KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Số 12/5-2012 Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng 62 XY DNG THUT TON V CHNG TRèNH TNH TON DAO NG MC NC TRONG GING IU P CA TRM THY IN Nguyn Thng Bng 1 , Phm c Cng 2 Túm tt: Tớnh toỏn dao ng mc nc trong ging iu ỏp ca trm thy in khi thay i ph ti l bi toỏn c bn trong ging dy v thit k cỏc cụng trỡnh thy in ct nc cao. nc ta hin nay, c bn bi toỏn ó c nghiờn cu v gii quyt v mt lý thuyt nhng vi mc t ng húa cha cao. Do ú, nghiờn c u xõy dng thut toỏn v chng trỡnh tớnh toỏn dao ng mc nc trong ging iu ỏp ca trm thy in l cn thit ng thi cng l ni dung ca bi bỏo ny. T khúa: Dao ng mc nc trong ging iu ỏp Summary: Calculation of the water level fluctuation in the surge tank of the hydro- power projects is the basic matter in training and design for high head hydro-power plant. At this time, in our country this problem has been basically researched in theory. But the automatical programme for calculation is still not completely developed. Therefore, the research on the algorthm and programme development for calculation of water level fluctuation in surge tank of hydro power project is necessary and also is the content of this article. Keywords: Water level fluctuation in surge tank Nhn ngy 12/8/2011, chnh sa ngy 24/02/2012, chp nhn ng ngy 28/02/2012 1. t vn Trong cụng tỏc tớnh toỏn v thit k cỏc trm thy in luụn phi gii quyt bi toỏn tớnh toỏn ch thy lc trong trng thỏi n nh v trng thỏi khụng n nh cỏc cụng trỡnh dn nc nh kờnh h, ng hm, ging iu ỏp, ng ng ỏp lc v kờnh x. õy l bi toỏn rt phc tp. V mt c s lý lun ó tng i rừ rng, ú l h phng trỡnh vi phõn c bn ca dũng chy (phng trỡnh ng lng v phng trỡnh liờn tc), nhng vic gii h phng trỡnh ny mt cỏch sỏng to v t mc chớnh xỏc yờu cu thỡ cũn phi tip tc nghiờn cu. Riờng i vi ch khụng n nh trong h thng ng dn nc, ging iu ỏp (GA), ng ng ỏp lc, nhu cu t ng húa tớnh toỏn l rt cn thit nhm phc v cụng tỏc o to, thit k, thm tra, kim nh cỏc cụng trỡnh thy in. Bi bỏo ny trỡnh by kt qu quỏ trỡnh nghiờn cu xõy dng thut toỏn tớnh toỏn dao ng mc nc trong GA ca trm thy in. 2. Dao ng mc nc trong GA - H phng trỡnh c bn Xột bi toỏn dao ng mc nc trong ging iu ỏp nh trong hỡnh 1 vi hai trng h p: Trng hp gim ph ti hon ton v trng hp tng ph ti hon ton. 1 PGS.TS, Vin Khoa hc v Cụng ngh Cụng trỡnh Thy, Trng i hc Xõy dng. E-mail: dhxd@vienctt.com 2 KS, Vin Khoa hc v Cụng ngh Cụng trỡnh Thy, Trng i hc Xõy dng. KÕT QU¶ NGHI£N CøU Vµ øNG DôNG T¹p chÝ khoa häc c«ng nghÖ x©y dùng Sè 12/5-2012 63 2.1 Trường hợp giảm tải Khi giảm tải đột ngột, lưu lượng qua tua bin giảm từ Q 0 xuống Q t . Do quán tính của dòng chảy, lưu lượng