Thiết kế, chế tạo tổ máy thuỷ điện cực nhỏ cột nước thấp phù hợp với điều kiện làm việc ở môi trường nước biển để khai thác nguồn năng lượng thuỷ triều phát điện phục vụ dân sinh vùng hải đảo Quang Ninh

Bé c«ng nghiÖp

viÖn nghiªn cøu c¬ khÝ

b¸o c¸o tæng kÕt

®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ

cÊp bé n¨m 2007

Tªn ®Ò tµi:

“ThiÕt kÕ, chÕ t¹o tæ m¸y thuû ®iÖn cùc nhá cét

n−íc thÊp phï hîp víi ®iÒu kiÖn lµm viÖc ë m«i tr−êng

n−íc biÓn ®Ó khai th¸c nguån n¨ng l−îng thuû triÒu

ph¸t ®iÖn phôc vô d©n sinh vïng h¶i ®¶o Qu¶ng Ninh”

Ký hiÖu: 102- 07 RD/H§ - KHCN

Cơ quan chủ quản : Bộ Công Thương

C¬ quan chñ tr× ®Ò tµi : ViÖn Nghiªn cøu C¬ khÝ

Chñ nhiÖm ®Ò tµi : Th.s NguyÔn ChÝ C−êng

6904

18/6/2008

Hµ Néi, n¨m 2008

§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN

2

MỤC LỤC

Chương I. Khảo sát, đánh giá khả năng ứng dụng điện thủy triều.

1.1. Tổng quan vấn đề năng lượng ở Việt Nam 3

1.2. Các giải pháp cung cấp điện năng 4

1.3. Khảo sát và giải pháp xây dựng công trình 9

1.4. Kết luận 19

Chương II.Tính toán thiết kế tua bin nước ứng dụng trạm điện thủy triều

2.1. Giíi thiÖu chung 20

2.2. C¬ së lý thuyÕt tÝnh to¸n thiÕt kÕ tua bin cét n−íc thÊp 20

2.3. ThiÕt kÕ tua bin thuû ®iÖn c«ng suÊt 1 kW, cét n−íc tÝnh to¸n H = 1,5m 40

Chương III. Kết quả khảo nghiệm và ứng dụng thực tế của đề tài

3.1. Kết cấu chung tổ máy thuỷ điện cực nhỏ 58

3.2. Mô hình sử dụng điện năng 59

3.3. Nội dung và kết quả khảo nghiệm 63

3.4. Kết luận 69

Chương IV. Kết luận và kiến nghị

4.1. Đánh giá tiềm năng thủy điện thủy triều ở Quảng Ninh 71

4.2. Khả năng khai thác điện thủy triều 71

4.3. Một số kiến nghị 72

Tài liệu tham khảo 73

§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN

3

CHƯƠNG I

KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐIỆN THUỶ TRIỀU

1.1. Tổng quan vấn đề năng lượng ở Việt Nam

Hiện nay, tại Việt Nam, điện lưới đã phủ khoảng 80% toàn quốc, 20% còn lại là

các hải đảo, vùng sâu, vùng xa. Thế nhưng việc phủ kín lưới điện đến các nơi này ước

tính cần phải mất khoảng 10 năm nữa với nhiều chi phí rất tốn kém, chưa kể việc xây

dựng các trạm tải về các vùng kéo theo nhiều tổn hao trong truyền tải điện cũng như chi

phí đầu tư xây dựng nhà trạm.

Trong khi đó, tốc độ tăng trưởng kinh tế cao đã kéo theo nhu cầu sử dụng điện

năng trong nước tăng nhanh. Theo con số của Ban soạn thảo Bản quy hoạch phát triển

điện lực giai đoạn 2006 ÷ 2015 (có xét đến năm 2025 - Quy hoạch điện 6), thì nhu cầu

phát triển phụ tải giai đoạn 2006 ÷ 2010 sẽ vào khoảng 17,1%/năm và nhu cầu điện sản

xuất là 16,9%/năm. Trong các năm 2010 ÷ 2015, tốc độ tăng trưởng phụ tải sẽ vào khoảng

11%/năm và còn khoảng 9%/năm trong giai đoạn đến 2020.

Hình 1.1. Điện năng sản xuất hàng năm theo kịch bản thấp

được Chính phủ phê duyệt ngày 15/10/ 2004.

