Giáo trình Nhà máy thủy điện

L∙ Văn út, đặng quốc thống 
ngô văn d−ỡng 
Nhà máy 
thủy điện 
Hà nội 12 - 2005 
Mở đầu 
I. . Công nghệ năng l−ợng và vai trò của thủy năng 
Điện năng cần đ−ợc tạo ra từ các dạng năng l−ợng khác tiềm tμng trong tự nhiên 
nhờ công nghệ biến đổi năng l−ợng. Chẳng hạn, nhiệt năng tiềm tμng trong các 
dạng nhiên liệu (than đá, dầu mỏ, khí đốt ...) đ−ợc giải phóng qua phản ứng cháy, 
biến đổi thμnh cơ năng vμ cuối cùng thμnh điện năng ở các nhà máy nhiệt điện. 
Cơ năng của dòng n−ớc (sông, suối, thủy triều ...) đ−ợc biến thμnh điện năng ở các 
nhà máy thủy điện. Tại các nhà máy điện nguyên tử, năng l−ợng giải phóng từ 
phản ứng hạt nhân (của các nguyên tố có nguyên tử l−ợng lớn - U235) cũng đ−ợc 
biến thμnh điện năng qua các quá trình biến đổi nhiệt → cơ → điện từ. Ngoμi các 
công nghệ quan trọng nói trên những công nghệ năng l−ợng mới cũng đang đ−ợc 
nghiên cứu áp dụng nh−: năng l−ợng mặt trời, năng l−ợng địa nhiệt, năng l−ợng 
gió, năng l−ợng sinh khối, sinh khí ... 
Lịch sử phát triển cho thấy tỉ lệ các dạng năng l−ợng tự nhiên đ−ợc biến đổi khai 
thác không giống nhau vμ có sự biến động mạnh theo thời gian (hình 1). 
Vμo những năm 50 của thế kỷ tr−ớc, tuyệt đại đa số điện năng đ−ợc sản suất ra lμ ở 
các nhμ máy nhiệt điện (trên 90%). Tuy nhiên theo thời gian tỉ lệ điện năng do các 
nhμ máy nhiệt điện phát ra có xu h−ớng giảm dần, thuỷ điện tăng dần vμ có sự phát 
triển nhanh của phần điện năng do các nhμ máy điện nguyên tử sản xuất. Điều nμy 
có thể giải thích đ−ợc bởi sự cạn dần của các loại nhiên liệu vμ nhu cầu ứng dụng 
nó vμo các lĩnh vực kinh tế khác ngμy cμng có giá trị hơn. (Ví dụ sử dụng than đá, 
dầu mỏ, khí đốt nh− lμ nguyên liệu sản xuất chất dẻo, tơ nhân tạo, vật liệu mới ...). 
Trong khi đó kỹ thuật xây dựng vμ khai thác thuỷ năng lại có những b−ớc thay đổi 
v−ợt bậc, cho phép lắp đặt những tổ máy công suất lớn, đắp đập ngăn sông xây 
dựng những NMTĐ khổng lồ ( NMTĐ Tam Hiệp, xây dựng trên sông D−ơng Tử 
(TQ) với tổng công suất 26 x 700 MW = 18200 MW lμ một ví dụ) lμm cho giá 
thμnh xây dựng (tính trên một đơn vị công suất lắp máy) ngμy cμng giảm. 
Tính chung trên thế giới, sản l−ợng điện của các NMTĐ sản suất ra hiện đang cung 
cấp cho trên 1/3 tổng sản l−ợng điện tiêu thụ. Một số n−ớc có tỉ lệ thuỷ điện lớn 
nh−: Canađa (93%), Phần Lan (91%), Nauy (99%), Thuỵ Sỹ (99,5%). Việt Nam, 
theo con số thống kê năm 1997 tỉ lệ thuỷ điện chiểm 65% tổng sản l−ợng điện 
năng sản xuât vμ tiêu thụ toμn quốc. 
II. Vài nét về phát triển thuỷ điện ở Việt Nam 
 Tính đến năm 1954 (sau kháng chiến chống Pháp) sản l−ợng điện năng Việt nam 
nói chung vμ thuỷ điện nói riêng hầu nh− ch−a có gì. Tuy nhiên, miền Bắc đã có 
các NMTĐ Tμ Sa, Na Ngần, Bμn Thạch; miền Nam có NMTĐ Đa Nhim (công suất 
4 x 40 = 160 MW). Năm 1971 do LX cũ giúp xây dựng đã khánh thμnh NMTĐ 
Thác Bμ với công suất 3 x 36 = 108 MW. Lúc nμy tổng công suất của các NMNĐ 
miền Bắc vẫn ch−a v−ợt quá 100 MW, nghĩa lμ thuỷ năng đã giữ tỉ lệ quan trọng 
trong HTĐ Việt Nam từ những ngμy đầu xây dựng. Năm 1992 NMTĐ Hoμ Bình đã 
xây dựng vμ lắp đặt xong đến tổ máy cuối cùng với tổng công suất lên tới 1920 
MW (8 x 240 MW). Vμo thời điểm nμy tổng công suất tiêu thụ của HTĐ miền Bắc 
lúc cực đại chỉ vμo khoảng 1100 MW, do đó đ−ờng dây siêu cao áp 500 KV đ−ợc 
xây dựng gấp rút để tải điện năng thừa của NMTĐ Hoμ Bình vμo miền Nam (nhiệt 
điện ở miền Bắc lúc nμy còn có các nhμ máy Phả Lại 440 MW, Ninh Bình 100 
MW). Tiếp sau NMTĐ Hoμ Bình, để đáp ứng nhu cầu tăng tr−ởng nhanh của phụ 
tải điện, lần l−ợt nhiều NMTĐ lớn đ−ợc xây dựng vμ đ−a vμo vận hμnh. Có thể 
nhận thấy rằng (xem bảng) HTĐ Việt Nam có một tiềm năng thuỷ điện khá lớn. Tỉ 
lệ thuỷ năng chiếm cao trong tổng sản l−ợng điện năng toμn quốc. Thuỷ điện, có 
thể phát triển khắp cả 3 miền. Miền Bắc có thể xây dựng những NMTĐ lớn do 
những dòng sông lớn, độ dốc cao. Miền Trung có nhiều thuỷ điện nhỏ (sông có độ 
dốc lớn, nh−ng l−u l−ợng lại bé), miền Nam có khả năng xây dựng một số NMTĐ 
công suất trung bình (độ dốc các dòng sông th−ờng không lớn). 
