Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬN HÀNH CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 1. Vai trò của các nhà máy thủy điện trong sản xuất điện năng 1. Vai trò của thủy điện trong sản xuất điện năng trên thế giới Điện năng là sản phẩm hàng hóa đặc biệt, không tích trữ được, nên quá trình sản xuất và tiêu thụ diễn ra đồng thời theo thời gian thực. Các nguồn điện nói chung và nhà máy thủy điện nói riêng thường xa nhau và xa các trung tâm phụ tải.
Các nguồn phát cung cấp điện cho hộ tiêu thụ điện thông qua hệ thống lưới điện và các trạm biến áp. Hệ thống điện có thể hiểu là tổ hợp thống nhất theo không gian và thời gian gồm các trạm phát điện (nguồn điện), các trạm biến áp (tăng và hạ áp), các đường dây truyền tải, đường dây phân phối điện và các hộ tiêu thụ điện. Hệ thống điện hợp nhất ở mỗi quốc gia đều có quy mô rất lớn và phức tạp với nhiều nhà máy nhiệt điện (than, dầu, khí), điện hạt nhân, các nhà máy thủy điện và thủy điện tích năng cũng như các nguồn phát điện khác từ năng lượng tái tạo như: điện gió, điện mặt trời, địa nhiệt, trạm điện thủy triều v.v… Để giảm được giá thành sản xuất điện năng trung bình của HTĐ, giảm giá cung cấp điện đến hộ tiêu thụ, các nước đều quan tâm giải quyết bài toán tối ưu phát triển (quy hoạch phát triển HTĐ). Đây là bài toán tìm phương án cấu trúc hệ thống điện (nguồn và hệ thống lưới điện) hợp lý nhất theo nhu cầu phát triển kinh tế xã hội ở từng giai đoạn quy hoạch.
Trong bài toán toán này, trên cơ sở kết quả dự báo nhu cầu phụ tải và kết quả tổng hợp, phân tích, đánh giá các nguồn nhiên liệu - năng lượng có thể khai thác, sẽ xây dựng các phương án (kịch bản) phát triển và tính toán giải bài toán tìm phương án tối ưu. Thủy điện với lợi thế không sử dụng nhiên liệu hóa thạch và có giá thành sản xuất điện năng thấp, tuổi thọ cao, vận hành linh hoạt nên được tất cả các quốc gia trên thế giới quan tâm đầu tư phát triển từ rất sớm và luôn giữ vai trò quan trọng trong cung cấp điện năng trên thế giới. Theo Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA) và Hội đồng Năng lượng Quốc tế (WEC) [43,63] thủy điện đang đóng góp khoảng gần 7 20% tổng công suất điện trên thế giới. Tiềm năng kỹ thuật của thủy điện thế giới được đánh giá gần 14.400 tỷ kWh/năm, trong đó tiềm năng kinh tế khoảng 8.
Các nước công nghiệp phát triển đều đã khai thác hơn 70% tiềm năng kinh tế và hiện cũng đang tìm cơ hội khai thác thêm. Các nước đang phát triển, mới khai thác được 20% tiềm năng kinh tế. Châu Á là châu lục có số lượng lớn nhất về phát triển thủy điện, các quốc gia dẫn đầu về tốc độ vẫn là Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam, Iran, …Những nước có nguồn thủy điện chiếm trên 50% tổng công suất điện của hệ thống điện rất nhiều như Na Uy (100%); Icela (83%), Canada (70%), Áo (67%).1 Tổng hợp dữ liệu của IEA về cơ cấu nguồn điện thế giới giai đoạn đến năm 2040 như sau: [63].1: Cơ cấu phát triển điện thế giới của IEA [1] (Tỷ kWh/năm) Kịch bản 1 Kịch bản 2 Nội dung 2000 2014 2025 2040 2025 2040 Tổng [tỷ kWh/năm] 15.092 Nhiên liệu hoá thạch 10.108 Điện hạt nhân 2.891 Năng lượng tái tạo 250 1.992 Tỷ lệ thủy điện [%] 16,92 16,36 16,54 15,96 18,04 20,21 Từ bảng 1.1 ta thấy, vai trò của thủy điện luôn được ưu tiên phát triển và chiếm tỷ trọng trung bình khoảng 16% tổng điện năng của thế giới. Trong kịch bản 2 (được gọi là kịch bản 450) khi đẩy mạnh sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả cùng với tăng cường phát triển năng lượng tái tạo, thủy điện sẽ khai thác đạt 6.