(Nguồn: báo cáo của giáo sư Phạm Duy Hiến tại hội thảo

“Phát triển năng lượng bền vững ở Việt Nam”)

Theo cân đối nhu cầu năng lượng cho thấy từ sau năm 2010 (nếu không có đột

biến lớn về khả năng khai thác) thì khả năng cung cấp năng lượng từ các nguồn tài

nguyên truyền thống trong nước sẽ không thể đáp ứng được nhu cầu, dự tính đến năm

2015 lượng thiếu hụt nhiên liệu cho sản xuất điện sẽ vào khoảng 9 tỷ kWh. Tương tự,

năm 2020 sẽ thiếu hụt khoảng 35 ÷ 64 tỷ kWh. Dài hạn hơn, đến năm 2030 khả năng

thiếu hụt sẽ tăng lên từ 59 đến 192 tỷ kWh. Thậm chí những năm sau đó khả năng thiếu

hụt còn trầm trọng hơn.

§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN

4

Để tránh nguy cơ thiếu hụt năng lượng , một chiến lược phát triển năng lượng dài

hơi, trong đó khai thác hiệu quả các nguồn tài nguyên sẵn có, kết hợp cùng yếu tố môi

trường bền vững đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết.

1.2. Các giải pháp cung cấp điện năng

Để giải quyết bài toán thiếu hụt năng lượng, các nước trên thế giới đang hướng tới

các giải pháp sau:

• Giảm tổn thất điện năng

• Tăng hiệu quả sử dụng điện năng

• Tìm kiếm, phát triển các nguồn năng lượng mới

• Kết hợp phát triển năng lượng với bảo vệ môi trường

• Phát triển thị trường điện cạnh tranh

Nguồn năng lượng điện ở nước ta hiện chưa được sử dụng hiệu quả, còn tổn thất

và lãng phí nhiều. Mức độ tổn thất có thể đến 15,8%, trong khi ở nhiều nước trên thế giới

mức tổn thất chỉ vào khoảng 7 ÷ 9%. Tổn thất điện năng trong truyền tải và phân phối ở

nước ta hiện nay khoảng 12%, ở một số nước trong khu vực khoảng là 7%. Mức độ tổn

thất điện nhiều đến mức ước tính trong 5 năm tới, cứ giảm bớt tổn thất điện năng 1%,

Việt Nam sẽ tiết kiệm được 3,4 GWh, tương đương với sản lượng của một nhà máy công

suất 500 ÷ 600 MW.

Hệ quả của việc đầu tư máy móc thiết bị và công nghệ trước đây khiến cho ngành

công nghiệp Việt Nam nằm trong nhóm đứng cuối thế giới về hiệu quả sử dụng năng

lượng. Hiện tại, ngành công nghiệp - chiếm khoảng 40% nhu cầu năng lượng thương mại

của Việt Nam, tương đương khoảng 19 triệu tấn dầu quy đổi/năm - vẫn chưa có tiến bộ

đáng kể nào trong việc tăng hiệu quả sử dụng năng lượng. Đợt khảo sát gần đây tại một số

nhà máy sản xuất thép, xi măng, sành sứ, hàng tiêu dùng cho thấy, tiềm năng tiết kiệm

năng lượng có thể đạt đến 20%, tức là có thể giảm bớt chi phí cho sử dụng năng lượng

trong ngành công nghiệp khoảng 10.000 tỷ đồng mỗi năm.

Theo ông Phạm khánh Toàn - Viện Năng lượng - Bộ Công nghiệp (cũ), nguyên

nhân khiến cho đại đa số các cơ sở công nghiệp Việt Nam đạt mức hiệu suất sử dụng năng

lượng thấp, thì thứ nhất do thiếu khuôn khổ pháp lý để thúc đẩy các hoạt động tiết kiệm

năng lượng trong công nghiệp. Thứ hai là thiếu các thông tin về tiềm năng nâng cao tiết

§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN

5

kiệm năng lượng, chi phí và lợi ích của các thiết bị tiết kiệm năng lượng, tiềm năng của

các giải pháp tiết kiệm năng lượng chi phí thấp, các ứng dụng và công nghệ mới.