 Quá khứ (cho đến hiện tại) thuỷ điện Việt Nam đã có một lịch sử phát triển mạnh 
mẽ, tiềm năng thuỷ điện Viêt Nam còn rất dồi dμo, t−ơng lai thuỷ điện Việt Nam 
sẽ còn phát triển vμ chiếm vị trí quan trọng trong HTĐ Việt Nam. 
Bảng 1. Các NMTĐ đang vận hành 
Sản lượng điện năng 
hàng năm (GWh) 
Nhà mỏy 
thủy điện 
Tỉnh Cụng 
suất đặt 
(MW) 
Chiều 
cao đập 
(m) 
Chiều 
cao 
cột 
nước 
(m) 
Năm 
đưa 
vào 
vận 
hành 
thiết kế thực tế 
Nước 
hợp tỏc 
xõy 
dựng 
Giỏ 
xõy 
dựng 
 (106 
USD) 
Da Nhim Lam Dong - 
Ninh Thuan 
4 x 40 38 741 1964 1 055 809 Japon 50 
Thac Ba Yen Bai 3 x 36 45 30 1972 416 450 URSS 110 
Hoa Binh Hoa Binh 8 x 240 128 88 1984 8 100 7 200 URSS 1 500 
Tri An Dong Nai 4 x 100 40 50 1988 1 760 1 400 URSS 400 
Vinh Son Binh Dinh 2 x 33 37 + 40 612 1994 228 252 France 70 
Thac Mo Binh Phuoc 2 x 75 46 90 1995 640 600 Ukraine 150 
Song Hinh Phu Yen 2 x 75 43 148 1999 378 320 Suốde 100 
Ham Thuan Lam Dong - 
Binh Thuan 
2 x 150 93,5 250 2001 1 017 800 Japon 300 
Dami Lam Dong - 
Binh Thuan 
2 x 87,5 72 143 2001 590 500 Japon 180 
Yali Gia Lai - 
Kontum 
4 x 180 7 190 2001 3 650 3 300 Ukraine 
Russie 
700 
Bảng 2. Các NMTĐ đang xây dựng 
 Giai đoạn 2002 - 2005 
 NMTĐ Công suất đặt Khởi công Vμo vận hμnh Ghi chú 
1 Se San 3 300 2002 2005 
2 Thác Mơ 50 2005 mở rộng 
3 Cần Đơn 72 2005 BOT 
 Giai đoạn 2006 - 2010 
4 Tuyên Quang 342 2002 2006-2007 
5 Đại Ninh 300 2003 2006-2007 
6 Rμo Quán 70 2003 2007 
7 A V−ơng I 170 2003 2007 
8 Pleikrong 110 2003 2007 
9 Ban La 300 2004 2008-2009 
10 Đồng Nai 3-4 510 2005 2009-2010 
11 Buôn Kuơp 280 2003 2008-2009 
12 Sông Ba Hạ 250 2005 2009-2010 
13 Sông Tranh 2 135 2005 2009-2010 
14 KonTum Th−ợng 220 2006 2010 
15 Sông Con 2 69 2006 2009-2010 
16 Bản Chac-Huội Quảng 740 2006 2009-2011 
17 Đắc Rinh 97 2006 2009-2010 
18 Ea Krong 65 2004 2008-2009 
 Bảng 3. Các NMTĐ lớn trên thế giới 
Itaipỳ Brazil/Paraguay 1984/1991/2003 14000 MW 93.4 TW-hours
Guri Venezuela 1986 10200 MW 46 TW-hours
Grand Coulee hoa Kỳ 1942/1980 6809 MW 22.6 TW-hours
Sayano Shushenskaya Nga 1983 6721 MW 23.6 TW-hours
Robert-Bourassa Canada 1981 5616 MW 
Thỏc Churchill Canada 1971 5429 MW 35 TW-hours
Yaciretỏ Argentina/Paraguay 1998 4050 MW 19.1 TW-hours
Iron Gates Rumani/Serbia 1970 2280 MW 11.3 TW-hours
Aswan Ai Cập 1970 2100 MW 
• Đập Tam Hiệp, Trung Quốc. Phỏt điện lần đầu thỏng Bảy 2003, dự kiến hoàn 
thành 2009, 18200 MW 
Cỏc nước cú cụng suất thuỷ điện lớn nhất 
• Canada, 341312 GWh (66954 MW đó lắp đặt) 
• Hoa Kỳ, 319484 GWh (79511 MW đó lắp đặt) 
• Brazil, 285603 GWh (57517 MW đó lắp đặt) 
• Trung Quốc, 204300 GWh (65000 MW đó lắp đặt) 
• Nga, 169700 GWh (46100 MW đó lắp đặt) (2005) 
• Na Uy, 121824 GWh (27528 MW đó lắp đặt) 
Ch−ơng I 
Khái niệm về sử dụng năng l−ợng dòng n−ớc vμ nhμ máy 
thuỷ điện 
1.1 Năng l−ợng của dòng n−ớc và khả năng sử dụng 
Một dòng chảy tự nhiên có sơ đồ mặt cắt dọc nh− trên hình vẽ (hình 1.1), trên đó 
xét 2 mặt cắt ngang I-I vμ II-II (ở các vị trí bất kỳ). Tại mặt cắt I-I, gọi chiều cao 
mức n−ớc lμ z1, vận tốc trung bình của dòng chảy lμ v1, áp suất trong lòng n−ớc lμ 
p1. Ký hiệu t−ơng tự các thông số cho mặt cắt II-II. 
