Giáo trình môn học Nhà máy thủy điện

giảm do cột n−ớc thấp. Đó lμ nguyên nhân gây ra tổn thất của điều tiết ngμy. Mặt khác, do mặt hồ loang rộng khi mức n−ớc dâng cao, nên cùng l−ợng n−ớc tích vμo vμ lấy ra lμ Wđt, mức n−ớc th−ợng l−u dâng cao lên bên trên trị số trung bình sẽ ít hơn khi bị giảm thấp so với trị số nμy. Nh− vậy cột n−ớc sẽ bị giảm nhiều hơn lμ đ−ợc tăng thêm. Một nguyên nhân khác có thể cũng góp phần vμo tổn thất điều tiết ngμy lμ sự giảm thấp hiệu suất tổ máy khi phải vận hμnh với công suất thay đổi. Tuy nhiên tổn thất điều tiết ngμy có thể đ−ợc coi lμ nhỏ. Th−ờng không v−ợt quá (3-5)%. Tổn thất chiếm tỉ lệ cao khi NMTĐ có cột n−ớc thấp vμ l−u l−ợng n−ớc vận hμnh lớn. Trong tr−ờng hợp nμy th−ờng phải xét đến ảnh h−ởng tổn thất khi tính toán điều tiết ngμy (có thể phải hạn chế điều chỉnh hoặc thay đổi dạng biểu đồ). 5.5. dao động mức n−ớc th−ợng l−u và hạ l−u Khi thực hiện điều tiết ngμy, l−u l−ợng n−ớc vận hμnh qua tua bin NMTĐ thay đổi t−ơng đối nhanh dẫn đến hiện t−ợng thay đổi cục bộ về mức n−ớc vμ xuất hiện hiện Q m3/s t 0 24 Qtb Q(t) Z m t 0 24 Ztl Zhl Htb Hình 5.8 t−ợng dao động sóng cả ở th−ợng l−u vμ hạ l−u NMTĐ. Khi tăng l−u l−ợng qua tua bin sẽ gây ra hiện t−ợng: - Giảm mức n−ớc th−ợng l−u tr−ớc đập, sau đó lan truyền quá trình giảm thấp mức n−ớc về phía ng−ợc dòng (tạo thμnh sóng biên độ âm về mức n−ớc). Quá trình sóng có thể phản hồi khi lên đến vị trí cao, hay gặp địa hình phức tạp. - Tăng mức n−ớc hạ l−u phía sau NMTĐ vμ lan truyền quá trình dâng cao mức n−ớc theo h−ớng xuôi dòng (d−ới dạng sóng d−ơng về mức n−ớc). Khi giảm l−u l−ợng n−ớc qua tua bin, quá trình sóng diễn ra ng−ợc lại. Với yêu cầu điều chỉnh liên tục l−u l−ợng n−ớc theo biểu đồ công suất vận hμnh ngμy của NMTĐ, quá trình sóng diễn ra khá phức tạp. Hiệu ứng chung của hiện t−ợng lμ lμm tăng thêm biến thiên cột n−ớc, lμm tăng tổn thất. Ngoμi ra, dao động mức n−ớc còn có thể ảnh h−ởng (lμm giảm) dung tích điều tiết ngμy của hồ. Tuy nhiên, khi hồ lớn (hồ điều tiết năm trở lên) thì dao động mức n−ớc th−ợng l−u th−ờng không đáng kể (có thể chỉ vμi cm). Dao động mức n−ớc hạ l−u có thể đạt tới 2-5 m, bởi dòng chảy phía hạ l−u th−ờng hẹp. 5.6. Xây dựng biểu đồ công suất vận hành ngày của NMTĐ theo ph−ơng pháp số Nh− trên đã nói, điều tiết ngắn hạn ở NMTĐ thuộc về bμi toán vận hμnh tối −u hệ thống điện trong tr−ờng có hợp hỗn thủy điện, nhiệt điện. Để giải bμi toán theo các ph−ơng pháp số (tính toán bằng máy tính) cần mô tả toán học đầy đủ cho hμm mục tiêu, các rμng buộc vμ lựa chọn ph−ơng pháp giải phù hợp. Các nội dung nμy đã đ−ợc trình bầy kỹ trong giáo trình riêng (xem giáo trình "Tối −u hóa chế độ của hệ thống điện" vμ các tμi liệu liên quan). Trong phần nμy chỉ xem xét bμi toán d−ới góc độ những vấn đề liên quan khi có sự tham gia của NMTĐ trong hệ thống. 1. Tr−ờng hợp bỏ qua ảnh h−ởng của sự thay đổi cột n−ớcvà ảnh h−ởng của các giới hạn Khi cột n−ớc có thể coi lμ không đổi thì quan hệ giữa l−ợng n−ớc tiêu hao Q vμ công suất phát P của NMTĐ có dạng quan hệ hμm Q(P) hoμn toμn xác định. Trong tr−ờng hợp chung đặc tính tiêu hao n−ớc có dạng Q(P,H). Để đơn giản, xét HTĐ có một NMNĐ đẳng trị nh−ng có m nhμ máy thủy điện. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu B(PN) của NMNĐ vμ đặc tính tiêu hao n−ớc Qk(Pk) của mỗi NMTĐ đã biết. L−ợng n−ớc đ−ợc sử dụng trong ngμy của các NMTĐ đã đ−ợc cho, hoặc tính đ−ợc theo l−u l−ợng n−ớc trung bình: Wng k = 24.3600.Qtb k. k=1,2,...,m. Cũng giả thiết cho tr−ớc biểu đồ phụ tải tổng hệ thống P(t) đ−ợc dự báo chi tiết cho từng giờ trong ngμy. a. Hàm mục tiêu: Xét hμm mục tiêu của bμi toán lμ cực tiểu chi phí nhiên liệu tổng trong ngμy của NMNĐ. Có thể mô tả nh− sau: ∑ = Σ →Δ= n t tN tPBB 1 min)( ; (5.1) Trong đó, PN t - lμ công suất phát trong khoảng thời gian t của NMNĐ; Δt - thời gian của khoảng t trong ngμy. Th−ờng chọn n=24, Δt =1h. b. Các ràng buộc (viết với n=24, Δt =1h): - Cân bằng công suất trong HTĐ: .24,...,2,1;0...21 ==Δ−−++++= tPPPPPPf tttmtttNt (5.2) - Cân bằng n−ớc trong ngμy của mỗi NMTĐ: .,...,2,1;0)( 24 1 mkWPQ t ktkkk ==−=∑ = ϕ (5.3) Trong các ph−ơng trình rμng buộc, ký hiệu P1t, P2t, ...,Pmt - lμ công suất của các NMTĐ ở giờ t, Pt vμ ΔPt lμ công suất phụ tải vμ tổn thất công suất trong l−ới của HTĐ trong giờ t. Wk - lμ l−ợng n−ớc đ−ợc sử dụng trong ngμy của NMTĐ k. Do không xét đến ảnh h−ởng của các giới hạn, bμi toán có thể giải bằng ph−ơng pháp Lagrange. Ta thiết lập hμm Lagrange: .min)( 24 1 24 1 1 ∑ ∑ ∑ = = = →++= t t m k kkttNtN fPB ϕλλφ (5.4) Trong đó ký hiệu λNt vμ λk - lμ các nhân tử Lagrange (nh− các biến cần xác định). Đạo hμm hμm Lagrange theo tất cả các biến vμ các nhân tử ta có hệ ph−ơng trình xác định lời giải tối −u. Ta có: .24...,,2,1 .01 = =⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ Δ∂−+∂ ∂=∂ ∂ t P P P B P tN tN tNtN λφ (5.5) ....,,2,1;24...,,2,1 .01 mkt P Q P P P tk k k tN tN tk == =∂ ∂+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ Δ∂−=∂ ∂ λλφ (5.6) 24,...,2,1 ;0...21 = =Δ−−++++==∂ ∂ t PPPPPPf tttmtttNt tNλ φ (5.7) .,...,2,1 ;0)( 24 1 mk WPQ t ktkkk k = =−==∂ ∂ ∑ = ϕλ φ (5.8) Nh− vậy ta có đủ số ph−ơng trình để tìm đ−ợc 24x(1+m) biến công suất phát từng giờ cho NMNĐ vμ m NMTĐ, 24 nhân tử λNt vμ m nhân tử λk ; Không dừng lại ở ph−ơng pháp giải hệ trên, ta xét đến mối quan hệ của các đại l−ợng tối −u. Tr−ớc hết, đặt thêm các ký hiệu: NP Bb ∂ ∂= - lμ suất tăng t−ơng đối tiêu hao nhiên liệu của NMNĐ; k k k P Qq ∂ ∂= - lμ suất tăng t−ơng đối tiêu hao nhiên liệu của NMNĐ thứ k; N N P P ∂ Δ∂=σ - lμ suất tăng t−ơng đối tổn thất công suất l−ới theo công suất NMNĐ; k k P P ∂ Δ∂=σ -lμ suất tăng t−ơng đối tổn thất công suất l−ới theo công suất NMTĐ k. Từ (5.5) ta có: .24,...,2,1; 1 =−=− t b tN t tN σλ (5.9) .,...,2,1;24,...,2,1; 1 mkt q tk tktk tk ==−=− σ λλ (5.10) Từ (5.9) vμ (5.10) có thể viết điều kiên tối −u (cho mỗi thời điểm bất kỳ): ; 1 ... 