Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu lan truyền nhiệt nước thải từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại

• Tác giả: Ngô Thị Nhịp
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Công Quang
• Trường học: Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Mô Hình Toán Lan Truyền Nhiệt Nước Thải Nhà Máy Nhiệt Điện Phả Lại
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hải Dương

• Lời cảm ơn
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN PHA LẠI
• 1.1. Điều kiện tự nhiên kinh tế xã hội của khu vực Phả Lại, Chí Linh, Hải Dương
• 1.1.1. Điều kiện tự nhiên
• 1.1.2. Điều kiện kinh tế xã hội
• 1.1.2.1. Diện tích, dân SỐ
• 1.1.2.2. Tăng trưởng kinh tẾ
• 1.1.2.3. Sản xuất nông nghiỆp
• 1.1.2.4. Công nghiệp, cơ sở hạ tẦng
• 1.2. Đặc điểm về môi trường sinh thái đoạn sông nghiên cứu
• 1.3. VỊ trí dat nhà máy, quá trình xây dụng và hoạt động của nhà máy
• 1.3.1. Quá trình xây dựng và hoạt động của nhà máy
• 1.4. Hệ thống nước làm mát của nha máy nhiệt điện Pha Lại
• 1.4.1. Phác họa sơ đồ hệ thống nước làm mát của hai dây chuyền nhà máy nhiệt điện
• 1.4.2. Lưu lượng và nhiệt độ nước làm mát hai dây chuyền nhà máy nhiệt điện Pha Lai
• 1.4.3. Nhiệt độ của nước làm mat
• 1.5. Đặc điểm của hệ thống kênh dẫn nước thải
• 1.5.1. Kênh thải dây truyền 1
• 1.5.2. Kênh thải dây chuyền 2 (KTDC2)
• 1.5.3. Diễn biến nhiệt độ của nước thải trên kênh
• 2. CHƯƠNG 2: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LAN TRUYÈN NHIỆT TRONG MOI TRƯỜNG NƯỚC
• 2.1. Tình hình quan trắc và đo giám sát nhiệt độ của nước trên thế giới và Việt Nam
• 2.1.1. Tình hình quan trắc và đo giám sát nhiệt độ của nước trên thế giới
• 2.1.1.1. Các quan trắc ngoài trời
• 2.1.1.2. Các đo đạc dùng vỆ tinh
• 2.1.2. Tình hình quan trắc và đo giám sát nhiệt độ của nước tại Việt Nam
• 2.2. Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt và truyền Chat
• 2.2.1. Truyền nhiệt trong môi trường chat lỏng
• 2.2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu:
• 2.2.3. Trao đổi nhiệt bức xạ
• 2.2.4. Trao đổi nhiệt và trao đổi chất
• 2.2.4.1. Hiện tượng khuyếch tán
• 2.3. Phương trình vi phân của trao đổi nhiệt và trao đôi chắt
• 2.4. Sự tương tự giữa quá trình trao đôi nhiệt và trao đôi chất
• 2.5. Các mô hình chất lượng nước có các modun nhiỆt
• 2.6. Nhận xét và lựa chon mô hình tính toän
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH QUAL2K NGHIÊN CỨU LAN TRUYÈN NHIỆT NƯỚC THÁI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN PHẢ LẠI
• 3.1. Giới thiệu về mô hình QUAL/2KK.1
• 3.1.1. Phân đoạn va thủy IW:
• 3.2. Cân bằng nưỚC:
• 3.3. Đặc trưng thủy ÌỰC:
• 3.4. Thời gian diễn toán:
• 3.5. Phân tán theo chiều dòng chảy:
• 3.6. Cân bằng nhiỆt:
• 3.7. Thành phần mô hình và phương trình cân bằng của các thành phần chất
• 3.7.1. Thanh phan mô hình:
• 3.7.2. Phương trình cân bằng của từng thành phan chất lượng nước:
• 3.7.3. Số liệu đầu vào của mô hình:
• 3.8. Kết quả của mô hình
• 3.9. Kiểm định mô hình:
• 3.10. Khả năng ứng dung của mô hình với bai toán lan truyền nhiệt nước thai của nhà máy Nhiệt Điện Phả LạI
• 3.11. Ứng dụng mô hình Qual2K nghiên cứu lan truyền nhiệt nước thải của nhà may nhiét dién Pha Lai
• 3.11.1. Tình hình số liệu khí tượng thủy văn, thủy lực và chất lượng nước sông tại Lục Đầu Giang thuộc khu vực tính toán:
• 3.11.2. Kiểm định mô hình
• 3.11.3. Số liệu đầu vào của mô hình
• 3.11.4. Kết quả kiểm định mô hình
• 3.11.5. Mô phỏng mô hình
• 3.12. Phương
• 3.13. Phương AM
• 3.14. Đánh giá ảnh hưởng của dòng nhiệt thải tới đoạn sông nghiên cứu
• 3.15. Nhiệt độ nước và giới hạn sinh thái
• PHỤ LỤC
• 1. PHỤ LỤC 1
• 2. PHỤ LỤC 2
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• MỞ ĐẦU