Xét một khối n−ớc W đang chuyển động tại I-I. Theo lý thuyết động lực học chất 
lỏng, năng l−ợng chứa trong khối n−ớc W nμy có thể tính theo công thức sau: 
kgmw
g
vpzE ,
2
2
111
11 γαγ ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ++= 
Trong đó: z1 - độ cao của mặt cắt I-I; 
 γ - trọng l−ợng riêng của n−ớc (1000 kg/m3); 
Hình 1.1 Sơ đồ tính toán tiềm năng 
 của dòng sông 
H 
ΔH 
I 
I 
II 
II 
z1, v1, p1 
z2, v2, p2 
W
▼0 
 v1, p1 - vận tốc vμ áp suất trung bình của dòng chảy tại mặt cắt I-I; 
 g = 9,81 m/sec2 - gia tốc rơi tự do bởi trọng tr−ờng. 
 α1 - hệ số hiệu chỉnh kể đến sự phân bố không đều của dòng chảy trên 
mặt cắt. Nếu vận tốc nh− nhau trên toμn bộ diện tích mặt cắt thì α1 = 1. Ng−ợc lại, 
cần lấy giá trị khác đi, tính theo công thức: 
,
3
3
ω
ω
α ω
v
du∫∫= với : ω - diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy, u lμ 
vận tốc tại vi phân diện tích dω, v lμ vận tốc trung bình. Thông th−ờng có thể coi 
gần đúng ω ≈ 1. 
Thể tích n−ớc W tính bằng m3. 
Trong lý thuyết thuỷ khí động học, thμnh phần trong ngoặc đ−ợc gọi lμ cột áp, có 
thứ nguyên lμ m. Nó bao gồm thμnh phần cột áp thuỷ tĩnh (z +p/γ) vμ cột áp thuỷ 
động v2/2g. Về trị số, cột áp bằng năng l−ợng chứa trong một đơn vị trọng l−ợng 
n−ớc d−ới dạng thế năng (t−ơng ứng với cột áp thuỷ tĩnh) vμ động năng (cột áp 
thuỷ động). Với dòng chảy lý t−ởng, không tổn hao vμ chỉ chịu tác dụng lực trọng 
tr−ờng thì cột áp tại mọi vị trí mặt cắt đều bằng nhau vμ năng l−ợng chứa trong 
khối n−ớc W sẽ không đổi khi chuyển động. Đối với dòng chảy của các dòng sông 
năng l−ợng luôn luôn bị tổn thất (do có một phần biến thμnh công bμo mòn đất đá, 
vận chuyển phù sa ...). Vì thế khi chuyển động đến mặt cắt II-II, năng l−ợng chứa 
trong khối n−ớc W chỉ còn lại lμ : 
1
2
222
22 2
Ew
g
vpzE <⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ++= γαγ . 
Phần năng l−ợng mất mát để sinh công có thể tính đ−ợc : 
)(,
2
2
22
2
1121
2121 kgmwg
vvppzzEEE γααγ ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −+−+−=−=Δ . 
Thông th−ờng với các dòng chảy tự nhiên p vμ v ít thay đổi (nếu coi tiết diện mặt 
cắt ngang đồng đều vμ áp suất khí quyển trên mặt thoáng nh− nhau tại mọi nơi), 
khi đó công do khối n−ớc W sinh ra khi chuyển động từ I-I đến II-II có thể tính 
theo công thức gần đúng: 
( ) WHWzzE ..21 γγ Δ=−≈Δ . (1-1) 
Bây giờ nếu xét khối n−ớc W có thể tích bằng tổng l−ợng n−ớc của dòng sông chảy 
qua mặt cắt trong thời gian 1 sec (nghĩa lμ đúng bằng trị số l−u l−ợng n−ớc Q của 
dòng chảy), đồng thời xét khoảng cách từ I-I đến II-II lμ toμn bộ chiều dμi của 
dòng sông thì ΔE lμ sẽ công của cả dòng sông sinh ra trong 1 giây ( hay cũng 
chính lμ công suất của nó, ký hiệu lμ N), ta có thể viết lại : 
skgmQHQzzN /,..)( 21 γγ =−= . 
Nếu đổi sang tính bằng kW (1kW = 102 kgm/s) thì công thức trở thμnh: 
N = 9,81.H.Q , kW . (1-2) 
Công thức trên th−ờng đ−ợc dùng để đánh giá trữ l−ợng thuỷ năng của dòng sông. 
Trị số tính đ−ợc chính lμ công suất tổng cộng mμ dòng sông có thể sinh ra đ−ợc 
(còn đ−ợc gọi lμ tiềm năng của dòng sông). Dễ thấy, trị số nμy khác rất xa với tiềm 
năng thuỷ điện, bởi con ng−ời chỉ có thể tận dụng đ−ợc một phần năng l−ợng ở 
những đoạn nhỏ ΔH của dòng sông. 
Cũng từ các công thức tính năng l−ợng của dòng chảy nh− đã nêu trên (công thức 
1-1) ta còn nhận thấy rằng năng, l−ợng tiềm tμng trong mỗi dòng sông đ−ợc phân 
bố trải khắp theo chiều dμi dòng chảy. Một đoạn ngắn bất kỳ của dòng sông đều có 
chứa một năng l−ợng, tính đ−ợc theo (1-1). Tuy nhiên mật độ phân bố không đều, 
đoạn có độ dốc cμng lớn thì mật độ năng l−ợng tập trung cμng cao (do ΔH lớn). Đó 
cũng chính lμ những vị trí thuận lợi để xây dựng NMTĐ. 
Ngoμi ra, dựa theo (1-1) vμ (1-2) ta cũng có thể trực tiếp đ−a ra công thức tính 
công suất cho nhμ máy thuỷ điện: 
NTĐ = 9,81. η.Q.H0 (kW). (1-3) 
Trong đó: H0 - chênh lệch mức n−ớc ở phía tr−ớc vμ phía sau NMTĐ, còn gọi lμ 
cột n−ớc hình học của nhμ máy; 
 Q - l−u l−ợng n−ớc chảy qua NMTĐ ; 
 η - hiệu suất chung của NMTĐ; 
Với việc xét đến hiệu suất biến đổi năng l−ợng η nêu trên, công suất tính 
theo (1-3) cho NMTĐ chính lμ công suất điện phát ra của các máy phát. Có thể xác 
định gần đúng hiệu suẩt : η = ηT.ηF ; 
ở đây ηT - lμ hiệu suất của tua bin n−ớc kể cả đến tổn thất năng l−ợng 
đ−ờng ống; ηF - hiệu suất của máy phát; 
Với ηT = (0,88 - 0,91), ηF = (0.95 - 0.98), khi thiết kế tính gần đúng có thể 
lấy η ≈ 0,86. Khi đó thay vμo (1-3) ta có : 
NTĐ ≈ 8,3.Q.H0 (kW). (1-4) 
Công thức trên th−ờng đ−ợc dùng để đánh giá sơ bộ công suất của NMTĐ khi thiết 
kế. 
