Tổng quan về sản xuất điện thủy điện

Thủy điện là quá trình chuyển đổi năng lượng nước của các con sông tự nhiên thành điện năng để con người sử dụng. Có nhiều nguồn năng lượng được sử dụng trong sản xuất điện, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, năng lượng nước sông và năng lượng gió. Chi phí sản xuất điện thủy điện tương đối rẻ, và việc xây dựng các nhà máy thủy điện cũng có thể kết hợp với các dự án thủy lợi khác. Nước ta rất giàu tài nguyên thủy điện và điều kiện cũng rất thuận lợi. Thủy điện đóng vai trò quan trọng trong xây dựng nền kinh tế quốc gia.
Mực nước thượng nguồn của một con sông cao hơn mực nước hạ nguồn. Do sự chênh lệch mực nước này, năng lượng nước được tạo ra. Năng lượng này được gọi là thế năng. Sự chênh lệch độ cao của mực nước sông được gọi là độ chênh lệch mực nước, hay còn gọi là cột nước. Độ chênh lệch này là điều kiện cơ bản để hình thành thủy điện. Ngoài ra, công suất thủy điện còn phụ thuộc vào lưu lượng nước trong sông, đây cũng là một điều kiện cơ bản quan trọng không kém độ chênh lệch. Cả độ chênh lệch và lưu lượng đều ảnh hưởng trực tiếp đến thủy điện; lưu lượng nước càng lớn thì công suất thủy điện càng lớn; nếu độ chênh lệch và lưu lượng nước tương đối nhỏ, sản lượng của nhà máy thủy điện sẽ nhỏ hơn.
Độ chênh lệch mực nước thường được biểu thị bằng mét. Độ dốc là tỷ lệ giữa độ chênh lệch và khoảng cách, có thể cho biết mức độ tập trung của độ chênh lệch. Độ chênh lệch càng lớn, việc sử dụng năng lượng thủy điện càng thuận tiện. Độ chênh lệch mực nước được sử dụng bởi một nhà máy thủy điện là sự khác biệt giữa mực nước thượng lưu của nhà máy thủy điện và mực nước hạ lưu sau khi đi qua tuabin.

Lưu lượng là lượng nước chảy trong sông trên một đơn vị thời gian, được biểu thị bằng mét khối trên một giây. Một mét khối nước tương đương một tấn. Lưu lượng sông thay đổi theo thời gian, vì vậy khi nói về lưu lượng, chúng ta phải đề cập đến thời điểm cụ thể tại vị trí nước chảy. Lưu lượng thay đổi rất đáng kể theo thời gian. Các con sông ở nước ta thường có lưu lượng lớn vào mùa mưa hè và thu, và tương đối nhỏ vào đông và xuân. Nói chung, lưu lượng sông ở thượng nguồn tương đối nhỏ; do các nhánh sông hợp lưu, lưu lượng hạ nguồn tăng dần. Vì vậy, mặc dù lưu lượng thượng nguồn tập trung nhưng phân bố lại nhỏ; lưu lượng hạ nguồn lớn nhưng phân bố lại khá rải rác. Do đó, việc khai thác thủy điện thường hiệu quả nhất ở đoạn giữa sông.
Khi biết độ cao chênh lệch và lưu lượng nước sử dụng của một nhà máy thủy điện, sản lượng của nó có thể được tính toán bằng công thức sau:
N= GQH
Trong công thức, N–đầu ra, tính bằng kilowatt, cũng có thể được gọi là công suất;
Lưu lượng Q, tính bằng mét khối mỗi giây;
H – độ giảm, tính bằng mét;
G = 9,8 là gia tốc trọng trường, đơn vị: Newton/kg
Theo công thức trên, công suất lý thuyết được tính toán mà không trừ đi bất kỳ tổn thất nào. Trên thực tế, trong quá trình phát điện thủy điện, tuabin, thiết bị truyền tải, máy phát điện, v.v. đều có những tổn thất công suất không thể tránh khỏi. Do đó, công suất lý thuyết cần được điều chỉnh giảm, tức là công suất thực tế có thể sử dụng cần được nhân với hệ số hiệu suất (ký hiệu: K).
