bKT lặp lại bước 2 và vẽ được quan hệ Z =f(h), đường nét

đứt ở hình (12-9,a) và chọn được độ sâu kinh tế hKT. Vậy ta đã có kích thước kinh tế.

Để chọn kích thước cuối cùng của kênh còn phải thoả mãn các yêu cầu khác nữa như yêu cầu vận tốc tránh xói lở, bồi lắng trong kênh, vận tải thuỷ, diệt thảo mộc ...v.v..

Người ta có xu hướng giảm kích thước để giảm khối lượng và giảm thời gian thi công. Đối với kênh ngắn, ở chế độ đường nước đổ để bảo đảm trị số lưu lượng vượt tải Qmax lớn hơn lưu lượng tính toán Q0 đáng kể thì cần tăng thêm kích thước kênh. Vận tốc kinh tế trong kênh lát bê tông hoặc bê tông cốt thép kinh nghiệm lấy từ 1,5 - 2,5 m/s.

XII. 5. 2. Lựa chọn kích thước mặt cắt đường hầm dẫn nước TTĐ

Đối với đường hầm dẫn nước không áp thì việc tính toán kích thuớc mặt cắt hoàn thàn tương tự kênh dẫn. Khái niệm đường dẫn tự điều tiết và không tự điều tiết của kênh dẫn áp dụng vẫn được đối với đường hầm không áp. Chế độ thuỷ lực trong tính toán đường hầm không áp là chế độ dòng đều, tổn thất cột nước lớn nhất có thể lấy gần đúng hmax= iL. Vận tốc kinh tế trông đường hầm không áp thường từ 2,5 - 3,5 m/s, sở dĩ lấy lớn hơn trong kênh vì xây dựng đường hầm đắt hơn kênh dẫn.

Chế độ thuỷ lực trông đường hầm có áp không phụ thuộc vào độ dốc tuyến đường dẫn, cho nên tuỳ vào điều kiện địa hình và địa chất để chọn độ dốc đường hầm. Mặt cắt đường hầm có áp thường có dạng tròn. Tính toán kinh tế xác định mặt cắt đường hầm áp lực cũng tuân theo công thức (12-14). Vận tốc kinh tế trong đướng hầm áp lực thường trong khoảng 3,5 - 6 m/s.

XII. 6. BỂ ÁP LỰC CỦA TRẠM THUỶ ĐIỆN

Kênh dẫn nước của TTĐ đường dẫn không áp có tiêt diện nhỏ không thể đủ kích thước để đặt ống và các cửa van, lưới chắn rác ... của bộ phận lấy nước, kênh cũng không đảm bảo ổn định mực nước khi TTĐ thay đổi lưu lượng. Do vậy để chuyển dòng nước từ chế độ không áp (trong kênh dẫn) thành dòng chảy có áp (trong đường ống turbine), cần xây dựng một công trình lấy nước ở cuối kênh, gọi là Bể áp lực.

XII. 6. 1. Cấu tạo các phần của Bể áp lực

Bể áp lực gồm có: ngăn trước, tường áp lực và đoạn chuyển tiếp để nối kênh và ngăn trước (hình 12-10). Nhiệm vụ của các bộ phận bể áp lực như sau:

- Đoạn chuyển nối kênh có tiết diện nhỏ với ngăn trước có tiết diện lớn đảm bảo dòng nước chảy thuận, tránh tách dòng, do vậy góc mở của nó không vượt quá 100 - 120 trên mặt bằng và đào sâu dần từ đáy kênh xuống ngăn trước với mái dốc m = 0,25 - 0,3.

- Ngăn trước là phần chứa nước phía trước cửa vào đường ống có áp (ống turbine). Để ổn định mực nước trước cửa vào ống turbine cũng như đủ kích thước đặt các bộ phận lấy nước, ngăn trước phải có kích thước đủ lớn, được đào sâu theo phương đứng và mở rộng theo phương ngang tạo một dung tích cần thiết. Vận tốc dòng nước trong ngăn nầy lấy nhỏ từ 0,6 - 0,8 m/s, trường hợp có kết hợp làm nhiệm vụ bể lắng cát thì vận tốc còn lấy nhỏ hơn. Trong phạm ví ngăn trước còn có công trình tháo nước thừa (thường là đập tràn tự do, có thể dùng xi phông tháo nước) để khi giảm lưu lượng phát điện thì lượng nước đến thừa sẽ được tháo vào đường xả nhanh đảm bảo không tràn nước qua đỉnh bể. Bùn cát lắng đọng trong ngăn trước cần phải được tháo đi bằng cống tháo cát đặt ở đáy phía trước ngưỡng lấy nước hoặc đặt bên dưới ngưỡng phần lấy nước của đường ống turbine.

- Tường áp lực là nơi bố trí các bộ phận lấy nước vào đường ống áp lực. Thực chất đây là một cửa lấy nước, do vậy nó có đủ các hạng mục công trình và thiết bị của một cửa lấy nước như đã trình bày ở chương Công trình lấy nước. Để tránh bùn cát kéo vào đường ống , ngưỡng của lấy nước đặt cao hơn đáy bể từ 0,5 - 1 m. Đỉnh tường áp lực và tường ngăn trước phải đặt cao hơn mực nước cao nhất trong bể từ 0,3 - 1 m. Lưới chắn rác đặt nghiêng 70 - 750 so với phương ngang để dễ vớt rác bằng thủ công. Cửa van dùng trong bể áp lực thường là cửa van phẳng. Chiều dài phần thu nước được xác định dựa vào yêu cầu đủ kích thước bố trí lưới chắn rác và các cửa van, thường 3 - 5 m.

Hình 12-10. Các bộ phận của Bể áp lực.

1. kênh dẫn; 2- ngăn trước; 3- tường áp lực; 4- ống turbine; 5- ngưỡng tràn; 6- cửa tháo cát; 7- cửa lấy nước vào kênh tưới; 8- đường xả nước thừa; 10- lưới chắn rác; 11- van công tác; 12- khe phai sửa chữa, 9- kênh tưới.

XII. 5. 2. Các sơ đồ bố trí tổng thể Bể áp lực

Việc bố trí mặt bằng Bể áp lực phụ thuộc vào địa hình, địa chất, địa chất thuỷ văn và thành phần bể áp lực. Hình (12-11) trình bày một số sơ đồ bố trí Bể áp lực:

- Về thuỷ lực, sơ đồ dẫn chính diện I và II là tốt nhất vì hướng dòng chảy từ kênh vào đường ông turbine thuận dòng. Nhược điểm là bố trí công trình tháo vật nổi gặp khó khăn, do vậy dùng phao nổi hoặc tường hướng vật nổi về dốc tháo. Sơ đồ này nếu bể áp lực đặt trên đồi dốc còn làm tăng khối lượng đào bể.

- Sơ đồ dẫn nước kiểu hông IV: nhược điểm của nó là dòng chảy bị đổi góc 900 do hướng chảy bị ngoặc vì vậy tăng tổn thất thuỷ lực và bùn cát lắng đọng không đều trong bể nên khó tháo rửa bùn cát. Ưu điểm của sơ đồ này là chiều dài bể nhỏ, và khi bể dặt trên đồi dốc thì khối lượng đào bể sẽ giảm và dễ tháo vật nổi;

- Các sơ đồ trung gian III và V: trong sơ đồ bố trí này hướng dòng nước từ kênh xiên góc với hướng đường ống. Về khối lượng và thuỷ lực chúng trung gian giữa các sơ đồ bố trí ở trên.

Hình 12-11. Các sơ đồ bố trí bể áp lực

1- kênh dẫn; 2- ngăn trước; 3- ống turbine; 4- tháo vật nổi; 5- tràn nước; 6- tường hướng vật nổi; 7- phao nổi; 8- trụ hướng dòng; 9,10- dốc nước.

TTĐ đường dẫn không áp, nếu có Bể điều tiết ngày trong thành phần trạm thì việc bố trí tổng thể Bể áp lực có liên quan đến Bể điều tiết ngày (BĐTN). Hình (12-12) trình bày một số phương án và sơ đồ liên quan giữa hai hạng mục đó như sau:

- BĐTN bố trí giữa tuyến kênh (phương án I với các sơ đồ a, b, c), cách bố trí này giảm kích thước đường dẫn nước 1 phía trên BĐTN, đoạn kênh 4 sẽ tăng tiết diện để đảm bảo dẫn được lưu lượng lớn nhất của TTĐ;

- BĐTN bố trí cuối đường dẫn không áp (phương án II với các sơ đồ a, b, c). Cáchbố trí này giảm toàn bộ kích thước kênh dẫn không áp 1, công trình nối tiếp 9 giữa Bể áp lực và BĐTN cần đảm bảo dẫn được lưu lượng lớn nhất của TTĐ;

- BĐTN nối với ống turbine 12,14 bằng ống áp lực 13 (phương án III với các sơ đồ a, b). Cách bố trí này giảm mực nước trong Bể áp lực khi tháo và trữ nước ở BĐTN, và khi độ sâu của BĐTN lớn thì cho phép giảm khối lượng Bể áp lực.

Hình 12-12. Các phương án bố trí Bể điều tiết ngày và Bể áp lực.

XII. 5. 3. Tính toán xác định kích thước và ổn định Bể áp lực

1. Tính toán thuỷ lực xác định kích thước Bể áp lực

Xác định kích thước Bể áp lực bao gồm xác định chiều sâu, chiều dài bể và kích thước các hạng mục công trình trong bể. Sau đây ta tính toán xác định kích thước chúng:

a. Kích thước phần tường áp lực

Tường áp lực là một cửa lấy nước, do vậy nó phải có kích thước đủ để bố trí các thiết bị như cửa van, phai, lưới chắn rác, thiết bị thao tác van ... Chiều dài dọc theo dòng chảy lấy đủ bố trí thiết bị trên, theo kinh nghiệm có thể lấy từ (3 - 5) m đối với loại nhỏ. Bề rộng mỗi khoang lấy nước lấy tuỳ vào đường kính ống turbine D như sau:

bk (1,5 1,8 ) D

Bề rộng của tường áp lực có n khoang sẽ là:

B n bk ( n 1) d

Trong đó d là bề dày trụ pin, có thể lấy từ d = (0,6 - 1) mét.

(12-16)

(12-17)

Độ sâu tối thiểu của ngưỡng lấy nước hK kể từ mực nước bình thường cuối kênh phải đảm bảo độ ngập sâu của ngưỡng dưới mực nước thấp nhất trong bể và đảm bảo mép cửa nhận nước thấp hơn mực nước thấp nhất để không khí không lọt vào đường ống turbine. Vận tốc cho phép trên lưới chắn rác để dảm bảo dọn rác VK thường lấy trong khoảng VK = (0,7 - 0,8) m/s. Vậy chiều sâu hK có thể xác định theo công thức sau:

hk 

bk Vk

(12-18)

Trong đó QT là lưu lượng lớn nhất qua đường ống turbine.

Hình 12-13. Sơ đồ xác định kích thước bể áp lực

Độ ngập sâu tối thiểu của mép trên đường ống turbine dưới mực nước thấp nhất trong bể ( min ) để không lôi không khí vào ống được xác định theo công thức sau:

V 2 V 2

h t ( 2 3)o k

Trong đó V0 là vận tốc lớn nhất trong đường ống turbine.

(12-19)