Nghiên cứu điều kiện biên tín hiệu cho hệ thống đóng nhanh van đầu đường ống áp lực của trạm thủy điện

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 67 
BÀI BÁO KHOA HỌC 
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN BIÊN TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG ĐÓNG 
NHANH VAN ĐẦU ĐƯỜNG ỐNG ÁP LỰC CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN 
Nguyễn Đức Nghĩa, Nguyễn Văn Sơn1 
Tóm tắt: Việt Nam có tiềm năng thủy điện rất lớn. Trong những năm gần đây, rất nhiều trạm 
thủy điện được xây dựng với quy mô rất đa dạng. Một trong những hạng mục chính của trạm thủy 
điện là đường ống áp lực với van đóng mở được bố trí ở đầu đường ống. Chức năng của van này 
là đóng mở khi kiểm tra, sửa chữa đường ống. Thực tế vận hành cho thấy van đầu đường ống cần 
đảm nhiệm thêm vai trò là van sự cố để giảm thiểu thiệt hại trong trường hợp xẩy ra sự cố. Trong 
nghiên cứu này, trên cơ sở nghiên cứu các chế độ làm việc của trạm thủy điện, đặc biệt là các chế 
độ chuyển tiếp, các tác giả thiết lập các điều kiện biên về tín hiệu điều khiển cơ cấu đóng nhanh 
của van đầu đường ống, cũng như đưa ra mô hình nguyên lý của hệ thống tín hiệu đóng van đầu 
đường ống. 
Từ khóa: Thủy điện, Đường ống áp lực, Van đầu đường ống, Hệ thống đóng nhanh, Chế độ 
chuyển tiếp. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ * 
Van đầu đường ống áp lực là bộ phận quan 
trọng trên tuyến năng lượng (TNL) của trạm 
thủy điện (TTĐ). Chức năng của van này là 
đóng mở trong trạng thái tĩnh của dòng nước, 
tốc độ đóng mở chậm, phục vụ cho nhu cầu 
kiểm tra sửa chữa đường ống. Van đầu đường 
ống được đặt trong nhà van sau tháp điều áp 
hoặc sau bể áp lực. Sơ đồ vị trí và cấu tạo van 
đầu đường ống được thể hiện trong hình 1. 
Thực tế vận hành cho thấy với những đường 
ống áp lực (ĐOAL) có chiều dài lớn, cột nước 
cao, đi qua vùng có điều kiện địa hình địa chất 
phức tạp thì xuất hiện nhiều yếu tố làm suy 
giảm độ an toàn của công trình. Trong trường 
hợp đường ống gặp sự cố thì thiệt hại cho toàn 
bộ TNL sẽ rất lớn, đó là: phá hủy toàn bộ 
đường ống, phá hủy nhà máy thủy điện và trạm 
phân phối điện ở phía dưới. Do đó, yêu cầu cấp 
thiết hiện nay là van đầu đường ống phải có 
chức năng đóng nhanh khi có sự cố để giảm 
thiểu thiệt hại. 
1 Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo, Trường Đại 
học Thủy lợi. 
Để thực hiện được chức năng đóng nhanh 
thì van phải được đóng mở tự động, khi đó 
yêu cầu hệ thống ra lệnh đóng mở phải phân 
biệt được đâu là trạng thái làm việc bình 
thường, đâu là trạng thái đường ống gặp sự cố. 
Nếu không phân biệt được các trạng thái làm 
việc có thể gây ra những nhầm lẫn trong hoạt 
động: 1) - đường ống vẫn an toàn nhưng van 
vẫn đóng làm ảnh hưởng đến chế độ làm việc 
của nhà máy, gây ra gián đoạn về phát điện, 
ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả kinh tế của dự 
án; 2) - đường ống bị sự cố nhưng van không 
đóng nhanh, nước sẽ chảy về phía nhà máy 
với lưu lượng rất lớn gây phá hủy các công 
trình trên TNL. 