Theo một báo cáo của Viện Năng lượng, cho đến nay Việt Nam mới khai thác

được 25% nguồn năng lượng tái tạo, phần lớn là thuỷ điện, còn lại 75% vẫn chưa được

khai thác.

• Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, không gây khí thải và hiệu ứng nhà

kính, tại các huyện đảo có số giờ nắng tương đối lớn, trung bình khoảng 2000 ÷

2500 h/năm với tổng năng lượng bức xạ mặt trời trung bình khoảng 150

kCal/cm2

/năm. Tuy nhiên thiết bị có giá thành cao (khoảng 20000 USD cho một hệ

thống điện có công suất 2 kW), trong khi thu nhập của dân cư các huyện đảo còn

thấp. Mặt khác, pin mặt trời không phát huy được hiệu quả trong những ngày mưa

hay trời âm u.

• Năng lượng gió cũng là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường. Nhìn ra

thế giới, năng lượng gió hiện còn rất mới. Đức và sau đó là Tây Ban Nha, Hoa Kỳ

và Đan Mạch là những quốc gia sử dụng năng lượng gió nhiều nhất, các quốc gia

còn lại đều có công suất lắp đặt ít hơn 100 MW. Tiềm năng về năng lượng gió ở

Việt Nam được đánh giá cao, nhưng hiện tại vẫn trong giai đoạn nghiên cứu thử

nghiệm, ứng dụng vào thực tế chưa nhiều. Mặt khác, tần suất gió tại nhiều huyện

đảo không ổn định, phụ thuộc vào thời tiết, chiều gió thay đổi hay theo khí hậu, địa

hình, tốc độ gió rất không đều, nên ứng dụng năng lượng gió cung cấp điện cho

các huyện đảo không được khả thi.

• Trong hàng loạt các giải pháp phát triển các nguồn điện như nhập khẩu điện, phát

triển thủy điện, điện hạt nhân, ... , dường như nước ta còn bỏ quên nguồn điện thuỷ

triều, một nguồn điện giá thành rẻ và lại rất thân thiện với môi trường. Nghiên cứu

ứng dụng năng lượng điện thuỷ triều đã được quan tâm nghiên cứu từ sau cuộc

khủng hoảng năng lượng đầu những năm 1970, mở ra triển vọng mới về năng

lượng do thuỷ triều là nguồn năng lượng vô tận, không gây ô nhiễm môi trường.

Trong nỗ lực xây dựng thị trường điện cạnh tranh, Thủ tướng Chính phủ đã ra Quyết

định số 26/2006/QĐ-TTg ngày 26/1/2006 về lộ trình hình thành và phát triển thị trường

điện lực Việt Nam gồm ba cấp độ: cấp độ 1 (từ 2005 ÷ 2014) là thị trường phát điện cạnh

§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN

6

tranh, cấp độ 2 (từ 2015 ÷ 2022) là thị trường bán buôn điện cạnh tranh và cấp độ 3 (từ

sau 2022) là thị trường bán lẻ điện cạnh tranh. Hiện nay EVN đang trực tiếp ký hợp đồng

với các công ty phát điện thuộc và ngoài EVN, từng bước tạo thị trường phát điện cạnh

tranh.

a. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng năng lượng đại dương trên thế giới

Đứng trước tình trạng cạn kiệt các nguồn năng lượng hoá thạch truyền thống và sự

ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, nhiều quốc gia trên thế giới đã xúc tiến cho

xây dựng các nhà máy điện nguyên tử công suất lớn để bù đắp tình trạng thiếu hụt năng

lượng trong tương lai gần. Năng lượng hạt nhân được coi là một nguồn năng lượng sạch,

thân thiện do không làm ô nhiễm môi trường. Nhưng nguồn năng lượng này vẫn gây

nhiều tranh cãi, nhất là sau thảm hoạ Chernobyl tại Ukraina, Liên Xô (cũ), đã gây lên tâm

lý lo ngại về tính an toàn của các nhà máy hạt nhân. Mặt khác, nguồn uranni đang trở nên

cạn kiệt, lại không phải quốc gia nào cũng có khả năng tiếp cận được kỹ thuật nhà máy

điện hạt nhân. Vậy nên xu hướng hiện nay có ba dạng năng lượng tái tạo chính đang được

thế giới quan tâm là năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng đại dương.