Công suất thiết kế của máy phát điện trong nhà máy thủy điện được gọi là công suất định mức, còn công suất thực tế được gọi là công suất thực. Trong quá trình chuyển đổi năng lượng, việc mất một phần năng lượng là điều không thể tránh khỏi. Trong quá trình phát điện thủy điện, chủ yếu có tổn thất ở tuabin và máy phát điện (cũng có tổn thất trong đường ống). Các tổn thất khác nhau trong nhà máy thủy điện nhỏ ở nông thôn chiếm khoảng 40-50% tổng công suất lý thuyết, do đó sản lượng của nhà máy thủy điện thực tế chỉ có thể sử dụng 50-60% công suất lý thuyết, tức là hiệu suất khoảng 0,5-0,60 (trong đó hiệu suất tuabin là 0,70-0,85, hiệu suất máy phát điện là 0,85-0,90, và hiệu suất đường ống và thiết bị truyền tải là 0,80-0,85). Vì vậy, công suất thực (sản lượng) của nhà máy thủy điện có thể được tính như sau:
K – hệ số hiệu suất của nhà máy thủy điện, (0,5～0,6) được sử dụng trong tính toán sơ bộ của nhà máy thủy điện siêu nhỏ; giá trị này có thể được đơn giản hóa như sau:
N=(0,5～0,6)QHG Công suất thực tế = hiệu suất × lưu lượng × độ sụt áp × 9,8
Việc sử dụng thủy điện là sử dụng sức nước để vận hành một loại máy móc, được gọi là tuabin nước. Ví dụ, guồng nước cổ xưa ở nước ta là một loại tuabin nước rất đơn giản. Các loại tuabin thủy lực hiện đang được sử dụng được thiết kế phù hợp với các điều kiện thủy lực cụ thể khác nhau, để chúng có thể quay hiệu quả hơn và chuyển đổi năng lượng nước thành năng lượng cơ học. Một loại máy móc khác, máy phát điện, được nối với tuabin, sao cho rôto của máy phát điện quay cùng với tuabin để tạo ra điện. Máy phát điện có thể được chia thành hai phần: phần quay cùng với tuabin và phần cố định của máy phát điện. Phần được nối với tuabin và quay được gọi là rôto của máy phát điện, và có nhiều cực từ xung quanh rôto; vòng tròn xung quanh rôto là phần cố định của máy phát điện, được gọi là stato của máy phát điện, và stato được quấn nhiều cuộn dây đồng. Khi nhiều cực từ của rôto quay ở giữa các cuộn dây đồng của stato, dòng điện được tạo ra trên các dây đồng, và máy phát điện chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện.
Năng lượng điện do nhà máy điện tạo ra được chuyển hóa thành năng lượng cơ học (động cơ điện), năng lượng ánh sáng (đèn điện), năng lượng nhiệt (lò điện), v.v. bằng các thiết bị điện khác nhau.
cấu tạo của nhà máy thủy điện
Cấu tạo của một nhà máy thủy điện bao gồm: các công trình thủy lực, thiết bị cơ khí và thiết bị điện.
(1) Công trình thủy lợi
Nó bao gồm các đập tràn, cửa lấy nước, kênh dẫn (hoặc đường hầm), bể chứa áp lực (hoặc bể điều tiết), đường ống dẫn áp lực, nhà máy điện và kênh thoát nước, v.v.