Thực ra khi xác định công suất NMTĐ theo (1-3) hoặc (1-4) ta đã bỏ qua cả chênh 
lệch áp suất vμ vận tốc dòng chảy ở tr−ớc vμ sau NMTĐ (tính ở cửa vμo vμ ra của 
thiết bị thuỷ năng), bởi H0 mới chỉ xét đến chênh lệch cột áp thuỷ tĩnh. Khi xét đầy 
đủ các tổn thất cột n−ớc của NMTĐ cần tính theo công thức: 
g
vvppzzH
2
2
22
2
1121
21
αα
γ
−+−+−= , 
còn công suất NMTĐ khi đó lμ: 
 N = 9,81.η.Q.H (kW) 
sẽ phụ thuộc phức tạp vμo nhiều yếu tố hơn (H không còn lμ hằng số). 
1.2 Các loại nhà máy thuỷ điện 
Từ công thức tính công suất của NMTĐ có thể thấy rằng việc tạo ra chênh lệch 
mức n−ớc H0 lμ điều kiện tiên quyết cho việc xây dựng NMTĐ. Chính vì thế các 
ph−ơng án khác nhau tạo ra chênh lệch mức n−ớc cũng đồng thời lμ điều kiện phân 
loại các nhμ máy thuỷ điện. 
1. Nhà máy thuỷ điện kiểu đập 
Bằng cách xây dựng các đập chắn ngang sông có thể lμm cho mức n−ớc ở tr−ớc 
đập dâng cao tạo ra cột n−ớc H0 để xây dựng NMTĐ. Khi đó ta có NMTĐ kiểu 
đập. Đập cμng cao thì công suất của NMTĐ có thể nhận đ−ợc cμng lớn. Tuy nhiên 
chiều cao đập cần phải đ−ợc lựa chọn kỹ l−ỡng theo các điều kiện kinh tế - kỹ 
thuật vμ hμng loạt những yếu tố an toμn khác (liên quan đến môi tr−ờng, di dân, 
quốc phòng...). Mặt khác khi xây dựng đập cao n−ớc dâng lên có thể lμm ngập 
những khu vực quan trọng (đông dân, thị trấn cổ, hầm mỏ ch−a khai thác...). Nhiều 
tr−ờng hợp, đây lại lμ yếu tố chính hạn chế chiều cao của đập. Nói chung NMTĐ 
kiểu đập th−ờng có thể xây dựng thuận lợi ở những nơi dòng chảy có độ dốc lớn, 
chảy ngang qua thung lũng của những quả đồi. Trong tr−ờng hợp nμy, vùng ngập 
n−ớc dễ hạn chế đ−ợc trong khu vực thung lũng, trong khi chỉ cần xây dựng các 
đập ngắn nối giữa các quả đồi để chắn dòng sông. 
Nhμ máy thuỷ điện kiểu đập có các −u điểm sau: 
- Có thể tạo ra những NMTĐ công suất rất lớn, do có khả năng tận dụng đ−ợc 
toμn bộ l−u l−ợng của dòng sông; 
Ho 
đập Hồ chứa 
NM
Vùng ngập n−ớc
đập
Núi đồi
Sông cũ
NM
Hình 1.2. Sơ đồ NMTĐ kiểu đập
I 
I 
II 
II 
ΔH 
- Có hồ chứa n−ớc, mμ hồ chứa lμ một công cụ hết hiệu quả để điều tiết n−ớc vμ 
vận hμnh tối −u NMTĐ, điều tiết lũ, phục vụ t−ới tiêu vμ nhiều lợi ích khác. 
Các nh−ợc điểm chính của NMTĐ kiểu đập: 
- Vốn đầu t− lớn, thời gian xây dựng lâu; 
- Vùng ngập n−ớc có thể ảnh h−ởng nhiều đến sinh thái môi tr−ờng (di dân, thay 
đổi khí hậu). 
Nhμ máy thuỷ điện kiểu đập lμ loại phổ biến nhất đã xây dựng trong thực tế (trên 
thế giới cũng nh− trong n−ớc). ở n−ớc ta các NMTĐ kiểu đập cũng lμ loại chủ yếu: 
Hoμ Bình, Thác Bμ, Trị An, Thác Mơ, ... 
Cần nói thêm lμ, có thể xây dựng nối tiếp rất nhiều NMTĐ kiểu đập trên cùng một 
dòng sông. Trong tr−ờng hợp nh− vậy hiệu quả điều tiết vận hμnh phối hợp của các 
NMTĐ sẽ tốt hơn khi chỉ có một NMTĐ (xem ch−ơng 4). 
2. Nhà máy thuỷ điện kiểu kênh dẫn 
Cột n−ớc của NMTĐ còn có thể tạo ra đ−ợc bằng việc sử dụng các kênh dẫn. 
Tr−ờng hợp chung nhất kênh bao gồm 2 phần: phần đầu đ−ợc xây dựng d−ới dạng 
các kênh dẫn hở (còn gọi lμ kênh dẫn không áp). Phần nμy có nhiệm vụ dẫn n−ớc 
từ nơi mμ dòng chμy có mức n−ớc cao đến nơi mμ dòng chảy có mức n−ớc thấp (vị 
trí xây dựng NMTĐ) nh−ng giữ nguyên mức n−ớc (kênh có độ dốc rất nhỏ). Phần 
cuối lμ các ống dẫn kín (còn đ−ợc gọi lμ kênh dẫn có áp). Phần nμy có nhiệm vụ 
đ−a n−ớc từ trên cao xuống thấp để chạy tuabin. 
