Điều gì xảy ra khi tuabin thủy điện khựng lại, hàng nghìn tấn nước xé toạc đường ống: Kỹ sư có cách!

Khi một nhà máy thủy điện đột ngột dừng vận hành các turbine, mực nước bên trong tháp điều áp/bể điều áp sẽ ngay lập tức chồm lên dữ dội.

Hiện tượng này chính là một cú hiện hình điển hình của hiện tượng búa nước/thủy kích trong kỹ thuật thủy lực, nơi bể điều áp đóng vai trò như một bộ giảm xóc khổng lồ, hứng chịu toàn bộ áp lực để cứu rỗi hệ thống đường ống khỏi nguy cơ bị xé rách.

Về bản chất, trong trạng thái vận hành bình thường, turbine hoạt động như một điểm xả dòng, giúp mực nước bên trong bể điều áp giữ ở một vị trí cân bằng định sẵn. Tuy nhiên, khi turbine bị ngắt đột ngột, nó lập tức biến thành một "nút chặn" bịt kín đầu ra của một đường ống dẫn vốn đang đẫn hàng ngàn khối nước cuộn chảy.

Nếu không có sự xuất hiện của bể điều áp, toàn bộ năng lượng va đập khủng khiếp của búa nước sẽ trút trực tiếp lên thành ống và các van chặn, gây ra những vụ nổ tung đường ống thảm khốc.

Bằng cách ngăn ngừa hiện tượng búa nước và đảm bảo dòng chảy ổn định của nước đến tuabin, bể điều áp có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ của máy phát điện tuabin thủy điện. Nó giảm nguy cơ hư hỏng đường ống và tuabin, đồng nghĩa với việc giảm chi phí bảo trì và sửa chữa về lâu dài. Nó cũng cải thiện hiệu suất tổng thể của nhà máy thủy điện, tăng sản lượng điện và doanh thu thu được.

Cơ chế triệt tiêu hiểm họa vô cùng ngoạn mục

Trước thời điểm sự cố, một khối nước khổng lồ liên tục được gia tốc, lao cuồn cuộn qua đường ống áp lực để lao vào turbine.

Ngay khi bộ điều khiển đóng các cánh hướng dòng vì máy phát điện không còn nhu cầu tiêu thụ công suất, khối lượng nước khổng lồ ấy theo quán tính không thể dừng lại ngay trong một khoảnh khắc, tạo nên một bước sóng tăng áp cực kỳ nguy hiểm.

Cú sốc áp lực này dội ngược lại dọc theo đường ống và va phải giao điểm mở ra một giếng đứng thẳng đứng chính là bể điều áp. Toàn bộ lượng nước dư thừa lập tức lao vút lên cao, biến thứ áp suất phá hủy chết người thành một cột nước vọt lên cao hàng chục mét.

Khi cột nước đạt đến độ cao kịch trần, vận tốc của nó giảm về gần bằng không trước khi êm ả hạ xuống, kéo theo sự dập tắt dần các dao động áp suất.

Bằng cách đó, một công trình nhìn qua tưởng chừng trống rỗng lại vận hành như một chiếc phuộc nhún thủy lực khổng lồ bảo vệ toàn bộ hạ tầng nhà máy.

Tuy nhiên, ranh giới giữa sự an toàn và thảm họa đôi khi lại nằm ở những sai sót trên bản vẽ thiết kế.

Nhiều kỹ sư thường rơi vào cái bẫy tính toán khi chỉ chuẩn bị các van chặn dựa trên điều kiện vận hành tiêu chuẩn, mà bỏ quên các kịch bản sự cố cực đoan như khi mực nước thượng lưu đạt đỉnh kết hợp với cú va đập búa nước từ việc đóng van đột ngột.

Bên cạnh đó, việc ứng dụng các bộ truyền động điện không trang bị biến tần để điều khiển tốc độ đóng mở van cũng là một nguyên nhân nhân tạo trực tiếp kích hoạt những cú búa nước nguy hiểm, đe dọa đến sự sinh tồn của toàn bộ công trình thủy điện.

Tham khảo: Science