Bài giảng - Thủy điện 2- chương 14

Chương XIV. NƯỚC VA VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC KHÔNG ỔN ĐỊNH CỦA TRẠM THUỶ ĐIỆN XIV. 1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NƯỚC VA VÀ CÁC CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP CỦA TRẠM THUỶ ĐIỆN XIV. 1. 1. Hiện tượng nước va trong đường ống áp lực của Trạm thuỷ điện Khi đóng hoặc mở cửa van hoặc cơ cấu hướng dòng để điều chỉnh lưu lượng của turbine người ta nhận thấy áp lực nước trong ống tăng giảm đột ngột, đường ống rung động và phát ra tiếng động dữ dội. Hiện tượng này gọi là hiện tượng nước va...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng - Thủy điện 2- chương 14 Chương XIV. NƯỚC VA VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC KHÔNG ỔN ĐỊNH CỦA TRẠM THUỶ ĐIỆN XIV. 1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NƯỚC VA VÀ CÁC CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP CỦA TRẠM THUỶ ĐIỆN XIV. 1. 1. Hiện tượng nước va trong đường ống áp lực của Trạm thuỷ điện Khi đóng hoặc mở cửa van hoặc cơ cấu hướng dòng để điều chỉnh lưu lượng của turbine người ta nhận thấy áp lực nước trong ống tăng giảm đột ngột, đường ống rung động và phát ra tiếng động dữ dội. Hiện tượng này gọi là hiện tượng nước va thuỷ lực. Nguyên nhân vật lý của sự tăng hay giảm áp lực do nước va trong đường ống là do quán tính của khối nước đang chảy trong đường ống. Trong môn học Thuỷ lực, hiện tượng này đã được trình bày. Chương này chỉ đi sâu tính toán nước va trong đường ống turbine nhằm mục đích tính toán độ bền và ổn định đường ống cũng như các bộ phận qua nước của turbine, tính toán điều chỉnh turbine ở các chế độ chuyển tiếp trong vận hành tổ máy thuỷ lực. Áp lực thuỷ động trong ống được xác định bởi vị trí đường đo áp. Ở chế độ làm việc ổn định, lưu lượng dòng chảy phụ thuộc vào vị trí mực nước thượng lưu, vào vận tốc dòng chảy V và tổn thất cột nước htt trên đoạn từ cửa vào ống áp lực đến mặt cắt cần tính toán. Vị trí giới hạn của đường đo áp ở chế độ ổn định được chỉ ra ở hình (14-1,a): vị trí cao nhất ứng với MNDBT khi lưu lượng phát điện bằng 0, còn vị trí thấp nhất ứng với mực nước MNC và lưu lượng qua turbine là cực đại. Hình 14-1. Nước va thuỷ lực trong đường ống áp lực. Trị số áp lực bên trong pC tại mặt cắt bất kỳ (C-C) của ống được biểu thị qua p chiều cao áp lực mét cột nước và được xác định bởi khoảng cách từ trục ống đến γ đường đo áp, phụ thuộc vào vị trí đường đo áp và cao trình mặt cắt. Cột nước tại C-C là: H C = pC + Z C (14-1) 194 không phụ thuộc vào hình dạng mặt cắt ống. Khi biết H C và hình dạng của ống , theo (14-1) dễ dàng tìm ra áp lực thuỷ động bên trong pC . Ở chế độ không ổn định, khi thay đổi lưu lượng qua ống, vị trí tức thời của đường đo áp có thể thay đổi đáng kể so với vị trí dòng ổn định. Trong điều kiện này lực quán tính tạo nên tăng hoặc giảm áp lực - đó là áp lực nước va ∆ H . Hình (14-1,δ) biểu thị vị trí giới hạn của đường đo áp ở các chế độ dòng không ổn định: đường trên là trường hợp đóng turbine khi giảm lưu lượng; còn đường dưới là trường hợp mở turbine tăng lưu lượng. Khi đóng turbine, gây ra nước va tăng áp trong đường ống, cần tính toán độ bền đường ống; còn khi mở turbine trong ống sẽ sinh nước va giảm áp, trong một số điều kiện có thể kéo theo chân không sâu trên một số đoạn riêng biệt. Ngoài ra nước va thuỷ lực làm thay đổi cột nước tác dụng lên turbine khiến công suất phát ra giao động trong quá trình quá độ điều chỉnh tổ máy thuỷ lực. Điều này cho thấy việc xác định trị số áp lực nước va là giai đoạn rất quan trọng đối với việc thiết kế mọi đường ống áp lực. Để làm rõ những yếu tố chính của áp lực nước va người ta nghiên cứu dạng đơn giản với quy ước là nước và thành ống không bị biến dạng (tuyệt đối cứng). Xét một đường ống có chiều dài L, đường kính D, mặt cắt đầu là A-A nằm trước turbine hoặc trước cửa van; mặt cắt cuối B-B ở cửa lấy nước (hình 14-1,δ). Rõ ràng là ở mặt cắt cuối B-B là H B sẽ được xác định chỉ ở cao trình mực nước thượng lưu, do vậy ∆ H B = 0 . Để xác định ∆ H A cần sử dụng phương trình động lượng viết cho một khối chất lỏng nằm giữa hai mặt cắt A-A và B-B: d ( mV ) x = ∑X (14-2) dt γ và khối lượng chất lỏng m bằng: m = F L ; g ở đây: F là diện tích mặt cắt Trục x được chọn trùng với trục đường ống; chiều trục x lấy từ mặt cắt A-A hường về mặt cắt B-B (hình 14-1,δ). Tổng hình chiếu các ngoại lực tác dụng lên khối chất lỏng lên trục x là ∑ X bao gồm hình chiếu của áp lực thuỷ động trong mặt cắt A-A và B-B và lực ma sát với thành ống (áp lực nước trong ống thẳng góc với thành ống nên chiếu lên trục x bằng 0). Nếu bỏ qua lực ma sát vì trong ống năng lượng nó có giá trị nhỏ, thì: ∑ X = γ ( H B − H A ) F = − γ ∆ H A F , thay vào (14-2) và rút ngắn sẽ được: L dV L dQ ∆ HA = − =− (14-3) g dt gF dt Công thức (14-3) rất quan trọng. Nó chỉ ra rằng trị số áp lực nước va sẽ tăng khi tăng chiều dài đường ống và phụ thuộc vào gia tốc dòng nước: dV > 0, ∆ H < 0 nước va âm; - Khi mở turbine: dt dV < 0, ∆ H > 0 nước va dương - Khi đóng turbine: dt Tuân theo công thức (14-3) thì dạng biểu đồ ∆ H A ( t ) theo thời gian phụ thuộc vào sự thay đổi của lưu lượng Q(t). Trên hình (14-1,b) chỉ ra hai trường hợp: 195 1) khi dQ/dt = const thì: LQ ∆ HA = , ( T S là thời gian đóng turbine) (14-4) gF T s 2) khi dQ/dt thay đổi thì áp lực nước va cực đậi sẽ lớn hơn trường hợp 1), ước L ∆Q tính sơ bộ có thể nhận: ∆ H A = ( 1,2 ÷ 1,4 ) (14-5) max gF T s Trong đó ∆Q là độ thay đổi lưu lượng trong thời gian TS. Công thức trên cũng cho thấy rằng có thể giảm trị số áp lực nước va trong ống khi tăng thời gian TS. Để tính toán độ bền đường ống cần phải biết biểu đồ phân bố áp lực nước va dọc theo chiều dài đường ống. Theo ...