Do dòng chảy trong ống kín bảo toμn đ−ợc cột áp thủy tĩnh nên cột n−ớc của 
NMTĐ có thể đ−ợc tính nh− từ mức n−ớc cuối kênh dẫn hở ( ... ệu quả t−ơng đ−ơng. Dễ 
thấy điện năng đã phát đ−ợc từ NMTĐ thì không còn phụ thuộc l−ợng n−ớc. Hiệu 
quả cung cấp cho nhu cầu tiêu thụ chỉ còn phụ thuộc vμo l−ợng hao hụt do tự dùng 
vμ mất mát truyền tải. NMTĐ có điện năng tự dùng nhỏ nh−ng th−ờng xa phụ tải 
nên tổn thất truyền tải nhiều hơn. Tổng thể, bù trừ lμm cho hệ số ψ có trị số gần với 
1. Chính xác nằm trong phạm vi ψ = (1,0 - 1,06). Khi tính gần đúng lấy ψ = 1. Lấy 
lớn hơn khi tổn thất truyền tải nh− nhau. 
 4. Tính toán lựa chọn công suất đặt theo các tr−ờng hợp khác nhau 
a. Tr−ờng hợp φ > 1 (công suất đảm bảo). 
 Đây lμ tr−ờng hợp tính toán cho những b−ớc ban đầu của quá trình tăng công 
suất, tiêu chuẩn v−ợt trội đ−ợc đánh giá theo (6.1). Do chỉ tính với l−ợng công suất 
đặt thêm, nên suất chi phí tính toán tính cho NMTĐ pTĐz th−ờng nhỏ hơn so 
p
TĐz 
của NMNĐ (do ap 1 chắc chắn bất đẳng 
thức thỏa mãn. Điều nμy có nghĩa lμ việc lựa chọn công suất đặt thêm th−ờng chỉ 
cần bắt đầu từ tr−ờng hợp 0 < φ < 1, với công suất đặt chọn lớn hơn Nđb. 
b. Tr−ờng hợp 0 < φ < 1. 
Chỉ thực hiện tính toán theo tr−ờng hợp nμy khi biết rõ trong hệ thống còn nhu cầu 
phải đặt thêm công suất dự phòng sửa chữa. Nếu không tăng công suất đặt ở 
NMTĐ thì phải tăng thêm công suất ở NMNĐ thay thế. Nhu cầu dự phòng sửa 
chữa th−ờng đ−ợc tính theo điện năng, đó lμ vì có thể lập kế hoạch sửa chữa hợp lý 
nếu có công suất nhμn rỗi ở bất cứ thời gian nμo. Điện năng sửa chữa cho một tổ 
máy có thể tính đ−ợc bằng tích của thời gian sửa chữa với công suất tổ máy có thể 
vận hμnh (nếu lμm việc). Nh− vậy, dự phòng sửa chữa đ−ợc coi lμ t−ơng đ−ơng nếu 
nếu điện năng tính theo các công suất dự phòng lμ nh− nhau. Ng−ời ta còn gọi lμ 
quy tắc cân bằng điện năng sửa chữa (không cân bằng theo công suất sửa chữa). 
Với các l−ợng công suất đặt thêm cho dự phòng sửa chữa ΔNN vμ ΔNđ ta có điện 
năng sửa chữa t−ơng ứng lμ: 
 ).(;. scN
sc
thmđ
sc
TĐ tTNEtNE −Δ=ΔΔ=Δ . 
Trong tm - thời gian có n−ớc cho ΔNđ (hình 6.4,b). 
 tsc - thời gian sửa chữa cho chính các tổ máy đặt thêm ở NMNĐ thay thế. 
 T - thời gian cả năm. 
Theo quy tắc cân bằng điện năng sửa chữa ta có: 
 ).(. scN
sc
thmđ tTNEtN −Δ=Δ=Δ 
Từ đó suy ra: 
 đđ
sc
m
N NNtT
tN Δ=Δ−=Δ .ϕ 
Th−ờng có thể lấy gần đúng trong tính toán: 
T
t
tT
t m
sc
m ≈−=ϕ . (6.2) 
Sử dụng giá trị φ tính đ−ợc theo biểu thức trên ở mỗi b−ớc tính toán cùng với tiêu 
chuẩn (6.1), có thể thực hiện quá trình tăng công suất đặt để lựa chọn trị số hợp lý. 
Có thể gặp một trong hai tính huống sau: 
- Tiêu chuẩn v−ợt trội (6.1) không còn thỏa mãn tr−ớc khi đến trị số giới hạn nhu 
cầu dự phòng sửa chữa. Quá trình tính toán kết thúc, nhận đ−ợc trị số công suất đặt 
cuối cùng tr−ớc khi bất đẳng thức (6.1) đổi dấu. 
- Tiêu chuẩn v−ợt trội (6.1) luôn luôn thỏa mãn cho đến khi công suất đặt đến trị 
số giới hạn, hết nhu cầu công suất dự phòng. Quá trình tính toán đ−ợc tiếp tục với 
trị số φ = 0. 
c. Tr−ờng hợp φ = 0. 
Quá trình tính toán có thể chuyển sang tr−ờng hợp nμy khi không có (hoặc rất ít) 
nhu cầu đặt thêm công suất dự phòng sửa chữa. Các hệ thống có tỉ lệ thủy điện cao 
th−ờng đã có sẵn công suất dự phòng sửa chữa (không thể chuyển thμnh công suất 
cân bằng cho phụ tải) nên nhu cầu đặt thêm công suất dự phòng sữa chữa cũng ít. 
Cách tính toán trong tr−ờng hợp nμy chỉ có một thay đổi đơn giản trong tiêu chuẩn 
(6.1) lμ lấy trị số φ = 0 . Ta có thể viết lại (thay Tmax TĐ = tm): 
 m
E
th
p
TĐ tzz ..ψ≤ (6.3) 
Dễ thấy khả năng thỏa mãn tiêu chuẩn v−ợt trội lúc nμy chủ yếu phụ thuộc vμo trị 
số tm. Hơn nữa, tính v−ợt trội về kinh tế cho l−ợng công suất đặt thêm ở NMTĐ 
trong tr−ờng hợp nμy chỉ trông chờ vμo sản l−ợng điện năng rẻ tiền có thêm đ−ợc 
vμo mùa n−ớc. Công suất đặt cμng lớn thì thời gian đủ n−ớc cho những tổ máy đặt 
thêm cuối cùng cμng nhỏ - hiệu quả kinh tế sẽ cμng kém. ý nghĩa nμy phản ánh 
qua sự giảm dần trị số vế phải của (6.3). 