111 2 22 1 11 m mm N qqqb σ λ σ λ σ λ σ −==−=−=− (5.11) Nh− vậy trong suốt thời gian vận hμnh, để đảm bảo tối −u, mỗi nhμ máy thủy điện phải giữ đ−ợc quan hệ với NMNĐ theo biểu thức sau: ; 11 1 1 1 1 − ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= σσλ qb N ; 11 1 2 2 2 − ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= σσλ qb N ... ; 11 1− ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= m m N m qb σσλ đồng thời đảm bảo các điều kiện rμng buộc (5.2) vμ (5.3). Dựa vμo các quan hệ vμ điều kiện nêu trên ng−ời ta xây dựng thuật toán phân bố tối −u công suất cho các NMĐ trong HTĐ thủy nhiệt điện hỗn hợp, không cần giải theo hệ (5.5)-(5.8). Tr−ớc hết ta xét ý nghĩa của các nhân tử λk vμ các yếu tố quyết định trị số của nó. Để đơn giản ta xét hệ thống chỉ có 1 NMNĐ vμ 1 NMTĐ, bỏ qua tổn hao công suất. Điều kiện phân bố tối −u công suất giữa 2 nhμ máy sẽ lμ: b = λq. Mặt khác ta có: .; TĐN P Qq P Bb Δ Δ=Δ Δ= Khi đó: 1− ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Δ Δ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Δ Δ= TĐN P Q P Bλ . Xét các số gia nh− nhau về công suất giữa NMTĐ vμ NMNĐ: ΔPN = ΔPTĐ , ta có: Q B Δ Δ=λ . Nh− vậy, λ lμ số đo hiệu quả sử dụng n−ớc của NMTĐ lμm việc trong hệ thống thủy nhiệt điện hỗn hợp. Quan hệ QB Δ=Δ λ cho biết l−ợng nhiên liệu tiết kiệm đ−ợc khi sử dụng l−ợng n−ớc lμ ΔQ ở NMTĐ. Trị số λ cμng lớn thì hiệu quả sử dụng n−ớc cμng cao. Mặt khác, khi NMTĐ có hồ chứa n−ớc đủ lớn, công suất phát không bị hạn chế thì l−ợng n−ớc có thể sử dụng vμo bất cứ lúc nμo trong ngμy. Khi đó chế độ vận hμnh tối −u sẽ phải t−ơng ứng với chế độ đảm bảo cho hiệu quả sử dụng n−ớc lμ đồng đều trong suốt thời kỳ tính toán. (Vì nếu còn chênh lệch thì việc điều chỉnh lại sẽ cho ph−ơng án có lợi hơn). Hệ số λ gắn liền với các thông số của NMTĐ, đó lμ cột n−ớc vμ l−ợng n−ớc. Tr−ớc hết xét quan hệ của hệ số nμy theo l−ợng n−ớc tiêu hao ΔQ trong khi cột n−ớc không đổi. Gọi phụ tải tổng hệ thống lμ P = PNĐ1 + PTĐ1. Với trạng thái phân bố nμy (điểm a trên hình 5.9) nhiên liệu tiêu hao lμ B1, suất tăng t−ơng đối tiêu hao nhiên liêu lμ: b1 = tgα1 còn hiệu quả sử dụng n−ớc lμ 1 1 q b=λ . Bây giờ giả thiết cho NMTĐ lμm việc với công suất nhỏ hơn, PTĐ2 . Khi đó theo điều kiện cân bằng công suất, NMNĐ sẽ có công suất PN2 lớn hơn, sao cho P = PN2+PTĐ2. ở trạng thái phân bố mới nμy NMTĐ vận hμnh với Q2 < Q1, còn NMNĐ vận hμnh với nhiên liêu tiêu hao B2>B1, t−ơng ứng với suất tăng t−ơng đối b2 = tgα2, hệ số hiệu quả sử dụng n−ớc: 2 2 q b=λ . Từ dạng của đặc tính tiêu hao nhiên liệu vμ tiêu hao n−ớc dễ thấy rằng b2 > b1, q2 λ1. Nghĩa lμ hiệu quả sử dụng n−ớc tỉ lệ nghịch với công suất phát của NMTĐ. Về ý nghĩa, có thể α1 α2 B1 B2 PN2 PN1 PN B Hình 5.9 b a giải thích điều nμy, khi thủy điện giảm công suất, NMNĐ phải lμm việc trong miền kém kinh tế của đặc tính tiêu hao để đảm bảo cân bằng công suất. Mỗi mét khối n−ớc vận hμnh tăng thêm khi đó sẽ tiết kiệm đ−ợc nhiều nhiên liệu hơn do giảm tải đ−ợc ở các trang thiết bị đang phải vận hμnh kém kinh tế. Hệ số λ tỉ lệ thuận với cột n−ớc bởi vì với công suất nh− nhau cột n−ớc cμng lớn thì l−ợng n−ớc tiêu hao cμng ít (hình 5.11). Hình (5.12) vẽ sơ đồ khối của ch−ơng trình tính phân bố tối −u công suất trong HTĐ hỗn hợp thủy nhiệt điện, xây dựng dựa vμo các điều kiện tối −u vừa nêu, không cần giải trực tiếp hệ ph−ơng trình Lagrange. Sơ đồ khối mô tả cho tr−ờng hợp chỉ có một NMNĐ vμ một NMTĐ. Tuy nhiên có thể mở rộng cho tr−ờng hợp chung hơn. Các khối chính bao gồm: Khối 1,2 - Nhập các dữ liệu đầu, bao gồm công suất phụ tải tổng hệ thống (từng giờ), đặc tính tiêu hao B(PN) vμ Q(PTĐ), đặc tính tổn thất ΔP(PN), ΔP(PTĐ), l−ợng n−ớc đ−ợc sử dụng của NMTĐ Wng. Có thể tính vμ cho các đặc tính ở dạng suất tăng t−ơng đối b(PN) vμ q(PTĐ), đặc tính tổn thất σN(PN), σ(PTĐ). Cho công suất ban đầu của NMTĐ (giá trị trung bình) PTĐ. Khối 3,4 - Gán công suất từng giờ của NMTĐ theo trị số PTĐ. λ W Hình 5.10 Hình 5.11 H λ PTĐ 1 PTĐ 2 PTĐ 3 PTĐ 1<PTĐ 2< PTĐ 3 Khối 5 - Hiệu chỉnh công suất từng giờ của NMTĐ theo các điều kiện khác nhau, bằng cách tăng hoặc giảm công suất theo bậc ΔP. Khối 6 - Kiểm tra giới hạn công suất NMTĐ. Nếu không thỏa mãn, quay trở về 5 để hiệu chỉnh (công suất quá cao thực hiện dấu trừ trong (5), quá thấp - thực hiện dấu cộng). Khối 7 vμ 8 - Tính vμ kiểm tra giới hạn công suất của NMNĐ. Nếu không thỏa mãn, quay trở về 5 để hiệu chỉnh (công suất quá cao thực hiện dấu cộng trong (5), quá thấp thực hiện dấu trừ). Vào dữ liệu P(t), B(PNĐ),Q(PTĐ),Wng, ... PTĐ t = PTĐ t ±ΔP PTĐ min ≤ PTĐ t ≤PTĐ max PNĐ t = Pt - PTĐ t PNĐ min ≤ PNĐ t ≤PNĐ max b*t = bt/(1-σN t) q*t = qt/(1-σt) 9 5 1 2 3 14 8 4 5 9 10 8 λt = b*t/q*t λtb=( λ1+ λ2+...+ λ24)/24 Δλt = λt- λtb Δλt = 0 ΔW = WTĐ-Wng = 0 WTĐ = ΣQtΔt Kết thúc 3 5 PTĐ t = PTĐ PTĐ = PTĐ ± ΔPTĐ t = 1, 2, ..., 24 Cho giá trị đầu PTĐ 6 7 8 11 12 13 14 15 16 17 17đúng đúng đúng đúng sai sai sai sai Hình 5.12 Khối 9,10,11 - Tính trị số của hệ số λ (theo từng giờ). Vì phân bố ch−a tối −u nên các trị số không bằng nhau. Khối 12, 13 - Tính chênh lệch hệ số λ so với trị số trung bình. Khối 14 - Kiểm tra trị số vμ dấu của Δλ. Nếu trị số chênh lệch còn lớn, trở về khối 5, hiệu chỉnh công suất NMTĐ. Lấy dấu âm trong 5 nếu Δλ d−ơng vμ ng−ợc lại. Khối 15,16,17 - Tính vμ kiểm tra l−ợng n−ớc sử dụng. Nếu không thỏa mãn trở về 4, hiệu chỉnh công suất NMTĐ theo dấu của ΔW. Bμi toán kết thúc khi độ lệch ΔW có trị số đủ nhỏ. 2. Tr−ờng hợp xét đến biến thiên cột n−ớc và các giới hạn Hμm mục tiêu (5.1) vμ các rμng buộc (5.2) vμ (5.3) vẫn nh− tr−ờng hợp trên. Tuy nhiên, quan hệ giữa l−u l−ợng n−ớc vận hμnh với công suất NMTĐ không còn xác định đ−ợc ở dạng đặc tính tiêu hao Q(P) mμ phụ thuộc nhiều đại l−ợng cùng thay đổi. Với mỗi NMTĐ thứ k ta có: Công suất: Pk t = 9,81.