Nhà máy thủy điện - Tháp điều áp

11 tháng 07 2019

 

Mục lục

1.1 TÁC DỤNG, ĐIỀU KIỆN ỨNG DỤNG VÀ CÁC LOẠI THÁP ĐIỀU ÁP

1.1.1. Công dụng

Như trên đã thấy, đường ống dẫn nước vào tuốc bin của trạm thuỷ điện, ngoài áp lực nước thông thường, còn phải chịu thêm áp lực nước va khi đóng mở turbin.

Nếu tạo ra một mặt thoáng ở một vị trí nào đó trên đường ống, thì ở đó áp lực nước va được giải phóng, và từ vị trí này trở lên thượng lưu đường ống sẽ không chịu áp lực nước va nữa.

Tháp điều áp chính là một bộ phận tạo ra mặt thoáng (hình 6-1) nói trên. Do đó nó có tác dụng giữ cho đường hầm dẫn nước phía trước tháp khỏi bị áp lực nước va. Ngoài ra nó còn làm giảm nhỏ áp lực ở phần đường ống dẫn nước từ tháp vào tuốc bin.
0

1.1.2. Điều kiện và vị trí đặt tháp

Như trên đã nói tác dụng của tháp điều áp. Vậy khi thiết kế thường phải so sánh kinh tế, nếu thấy chi phí để xây tháp nhỏ hơn chi phí giảm bớt do đường hầm dẫn nước không phải chịu áp lực nước va, thì xây dựng tháp điều áp là hợp lý. Trường hợp ngược lại, chi phí để xây tháp lớn hơn chi phí giảm bớt của đường hầm dẫn nước do hiệu quả của tháp đem lại, thì không nên xây dựng tháp điều áp.

Tiêu chuẩn gần đúng cần thiết phải xây dựng tháp điều áp có thể căn cứ vào hằng số quán tính của đường ống :

 1

trong đó: Qmax- lưu lượng lớn nhất chảy trong ống; Ho - cột nước tính toán; li , Fi - tương ứng là chiều dài và diện tích tiết diện đoạn ống thứ i.

Với tác dụng nêu trên, rõ ràng là vị trí của tháp càng gần nhà máy càng có lợi. Nhưng thông thường như vậy chiều cao của tháp càng phải tăng. Dung hoà hai đặc điểm này tháp thường đặt ở chỗ bắt đầu chuyển sang độ dốc lớn của tuyến ống.

Trong trường hợp đường hầm thoát nước từ turbin ra hạ lưu quá dài, có khi cũng phải đặt tháp điều áp cho đường thoát. Khi đó tháp ở gần turbin là hợp lý. 

1.1.3. Nguyên lý làm việc của tháp điều áp

 3 

Hình 6-2. Sơ đồ dao động mực nước trong tháp điều áp.

 1. Trường hợp giảm tải

Khi giảm tải đột ngột lưu lượng tuốc bin từ Q0 xuống Q1. Do quán tính của dòng chảy, lưu lượng vào đường hầm dẫn nước vẫn là Q0, như vậy sẽ có một trị số lưu lượng ÄQ= Q0 - Q1 chảy vào tháp, làm cho mực nước trong tháp dâng lên dần, từ đó độ chênh lệch mực nước giữa thượng lưu (trong hồ chứa) và trong tháp giảm dần, dẫn đến vận tốc dòng chảy giảm dần, do đó lưu lượng trong đường hầm giảm dần. Nhưng cũng do quán tính của dòng chảy, mực nước trong tháp không dừng ở mực nước tương ứng với lưu lượng Q1 trong đường hầm mà vẫn tiếp tục dâng nên thậm chí cao hơn cả mực nước thượng lưu. Sau đó, để cân bằng thuỷ lực nước phải chảy ngược trở lại về thượng lưu, mực nước trong tháp hạ xuống. Nhưng cũng do lực quán tính nó lại hạ xuống quá mực nước cân bằng và dòng chảy lại phải chảy vào tháp. Cứ như vậy, mực nước trong tháp dao động theo chu kỳ và tắt dần do ma sát. Cuối cùng mực nước trong tháp dừng ở mực nước ổn định mới ứng với lưu lượng Q1 (Hình 6-2).

Trường hợp này trong thiết kế thường tính với mực nước thượng lưu cao nhất và cắt tải lớn nhất (thường là cắt toàn bộ công suất lớn nhất của nhà máy) để xác định mực nước cao nhất của tháp điều áp.(Zmax) .

2. Trường hợp tăng tải

Khi lưu lượng qua tuốc bin tăng đột ngột mực nước trong tháp hạ xuống đến trị số Zmin và cũng dao động theo chu kỳ và tắt dần ngược lại với trường hợp trên.

Trong thiết kế thường tính với mực nước thấp nhất ở thượng lưu và mức tăng tải lớn nhất có thể xâỷ ra trong vận hành để xác định mực nước thấp nhất của tháp (Zmin).

1.1.4. Các kiểu tháp điều áp

Chọn kiểu tháp điều áp phải xuất phải từ các nguyên tắc sau:

- Giá thành công trình thấp nhất

- Bảo đảm các tổ máy làm việc ổn định

- Triệt tiêu dao đông

Theo hình dạng cấu tạo thường gặp các kiểu tháp sau:

1. Tháp điều áp kiểu viên trụ (hình 6-3a).

TĐA kiểu viên trụ là một giếng đứng hoặc nghiêng có tiết diện không thay đổi. Kiểu này có kết cấu đơn giản, dễ thi công. Trong tính toán thiết kế cũng đơn giản. Nhưng có nhược điểm cơ bản nhất là ở chế độ ổn định khi dòng chảy qua tháp tổn thất thuỷ lực cục bộ ở chỗ nối tiếp đường hầm và đường ống với tháp có thể lớn, đồng thời dung tích tháp lớn, thời gian dao động kéo dài. Tháp điều áp viên trụ được ứng dụng ở các TTĐ cột nước thấp, mực nước thượng lưu ít thay đổi.

2. Tháp điều áp kiểu viên trụ có màng cản (hình 6-3b).

Thực chất là tháp điều áp kiểu viên trụ, nhưng có đặt một màng cản ở đáy tháp

để tăng thêm tổn thất thuỷ lực khi dòng chảy vào và ra khỏi tháp. Màng cản có thể

 2

Hình 6-3.  Các kiểu tháp điều áp

a - kiểu viên trụ; b - kiểu viên trụ có màng cản; c - kiểu hai ngăn; d - kiểu có máng tràn; e - kiểu có lõi trong; g - kiểu nén khí; h- kiểu nửa nén khí

dưới dạng lỗ cản hoặc lưới cản ....làm tăng tổn thất thuỷ lực khi nước chảy qua nó và do đó giảm được biên độ dao động đưa đến giảm được dung tích tháp và làm cho dao động mực nước trong tháp hơn so với TĐA viên trụ nó còn giảm được tổn thất thuỷ lực của dòng ổn định khi qua vị trí đặt tháp. Nó được ứng dụng ở các TTĐ cột nước trung bình và mực nước thượng lưu ít thay đổi.

3. Tháp điều áp kiểu hai ngăn (có ngăn trên và ngăn dưới) (hình 6-3c).

TĐA kiểu này gồm hai ngăn và một giếng đứng, ngăn trên và ngăn dưới có tiết diện lớn hơn nhiều so với giếng đứng. Nguyên lý làm việc của nó như sau:

Khi thay đổi phụ tải , mực nước trong tháp dao động, nhưng vì tiết diện giếng đứng nhỏ, nên mực nước trong tháp thay đổi rất nhanh làm cho thời gian dao động giảm. Nhưng nếu chỉ với tiết diện giếng đứng thì biên độ dao động sẽ rất lớn, vì vậy khi mực nước trong tháp dao động đến cao độ nhất định, do tiết diện được mở rộng rất nhiều ở ngăn trên hoặc ngăn dưới nên biên độ dao động sẽ không tăng nhanh được. Như vậy tháp điều áp loại này đã giảm được thời gian dao động mà lại hạn chế được biên dộ dao động mực nước trong tháp.

Với cấu tạo hợp lý như vậy, nên dung tích tháp kiểu này nhỏ hơn nhiều so với tháp điều áp kiểu viên trụ. Nhưng nó có nhược điểm là cấu tạo phức tạp, thường thích hợp với tháp ngầm trong đất.

Tháp điều áp kiểu này cũng thích hợp với trường hợp cột nước cao, mực nước hồ chứa thay đổi lớn, khi đó chỉ việc kéo dài phần giếng đứng.

4.Tháp điều áp kiểu có máng tràn (hình 6-3d).

Nguyên lý làm việc tương tự như trường hợp 3, nhưng ngăn trên có đường tràn nước. Kiểu này có ưu điểm là hoàn toàn có thể khống chế mực nước cao nhất của tháp, nhưng có nhược điểm là mất một phần nước qua máng tràn.

5.Tháp điều áp kiểu có lõi trong (hình 6-3e). (còn gọi là kiểu kép hay kiểu sai phân)

Kiểu này gồm có giếng đứng ở trong và ngăn ngoài, ở đáy giếng đứng có các lỗ thông với ngăn ngoài, nhưng các lỗ này nhỏ, khi mực nước dao động, nước không thoát từ giếng đứng ra ngoài kịp (vì các lỗ thông nhỏ) nên thay đổi mực nước nhanh, tạo ra hiệu quả giống như kiểu 3. sau đó nước mới chảy dần qua lỗ thông để cho mực nước trong giếng và ngăn ngoài bằng nhau. ở kiểu này khi mực nước lên cao khỏi miệng giếng đứng thì tràn ra ngăn ngoài. Do đó mà khống chế được độ cao lớn nhất của mực nước tuỳ theo sức chứa của ngăn ngoài.

TĐA kiểu này thường được ứng dụng trong tất cả các trường hợp khi tháp để hở trên mặt đất.

6.Tháp điều áp kiểu nén khí (hình 6-3g) hoặc kiểu nửa nén khí (hình 6-3h).

Trong TĐA kiểu nén khí, không khí trong tháp trên mặt thoáng được ngăn cách với không khí bên ngoài. Trong quá trình dao động mực nước trong tháp, áp suất không khí sẽ thay đổi theo hướng cản trở lại. Do đó khi dao động mực nước  sẽ bị áp lực không khí làm cho biên độ giảm, kiểu này có thể không cần làm tháp cao và giảm nhỏ được dung tích tháp rất nhiều. Nhược điểm là trong quản lý phải bổ sung để duy trì thể tích không khí trong tháp bị hao hụt do cuốn theo nước trong quá trình vận hành, kết cấu tháp phải bền vững chịu được áp lực thay đổi của không khí và phải rất kín để không khí không thoát ra.

TĐA kiểu nửa nén khí vừa dùng dung tích tháp vừa dùng áp lực không khí trong khi làm việc. Không khí trong tháp được nối với không khí bên ngoài bằng đường ống tiết diện nhỏ, áp lực không khí trong tháp bằng tổn thất khi không khí  di chuyển trong ống nối. Và như vậy có tác dụng giảm biên độ dao động của mực nước trong tháp nhưng hiệu quả không bằng TĐA kiểu nén khí hoàn toàn. Ưu  điểm là không cần bổ sung không khí trong quá trình vận hành nhưng thể tích tháp đòi hỏi lớn hơn.

Các loại tháp điều áp kiểu nén khí thích hợp với vùng có động đất vì kích thước nhỏ nhẹ.

Ngoài cách phân loại theo hình dạng cấu tạo nói trên có khi còn phân loại theo các cách sau:

a, Phân loại theo cách xây dựng

- Kiểu nổi hoàn toàn: Toàn bộ tháp đặt nổi trên nền, kiểu này thường khối lượng xây dựng lớn, nên không lợi về kinh tế, nhưng dễ kiểm tra sửa chữa.

- Kiểu đặt ngầm: Toàn bộ tháp đặt ngầm dưới mặt đất, khi này thường dùng kiểu có ngăn trên là có lợi (hoặc cả ngăn trên và ngăn dưới) vì có thể dễ dàng mở rộng thiết diện của các ngăn.
4

Hình 6-4. Các kiểu đặt tháp và cấp nước TĐA

a- Hệ thống tháp điều áp đặt nối tiếp; b- Hệ thống tháp điều áp đặt song song; c- Kiểu đường dẫn nước vào ở phía trên; d- Kiểu đường dần nước vào ở cả phía trên và phía dưới

- Kiểu hỗn hợp nửa chìm nửa nổi: Kiểu này thường dùng khi không đặt ngầm được hoàn toàn

b, Phân loại theo cách đặt

- Đặt trên đường dẫn nước vào nhà máy.

- Đặt trên đường dẫn nước từ nhà máy

- Hệ thống tháp điều áp đặt nối tiếp (h. 6-4a): Có trường hợp đặt một tháp điều áp thì biên độ sẽ quá lớn, có thể phải đặt hai hay nhiều tháp kế tiếp

- Hệ thống tháp điều áp đặt song song (h.6-4b): Có trường hợp dẫn nước cùng một nguồn cung cấp cho hai nhà máy. Trường hợp nó thế này đặt hai tháp riêng biệt trên hai nhánh đường dẫn.

c, Phân loại theo cách cấp nước.

- Kiểu đường dần nước vào ở phía trên (hình 6-4c).

- Kiểu đường dần nước vào ở cả phía trên và phía dưới (hình 6-4d).

1.2 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CƠ BẢN CỦA THÁP ĐIỀU ÁP

1.2.1. Phương trình động lực học

Xét cho trạng thái chảy không ổn định của hệ thống “ Đường hầm dẫn nước - Tháp điều áp” với đường hầm dẫn nước nằm ngang hình 6-2 (Khi tính toán thuỷ lực một cách đầy đủ, cần xét sự dao động của cả khối nước gồm cả đường hầm dẫn nước, tháp điều áp và đường ống áp lực. Riêng trong đường ống áp lực cũng có dao động, nhưng tác động này ảnh hưởng không đáng kể đến sự dao động mực nước trong tháp điều áp, do đó để đơn giản ta coi toàn bộ hệ thống bao gồm khối nước tuyệt đối cứng và như vậy có thể coi sự biến thiên của lưu lượng turbin diễn ra ngay mặt cắt đầu đường ống áp lực. Từ đó khối nước dao động chỉ gồm đường hầm dẫn nước và tháp điều áp).

Theo định luật biến thiên động lượng, hình chiếu của véc tơ biến thiên động lượng của khối nước di chuyển trong đường hầm dẫn nước trước tháp trong thời gian dt lên trục x bằng tổng hình chiếu của tất cả các ngoại lực tác dụng khối nước:

5

trong đó:

- Khối lượng nước trong đường hầm dẫn nước không thay đổi trong quá trình dao động:

6

trong đó: V - vận tốc dòng chảy trong đường hầm dẫn nước (m/s), chiều dương hướng từ thượng lưu xuống hạ lưu.; f - tiết diện đường hầm dẫn nước (m2); L - chiều dài đường hầm dẫn nước (m); g - trọng lượng riêng của nước; g - gia tốc trọng trường (m/s2).

Hình chiếu véc tơ vận tốc dương lên trục x sẽ có dấu ngược lại: Vx = -V.

- Hình chiếu các ngoại lực tác dụng lên khối nước lên trục x ( SX) bao gồm:

  • áp lực nước lên hai đầu khối nước: - gf (Z - hth -hv) ;

trong đó: Z – Chênh lệch mực nước trong tháp điều áp (m), so với mực nước tĩnh trong hồ chứa hoặc trong bể áp lực, chiều dương hướng xuống dưới;

7

8

Trong đó :      C - Là hệ số Sezi.

R - Bán kính thuỷ lực của đường hầm dẫn nước

xc - Tổng các hệ số tổn thất cục bộ.

l - hệ số sức cản thuỷ lực dọc đường của đường hầm dẫn    d- đường kính đường hầm

  • Hình chiếu trọng lực và áp lực nước vuông góc với trục x nên bằng không ( xét trường hợp đường hầm nằm ngang).

Gọi tổng tổn thất cột nước trình: hw = hL + hc + hth + hv từ (6-3) ta có phương

9

1.2.2. Phương trình liên tục

Theo định luật liên tục của dòng chảy: lưu lượng qua tuốc bin (nghĩa là lượng nước vào đường ống áp lực) trong thời gian dt, sẽ bằng lượng nước chảy qua đường hầm dẫn nước cộng với (hoặc trừ) lượng nước từ tháp điều áp chảy ra trong cùng thời gian đó.

10

1.3 TÍNH TOÁN THỦY LỰC THÁP ĐIỀU ÁP BẰNG GIẢI TÍCH

1.3.1. Yêu cầu tính toán

Tính toán thuỷ lực để xác định các trị số sau:

a- Tính toán biên độ dao động. Để từ đó chọn kích thước và hình dạng tháp

điều áp sao cho dao động hợp lý nhất theo điều kiện kinh tế và kỹ thuật.

b- Tính toán mực nước cao nhất trong tháp điều áp. Phải tính với mực nước hồ lớn nhất, tổn thất thuỷ lực nhỏ nhất trong đường dẫn có thể xẩy ra trong trường hợp đó, và giảm đột ngột toàn bộ phụ tải của nhà máy(từ lưu lượng lớn nhất đến lưu lượng bằng không).

c- Tính toán mực nước thấp nhất trong tháp điều áp phải tính với mực nước thấp nhất trong hồ chứa (mực nước chết), tổn thất thuỷ lực lớn nhất trong đường hầm và có thể xẩy ra trong các trường hợp tăng tải sau :

- Tăng công suất tương đương với một tổ máy, nhưng không nhỏ hơn 33% công suất toàn nhà máy, với cỡ nhà máy có công suất N<30.000kw.

- Tăng công suất tương đương với hai tổ máy, nhưng không nhỏ hơn 50% công suất toàn nhà máy, với cỡ nhà máy có công suất N>30.000kw.

- Tăng từ một công suất nhất định đến 100% công suất toàn nhà máy, hoặc với một giá trị công suất mà nhà máy tham gia vào việc điều chỉnh tần số của hệ thống mạng điện

Sau khi xác định được mực nước thấp nhất trong tháp điều áp phải kiểm tra điều kiện mép trên của ống dẫn nước vào turbine phải thấp hơn mực nước này ít nhất là 2-3 mét để tránh không khí lọt vào turbin.

d- Tính toán cho tháp điều áp ở đường thoát nước sau tổ máy, mọi điều kiện công suất, tổn thất phải chọn ngược lại với tính toán trên.

1.3.2. Tháp điều áp hình trụ khi không xét tới sức cản thuỷ lực

Khi không xét tới sức cản thuỷ lực thì kết quả tính toán có thể phần nào sai khác với thực tế , song cho phép ta hình dung được toàn bộ quá trình dao động sóng trong TĐA.

Khi bỏ qua các tổn thất thuỷ lực và xét trong trường hợp lưu lượng qua turbin thay đổi tức thời, từ phương trình (6-6) ta có:

12

1.3.3. Tháp điều áp hình trụ khi xét tới sức cản thuỷ lực.

Sức cản thuỷ lực trong hệ thống đường dẫn nước có áp làm giảm biên độ dao động trong TĐA và làm cho dao động tắt dần. Một phần tổn thất thuỷ lực cơ bản là tổn thất dọc đường hL trong đường hầm dẫn nước trước TĐA, nó phụ thuộc vào độ nhám của đường hầm. Trong thực tế do điều kiện thi công và trong quá trình vận hành độ nhám này khác với thiết kế, do đó để đảm bảo an toàn độ nhám tính toán cần sử dụng hai giá trị : khi tính toán cho trường hợp cắt tải chọn độ nhám nhỏ  nhất có thể và khi tính cho trường hợp tăng tải cần chọn độ nhám tối đa.

1. Khi giảm tải

Xét trường hợp cắt tải toàn bộ từ lưu lượng từ Q0 đến QT=0. Vì thời gian đóng tuốc bin thường rất ngắn (Ts = 3 ¸ 5 s) nên Ts ảnh hưởng không đáng kể đến dao động mực nước trong TĐA. Vì vậy trong tính toán để đơn giản coi Ts=0, tức là xem như đóng tức thời.

Với trường hợp đóng hoàn toàn từ Q0 đến QT =0, ở trạng thái ban đầu (trạng thái ổn định) mực nước trong tháp điều áp thấp hơn mực nước trong hồ chứa một trị số Zo = hwo tính theo công thức thuỷ lực

13

14

Từ (6-12) có thể xác định biên độ lớn nhất Zmax tương ứng với mực nước cao nhất trong TĐA. Mực nước cao nhất trong TĐA được tính với trường hợp mực nước thượng lưu cao nhất hoặc MNDBT.

Thực tế tính toán cho thấy rằng, sức cản thuỷ lực trong hệ thống đường dẫn có ảnh hưởng rất lớn đến biên độ lớn nhất của dao động mực nước trong TĐA. Với đường hầm dẫn nước dài 1 km biên độ này có thể sai khác 13% so với trường hợp không kể tới tổn thất thuỷ lực, còn với đường hầm dẫn nước dài 20 km sai khác có thể đến 25%

Với trường hợp này I.A.Tre-nhi-a-chin đề nghị công thức gần đúng

15

2. Khi tăng tải

Khi tăng công suất trạm từ Nđ đến Nc, lưu lượng sẽ phải tăng từ Qđ đến Qc, ứng với trạng thái ổn định mới.

Trong trường hợp này, coi như mở tức thời, công thức gần đúng tính trị số mực nước hạ thấp nhất trong tháp sẽ bằng:

16

1.3.4 Tháp điều áp có màng cản

ở trạng thái ổn định, mực nước thấp hơn mực nước ở thượng lưu một trị số :

17

1. Trường hợp cắt tải

18

Hình 6-5. Biểu đồ xác định độ dâng cao nhất trong TĐA kiểu có màng cản khi đóng đột ngột turbin

Xét quá trình cắt tải tức thời toàn bộ từ QTo đến QT= 0 . Trong quá trình thay đổi lưu lượng vào turbin sẽ xuất hiện dòng chảy vào tháp điều áp, do đó xuất hiện thêm tổn thất qua màng cản của TĐA. Vậy tổn thất thuỷ lực toàn bộ của hệ thống:

19

Theo (6-18) xây dựng biểu đồ xác định biên độ dâng cao nhất trong TĐA ( hình 6-5). Trên biểu đồ, khi h = 0 TĐA có màng cản trở thành  TĐA hình trụ  thông thường.

Cũng có thể dùng công thức Tre- nhi- a- chin:

20

Một trong những đặc điểm riêng biệt của TĐA có màng cản là khả năng xuất hiện hiện tượng “ sóng xô” của sóng nước va vào đường hầm dẫn nước. Khi hệ số cản của TĐA xth lớn, trong quá trình chuyển tiếp do kết quả của hiện tượng “sóng xô” của nước va mà áp lực nước trong đường dẫn còn lớn hơn cả áp lực do mực nước dâng cao nhất trong TĐA.

Trên hình 6-6. là ví dụ về kết quả tính toán xác định Zmax và Hc (áp lực ở cuối đường hầm dẫn nước). với thời gian đóng turbin Ts = 6 s., qui luật thay đổi độ mở cánh hướng nước là tuyến tính. Từ đồ thị ta dễ nhận thấy rằng, khi xth =  10 ¸ 20. áp lực do ” sóng xô” của nước va lớn hơn áp lực do mực nước dâng cao nhất khi cắt tải. áp lực nước trong đường dẫn do “sóng sô” đạt giá trị cực đại khi kết thúc quá trình đóng cánh hướng nước turbin.

Do vậy, ở TĐA có màng cản mực nước cao nhất trong tháp đạt được không phải trong trường hợp đóng tức thờì cánh hướng nước mà trong trường hợp ứng với một Ts nào đó.

21

1.3.5 Tháp điều áp kiểu có máng tràn

Trong trường hợp tháp điều áp có máng tràn, khi mực nước trong tháp dâng  lên quá đỉnh máng tràn, nước sẽ tràn ra ngoài.

Khi giảm tải mực nước dâng lên cao nhất Zm=ZT+ h

ZT - cao trình đỉnh tràn

h- chiều cao lớp nước tràn lớn nhất

Thường cao trình đỉnh tràn lấy cao hơn mực nước cao nhất trong hồ một chút. Trị số h tìm từ công thức tính lưu lượng tràn

QT = mB

2g.h1,5

m - hệ số lưu lượng máng tràn B - chiều rộng tuyến tràn

QT - lưu lượng lớn nhất qua miệng tràn khi giảm tải.

1.3.6. Tháp điều áp hai ngăn

TĐA kiểu hai ngăn ứng dụng có lợi trong trường hợp đường dẫn dài, cột nước cao và mực nước thượng lưu thay đổi lớn. Ngăn trên có tác dụng giảm biên độ dao động khi cắt giảm tải, ngăn dưới - khi tăng tải

1. Khi cắt tải toàn bộ

Thường định trước Zmax từ đó tính được dung tích ngăn trên WBT theo công thức gần đúng.

22

Trong công thức (6.20), đã giả thiết rằng đường kính giếng đứng gần bằng đường kính đường hầm và khi cắt tải mực nước tăng nhanh đến đỉnh miệng tràn hoặc đáy ngăn trên (trong tính toán thể tích khối nước trong giếng đứng bỏ qua). Vì vậy, kiểu này tuy không có màng cản, nhưng do đường kính giếng đứng nhỏ, tổn thất ở chỗ tiếp giáp giữa tháp và đường dẫn cũng lớn không thể bỏ qua.

Để xác định dung tích buồng trên WBT cần định trước một số giá trị Zmax rồi chọn trên cơ sở so sánh các phương án.  Giá trị  Zmax kinh tế thường trong khoảng  8 ¸ 12 m.

 2. Khi tăng tải

Tương tự trường hợp giảm tải, khi tăng lưu lượng đột ngột từ Qo đến Qc dung tích cần thiết của ngăn dưới xác định theo công thức:

23
Trong đó: xmin = Zmin/ Zc ; n = QTo / QTc ; Zmin - mực nước thấp nhất khi dao

động ; Zc - mực nước ổn định ứng với lưu lượng cuối cùng sau khi tăng phụ tải; Vc

- vận tốc dòng chảy trong đường hầm ở trạng thái ổn định sau khi tăng tải.

Từ công thức (5-21) ta thấy khi tăng Zmin, dung tích buồng dưới WBD giảm, khi Zmin = Zc công thức (6-21) được viết dưới dạng đơn giản(6-21*) và mực nước  trong TĐA biến đổi từ từ tắt dần không dao động:

24

Để xác định thể tích buồng dưới WBD cần định trước các giá trị Zmin và chọn trên cơ sở so sánh kinh tế- kỹ thuật các phương án.

1.3.7. Tháp điều áp kiểu có lõi trong

Khi giảm tải

Dung tích cần thiết của ngăn ngoài, tính với trường hợp đóng turbin hoàn toàn.

Tính theo công thức:
25 

Trong đó: xmax = -Zmax /Zo ; xT =-ZT /Zo ; ZT- chiều cao đỉnh tràn của giếng đứng so với mực nước tĩnh của hồ; S = F / F =F / (F + Fng) ; F - Tiết diện giếng đứng ; Fng - Tiết diện ngăn ngoài.

2. Khi tăng tải

Tính với tăng từ Qo đến Qc.

Để đảm bảo cho mực nước khỏi hạ xuống đến mức một đoạn đường dẫn trở thành không áp, tổn thất cột nước khi đóng dòng chảy đi qua các lỗ cản ở đáy giếng đứng theo hướng từ ngăn ngoài vào đường ống áp lực phải thoả mãn điều kiện:

26

Trị số hạ thấp mực nước tương đối xn =Zn/ hwo tính theo công thức:

27

1.4 TÍNH TOÁN THỦY LỰC THÁP ĐIỀU ÁP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒ GIẢI

1.4.1. Phương pháp chung

Nội dung của phương pháp này là dùng đồ thị để giải hệ phương trình vi phân cơ bản của dòng chảy không ổn định trong TĐA nói trên.

Trước hết viết hệ phương trình (6-4) và (6-5) dưới dạng sai phân:

28

Khi tính toán, chọn một thời đoạn Ät nhất định, chọn Ät càng nhỏ thì kết quả càng chính xác hơn, nhưng khối lượng tính toán càng tăng. Thông thường chọn Ät sao cho số điểm tính toán đủ để vẽ tương đối chính xác đường cong Z=Z(t), Để làm được điều đó trong khoảng 1/4 chu kỳ T chọn khoảng 8 ¸ 10 điểm và thực tế thường chọn Ät = 5 ¸ 20 s.

1.4.2. Tháp điều áp hình trụ

1. Khi giảm tải ( hình 6-7)

Với trường hợp giảm toàn bộ và đột ngột phụ tải. Như vậy ngay từ lúc bắt đầu tính toán, lưu lượng qua tuốc-bin Q = 0. Phương trình (6-.25) thành ra:

29

Trên biểu đồ trục tung biểu thị cao trình mực nước trong tháp Z , lấy gốc là cao trình mực nước tính ở thượng lưu, chiều dương hướng xuống.

Trục hoành biểu thị vận tốc dòng chảy trong đường hầm dẫn nước V, chiều dương từ thượng lưu xuống tháp.

Các bước tiến hành như sau:

- Vẽ đường quan hệ giữa tổn thất thuỷ lực với vận tốc dòng chảy trong đường hầm           hw = f(v) theo phương trình (6-27) (đường cong 3)

Vẽ đường quan hệ Äz = f(V) theo phương trình (6-26) (đường thẳng 2)

Vẽ đường quan hệ ÄV=f(Z-hw) theo phương trình (6-25),(đường thẳng 1)

Giả thiết rằng trong suốt thời đoạn Ät, vận tốc dòng chảy trong đường hầm dẫn nước không thay đổi và bằng trị số vận tốc ở đầu thời đoạn.

Xác định toạ độ điểm ban đầu, điểm 0 (Vo, Zo): Từ vận tốc ban đầu V0 trên đường hw = f(v) (đường 3) xác định vị trí ban đầu

Xác định toạ độ điểm I (V1 , Z1): sau thời đoạn Ät1 :

Từ điểm 0 với lưu tốc đầu thời đoạn Vo trên đường Äz = f(V) xác định ÄZ1 và Z1 =Zo+ ÄZ1 sau thời đoạn Ät1 (đường 2). Dùng đường ÄV=f(Z-hw) (đường 1) và từ trị số ⎜Z1 -hwo ⎜xác định ÄV1 . Với trị số Z1 và V1 = Vo+ÄV1 sẽ tìm được điểm  I,biểu thị trạng thái chế độ không  ổn  định  ở  cuối  thời  đoạn  Ät1 .  Lưu  ý  là trong trường hợp này ÄV1 và ÄZ1 mang giá trị âm.

(Để xác định toạ độ điểm I đơn thuần bằng đồ giải ta có thể bằng cách tĩnh
30 

Hình 6-7. Phương pháp đồ giải xác định dao động mực nước trong tháp điều áp khi cắt tải toàn bộ và đột ngột.

 

31

tiến đường 1 đến điểm 0 và giao điểm của nó với đường Z = Z1 là toạ độ điểm I )

Tương tự như vậy xác định toạ độ điểm II ( V2, Z2) sau thời đoạn Ät2 bằng cách tương ứng V1 trên đường 2 xác định ÄZ2 , Z2 =Z1 + ÄZ2 ; từ đường 1 với ⎜Z2 -hw1 ⎜ xác định ÄV2 và V2= V1 +ÄV2 . Cứ như vậy xác định các điểm tiếp theo III, IV ....

(Để xác định toạ độ điểm I đơn thuần bằng đồ giải ta có thể bằng cách tịnh tiến đường 1 đến giao điểm của đường cong 3 và đường thẳng đứng V= V1, đường tịnh tiến này cắt đường thẳng ngang Z =Z2 tại điểm II là toạ độ cần tìm. Và cứ thế tiếp tục cho các điểm tiếp theo)

- Vẽ đường cong Z = f(V) ( đường 4) bằng cách nối các điểm 0, I, II, III ... lại với

Điểm đường cong này cắt trục Z ứng với mực nước cao nhất trong tháp điều áp Zmax (điểm A) và V=0, sau đó V đổi chiều. Tiếp theo đường cong lại cắt trục Z khi V = 0 (điểm B), ứng với mực nước thấp nhất trong tháp điều áp khi cắt tải toàn bộ. Đường Z=f(V) có dạng đường xoắn ốc thu về điểm 0.

- Vẽ khai triển đường Z=f(V) ra dạng Z = f(t) (đường cong 5)

Khi giảm đột ngột một phần phụ tải từ Q0 đến Q2 . Phương trình (6-25) viết thành :

32

Trên đồ thị đường (2) dịch vị trí về phía trái một trị số V2= Q2 / f . Đường  xoắn ốc Z=f(w) sẽ kết thúc ở điểm C, ứng với trạng thái chảy ổn định mới khi lưu lượng tuốc bin bằng Q2 .

2. Khi tăng tải

Xét trường hợp tăng đột ngột từ Qo đến Qc . phương trình (6-24) vẫn giữ dạng trên (đường 1 và 3 trên hình 6-8), còn (6-25) viết thành :

 

33

Đường ÄZ = f(V) theo phương trình (6- 28) sẽ đi qua điểm Vc= Qc / f.

Xuất phát từ điểm 0 ứng với Vo= Qo / f, sau thời đoạn Ät1 , mực nước hạ xuống ÄZ1 xác định theo đường 2 [ÄZ1 = f(Vo)]

34

Hình 6-8 : Phương pháp đồ giải tính mực nước và   Z1 = Zo + ÄZ1. Từ hiệu số Z1 - hwo xác

1-trong hình trụ k;h2i-tăng tải đt ngột       ;

35

 

ÄZ1. Như vậy, xác  định  điểm  I  của đường Z=f(V). Tương  tự,  xác  định  cho các điểm II, III... tiếp theo. Khi  đường cong đi qua điểm tương ứng với V = V2 sẽ có điểm thấp nhất.

Sau đó vận tốc dòng chảy trong đường hầm dẫn nước tiếp tục tăng, lưu lượng vượt qua lưu lượng cần thiết, do đó mực nước trong TĐA tăng. Đến một trị số nhất định vận tốc bắt đầu giảm. Cuối cùng đường Z=f(V) thu về điểm VII, ứng với trạng thái ổn định mới (QT = Qc).

1.4.2. Tháp điều áp có màng cản

1. Khi giảm tải (hình 6-9a)

Xét trường thay đổi lưu lượng từ Q0 đến QT = 0 . Cách vẽ đường Z=f(V) cũng giống như ở TĐA kiểu hình trụ, nhưng chú ý rằng mực nước ban đầu trong tháp điều áp :
36

Sau khi ngắt phụ tải, toàn bộ lưu lượng sẽ chảy vào tháp điều áp. Do đó tại màng cản sẽ hình thành chênh lệch cột nước :

37

Về nguyên lý, trường hợp này cũng hoàn toàn tương tự như ở TĐA không có màng cản, điểm khác biệt ở đây là thời điểm ban đầu khi t = 0 mực nước trong TĐA tính theo (6-29) nhưng ngay sau khi cắt tải t=0+0 tổn thất của hệ thổng tính theo (6-30) nên để xác định điểm I giá trị hwo trong biểu thức ÄV1 = f(Z1 - hwo) được xác định theo (6-30).

2. Khi tăng tải (hình 6-9b)

Khi lưu lượng thay đổi đột ngột từ Qo đến Qc , chênh lệch cột nước ở màng cản , khi dòng chảy giảm dần là:

38

Hệ số xth khi dòng chảy vào và ra khỏi tháp điều áp có thể khác nhau tuỳ theo dạng miệng lỗ qua nước của màng cản.

Thay đổi mực nước trong TĐA sau mỗi thời đoạn Ät xác định theo biểu thức:

 

 

39

Vẽ đường Z=f(V) bắt đầu từ điểm I trên đường cong hw=f(V) tương ứng với trạng thái ban đầu của dòng chảy.
40

Hình 6-9. Phương pháp đồ giải tính dao động mực nước trong TĐA có màng cản

a- khi giảm tải đột ngột. b- khi tăngtải đột ngột.

1- ÄV=F1(Z-hw); 2- ÄZ=F2(V); 3- hw ; 4 - Z= f(V) ; 5- h*w ; 6- hth.

1.4.3. Tháp điều áp hai ngăn

1. Tính toán ngăn trên (6-10a)

Tính toán xác định kích thước buồng trên TĐA trên cơ sở tính toán cho trường hợp cắt tải toàn bộ tổ máy TĐ.

Xét sơ đồ tháp có miệng tràn ở ngăn trên (hình 6-3c), khi giảm phụ tải và thay đổi lưu lượng turbin đột ngột từ Qo đến Q=0.

Các phương trình tính toán bao gồm:

- Phương trình động lượng (6-24) trong đó hw kể đến cả tổn thất ở màng cản hth.

- Phương trình liên tục thể hiện qua lượng nước vào tháp điều áp dưới dạng:

41Vì mực nước dâng lên trong giếng đứng tương đối nhanh, nên thời đoạn tính toán Ät’’ trong các phương trình khi mực nước trong tháp đang ở vào đoạn     giếng đứng lấy nhỏ hơn thời đoạn tính toán Ät’ ở ngăn trên khi nước  chảy qua tràn.

Khi mực nước dâng lên đến đỉnh tràn ở miệng trên giếng đứng thì bắt đầu tràn vào ngăn trên. Chiều cao lớp nước tràn xác định từ phương trình :

 

42

43

Trong đó : D - Đường kính miệng tràn, thường lấy bằng đường kính giếng đứng

m - Hệ số lưu lượng của miệng tràn .

Để tính toán bằng đồ giải cần phải xây dựng các đường phụ trợ :

- Đồ thị đường tổn thất cột nước kể cả tổn thất qua tháp.

44

- Đường quan hệ : ÄV= f(Z-hw) với hai thời đoạn tính toán Ät’ và Ät’’.

- Đường quan hệ : ÄW=f(V) theo (6-31) với thời đoạn tính toán Ät’ .

- Đường quan hệ : ÄZ=f(V) theo (6-32) với thời đoạn tính toán Ät’’ .

- Đường quan hệ : htr=f(V) theo (6-33).

ở trạng thái ổn định trước khi giảm tải mực nước ở vị trí Z0 , sau thời đoạn Ät mực nước dâng lên một đoạn ÄZ1 . Cách vẽ giống như ở tháp điều áp hình trụ.

Tới giao điểm với đường htr=f(V) , đường Z=f(V) bắt đầu đi theo đường htr .

Tính toán lượng nước chảy vào ngăn trên trong mỗi thời đoạn bắt đầu từ giao điểm IV sẽ tính theo åWi trung bình trong thời đoạn.

 45

Hình 6-10. Phương pháp đồ giải tính dao động mực nước trong TĐA hai ngăn

a- khi giảm tải đột ngột và toàn bộ. b- khi tăng tải đột ngột

1- ÄV=F1(Z-hw); 2- ÄZ=F2(V); 3- hw ; 4 - Z= f(V) ; 5- h*w ; 1*, 2* -với Ät2 < Ät1

2. Tính toán ngăn dưới (hình 6-10b)

Kích thước buồng dưới được xác định khi tính toán tăng tải tổ máy TĐ. Trường hợp tăng tải đột ngột, tương ứng với sự thay đổi lưu lượng tư Qo đến Qc .

Thể tích nước đã chảy từ tháp điều áp ra đường hầm dẫn nước sau mỗi thời đoạn Ät .

ÄW=(Qc - f.V) Ät     (6-34)

Thể tích của tháp biến đổi theo mực nước trong tháp :

- Trong đoạn giếng :

Wg = Fg Z        khi      Z £ Z1                                      (6-35)

- Trong đoạn buồng dưới :

WBD = F Z       khi      Z > Z1                                      (6-35*)

Vẽ các đường quan hệ phụ trợ : hw = f(V), ÄV= f(Z-hw), ÄW=f(V) theo (6-34) và đường quan hệ : W=f(Z) theo (6-35),(635*).

Từ điểm I tương ứng với chế độ ban đầu xác định ÄW1 =f(Vo), đặt nó lên đường W=f(Z) từ điểm A ban đầu xác định được Z1 và từ Z1 - hwo xác định ÄV1= f(Z1-hwo) và có V1 =Vo+ÄV1 . Toạ độ điểm II tương ứng V1, Z1 [ trên đồ thị bằng cách tĩnh tiến đường ÄV= f(Z-hw) đến điểm I trên đường hw = f(V), giao điểm   của nó với đường Z = Z1 chiếu từ đường W = f(Z) xác định điểm II ]. Tương tự  như vậy cho các điểm tiếp theo.

1.5 PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN VÀ ỨNG DỤNG TIN HỌC GIẢI CÁC BÀI TOÁN CHẾ ĐỘ KHÔNG ỔN ĐỊNH TRONG THÁP ĐIỀU ÁP

Các phương pháp giải tích và phương pháp đồ giải được ứng dụng để tính dao động mực nước trong tháp điều áp thường chỉ áp dụng được đối với các trường  hợp đơn giản của tháp điều áp khi cho quá trình thay đổi lưu lượng qua tổ máy thuỷ điện là tức thời và đơn giản hoá kết cấu của toàn bộ hệ thống đường dẫn nước của trạm thuỷ điện. Kết quả của các phương pháp kể trên chỉ là gần đúng, chúng không giải quyết được các bài toán về hệ thống với tổ hợp các kết cấu phức tạp và tổ hợp vận hành trạm thuỷ điện.

Các phương pháp sai phân : Ơle, Ơle- Côsi hoặc Runge -Kutta ...là các phương pháp có thể ứng dụng để giải quyết các bài toán về các chế độ không ổn định thuỷ lực trong các hệ thống đường dẫn nước của TTĐ có tháp điều áp. Sau đây sẽ trình bày một số phương pháp sai phân đơn giản ứng dụng cho tháp điều áp.

1.5.1. Các phương trình cơ bản

Để tiện lợi trong tính toán các phương trình (6-3) và (6-5) được viết dưới dạng sau:

46

trong đó : Qd , L, f - tương ứng là lưu lượng, chiều dài, diện tích tiết diện của đường dẫn.

Z - toạ độ mực nước trong tháp điều áp lấy mực nước hồ chứa làm toạ độ gốc  chiều dương xuống dưới.

hw - tổn thất cột nước trong hệ thống đường dẫn và tháp điều áp:

hw = hL + hc + hth + hv

QT - lưu lượng nước qua turbin.

F - diện tích tiết diện của tháp điều áp tương ứng khi ở mực nước Z. t - biến thời gian

Do gia tốc của khối nước trong hệ thống đường dẫn và tháp điều áp không lớn trong các quá trình chuyển tiếp nên trong tính toán tổn thất cột nước hw có thể theo qui luật của dòng chảy ổn địmh. Giá trị của các tổn thất phụ thuộc vào hướng và độ lớn của vận tốc trong các thành phần của hệ thống ở mỗi thời điểm tính toán.

Tổn thất cột nước trong đường hầm gồm các tổn thất cục bộ (hc) và tổn thất ma sát dọc đường (hL) :

47

Lưu lượng qua turbin QT phụ thuộc chế độ của quá trình chuyển tiếp và đặc tính của từng loại turbin do đó cũng là biến thời gian t. Như vậy, các hàm Qd và Z trong hệ phương trình (6-4*) và (6-5*) đều là biến thời gian t, các vế phải của hệ phương trình vi phân có thể biểu diễn dưới dạng hàm với biến số thời gian sau:

48

 

1.5.2. Phương pháp sai phân hữu hạn Ơ le.

Trong các phương pháp sai phân vấn đề chủ yếu là xác định đúng giá trị của nghiệm tại từng thời điểm tính toán. Khác nhau giữa các phương pháp tính toán là tốc độ hội tụ của nghiệm.

49

trong đó : e1, e2 - các sai số cho phép

Với các giá trị ban đầu Qd0 và Z0 khi t0 = 0 xác định lần lượt ở các bước tiếp theo cho cả quá trình chuyển tiếp.

Nhược điểm của phương pháp này là tốc độ hội tụ chậm.

1.5.3. Phương pháp sai phân hữu hạn Ơ le - Côsi

Sử dụng phương pháp sai phân Ơle - Côsi, nghiệm của hệ phương trình (6-36) và (6-37) được biểu diện dưới dạng sau:

1

trong đó : Các chỉ số i - thời điểm tính toán; k- chỉ số bước lặp.

Điều kiện nghiệm gầng đúng lấy theo ( 6-42) và (6-43).

Do ngay trong từng bước lặp tiếp theo đã lấy các giá trị trung bình để trung  hoà sai số nên tốc độ hội tụ nhanh hơn.

1.5.4. Sơ đồ tính toán dao động mực nước trong TĐA

Giải bài toán về chế độ không ổn định trong TĐA bằng phương pháp sai phân hữu hạn và lập trình giải nó trên máy tính có thể tiến hành theo sơ đồ tổng quát hình (6-11):

3

1- Các số liệu cho trước bao gồm:

- Số liệu về đường ống : L, f, độ nhám đờng hầm trên cơ sở đó tính R, C, các hệ số cản cục bộ xc.

- Số liệu về TĐA : F (thay đổi theo cao trình nếu TĐA hai ngăn), hệ số cản xth.

- Số liệu về chế độ diều chỉnh QT (qui trình đóng mở theo thời gian).

Các số liệu cho trước và các số liệu phụ trợ sau khi tính được in vào file kết quả.

2- Xác định chế độ ban đầu khi t = 0 : Qdo, Tổn thất thuỷ lực hwo và Zo. áp lực đáy tháp Po.

3- In ? : Chế độ đầu cần

thiết phải in, nhưng do bước tính quá nhỏ nên đặc trưng các chế độ tiếp theo cần in có chọn lựa, ví dụ nếu Ät = 0,1 s., nếu muốn in kết quả các bước theo số chẵn giây ta lập thuật toán để cứ sau 10 bước tính mới in một lần.

4 Thay đổi bước tính t = t + Ät và tương ứng i = i +1.

5 Xác định lưu lượng qua turbin bằng phương pháp nội suy đường qui trình đóng mở.

6 Tính toán xác định chế độ bước thứ i : Bằng các phương pháp sai phân hữu hạn xác định Qdi, Zi (theo các phương trình sai phân và phương pháp lặp).

7 Kiểm tra việc kết thúc tính toán ? . Nếu chưa kết thúc lại tiếp tục tính cho bước tiếp

1.6 ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG DẪN NƯỚC ÁP LỰC CÓ THÁP ĐIỀU ÁP

1.6.1. Khái niệm

Biên độ dao động mực nước trong TĐA phụ thuộc vào trị số chênh lệch lưu lượng ban đầu và cuối quá trình điều chỉnh ⎜Qo-Qc ⎜và tổn thất cột nước trong toàn hệ thống. Trong các tính toán đã trình bày trên, xem lưu lượng điều chỉnh cuối cùng là không đổi Qc = const nên qua trình dao động khi kể đến tổn thất thuỷ lực bao giờ cũng tắt dần và lưu lượng Qc không phụ thuộc vào biên độ Z.

Trong thực tế các tổ máy thuỷ điện đều làm việc với hệ thống điều chỉnh tự động, các hệ thống này luôn cố gắng đảm bảo cho công suất cuối cùng không đổi N =const nên lưu lượng cuối cùng Qc biến đổi tương ứng với biến đổi cột nước trong quá trình , tức là phụ thuộc vào biên độ

Do phải đảm bảo điều kiện này mà hệ thống tự động điều chỉnh turbin có thể làm cho dao động trong hệ thống đường dẫn có TĐA không những không tắt  mà  biên  độ  dao động tăng dần. Điều này rất nguy hiểm vì có thể từ dao động nhỏ có thể dẫn đến biên độ dao động quá lớn , turbin không thể điều chỉnh được và mực nước trong TĐA có thể

4

Hình 6-12. Đồ thị dao động trong hệ thống đường dẫn - TĐA:

I- ổn định; II- không ổn định

vượt ra khỏi phạm vi khống chế của công trình. (Trên đồ thị hình 6-12. thể hiện bằng quan hệ Z = f(V) của trường hợp dao động ổn định và không ổn định).

Để khống chế không để xẩy ra hiện tượng trên cần phải tính toán tiết diện của TĐA sao cho mọi dao động trong quá trình điều chỉnh phải tắt dần. Sau đây sẽ phân tích cụ thể quá trình điều chỉnh này.

1.6.2. Điều kiện ổn định sóng trong TĐA của TTĐ làm việc độc lập

Đặc điểm của TTĐ làm việc độc lập là sau quá trình điều chỉnh nếu có sự chênh lệch công suất do dao động cột nước Nt ¹ Nc (Nc - công suất ổn định cuối cùng) máy điều tốc tự động sẽ hoạt động điều chỉnh lại ngay. Còn đối với TTĐ làm việc trong hệ thống điện, phần công suất chênh lệch này toàn bộ hệ thống sẽ đảm nhận, tổ máy chỉ đảm nhận một phần.

Giả thiết tại thời điểm t bất kỳ, mực nước trong TĐA cách mực nước ổn định là ÄZ. Để cân bằng công suất turbin thay đổi lưu lượng ÄQT tương ứng.

Từ phương trình cân bằng công suất : Qc ( Ho - hc - hTc )hc = (Qc+ÄQT )( Ho - hc -hT-ÄZ)h                                                                                                                        (6-44) Trong đó : - Ho - cột nước tĩnh;

- hc , hTc - tổn thất cột nước ứng với lưu lượng ổn định cuối cùng Qc

trong đường hầm trước TĐA và trong ống dẫn nước turbin sau TĐA;

- hT - tổn thất cột nước ứng với lưu lượng ổn định cuối cùng Qc+ÄQT trong ống dẫn nước turbin sau TĐA;

- hc , h - hiệu suất turbin ở chế độ ổn định sau điều chỉnh tương ứng Qc và lưu lượng tại thời điểm tính toán Qc+ÄQT.

5

số hằng với phương trình đặc trưng:

Zalo_ScreenShot_11_7_2019_1423236

7

Công thức trên là tính với giả thiết rằng hiệu suất tuốc bin không thay đổi trong quá trình dao động. Thực tế khi cột nước làm việc thay đổi với trị số ÄH , hiệu suất tuốc bin sẽ thay đổi một trị số Äh. Sự thay đổi này có thể tính được từ đường đặc tính tuốc bin .

Khi đó tiết diện giới hạn của TĐA sẽ bằng:

8

Do đó diện tích tiết diện TĐA được chọn F = ( 1,05 ¸ 1,10 ) Fgh

1.6.3. Trạm thuỷ điện làm việc trong hệ thống

Tiết diện tháp điều áp (F) theo công thức sau:

9

Trong đó : - Fgh - tiết diện của tháp điều áp trong trường hợp TTĐ làm việc độc lập nói trên.;  e - Tỉ số công suất của trạm so với công suất của hệ thống  e=Ntrạm / Nhệ thống

1.7 LỰA CHỌN LOẠI VÀ KÍCH THƯỚC THÁP ĐIỀU ÁP

Trong thiết kế , việc lựa chọn loại và kích thước TĐA không thể tách rời với việc lựa chọn các bộ phận công trình trên hệ thống đường dẫn và nhà máy thuỷ điện. Kết cấu và khích thước TĐA ảnh hưởng tới trị số áp lực nước va và áp lực nước trong đường hầm dẫn nước trước TĐA.

Trong thực tế, kích thước TĐA ít ảnh hưởng tớiờđư ng kính kinh tế của đường

ống dẫn nước turbin, do đó khi xác định hình thức kết cấu và kích thước TĐA chỉ cần xét tới sự ảnh hưởng của chúng tới vốn xây dựng đường hầm trước tháp.

Các đại lượng biến đổi có ảnh hưởng tới vốn xây dựng công trình là biên độ dao động mực nước lớn nhất Zmax , nhỏ nhất Zmin và diện tích tiết diện tháp F.   Diện tích này phải bảo đảm điều kiện F > Fgh. Mực nước cao nhất và thấp nhất trong TĐA xác định áp lực nước trong đường hầm dẫn nước trước tháp và vì thế quyết định vốn xây dựng đường hầm.

Tiêu chuẩn đánh giá khi so sánh các phương án TĐA là :

Chầm + C tháp = min

Chi phí tính toán năm của đường hầm Chầm tăng khi tăng Zmax, Zmin do tăng  áp lực nước trong chúng. Nhưng đối với TĐA thì ngược lại , Zmax, Zmin có nghĩa là diện tích F giảm và do đó giảm vốn xây dựng nó (chi phí tính toán năm Cth).  Kinh nghiệm thực tế cho thấy Zmax kinh tế thường trong khoảng 3¸6 m.

Thông thường với TĐA hai ngăn với địa chất là đá thì ngăn trên bố trí trong khối đào hở trên mặt đất, với TĐA để hở hoàn toàn trên mặt đất thì thường sử dụng loại có lõi trong và làm bằng bê tông cổ thép.

1.8 TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỦA THÁP ĐIỀU ÁP

1.8.1. Tổ hợp tải trọng

Chủ yếu tính với ba trường hợp sau:

- Mực nước trong tháp điều áp cao nhất, do đó áp lực nước và trọng lượng nước trong tháp điều áp là lớn nhất.

-Mực nước trong tháp điều áp thấp nhất , do đó áp lực nước bên ngoài cao nhất hoặc áp lực vữa phun cùng với áp lực chủ động của nham thạch quanh tháp điều áp và lực đẩy lên từ dưới đáy.

- Những trường hợp  trường hợp thêm ứng lực nhiệt độ và co ngót trong những

Tính toán kết cấu tháp điều áp chủ yếu là tính phần thân đứng và tấm đáy.

1.8.2. Tính toán phần thân đứng

Phần thân đứng là một ống rỗng, với trường hợp kiểu ngầm tính toán thường phức tạp hơn. Dưới đây giới thiệu cách tính khi giếng đặt ngầm trong nham thạch.

Thân giếng có thể đặt khe co giãn ngang. Giữa thân đứng và tấm đáy thường nối cứng, rất ít khi nối bản lề, bởi khi đó làm vật chắn nước rất phức tạp.

a, Nguyên lý và công thức tính toán

Tính với trường hợp thân đứng và tấm đáy nối cố định. Độ dày thân lấy bằng nhau theo suốt chiều cao.

Các ký hiệu và công thức tính toán như sau: R - Bán kính tính đến giữa bề dày thân (m) t - Độ dày thân (m)

k - Hệ số kháng đàn tĩnh của nham thạch (T/m3)

p - Cường độ áp lực nước bên trong hoặc bên ngoài, quy định áp lực nước bên trong lấy dấu dương (T/m2).

j - Biến vị của thân đứng dưới tác dụng của ngoại lực, quy định hướng ra ngoài là dương (m).

g - Trọng lượng riêng của nước (T/m3) D - Độ cứng chống uốn của thân : D = 112 (1 - m 2 )

m - Hệ số Poat xông của bê tông. E - Mô duyn đàn tính của bê tông.

x - Toạ độ tính từ điểm tính toán đến tấm đáy, hướng lên là dương (m). H - Toàn bộ chiều cao thân đứng (m)

b - Thông số tham biến tính bằng công thức:
10

Hoặc lấy k = hệ số kháng đàn tính tính đổi:

K = Et + k R2

M - Mô men uốn trên đơn vị chiều dài (T.m/m) V - Lực cắt đơn vị chiều dài (T/m)

T - Lực hướng vòng trên đơn vị chiều dài, lấy lực kéo là dấu dương (T/m). Mô men M0 và lực cắt V0 ở đáy thân đứng tính như sau:

- Khi chịu tác dụng của áp lực nước bên trong:

11

Nếu mực nước trong tháp điều áp còn cách miệng thân một đoạn d thì thay trị số H trong công thức băng(H-d).

- Khi chịu tác dụng của áp lực nước bên ngoài, khi này nham thạch không sinh ra kháng lực đàn tính (k=0) công thức tính như sau:

 

12

Trong đó : x - tỷ trọng nước trong tầng nham thạch. Công thức trên chưa xét

đến ảnh hưởng của tấm đáy, thực tế do ảnh hưởng của tấm đáy phải tính như sau:

M0’=M0+M’ ;              V0’=V0+V’

Trong đó : M’ và V’ do ảnh hưởng của tấm đáy và tính toán ở phần dưới Mô men, lực cắt, độ dốc và biến vị tại mặt cắt có toạ độ x tính từ đáy :

13

Trong đó các hàm số f(bx), z(bx), Y(bx) và q(bx) tính như sau:

f(bx ) = e -bx (cos bx + sin bx)

z (b x) = e -bx sin bx

y(bx) = e -bx (cos bx - sin bx)

q(bx) = e -bx cos bx

Lực hướng vòng trên đơn vị chiều dài tính theo công thức :

T = 2t y

              R   (6-67)

b, Tính cường độ chống uốn, chống đẩy, hệ số tương hỗ của thân đứng

Mô men uốn làm cho đáy thân phát sinh một góc quay đơn vị gọi là cường độ chống uốn. Giả thiết thân đứng cao vô hạn, dưới tác dụng của mô men uốn M0 và lực cắt V0 , đáy giếng sinh ra góc quay đơn vị [dy/dx](x=0)=1 và không có chuyển vị ngang (hình 6-13 a)

15

1.8.3. Các bước tính toán phần thân cứng

Dùng công thức (6-69) và (6-60) tính mô men và lực cắt ở đầu cố định của đáy thân.

Xét ảnh hưởng của tấm đáy, sau khi đã tính toán tấm đáy để tính lại mô men và lực cắt ở đáy thân.

Dùng công thức (6-63), (6-64), (6-65), (6-66) và (6-67) tính toán mô men uốn, lực cắt, độ dốc biến vị và lực hướng vòng của các điểm dọc thành thân tháp.

Khi có nước trong tháp thì tại mặt nước tự do, thân tháp sẽ có một mô men uốn (hình 6-14)

16

Hình 6-14. Sơ đồ tính toán khi trong tháp chịu một phần áp lực nước bên trong.

17

1.8.4. Tính toán tấm đáy

Đáy tháp là tấm tròn hoặc tấm hình vành khăn. Tính toán theo những trường hợp cụ thể sau:

a, Tính toán tấm đáy không xét đến lực kháng đàn tính của nham thạch

Đó là trường hợp tấm đáy chịu áp lực nước bên ngoài.

- Tấm tròn bán kính là b, mép ngoài cố định, chịu tải trọng phân bố đều q (hình 6-15).

Gọi mô men theo hướng đường kính là Mr và mô men theo hướng tiếp tuyến là Mq , các công thức tính toán như sau:
18

Trong đó : q - Là góc quay giới hạn do M gây ra. Dấu âm là chỉ hướng quy định của mô men M và góc quay q là ngược nhau.

- Tính toán tấm đáy hình vành khăn

Mép ngoài gắn cố định, chịu tải trọng phân bố đều q (hình 6-16). Gọi a, b là bán kính trong và ngoài của tấm đáy, công thức tính:

19

20

Hình 6-16. Sơ đồ tính toán tấm hình vành khăn, mép tấm gắn cố định

21

22

b, Tính toán tấm đáy có xét đến lực kháng đàn tính của nham thạch

Khi tấm đáy chịu tải trọng hướng xuống, cần xét đến ảnh hưởng của kháng lực đàn tính của nền nham thạch. Phương pháp tính toán thường theo giả thiết Vikle tức là biến vị của một điểm dưới tấm đáy tỷ lệ thuận vơí kháng lực đàn tính tại điểm đó (hệ số tỷ lệ này là k’)

23

Sưu tầm và biên soạn bởi: Valve Men Team