Hiện nay trên thế giới nhiều nước đã đầu tư nghiên cứu năng lượng đại dương theo

các phương án: điện thủy triều (tận dụng độ chênh lệch mực nước thủy triều); điện sóng

biển (tận thu năng lượng sóng biển để phát điện); điện dòng chảy (dòng thủy triều hoặc

dòng hải lưu). Mỗi dạng lại có các kiểu tua bin khác nhau.

Năm 1960 người Pháp đã xây nhà máy điện thủy triều trên sông Ranxơ. Phương

pháp ứng dụng năng lượng thuỷ triều truyền thống là xây dựng những con đập giữ nước

tại các cửa sông, nhà máy điện thuỷ triều La Rance gần St Malo, với công suất 240 MW￾gồm 24 tổ máy, sản lượng điện hàng năm đến 544.106 kWh. Vốn xây dựng nhà máy cao

gấp hai lần so với điện truyền thống. Các nhà máy điện thuỷ triều kiểu này vẫn gây nhiều

tranh cãi vì sự tác động của nó tới môi trường tự nhiên.

Tại Nga cũng có nhiều dự án xây dựng nhà máy điện thủy triều lớn như nhà máy ở

vịnh Lumbôvxki với công suất 5,2 MW/tổ (64 tổ), tại đây có độ lớn triều trung bình là 4,2

m; tại Menzinxki có độ lớn triều trung bình đạt 5,37m đã lắp đặt tổ máy có công suất đến

20MW.

§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN

7

Vào tháng 6 năm 2003 tại phía bắc bờ biển Devon, các kỹ sư người Anh đã thử

nghiệm thành công trạm điện thuỷ triều kiểu dòng chảy. Tua bin có hai cánh quạt dài 11

m, công suất thiết kế 300 kW, turbine phát điện được đặt trực tiếp giữa dòng thuỷ triều

và do đó có thể liên tục cung cấp điện. Tua bin phát điện chạy bằng dòng thuỷ triều không

gây tiếng ồn, có hiệu suất cao, và không phá vỡ cảnh quan thiên nhiên, không phương hại

tới các loài động vật biển vì cánh quạt chỉ quay với vận tốc 20 vòng/phút.

Hình 1.2. Tua bin kiểu dòng chảy.

Tại khu vực châu Á, Trung Quốc là nước đầu tiên xây dựng trạm điện thủy triều,

Trung Quốc bắt đầu xây dựng trạm đầu tiên năm 1980, đưa vào hoạt động 1984, công

suất tổ máy 600 kW/tổ (buld tua bin). Mới đây nhất tháng 1 năm 2006 tại tỉnh Zhejiang

phía đông Trung Quốc trạm điện thuỷ triều công suất 40 kW đi vào hoạt động với chi phí

23.000 USD.

§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN

8

Hình 1.3. Tua bin buld.

Trong bối cảnh các nguồn nhiên liệu của các nhà máy phát điện sử dụng năng

lượng hoá thạch ngày càng cạn kiệt thì công nghệ sản xuất điện từ các nguồn năng lượng

tái sinh như thuỷ năng, phong năng và năng lượng mặt trời rất có triển vọng.

b. Tình hình ứng dụng trong nước

Trong những năm gần đây các hoạt động nghiên cứu và ứng dụng năng lượng

mới, năng lượng tái tạo ở nước ta ngày càng phát triển và có những kết quả ứng dụng

đáng kể, đó là việc ứng dụng các nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy điện,

năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng…

Việt Nam víi bê biÓn dµi trªn 3000 km, diÖn tÝch 3 triÖu km2 có nhiều tiềm năng

phát triển và điện thủy triều. Các kết quả đo đạc cho thấy độ chênh mực nước thủy triều ở

ven biển nước ta tương đối lớn, trung bình khoảng 1,5 m, lớn nhất đến 4,7 m. Chế độ thuỷ

triều tương đối đa dạng, từ nhật chiều đều, đến bán nhật chiều đều và chiều hỗn hợp.

Nhiều vùng được đánh giá có tiềm năng khai thác điện thuỷ chiều, như lưu vực hệ thống

sông Cửu Long, bờ biển vịnh Bắc Bộ.

