Tài liệu Nghiên cứu tính toán vận hành tối ưu cho hệ thống thủy điện bậc thang trên lưu vực sông đồng nai

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HỮU CÓ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG THỦY ĐIỆN BẬC THANG TRÊN LƯU VỰC SÔNG ĐỒNG NAI Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số : 60.52.02.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN TẤN VINH Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Người cam đoan Nguyễn Hữu Có TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT, TIẾNG ANH NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG THỦY ĐIỆN BẬC THANG TRÊN LƯU VỰC SÔNG ĐỒNG NAI Học viên: Nguyễn Hữu Có Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60520202 Khóa:33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN - Tóm tắt - Các công trình nhà máy thủy điện Đồng Nai 2, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4 và Đồng Nai 5 là một nhóm các nhà máy trên lưu vực sông Đồng Nai. Việc khai thác tối ưu nguồn nước trên bậc thang thủy điện sẽ dẫn đến khai thác tối ưu sản lượng cho hệ thống. Đề tài nghiên cứu lập mô hình vận hành tối ưu bậc thang thủy điện trên cùng một dòng sông. Thành lập bài toán vận hành tối ưu cụ thể với thời gian khảo sát là ngày, tuần, năm cho các Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3 và Đồng Nai 4, dựa trên mục tiêu cực đại doanh thu trong Thị trường điện với các ràng buộc bảo đảm đặc tính kỹ thuật nhà máy, đặc tính vận hành hồ chứa, lưu lượng tối thiểu và mức nước tối thiểu/tối đa theo Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai. Giới thiệu phương pháp quy hoạch tuyến tính để giải bài toán vận hành tối ưu. Sử dụng phần mềm MATLAB xây dựng chương trình tính toán cho bài toán phân bố tối ưu công suất cho cụm nhà máy bậc thang thủy điện trên sông Đồng Nai trong thị trường điện phát điện cạnh tranh, cụ thể là Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3 và Đồng Nai 4. Kết quả chương trình tính toán thỏa mãn các điều kiện ràng buộc của bài toán vận hành tối ưu các nhà máy Đồng Nai 3 và Đồng Nai 4, có tính ứng dụng thực tiễn trong việc lập kế hoạch ngắn hạn và dài hạn phục vụ cho công tác chào giá hàng ngày trên thị trường điện. Từ khóa – Nhà máy thủy điện; thị trường phát điện cạnh tranh; quy hoạch tuyến tính; ràng buộc; tối ưu. OPERATIONAL CALCULATION OF OPTIMAL OPERATIONS FOR THE COASTAL HYDROLOGY SYSTEM IN THE DONG NAI RIVER Abstract - The Dong Nai 2, Dong Nai 3, Dong Nai 4 and Dong Nai 5 hydropower plants are a group of factories in the Dong Nai river. The optimal exploitation of water resources on the hydropower step will lead to optimum exploitation of the system. Research project to model optimal operation of hydropower ladder on the same river. Established the optimal operation problem with the time of day, week, and year for Dong Nai 3 and Dong Nai 4 hydropower plants, based on the maximum revenue target in the electricity market with clear Assuring the plant's technical characteristics, reservoir operation characteristics, minimum flow and minimum / maximum water levels according to inter-reservoir operation procedures in the Dong Nai river basin. Introduce linear planning method to solve the optimal operation problem. Using MATLAB software to calculate the optimal distribution problem for the hydroelectric ladder of Dong Nai River in the competitive generation market, namely Dong Nai 3 and Dong Nai hydropower plants. 4. The results of the calculation program satisfy the constraints of the optimum operation problem of Dong Nai 3 and Dong Nai 4 plants, which have practical application in short-term and long-term planning. Daily Deals on the competitive generation market. Key words - hydropower plants ; competitive generation market ; condition; linear programming; Optimal. MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT, TIẾNG ANH MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 1 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 1 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................ 2 6. Đặt tên đề tài ....................................................................................................... 2 7. Cấu trúc luận văn ................................................................................................ 