Sản xuất điện năng từ các nguồn tái tạo trên toàn thế giới phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết. Không thể điều chỉnh được hiệu quả việc phát điện của các công trình năng lượng mặt trời và gió, còn đối với các nhà máy thủy điện trên dòng sông, việc điều chỉnh này chỉ ở mức giới hạn. Do đó, việc điều chỉnh sản xuất điện từ các nguồn này để đáp ứng yêu cầu của khách hàng và thị trường điện là không khả thi.
Tình hình đó dẫn đến sự cần thiết phải tích trữ năng lượng. Có rất nhiều cách để tích trữ năng lượng, nhưng khi bàn đến chuyện tích trữ một lượng năng lượng lớn, cỡ vài trăm megaoát-giờ, thì số lượng các giải pháp hợp lý là rất hiếm. Giải pháp phổ biến nhất để tích trữ năng lượng quy mô lớn là lắp đặt các công trình thủy điện tích năng. Giải pháp có lợi nhất cho công nghệ này thường được dự kiến với cột nước (chênh lệch mực nước) khoảng 300 m trở lên.
Tuy nhiên, đối với những quốc gia có địa hình tương đối bằng phẳng, lựa chọn duy nhất là xây dựng nhà máy thủy điện tích năng cột nước thấp, thường là với các cột nước dưới 100 m. Một lý do khác để có thể xây dựng các nhà máy thủy điện tích năng cột nước thấp là bố trí các công trình tích năng gần với các trại năng lượng gió hoặc trạm năng lượng mặt trời, thường được lắp đặt ở các khu vực tương đối bằng phẳng. Như vậy sẽ rút ngắn được đường dây truyền tải từ các nguồn năng lượng thay thế này tới công trình thủy điện tích năng, do đó giảm thiểu quá tải lưới điện do truyền điện qua những vùng xa xôi trong nước.
Ý tưởng thủy điện tích năng cột nước thấp
Khi xây dựng nhà máy thủy điện tích năng, điều quan trọng là phải xác định dung lượng tích nước hữu ích ở tuyến đập. Thông thường, các nhà máy thủy điện tích năng được thiết kế để cấp điện khi cần thiết, trong khoảng thời gian từ 4 đến 6 giờ. Đặc biệt là trong trường hợp tích năng cột nước thấp, yêu cầu như vậy dẫn đến dao động lớn về cột nước, thường là ±30 % cột nước danh định.
Ngoài ra, sẽ là có lợi nếu như mở rộng được khả năng điều chỉnh công suất đầu vào và đầu ra ở các chế độ bơm và phát điện lên đến 30% công suất danh định để cho phép ổn định lưới điện thật hiệu quả. Một điều không kém quan trọng là khả năng khởi động bơm hoặc phát điện trong khoảng thời gian rất ngắn hoặc khả năng khởi động đen, cho phép phục hồi lưới điện sau khi mất điện.
So với nhà máy thủy điện tích năng cột nước cao, nhà máy cột nước thấp không đòi hỏi bất kỳ yêu cầu đặc biệt nào về địa thế. Địa điểm thích hợp cho thủy điện tích năng cột nước thấp có thể tìm thấy trên một dòng sông hoặc đập cột nước thấp hiện có. Không loại trừ sử dụng các ngọn đồi nhân tạo. Đập thường được thiết kế dạng kết cấu đập trọng lực. Vì chỉ chịu tải trọng thấp, nên đập này thường được thiết kế với kết cấu bằng đất. Nhà máy điện thường được bố trí bên ngoài đập nhưng đôi khi cũng nằm trong hang ngầm dưới lòng đất. Đường hầm dẫn nước có thể dẫn dưới đập hoặc đặt ngoài trời giống như đường ống áp lực. Do chiều dài đường hầm dẫn nước ngắn, nên không nhất thiết phải trang bị tháp điều áp cho hệ thống thủy lực. Van đầu vào chính, thường là kiểu cánh bướm, có khả năng đóng được tới lưu lượng toàn phần.
Lựa chọn công nghệ bơm - tuabin
Các giải pháp đề xuất tập trung vào cấu hình gồm hai máy, tức là một cánh quạt/bánh công tác nối với một động cơ/máy phát điện. Các bơm-tuabin tiêu chuẩn được sử dụng nhiều nhất kiểu Francis phải được trang bị thiết bị điện đặc biệt cho phép thay đổi tốc độ nhằm đảm bảo bao quát toàn bộ dải vận hành yêu cầu trong cả hai chế độ vận hành. Điều này thực hiện được bằng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép hoặc một bộ biến tần công suất toàn phần đấu nối với máy phát điện đồng bộ. Đây là một giải pháp hiện đại, tiên tiến dùng cho các tổ máy công suất tới 100 MW. Giải pháp thay thế là lắp đặt bơm-tuabin Deriaz kiểu chéo thường được lắp đặt vào những năm 1960. Các kiểu máy này có khả năng bao quát một dải vận hành rộng nhờ điều chỉnh được cánh bánh công tác và không đòi hỏi thiết bị điện đặc biệt.
Các giải pháp này tương đương với nhau về chi phí và tham số thủy lực. Hình 1 so sánh kích thước chính của đường bao thủy lực cho một máy bơm-tuabin 85 MW. Các giải pháp khả thi khác không được bàn đến do dải vận hành của chúng bị hạn chế hoặc chi phí quá cao.
Tuabin Deriaz có lợi thế là giải pháp hoàn toàn cơ khí. Cánh bánh công tác điều chỉnh được đòi hỏi thiết kế phải phức tạp hơn, bao gồm một cơ chế điều chỉnh ở mayơ bánh công tác, trục rỗng với thanh điều chỉnh, và một đầu điều tiết dầu (xem Hình 2). Một giải pháp tương tự được nhiều người biết đến trong các tuabin Kaplan.
Thiết kế chế tạo máy bơm - tuabin
Thiết kế thủy lực máy bơm-tuabin là một quá trình phức tạp. Phương pháp thiết kế kỹ thuật trực giác tiêu chuẩn (standard intuitive engineering approach) đã được áp dụng, với sự hỗ trợ của các phương pháp tối ưu hóa và phân tích lưu lượng số (động lực học chất lỏng sử dụng máy tính – computational fluid dynamics, CFD). Ngoài yêu cầu về hiệu suất và vận hành an toàn đối với mọi máy bơm-tuabin, máy phải được thiết kế có đặc tính ổn định khi vận hành ở chế độ bơm. Biểu hiện của chế độ bơm không ổn định là sụt cột áp bơm kèm theo hiện tượng áp lực đập mạch rất lớn. Phân tích các kết quả CFD cho thấy khả năng tiên đoán được lề vận hành ổn định của máy bơm–tuabin.
Sau khi thiết kế thủy lực, các mô hình bơm-tuabin kiểu Francis và Deriaz được chế tạo và thử nghiệm tại phòng thí nghiệm thủy lực của công ty CKD Blansko Engineering (đơn vị thành viên của Litostroj Power Group, trụ sở tại Ljubljana, Slovenia) trên dàn thử nghiệm vạn năng. Các thử nghiệm tập trung vào các phép đo tính năng, hiệu suất và xâm thực ở các chế độ bơm và tuabin. Các kết quả đã được áp dụng để xác định các kích thước nguyên mẫu cuối cùng và đánh giá lề vận hành do xâm thực, cũng như những hiện tượng không ổn định hoặc đập mạch áp lực. Tổ máy Deriaz đã được thử nghiệm với 8 và 10 cánh bánh công tác.
Dải vận hành của máy bơm - tuabin
Việc nối trục bơm-tuabin Francis với máy phát điện đồng bộ cùng với bộ biến tần số công suất toàn phần cho phép thay đổi tần số quay thực tế của máy, tạo thêm một tham số điều chỉnh nữa.
Trong trường hợp của máy bơm-tuabin Deriaz, tham số điều chỉnh dĩ nhiên là chế độ đặt góc của cánh bánh công tác.
Biểu đồ vận hành của cả hai kiểu tổ máy ở chế độ bơm-tuabin khác nhau đáng kể (xem Hình 3). Mức hiệu suất thủy lực của các tổ máy Deriaz và Francis là tương đương nhau ở cột nước tối đa, nhưng bơm-tuabin Francis có tốc độ thay đổi được thì có hiệu suất cao hơn ở cột nước thấp hơn trong cả hai chế độ vận hành.
Chiều sâu ngập nước và đặc tính xâm thực
Dải vận hành của máy bơm-tuabin chủ yếu căn cứ vào các hạn chế về xâm thực và ổn định ở chế độ bơm hoặc áp suất đập mạch ở cả hai chế độ. Sử dụng phép đo mô hình trong phòng thí nghiệm, đã tiến hành đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng xâm thực và áp suất đập mạch đối với số xâm thực Thoma (Thoma cavitation number) và sau đó xác định được chiều sâu ngập nước yêu cầu của tuabin nguyên mẫu.
Đối với trường hợp đặt độ sâu ngập nước của bơm-tuabin, đặc tính ở chế độ bơm là quan trọng nhất, đặc biệt là do xâm thực cạnh trước. Trong trường hợp bơm-tuabin cột nước thấp, có thể chấp nhận xâm thực cạnh trước ở mức độ nào đó mà không có nguy cơ xảy ra xói mòn xâm thực. Do tốc độ đặc trưng cao hơn, nên bơm-tuabin Deriaz có đặc tính xâm thực xấu hơn, kết quả là độ sâu ngập nước phải lớn hơn khoảng 6 m so với giải pháp kiểu Francis.
Khởi động ở chế độ bơm
Bơm-tuabin thường được yêu cầu khởi động rất nhanh chóng (không tới 2 phút) để phản ứng theo yêu cầu của lưới điện hoặc để khôi phục lại lưới điện. Bơm-tuabin Francis tiêu chuẩn với máy phát điện đồng bộ cần đưa không khí vào khoang bánh công tác (runner aeration) để khởi động ở chế độ bơm, ví dụ bằng động cơ lai (pony motor) hoặc bằng bộ biến tần khởi động.
Tình hình sẽ khác trong trường hợp tổ máy được kết hợp với một bộ biến tần công suất toàn phần. Điều này cho phép khởi động tổ máy ở chế độ bơm với không gian bánh công tác đầy nước mà không cần đến thiết bị nén không khí hoặc động cơ lai. Bộ biến tần có thể đảm bảo khởi động hoạt động bơm bằng cách điều chỉnh tần số với công suất đầu vào phù hợp, không gây bất kỳ chấn động nào tới lưới điện.
Bơm-tuabin Deriaz nối trục với máy phát điện đồng bộ cũng có thể khởi động được ở chế độ bơm với không gian bánh công tác đầy nước. Với các cánh bánh công tác đã đóng lại, có thể khởi động với bộ biến tần có công suất vào khoảng 1/10 công suất danh định của máy bơm-tuabin.
Kết luận
Đối với nhà máy thủy điện tích năng cột nước thấp, máy bơm-tuabin Francis cũng như Deriaz đều đáp ứng được các yêu cầu vận hành với dải rộng biến động cột nước và điều chỉnh công suất đầu vào/đầu ra. Trong trường hợp của bơm-tuabin Francis, tham số bổ sung để điều chỉnh công suất đầu vào là tốc độ biến thiên tuabin được điều chỉnh bằng bộ biến tần công suất toàn phần. Chi phí tăng thêm cho bộ biến tần này được bù lại nhờ giải pháp cơ khí đơn giản hơn của bánh công tác và công tác đào đất đá ít tốn kém hơn vì độ sâu ngập nước nhỏ hơn. Lợi thế của máy bơm-tuabin Deriaz vận hành ở tốc độ đồng bộ là nó hoàn toàn dùng cơ khí và do đó đây là giải pháp lâu bền đáp ứng yêu cầu dải vận hành rộng, có khả năng điều chỉnh công suất đầu vào/đầu ra mà không cần thiết bị điện khác, kết quả là giảm nguy cơ sự cố.