Nhà máy thuỷ điện tích năng

Share Button
Nhà máy thủy điện tích năng là nhà máy thủy điện kiểu bơm tích lũy, sử dụng điện năng của các nhà máy điện phát non tải trong hệ thống điện vào những giờ thấp điểm phụ tải đêm để bơm nước từ bể nước thấp lên bể cao
Nhịp độ tiêu thụ điện năng

Hệ thống điện của bất kỳ quốc gia nào đều tập hợp trong quá trình công nghệ chung nhiều nhà máy điện để sản xuất điện năng và nhiều hộ tiêu thụ điện nhận sản lượng điện năng đó qua các lưới truyền tải và phân phối. Điện năng theo các công nghệ hiện hành không thể niêm cất trong kho mà nó cần được tiêu thụ theo nhịp độ sản xuất theo nhịp độ tiêu thụ.

Việc không thực hiện được sự cân bằng theo thời gian đó thì sẽ dẫn đến giảm chất lượng điện năng, thí dụ về sự thay đổi tần số và điện áp của nó, còn trong trường hợp xấu nhất dẫn tới các sự cố và thảm hoạ trong hệ thống điện (HTĐ).

Sự tiêu thụ điện năng diễn ra phù hợp với những nhịp độ sinh hoạt của xã hội loài người, những nhịp độ này trực tiếp phụ thuộc không những vào những nhịp độ tự nhiên và sinh học của con người mà còn phụ thuộc vào hoạt động sản xuất và đời sống. Những nhịp độ đó có những chu trình ngày đêm, tuần lễ, tháng và mùa.

Biểu đồ điển hình về tiêu thụ ngày đêm của HTĐ có đặc điểm là không đồng đều. Việc san bằng biểu đồ đó có thể thực hiện được bằng tác động về mặt hành chính hoặc kinh tế (thông qua các biếu giá khuyến khích) đối với người tiêu thụ, hoặc nhờ hiệu quả liên hệ thống thu được năng lượng đỉnh sẽ rẻ hơn của các HTĐ liền kề, hoặc nhờ sử dụng các bộ phận tích trữ năng lượng.

Hiện có những bộ phận tích trữ năng lượng thuộc các kiểu khác nhau: cơ học, hoá học, điện từ… chúng được đặc trưng bởi số lượng năng lượng tích luỹ được, thời gian trữ năng lượng, dung lượng riêng của năng lượng, suất đầu tư, suất chi phí vận hành, hiệu suất và tính linh hoạt. Trong các HTĐ để làm các bộ phận tích trữ năng lượng lớn trước hết người ta sử dụng các nhà máy thuỷ điện (NMTĐ) và các nhà máy thuỷ điện tích năng (NMTĐTN).

NMTĐ tích năng là gì ?

Đó là nhà máy thuỷ điện kiểu bơm tích luỹ, NMTĐ này trong thời gian thấp điểm của HTĐ để biến nó thành thế năng của nước và vào thời gian cao điểm của HTĐ biến đổi thế năng của nước thành điện năng, cung cấp cho lưới điện để phủ đỉnh phụ tải của HTĐ.

Các công trình thuỷ công của NMTĐTN gồm hai bể chứa, bể trên cao (tích trữ) và bể thấp (cung cấp) đặt ở các mức khác nhau và được nối lại bằng hệ thống các ống nước nghiêng. Bể trên cao có thể là bể tự nhiên (thí dụ hồ nước) hoặc nhân tạo (bể bằng bê tông cốt thép) còn bể thấp thường là hồ chứa được tạo bởi một đập không lớn lắm.

Toà nhà của NMTĐTN với các tổ máy thuỷ lực được đặt ở phía bể thấp, các tổ máy này có thể loại gồm 3 thiết bị: động cơ máy phát, tua bin thuỷ lực và bơm, hoặc 2 thiết bị: máy điện thuận nghịch và máy thuỷ lực thuận ngịch vận hành tuỳ theo chiều của dòng nước và tương ứng là chiều quay hoặc là bơm, hoặc là turbine (những tổ máy này kinh tế hơn và bắt đầu được đặt từ cuối những năm 60 của thế kỷ trước). Các tổ máy thuỷ lực của NMTĐTN tuỳ theo chiều cao của cột nước được trang bị các turbine thuỷ lực kiểu cánh quay, cánh chéo, dọc trục xuyên tâm hoặc kiểu gáo. Tổ máy thuỷ lực thuận nghịch lớn nhất thế giới có công suất 457 MW được đặt tại NMTĐ của mỹ “Batcounty” (1993).

NMTĐTN sử dụng điện năng của các NMĐ phát non tải trong HTĐ vào những giờ thấp điểm phụ tải đêm hoặc một số giờ ở phần lưng của biểu đồ phụ tải của HTĐ để bơm nước từ bể nước thấp lên bể cao. Vào những giai đoạn đỉnh phụ tải của HTĐ, NMTĐTN sẽ sản xuất điện năng nhờ dẫn nước từ bể cao xuống theo các đường ống dẫn đến các tổ máy thuỷ lực được đưa vào vận hành ở chế độ turbine. Điện năng sản xuất ra được đưa vào HTĐ, còn nước được tích luỹ trong bể cung cấp.

Hiệu suất của NMTĐTN đạt 70% những giá điện năng thấp điểm đêm rẻ hơn giá điện năng vào các giờ phụ tải của HTĐ nên hiệu quả kinh tế của bản thân NMTĐTN cũng như của toàn bộ HTĐ rất cao.