Vai trò của thủy điện trong sản xuất điện năng ở Việt Nam Với điều kiện địa hình khu vực phía Bắc và khu vực phía Tây có đồi núi cao, phía Đông là bờ biển dài, lại nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, lượng mưa trung bình hàng năm từ 1.000mm, nên Việt Nam có nhiều thuận lợi để phát triển thủy điện. Trên hệ thống 2.360 sông lớn với độ dài hơn 10 km, tổng tiềm năng kỹ thuật thủy điện của nước ta được đánh giá vào khoảng 35.000MW, trong đó 60% tập trung tại 8 miền Bắc, 27% phân bố ở miền Trung và 13% thuộc khu vực miền Nam. Bản đồ trữ năng kỹ thuật các lưu vực sông chính ở Việt Nam trình bày trên hình 1.1: Bản đồ trữ năng kỹ thuật các dòng sông chính ở Việt Nam Cả nước hiện có gần 970 dự án thủy điện được quy hoạch, hàng năm có thể sản xuất hơn 100 tỷ kWh, trong đó nói riêng thủy điện nhỏ (TĐN) có tới 800 dự án, với tổng điện năng khoảng 15 - 20 tỉ kWh/năm. Nhiều công trình thủy điện đã được xây dựng trên cả nước, theo kế hoạch, đến năm 2017, có 473 dự án sẽ đưa vào khai thác vận hành, với tổng công suất là 21.229,3 MW, chiếm gần 82% tổng công suất tiềm năng kỹ thuật của thủy điện.000 MW) và 43,9% (tương ứng 53 tỷ kWh) điện năng cho ngành điện.
Cơ cấu nguồn thủy điện năm 2015 & 2016 biểu diễn trên hình 1. Cho đến nay các dự án TĐ lớn có công suất trên 100MW hầu như đã được đầu tư xây dựng đưa vào khai thác. Các dự án có vị trí thuận lợi, có chi phí đầu tư thấp cũng đã được triển khai thi công. Trong tương lai gần, các dự án TĐ công suất nhỏ sẽ được đầu tư khai thác.
Từ 2016-2030 kế hoạch xây dựng bổ sung từ nguồn thủy điện dự kiến 8.959 MW [3] được tổng hợp trong bảng 1.2 và biểu diễn trên hình 1. 9 Từ những thông tin nêu trên ta thấy, TĐ hiện vẫn chiếm một tỷ trọng cao trong cơ cấu sản xuất điện. Năm 2014, TĐ chiếm khoảng 32% trong tổng sản xuất điện và đến các năm 2020 và 2030 tỷ trọng TĐ vẫn còn khá cao gần 23%.2: Cơ cấu nguồn điện và sản lượng điện Việt Nam 2015 &2016 Bảng 1.2: Kế hoạch xây dựng TĐ và TĐ tích năng theo QHĐ 7 (MW); [31] Thủy điện N Thủy điện N tích năng Tổng Tổng các DA 2016 2,195 2,195 24 2017 426 426 13 2018 516 516 19 2019 471 471 16 2020 544 544 14 2021 490 490 16 2022 360 360 17 2023 105 600 705 11 2024 0 0 0 7 2025 200 600 800 9 2026 72 72 8 2027 0 0 0 5 2028 0 300 300 8 2029 0 300 300 9 2030 180 600 780 8 Tổng cộng 5,559 2,400 7,959 184 10 Hình 1.3: Tổng hợp nguồn thủy điện bổ sung vào HTĐ Việt Nam 2016 -2030 Từ những dữ liệu về vai trò thủy điện trong sản xuất điện năng thế giới và Việt Nam trình bày trên đây, có thể rút ra một số nhận xét có liên quan đến vấn đề cần nghiên cứu sau đây: (1) Thủy điện với lợi thế là nguồn năng lượng xanh, luôn được phục hồi theo thời gian có giá thành thấp, tuổi thọ công trình dài, khả năng huy động công suất nhanh, đơn giản, nên đã được ưu tiên phát triển ở tất cả các quốc gia trên thế giới. Nửa đầu của thế kỷ XXI, thủy điện đang và sẽ giữ tỷ trọng khoảng 20%.
(2) Bài toán khai thác và sử dụng nguồn thủy điện hợp lý luôn là vấn đề cấp thiết được các nước kinh tế phát triển quan tâm giải quyết. Các thành tựu đạt được là cơ sở lý thuyết vững chắc thúc đẩy phát triển thủy điện ở nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam. (3) Trong quá trình khai thác và vận hành cũng đã phát hiện ra nhiều tác động tiêu cực của nhà máy thủy điện đến xã hội và môi trường, cần được nghiên cứu giải quyết. Trong đó, quan trọng nhất là bài toán vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện theo mục tiêu đảm bảo an toàn và nâng cao hiệu quả sử dụng tổng hợp nguồn nước, đặc biệt là hiệu quả phát điện.
Hiện trạng vận hành nhà máy thủy điện lợi dụng tổng hợp nguồn nước 1. Khái niệm chung 11 Vận hành các nhà máy thủy điện là quá trình quản lý, khai thác vận hành hồ chứa và các công trình có liên quan theo các thông số kỹ thuật thiết kế nhằm đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ đặt ra. Mục tiêu và nhiệm vụ vận hành nhà máy thủy điện là đảm bảo an toàn và tối đa hoá lợi nhuận tổng hợp, trong đó lợi ích từ phát điện chiếm tỷ trọng lớn nhất. Bài toán vận hành tối ưu nhà máy thủy điện về bản chất là bài toán tối ưu hoá các chỉ tiêu thông số kỹ thuật trong quá trình vận hành hồ chứa và nhà máy thủy điện nhằm đáp ứng tối đa và hài hoà những lợi ích sử dụng tổng hợp nguồn nước đã đặt ra trong quá trình quy hoạch, thiết kế và xây dựng; Các nhà máy thủy điện thường được thiết kế, xây dựng với nhiệm vụ lợi dụng tổng hợp nguồn nước: phát điện, cấp nước, cắt, giảm hoặc làm chậm lũ và phát triển kinh tế xã hội khu vực với các mức độ khác nhau.
Bài toán vận hành nhà máy thủy điện cũng được xuất phát từ việc đảm bảo tốt nhất và hài hoà những mục đích, nhiệm vụ đặt ra. Vì vậy, bài toán vận hành các nhà máy thủy điện trên thế giới nói chung cũng như ở Việt Nam nói riêng thường được phân thành hai nhóm chủ yếu là: (i) bài toán vận hành tối ưu nhà máy thủy điện theo mục tiêu và chỉ tiêu thiết kế được phê duyệt; (ii) bài toán vận hành tối ưu (huy động hợp lý) các nhà máy thủy điện tham gia phủ đồ thị phụ tải hệ thống điện. Hiện trạng vận hành các nhà máy thủy điện ở Việt Nam Như trên đã nêu, hệ thống điện Việt Nam đến 2017 có 473 dự án sẽ đưa vào khai thác vận hành, chiếm gần 40% tổng công suất đặt toàn hệ thống và sản lượng điện đóng góp hàng năm từ 30-40% sản lượng phát điện toàn quốc. Trong các nhà máy thủy điện hiện hữu, có 81 nhà máy thủy điện lớn và vừa (trên 30 MW) với tổng công suất đặt 16.100 MW, trong đó có 41 nhà máy với tổng công suất 12.200 MW có khả năng điều tiết trên 1 tuần, tổng dung tích hữu ích các hồ chứa là 33,39 tỷ m3, tương ứng sản lượng điện là 14,40 tỷ kWh.