Trong nghiên cứu này, các tác giả sẽ khảo 
sát các trạng thái làm việc của TTĐ, đề xuất 
giới hạn về áp suất và lưu lượng tương ứng với 
các trạng thái đó. Van đầu đường ống chỉ thao 
tác đóng nhanh khi trạng thái của đường ống 
vượt ra ngoài các ngưỡng nói trên. Cũng trong 
nghiên cứu này, các tác giả đề xuất sơ đồ 
nguyên lý bố trí hệ thống tín hiệu phục vụ cho 
cơ cấu đóng nhanh đường ống. 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 68 
Hình 1. Cấu tạo van đầu đường ống áp lực (trái: sơ đồ bố trí; phải: hình ảnh thực tế) 
2. CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỀ XUẤT 
GIẢI PHÁP 
2.1. Các chế độ làm việc chủ yếu của TTĐ 
TTĐ có chế độ làm việc rất phức tạp, sự 
phức tạp sẽ tăng lên đáng kể khi số tổ máy của 
nhà máy thủy điện tăng lên. Do đó, để nghiên 
cứu chế độ làm việc của TTĐ cần xem xét rất 
nhiều tổ hợp về chế độ làm việc của các tổ máy. 
Các chế độ làm việc chủ yếu của tổ máy thủy 
điện được thể hiện trong bảng 1. 
Bảng 1. Các chế độ làm việc chủ yếu của tổ máy thủy điện 
TT Trạng thái làm việc Ghi chú 
1 Khởi động tổ máy thủy điện Chế độ chuyển tiếp bình thường 
2 Tổ máy thủy điện tăng tải Chế độ chuyển tiếp bình thường 
3 Tổ máy thủy điện giảm tải Chế độ chuyển tiếp bình thường 
4 Tổ máy thủy điện phát điện ổn định Chế độ làm việc ổn định 
5 Tổ máy thủy điện gặp sự cố Chế độ chuyển tiếp sự cố 
6 Lưới điện gặp sự cố Chế độ chuyển tiếp sự cố 
2.2. Phương pháp nghiên cứu 
Các tác giả sử dụng phương pháp mô 
phỏng bằng phương pháp số để nghiên cứu 
các chế độ làm việc của TTĐ trên cơ sở tổ hợp 
các trạng thái làm việc của các tổ máy. Phần 
mềm được sử dụng là Phần mềm Transients 
do PGS.TS. Nguyễn Văn Sơn viết (Nguyễn 
Văn Sơn, 2013). 
Phần mềm Transients là phần mềm chuyên 
dụng để tính toán các chế độ chuyển tiếp của 
trạm thủy điện với khả năng mô phỏng có độ 
chính xác cao trạng thái của toàn bộ TNL trong 
các chế độ khác nhau, bao gồm trạng thái làm 
việc của các tổ máy theo thời gian, áp suất và 
lưu lượng nước theo không gian và thời gian, 
dao động mực nước trong tháp điều áp, ... Phần 
mềm được viết bằng ngôn ngữ Visual Basic trên 
cơ sở ứng dụng phương pháp đường đặc trưng 
hệ phương trình truyền sóng nước va, mô hình 
hoá sơ đồ, phần tử hoá. Phiên bản được sử dụng 
trong nghiên cứu này là Version 8.0. 
Các kết quả mô phỏng cần được hiệu chỉnh 
trên cơ sở kết quả đo hiện trường để đảm bảo 
phản ảnh đúng trạng thái của công trình như 
quá trình biến đổi độ nhám của đường ống theo 
thời gian, sự sai khác giữa thi công và thiết kế 
công trình. 
3. ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 
3.1. Sơ đồ tính toán 
TTĐ được áp dụng tính toán có các thông 
số chính được trình bày trong bảng 2. TNL 
bao gồm hầm dẫn nước, tháp điều áp, van 
đầu đường ống, đường ống áp lực, nhà máy 
thủy điện. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 69 
Bảng 2. Các thông số chính của TTĐ tính toán 
TT Thông số Đơn vị Giá trị TT Thông số Đơn vị Giá trị 
1 MNLTK m 686,53 7 Zhl tương ứng với lũ thiết kế m 425,00 
2 MNDBT m 680,00 8 Zhl tương ứng với Qtđmax m 420,00 
3 MNC m 674,05 9 Zhl tương ứng với Qtđmin m 418,00 
4 Qtđmax m
3/s 15,94 10 Công suất lắp máy MW 34,50 
5 Cột nước tính toán m 2