Năng lượng được tích luỹ của NMTĐTN phụ thuộc vào dung tích bể cao và cột nước công tác, cột nước này được xác định bởi độ chênh chiều cao giữa các mực nước của bể cao và bể thấp. Ưu việt của NMTĐTN so với NMTĐ là ở chỗ cột nước của chúng có thể được tăng cao hơn, việc chọn địa điểm xây dựng đơn giản hơn, chúng đòi hỏi thể tích nước ít hơn bởi vì nước được tuần hoàn giữa hai bể nói trên. Ngoài ra đặc tính năng lượng của chúng không phụ thuộc vào những dao động thiên nhiên theo mùa của nguồn nước.

Thời gian khởi động và thay đổi các chế độ của những tổ máy thuỷ lực NMTĐTN được tính bằng phút, điều đó quyết định tính linh hoạt vận hành chúng. Các NMTĐTN có thể với các chu trình điều tiết ngày đêm, tuần và mùa… điều tiết của NMTĐTN gần gấp đôi trị số công suất đặt của nó bởi vì việc điều tiết phụ tải HTĐ được nhà máy này thực hiện cả chế độ bơm (điều tiết thấp điểm đêm) cũng như ở chế độ phát điện (điều tiết đỉnh phụ tải) hiệu suất chung của NMTĐTN trong các điều kiện tối ưu gần đạt tới 75%. Những NMTĐTN công suất lớn và cột nước cao vài trăm mét có hiệu suất cao hơn. Hợp lý nhất là xây dựng NMTĐTN gần những trung tâm tiêu thụ điện lớn bởi vì xây dựng các đường dây truyền tải dài đến NMTĐTN để sử dụng điện năng của chúng trong thời gian ngắn là không có lợi về mặt kinh tế.

Thời hạn xây dựng NMTĐTN là 3 năm!

Những NMTĐTN đầu tiên xuất hiện ở Đức vào những năm 20 của thế kỷ XX, trong điều kiện phát triển ồ ạt của các ngành công nghiệp than, luyện kim và hoá chất, xây dựng nhiều nhà máy điện đốt than nhỏ và lớn, lưới điện công cộng, ra đời thị trường điện năng. Ngay thời gian đó đã nảy sinh vấn đề phủ định phụ tải mà các NMTTD đốt than không kham nổi. Các NMTĐ đã cứu cánh cho việc giải quyết khó khăn đó, trong số đó sự hỗ trợ hiệu quả nhất là NMTĐTN chúng tích nước trong các hồ chứa trên núi vào giai đoạn tuyết tan ở dãy núi Alpes và nhờ đó thực hiện được sản xuất điện năng theo mùa. Nguyên lý tích điện năng gián tiếp đó cùng với việc sử dụng bơm để bơm nước lên hồ chứa vào ban đêm đã được hãng Badenwerk (Đức) áp dụng khi xây dựng NMTĐ Mucgshvartsenbachwerk vào đầu những năm 20 của thế kỷ XX. Hãng này đã trở thành hãng khai sáng trong việc tạo ra các hồ chứa tích nước trên núi được bơm từ dưới lên và NMTĐ. Nhiều nước đã xây dựng các NMTĐTN Herdeks với những bơm rất lớn vào thời đó và bơm nước lên độ cao 165 m theo các đường ống đường kính 3,2 m với năng suất 15 m3/s và công suất đạt 143,5 MW.

Những NMTĐTN lớn nhất được xây dựng ở Anh năm 1966 (NMTĐTN Cruahan) công suất 400 MW cột nước 440 MW, ở Mỹ năm 1963 (NMTĐTN Tom cock) công suất 350 MW, cột nước 253m, ở Lucxemburg năm 1964 (NMTĐ TN Vianden) công suất 900 MW, cột nước 280m…

Trên thế giới cùng với các NMTĐ TN trên mặt đất cùng với những NMTĐTN ngầm dưới mặt đất đang được xây dựng, thí dụ NMTĐTN công suất 2400 MW của tổ hợp năng lượng thuỷ lợi Terry ở ấn Độ. Cùng với các NMTĐTN vận hành bằng nước ngọt (nước sông hoặc hồ) đang tồn tại cả NMTĐTN vận hành bằng nước biển. Nhà máy điện đầu tiên vận hành kiểu đó là NMTĐ TN Okinawa (Nhật Bản) đã hoàn thành vào năm 1996. Nhà máy có mức nước cao 150m, bể cao có thể tích 0,56 triệu m3, đáy bể được lót bằng cao su để giảm thấm nước và để tính toán phát ra sản lượng điện 30 MW điện năng trong 6 giờ đỉnh phụ tải.

Ngoài ra các tổ máy thuỷ lực của các NMTĐTN được sử dụng rất hiệu quả để điều chỉnh tần số và điện áp của HTĐ. Cùng với việc ra đời thị trường bán buôn điện năng và công suất thì tầm quan trọng hàng đầu cũng là việc sử dụng các NMTĐTN như nguồn điện dự trữ huy động nhanh để phát công suất hữu công cho HTĐ. (Để so sánh các tổ máy Turbin khí và Turbin khí hỗn hợp hiện đại đòi hỏi 5 – 10 phút để phát toàn bộ công suất trong khi các NMTĐTN chỉ cần 2 – 3 phút).

Theo HDH

Share Button