Đến giới hạn, bất đẳng thức (6.3) không còn thỏa mãn, nhận đ−ợc trị số công suất 
đặt cuối cùng cho NMTĐ. 
II. Tính toán lựa chọn mức n−ớc dâng bình th−ờng 
Mức n−ơc dâng bình th−ờng (MNDBT) lμ thông số chủ yếu nhất của công trình 
thủy điện. MNDBT quyết định quy mô vμ kích th−ớc của công trình, vùng ngập 
n−ớc, dung tích hữu ích của hồ, công suất đặt vμ sản l−ợng điện năng của nhμ máy. 
Nó cũng lμ thông số quan trọng ảnh h−ởng đến nhiệm vụ tổng hợp của dự án thủy 
lợi, thủy điện. Chính ví thế MNDBT bao giờ cũng đ−ợc phân tích luận chứng tr−ớc, 
xét đến mọi yếu tố có thể ảnh h−ởng. Trên cơ sở đó lựa chọn mức n−ớc chết 
(MNC), công suất đặt của máy vμ các thông số còn lại khác. 
 Nh− trên đã nói, bμi toán lựa chọn MNDBT, thuận lợi hơn cả lμ thực hiện theo 
cách so sánh ph−ơng án. Thiết lập một loạt các ph−ơng án thiết kế NMTĐ với các 
MNDBT khác nhau. Các ph−ơng án khác nhau về chiều cao mức n−ớc theo trị số 
ΔH đã chọn, đồng thời phải thỏa mãn các điều kiện khống chế. 
Các điều kiện khống chế mức n−ớc cao nhất th−ờng đ−ợc kể đến gồm: 
- Điều kiện mốc biên giới quốc gia. Trong mọi tr−ờng hợp khai thác vận hμnh 
NMTĐ mức n−ớc hồ không đ−ợc ảnh h−ởng đến vùng đất của n−ớc láng giềng. 
Nh− vậy chiều cao đập vμ MNDBT phải chọn thấp hơn mức n−ớc sông ở biên giới 
một trị số đủ để khi vận hμnh với mức n−ớc gia c−ờng thì điều kiện không xâm 
phạm biên giới vẫn đ−ợc đảm bảo. 
- Điều kiện địa chất, đặc biệt lμ sự mất n−ớc lòng hồ. Khi hồ nằm trong khu vực 
núi đá vôi thì độ cao các hang động (còn gọi lμ hiện t−ợng karst) chính lμ giới hạn 
của chiều cao MNDBT. Đó lμ vì hiện t−ợng địa chất biến đổi khi ngập n−ớc các 
khu vực đó diễn ra rất phức tạp không có khả năng xử lý (lấp nhét) để giữ n−ớc hồ. 
- Điều kiện địa hình tự nhiên. Đó lμ những dầu hiệu địa hình mμ ng−ời thiết kế biết 
ngay không nên chọn MNDBT lên cao hơn, ví dụ khi đó phải xây rất nhiều đập 
phụ, hay đập phụ quá lớn (dμi). 
Chênh lệch mức n−ớc ΔH th−ờng đ−ợc lấy (1-2)m, khi đập cao có thể lấy tới 10m. 
Để lựa chọn MNDBT hợp lý nhất trong số các ph−ơng án đã vạch ra cần phải dựa 
vμo các chỉ tiêu kinh tế (chi phí, lợi nhuận). Ng−ời ta cũng hay thực hiện theo thứ 
tự tăng dần chiều cao mức n−ớc. ở mỗi b−ớc, cần tính đ−ợc sự thay đổi (số gia) về 
vốn đầu t−, chi phí vận hμnh vμ thu nhập hμng năm (điện năng). Dựa trên sự thay 
đổi nμy có thể xác định đ−ợc ph−ơng án tối −u (dựa vμo NPV hay thời gian thu hồi 
vốn đầu t− chênh lệch). 
 Khi MNDBT thay đổi cần phải xác định đ−ợc t−ơng đối chính xác vμ đầy đủ các 
l−ợng thay đổi về vốn đầu t−, chi phí vận hμnh vμ lợi ích. Đó lμ yêu cầu quan trọng 
đ−ợc đặt ra cho giai đoạn lập dự án thiết kế NMTĐ. Cần xem xét các nội dung sau 
khi nâng cao mức n−ớc một l−ợng ΔH : 
- Tăng thêm vốn đầu t− vμ chi phí vận hμnh do thay đổi quy mô các công trình đầu 
mối (đập cao hơn, đền bù di dân nhiều hơn ...). 
- Tăng thêm vốn đầu t− vμ chi phí vận hμnh cho trang thiết bị (tổ máy, thiết bị phân 
phối, máy biến áp, đ−ờng dây tải điện ...). 
- Sự thay đổi (tăng, giảm) vốn đầu t− vμ chi phí vận hμnh đối với các công trình 
thủy điện bậc thang hoặc lân cận (do ảnh h−ởng điều tiết cũng nh− ảnh h−ởng thay 
đổi mức n−ớc th−ợng l−u, hạ l−u). 
- Sự thay đổi vốn đầu t− vμ chi phí vận hμnh của các công trình phục vụ lợi ích 
tổng hợp nguồn n−ớc. 
- Giảm vốn đầu t− vμ chi phí vận hμnh cho đối t−ợng thay thế. 
2) Sự thay đổi lợi ích (hμng năm) 
- Tăng thêm sản l−ợng điện năng hμng năm thu đ−ợc do tăng đ−ợc công suất đặt 
cũng nh− cột n−ớc. 
- Thay đổi (tăng, giảm) sản l−ợng điện năng ở các NMTĐ bậc thang hoặc lân cận. 