η.Hk t .Qk t ; Cột n−ớc: Hk t = (Zk t - Zhl k t - ΔHk t). (5.12) L−u l−ợng: Qk t = Qtb k + ΔQk t ; Đặc tính mức n−ớc hạ l−u: Zhl k = φ(Q+Qx). Trong đó: Qtb vμ ΔQ t−ơng ứng lμ l−u l−ợng n−ớc trung bình (đã biết) vμ l−u l−ợng n−ớc điều tiết. Trị số ΔQk t 0 lúc hồ cấp thêm n−ớc cho sử dụng. Các điều kiện giới hạn đ−ợc đ−a thêm vμo: - Giới hạn mức n−ớc th−ợng l−u vμ hạ l−u: Zk min ≤ Zk t ≤ Zk max Zhl k min ≤ Z hl k t ≤ Zhl k max (5.13) - Giới hạn công suất phát: Pk min ≤ Pk t ≤ Pk max PN min ≤ PN t ≤ PN max (5.14) Chiều tăng hiệu suất Hmax Hmin Htt H m PTĐ MW Nđ 0 Hình 5.13 Để có các trị số giới hạn (cực đại, cực tiểu) đ−a vμo tính toán, cần phải căn cứ vμo các điều kiện cụ thể của nhμ máy vμ các yêu cầu vận hμnh. Ví dụ, giới hạn trên của mức n−ớc th−ợng l−u có thể lμ mức n−ớc dâng bình th−ờng, cũng có thể phải thấp hơn theo yêu cầu phòng lũ. Mức n−ớc hạ l−u xác định bới yếu tố ngập lụt vμ yêu cầu giao thông... Đối với công suất phát của NMTĐ, giới hạn trên cần đ−ợc xác định theo quan hệ với cột n−ớc vận hμnh vμ giới hạn hiệu suất tua bin (hình 5.13). Với các tua bin kiểu Fransis vμ Kaplan có thể viết: ⎩⎨ ⎧ <+ ≥= tt ttđ HHkhibaH HHkhiNPmax (5.15) Trong đó a vμ b lμ các hệ số xác định theo đặc tính lμm việc của tua bin (hình 5.13). Mức n−ớc th−ợng l−u vμ hạ l−u, cũng nh− tổn thất cột áp ΔH có quan hệ phức tạp với l−u l−ợng n−ớc vận hμnh vμ l−ợng n−ớc xả. Vì thế tính toán với điều kiện giới hạn (5.13) rất khó khăn. Ng−ời ta th−ờng thay điều kiện giới hạn mức n−ớc th−ợng l−u bằng điều kiện giới hạn dung tích điều tiết ngμy của hồ: ng QQ tkktb Q tk VtQQtQ ktbtktk ∑∑ <<Δ ≤Δ−=ΔΔ )( 0 . (5.16) Thực ra, để xác định thể tích điều tiết Vng cũng cần xét đến đặc tính hồ vμ đặc tính mức n−ớc th−ợng l−u vμ hiện trạng của hồ. Tuy nhiên, việc tính Vng đơn giản hơn vμ có thể lấy các giá trị gần đúng. Giới hạn mức n−ớc hạ l−u th−ờng xuất phát từ các nhu cầu tổng hợp phải điều tiết n−ớc (giao thông, cấp n−ớc, chống lũ ...), có thể thay bằng điều kiện giới hạn theo l−u l−ợng n−ớc tối thiểu vận hμnh: Qkmin ≤ Qk t ≤ Qk max . (5.17) Xét thêm các quan hệ vμ các rμng buộc giới hạn nh− đã nêu, bμi toán phân bố tối −u công suất trong HTĐ nói chung vμ xây dựng biểu đồ vận hμnh ngắn hạn cho NMTĐ nói riêng đòi hỏi phải sử dụng các ph−ơng pháp toán học phức tạp (nh− QHTT nguyên thực hỗn hợp, QHPT, QHĐ...). Cũng cần nói thêm lμ ảnh h−ởng của cột n−ớc đến lời giải của bμi toán xây dựng biểu đồ vận hμnh tối −u cho NMTĐ không giống nhau. Các NMTĐ có hồ chứa n−ớc lớn (có khả năng điều tiết năm) th−ờng có mức n−ớc th−ợng l−u thay đổi không nhiều khi thực hiện điều tiết ngμy, chỉ cần xét đến khi đặc tính mức n−ớc hạ l−u thay đổi mạnh. Các NMTĐ có cột n−ớc cao thì mức độ ảnh h−ởng thay đổi cột n−ớc cũng rất ít, có thể bỏ qua khi tính toán. Ch−ơng 6 tính toán kinh tế - kỹ thuật nhμ máy thủy điện 6.1. Các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật chủ yếu 1. Công suất đặt và sản l−ợng điện năng Công suất đặt Nđ lμ tổng công suất (tác dụng) định mức của tất cả các tổ máy lắp đặt trong NMTĐ (còn đ−ợc gọi lμ công suất lắp máy). Công suất tự dùng (kể cả khi đặt riêng tổ máy phát tự dùng) đều đ−ợc tính vμo cho công suất đặt. Công suất đặt lμ trị số quan trọng nhất của NMTĐ, đặc tr−ng cho quy mô của nhμ máy. Trị số hợp lý của công suất đặt cần đ−ợc lựa chọn xuất phát từ các đặc tr−ng tự nhiên của dòng sông, vị trí xây dựng NMTĐ, điều liện địa chất, lòng hồ... cùng hμng loạt các yếu tố an toμn khác. Bên cạnh khái niệm về công suất đặt còn có các khái niệm khác về công suất của NMTĐ nh− công suất cực đại, công suất khả dụng, công suất khai thác tối đa ... có thể giống nhau về trị số trong những điều kiện cụ thể. Với NMTĐ đã xây dựng, sản l−ợng điện năng hàng năm nhận đ−ợc rất khác nhau phụ thuộc l−ợng n−ớc chảy về của dòng sông mỗi năm. Ng−ời ta th−ờng quan tâm đến sản l−ợng điện năng trung bình vμ sản l−ợng điện năng đảm bảo. Sản l−ợng điện năng trung bình đ−ợc tính với năm n−ớc trung bình, còn sản l−ợng điện năng đảm bảo - với năm ít n−ớc tính toán (tần suất 90%). Với sản l−ợng điện năng trung bình vμ công suất đặt đã biết, ng−ời ta xác định thời gian lμm việc cực đại cho NMTĐ: .][max hN E T đ năăTĐ= E MWh Nđ MW Nđ MW Tmax h Hình 6.1 Thông th−ờng trị số Tmax = (1500-4500)h, nhỏ hơn so với các NMNĐ. Trị số trung bình của ETĐnăm vμ Tmax có quan hệ với công suất đặt lựa chọn. Các quan hệ nμy có dạng nh− trên hình 6.1. Công suất đặt tăng nh−ng l−ợng n−ớc trên sông hữu hạn nên sản l−ợng điện năng tăng chậm dần. 2. Suất vốn đầu t− a- Vốn đầu t− cho NMTĐ. Để xác định suất vốn đầu t− cần phải tính đ−ợc vốn đầu t− tổng cho NMTĐ. Ng−ời ta th−ờng thực hiện tính toán vốn đầu t− theo thứ tự sau: - Vốn đầu t− tổng hợp VΣ. Đó lμ tổng giá trị tμi chính cho tất cả các chi phí liên quan đến việc xây dựng công trình thủy điện, bao gồm: 1) xây dựng các công trình kỹ thuật thủy năng (đập, kênh dẫn, ống dẫn, tòa nhμ NMTĐ với các tổ máy, biến áp, thiết bị phân phối điện... 2) hình thμnh hồ chứa n−ớc, xây dựng âu thuyền, kênh thoát, đền bù di dân khỏi lòng hồ, thiết lập vùng kinh tế mới, xây dựng đ−ờng giao thông phục vụ công tr−ờng...3) xây dựng các x−ởng cơ khí phục vụ sửa chữa, sản xuất phụ tùng thay thế, máy móc, vật liệu thi công... 4) tạo dựng nhμ ở công nhân, câu lạc bộ, nhμ văn hóa 5) đầu t− xây dựng các công trình lợi ích tổng hợp nguồn n−ớc (hệ thống thủy nông, cấp n−ớc, nuôi trồng thủy sản, kinh doanh du lịch...). Việc tính toán nμy còn phục vụ mục đích đánh giá tính khả thi của công trình. - Vốn đầu t− cố định của công trình thủy điện VCT: Đó lμ phần tμi chính nhận đ−ợc sau khi trừ vμo VΣ các giá trị công trình có thể hoμn trả vμ chuyển giao: VCT = VΣ - VCG Phần vốn chuyển giao VCG bao gồm các thμnh phần trang thiết bị công trình, sau khi NMTĐ xây dựng xong vẫn sử dụng tiếp đ−ợc nh−ng d−ới sự quản lý của bộ phận khác: các máy móc xây dựng còn tốt, các x−ởng sửa chữa cơ khí, nhμ máy bê tông đúc sẵn, đ−ờng giao thông, thông tin liên lạc, nhμ ở, câu lạc bộ... - Vốn đầu t− tổng cho mục đích điện năng VE: Có thể chính lμ VCT nếu công trình thủy điện không có các đầu t− cho mục đích khác với mục đích phát điện. Trong tr−ờng hợp chung cần tính riêng thμnh phần cho mục đích phát điện theo cách nhân hệ số: VE = αVCT. Hệ số α đ−ợc xác định thông qua cách phân tích, đánh giá chi phí vμ hiệu quả của các công trình. Chính VE lμ thμnh phần vốn đầu t− của NMTĐ đ−ợc dùng trong các tính toán luận chứng kinh tế - ký thuật. Quan hệ giữa trị số vốn đầu t− VE của NMTĐ với công suất đặt có dạng nh− trên hình 6.2. Thμnh phần vốn đầu t− ban đầu không thay đổi theo công suất các tổ máy chiếm tỉ lệ khá lớn (50-70)%, bởi với vị trí đã chọn các công trình thủy năng tối thiểu để xây dựng NMTĐ đã cần l−ợng vốn đầu t− đáng kể (xây dựng đập, kênh dẫn, hồ chứa...). b- Suất vốn đầu t−: Có các khái niệm khác nhau về suất vốn đầu t−. - Suất vốn đầu t− trung bình tính cho 1 đơn vị công suất đặt: .]