vào đường hầm dẫn nước vẫn là Q 0 , như vậy sẽ có một trị số lưu lượng ΔQ = Q 0 - Q t dồn vào GĐA, làm cho mực nước trong GĐA dâng lên dần, từ đó chênh lệch mực nước giữa thượng lưu (tại hồ chứa) và trong GĐA giảm dần. Nhưng do quán tính của dòng chảy, mực nước trong GĐA không dừng ở mực nước tương ứng với lưu lượng Q t trong đường hầm mà vẫn tiếp tục dâng lên thậm chí cao hơn cả mực nước cân bằng với mực nước thượng lưu. Sau đó, để cân bằng về mặt thuỷ lực nước phải chảy ngược trở lại về thượng lưu, mực nước trong GĐA hạ xuống. Nhưng cũng do quán tính nó lại hạ xuống quá mức cân bằng và dòng chảy lại phải chảy vào gi ếng. Cứ như vậy, mực nước trong GĐA dao động theo chu kỳ và tắt dần do ma sát. Cuối cùng mực nước trong GĐA dừng ở mực nước ổn định mới ứng với lưu lượng Q t . Đồ thị dao động mực nước trong GĐA là đường Z+ = f(t). Trường hợp này trong thiết kế thường tính với mực nước thượng lưu cao nhất và cắt tải lớn nhất (thường là cắt toàn bộ công suất của nhà máy) để xác định mực nước cao nhất của giếng điều áp (Z max ). MNHL MNDBT MNC GÐA Ho chua Z Z t t Ðuong dan co ap Ðuong ong TB Ld Fg Fd Z+ = f(t) Z- = f(t) Hình 1. Đồ thị dao động mực nước trong GĐA 2.2 Trường hợp tăng tải Khi lưu lượng qua tua bin tăng đột ngột mực nước trong GĐA hạ xuống đến trị số Z min và cũng dao động theo chu kỳ và tắt dần ngược lại với trường hợp trên. Đồ thị dao động mực nước trong GĐA là đường Z- = f(t). Trong thiết kế thường tính với mực nước thấp nhất ở thượng lưu và mức tăng tải lớn nhất có thể xảy ra trong vận hành để xác định mực nước thấp nhất của GĐA (Z min ). 2.3 Hệ phương trình vi phân cơ bản a) Phương trình liên tục Trong thời gian dt, lưu lượng nước TTĐ sử dụng Q phải bằng lưu lượng nước chảy từ đường dẫn có áp và giếng điều áp vào đường ống tua bin. Nếu như mực nước trong giếng điều áp hạ thấp với vận tốc dZ/dt thì lưu lượng chảy từ giếng điều áp sẽ là: dt dZ FQ gGDA .= (1) do đó: KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Số 12/5-2012 Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng 64 dt dZ FFvQ gd += (2) trong ú Q l lu lng tc thi chy vo tua bin; v l vn tc tc thi trong ng hm dn nc trc ging iu ỏp; F g l tit din ging iu ỏp; F d l tit din ng hm dn nc trc ging iu ỏp; Z l chờnh mc nc ging iu ỏp k t mc nc thu tnh. b) Phng trỡnh ng lng Trong trng thỏi chuyn ng khụng n nh, Q tb thay i lm cho vn tc trong ng dn v mc nc trong ging iu ỏp thay i. Theo nh lut II ca Niutn ta cú: dt dv mP .= (3) trong ú dhw fhZP .).( = (4) v g fLm dhdh = (5) Thay (4) v (5) vo (3) ta cú: dv g fLdtfhZ dhdhdhw ).( = dt dv g L hZ w .+= (6) trong ú h w l tng tn tht ct nc h w = h d + h c + h g + h v h g l tn tht ct nc khi nc chy vo v ra khi GA 2 2 . g gF QQ h gg gg = . h d l tn tht ma sỏt dc ng dn 2 2 . d gF QQ d L h dd d = h c l tn tht cc b ti ng dn 2 2 . d gF QQ h dd cc = h v l tn tht ct nc lu tc trờn ng dn 2 2 . d gF QQ h dd v = Hai phng trỡnh (2) v (6) l h phng trỡnh c bn giỳp ta gii quyt mt cỏch tng quỏt bi toỏn tớnh toỏn dao ng mc nc trong ging iu ỏp. 3. Xõy dng thut toỏn tớnh dao ng mc nc trong GA 3.1 Trng hp ct ti - Gi s ct ti ton b: ta cú 0= TD c Q KÕT QU¶ NGHI£N CøU Vµ øNG DôNG T¹p chÝ khoa häc c«ng nghÖ x©y dùng Sè 12/5-2012 65 - Tính chu kỳ dao động: d gd Fg FL T π 2= (s) - Chọn bước thời gian: 5025 TT t ÷=Δ cho đến 1000 T t =Δ (s) - Hệ phương trình sai phân tổng quát: )( tt d d d hZ L Fg tQ −Δ=Δ (7) )( 1 d TD c g QQ F tZ −Δ=Δ (8) Thay giả thiết 0= TD c Q vào (8) ta được hệ phương trình sai phân trong trường hợp trạm thủy điện đóng tức thời hoàn toàn: )( tt d d d hZ L Fg tQ −Δ=Δ (9) )( 1 d g Q F tZ Δ−=Δ (10) Khai triển ra ta có: )( 1,1,1, +++ −Δ+= tttt d d tdtd hZ L Fg tQQ (11) g td tt F Q tZZ 1, 1 + + Δ−= (12) 3.2 Trường hợp tăng tải - Giả sử tăng tải toàn bộ: ta có TDTD c QQ max = - Tính chu kỳ dao động: d gd Fg FL T π 2= (s) - Chọn bước thời gian: 5025 TT t ÷=Δ (s) - Hệ phương trình sai phân tổng quát: )( w d d d hZ L Fg tQ −Δ=Δ )( 1 d TD c g QQ F tZ −Δ=Δ KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Số 12/5-2012 Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng 66 Thay gi thit TDTD c QQ max = vo (8) ta c h phng trỡnh sai phõn trong trng hp trm thy in m hon ton tc thi: )( w d d d hZ L Fg tQ = (13) )( 1 max d TD g QQ F tZ = (14) Khai trin ra ta cú: )( 1,1,1, +++ += twt d d tdtd hZ L Fg tQQ (15) )( 1 1,max1 ++ += td TD g tt QQ F tZZ (16) Thut toỏn tớnh toỏn dao ng mc nc trong ging iu ỏp trong trng hp ct ti v tng ti c minh ha trong s khi hỡnh 2. B ắ t đ ầ u N h ậ p s ố l i ệ u t < T I n k ế t q u ả K ế t t h ú c s a i đ ú n g t = 0 T í n h T , Z t , Q t , h t t , t t = t + 1 G i ả t h i ế t Z t T í n h Q t , h t t , t , > đ ú n g G á n Z = Z G T t T I N H t G T L u k ế t q u ả s a i Hỡnh 2. S thut toỏn tớnh toỏn dao ng mc nc trong GA KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 12/5-2012 67 4. Vit chng trỡnh v kim nh 4.1 Vit chng trỡnh tớnh dao ng mc nc trong GA Trờn c s thut toỏn ó nờu, Chng trỡnh tớnh toỏn thy lc dũng cú ỏp bin i gp dc tuyn nng lng cụng trỡnh thy in - Unsteady Tunnel 2011 ó c cỏc tỏc gi xõy dng v vit trờn nn tng ngụn ng Visual Basic.NET. 4.2 Kim nh chng trỡnh Chng trỡnh Unsteady Tunnel 2011 c s dng tớnh dao ng mc nc trong G A ca TT A Li v õy c coi l mt bc kim nh. Kt qu tớnh toỏn nc va v dao ng mc nc trong GA ca TT A Li cho trong bng 1. Kt qu tớnh toỏn ca ti tng t vi kt qu tớnh toỏn ca t vn thit k cụng trỡnh thy in A Li trc õy. Bng 1. Kt qu tớnh toỏn nc va v dao ng mc nc trong GA c a TT A Li Kt qu T vn thit k Kt qu chy chng trỡnh Nc va ti cui ng (m) Mc nc trong GA (m) Nc va ti cui ng (m) Mc nc trong GA (m) T hp Z vmax Z vmin Z th max Z th min Z vmax Z vmin Z th max Z th min 1 657,65 628,67 491,34 659,65 630,21 488,38 2 491,46 556,82 502,15 494,13 560,15 504,93 th dao ng mc nc trong ging iu ỏp ca Trm Thy in A Li khi gim ph ti (hỡnh 3) v tng ph ti (hỡnh 4) cho thy quỏ trỡnh dao ng l tt dn trng thỏi mc nc n nh. iu ny hon ton phự hp vi lý thuyt v kt qu nghiờn cu v ging iu ỏp ca Trm Thy in A Li trc õy. Hỡnh 3. th dao ng mc nc trong GA thy in A Li (Trng hp gim ti) KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Số 12/5-2012 Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng 68 Hỡnh 4. th dao ng mc nc trong GA thy in A Li (Trng hp tng ti) 5. Kt lun Thut toỏn tớnh toỏn dao ng mc nc trong ging iu ỏp ca trm thy in l mt phn kt qu nghiờn cu bi toỏn tng hp v xõy dng thut toỏn v phn mm tớnh toỏn thy lc trng thỏi khụng n nh dc tuyn n ng lng cỏc cụng trỡnh thy in Vit Nam. Trc mt, chng trỡnh tớnh toỏn dao ng mc nc trong ging iu ỏp ca trm thy in cú th s dng trong ging dy v o to k s, thc s chuyờn ngnh xõy dng cụng trỡnh thy. Ngoi ra, chng trỡnh hon ton cú th c s dng trong cụng tỏc thit k v thm nh cỏc cụng trỡnh thy in ct nc cao. Tuy v y, cỏc tỏc gi cng thy rng, cỏc chng trỡnh tớnh toỏn ca mỡnh cn c tip tc nghiờn cu v ci tin v mt thut toỏn nõng cao chớnh xỏc ca li gii nhm ỏp ng tt hn na yờu cu ca thc t. Ti liu tham kho 1. Hong ỡnh Dng, Phm Hng Nht, V Hu Hi, Nguyn Thng Bng (1991), Trm thy i n - Cỏc cụng trỡnh trờn tuyn nng lng, Nh xut bn Giao thụng Vn ti H Ni. 2. H S D, Nguyn Duy Hnh, Hunh Tn Lng, Phan K Nam (2003), Cụng trỡnh trm thy in. Nh xut bn Xõy dng, H Ni. 3. P.G. Kixelep (1984), S tay tớnh toỏn thy lc (Lu Cụng o, Nguyn Ti dch t ting Nga), Nh xut bn Nụng nghip, H Ni. 4. Emil Mosonyi (1987), Low-Head power plants. Akadesmiai Kiadú Budapest. . Phương trình liên tục Trong thời gian dt, lưu lượng nước TTĐ sử dụng Q phải bằng lưu lượng nước chảy từ đường dẫn có áp và giếng điều áp vào đường ống tua bin. Nếu như mực nước trong giếng điều. đột ngột mực nước trong GĐA hạ xuống đến trị số Z min và cũng dao động theo chu kỳ và tắt dần ngược lại với trường hợp trên. Đồ thị dao động mực nước trong GĐA là đường Z- = f(t). Trong thiết. xuống quá mức cân bằng và dòng chảy lại phải chảy vào gi ếng. Cứ như vậy, mực nước trong GĐA dao động theo chu kỳ và tắt dần do ma sát. Cuối cùng mực nước trong GĐA dừng ở mực nước ổn định mới ứng