Qua kh¶o s¸t, phÇn lín c¸c ®¶o kh«ng cã ®iÖn l−íi quèc gia, ®iÖn mÆt trêi do gi¸

thµnh qu¸ cao nªn ng−êi d©n kh«ng thÓ tù ®Çu t− trang bÞ. H¬n n÷a, trong mïa ®«ng vµ

ngµy m−a, bøc x¹ mÆt trêi thÊp dÉn tíi gi¶m c«ng suÊt ®iÖn s¶n sinh ra, kh«ng ®¸p øng

®−îc yªu cÇu n¨ng l−îng nh− trong ngµy n¾ng. VÒ n¨ng l−îng giã, do vËn tèc giã thÊp vµ

kh«ng th−êng xuyªn, c«ng nghÖ l¹i phøc t¹p, gi¸ thµnh cao nªn ng−êi d©n kh«ng cã ®iÒu

kiÖn sö dông. N¨ng l−îng thuû ®iÖn nhá trªn c¸c ®¶o, do kh«ng cã c¸c dßng s«ng, suèi cã

l−u vùc ®ñ réng nªn chØ cã thÓ sö dông n¨ng l−îng thuû triÒu. HiÖn t¹i d©n t¹i c¸c huyÖn

®¶o chñ yÕu sö dông ®iÖn diezen, gi¸ ®iÖn cao, kho¶ng 6000 ÷ 10000 ®/kWh vµ chØ sö

dông vµo kho¶ng 4 ÷ 6 tiÕng buæi tèi.

§Ò tµi 102-07RD/H§-KHCN

9

Hiện nay, việc nghiên cứu ứng dụng thủy triều để phát điện ở Việt Nam đang ở

bước đầu tiên, mới được đề cập trong thời gian gần đây và ở qui mô thí nghiệm. Các

hướng nghiên cứu chủ yếu tập chung theo dạng thủy điện thủy triều có đập, thủy triều

dòng chảy…

Dạng ứng dụng dòng chảy thuỷ triều ở trong nước hiện tại mới chỉ có một công

trình nghiên cứu đề cập. Đề tài có mã số I119 "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử

nghiệm trạm phát điện dùng dòng chảy thuỷ triều công suất nhỏ từ 0,5 ÷1 kW", do

Viện Năng Lượng thuộc Tổng công ty Điện lực Việt Nam chủ trì. Dạng tua bin Sovonius

mà đề tài đưa ra có hiệu suất thấp (ηT=0,23), khả năng ứng dụng khai thác năng lượng đại

dương không cao.

Phương pháp điện thủy triều có đập chắn có đặc điểm tương tự như thủy điện

truyền thống, tuy nhiên điện thủy triều có đặc điểm là cột nước thấp, do đó phải tính toán,

lựa chọn loại tua bin phù hợp mới phát huy được hiệu quả sử dụng.

1.3. Khảo sát và giải pháp xây dựng công trình

a. Một số khái niệm về thuỷ triều

Để nghiên cứu hiện tượng thuỷ triều, người ta đã đề cập đến một số khái niệm liên

quan như biên độ triều, thời gian chiều dâng, thời gian chiều rút, chu kỳ thuỷ triều...

• Chiều dâng: là dao động mực nước biển lên cao dần rồi đạt tới vị trí cao nhất, hay

là sự dâng cao của mực nước từ lúc nước ròng đến lúc nước lớn.

• Chiều rút: là dao động mực nước biển xuống dần rồi đạt tới vị trí thấp nhất, hay là

sự hạ thấp mực nước biển từ lúc nước lớn đến lúc nước dòng.

• Nước lớn: là vị trí cao nhất của nước biển trong một chu kỳ dao động.

• Nước ròng: là vị trí thấp nhất của nước biển trong một chu kỳ dao động.

• Biên độ chiều: là khoảng cách theo chiều thẳng đứng giữa mực nước lớn và mực

nước ròng kế tiếp hay khoảng cách giữa mực nước ròng và mực nước lớn kế tiếp.

• Độ cao chiều: là vị trí mực nước vào lúc nước lớn trên một mức nào đó được quy

ước là mực số 0.

• Thời gian chiều dâng: là khoảng thời gian giữa thời điểm xuất hiện nước ròng và

nước lớn kế tiếp.