I. Tổng quan về nhà máy nhiệt điện Phả Lại

Nhà máy nhiệt điện Phả Lại, một trong những công trình quan trọng trong hệ thống năng lượng của Việt Nam, đóng vai trò chủ chốt trong việc cung cấp điện năng cho khu vực phía Bắc. Mô hình toán được áp dụng nhằm nghiên cứu lan truyền nhiệt của nước thải từ nhà máy này, qua đó đánh giá tác động của nó đến môi trường xung quanh. Khu vực Phả Lại có điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội đa dạng, ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt và xử lý nước thải. Đặc biệt, việc xác định vị trí xả thải và nhiệt độ nước thải là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về sự lan truyền nhiệt trong dòng sông Thái Bình.

1.1 Điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội

Phả Lại nằm ở huyện Chí Linh, tỉnh Hải Dương, có điều kiện tự nhiên thuận lợi cho phát triển công nghiệp. Với khí hậu nhiệt đới gió mùa, khu vực này có hai mùa rõ rệt, ảnh hưởng lớn đến năng lượng nhiệt và sinh thái. Sự phát triển kinh tế tại đây chủ yếu dựa vào nông nghiệp và công nghiệp, trong đó nhà máy nhiệt điện Phả Lại là một trong những động lực chính. Điều này tạo ra áp lực lên hệ thống môi trường và yêu cầu cần có các mô hình đánh giá tác động môi trường hiệu quả.

II. Tình hình nghiên cứu lan truyền nhiệt trong môi trường nước

Nghiên cứu về lan truyền nhiệt trong môi trường nước đã được thực hiện ở nhiều nơi trên thế giới và Việt Nam. Các phương pháp quan trắc và đo đạc hiện nay cho thấy sự cần thiết phải có một mô hình chính xác để theo dõi nhiệt độ nước và chất lượng nước trong các dòng sông. Việc áp dụng mô hình QUAL2K là một bước tiến quan trọng trong việc đánh giá sự tương tác giữa nước thải và nước tự nhiên. Mô hình này giúp phân tích quá trình truyền nhiệt và trao đổi chất, từ đó đưa ra các giải pháp cải thiện chất lượng nước và bảo vệ sinh thái.

2.1 Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt và trao đổi chất

Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt trong môi trường chất lỏng là nền tảng cho việc áp dụng mô hình. Các hiện tượng như khuyếch tán và trao đổi nhiệt đối lưu đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa nước thải và nước tự nhiên. Phương trình vi phân của trao đổi nhiệt và trao đổi chất cho phép mô phỏng chính xác hơn về diễn biến nhiệt độ trong dòng sông, từ đó đánh giá chính xác mức độ ô nhiễm và tác động đến sinh thái.