Việc tính sản l−ợng điện năng khi thay đổi MNDBT rất phức tạp. Tr−ớc hết cần xét 
đến sự thay đổi công suất đặt, bằng cách lựa chọn lại theo ph−ơng pháp nêu trong 
mục trên. Sau đó thực hiện bμi toán điều tiết năm với các giả thiết về MNC. 
Sau khi so sánh hiệu quả kinh tế còn phải xét đến hμng loạt các yếu tố an toμn khác 
nh−: hiệu quả chống lũ, an toμn vỡ đập, ảnh h−ởng môi tr−ờng, an ninh quan sự ... 
mới có thể chọn đ−ợc MNDBT. 
III. Tính toán lựa chọn mức n−ớc chết (MNC) 
Cũng nh− MNDBT để chọn MNC, tr−ớc hết cần xét đến các rμng buộc kỹ thuật. 
Có các rμng buộc chủ yếu sau: 
- Ràng buộc về bố trí công tình: MNC phải đủ cao để bố trí thuận tiện cửa nhận 
n−ớc vμ cấp n−ớc. 
Theo điều kiện nμy méo d−ới của cửa nhận n−ớc phải cao hơn cao trình bối láng 
mậot khoảng đủ để không cho bùn cát đáy kéo vμo. Còn mép trên của cửa nhận 
n−ớc phải thấp hơn MNC một khoảng để không sinh phễu xóay cuốn không khí 
nén vμo tua bin. Nh− vậy tính theo độ cao: 
 MNC ≥ MNBL + a1 + HCNN + a2 
Trong đó : MNBL - lμ cao trình bồi lắn bùn cát; 
 a1 - khoảng dự trữ an toμn chống bùn cát đáy kéo vμo cửa nhận n−ớc; 
 HCNN - chiều cao của cửa nhận n−ớc; 
 a2 - khoảng dự trữ an toμn chống phát sinh phễu xoáy khí. 
Mức n−ớc bồi lắng MNBL phụ thuộc chiều cao đáy hồ vμ l−ợng cát bồi lắng tính 
toán (trong chu kỳ tuổi thọ), còn HCNN, a1, a2 đ−ợc tính toán theo những tiêu chuẩn 
thiết kế (có các tμi liệu h−ớng dẫn riêng). 
- Ràng buộc về điều kiện làm việc của tua bin. 
Cột n−ớc lμm việc của tua bin có giới hạn tối đa, tối thiểu, phụ thuộc vμo đặc tính 
lμm việc của nó (hình 5.13). Giới hạn nμy chủ yếu nhằm đảm bảo cho tua bin đ−ợc 
lμm việc trong vùng có hiệu suất cao. ở giai đoạn thiết kế ng−ời ta phải căn cứ vμo 
cột n−ớc định mức của NMTĐ để chọn tua bin. Thông th−ờng tua bin chỉ đảm bảo 
đ−ợc hiệu suất cao trong phạm vi dao động cột n−ớc ΔH = (0,3-0,4)Hđm (tính từ 
MNDBT), với: 
 Hđm = MNDBT - Zhl(Q0); 
Trong đó: Zhl(Q0) - lμ mức n−ớc hạ l−u tính với l−u l−ợng n−ớc trung bình nhiều 
năm Q0. 
Đây cũng chính lμ chiều sâu lμm việc giới hạn của hồ (còn gọi lμ chiêu sâu khai 
thác). Nh− vậy theo điều kiện lμm việc của tua bin: 
 MNC ≥ MNDBT - HLV gh 
HLV gh đ−ợc xác định căn cứ vμo trị số ΔH vμ các điều kiện giới hạn kỹ thuật khác 
của tua bin. 
- Ràng buộc về điều kiện môi sinh lòng hồ: 
 MNC ≥ Zmin 
Trong đó Zmin - lμ mức n−ớc hồ tối thiểu để đảm bảo các điều kiện môi tr−ờng cho 
nuôi trồng thủy sản, vệ sinh lòng hồ vμ ổn định mức n−ớc ngầm cho khu vực xunh 
quanh. 
Các mức n−ớc thỏa mãn điều kiện rμng buộc đều có thể đ−ợc đ−a vμo so sánh theo 
các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật. Cần phân biệt các tr−ờng hợp khác nhau theo khả 
năng điều tiét của hồ. 
a. Hồ chứa điều tiết năm. 
Nhiệm vụ chính của hồ điều tiết năm lμ tăng sản l−ợng điện năng cho NMTĐ vμ 
tăng công suất phát trong thời kỳ ít n−ớc (nâng cao công suất đảm bảo). Vì thế nếu 
xem nh− MNDBT đã biết thì bμi toán lựa chọn MNC cũng chính lμ bμi toán lựa 
chọn chiều sâu lμm việc của hồ sao cho sản l−ợng điện năng cả năm của NMTĐ lμ 
lớn nhất. 
Với một giả thiết về chiều sâu lμm việc của hồ (hay MNC) ta hoμn toμn có thể xác 
định đ−ợc sản l−ợng điện năng cực đại sản xuất ra trong một năm của NMTĐ. Sản 
l−ợng điện năng ở đây lμ cực đại theo cách tính toán điều tiết tối −u hồ chứa với 
biểu đồ thủy văn đã cho. 
Tính với các ph−ơng án MNC khác nhau ta có thể xây dựng đ−ợc đ−ờng cong quan 
hệ giữa sản l−ợng điện năng (cực đại) hμng năm với chiều sâu lμm việc của hồ. 
Quan hệ nμy có một trị số cực đại, t−ơng ứng với chiều sâu lμm việc tối −u. 