Đập tràn được xây dựng trên sông để chặn dòng nước và nâng cao mực nước tạo thành hồ chứa. Bằng cách này, một độ dốc tập trung được hình thành giữa mực nước của hồ chứa trên đập tràn và mực nước sông phía dưới đập, sau đó nước được dẫn vào nhà máy thủy điện thông qua đường ống hoặc đường hầm. Ở những con sông có độ dốc tương đối lớn, việc sử dụng kênh dẫn nước cũng có thể tạo ra độ dốc. Ví dụ: Thông thường, độ dốc trên mỗi km của một con sông tự nhiên là 10 mét. Nếu một kênh được mở ở đầu thượng nguồn của đoạn sông này để dẫn nước sông vào, kênh sẽ được đào dọc theo sông, và độ dốc của kênh sẽ bằng phẳng hơn. Nếu độ dốc trong kênh chỉ giảm 1 mét trên mỗi km, thì nước chảy 5 km trong kênh mà mực nước chỉ giảm 5 mét, trong khi ở kênh tự nhiên, mực nước giảm 50 mét sau khi chảy 5 km. Vào thời điểm này, nước từ kênh được dẫn trở lại nhà máy điện bằng đường ống hoặc đường hầm dọc theo sông, và có một thác nước tập trung cao 45 mét có thể được sử dụng để phát điện. Hình 2

Việc sử dụng các kênh dẫn nước, đường hầm hoặc đường ống dẫn nước (như ống nhựa, ống thép, ống bê tông, v.v.) để tạo thành một nhà máy thủy điện có độ dốc tập trung được gọi là nhà máy thủy điện kênh dẫn nước, đây là một bố cục điển hình của các nhà máy thủy điện.
(2) Thiết bị cơ khí và điện
Ngoài các công trình thủy lợi đã đề cập ở trên (đập tràn, kênh đào, sân trước, đường ống áp lực, nhà xưởng), nhà máy thủy điện còn cần các thiết bị sau:
(1) Thiết bị cơ khí
Có các tuabin, bộ điều tốc, van cổng, thiết bị truyền tải và các thiết bị không phát điện.
(2) Thiết bị điện
Có máy phát điện, tủ điều khiển phân phối, máy biến áp và đường dây truyền tải.
Tuy nhiên, không phải tất cả các nhà máy thủy điện nhỏ đều có các công trình thủy lực và thiết bị cơ khí, điện như đã đề cập ở trên. Nếu cột nước nhỏ hơn 6 mét tại nhà máy thủy điện cột nước thấp, người ta thường sử dụng kênh dẫn nước và kênh dẫn nước hở, và không có bể chứa áp lực và đường ống dẫn nước áp lực. Đối với các nhà máy điện có phạm vi cung cấp điện nhỏ và khoảng cách truyền tải ngắn, người ta áp dụng truyền tải điện trực tiếp và không cần máy biến áp. Các nhà máy thủy điện có hồ chứa không cần xây đập. Việc sử dụng cửa lấy nước sâu, đường ống (hoặc đường hầm) bên trong đập và tràn xả lũ giúp loại bỏ nhu cầu về các công trình thủy lực như đập tràn, cửa lấy nước, kênh dẫn và bể chứa áp lực.
Để xây dựng một nhà máy thủy điện, trước hết cần phải tiến hành khảo sát và thiết kế cẩn thận. Trong công tác thiết kế, có ba giai đoạn: thiết kế sơ bộ, thiết kế kỹ thuật và chi tiết thi công. Để làm tốt công tác thiết kế, trước tiên cần phải tiến hành khảo sát kỹ lưỡng, tức là phải hiểu đầy đủ các điều kiện tự nhiên và kinh tế địa phương – ví dụ như địa hình, địa chất, thủy văn, vốn đầu tư, v.v. Tính đúng đắn và độ tin cậy của thiết kế chỉ có thể được đảm bảo sau khi nắm vững và phân tích các điều kiện này.
Các bộ phận của các nhà máy thủy điện nhỏ có nhiều hình dạng khác nhau tùy thuộc vào loại nhà máy thủy điện.
3. Khảo sát địa hình
Chất lượng công tác khảo sát địa hình có ảnh hưởng rất lớn đến bố trí công trình và ước tính khối lượng công trình.
Ngoài việc tìm hiểu và nghiên cứu tổng quan về địa chất lưu vực và dọc theo sông, công tác khảo sát địa chất (hiểu biết về điều kiện địa chất) cũng cần thiết để xác định xem nền móng của phòng máy có vững chắc hay không, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn của chính nhà máy thủy điện. Một khi đập có dung tích chứa nhất định bị phá hủy, nó không chỉ gây thiệt hại cho nhà máy thủy điện mà còn gây ra tổn thất lớn về người và tài sản ở hạ lưu.
4. Thử nghiệm thủy văn
Đối với các nhà máy thủy điện, dữ liệu thủy văn quan trọng nhất là các bản ghi về mực nước sông, lưu lượng, hàm lượng trầm tích, điều kiện đóng băng, dữ liệu khí tượng và dữ liệu khảo sát lũ lụt. Lưu lượng dòng chảy ảnh hưởng đến bố cục tràn xả lũ của nhà máy thủy điện. Đánh giá thấp mức độ nghiêm trọng của lũ lụt sẽ gây hư hại cho đập; lượng trầm tích do sông mang theo có thể nhanh chóng làm đầy hồ chứa trong trường hợp xấu nhất. Ví dụ, kênh dẫn nước vào sẽ bị bồi lắng, và trầm tích hạt thô sẽ lọt qua tuabin và gây mài mòn tuabin. Do đó, việc xây dựng các nhà máy thủy điện phải có đầy đủ dữ liệu thủy văn.
Do đó, trước khi quyết định xây dựng nhà máy thủy điện, chúng ta phải nghiên cứu kỹ hướng phát triển kinh tế của khu vực cung cấp điện và nhu cầu điện năng trong tương lai. Đồng thời, cần đánh giá tình hình các nguồn năng lượng khác trong khu vực phát triển. Chỉ sau khi nghiên cứu và phân tích tình hình trên, chúng ta mới có thể quyết định liệu có cần xây dựng nhà máy thủy điện hay không và quy mô nên như thế nào.
Nhìn chung, mục đích của công tác khảo sát thủy điện là cung cấp thông tin cơ bản chính xác và đáng tin cậy cần thiết cho việc thiết kế và xây dựng các nhà máy thủy điện.
5. Điều kiện chung để lựa chọn địa điểm
Các điều kiện chung để lựa chọn địa điểm có thể được giải thích từ bốn khía cạnh sau:
(1) Địa điểm được chọn phải có khả năng sử dụng năng lượng nước một cách tiết kiệm nhất và tuân thủ nguyên tắc tiết kiệm chi phí, tức là sau khi nhà máy điện hoàn thành, chi phí bỏ ra ít nhất và sản lượng điện được tạo ra nhiều nhất. Thông thường, có thể đo lường bằng cách ước tính doanh thu sản xuất điện hàng năm và vốn đầu tư xây dựng nhà máy để xem vốn đầu tư có thể được thu hồi trong bao lâu. Tuy nhiên, điều kiện thủy văn và địa hình khác nhau ở các địa điểm khác nhau, và nhu cầu điện cũng khác nhau, vì vậy chi phí xây dựng và đầu tư không nên bị giới hạn bởi các giá trị nhất định.
(2) Điều kiện địa hình, địa chất và thủy văn của địa điểm được chọn phải tương đối thuận lợi và phải có khả năng trong thiết kế và xây dựng. Trong việc xây dựng các nhà máy thủy điện nhỏ, việc sử dụng vật liệu xây dựng nên tuân theo nguyên tắc “vật liệu địa phương” càng nhiều càng tốt.
(3) Địa điểm được chọn phải càng gần khu vực cung cấp và xử lý điện càng tốt để giảm chi phí đầu tư thiết bị truyền tải điện và tổn thất điện năng.
(4) Khi lựa chọn địa điểm, cần tận dụng tối đa các công trình thủy lực hiện có. Ví dụ, có thể sử dụng thác nước để xây dựng nhà máy thủy điện trong kênh tưới tiêu, hoặc có thể xây dựng nhà máy thủy điện cạnh hồ chứa nước tưới để phát điện từ dòng chảy tưới tiêu, v.v. Vì các nhà máy thủy điện này có thể đáp ứng nguyên tắc phát điện khi có nước, nên ý nghĩa kinh tế của chúng càng rõ ràng hơn.