III. Ứng dụng mô hình QUAL2K nghiên cứu lan truyền nhiệt nước thải

Mô hình QUAL2K được ứng dụng để nghiên cứu lan truyền nhiệt của nước thải từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại. Mô hình này cho phép mô phỏng diễn biến nhiệt độ của nước thải trong hai kênh và đoạn sông nghiên cứu. Kết quả từ mô hình cho thấy sự biến đổi nhiệt độ nước trong quá trình pha trộn giữa nước thải và nước sông, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của dòng nước thải đến hệ sinh thái. Việc này không chỉ giúp xác định mức độ ô nhiễm mà còn đưa ra các giải pháp cần thiết để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

3.1 Kết quả của mô hình

Kết quả từ mô hình cho thấy nhiệt độ nước thải sau khi xả vào sông có sự biến đổi đáng kể, ảnh hưởng đến chất lượng nước và sinh thái trong khu vực. Các số liệu thu thập được từ mô hình đã chỉ ra rằng nhiệt độ nước sông có thể vượt quá giới hạn cho phép, dẫn đến nguy cơ ô nhiễm. Việc này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc theo dõi và quản lý nhiệt độ nước để bảo vệ môi trường và đảm bảo sự phát triển bền vững cho khu vực.

Tổng quan nghiên cứu

Nhà máy nhiệt điện Phả Lại, với tổng công suất thiết kế 1040 MW, là một trong những nhà máy nhiệt điện chạy than lớn nhất Việt Nam và Đông Nam Á, đóng góp khoảng 10% sản lượng điện quốc gia. Quá trình làm mát các thiết bị trong nhà máy sử dụng nguồn nước sông Thái Bình, sau đó xả nước thải có nhiệt độ cao trở lại môi trường nước tự nhiên. Lưu lượng nước làm mát dao động khoảng 45-50 m³/s, với nhiệt độ nước thải cao hơn nước sông từ 8-10°C, gây ra sự biến đổi nhiệt độ đáng kể trong đoạn sông tiếp nhận nước thải.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá sự lan truyền nhiệt độ của nước thải từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại trên đoạn sông Thái Bình, từ điểm xả nước thải qua kênh dẫn đến hạ lưu sông, nhằm xác định mức độ ô nhiễm nhiệt và tác động đến hệ sinh thái thủy sinh. Mục tiêu cụ thể là ứng dụng mô hình toán học QUAL2K để mô phỏng diễn biến nhiệt độ nước thải trên hai kênh thải và đoạn sông, phân tích các phương án vận hành khác nhau, từ đó đánh giá mức độ ô nhiễm nhiệt và đề xuất giải pháp giảm thiểu tác động.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm hệ thống nước làm mát của hai dây chuyền nhà máy, kênh dẫn nước thải và đoạn sông Thái Bình tiếp nhận nước thải, với dữ liệu thu thập từ các trạm thủy văn và quan trắc thực địa trong giai đoạn 2009-2010. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý môi trường nước, bảo vệ hệ sinh thái sông và hỗ trợ các nhà quản lý trong việc điều chỉnh hoạt động nhà máy nhằm giảm thiểu ô nhiễm nhiệt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết truyền nhiệt và truyền chất trong môi trường nước, bao gồm:

• Định luật Fourier về dẫn nhiệt: mô tả sự truyền nhiệt qua vật liệu do chênh lệch nhiệt độ.
• Trao đổi nhiệt đối lưu và bức xạ: quá trình truyền nhiệt qua chuyển động chất lỏng và bức xạ nhiệt từ bề mặt nước.
• Phương trình vi phân trao đổi nhiệt và trao đổi chất: mô hình toán học biểu diễn sự phân bố nhiệt độ và nồng độ chất trong môi trường nước chuyển động.
• Sự tương tự giữa quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất: cho phép sử dụng các mô hình truyền chất để mô phỏng truyền nhiệt trong nước.
• Mô hình toán học QUAL2K: mô hình thủy động lực học và chất lượng nước ba chiều, tích hợp các modun tính toán nhiệt độ, lưu lượng, phân tán và trao đổi nhiệt trong môi trường nước.

Các khái niệm chính bao gồm: mật độ dòng nhiệt, khuyếch tán phân tử, trao đổi nhiệt đối lưu, cân bằng nhiệt và cân bằng nước trong hệ thống sông-kênh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ các cơ quan trung ương, địa phương, các trạm khí tượng thủy văn và quan trắc thực địa tại khu vực nhà máy nhiệt điện Phả Lại và đoạn sông Thái Bình trong các năm 2009-2010. Cỡ mẫu bao gồm số liệu lưu lượng nước, nhiệt độ nước thải và nước sông, các thông số khí tượng thủy văn liên quan.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình toán thủy văn và thủy lực QUAL2K, được lựa chọn do khả năng mô phỏng chi tiết dòng chảy, phân tán và lan truyền nhiệt trong môi trường nước phức tạp. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định bằng số liệu thực tế đo đạc tại hai kênh thải và đoạn sông nghiên cứu, đảm bảo độ chính xác và tin cậy.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 3/2009 đến tháng 6/2010, bao gồm các giai đoạn thu thập số liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh, mô phỏng các phương án vận hành và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Lan truyền nhiệt độ trên kênh thải: Nhiệt độ nước thải giảm chậm dọc theo chiều dài kênh, trung bình chỉ giảm khoảng 1.8°C từ đầu đến cuối kênh thải dây chuyền 2, do diện tích mặt thoáng nhỏ và bờ kênh bê tông kiên cố hạn chế trao đổi nhiệt với môi trường.

2. Nhiệt độ nước sông tại điểm xả thải: Nhiệt độ nước thải sau khi hòa trộn với nước sông tại cửa xả có thể tăng lên từ 8-10°C so với nhiệt độ nước sông tự nhiên, đặc biệt vào mùa kiệt khi lưu lượng nước sông thấp (khoảng 181 m³/s), làm tăng nhiệt độ nước sông lên mức có thể ảnh hưởng đến sinh vật thủy sinh.

3. Mức độ ô nhiễm nhiệt trên đoạn sông Thái Bình: Qua mô phỏng các phương án vận hành khác nhau, nhiệt độ nước sông tại các điểm hạ lưu dao động trong khoảng 26-33°C, vượt giới hạn sinh thái cho phép đối với nhiều loài thủy sinh, đặc biệt trong các tháng mùa hè (tháng 6-7).

4. Hiệu quả mô hình QUAL2K: Mô hình cho kết quả mô phỏng nhiệt độ nước thải và nước sông phù hợp với số liệu quan trắc thực tế, sai số trung bình dưới 5%, cho phép dự báo chính xác diễn biến nhiệt độ trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng nhiệt độ nước sông là do lượng nước thải có nhiệt độ cao từ hệ thống làm mát nhà máy xả vào sông, đặc biệt trong mùa khô khi lưu lượng nước sông giảm thấp. Kết quả mô phỏng cho thấy sự lan truyền nhiệt độ phụ thuộc lớn vào lưu lượng nước sông, cấu trúc kênh thải và điều kiện khí tượng thủy văn.

So sánh với các nghiên cứu tương tự tại các nhà máy nhiệt điện khác trong khu vực Đông Nam Á cho thấy mức độ ảnh hưởng nhiệt độ nước thải của nhà máy Phả Lại tương đương hoặc cao hơn do công suất lớn và hệ thống kênh thải kiên cố hạn chế trao đổi nhiệt. Kết quả này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát nhiệt độ nước thải trước khi xả ra môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ diễn biến nhiệt độ dọc kênh thải và đoạn sông, bảng so sánh nhiệt độ thực tế và mô phỏng, cũng như đồ thị so sánh nhiệt độ nước sông với giới hạn sinh thái cho phép.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng hệ thống làm mát bổ sung trước khi xả nước thải: Thiết kế và lắp đặt các bể làm mát hoặc hệ thống trao đổi nhiệt để giảm nhiệt độ nước thải xuống dưới 5°C so với nhiệt độ nước sông tự nhiên, nhằm giảm thiểu tác động đến hệ sinh thái. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm, do Công ty cổ phần Nhiệt điện Phả Lại chủ trì.

2. Tăng cường quan trắc và giám sát nhiệt độ nước thải và nước sông: Thiết lập hệ thống quan trắc tự động liên tục tại các điểm xả thải và hạ lưu sông, đảm bảo dữ liệu chính xác và kịp thời phục vụ công tác quản lý môi trường. Thời gian triển khai trong 6 tháng, phối hợp giữa Sở Tài nguyên và Môi trường Hải Dương và nhà máy.

3. Điều chỉnh lưu lượng nước làm mát theo mùa và điều kiện thủy văn: Vận hành linh hoạt hệ thống làm mát, giảm lưu lượng nước thải trong mùa kiệt để hạn chế tăng nhiệt độ nước sông, đồng thời phối hợp với các cơ quan quản lý thủy lợi để điều tiết dòng chảy. Thực hiện ngay và duy trì thường xuyên.

4. Nâng cao nhận thức và đào tạo nhân viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về quản lý môi trường, vận hành hệ thống làm mát và xử lý nước thải cho cán bộ kỹ thuật và công nhân nhà máy, nhằm nâng cao hiệu quả kiểm soát ô nhiễm nhiệt. Thời gian đào tạo 3-6 tháng, do nhà máy phối hợp với các viện nghiên cứu môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý môi trường và cơ quan chức năng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách quản lý nhiệt độ nước thải, quy chuẩn môi trường và giám sát hoạt động nhà máy nhiệt điện.

2. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành nhà máy nhiệt điện: Áp dụng mô hình và giải pháp đề xuất để tối ưu hóa hệ thống làm mát, giảm thiểu tác động môi trường và nâng cao hiệu suất vận hành.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành khoa học môi trường, thủy văn: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình toán học và kết quả phân tích để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về ô nhiễm nhiệt và quản lý nguồn nước.

4. Cộng đồng dân cư và tổ chức bảo vệ môi trường địa phương: Hiểu rõ tác động của nhà máy nhiệt điện đến môi trường nước, từ đó tham gia giám sát và đề xuất các biện pháp bảo vệ hệ sinh thái sông.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhiệt độ nước thải lại ảnh hưởng đến hệ sinh thái sông?
   Nước thải có nhiệt độ cao làm tăng nhiệt độ nước sông, gây giảm oxy hòa tan, ảnh hưởng đến sự sống của các loài thủy sinh, làm thay đổi cân bằng sinh thái và có thể dẫn đến suy giảm đa dạng sinh học.

2. Mô hình QUAL2K có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
   QUAL2K mô phỏng chi tiết dòng chảy, phân tán và lan truyền nhiệt trong môi trường nước ba chiều, cho phép dự báo chính xác diễn biến nhiệt độ và đánh giá tác động môi trường trong các điều kiện vận hành khác nhau.

3. Làm thế nào để giảm nhiệt độ nước thải trước khi xả ra sông?
   Có thể sử dụng các bể làm mát, hệ thống trao đổi nhiệt hoặc điều chỉnh lưu lượng nước làm mát, kết hợp với các biện pháp kỹ thuật nhằm giảm nhiệt độ nước thải xuống mức an toàn cho môi trường.

4. Nhiệt độ nước sông được coi là ô nhiễm khi nào?
   Khi nhiệt độ nước vượt quá giới hạn sinh thái cho phép (thường khoảng 28-30°C đối với nhiều loài thủy sinh), gây ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển và sinh sản của các loài này, được xem là ô nhiễm nhiệt.

5. Tại sao cần quan trắc liên tục nhiệt độ nước?
   Quan trắc liên tục giúp phát hiện kịp thời các biến động nhiệt độ, đánh giá hiệu quả các biện pháp kiểm soát, hỗ trợ quản lý và điều chỉnh hoạt động nhà máy nhằm bảo vệ môi trường nước.

Kết luận

• Nhà máy nhiệt điện Phả Lại xả nước thải có nhiệt độ cao, làm tăng nhiệt độ nước sông Thái Bình từ 8-10°C, đặc biệt ảnh hưởng rõ rệt trong mùa kiệt.
• Mô hình toán học QUAL2K được hiệu chỉnh và kiểm định thành công, mô phỏng chính xác diễn biến nhiệt độ nước thải và nước sông.
• Nhiệt độ nước sông tại các điểm xả thải vượt giới hạn sinh thái, có nguy cơ ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái thủy sinh.
• Cần áp dụng các giải pháp làm mát bổ sung, tăng cường quan trắc và điều chỉnh vận hành để giảm thiểu ô nhiễm nhiệt.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho quản lý môi trường nước và bảo vệ hệ sinh thái sông, đồng thời mở hướng nghiên cứu tiếp theo về tác động môi trường của các nhà máy nhiệt điện.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các cơ quan chức năng và nhà máy phối hợp triển khai các giải pháp kỹ thuật và giám sát môi trường, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và thời gian quan trắc để nâng cao hiệu quả quản lý.