CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về nhà máy thủy điện. Từ hơn 2000 năm trước người Hi Lạp cổ đại đã biết khai thác sức nước bằng việc sử dụng các bánh xe guồng nước để xay gạo. Năm 1880, nhà phát minh người Mỹ Lester A.
Pelton khám phá ra nguyên lý phát điện từ sức nước trong một chuyến thăm mỏ khai thác vàng gần nhà. Những người thợ mỏ đã đặt các guồng quay bằng gỗ bên dòng suối. Nước chảy làm quay trục guồng, từ đó làm quay những chiếc cối xay đá sa khoáng chứa vàng. Do nắm rõ nguyên lý phát điện từ những chiếc trục quay, không khó để nhà khoa học này thay chiếc guồng gỗ bằng một máy phát điện.
Chỉ hai năm sau, nhà máy thủy điện đầu tiên trên thế giới được H. Rogers xây dựng tại bang Wisconsin (Hoa Kỳ), mở ra một kỷ nguyên thủy điện cho nhân loại. Theo hội đồng năng lượng quốc tế (WEC), thủy điện đang đóng góp 20% tổng công suất điện năng trên toàn thế giới, tương đương 2. Na Uy là nước mà 100% điện năng được sản xuất từ thủy điện.
Những nước có thủy điện chiếm hơn 50% cũng rất nhiều, như: Icela (83%), Áo (67%). Canada hiện là nước sản xuất thủy điện lớn nhất thế giới, với tổng công suất gần 400 nghìn GWh, đáp ứng hơn 70% nhu cầu nước này. Tiềm năng của nguồn điện xanh này còn rất lớn, bởi WEC đã ước tính, trên toàn cầu, công suất thủy điện có thể đạt đến 14. Nguồn thuỷ năng ở nước ta rất lớn, trữ năng kỹ thuật khoảng 90 tỉ kWh với khoảng 21 triệu kW công suất lắp máy, được quan tâm phát triển khá sớm (Nhà máy thủy điện Đa Nhim: 160MW, Thác Bà: 108MW).
Trong những năm gần đây đã phát triển nhiều nhà máy với công suất khá lớn (Nhà máy thủy điện Hòa Bình: 1920MW, Yaly: 720MW, Trị An: 400MW, Hàm Thuận: 300MW…) và sắp tới đưa vào sử dụng nhiều nhà máy với công suất lớn (Nhà máy thủy điện Sơn La: 2400MW, Sêsan 4: 340MW, Sêsan 3: 259MW, Na Hang: 300MW, Đồng Nai 4: 280MW…) và nhiều nhà máy khác nhưng chúng ta mới chỉ khai thác được rất ít khoảng 20%. 4 Tuy nhiên thủy điện đã chiếm tỉ trọng khá lớn, khoảng 60% công suất của hệ thống điện Việt Nam. Trong tương lai khi nhu cầu phát triển kinh tế tăng cao đòi hỏi nhiều năng lượng điện thì thủy điện là nguồn năng lựong cần phải khai khác triệt để do giá thành rẻ và nguồn than đá để phát triển nhiệt điện đã không còn nhiều. Ngoài ra thủy điện còn có vai trò quan trọng trong lợi dụng tổng hợp và phòng chống thiên tai.
Nhà máy thủy điện ngang đập Nhà máy thủy điện (NMTD) là một hạng mục chủ yếu của một trạm thủy điện, là một công trình thủy công trong đó bố trí các thiết bị động lực (turbin, máy phát điện) và các hệ thống thiết bị phụ phục vụ cho sự làm việc bình thường của các thiết bị chính nhằm sản xuất điện năng cung cấp cho các hộ dùng điện. Có thể nói đây là một xưởng sản xuất điện năng của công trình thủy điện. Loại kết cấu nhà máy phải đảm bảo sự làm việc an toàn của các thiết bị và thuận lợi trong vận hành. Phân loại nhà máy thủy điện.
Trong thực tế nhà máy thủy điện có thể phân đơn giản làm 2 loại: - Các loại nhà máy thông thường: Nhà máy không kết hợp: Nhà máy lòng sông, nhà máy sau đập, nhà máy đường dẫn 5 - Các loại nhà máy đặc biệt: Nhà máy ngầm, nhà máy kết hợp xả lũ, nhà máy trong than đập, v. Nhà máy thủy điện ngang đập Nhà máy thủy điện ngang đập được xây dựng với cột nước không quá 35÷40m. Ở đây toàn bộ hệ thống công trình tập trung trên 1 tuyến. Bản thân nhà máy là 1 phần công trình dâng nước, nó thay thế cho một phần đập dâng chịu áp lực nước thượng lưu.
Cửa lấy nước cũng là thành phần bản thân nhà máy. Một đặc điểm khi thiết kế đối với nhà máy thủy điện ngang đập là về mùa lũ cột nước công tác thường giảm, dẫn đến công suất tổ máy giảm, trong một số trường hợp nhà máy có thể ngừng làm việc. Để tăng công suất nhà máy trong thời kỳ lũ đồng thời giảm đập tràn, hiện nay trên thế giới người ta thiết kế nhà máy thủy điện ngang đập kết hợp xả lũ qua đoạn tổ máy. Nếu nghiên cứu bố trí 1 cách hợp lý công trình xả lũ trong đoạn tổ máy thì khi tràn làm việc có thể tạo thành những vị trí có thể tăng cột nước công tác do hiệu quả phun xiết.
Đối với nhà máy thủy điện ngang đập, cột nước thấp lưu lượng lớn, chiều dài đoạn tổ máy thường được xác định theo kích thước bao ngoài buồng xoắn và ống hút. Chiều ngang đoạn tổ máy theo chiều dòng chảy phần dưới nước của nhà máy phụ thuộc vào kích thước cửa lấy nước, buồng xoắn tuabin và chiều dài ống hút, đồng thời việc tính toán ổn định nhà máy và ứng suất nền có quan hệ đến kích thước phần dưới nước của nhà máy, đặc biệt nền mềm. Để giảm chiều cao phần dưới nước của nhà máy, trong thiết kế thường áp dụng mặt cắt hình chữ T hường xuống với đỉnh bằng, như vậy có thể cho phép rút ngắn chiều cao tầng tuabin và máy phát đặt gần tuabin hơn. Để đảm bảo ổn định chống trượt và ứng suất đáy nền không vượt quá trị số cho phép, tấm đáy của nhà máy thủy điện ngang đập nằm trên nền mềm thường có kích thước rất lớn.
Lợi dụng chiều dày tấm đáy người ta bố trí ở thượng lưu cửa lấy nước hành trang kiểm tra và thu nước. Nhà máy thủy điện sau đập Nhà máy thủy điện sau đập thường dùng với cột nước từ 35÷40m≤H≤250÷300m và có thể lớn hơn nữa. Nhà máy được bố trí ngay sau đập dâng nước. Nhà máy không trực tiếp chịu áp lực nước phía thượng lưu, do đó kết cầu phần dưới nước và biện pháp chống thấm đỡ phức tạp hơn nhà máy ngang đập dâng.
Nếu đập dâng nước là bê tông trọng lực thì thì cửa lấy nước và đường ống dẫn nước Tuabin được bố trí trong thân đập bê tông. Khoảng cách giữa thân đập và nhà máy thường đủ để bố trí các phòng và máy biến thế (máy nâng điện áp). Mặt cắt ngang nhà máy thủy điện sau đập. Trong một số trường hợp nếu không ảnh hưởng nhiều đến ứng suất hạ lưu đập để giảm khối lượng bê tông và chiều dài đường ống dẫn nước vào tuabin người ta thường đặt lấn nhà máy vào thân đập.
Tùy thuộc vào côt nước công tác, nhà máy thủy điện sau đập thường dùng tuabin tâm trục, tuabin cánh quay cột nước cao hoặc tuabin cánh chéo. Ở nhà máy thủy điện sau đập phần điện thường bố trí phía thượng lưu giữa đập và nhà máy, còn hệ thống dầu nước thì bố trí phía hạ lưu. Nhà máy thủy điện đường dẫn Nhà máy thủy điện đường dẫn và nhà máy thủy điện sau đập có một số đặc điểm kết cấu giống nhau. Cả 2 loại nhà máy đều dùng đường ống dẫn nước vào 7 tuabin.
Cũng giống như nhà máy sau đập, loại nhà máy thủy điện đường dẫn không trực tiếp chịu áp lực nước phía thượng lưu. Nhà máy thủy điện đường dẫn pham vi sử dụng cột nước rất rộng từ 2÷3m đến 1700÷2000m. Nhà máy thủy điện đường dẫn ống áp lực đặt lộ thiên có thể sử dụng cột nước đến 2000m. Với cột nước từ 500÷600m trở lên thường dùng tuabin gáo, tổ máy trục đứng hoặc trục ngang (Hình 1-3) Hình 1-3.
Nhà máy thúy điện đường dẫn lắp Turbin gáo. Nhà máy thủy điện đường dẫn có nhiều hạng mục công trình và nằm tập trung theo 2 khu vực: khu công trình đầu mối gồm: công trình ngăn dòng, công trình xả lũ, công trình lấy nước và khu nhà máy nối tiếp hạ lưu bằng đường dẫn có áp hoặc không áp. Ngoài cách phân loại trên nhà máy thủy điện còn được phân loại theo vị trí tương đối của nhà máy trong bố trí tổng thể: Nhà máy thủy điện trên mặt đất, nhà máy thủy điện ngầm được bố trí toàn bộ trong long đất, nhà máy thủy điện nửa ngầm với phần chủ yếu của nhà máy bố trí ngầm trong lòng đất, phần mái che có thể bố trí trên mặt đất. Nhà máy thủy điện ngầm: 8 Kết cấu của nhà máy thủy điện ngầm phụ thuộc rất ít vào phương thức tập trung cột nước mà chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện địa hình và cấu trúc địa chất.
Nó có thể xây dựng trong nhiều điều kiện địa chất khác nhau, từ đá có cường độ cao cho đến yếu, ở những nơi địa hình phức tạp, địa chất tầng trên xấu, nếu địa chất dưới sâu tốt cho phép xây dựng nhà máy thủy điện ngầm thì khối lượng đào đắp sẽ giảm, tuyến đường ống áp lực dẫn vào tuabin ngắn, áp lực nước va giảm vào có lợi cho việc điều chỉnh tổ máy. Các loại kết cấu gian máy nhà máy thủy điện ngầm và nửa ngầm. Tùy thuộc vào cường độ của đá, kết cấu tường và ngầm của nhà máy thủy điện cũng khác nhau. Hình 4-4 thể hiện các loại kết cấu của nhà máy Thủy điện ngầm và nửa ngầm.
Với cường độ đá rất cứng, ko có áp lực bên và áp lực đứng rất nhỏ, nếu đá cứng thuộc cấp 8÷10 thì không cần phải xây vòm bê tông chịu lực mà chỉ cần trát tường (sơ đồ I). Khi cường độ đá thấp hơn và có áp lực đứng thì phải xây vòm chịu lực. Trong trường hợp này có thể có 2 cách: áp lực đất đá và tải trọng cầu trục thông qua 9 chân vòm truyền xuống khối đá (sơ đồ IIb) hoặc chỉ có tải trọng cầu trục thông qua hệ thống dầm và trụ cột truyền xuống khối đá (sơ đồ II). Trong trường hợp đá có cường độ yếu, có áp lực đứng và ngang, sự nứt nẻ nhiều và phòng hóa mạnh thì phải xây tường và vòm chịu lực (sơ đồ III).
Đất đá có cường độ quá yều thì áp dụng kết cấu hình móng ngựa, kết cấu này đàm bảo chống được áp lực đứng và ngang rất tốt (sơ đồ IV). Khi nhà máy đặt ở cao trình không sâu lắm thường áp dụng kết cấu kiểu sơ đồ V, phần nhà máy có thể có một phần nổi trên mặt đất, hoặc sau khi xây xong lấp đất lại. Loại nhà máy này thường gọi kiểu nửa ngầm. Sự phối hợp giữa các công trình ngầm được xác định bởi vị trí bố trí các thiết bị chính và phụ.