Có thể giải thích sự tồn tại giá trị cực đại của đ−ờng cong quan hệ nh− sau. Khi 
tăng chiều sâu lμm việc của hồ một l−ợng ΔHLV t−ơng ứng với việc hạ MNC xuống 
thấp vμ lμm tăng thêm dung tích hồ chứa một l−ợng lμ ΔV. Có 2 nguyên nhân dẫn 
đến các l−ợng điện năng thay đổi: l−ợng điện năng tăng (ký hiệu lμ ΔE1) do sử 
dụng thêm l−ợng n−ớc ΔV tích lũy trong hồ từ, l−ợng điện năng giảm ( ký hiệu lμ 
ΔE2) do vận hμnh l−ợng n−ớc dòng chảy với cột n−ớc thấp hơn. Khi giảm liên tiếp 
các trị số ΔHLV bằng nhau để tăng độ sâu lμm việc thì E1 tăng chậm dần (do lòng 
hồ hẹp lại ΔV bé đi, cột n−ớc cũng thấp dần). Trong khi đó E2 vẫn giảm đều do 
công suất tỉ lệ với cột n−ớc. 
 Trên hình 6.5 thể hiện các đ−ờng cong quan hệ nói trên, tính với các năm có l−ợng 
n−ớc khác nhau (năm nhiều n−ớc, năm n−ớc trung bình vμ năm ít n−ớc). Khi l−ợng 
n−ớc giảm thấp, cực trị dịch chuyển về phía tăng thêm chiều sâu lμm việc (nghĩa lμ 
giảm MNC xuống thấp, nâng cao dung tích hữu ích của hồ). 
Chiều sâu lμm việc đ−ợc −u tiên chọn cho năm ít n−ớc nhằm nâng cao công suất 
đảm bảo cho nhμ máy. Thực ra, khi tính sản l−ợng điện năng theo ph−ơng án điều 
tiết dμi hạn tối −u (san bằng dòng chảy) thì kết quả cũng t−ơng ứng nâng cao công 
suất đảm bảo. 
Cần chú ý lμ, khi có các NMTĐ bậc thang, cùng đ−ợc xây dựng trên một dòng 
sông, thì các số gia điện năng do tăng thêm chiêu sâu lμm việc ở mỗi NMTĐ cần 
phải đ−ợc tính đến ở tất cả các NMTĐ khác. Bμi toán điều tiết phải đ−ợc thực hiện 
phối hợp nh− đã trình bầy trong ch−ơng 4. Nói chung hiệu quả tổng hợp luôn luôn 
cao hơn khi chỉ có một nhμ máy. Hơn nữa chiều sâu lμm việc các hồ có xu h−ớng 
tăng thêm (hình 6.6). 
Về nguyên tắc, việc lựa chọn các thông số cho NMTĐ nói chung vμ MNC nói 
riêng phải tuân theo các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật. Vì thế các tính toán nêu trên chỉ 
đ−ợc coi lμ b−ớc lựa chọn sơ bộ cho MNC, hơn nữa mới chỉ t−ơng ứng với một 
MNDBT đã cho. Mức n−ớc chết lựa chọn cuối cùng cho NMTĐ chỉ có đ−ợc sau 
các tính toán lựa chọn phối hợp MNDBT vμ công suất dặt của nhμ máy. 
HLV3 
HLV2 
HLV1 
Enăm 
HLV hay Vhi
 Năm nhiều n−ớc. 
 Năm n−ớc trung bình. 
 Năm ít n−ớc. 
Hình 6.5 
HLV3
HLV1
Enăm 
HLV hay Vhi 
Năm nhiều n−ớc. 
Năm ít n−ớc. 
Hình 6.6 
H'LV1
H'LV3
 b. Hồ chứa điều tiết nhiều năm. 
Mục đích của điều tiết nhiều năm không phải lμ lμm tăng sản l−ợng điện năng 
hμng năm mμ lμm tăng công suất đảm bảo vμ điện năng đảm bảo. Khi tăng chiều 
sâu lμm việc thì dung tích hữu ích của hồ chứa tăng, tuy nhiên l−ợng n−ớc sử dụng 
hμng năm hầu nh− không thay đổi. Đó lμ vì, với hồ điều tiết nhiều năm, khi đ−ợc 
điều tiết tối −u nói chung không phải xả n−ớc thừa. Trong khi đó hạ thấp MNC sẽ 
lμm hạ thấp mức n−ớc nói chung, dẫn đến sản l−ợng điện năng trung bình giảm 
xuống. Công suất đảm bảo vμ điện năng đảm bảo tăng đ−ợc lμ do có sự phân bố 
l−ợng n−ớc từ năm nhiều n−ớc sang năm ít n−ớc. Lợi ích của việc tăng thêm công 
suất vμ điện năng đảm bảo lμ lμm cho l−ợng công suất vμ điện năng của NMTĐ 
tham gia cân bằng đ−ợc cho phụ tải hệ thống nhiều hơn. Chênh lệch giữa chi phí 
(kể cả l−ợng điện năng trung bình bị giảm) vμ lợi ích sẽ lμ cơ sở để lựa chọn MNC 
tối −u. Nh− vậy với hồ điều tiết nhiều năm MNC cần đ−ợc giả thiết vμ lựa chọn 
đồng thời với quá trình tính toán lựa chọn MNDBT vμ công suất đặt. 
c. Hồ điều tiết ngắn hạn (ngày và tuần) 
Khi hồ nhỏ không đặt ra cho NMTĐ nhiệm vụ tham gia điều tiết dμi hạn. Ví dụ khi 
toμn bộ l−ợng n−ớc của hồ chỉ đủ sử dụng trong một số ít ngμy (1 tuần trở xuống). 
Trong tr−ờng hợp nμy, khi tính toán sơ bộ (chọn MNDBT vμ Nđ), nếu không vi 
phạm các giới hạn thì có thể chọn MNC sao cho đủ để diều tiết ngμy hoμn toμn. 
Dung tích điều tiết ngμy hoμn toμn có thể tính theo phần đỉnh của biểu đồ phụ tải 
tổng hệ thống. Biết Qtb vμ Htb trong mùa ít n−ớc có thể tính đ−ợc Ptb vμ ETĐ. Cho 
công suất của NMTĐ phủ đỉnh biểu đồ phụ tải tổng hệ thống với giả thiết hồ chứa 
có dung tích đủ lớn (xem ch−ơng 5) sau đó xác định Wđt. Khi đó dựa vμo điều kiện 
Wđt = Vhi suy ra MNC. 
Sau khi chọn xong MNDBT vμ Nđ cho NMTĐ, MNC có thể đ−ợc xác định lại theo 
các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật.