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 246,58 11 Số tổ máy tổ 3 
6 Cột nước tối thiểu m 246,56 12 Công suất bảo đảm MW 5,72 
Trong bảng 2, MNLTK - mực nước lũ thiết 
kế; MNDBT - mực nước dâng bình thường; 
MNC - mực nước chết; Zhl - mực nước hạ lưu 
nhà máy thủy điện; Qtđmax - lưu lượng lớn nhất 
qua nhà máy thủy điện; Qtđmin - lưu lượng nhỏ 
nhất qua nhà máy thủy điện. 
ĐOAL có tổng chiều dài là 1390m, đường 
kính ngoài là 2,1m, có chiều dày đường ống 
thay đổi từ 12 ÷ 26mm, được cố định bởi 8 mố 
néo. Cắt dọc tuyến đường ống áp lực được thể 
hiện trên hình 2. Sử dụng phần mềm Transients 
mô phỏng toàn bộ TNL, sơ đồ mô phỏng được 
thể hiện trên hình 3. 
Hình 2. Cắt dọc đường ống áp lực 
Hình 3. Sơ đồ tính toán chế độ làm việc TTĐ 
3.2. Các trường hợp tính toán 
Các tổ hợp làm việc của các tổ máy thủy 
điện trong các chế độ làm việc khác nhau 
của TTĐ, tương ứng với các mực nước 
thượng - hạ lưu được thể hiện trong bảng 3. 
Với TTĐ có 3 tổ máy, số tổ hợp làm việc là 
30 bao gồm các chế độ chuyển tiếp sự cố, 
chế độ chuyển tiếp bình thường, chế độ làm 
việc ổn định. 
Bảng 3. Các trường hợp tính toán 
Công suất các tổ máy (%) 
TM1 TM2 TM3 Ztl Zhl 
Nd Nc Nd Nc Nd Nc 
TH 
m m % % % % % % 
Diễn giải 
TH1 686,53 425,00 100 0 100 0 100 0 Cắt tải 3 tổ máy tại MNLTK 
TH2 680,00 420,00 100 0 100 0 100 0 Cắt tải 3 tổ máy tại MNDBT 
TH3 674,50 420,00 100 0 100 0 100 0 Cắt tải 3 tổ máy tại MNC 
TH4 686,53 425,00 100 0 100 0 0 0 Cắt tải 2 tổ máy tại MNLTK 
TH5 680,00 420,00 100 0 100 0 0 0 Cắt tải 2 tổ máy tại MNDBT 
TH6 674,50 420,00 100 0 100 0 0 0 Cắt tải 2 tổ máy tại MNC 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 70 
Công suất các tổ máy (%) 
TM1 TM2 TM3 Ztl Zhl 
Nd Nc Nd Nc Nd Nc 
TH 
m m % % % % % % 
Diễn giải 
TH7 686,53 425,00 100 0 0 0 0 0 Cắt tải 1 tổ máy tại MNLTK 
TH8 680,00 420,00 100 0 0 0 0 0 Cắt tải 1 tổ máy tại MNDBT 
TH9 674,50 420,00 100 0 0 0 0 0 Cắt tải 1 tổ máy tại MNC 
TH10 686,53 425,00 100 100 100 100 0 100 Tăng tải 2 3 tổ máy tại MNLTK 
TH11 680,00 420,00 100 100 100 100 0 100 Tăng tải 2 3 tổ máy tại MNDBT 
TH12 674,50 420,00 100 100 100 100 0 100 Tăng tải 2 3 tổ máy tại MNC 
TH13 686,53 425,00 100 100 0 100 0 0 Tăng tải 1 2 tổ máy tại MNLTK 
TH14 680,00 420,00 100 100 0 100 0 0 Tăng tải 1 2 tổ máy tại MNDBT 
TH15 674,50 420,00 100 100 0 100 0 0 Tăng tải 1 2 tổ máy tại MNC 
TH16 686,53 425,00 0 100 0 0 0 0 Tăng tải 0 1 tổ máy tại MNLTK 
TH17 680,00 420,00 0 100 0 0 0 0 Tăng tải 0 1 tổ máy tại MNDBT 
TH18 674,50 420,00 0 100 0 0 0 0 Tăng tải 0 1 tổ máy tại MNC 
TH19 686,53 425,00 0 0 0 0 0 0 Các tổ máy ngừng hoạt động 
TH20 680,00 420,00 0 0 0 0 0 0 Các tổ máy ngừng hoạt động 
TH21 674,50 420,00 0 0 0 0 0 0 Các tổ máy ngừng hoạt động 
TH22 686,53 425,00 100 100 0 0 0 0 1 tổ máy làm việc với Nmax tại MNLTK 
TH23 680,00 420,00 100 100 0 0 0 0 1 tổ máy làm việc với Nmax tại MNDBT 
TH24 674,50 420,00 100 100 0 0 0 0 1 tổ máy làm việc với Nmax tại MNC 
TH25 686,53 425,00 100 100 100 100 0 0 2 tổ máy làm việc với Nmax tại MNLTK 
TH26 680,00 420,00 100 100 100 100 0 0 2 tổ máy làm việc với Nmax tại MNDBT 
TH27 674,50 420,00 100 100 100 100 0 0 2 tổ máy làm việc với Nmax tại MNC 
TH28 686,53 425,00 100 100 100 100 100 100 3 tổ máy làm việc với Nmax tại MNLTK 
TH29 680,00 420,00 100 100 100 100 100 100 3 tổ máy làm việc với Nmax tại MNDBT 
TH30 674,50 420,00 100 100 100 100 100 100 3 tổ máy làm việc với Nmax tại MNC 
3.3. Kết quả tính toán 
Kết quả trong bảng 4 cho thấy, trong các điều 
kiện làm việc khác nhau thì các thông số trong 
đường ống và tổ máy biến đổi rất khác nhau. 