/[ kWđ N VA đ E p = - Suất vốn đầu t− tính cho 1 đơn vị công suất đặt thêm: .]/[ kWđ N Va đ E p Δ Δ= - Suất vốn đầu t− trung bình tính cho 1 đơn vị sản l−ợng điện năng: .]/[ kWhđ E VA năăTĐ E E = - Suất vốn đầu t− tính cho 1 đơn vị sản l−ợng điện năng đặt thêm: .]/[ kWhđ E Va năăTĐ E E Δ Δ= VE V0 Nđ đ MW 0 Hình 6.2 AE aE đ/kWh Nđ kW aE AE Hình 6.3 AP aP AP aP đ/kWh Nđ kW a) b) Cần chú ý một số điểm sau. - Do thμnh phần vốn đầu t− không đổi chiếm tỉ lệ lớn nên suất vốn đầu t− cho 1 đơn vị công suất sẽ khá cao nếu công suất đặt của NMTĐ không thể tạo ra đủ lớn so với quy mô công trình. Với một ph−ơng án xây dựng NMTĐ, suất vốn đầu t− trung bình th−ờng giảm nhanh theo công suất đặt. Trong khi đó, suất vốn đầu t− tính cho 1 đơn vị công suất đặt thêm th−ờng rất ít thay đổi do phụ chủ yếu vμo chi phí tổ máy (hình 6.3,a). - Suất vốn đầu t− tính cho 1 đơn vị sản l−ợng điện năng th−ờng có giá trị nhỏ nhất trong phạm vi công suất đặt nμo đó của NMTĐ (hình 6.3,b). Khi công suất đặt chọn quá nhỏ, l−ợng n−ớc của dòng sông không đ−ợc tận dụng để phát điện sản l−ợng điện năng thấp, suất vốn đầu t− trung bình tính cho 1 đơn vị sản l−ợng điệ năng sẽ lớn. Ng−ợc lại, tăng quá cao công suất đặt, vốn đầu t− tăng nhiều trong khi sản l−ợng điện năng bị hạn chế do thiếu n−ớc cho các tổ máy đặt thêm cuối cùng. Tuy nhiên không phải suất vốn đầu t− tấp nhất t−ơng ứng với ph−ơng án tối −u của công suất đặt lựa chọn. Đó lμ vì khi lμm việc trong hệ thống tính tối −u cần đ−ợc xác định theo hiệu quả chung. 3. Giá thành điện năng nội bộ Giá thμnh điện năng nội bộ s lμ chỉ tiêu quan trọng nhất của NMĐ nói chung vμ NMTĐ nói riêng. Trị số của giá thμnh điện năng nội bộ của NMTĐ đ−ợc tính bằng tỉ số giữa chí phí vận hμnh hμng năm CΣ để sản suất điện năng vμ sản l−ợng điện năng tính ở thanh cái cung cấp của NMTĐ (trừ điện tự dùng): ]/[ kWhđ E Cs năăTĐ Σ= . Chi phí vận hμnh hμng năm của NMTĐ bao gồm các thμnh phần sau: 1) Phí tổn vận hμnh: l−ơng công nhân, chi phí sửa chữa bảo d−ỡng th−ờng xuyên, các chi phí phụ (bảo vệ môi tr−ờng, công tác phí...). 2) Chi phí cho sử chữa lớn, đ−ợc tính theo hệ số khấu hao hao mòn trang thiết bị. Các chi phí trên hầu nh− không phụ thuộc vào sản l−ợng điện năng (cũng nh− l−ợng n−ớc) vì thế giá thμnh điện năng nội bộ sẽ giảm khi l−ợng n−ớc về trong năm của NMTĐ lớn vμ ng−ợc lại. Khi tính toán kinh tế kỹ thuật ng−ời ta hay sử dụng giá thμnh điện năng trung bình. Khi đó có thể tính gần đúng sản l−ợng điện năng theo thời gian sử dụng công suất lớn nhất Tmax TĐ : ]/[ . maxmax kWhđ T c TN Cs TĐ p TĐđ == Σ . Trị số : ]/[ kWđ N Cc đ p Σ= đ−ợc gọi lμ suất chi phí vận hμnh hμng năm của NMTĐ tính cho 1 đơn vị công suất đặt. Thực ra, đối với NMTĐ giá thμnh điện năng nội bộ còn chính lμ suất chi phí vận hμnh hμng năm tính cho một đơn vị sản l−ợng điện năng. So sánh với NMNĐ, ta cũng có tất cả các khái niệm trên nh−ng nội dung tính toán có thay đổi. - Trong chi phí vận hμnh hμng năm CΣ ngoμi thμnh phần không đổi tính nh− với NMTĐ còn có thμnh phần thay đổi tỉ lệ với sản l−ợng điện năng. Đó chính lμ chi phí nhiên liệu. Có thể tính ngay cho 1 kWh ở dạng: sN1 = cb [đ/kWh]. Trong đó: b - suất nhiên liệu tiêu hao tính cho 1 đơn vị điện năng, [kg/kWh]. c - giá nhiên liệu tính toán [đ/kg]. Khi đó, đối với NMNĐ: ]/[ max 11 kWhđT cs E C ss N N N năăN N N +=+= Σ . - Xây dựng NMNĐ gắn liền với đầu t− khai thác vμ vận chuyển nhiên liệu (bến cảng, đ−ờng sắt, kho chứa...). Vì thế trong vốn đầu t− tổng, ngoμi thμnh phần tính cho các công trình thuộc nhμ máy còn có thêm thμnh phần vốn đầu t− cho cơ sở khai thác vμ vận chuyển nhiên liệu Vnhl. L−ợng nhiên liệu tiêu hao tỉ lệ với điện năng sản suất của NMNĐ, vì thế suất vốn đầu t− cho cơ sở sản suất vμ vận chuyển nhiên liệu cần tính cho 1 đơn vị điện năng sản xuất của NMNĐ: ]/[1 kWhđE Va năăN nhl N = . Cần chú ý lμ với NMNĐ vốn đầu t− tổng tỉ lệ với công suất đặt vμ sản l−ợng điện năng, nên suất vốn đầu t− trung bình vμ suất vốn đầu t− khi đặt thêm công suất lμ nh− nhau. 6.2. Tính toán lựa chọn các thông số chủ yếu của NMTĐ Khi xây dựng dự án, thiết kế NMTĐ cần thiết phải xác định đ−ợc các thông số chủ yếu nh−: mức n−ớc dâng bình th−ờng, dung tích hữu ích của hồ vμ công suất đặt của nhμ máy. Các thông số nμy quyết định hiệu quả kinh tế, các đặc tính kỹ thuật vận hμnh của nhμ máy. Ngoμi đặc tr−ng dòng chảy vμ điều kiện địa hình, việc lựa chọn các thông số cơ bản của NMTĐ còn phụ thuộc nhiều vμo nhu cầu sử dụng điện. Hơn nữa việc lựa chọn các thông số cũng phụ thuộc lẫn nhau: công suất đặt chỉ tính đ−ợc khi cho tr−ớc chiều cao mức n−ớc vμ dung tích hữu ích của hồ. Ng−ợc lại để tính toán các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cho lựa chọn mức n−ớc lại cần thông qua trị số công suất đặt, trong khi thông số nμy còn phụ thuộc vμo điều kiện hệ thống điện. Để thực hiện đ−ợc ng−ời ta th−ờng giả thiết tr−ớc các ph−ơng án khác nhau về mức n−ớc, tính toán lựa chọn trong số các ph−ơng án nμy. Với mỗi ph−ơng án tiến hμnh xác định công suất đặt hợp lý (tối −u) trong điều kiện hệ thống đã cho. Trong các tính toán thực tế, ng−ời ta th−ờng đ−a ra không ít hơn 3 mức n−ớc dâng bình th−ờng (ở một vị trí xây dựng). Với mỗi mức n−ớc dâng bình th−ờng lại đ−ợc xét (3-4) mức n−ớc chết (cũng quyết định dung tích hữu ích). I. Tính toán lựa chọn công suất đặt 1. Nguyên tắc chung Do NMTĐ có thời gian hoạt động lâu dμi nên các dự án thủy điện cần phải đ−ợc tính ít nhất với thời hạn (15-20) năm. Công suất đặt của NMTĐ cũng cần đ−ợc xem xét trong quan hệ lμm việc với hệ thống, t−ơng lai ít nhất trong khoảng thời gian nμy. Có các quan điểm khác nhau khi chọn ph−ơng pháp thực hiện dự án: - Ph−ơng pháp so sánh ph−ơng án thông qua các chỉ tiêu kinh tế tμi chính (NPV, IRR, B/C). - Ph−ơng pháp lựa chọn ph−ơng án theo tiêu chuẩn tối −u (chi phí tính toán Z). - Ph−ơng pháp so sánh với đối t−ợng nhiệt điện thay thế. Mỗi ph−ơng pháp có −u nh−ợc điểm riêng nên th−ờng đ−ợc phối hợp áp dụng. ở giai đoạn đầu để luận chứng tiền khả thi vμ khả thi, ph−ơng pháp dựa vμo các chi tiêu phân tích kinh tế - tμi chính tỏ ra thích hợp. Tính khả thi của tất cả các ph−ơng án mức n−ớc (tổ hợp MNDBT vμ MNC) với công suất đảm bảo (tính theo l−ợng n−ớc dòng chảy, ch−a xét điều kiện hệ thống) cỏ thể kiểm tra đ−ợc theo các chỉ tiêu NPV, IRR, B/C. Thực chất ở giai đoạn nμy có thể coi các dự án độc lập với vốn đầu t− hạn chế hoặc không hạn chế nên các ph−ơng án có NPV>0 đều đ−ợc coi lμ khả thi, đ−a vμo so sánh tiếp. Trong b−ớc tính toán tiếp theo, công suất đặt đ−ợc xem xét đến điều kiện hệ thống vμ chọn ra công suất đặt cuối cùng (tạm gọi lμ tối −u) cho mỗi ph−ơng án mức n−ớc. Tính hợp lý (hay tối −u về công suất đặt) cho mỗi ph−ơng án mức n−ớc rất phụ thuộc vμo điều kiện hoạt động vμ chế độ lμm việc của nó. Các NMTĐ không có hồ chứa n−ớc rất mong muốn phát điện theo chế độ của dòng chảy tự nhiên: phát bằng phẳng theo biểu đồ ngắn hạn vμ thay đổi sản l−ợng điện năng cung cấp theo mùa. Trong khi đó phụ thuộc vμo hợp đồng mua bán điện hay nhu cầu hệ thống biểu đồ phát có thể bị giới hạn, hoặc theo dạng định sẵn. Các NMTĐ có hồ chứa n−ớc có thể tham gia điều tiết (từ điều tiết ngμy trở lên) chủ yếu bị giới hạn bởi khả năng cung cấp điện năng theo mùa. Phía hệ thống giới hạn phần công suất tham gia phủ đỉnh của nhμ máy, tùy thuộc vμo biểu đồ phụ tải tổng vμ nhu cầu công suất dự phòng sửa chữa. Các yếu tố trên ảnh h−ởng đến quyết định lựa chọn trị số công suất đặt cuối cùng. Trong giới hạn quy định, các NMTĐ có thể lựa chọn công suất đặt thêm (v−ợt lên trên trị số công suất đảm bảo) sao cho có lợi nhất về đầu t− kinh tế. Nói chung, trị số công suất đảm bảo lμ trị số công suất tối thiểu cho công suất đặt bởi các tổ máy luôn luôn đủ n−ớc (trừ khi bị giới hạn bởi các điều kiện phi kinh tế). Có nên đặt thêm các tổ máy lμm việc theo mùa hay không phụ thuộc giới hạn cho phép (từ phía hệ thống hay hợp đồng) vμ l−ợng n−ớc còn d− theo mùa. Do cμng có nhiều tổ máy đặt thêm thì thời gian còn d− n−ớc theo mùa cμng ngắn (t−ơng ứng với đ−ờng cong thời gian đảm bảo n−ớc), hiệu quả đặt thêm công suất cμng giảm, nên nguyên tắc chung của việc lựa chọn công suất đặt lμ tăng dần từng b−ớc trị số công suất cho đến khi hiệu quả kinh tế không còn nh− mong muốn. Khi đó nhận đ−ợc trị số công suất đặt cuối cùng. Có thể áp dụng các ph−ơng pháp khác nhau khi đánh giá hiệu quả của l−ợng công suất đặt thêm tùy thuộc các điều kiện tính toán. Với các dự án thủy điện nhỏ th−ờng chỉ có các hợp đồng mua bán điện (quy định giá điện vμ các giới hạn biểu đồ). Đôi khi còn bị giới hạn bởi khả năng truyền tải của l−ới. Trong tr−ờng hợp nμy có thể tính toán khá đơn gian theo thời gian thu hồi vốn đầu t− của các tổ máy đặt thêm. Giá bán điện vμ đặc tr−ng l−ợng n−ớc của dòng chảy lμ những yếu tố quyết định. Với dự án xây dựng các NMTĐ lớn, việc lựa chọn công suất đặt th−ờng phải xuất phát từ các đặc tr−ng hệ thống. Ph−ơng pháp phổ biến nhất lμ so sánh hiệu quả với một đối t−ợng nhiệt điện thay thế về mọi ph−ơng diện: tham gia cân bằng công suất cho phụ tải, phục vụ dự phòng sửa chữa, giảm giá thμnh điện năng... Đối t−ợng nhiệt điện thay thế lμ một dự án xây dựng NMNĐ có tính khả thi cao, hiệu quả nhất trong cùng thời gian luận chứng xây dựng NMTĐ. Ng−ời ta th−ờng hay chọn NMNĐ kiểu ng−ng hơi lμm đối t−ợng thay thế. Hiệu quả kinh tế khi đặt thêm một đơn vị công suất ở đối t−ợng nhiệt điện thay thế th−ờng ít thay đổi, trong khi với NMTĐ - v−ợt trội lúc đầu, sau giảm nhanh theo chiều tăng công suất. Công suất đặt cuối cùng của NMTĐ đ−ợc lựa chọn tr−ớc khi tính v−ợt trội về kinh tế không còn nữa. Tính hợp lý của ph−ơng pháp trên có thể giải thích nh− sau. - Dự án xây dựng NMTĐ đ−ợc lập nên xuất phát từ nhu cầu phát triển công suất hệ thống. Nếu không xây dựng NMTĐ, chắc chắn phải có một dự án khác tăng thêm nguồn phát. - Chọn hiệu quả t−ơng đ−ơng phát triển công suất thủy điện vμ nhiệt điện lμm cho tỉ lệ công suất phát trong hệ thống ngμy cμng hợp lý hơn. 2. Chỉ tiêu v−ợt trội về hiệu quả kinh tếcủa NMTĐ so với đối t−ợng thay thế Giả thiết tăng thêm công suất đặt ở NMTĐ một l−ợng công suất lμ ΔNđ l−ợng điện năng phát của nó tăng đ−ợc lμ ΔET. Tuy nhiên để có thêm l−ợng công suất nμy NMTĐ cần tăng thêm l−ợng vốn đầu t− lμ ΔVT, chi phí vận hμng năm tăng thêm một trị số lμ ΔCT. Theo các ký hiệu đã dùng ta có: ΔVTĐ = ap. ΔNđ . ΔCTĐ = cp. ΔNđ . Giả thiết việc tăng công suất đặt NMTĐ trị số ΔNđ cho phép giảm đ−ợc công suất ở đối t−ợng nhiệt điện thay thế lμ ΔNth , đồng thời giảm đ−ợc l−ợng điện năng lμ ΔEN . Khi đó, t−ơng ứng vốn đầu t− vμ chi phí vận hμnh ở đối t−ợng nhiệt điện thay thế cũng giảm đ−ợc: ΔVth = aN. ΔNN + aN1. ΔEN . ΔCth = cN. ΔNN + sN1. ΔEN . Suất vốn đầu t− aN ký hiệu ở đây chỉ tính cho phần vốn đầu t− các công trình thuộc phạm vi nhμ máy. Tiêu chuẩn v−ợt trội về hiệu quả công suất đặt thêm của NMTĐ t−ơng ứng với điều kiện sau: tc TĐth thTĐ T CC VVT ≤Δ−Δ Δ−Δ= . Với các dự án NMTĐ th−ờng lấy thời gian thu hồi vốn đầu t− tiêu chuẩn Tđm = 10 năm.. Sử dụng hệ số hiệu quả đầu t− định mức: r = 1/Tđm có thể viết lại thμnh: ththTĐTĐ CVrCVr Δ+Δ≤Δ+Δ .. . Thay các biểu thức tính cụ thể của ΔVTĐ , ΔCTĐ , ΔVth , ΔCth vμo bất đẳng thức trên, sau đó chia cả 2 vế cho ΔNđ ta có: cp + r.ap ≤ φ (cN + r.aN) + ψ(sN1+r.aN1).Tmax TĐ , với các hệ số mới đ−ợc đặt : đ N N N Δ Δ=ϕ - hệ số thay thế công suất ; TĐ N E E Δ Δ=ψ - hệ số thay thế điện năng. Ta cũng đặt thêm các ký hiệu: pp p TĐ arcz .+= - suất chi phí tính toán tính cho một đơn vị công suất đặt thêm của NMTĐ; NN p th arcz .+= - suất chi phí tính toán tính cho một đơn vị công suất đặt thêm của đối t−ợng nhiệt điện thay thế; 11 . NN E th arsz += - suất chi phí tính toán cho tiêu hao nhiên liệu ở đối t−ợng nhiệt điện thay thế khi sản xuất một đơn vị điện năng; Khi đó có thể viết gọn tiêu chuẩn v−ợt trội ở dạng: TĐ E th p th p TĐ Tzzz max... ψϕ +≤ . (6.1) Cần chú ý lμ, trong khi biến đổi các biểu thức ta đặt: ΔETĐ = ΔNđ .Tmax TĐ , vì thế cần hiểu Tmax TĐ lμ thời gian lμm việc cực đại của l−ợng công suất đặt thêm ΔNđ , cũng bằng thời gian đủ n−ớc tm cho l−ợng công suất ΔNđ (hình 6.4,b). Tiêu chuẩn (6.1) sẽ đ−ợc dùng để kiểm tra tính v−ợt trội của NMTĐ ở mỗi b−ớc tăng công suất đặt cần lựa chọn. 3. ý nghĩa của các hệ số thay thế φ và ψ Ta đã giả thiết rằng các l−ợng công suất ΔNđ , ΔNN vμ điện năng ΔETĐ , ΔEth thay thế đ−ợc t−ơng đ−ơng cho nhau trong hệ thống (mặc dù trị số của chúng khác nhau theo các hệ số φ vμ ψ). a. Hệ số thay thế công suất φ a) b) a b Theo định nghĩa ta có: đ N N N Δ Δ=ϕ suy ra ΔNN = φ.ΔNđ . Biểu thức cho thấy hệ số φ đặc tr−ng cho hiệu quả công suất của NMTĐ thay thế cho công suất của đối t−ợng nhiệt điện tay thế. Hệ số φ cμng lớn thì hiệu quả công suất của NMTĐ đối với hệ thống cμng cao. φ > 1 - công suất của NMTĐ thay thế đ−ợc cho một l−ợng công suất lớn hơn của nhiệt điện thay thế, φ < 1 hiệu quả thay thế kém hơn, còn φ = 1 công suất có hiệu quả t−ơng đ−ơng. Hãy xét kỹ hơn các yếu tố ảnh h−ởng đến giá trị của hệ số φ. Với cùng một l−ợng công suất đặt thêm nh− nhau tại NMTĐ vμ NMNĐ thay thế, nếu đủ n−ớc thì khả năng đáp ứng công suất cho nhu cầu phụ tải hệ thống của NMTĐ sẽ cao hơn. Đó lμ vì công suất tự dùng ở NMTĐ nhỏ hơn đáng kể. Tổn thất truyền công suất trên l−ới từ NMTĐ đến phụ tải có thể lớn hơn đôi chút so với NMNĐ nh−ng về tổng thể vẫn cho giá trị φ > 1. Xét theo đ−ờng cong tần suất đảm bảo n−ớc, dễ thấy giới hạn để có hệ số công suất φ ≥ 1 nằm trên, gần với l−u l−ợng n−ớc đảm bảo (hình 6.4,a). Thực ra, khi l−ợng công suất đặt thêm nằm trên giá trị công suất đảm bảo nó đã không còn hiệu quả thay thế cho bất cứ l−ợng công suất phụ tải nμo trong hệ thống. Vì thế chỉ có thể khẳng định φ > 1 trong vùng công suất của NMTĐ nhỏ hơn công suất đảm bảo. N 100 Q 0 < φ < 1 p % Nđb φ > 1 φ = 0 90 0 N 8760 Q 0 < φ < 1 t h φ > 1 φ = 0 0 tm Nđ ΔNđ Hình 6.4 L−ợng công suất đặt thêm lên trên trị số công suất đảm bảo của NMTĐ chỉ có thể lμm việc theo mùa nên không coi lμ cân bằng đ−ợc cho phụ tải. Nếu thiếu công suất cho phụ tải vẫn phải đặt thêm từ NMNĐ thay thế. Tuy nhiên, không phải lúc ấy luôn luôn có φ = 0 , bởi nếu thiếu công suất dự phòng sửa chữa nó vẫn thay thế đ−ợc cho công suất NMNĐ. Đặc điểm của công suất dự phòng sửa chữa lμ có thể sử dụng theo mùa (không liên tục), Vμo mùa n−ớc công suất đặt thêm ở NMTĐ có thể hoạt động phát bù cho các tổ máy nghỉ sửa chữa. Nh− vậy nếu hệ thống đang còn nhu cầu dự phòng sửa chữa thì 0 < φ < 1. Giả thiết giới hạn công suất dự phòng còn đến khi công suất đặt của NMTĐ tăng đến đ−ờng giới hạn b (hình 6.4,a). Đó cũng lμ đ−ờng giới hạn φ = 0 . Khi công suất đặt lên trên đ−ờng b, φ = 0 vì không còn thay thế đ−ợc cho bất cứ l−ợng công suất nμo. b. Hệ số thay thế điện năng ψ Theo định nghĩa ta có TĐ N E E Δ Δ=ψ , suy ra ΔEN = ψ.ΔETĐ . Nh− vậy hệ số ψ đặc tr−ng cho hiệu quả thay thế điện năng của NMTĐ. ψ > 1 - điện năng phát ra từ NMTĐ thay thế đ−ợc cho một l−ợng điện năng nhiều hơn từ nhiệt điện thay thế, ψ < 1 hiệu quả thay thế kém hơn, còn ψ = 1 điện năng có hiệu quả t−ơng đ−ơng. Dễ thấy điện năng đã phát đ−ợc từ NMTĐ thì không còn phụ thuộc l−ợng n−ớc. Hiệu quả cung cấp cho nhu cầu tiêu thụ chỉ còn phụ thuộc vμo l−ợng hao hụt do tự dùng vμ mất mát truyền tải. NMTĐ có điện năng tự dùng nhỏ nh−ng th−ờng xa phụ tải nên tổn thất truyền tải nhiều hơn. Tổng thể, bù trừ lμm cho hệ số ψ có trị số gần với 1. Chính xác nằm trong phạm vi ψ = (1,0 - 1,06). Khi tính gần đúng lấy ψ = 1. Lấy lớn hơn khi tổn thất truyền tải nh− nhau. 4. Tính toán lựa chọn công suất đặt theo các tr−ờng hợp khác nhau a. Tr−ờng hợp φ > 1 (công suất đảm bảo). Đây lμ tr−ờng hợp tính toán cho những b−ớc ban đầu của quá trình tăng công suất, tiêu chuẩn v−ợt trội đ−ợc đánh giá theo (6.1). Do chỉ tính với l−ợng công suất đặt thêm, nên suất chi phí tính toán tính cho NMTĐ pTĐz th−ờng nhỏ hơn so p TĐz của NMNĐ (do ap 1 chắc chắn bất đẳng thức thỏa mãn. Điều nμy có nghĩa lμ việc lựa chọn công suất đặt thêm th−ờng chỉ cần bắt đầu từ tr−ờng hợp 0 < φ < 1, với công suất đặt chọn lớn hơn Nđb. b. Tr−ờng hợp 0 < φ < 1. Chỉ thực hiện tính toán theo tr−ờng hợp nμy khi biết rõ trong hệ thống còn nhu cầu phải đặt thêm công suất dự phòng sửa chữa. Nếu không tăng công suất đặt ở NMTĐ thì phải tăng thêm công suất ở NMNĐ thay thế. Nhu cầu dự phòng sửa chữa th−ờng đ−ợc tính theo điện năng, đó lμ vì có thể lập kế hoạch sửa chữa hợp lý nếu có công suất nhμn rỗi ở bất cứ thời gian nμo. Điện năng sửa chữa cho một tổ máy có thể tính đ−ợc bằng tích của thời gian sửa chữa với công suất tổ máy có thể vận hμnh (nếu lμm việc). Nh− vậy, dự phòng sửa chữa đ−ợc coi lμ t−ơng đ−ơng nếu nếu điện năng tính theo các công suất dự phòng lμ nh− nhau. Ng−ời ta còn gọi lμ quy tắc cân bằng điện năng sửa chữa (không cân bằng theo công suất sửa chữa). Với các l−ợng công suất đặt thêm cho dự phòng sửa chữa ΔNN vμ ΔNđ ta có điện năng sửa chữa t−ơng ứng lμ: ).(;. scN sc thmđ sc TĐ tTNEtNE −Δ=ΔΔ=Δ . Trong tm - thời gian có n−ớc cho ΔNđ (hình 6.4,b). tsc - thời gian sửa chữa cho chính các tổ máy đặt thêm ở NMNĐ thay thế. T - thời gian cả năm. Theo quy tắc cân bằng điện năng sửa chữa ta có: ).(. scN sc thmđ tTNEtN −Δ=Δ=Δ Từ đó suy ra: đđ sc m N NNtT tN Δ=Δ−=Δ .ϕ Th−ờng có thể lấy gần đúng trong tính toán: T t tT t m sc m ≈−=ϕ . (6.2) Sử dụng giá trị φ tính đ−ợc theo biểu thức trên ở mỗi b−ớc tính toán cùng với tiêu chuẩn (6.1), có thể thực hiện quá trình tăng công suất đặt để lựa chọn trị số hợp lý. Có thể gặp một trong hai tính huống sau: - Tiêu chuẩn v−ợt trội (6.1) không còn thỏa mãn tr−ớc khi đến trị số giới hạn nhu cầu dự phòng sửa chữa. Quá trình tính toán kết thúc, nhận đ−ợc trị số công suất đặt cuối cùng tr−ớc khi bất đẳng thức (6.1) đổi dấu. - Tiêu chuẩn v−ợt trội (6.1) luôn luôn thỏa mãn cho đến khi công suất đặt đến trị số giới hạn, hết nhu cầu công suất dự phòng. Quá trình tính toán đ−ợc tiếp tục với trị số φ = 0. c. Tr−ờng hợp φ = 0. Quá trình tính toán có thể chuyển sang tr−ờng hợp nμy khi không có (hoặc rất ít) nhu cầu đặt thêm công suất dự phòng sửa chữa. Các hệ thống có tỉ lệ thủy điện cao th−ờng đã có sẵn công suất dự phòng sửa chữa (không thể chuyển thμnh công suất cân bằng cho phụ tải) nên nhu cầu đặt thêm công suất dự phòng sữa chữa cũng ít. Cách tính toán trong tr−ờng hợp nμy chỉ có một thay đổi đơn giản trong tiêu chuẩn (6.1) lμ lấy trị số φ = 0 . Ta có thể viết lại (thay Tmax TĐ = tm): m E th p TĐ tzz ..ψ≤ (6.3) Dễ thấy khả năng thỏa mãn tiêu chuẩn v−ợt trội lúc nμy chủ yếu phụ thuộc vμo trị số tm. Hơn nữa, tính v−ợt trội về kinh tế cho l−ợng công suất đặt thêm ở NMTĐ trong tr−ờng hợp nμy chỉ trông chờ vμo sản l−ợng điện năng rẻ tiền có thêm đ−ợc vμo mùa n−ớc. Công suất đặt cμng lớn thì thời gian đủ n−ớc cho những tổ máy đặt thêm cuối cùng cμng nhỏ - hiệu quả kinh tế sẽ cμng kém. ý nghĩa nμy phản ánh qua sự giảm dần trị số vế phải của (6.3). Đến giới hạn, bất đẳng thức (6.3) không còn thỏa mãn, nhận đ−ợc trị số công suất đặt cuối cùng cho NMTĐ. II. Tính toán lựa chọn mức n−ớc dâng bình th−ờng Mức n−ơc dâng bình th−ờng (MNDBT) lμ thông số chủ yếu nhất của công trình thủy điện. MNDBT quyết định quy mô vμ kích th−ớc của công trình, vùng ngập n−ớc, dung tích hữu ích của hồ, công suất đặt vμ sản l−ợng điện năng của nhμ máy. Nó cũng lμ thông số quan trọng ảnh h−ởng đến nhiệm vụ tổng hợp của dự án thủy lợi, thủy điện. Chính ví thế MNDBT bao giờ cũng đ−ợc phân tích luận chứng tr−ớc, xét đến mọi yếu tố có thể ảnh h−ởng. Trên cơ sở đó lựa chọn mức n−ớc chết (MNC), công suất đặt của máy vμ các thông số còn lại khác. Nh− trên đã nói, bμi toán lựa chọn MNDBT, thuận lợi hơn cả lμ thực hiện theo cách so sánh ph−ơng án. Thiết lập một loạt các ph−ơng án thiết kế NMTĐ với các MNDBT khác nhau. Các ph−ơng án khác nhau về chiều cao mức n−ớc theo trị số ΔH đã chọn, đồng thời phải thỏa mãn các điều kiện khống chế. Các điều kiện khống chế mức n−ớc cao nhất th−ờng đ−ợc kể đến gồm: - Điều kiện mốc biên giới quốc gia. Trong mọi tr−ờng hợp khai thác vận hμnh NMTĐ mức n−ớc hồ không đ−ợc ảnh h−ởng đến vùng đất của n−ớc láng giềng. Nh− vậy chiều cao đập vμ MNDBT phải chọn thấp hơn mức n−ớc sông ở biên giới một trị số đủ để khi vận hμnh với mức n−ớc gia c−ờng thì điều kiện không xâm phạm biên giới vẫn đ−ợc đảm bảo. - Điều kiện địa chất, đặc biệt lμ sự mất n−ớc lòng hồ. Khi hồ nằm trong khu vực núi đá vôi thì độ cao các hang động (còn gọi lμ hiện t−ợng karst) chính lμ giới hạn của chiều cao MNDBT. Đó lμ vì hiện t−ợng địa chất biến đổi khi ngập n−ớc các khu vực đó diễn ra rất phức tạp không có khả năng xử lý (lấp nhét) để giữ n−ớc hồ. - Điều kiện địa hình tự nhiên. Đó lμ những dầu hiệu địa hình mμ ng−ời thiết kế biết ngay không nên chọn MNDBT lên cao hơn, ví dụ khi đó phải xây rất nhiều đập phụ, hay đập phụ quá lớn (dμi). Chênh lệch mức n−ớc ΔH th−ờng đ−ợc lấy (1-2)m, khi đập cao có thể lấy tới 10m. Để lựa chọn MNDBT hợp lý nhất trong số các ph−ơng án đã vạch ra cần phải dựa vμo các chỉ tiêu kinh tế (chi phí, lợi nhuận). Ng−ời ta cũng hay thực hiện theo thứ tự tăng dần chiều cao mức n−ớc. ở mỗi b−ớc, cần tính đ−ợc sự thay đổi (số gia) về vốn đầu t−, chi phí vận hμnh vμ thu nhập hμng năm (điện năng). Dựa trên sự thay đổi nμy có thể xác định đ−ợc ph−ơng án tối −u (dựa vμo NPV hay thời gian thu hồi vốn đầu t− chênh lệch). Khi MNDBT thay đổi cần phải xác định đ−ợc t−ơng đối chính xác vμ đầy đủ các l−ợng thay đổi về vốn đầu t−, chi phí vận hμnh vμ lợi ích. Đó lμ yêu cầu quan trọng đ−ợc đặt ra cho giai đoạn lập dự án thiết kế NMTĐ. Cần xem xét các nội dung sau khi nâng cao mức n−ớc một l−ợng ΔH : - Tăng thêm vốn đầu t− vμ chi phí vận hμnh do thay đổi quy mô các công trình đầu mối (đập cao hơn, đền bù di dân nhiều hơn ...). - Tăng thêm vốn đầu t− vμ chi phí vận hμnh cho trang thiết bị (tổ máy, thiết bị phân phối, máy biến áp, đ−ờng dây tải điện ...). - Sự thay đổi (tăng, giảm) vốn đầu t− vμ chi phí vận hμnh đối với các công trình thủy điện bậc thang hoặc lân cận (do ảnh h−ởng điều tiết cũng nh− ảnh h−ởng thay đổi mức n−ớc th−ợng l−u, hạ l−u). - Sự thay đổi vốn đầu t− vμ chi phí vận hμnh của các công trình phục vụ lợi ích tổng hợp nguồn n−ớc. - Giảm vốn đầu t− vμ chi phí vận hμnh cho đối t−ợng thay thế. 2) Sự thay đổi lợi ích (hμng năm) - Tăng thêm sản l−ợng điện năng hμng năm thu đ−ợc do tăng đ−ợc công suất đặt cũng nh− cột n−ớc. - Thay đổi (tăng, giảm) sản l−ợng điện năng ở các NMTĐ bậc thang hoặc lân cận. Việc tính sản l−ợng điện năng khi thay đổi MNDBT rất phức tạp. Tr−ớc hết cần xét đến sự thay đổi công suất đặt, bằng cách lựa chọn lại theo ph−ơng pháp nêu trong mục trên. Sau đó thực hiện bμi toán điều tiết năm với các giả thiết về MNC. Sau khi so sánh hiệu quả kinh tế còn phải xét đến hμng loạt các yếu tố an toμn khác nh−: hiệu quả chống lũ, an toμn vỡ đập, ảnh h−ởng môi tr−ờng, an ninh quan sự ... mới có thể chọn đ−ợc MNDBT. III. Tính toán lựa chọn mức n−ớc chết (MNC) Cũng nh− MNDBT để chọn MNC, tr−ớc hết cần xét đến các rμng buộc kỹ thuật. Có các rμng buộc chủ yếu sau: - Ràng buộc về bố trí công tình: MNC phải đủ cao để bố trí thuận tiện cửa nhận n−ớc vμ cấp n−ớc. Theo điều kiện nμy méo d−ới của cửa nhận n−ớc phải cao hơn cao trình bối láng mậot khoảng đủ để không cho bùn cát đáy kéo vμo. Còn mép trên của cửa nhận n−ớc phải thấp hơn MNC một khoảng để không sinh phễu xóay cuốn không khí nén vμo tua bin. Nh− vậy tính theo độ cao: MNC ≥ MNBL + a1 + HCNN + a2 Trong đó : MNBL - lμ cao trình bồi lắn bùn cát; a1 - khoảng dự trữ an toμn chống bùn cát đáy kéo vμo cửa nhận n−ớc; HCNN - chiều cao của cửa nhận n−ớc; a2 - khoảng dự trữ an toμn chống phát sinh phễu xoáy khí. Mức n−ớc bồi lắng MNBL phụ thuộc chiều cao đáy hồ vμ l−ợng cát bồi lắng tính toán (trong chu kỳ tuổi thọ), còn HCNN, a1, a2 đ−ợc tính toán theo những tiêu chuẩn thiết kế (có các tμi liệu h−ớng dẫn riêng). - Ràng buộc về điều kiện làm việc của tua bin. Cột n−ớc lμm việc của tua bin có giới hạn tối đa, tối thiểu, phụ thuộc vμo đặc tính lμm việc của nó (hình 