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG BẬC THANG THỦY ĐIỆN TRÊN SÔNG ĐỒNG NAI VÀ THỊ TRƯỜNG PHÁT ĐIỆN ............................................... 3 CẠNH TRANH HIỆN NAY ......................................................................................... 3 1.1. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ THỦY VĂN LƯU VỰC SÔNG ĐỒNG NAI ...................... 3 1.1.1. Khái quát về các đặc điểm địa lý thủy văn ................................................... 3 1.1.2. Khí tượng ...................................................................................................... 3 1.1.3. Thủy văn ....................................................................................................... 4 1.1.4. Nhiệt độ không khí ....................................................................................... 4 1.1.5. Độ ẩm ............................................................................................................ 4 1.1.6. Mưa ............................................................................................................... 4 1.1.7. Dòng chảy ..................................................................................................... 5 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3 VÀ ĐỒNG NAI 46 1.2.1. Tổng quan ..................................................................................................... 6 1.2.1.1. Nhiệm vụ công trình ................................................................................6 1.2.1.2. Đặc điểm công trình ................................................................................6 1.2.1.3. Thông số kỹ thuật Nhà máy Thủy điện Đồng Nai Đồng Nai 3&4 .........7 1.2.2. Đặc tính vận hành hồ chứa ......................................................................... 10 1.2.3. Đặc tính vận hành Turbine ......................................................................... 11 1.2.3.1. Đặc tính vận hành turbine Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3 .................11 1.2.3.2. Đặc tính vận hành turbine và máy phát NMTĐ Đồng Nai 4 ................11 1.3. THỊ TRƯỜNG PHÁT ĐIỆN CẠNH TRANH VIỆT NAM HIỆN NAY .............. 12 1.3.1. Cơ cấu thị trường điện ................................................................................ 12 1.3.2. Tăng trưởng công suất, số lượng NMĐ tham gia TTĐ .............................. 13 1.3.3. Thống kê, đánh giá ảnh hưởng của các thông số TTĐ ............................... 15 1.3.3.1. Giá trần TTĐ .........................................................................................15 1.3.3.2. Giá điện năng thị trường SMP...............................................................15 1.3.3.3. Giá công suất CAN................................................................................16 1.3.3.4. Tỷ lệ cam kết qua hợp đồng (vesting): ..................................................17 1.4. KẾT LUẬN ............................................................................................................ 17 CHƯƠNG 2. LẬP MÔ HÌNH VẬN HÀNH TỐI ƯU BẬC THANG THỦY ĐIỆN19 2.1. MÔ HÌNH THỦY ĐIỆN BẬC THANG ................................................................ 19 2.2. MỤC TIÊU XÂY DỰNG BÀI TOÁN .................................................................. 19 2.3. MÔ HÌNH BÀI TOÁN ........................................................................................... 19 2.3.1. Ký hiệu sử dụng trong mô hình bài toán .................................................... 19 2.3.2. Hàm mục tiêu .............................................................................................. 20 2.3.3. Thời gian khảo sát ....................................................................................... 20 2.3.4. Các giả thiết khi xây dựng bài toán ............................................................ 20 2.3.5. Các ràng buộc ............................................................................................. 21 2.3.5.1. Đặc tính phát của nhà máy ....................................................................21 2.3.5.2. Phương trình cân bằng nước của hồ chứa .............................................23 2.3.5.3. Giới hạn dung tích hồ chứa ...................................................................24 2.3.5.4. Giới hạn lượng nước qua nhà máy ........................................................24 2.3.5.5. Lưu lượng tối thiểu cấp nước hạ du theo Quy trình liên hồ ..................25 2.3.5.6. Giới hạn công suất phát của nhà máy....................................................25 2.3.5.7. Giới hạn mức nước tối thiểu/tối đa từng tháng theo Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai...........................................................25 2.4. LỰA CHỌN THUẬT TOÁN TỐI ƯU HÓA ........................................................ 25 CHƯƠNG 3. GIẢI BÀI TOÁN PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3, 4 ..........................................................................27 3.1. THÀNH LẬP BÀI TOÁN KẾ HOẠCH NĂM...................................................... 27 3.2. THÀNH LẬP BÀI TOÁN KẾ HOẠCH TUẦN .................................................... 28 3.3. THÀNH LẬP BÀI TOÁN KẾ HOẠCH NGÀY ................................................... 28 3.4. PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH .................................................. 29 3.4.1. Phương pháp đơn hình ................................................................................ 30 3.4.2. Phương pháp điểm trong ............................................................................. 35 3.4.2.1. Xác định hướng giảm ............................................................................35 3.4.2.2. Thành phần hướng tâm ..........................................................................36 3.4.2.3. Phương pháp căn chỉnh affine ...............................................................36 CHƯƠNG 4. CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN........................................................38 4.1. LẬP KẾ HOẠCH VẬN HÀNH NĂM .................................................................. 38 4.1.1. Dữ liệu đầu vào ........................................................................................... 38 4.1.2. Đặc tính thể tích hồ chứa ............................................................................ 38 4.1.2.1. Thông số ban đầu của hồ chứa .............................................................41 4.1.2.2. Lưu lượng nước tự nhiên về các hồ chứa .............................................41 4.1.2.3. Thông số lưu lượng nhỏ nhất/lớn nhất qua nhà máy .............................42 4.1.2.4. Thông số về đặc tính phát của các nhà máy ..........................................42 4.1.2.5. Lưu lượng tối thiểu cấp nước hạ du .....................................................43 4.1.2.6. Giới hạn mức nước tối thiểu và mức nước tối đa tháng. .......................43 4.1.2.7. Giá điện thanh toán dự báo của thị trường ............................................43 4.1.3. Dữ liệu đầu ra ............................................................................................. 44 4.2. LẬP KẾ HOẠCH VẬN HÀNH TUẦN ................................................................. 44 4.2.1. Dữ liệu đầu vào ........................................................................................... 44 4.2.1.1. Đặc tính thể tích hồ chứa .......................................................................44 4.2.1.2. Thông số ban đầu của hồ chứa ..............................................................44 4.2.1.3. Lưu lượng nước tự nhiên về các hồ chứa ..............................................44 4.2.1.4. Thông số lưu lượng nhỏ nhất/ lớn nhất qua nhà máy............................45 4.2.1.5. Thông số về đặc tính phát của các nhà máy ..........................................45 4.2.1.6. Lưu lượng tối thiểu cấp nước hạ du ......................................................46 4.2.1.7. Giá điện thanh toán dự báo của thị trường ............................................46 4.2.2. Dữ liệu đầu ra ............................................................................................. 47 4.3. LẬP KẾ HOẠCH VẬN HÀNH NGÀY ................................................................ 47 4.3.1. Dữ liệu đầu vào ........................................................................................... 47 4.3.1.1. Đặc tính thể tích hồ chứa .......................................................................47 4.3.1.2. Thông số ban đầu của hồ chứa ..............................................................47 4.3.1.3. Lưu lượng nước tự nhiên về các hồ chứa ..............................................48 4.3.1.4. Thông số lưu lượng nhỏ nhất/ lớn nhất qua nhà máy............................49 4.3.1.5 Thông số về đặc tính phát của các nhà máy ...........................................49 4.3.1.6. Lưu lượng tối thiểu cấp nước hạ du ......................................................49 4.3.1.7. Giá điện thanh toán dự báo của thị trường ............................................50 4.3.2. Dữ liệu đầu ra ............................................................................................. 51 4.4. CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ........................................................................... 51 4.5. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ........................................................................................ 53 4.5.1. Kế hoạch năm ............................................................................................. 53 4.5.2. Diễn biến dung tích hồ theo thời gian......................................................... 55 4.5.3. Kế hoạch tuần ............................................................................................. 56 4.5.3.1. Kết quả phân bố tối ưu công suất từng ngày cho các nhà máy được trình bày ở Bảng 4-29 và Hình 4-5. ............................................................................56 4.5.3.2. Diễn biến mức nước các hồ chứa theo từng ngày .................................57 4.5.3.4. Doanh thu từng ngày của các nhà máy..................................................58 4.5.4. Kế hoạch ngày ............................................................................................ 58 4.5.4.1. Kết quả phân bố tối ưu công suất từng giờ cho các nhà máy được trình bày ở Bảng 4-33 và Hình 4-8. ............................................................................58 4.5.4.2. Diễn biến mức nước các hồ chứa theo từng giờ ....................................60 4.5.4.4. Doanh thu từng giờ của các nhà máy ....................................................62 4.6. KẾT LUẬN ............................................................................................................ 63 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 64 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 65 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO). BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A0 : Trung tâm Điều độ hệ thống điện Quốc gia BCT : Bộ Công Thương ĐN3 : Nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 ĐN4 : Nhà máy thủy điện Đồng Nai 4 TTĐ : Thị trường điện DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9. 4.10. 4.11. 4.12. 4.13. 4.14. 4.15. 4.16. 4.17. 4.18. 4.19. 4.20. 4.21. 4.22. 4.23. 4.24. 4.25. 4.26. 4.27. 4.28. Tên bảng Đặc trưng địa lý thủy văn Đặc trung thủy văn các trạm lưu vực sông Đồng Nai Thông số các công trình trên sông Đồng Nai Thông số kỹ thuật Nhà máy Thủy điện Đồng Nai Đồng Nai 3&4 Giá trần TTĐ các năm Giá trần TTĐ các năm Tỷ lệ cam kết qua hợp đồng Quan hệ mức nước và dung tích hồ Đồng Nai 3 nội suy Quan hệ mức nước và dung tích hồ Đồng Nai 4 nội suy Thông số ban đầu của hồ chứa Lưu lượng về tháng của các nhà máy (m3/s) Thông số lưu lượng tối thiểu/tối đa qua nhà máy Thông số đặc tính phát nhà máy Đồng Nai 3 Thông số đặc tính phát nhà máy Đồng Nai 4 Bảng lưu lượng tối thiểu cấp nước hạ du Mức nước tối thiểu từng tháng của các nhà máy (m) Mức nước tối đa từng tháng của các nhà máy (m) Giá điện thanh toán năm dự báo Thông số ban đầu của hồ chứa Lưu lượng về ngày của các nhà máy (m3/s) Thông số lưu lượng tối thiểu/tối đa qua nhà máy Thông số đặc tính phát nhà máy Đồng Nai 3 Thông số đặc tính phát nhà máy Đồng Nai 4 Lưu lượng tối thiểu ngày cấp cho hạ du Giá điện thanh toán ngày dự báo Thông số ban đầu của hồ chứa Lưu lượng về ngày của các nhà máy (m3/s) Thông số lưu lượng tối thiểu/tối đa qua nhà máy Thông số đặc tính phát nhà máy Đồng Nai 3 Thông số đặc tính phát nhà máy Đồng Nai 4 Giá điện thanh toán ngày dự báo Phân bố tối ưu công suất tháng cho các nhà máy (MW) Diễn biến mức nước từng tháng các hồ chứa (m) Diễn biến dung tích các hồ chứa (106 m3) Doanh thu của từng tháng các nhà máy (triệu đồng) Trang 3 5 5 7 15 16 17 39 40 41 41 42 42 42 43 43 43 43 44 45 45 46 46 46 47 48 48 49 49 49 50 53 54 55 56 Số hiệu 4.29. 4.30. 4.31. 4.32. 4.33. 4.34. 4.35. 4.36. Tên bảng Phân bố tối ưu công suất tuần cho các nhà máy (MW) Diễn biến mức nước từng ngày các hồ chứa (m) Diễn biến dung tích các hồ chứa (106 m3) Doanh thu của từng ngày các nhà máy (triệu đồng) Phân bố tối ưu công suất giờ cho các nhà máy (MW) Diễn biến mức nước từng giờ các hồ chứa (m) Diễn biến dung tích các hồ chứa (106 m3) Doanh thu của từng giờ các nhà máy (triệu đồng) Trang 56 57 58 58 58 60 61 62 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 2.1. 2.2. 2.3. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. Biểu đồ điều tiết hồ chứa Đồng Nai 3 Đặc tính vận hành turbine NMTĐ Đồng Nai 3 Đặc tính vận hành máy phát NMTĐ Đồng Nai 3 Đặc tính vận hành turbine NMTĐ Đồng Nai 4 Đặc tính vận hành máy phát thủy điện Đồng Nai 4 Cơ cấu công suất đặt theo loại hình tham gia TTĐ Tăng trưởng công suất, số lượng NMĐ tham gia TTĐ Cơ cấu tham gia TTĐ của các loại hình nhà máy Giá điện năng thị trường SMP Giá công suất CAN Mô hình thủy điện bậc thang Đường cong hiệu suất của nhà máy Tuyến tính hóa đường cong hiệu suất Đặc tính thể tích hồ Đồng Nai 3 Lưu đồ thuật toán Phân bố tối ưu công suất tháng Diễn biến mức nước hồ các tháng Phân bố tối ưu công suất tuần Diễn biến mức nước hồ các ngày trong tuần Phân bố tối ưu công suất từng giờ Diễn biến mức nước hồ các giờ trong ngày hồ Đồng Nai 3 Diễn biến mức nước hồ các giờ trong ngày hồ Đồng Nai 4 10 11 11 12 12 13 14 14 16 17 19 22 22 40 52 54 55 57 57 59 4.8. 4.9. 61 61 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Các công trình nhà máy thủy điện Đồng Nai 2, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4 và Đồng Nai 5 là một nhóm các nhà máy trên lưu vực sông Đồng Nai. Việc khai thác tối ưu nguồn nước trên bậc thang thủy điện sẽ dẫn đến khai thác tối ưu sản lượng cho hệ thống. Với việc Thị trường phát điện cạnh tranh đang dần hoàn chỉnh và chuẩn bị cho Thị trường bán buôn điện cạnh tranh chính thức. Việc điều tiết hồ chứa và tối đa hóa doanh thu của từng nhà máy, tối ưu sản lượng một cụm các nhà máy thủy điện trên cùng một dòng sông càng có ý nghĩa quan trọng. Cụm các nhà máy thủy điện Đồng Nai 2, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4 và Đồng Nai 5 có tổng công suất lắp đặt 740 MW, nối vào trạm 500kV Đăk Nông và trạm 500kV Di Linh. Với trào lưu công suất từ miền Trung truyền tải vào miền Nam nên các nhà máy thường xuyên kết lưới khu vực miền Nam. Việc cung cấp một lượng công suất đáp ứng nhu cầu của phụ tải Miền Nam có ý nghĩa đặc biệt với hệ thống điện miền Nam nói riêng và Việt Nam nói chung và tối đa lợi nhuận doanh thu phát điện của các công ty phát điện nói riêng. Xuất phát từ những thực tiễn nêu trên, việc nghiên cứu toán vận hành tối ưu cho hệ thống các nhà máy thủy điện trên lưu vực sông Đồng Nai là vấn đề cần thiết. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Mục đích nghiên cứu của đề tài là vận hành tối ưu cụm nhà máy bậc thang thủy điện trên sông Đồng Nai, nhằm đạt hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao nhất trong thị trường điện. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU * Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3&4 * Phạm vi nghiên cứu Phân tích, tính toán vận hành tối ưu một số nhà máy thủy điện trên lưu vực sông Đồng Nai khi tham gia thị trường phát điện cạnh tranh. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu vị trí địa lý, thông số kỹ thuật, vị trí kết lưới của các nhà máy thủy điện trên lưu vực sông Đồng Nai. - Nghiên cứu Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai. - Xây dựng các đặc tính hồ chứa, đặc tính turbine, máy phát của các nhà máy bậc thang thủy điện. - Xây dựng hàm mục tiêu là cực đại doanh thu trong thị trường điện vào cuối thời 2 gian khảo sát với các ràng buộc về mức nước mục tiêu, công suất phát… của các nhà máy thủy điện trên cùng bậc thang. - Ứng dụng thuật toán phù hợp để giải bài toán vận hành tối ưu trong kế hoạch vận hành ngày, tuần, năm hệ thống bậc thang thủy điện. - Xây dựng chương trình để giải bài toán vận hành tối ưu ngắn hạn và dài hạn hệ thống bậc thang thủy điện. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - Xây dựng phương pháp tính toán để đưa ra chiến lược vận hành tối ưu về kỹ thuật cũng như kinh tế của các nhà máy thủy điện trên dòng sông Đồng Nai. Qua đó, nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh của các Công ty Thủy điện trong Thị trường điện. 6. ĐẶT TÊN ĐỀ TÀI Căn cứ mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu đã đề ra, đề tài được đặt tên: Nghiên cứu tính toán vận hành tối ưu cho hệ thống thủy điện bậc thang trên lưu vực sông Đồng Nai. 7. CẤU TRÚC LUẬN VĂN Luận văn này gồm có 5 chương: Chương 1. Tổng quan hệ thống bậc thang thủy điện trên sông Đồng Nai và Thị trường phát điện cạnh tranh hiện nay Chương 2. Mô hình vận hành tối ưu bậc thang thủy điện Chương 3. Giải bài toán phân bố tối ưu công suất cho Nhà máy thủy điện Đồng Nai 3&4. Chương 4. Chương trình tính toán Chương 5. Kết luận 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG BẬC THANG THỦY ĐIỆN TRÊN SÔNG ĐỒNG NAI VÀ THỊ TRƯỜNG PHÁT ĐIỆN CẠNH TRANH HIỆN NAY 1.1. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ THỦY VĂN LƯU VỰC SÔNG ĐỒNG NAI 1.1.1. Khái quát về các đặc điểm địa lý thủy văn Lưu vực sông Đồng Nai nằm trong khu vực khống chế bởi tọa độ 11 000’ 12020’vĩ độ Bắc và 107000’ - 108030’kinh độ Đông. Tổng diện tích của lưu vực sông Đồng Nai là 38.610 km2 (không kể vùng châu thổ sông Đồng Nai), chiều dài 476 km và độ hạ thấp khoảng 2000m Sông Đồng Nai là một trong những con sông lớn nhất ở miền nam Việt Nam, bắt nguồn từ cao nguyên Lang Biang có độ cao khoảng 2000m và chảy vào biển Đông ở cửa Soài Rạp – Gò Công. Địa hình lưu vực sông Đồng Nai tương đối phức tạp, phần lớn diện tích lưu vực đều nằm trên cao nguyên Bảo Lộc có độ cao từ 1000 – 1500m. Trong khi đó lòng sông thường có độ cao thấp hơn rất nhiều (400 m – 1200m), điều này chứng tỏ mức độ cắt xẻ của lòng sông rất mạnh. Một phần diện tích nằm trong vùng địa hình chuyển tiếp với cao nguyên có độ cao giảm nhanh tạo thành sườn đón gió Tây Nam gây mưa lớn trong khu vực này. . Đặc trưng địa lý thủy văn của sông Đồng Nai tại tuyến công trình thủy điện Đồng Nai 3 được trình bày như Bảng 1-1: Bảng 1.1. Đặc trưng địa lý thủy văn TT Đặc trưng ĐVT Trị số 2 1. Diện tích lưu vực (Có và không có Đại Ninh) km 4374/2441 2. Chiều dài sông chính km 205 3. Độ rộng trung bình của lưu vực km 21,2 4. Độ cao trung bình của lưu vực m 1325 5. Độ dốc trung bình của sông % 8,8 6. Độ đổ của sông m 1812 2 7. Mật độ lưới sông km/km 0,32 (nguồn TĐĐN) 1.1.2. Khí tượng Phần thượng nguồn có trạm khí tượng Đà Lạt, Liên Khương và trạm đo mưa Dran. Trạm Đà Lạt quan trắc mua từ những năm 1910, 1911 và 1918, 1919, 1921 – 1944, 1954 – 1970. Trạm Liên Khương hoạt động từ năm 1949. Trạm đo mua Dran 4 quan trắc từ năm 1949 nhưng đa số tài liệu đã bị thất lạc. Phần trung và hạ lưu có trạm khí tượng Bảo Lộc, trạm khí tượng Đắk Nông, trạm đo mưa Di Linh và trạm đo mưa Tà Lài. 1.1.3. Thủy văn Trên hệ thống dòng chính sông Đồng Nai có một số trạm thủy văn cơ bản là trạm thủy văn Thanh Bình, Dran, Đại Ninh, Đăk Nông và Tà Lài, trong đó các trạm thủy văn Thanh Bình, Đăk Nông và Tà Lài là trạm quan trắc mực nước và đo lưu lượng thường xuyên. Độ tin cậy của tài liệu quan trắc cao. Nhìn chung hệ thống quan trắc khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Đồng Nai phân bố không đều, đặc biệt là hệ thống quan trắc thủy văn. Các trạm chủ yếu đặt tại các phụ lưu, nơi gần đường giao thông, trong khi đó trên dòng chính của sông Đồng Nai đoạn từ Đại Ninh đến Tà Lài khoảng 7000 km2 không có một trạm quan trắc thủy văn nào. 1.1.4. Nhiệt độ không khí Nhiệt độ trung bình hàng năm của không khí khá ổn định, dao động trong khoảng từ 17,30C – 18,70C (Đà Lạt), 21,00C – 21,90C (Liên Khương), 21,80C – 23,60C (Đăk Nông). Nhiệt độ trung bình hàng tháng thay đổi từ 15,80C – 19,40C (Đà Lạt), 19,40C – 22,80C (Liên Khương), 20,20C – 24,40C (Đăk Nông). Nhiệt độ trong ngày biến đổi lớn hơn nhiều, đặc biệt trong các tháng mùa khô biên độ nhiệt độ ngày đếm có thể lên tới từ 100C – 120C. Tháng lạnh nhất thường là tháng 12 và tháng 1. Tháng nóng nhất thường là tháng 3, 4, 5. 1.1.5. Độ ẩm Giá trị trung bình năm, tháng của độ ẩm không khí trên lưu vực khá ổn định. Trị số độ ẩm tương đối trung bình tháng trong mùa mưa thay đổi từ 80 – 90%, trong mùa khô từ 70 – 80%. Độ ẩm tương đối lớn nhật xảy ra vào thời kỳ mùa mưa với giá trị cực đại là 100%. Độ ẩm tương đối thấp xuất hiện vào thời kỳ mùa mưa với giá trị nhỏ nahats trong thời kỳ quan trắc là 3% (Đà Lạt), 5% (Liên Khương), 13% (Đăk Nông). 1.1.6. Mưa Nằm trong vùng nhiệt đới, lưu vực chịu ảnh hưởng chính của hai cơ chế gió mùa: Gió mùa mùa hạ và gió mùa mùa đông, nên mưa được phân thành hai mùa rõ rệt, mùa mưa trùng với gió mùa mùa hạ (Tây Nam) từ tháng 7 đến tháng 11, mùa khô từ tháng 12 đến tháng 6 năm sau. Lượng mưa trong mùa mưa chiếm 80 – 90% lượng mưa toàn năm, số ngày mưa trong các tháng mùa mưa từ 24 – 30 ngày. 5 1.1.7. Dòng chảy Dòng chảy trong năm của sông Đồng Nai tương đối phức tạp: phần diện tích phía Đông Bắc (lưu vực sông Đa Nhim tại Đran) có mùa lũ từ tháng IX đến tháng XII, phần còn lại chủ yếu có mùa lũ từ tháng VII đến tháng XI. Nếu công trình Đa Nhim và Đại Ninh không chuyển nước thì phân phối dòng chạy năm sẽ là kiểu tổ hợp của hai chế độ dòng chảy kể trên và có mùa lũ từ tháng VII đến giữa tháng XI, tháng VI, XII được coi là các tháng chuyển tiếp từ mùa kiệt sang mùa lũ. Nhưng do hai công trình Đa Nhim và Đại Ninh đã chuyển nước sang lưu vực khác, nên chế độ dòng chảy trên dòng chính sông Đồng Nai có mùa lũ từ tháng VII đến tháng XI và tháng chuyển tiếp là tháng VI. Đặc trưng dòng chảy năm tại các trạm thủy văn Tà Lài và Đran được tổng hợp như Bảng 1.2 và Bảng 1.3. Bảng 1.2. Đặc trung thủy văn các trạm lưu vực sông Đồng Nai TT 1 2 3 5 6 8 Đặc trưng thủy văn Diện tích lưu vực Dòng chảy năm Mô đun dòng chảy Hệ số biến dạng Hệ số thiên lệch Dòng chảy năm ứng với tần suất Qp = 5% Qp = 10% Qp = 50% Qp = 75% Qp = 90% Qp = 95% Ký hiệu F Qo Mo Cv Cs Qp Đơn vị Trạm Tà Lài Trạm Đran km2 9395 775 3 m /s 344 22.2 2 l/s.km 36.7 28.7 0.17 0.37 1.02 1.81 m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s 453 422 335 302 280 270 38.4 32.9 20.0 16.4 14.5 13.9 (nguồn TĐĐN) Bảng 1.3. Thông số các công trình trên sông Đồng Nai Các chỉ Đa Đồng Đồng Đồng Đồng Trị An Đại Ninh Đơn vị tiêu Nhim Nai 2 Nai 3 Nai 4 Nai 5 MNDBT m 1042 880 680 590 476 288 62 MNC m 1018 860 665 570 474 286 50 6 3 V toàn bộ 10 m 166.2 319.8 543.1 1.600 332 268 2765 6 3 V chết 10 m 9.9 68.11 303.5 3,8 4,0 229.3 218 6 3 V hữu ích 10 m 156.3 251.7 239.6 863.3 863 629,1 2547 Nđb MW 98.5 19.5 56.3 99.4 55.7 100 N thiết kế MW 160 300 70 180 340 150 400 Eđb Tr.kWh 862.9 310.9 502.4 930.9 702 1280 Etb Tr.kWh 640 1178 339.6 594.9 1109.5 828.8 1730 (nguồn TĐĐN) 6 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3 VÀ ĐỒNG NAI 4 Công trình thủy điện Đồng Nai 3&4 nằm trên 02 tỉnh Lâm Đồng và Đăk Nông. Lưu vực sông Đồng Nai đến vị trí tuyến đập có diện tích 2.541km2 vùng hồ của thuỷ điện Đồng Nai 3, số lượng và mật độ dân cư thấp. 1.2.1. Tổng quan 1.2.1.1. Nhiệm vụ công trình Công trình có nhiệm vụ chính là phát điện lên lưới Quốc gia với công suất của nhà máy Đồng Nai 3 là 180MW, Đồng Nai 4 là 340 MW, sản lượng điện trung bình hàng năm là 1.715 triệu kWh. Đảm bảo an toàn công trình: Đảm bảo an toàn tuyệt đối công trình thuỷ điện Đồng Nai 3 không để mực nước hồ vượt cao trình mực nước dâng gia cường với mọi trận lũ có chu kỳ lặp lại nhỏ hơn hoặc bằng 1000 năm; - Góp phần giảm lũ cho hạ du; - Góp phần tưới tiêu cho hạ du; - Đảm bảo hiệu quả phát điện. 1.2.1.2. Đặc điểm công trình  Hồ chứa Hồ chứa nằm trên sông Đồng Nai, có nhiệm vụ: Tích nước thông qua đập chính để phát điện và điều tiết nước. Điều tiết và phân phối lượng nước theo đúng các quy định và bảo đảm yêu cầu, an toàn cho vùng hạ du.  Đập dâng Đập dâng có tác dụng ngăn dòng tích nước cho hồ chứa. Đập dâng được bố trí hai bên đập tràn bằng bê tông đầm lăn RCC. Nước thấm trong thân đập được tập trung vào các ống tiêu nước đổ vào hành lang kiểm tra và thoát về phía hạ lưu nhờ lỗ xả và bơm tiêu đập tràn. Các hành lang này bố trí thông nhau có tác dụng thông gió trong thân đập.  Đập tràn Đập tràn có nhiệm vụ điều tiết mực nước trong hồ theo các quy trình vận hành hồ chứa và được bố trí ở phần giữa lòng sông của tuyến đập. Đập tràn có năm khoang được ngăn cách bởi các trụ Pin. Tại đập tràn có bố trí các cửa van cung và phai sửa chữa van cung. Trên đập tràn có nhà vận hành trung tâm đập tràn, từ đây có thể đóng/mở các cửa van cung đập tràn cũng như theo dõi hệ thống quan trắc đập và các thông số của hồ chứa.  Kênh dẫn và cửa lấy nước 7 Kênh dẫn nước là kênh đào. Cửa lấy nước là công trình đầu tiên trong tuyến năng lượng dẫn nước vào nhà máy, nó trực tiếp lấy nước từ hồ chứa vào nhà máy. Cửa lấy nước được bố trí gần tuyến đập, có dạng tháp, kết cấu bằng bê tông cốt thép. Đầu vào cửa lấy nước có hai khoan được thiết kế theo dạng êlip để giảm thiểu tổn thất thủy lực và không gây ra xoáy ở cửa vào. Tại cửa lấy nước có bố trí: lưới chắn rác, van vận hành, van sửa chữa và cầu trục chân dê, ngoặm vớt rác.  Đường hầm áp lực Đường hầm áp lực nối với cửa lấy nước đi ngầm trong lòng núi nối với tháp điều áp (nếu có) và đường ống áp lực. Hầm được thiết kế với bê tông cốt thép và bê tông có lót thép. Có nhiệm vụ dẫn nước từ hồ chứa vào đường ống áp lực đồng thời tạo thêm cột áp do độ dốc của đường hầm.  Đường ống áp lực Đường ống áp lực là kiểu kín ở trong lòng đất, nối từ đoạn cuối của đường hầm áp lực vào 2 tổ máy trong nhà máy. Đường ống bố trí với độ dốc lớn, chịu áp lực nước lớn.  Nhà máy thủy điện Mỗi nhà máy có 02 tổ máy, thiết kế kiểu hở. 1.2.1.3. Thông số kỹ thuật Nhà máy Thủy điện Đồng Nai Đồng Nai 3&4 Thông số kỹ thuật về hồ chứa, đập dâng đập tràn, thiết bị cơ khí thủy công, thiết bị điện của Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3&4 được trình bày ở Bảng 1 - 4: Bảng 1.4. Thông số kỹ thuật Nhà máy Thủy điện Đồng Nai Đồng Nai 3&4 Thông số kỹ thuật Hồ chứa Diện tích lưu vực Lưu lượng trung bình nhiều năm Mực nước dâng bình thường Mực nước chết Mực nước gia cường Dung tích toàn bộ Dung tích hữu ích Diện tích mặt hồ ở MNDBT Cột nước tính toán Đập dâng Loại đập Đơn vị Km2 m3/s m m m Tr m3 Tr m3 Km2 m Đồng Nai 3 Đồng Nai 4 2441 78,1 590 570 593,24 1690,1 891,5 55,181 95 2590 83,3 476 474 479,24 332,1 16,4 8 176 RCC RCC 8 Thông số kỹ thuật Cao trình đỉnh đập Chiều cao đập lớn nhất Chiều rộng đỉnh đập Chiều dài theo đỉnh Đập tràn Loại đập Số khoang tràn Kích thước khoang tràn Cao trình ngưỡng tràn Lưu lượng xả lớn nhất Đường hầm và đường ống áp lực Số lượng đường hầm Đường kính trong Chiều dài đường hầm Chiều cao tháp điều áp Đường kính tháp điều áp Lưu lượng tối đa Chiều dài đường ống lót thép Đường kính đường ống lót thép Áp lực va tại cuối đường hầm Tua bin thủy lực Hãng sản xuất Loại tua bin Kiểu Số lượng tua bin Công suất định mức Cột nước + Hmax + Htt + Hmin Tốc độ định mức Tốc đô lồng tốc Hiệu suất trung bình tuabin Đường kính BXCT Đơn vị m m m m Đồng Nai 3 595 108 10 572 Đồng Nai 4 481 127,5 10 565 m m m3/s Bê tông cốt thép 5 14x17,5 572,5 14300 Bê tông cốt thép 5 14x17,5 458,5 14300 1 8 630,5 Không có m Mpa 215 286,7 + 48 x 2 nhánh 7-5-4 1,96 1 8 4175,59 85 7-46 216 516 + 33 x 2 nhánh 7-5-4 2,564 MW m m m m v/ph v/ph % mm DFEM Francis HLD294A-LJ-340 2 91,86 95 113,3 95 89 214,3 420 94,7 3480 DFEM Francis HLD416A-LJ-355 2 173,12 176 187,8 176 174 250 475 96,16 3660 m m m m m3/s m 9 Thông số kỹ thuật Số cánh BXCT Số lượng cánh hướng tĩnh Số lượng cánh hướng động Chiều cao cánh hướng động Số lượng servomotor cánh hướng Đường kính ngoài trục turbin Cao trình đặt turbin Chiều cao côn hút Đơn vị cánh cánh cánh mm mm m m Chiều quay Máy phát Hãng chế tạo Kiểu Công suất định mức Điện áp kích từ Dòng kích từ định mức Điện áp phát định mức Dòng điện định mức Tốc độ định mức Tốc độ lồng tốc Hiệu suất Tần số phát Tỉ số ngắn mạch Momen quán tính Đường kính stator Đường kính rotor Chiều cao stator Chiều cao cực từ rotor Khe hở rotor và stator Tải trọng đỡ Tải trọng lớn nhất của máy phát Kiểu kích từ Số lượng đầu dò nhiệt độ stator MW V A KV A v/ph v/ph % Hz Tm2 mm mm mm mm mm Tấn Tấn Đồng Nai 3 Đồng Nai 4 13 23 24 964 2 850 471,2 5,6 Cùng chiều kim đồng hồ 13 23 24 777,4 2 1150 281,4 4,6 Cùng chiều kim đồng hồ DFEM SF90-28/7600 90 270 1160 15,75 3881 214,3 420 98,12 50 >1 6300 7600 6806 2900 1400 19 236,5 394,9 Kích từ tĩnh 30 DFEM SF170-24/7250 170 344 1430 15,75 7331 250 475 98,54 50 >1 8000 8500 6352 4190 2570 33 326,7 546.7 Kích từ tĩnh 36