Hình 4 thể hiện giới hạn áp lực dọc theo đường 
ống trong trường hợp 1. Nếu chỉ sử dụng tín 
hiệu trong bảng 4 (giá trị tuyệt đối) để điều 
khiển thì rất dễ mắc sai lầm vì mức độ biến 
thiên của tín hiệu quá lớn. Để tăng độ tin cậy 
cần sử dụng chênh lệch giá trị tại các vị trí khác 
nhau trên đường ống. Bảng 5 thể hiện chênh 
lệch lưu lượng trung bình thời đoạn lấy bằng 
 t= L/C (trong đó L - chiều đoạn ống, C - vận 
tốc truyền sóng nước va) giữa đầu và cuối đoạn 
ống. Chênh lệch lưu lượng tại đầu và cuối 
đường ống chỉ bằng khoảng 5 ÷ 10% giá trị lưu 
lượng lớn nhất, do đó độ nhạy về tín hiệu sẽ 
cao, giúp phát hiện sớm các sự cố trên đường 
ống. Dao động áp lực tại các vị trí cũng có thể 
xác định từ mô hình tính toán. Trên hình 5 thể 
hiện dao động áp lực tại cuối đường ống trong 
trường hợp 1. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 71 
Bảng 4. Giới hạn đường đo áp và lưu lượng tại đầu và cuối đường ống 
Vị trí 
Đầu đường ống Cuối đường ống 
Zmax Zmin Qmax Qmin Zmax Zmin Qmax Qmin 
TH 
m m m3/s m3/s m m m3/s m3/s 
TH1 695,13 679,65 15,49 -2,09 786,53 629,17 15,49 -0,15 
TH2 688,73 673,01 15,86 -2,07 778,07 623,11 15,86 -0,15 
TH3 683,29 667,52 16,25 -1,95 770,05 620,08 16,25 -0,14 
TH4 692,49 681,50 10,11 -1,46 769,77 644,81 10,11 -0,10 
TH5 686,03 674,91 10,35 -1,33 760,57 640,76 10,35 -0,10 
TH6 680,55 669,44 10,55 -1,20 752,90 638,16 10,55 -0,09 
TH7 689,68 683,63 5,08 -0,75 736,20 664,43 5,08 -0,05 
TH8 683,15 677,09 5,11 -0,72 729,37 658,75 5,11 -0,05 
TH9 676,33 674,28 5,20 -0,46 722,74 662,55 5,20 -0,04 
TH10 685,53 682,08 16,02 10,30 682,21 658,06 16,03 10,30 
TH11 678,96 675,76 15,95 10,54 675,47 652,70 15,96 10,54 
TH12 673,41 670,41 16,87 10,79 669,76 645,82 16,87 10,79 
TH13 686,32 683,22 10,59 5,13 685,49 661,00 10,53 5,13 
TH14 679,79 676,71 10,54 5,11 678,97 654,63 10,48 5,11 
TH15 674,29 670,97 10,99 5,19 673,44 649,07 10,95 5,19 
TH16 686,54 683,61 5,62 0,00 691,41 654,16 5,38 0,00 
TH17 680,00 677,09 5,60 0,00 684,82 647,82 5,36 0,00 
TH18 674,50 671,55 5,66 0,00 678,98 642,92 5,43 0,00 
TH19 686,53 686,53 0,00 0,00 686,53 686,53 0,00 0,00 
TH20 680,00 680,00 0,00 0,00 680,00 680,00 0,00 0,00 
TH21 674,50 674,50 0,00 0,00 674,50 674,50 0,00 0,00 
TH22 686,34 686,32 5,08 5,08 685,53 685,51 5,08 5,08 
TH23 679,80 679,79 5,11 5,11 678,99 678,97 5,11 5,11 
TH24 674,29 674,28 5,21 5,21 673,44 673,42 5,21 5,21 
TH25 685,52 685,51 10,37 10,37 682,15 682,14 10,37 10,37 
TH26 678,99 678,99 10,36 10,36 675,62 675,62 10,36 10,36 
TH27 673,45 673,44 10,58 10,58 669,93 669,93 10,58 10,58 
TH28 684,20 684,19 15,81 15,81 676,35 676,35 15,81 15,81 
TH29 677,64 677,64 15,89 15,89 669,72 669,72 15,89 15,89 
TH30 672,03 672,03 16,25 16,25 663,75 663,74 16,25 16,25 
Hình 4. Giới hạn áp lực dọc theo đường ống 
trong trường hợp 1 
Hình 5. Dao động áp lực tại cuối đường ống 
trong trường hợp 1
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 72 
Bảng 5. Chênh lệch lưu lượng trung bình trong thời gian t tại đầu và cuối đường ống 
Qđ-Qc Qđ-Qc Qđ-Qc 
Max Min Max Min Max Min TH 
m3/s m3/s 
TH 
m3/s m3/s 
TH 
m3/s m3/s 
TH1 1,64 -1,64 TH11 0,25 -0,20 TH21 0,00 0,00 
TH2 1,61 -1,65 TH12 0,26 -0,18 TH22 0,00 0,00 
TH3 1,53 -1,56 TH13 0,33 -0,27 TH23 0,00 0,00 
TH4 1,19 -1,22 TH14 0,33 -0,27 TH24 0,00 0,00 
TH5 1,09 -1,10 TH15 0,33 -0,25 TH25 0,00 0,00 
TH6 1,00 -0,97 TH16 0,45 -0,34 TH26 0,00 0,00 
TH7 0,72 -0,72 TH17 0,44 -0,34 TH27 0,00 0,00 
TH8 0,55 -0,57 TH18 0,44 -0,33 TH28 0,00 0,00 
TH9 0,43 -0,44 TH19 0,00 0,00 TH29 0,00 0,00 
TH10 0,27 -0,21 TH20 0,00 0,00 TH30 0,00 0,00 
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 
- Với phương pháp nghiên cứu được đề xuất 
trên đây kết hợp với sử dụng công cụ tính toán 
là phần mềm Transients, trạng thái làm việc của 
TTĐ có thể được mô phỏng chính xác trong các 
điều kiện khác nhau. Các kết quả tính toán mô 
phỏng cần được điều chỉnh trên cơ sở số liệu đo 
đạc thực tế để xem xét những biến đổi của công 
trình so với điều kiện thiết kế. 
- Phương pháp đề xuất cho phép phát hiện 
sớm các sự cố trên đường ống, từ đó giảm thiểu 
thiệt hại khi có sự cố. Phương pháp đề xuất có 
thể áp dụng với các TTĐ có kết cấu TNL bất kỳ, 
không bị giới hạn bởi sơ đồ bố trí. 
- Để có được quyết định chính xác về việc 
đóng nhanh đường ống cần kết hợp tín hiệu về 
lưu lượng và áp suất từ nhiều vị trí trên đường 
ống với tín hiệu điều chỉnh tổ máy. Kiến nghị sơ 
đồ nguyên lý bố trí thiết bị đo và kết hợp tín hiệu 
như hình 6. Trong sơ đồ này cần bố trí các đầu 
đo lưu lượng và áp suất tại đầu và cuối đường 
ống. Các tín hiệu từ các đầu đo này, cùng với tín 
hiệu về mực nước hồ chứa, chế độ làm việc của 
các tổ máy được tổ hợp tại bộ xử lý tín hiệu. Tín 
hiệu sau khi được xử lý sẽ đối chiếu với các trạng 
thái làm việc đã được giới hạn trong bảng 4 và 5. 
Nếu các tín hiệu trong phạm vi bình thường thì 
van không đóng, còn nếu các tín hiệu vượt ra các 
giới hạn nói trên thì van tiến hành đóng nhanh để 
giảm thiệt hại khi bị sự cố. Để đảm bảo tín hiệu 
xuyên suốt thì các đầu đo, bộ xử lý tín hiệu cần 
được cung cấp bởi các nguồn điện độc lập. Sơ đồ 
nguyên lý bộ điều khiển đóng van đầu đường ống 
được thể hiện trong hình 6. 
Hình 6. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển đóng 
nhanh van đầu đường ống 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 73 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Hồ Sỹ Dự và nnk (2003), Công trình trạm thủy điện, NXB Xây dựng, Hà Nội. 
Nguyễn Văn Sơn (2013), Phần mềm Transients, Trường Đại học Thủy lợi, Hà Nội. 
Nguyễn Văn Sơn và nnk (2017), Bài giảng Tin học ứng dụng trong thủy điện, Trường Đại học Thủy 
lợi, Hà Nội. 
Abstract: 
RESEARCHING BOUNDARY CONDITIONS OF SIGNALS 
FOR PENSTOCK VALVE EMERGENCY CLOSURE DEVICE 
Hydropower in Vietnam has enormous potential. Recently, many hydropower stations have been 
built with wide variety scales. One of the main structures of hydropower stations is the penstock 
with valve at its inlet. This valve is primarily operated for checking or maintaining the penstock. In 
reality, it must require to operate the penstock valve as an emergency valve to minimize damages in 
emergency closure. In this research, based on studying different operation regimes, especially 
transitive regimes, the authors set up the boundary condition of signals to control emergency 
closure device of the penstock valve. 
Keywords: Hydropower, Penstock, Penstock valve, Emergency closure device, Transitive regimes 
Ngày nhận bài: 20/3/2019 
Ngày chấp nhận đăng: 17/5/2019