5.13). Giới hạn nμy chủ yếu nhằm đảm bảo cho tua bin đ−ợc lμm việc trong vùng có hiệu suất cao. ở giai đoạn thiết kế ng−ời ta phải căn cứ vμo cột n−ớc định mức của NMTĐ để chọn tua bin. Thông th−ờng tua bin chỉ đảm bảo đ−ợc hiệu suất cao trong phạm vi dao động cột n−ớc ΔH = (0,3-0,4)Hđm (tính từ MNDBT), với: Hđm = MNDBT - Zhl(Q0); Trong đó: Zhl(Q0) - lμ mức n−ớc hạ l−u tính với l−u l−ợng n−ớc trung bình nhiều năm Q0. Đây cũng chính lμ chiều sâu lμm việc giới hạn của hồ (còn gọi lμ chiêu sâu khai thác). Nh− vậy theo điều kiện lμm việc của tua bin: MNC ≥ MNDBT - HLV gh HLV gh đ−ợc xác định căn cứ vμo trị số ΔH vμ các điều kiện giới hạn kỹ thuật khác của tua bin. - Ràng buộc về điều kiện môi sinh lòng hồ: MNC ≥ Zmin Trong đó Zmin - lμ mức n−ớc hồ tối thiểu để đảm bảo các điều kiện môi tr−ờng cho nuôi trồng thủy sản, vệ sinh lòng hồ vμ ổn định mức n−ớc ngầm cho khu vực xunh quanh. Các mức n−ớc thỏa mãn điều kiện rμng buộc đều có thể đ−ợc đ−a vμo so sánh theo các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật. Cần phân biệt các tr−ờng hợp khác nhau theo khả năng điều tiét của hồ. a. Hồ chứa điều tiết năm. Nhiệm vụ chính của hồ điều tiết năm lμ tăng sản l−ợng điện năng cho NMTĐ vμ tăng công suất phát trong thời kỳ ít n−ớc (nâng cao công suất đảm bảo). Vì thế nếu xem nh− MNDBT đã biết thì bμi toán lựa chọn MNC cũng chính lμ bμi toán lựa chọn chiều sâu lμm việc của hồ sao cho sản l−ợng điện năng cả năm của NMTĐ lμ lớn nhất. Với một giả thiết về chiều sâu lμm việc của hồ (hay MNC) ta hoμn toμn có thể xác định đ−ợc sản l−ợng điện năng cực đại sản xuất ra trong một năm của NMTĐ. Sản l−ợng điện năng ở đây lμ cực đại theo cách tính toán điều tiết tối −u hồ chứa với biểu đồ thủy văn đã cho. Tính với các ph−ơng án MNC khác nhau ta có thể xây dựng đ−ợc đ−ờng cong quan hệ giữa sản l−ợng điện năng (cực đại) hμng năm với chiều sâu lμm việc của hồ. Quan hệ nμy có một trị số cực đại, t−ơng ứng với chiều sâu lμm việc tối −u. Có thể giải thích sự tồn tại giá trị cực đại của đ−ờng cong quan hệ nh− sau. Khi tăng chiều sâu lμm việc của hồ một l−ợng ΔHLV t−ơng ứng với việc hạ MNC xuống thấp vμ lμm tăng thêm dung tích hồ chứa một l−ợng lμ ΔV. Có 2 nguyên nhân dẫn đến các l−ợng điện năng thay đổi: l−ợng điện năng tăng (ký hiệu lμ ΔE1) do sử dụng thêm l−ợng n−ớc ΔV tích lũy trong hồ từ, l−ợng điện năng giảm ( ký hiệu lμ ΔE2) do vận hμnh l−ợng n−ớc dòng chảy với cột n−ớc thấp hơn. Khi giảm liên tiếp các trị số ΔHLV bằng nhau để tăng độ sâu lμm việc thì E1 tăng chậm dần (do lòng hồ hẹp lại ΔV bé đi, cột n−ớc cũng thấp dần). Trong khi đó E2 vẫn giảm đều do công suất tỉ lệ với cột n−ớc. Trên hình 6.5 thể hiện các đ−ờng cong quan hệ nói trên, tính với các năm có l−ợng n−ớc khác nhau (năm nhiều n−ớc, năm n−ớc trung bình vμ năm ít n−ớc). Khi l−ợng n−ớc giảm thấp, cực trị dịch chuyển về phía tăng thêm chiều sâu lμm việc (nghĩa lμ giảm MNC xuống thấp, nâng cao dung tích hữu ích của hồ). Chiều sâu lμm việc đ−ợc −u tiên chọn cho năm ít n−ớc nhằm nâng cao công suất đảm bảo cho nhμ máy. Thực ra, khi tính sản l−ợng điện năng theo ph−ơng án điều tiết dμi hạn tối −u (san bằng dòng chảy) thì kết quả cũng t−ơng ứng nâng cao công suất đảm bảo. Cần chú ý lμ, khi có các NMTĐ bậc thang, cùng đ−ợc xây dựng trên một dòng sông, thì các số gia điện năng do tăng thêm chiêu sâu lμm việc ở mỗi NMTĐ cần phải đ−ợc tính đến ở tất cả các NMTĐ khác. Bμi toán điều tiết phải đ−ợc thực hiện phối hợp nh− đã trình bầy trong ch−ơng 4. Nói chung hiệu quả tổng hợp luôn luôn cao hơn khi chỉ có một nhμ máy. Hơn nữa chiều sâu lμm việc các hồ có xu h−ớng tăng thêm (hình 6.6). Về nguyên tắc, việc lựa chọn các thông số cho NMTĐ nói chung vμ MNC nói riêng phải tuân theo các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật. Vì thế các tính toán nêu trên chỉ đ−ợc coi lμ b−ớc lựa chọn sơ bộ cho MNC, hơn nữa mới chỉ t−ơng ứng với một MNDBT đã cho. Mức n−ớc chết lựa chọn cuối cùng cho NMTĐ chỉ có đ−ợc sau các tính toán lựa chọn phối hợp MNDBT vμ công suất dặt của nhμ máy. HLV3 HLV2 HLV1 Enăm HLV hay Vhi Năm nhiều n−ớc. Năm n−ớc trung bình. Năm ít n−ớc. Hình 6.5 HLV3 HLV1 Enăm HLV hay Vhi Năm nhiều n−ớc. Năm ít n−ớc. Hình 6.6 H'LV1 H'LV3 b. Hồ chứa điều tiết nhiều năm. Mục đích của điều tiết nhiều năm không phải lμ lμm tăng sản l−ợng điện năng hμng năm mμ lμm tăng công suất đảm bảo vμ điện năng đảm bảo. Khi tăng chiều sâu lμm việc thì dung tích hữu ích của hồ chứa tăng, tuy nhiên l−ợng n−ớc sử dụng hμng năm hầu nh− không thay đổi. Đó lμ vì, với hồ điều tiết nhiều năm, khi đ−ợc điều tiết tối −u nói chung không phải xả n−ớc thừa. Trong khi đó hạ thấp MNC sẽ lμm hạ thấp mức n−ớc nói chung, dẫn đến sản l−ợng điện năng trung bình giảm xuống. Công suất đảm bảo vμ điện năng đảm bảo tăng đ−ợc lμ do có sự phân bố l−ợng n−ớc từ năm nhiều n−ớc sang năm ít n−ớc. Lợi ích của việc tăng thêm công suất vμ điện năng đảm bảo lμ lμm cho l−ợng công suất vμ điện năng của NMTĐ tham gia cân bằng đ−ợc cho phụ tải hệ thống nhiều hơn. Chênh lệch giữa chi phí (kể cả l−ợng điện năng trung bình bị giảm) vμ lợi ích sẽ lμ cơ sở để lựa chọn MNC tối −u. Nh− vậy với hồ điều tiết nhiều năm MNC cần đ−ợc giả thiết vμ lựa chọn đồng thời với quá trình tính toán lựa chọn MNDBT vμ công suất đặt. c. Hồ điều tiết ngắn hạn (ngày và tuần) Khi hồ nhỏ không đặt ra cho NMTĐ nhiệm vụ tham gia điều tiết dμi hạn. Ví dụ khi toμn bộ l−ợng n−ớc của hồ chỉ đủ sử dụng trong một số ít ngμy (1 tuần trở xuống). Trong tr−ờng hợp nμy, khi tính toán sơ bộ (chọn MNDBT vμ Nđ), nếu không vi phạm các giới hạn thì có thể chọn MNC sao cho đủ để diều tiết ngμy hoμn toμn. Dung tích điều tiết ngμy hoμn toμn có thể tính theo phần đỉnh của biểu đồ phụ tải tổng hệ thống. Biết Qtb vμ Htb trong mùa ít n−ớc có thể tính đ−ợc Ptb vμ ETĐ. Cho công suất của NMTĐ phủ đỉnh biểu đồ phụ tải tổng hệ thống với giả thiết hồ chứa có dung tích đủ lớn (xem ch−ơng 5) sau đó xác định Wđt. Khi đó dựa vμo điều kiện Wđt = Vhi suy ra MNC. Sau khi chọn xong MNDBT vμ Nđ cho NMTĐ, MNC có thể đ−ợc xác định lại theo các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật.