Chương 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu vận hành hệ thống thủy điện vừa và nhỏ. Nội dung chính của chương này là phân tích, đánh giá tổng hợp các kết quả áp dụng hệ thống hỗ trợ ra quyết định (DSS) trong nghiên cứu về mô 5 phỏng, vận hành tối ưu hệ thống thủy điện nhằm đưa ra vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ở Việt Nam. Trên cơ sở đó, hướng tiếp cận và phương pháp giải quyết bài toán đề xuất.
Nghiên cứu cơ sở khoa học của hệ thống hỗ trợ nhằm nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống hồ chứa. Các phương pháp vận hành cùng các mô hình toán và thuật toán liên quan đã được nghiên cứu, phân tích để lựa chọn cách tiếp cận và đề xuất phương pháp kết hợp mô hình mô phỏng – tối ưu, lập trình tối ưu và kết nối các mô hình để giải quyết bài toán vận hành nhà máy thủy điện nói chung và thủy điện vừa và nhỏ nói riêng. Nghiên cứu phát triển hệ thống DSS cho nhà máy thủy điện Thác Xăng. Trên cơ sở khoa học đã được xác lập, mô hình kết hợp đã được áp dụng thành công cho nhà máy thủy điện Thác Xăng với những kết quả đáng tin cậy, cho thấy hiệu quả vận hành được nâng cao.
TỔNG QUAN VỀ THỦY ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH 1. Khái niệm Thủy điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước. Đa số năng lượng thủy điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một turbine nước và máy phát điện. Kiểu ít được biết đến hơn là sử dụng năng lượng động lực của nước hay các nguồn nước không bị tích bằng các đập nước như năng lượng thủy triều.
Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo. Năng lượng lấy được từ nước phụ thuộc không chỉ vào thể tích mà cả vào sự khác biệt về độ cao giữa nguồn và dòng chảy ra. Sự khác biệt về độ cao được gọi là áp suất. Lượng năng lượng tiềm tàng trong nước tỷ lệ với áp suất.
Để có được áp suất cao nhất, nước cung cấp cho một turbine nước có thể được cho chảy qua một ống lớn gọi là ống dẫn nước có áp (penstock). Lịch sử phát triển Công trình thuỷ điện đầu tiên đặt nền móng cho sự phát triển thuỷ điện trên thế giới đó chính là công trình thuỷ điện công suất nhỏ của gia đình Luis Armstrong tại vùng ngoại ô Northemberland, Vương quốc Anh vào năm 1878. Công trình này chỉ phát điện với công suất khoảng 4 kW dành cho việc chiếu sáng phòng tranh của Luis Armstrong và ngôi nhà. Bốn năm sau đó vào năm 1882, một công trình thuỷ điện phát điện và cung cấp điện thương mại ra đời ở Wisconsin, Mỹ.
Trong khoảng thời gian này cũng có nhiều công trình thuỷ điện được xây dựng ở Bắc Mỹ như Michigan năm 1880, Ottawa và Ontorio năm 1881, NewYork năm 1881. Năm 1891 người Đức đã sản xuất thành công turbine thuỷ điện 3 pha đầu tiên. Năm 1895, nhà máy thuỷ điện lớn nhất thế giới thời bấy giờ được xây dựng ở thác Niagara, NewYork, Mỹ với tên gọi Edwar Dean Adams Power Plant. Vào khoảng đầu thế kỷ 20, trên thế giới có tới hàng trăm công trình thuỷ điện cỡ nhỏ được xây dựng hoàn thiện và đưa vào vận hành.
Trạm thuỷ điện công suất nhỏ đầu tiên của Trung Quốc với công suất lắp máy 500 kW được xây dựng vào năm 1905. Cuối thế kỷ 20, Brazil và Trung Quốc vươn lên trở thành hai quốc gia đứng đầu trên thế giới về thuỷ điện. Đập thuỷ điện Itaipu được xây dựng vào năm 1984 ở khu vực biên giới giữa Brazil và Paraguay có công suất lên tới 12 600 MW. Và tại Trung Quốc công trình đập thuỷ điện Tam Hiệp với công suất phát điện thiết kế đạt 32 000 MW (https://www.org/discover/history-of-hydropower).1 Đập thuỷ điện Itaipu (nguồn internet) 1.
Công trình thuỷ điện Công trình thủy điện hay còn gọi là trạm thủy điện bao gồm hệ thống dẫn dòng chảy và nhà máy thủy điện nhằm biến năng lượng của dòng nước trở thành điện năng cung cấp lên hệ thống lưới điện phục vụ nhu cầu sinh hoạt và sản xuất. Cấu tạo của công trình thủy điện có nhiều điểm khác nhau tùy theo công suất lắp đặt các tổ máy, cột áp và lưu lượng làm việc của turbine, quy mô hồ chứa, địa hình nơi xây dựng nhà máy … Tuy vậy, các công trình thủy điện về cơ bản vẫn giống nhau, theo chiều dòng chảy các thiết bị, hạng mục công trình bao gồm: hồ chứa nước, đập dâng nước (hoặc đập chắn nước), cụm cửa van nhận nước, đường dẫn, turbine, cửa xả nước (cửa thoát). Bên trong nhà máy gồm có turbine thủy lực, máy phát điện, trạm biến áp, đường dây tải điện hòa lưới. Ngoài ra, còn có các thiết bị, máy móc, hệ thống điều khiển và gian máy phục vụ bảo dưỡng sửa chữa, phòng điều hành phục vụ việc vận hành nhà máy thủy điện (Hình 1.
Thông qua hệ thống đập dâng, nước thu gom từ lượng mưa trên lưu vực thông qua hệ thống các dòng chảy tập trung về và hình thành nên hồ chứa cho thủy điện. Tại nhà máy nước được dẫn từ hồ thông qua đường ống áp lực tới làm quay turbine máy phát để phát điện. 8 1 – Hồ chứa; 2 – Cửa van nhận nước; 3 – Lưới chắn rác; 4 – Cửa nhận nước; 5 – Đường ống áp lực; 6 – Trạm biến áp; 7 – Gian máy phát điện; 8 – Máy phát; 9 – Turbine; 10 - Ống thoát; 11 – Cửa xả; 12 – Máng trượt; 13 – Kênh; 14 – Đường dây Hình 1.2 Cấu tạo tổng thể của một công trình thuỷ điện (nguồn internet) 1. Vấn đề vận hành công trình thuỷ điện Từ các nội dung đã trình bày ở trên cho thấy, thủy điện là một hệ thống các công trình được bố trí trên một dòng chảy tự nhiên để biến đổi thủy năng thành năng lượng điện.
Vì vậy, hoạt động của thủy điện phụ thuộc rất lớn vào tự nhiên, cụ thể là nguồn nước và thời tiết. Nếu thời tiết khô hạn hoặc quá mưa lớn, điều này có thể ảnh hưởng đến sản lượng điện sản xuất. Quá trình vận hành thủy điện cơ bản là các quá trình vận hành các công trình thủy điện để đảm bảo tối ưu hóa nguồn năng lượng, hạn chế ảnh hưởng tới môi trường và giảm thiểu các rủi ro có thể sảy ra. Cụ thể việc vận hành gồm các hoạt động như trình bày sau đây.
Quản lý nguồn nước Việc quản lý nguồn nước là một vấn đề khó khăn khi vận hành nhà máy thủy điện. Điều này bao gồm phải đảm bảo đủ lượng nước cần thiết để vận hành nhà máy, đồng 9 thời không ảnh hưởng đến nguồn nước cho các mục đích khác như tưới tiêu, sinh hoạt, nông nghiệp và thủy sản. Nước được thu thập từ nguồn nước như sông, suối. Nước được lưu trữ trong bể chứa hoặc hồ chứa được hình thành nhờ các đập thủy điện chắn trên các con sông để sử dụng và sản xuất điện.
Trên cơ sở nguồn nước thu thập được, Nhà máy thủy điện có thể cần điều chỉnh và giữ ở mức tối ưu để sản xuất điện để đáp ứng nhu cầu điện và giá điện thị trường. Vận hành thiết bị Với mục tiêu quản lý nguồn nước nêu trên, các thiết bị công trình thủy điện như cửa nhận xả nước, máy phát điện, bơm nước, van được vận hành để đảm bảo sản lượng điện sản xuất được đạt mức tối đa và thiết bị hoạt động đúng cách. Sản lượng sản xuất điện cần phải được điều chỉnh để đáp ứng nhu cầu và giá điện thị trường nhằm đảm bảo tối đa hóa lợi nhuận cho chủ đầu tư. Trong quá trình vận hành, ngoài việc thực hiện đúng các quy trình thì các thiết bị cần được bảo trì và kiểm tra định kỳ để đảm bảo hoạt động đúng cách và tránh sự cố có thể gây ra các hỏng hóc thiết bị, đường ống, bể chứa, v.
Các hoạt động khác Vì các nhà máy thủy điện thường được xây dựng ở vị trí núi và có các công trình thủy lợi lớn, việc đảm bảo an toàn cho những người làm việc và cư dân trong khu vực trong quá trình vận hành là rất quan trọng. Những ảnh hưởng đến môi trường như tác động đến động vật, cảnh quan, môi trường nước và không khí đều phải được xem xét và giảm thiểu khi vận hành nhà máy thủy điện. Ngoài ra, các hoạt động vận hành cũng cần được báo cáo và theo dõi định kỳ để đảm bảo hoạt động được thực hiện đúng quy trình và đáp ứng yêu cầu của cơ quan quản lý và khách hàng. Như vậy hoạt động vận hành thủy điện là một hoạt động phức tạp.
Nhà máy hoạt động được dựa trên các yếu tố đầu vào là bất định: Lượng mưa trên lưu vực; Giá điện trên thị trường. Ngoài ra trong quá trình vận hành nhà máy còn bị phụ thuộc vào nhiều yếu tố ràng buộc phức tạp: Đảm bảo an toàn hồ đập; Đảm bảo mức nước vận hành hiệu quả; Thực hiện đúng quy trình vận hành theo quy định… 1. Sự cố thuỷ điện ở Việt Nam a. Một số sự cố, rủi ro trong quá trình vận hành công trình thuỷ điện Sự cố tràn đập Mặc dù trong tính toán thiết kế công trình thuỷ điện hoặc hồ thuỷ lợi đều phải dựa trên số liệu quan trắc thuỷ văn của lưu vực và khảo sát đánh giá lũ với chu kỳ lặp tới 100, 500 năm hoặc 1000 năm.
Biểu đồ bên trình bày số liệu so sánh lượng mưa trung bình 10 trong vòng 2 tuần của tháng 10/2020 so với lượng mưa trung bình cả năm 2018 và năm 2019 của một vài địa phương các tỉnh miền Trung (Hình 1. Số liệu cho thấy rõ sự khác biệt và bất thường của thời tiết, lượng mưa trong 2 tuần của tháng 10 gần như xấp xỉ hoặc vượt tổng lượng mưa cả năm. Điều này cho thấy rằng vấn đề biến đổi khí hậu ngày nay diễn ra rất phức tạp nên xác xuất các cơn lũ dị thường là khá cao và khó dự đoán trước. Giả sử có thay đổi thời tiết bất thường, mưa lớn cục bộ cho một lưu vực với lưu lượng lớn hơn lưu lượng thiết kế của các cửa xả tràn.
Nếu kết quả dự báo thời tiết không đủ sớm hoặc thiếu chính xác thì các hồ chứa không kịp xả bớt nước để đón cơn lũ về. Kết quả là mực nước trong hồ dâng cao và có nguy cơ tràn đập.3 Biểu đồ so sánh tổng lượng mưa trong 2 tuần tháng 10/2020 (TĐTL Kyushu) Khi sự cố tràn đập xảy ra có thể phá hoại thiết bị, công trình ngay sau thân đập.