Giới thiệu:

Các công trình thuỷ điện được xây dựng với quy mô lớn trên các sông, có tính chất phức tạp. Vì thế công trình thuỷ điện tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn cao, ảnh hưởng đến quá trình vận hành đập, môi trường tự nhiên, dân cư sinh sống ở vùng hạ lưu, gây nên hậu quả nghiêm trọng nếu xảy ra sự cố.

Theo điều 1 thông tư 17/2021/TT-BTNMT đã quy định “những công trình hồ chứa khai thác nước mặt để phát điện với công suất lắp máy trên 50 kW, bao gồm cả hồ chứa thủy lợi kết hợp với phát điện” phải thực hiện giám sát tự động việc khai thác, sử dụng tài nguyên nước.

Việc lắp đặt, phân tích, đánh giá, xử lý, lưu trữ và báo cáo số liệu quan trắc là bắt buộc đối với các đập thuỷ điện.

Điều 10, thông tư 17/2021/TT-BTNMT về việc giám sát hoạt động khai thác, sử dụng nước đối với công trình hồ chứa để phát điện quy định các thông số giám sát sau:

• Mực nước hồ;
• Lưu lượng xả duy trì dòng chảy tối thiểu (nếu có);
• Lưu lượng xả qua nhà máy;
• Lưu lượng xả qua tràn.

Điều 15, nghị định 114/2018/NĐ_CP về quan trắc khí tượng thuỷ văn quy định:

• Đối với đập, hồ chứa nước có cửa van điều tiết lũ, phải quan trắc lượng mưa trên lưu vực, mực nước tại thượng lưu, hạ lưu đập; tính toán lưu lượng đến hồ, lưu lượng xả; dự báo lưu lượng đến hồ, khả năng gia tăng mực nước hồ chứa.
• Đối với đập, hồ chứa nước lớn có tràn tự do, phải quan trắc lượng mưa trên lưu vực, mực nước tại thượng lưu, hạ lưu đập; tính toán lưu lượng đến hồ, lưu lượng xả.
• Đối với đập, hồ chứa nước vừa có tràn tự do, phải quan trắc mực nước tại thượng lưu, hạ lưu đập, tính toán lưu lượng xả.
• Đối với đập, hồ chứa nước nhỏ có tràn tự do, phải quan trắc mực nước tại thượng lưu, hạ lưu đập và mực nước tại đập tràn.

Giải pháp:

Để giúp các công trình thuỷ điện đáp ứng được các quy định của nhà nước về quan trắc môi trường, công ty Fasfartech xin giới thiệu giải pháp như sau:

• Bộ Datalogger trung tâm FAS-2.2DA làm nhiệm vụ giám sát, thu thập, tính toán, xử lý dữ liệu và truyền dữ liệu về bộ TNMT, sở TNMT theo đúng thông tư 17 của bộ Tài nguyên Môi trường, Cục quản lý tài nguyên nước. Ngoài ra thiết bị còn cho phép hiển thị tại chỗ, hiển thị trên nền web để theo dõi từ xa cho chủ đầu tư.
• Các cảm biến được kết nối với Datalogger trung tâm FAS-2.2DA theo giao thức modbus RTU, Modbus TCP, hoặc tín hiệu 4-20mA, tín hiệu xung từ cảm biến đo mưa.
• Đối với những cảm biến ở xa không thể kéo dây tới Datalogger trung tâm, có thể kết nối với Datalogger nhánh FAS-4.2DA, sau đó Datalogger nhánh sẽ kết nối dữ liệu với Datalogger trung tâm thông qua sóng 3G hoặc mạng internet.
• Hệ thống bao gồm:
• Cảm biến đo lưu lượng: sử dụng các sensor đo thăng bằng kế, bộ mã hóa đo góc mở của các cửa van, cảm biến siêu âm…
• Cảm biến đo mực nước: sử dụng cảm biến đo áp suất thủy tĩnh.
• Cảm biến đo lượng mưa kiểu chao lật, đo lượng mưa ra tín hiệu xung.
• Camera giám sát.

Giải pháp kỹ thuật chi tiết của Fasfartech

Sơ đồ kết nối các thiết bị 

Giải pháp lắp đặt hệ thống giám sát khai thác, sử dụng tài nguyên nước cho công trình thủy điện thể hiện trong hình sau:

Lưu đồ giải pháp lắp đặt thiết bị

 Các trạm quan trắc

Quan trắc mực nước thượng lưu tự động

Việc sử dụng trạm đo mực nước tự động phát huy những ưu điểm vượt trội so với phương pháp quan trắc thủ công bằng thủy chí: Độ chính xác cao, loại bỏ sai số do quan trắc bằng mắt gây ra bởi sóng, gió, dữ liệu tự động lưu trữ nên thuận tiện khi xem xét lịch sử mực nước, dữ liệu quan trắc gần như realtime (tần suất truyền dữ liệu 1 phút, 2 phút, 5 phút…) và hiển thị trên hệ thống phần mềm, từ phòng điều khiển trung tâm của thủy điện cán bộ vận hành theo dõi mực nước mà không cần trực tiếp lên vị trí đập để đọc số đọc thủy chí…

Hơn nữa từ mực nước thượng lưu quan trắc dựa vào đường quan hệ địa hình lòng hồ Z-F-V để nội suy ra dung tích tổng lượng nước chứa trong hồ thủy điện kết hợp với tổng lưu lượng xả ra khỏi hồ để tính toán được lưu lượng vào hồ tại thời điểm đó. Việc tính toán này vừa đáp ứng thông tư, nghị định lại vừa thông tin được đến cán bộ vận hành giá trị lưu lượng nước về hồ, đây là một thông tin quan trọng để ban giám đốc và cán bộ vận hành thủy điện đưa ra quyết định vận hành tối ưu kinh tế và đảm bảo an toàn cho đập, hồ chứa.

Sử dụng cảm biến đo mực nước tự động dạng Radar sẽ bị sai khi có sóng lớn và khi có vật cản như củi cây khô trên mặt hồ, để giám sát mực nước với sự ổn định cao, Fasfartech sử dụng cảm biến áp suất đo mực nước để giải quyết nhược điểm của cảm biến Radar. Độ chính xác của thiết bị đảm bảo theo quy định thông tư 17/2021/TT-BTNMT. Dữ liệu mực nước được kết nối với bộ truyền dữ liệu FAS-4.2DA và kết nối tín hiệu đến bộ datalogger trung tâm FAS-2.2DA đặt tại nhà máy thông qua mạng cáp quang.

Từ datalogger trung tâm giá trị mực nước sẽ được hiển thị trên phần mềm và kết nối, truyền tín hiệu đến các cơ quan chức năng thông qua Internet với địa chỉ IP tĩnh, dạng dữ liệu FTP, đồng thời truyền và lưu trữ dữ liệu đám mây.

Cấu tạo trạm

Cấu tạo của trạm đo gồm 02 phần chính:

• Bộ truyền dữ liệu FAS-4.2DA
• Cảm biến đo mực nước

Hình ảnh lắp đặt trạm đo mực nước bằng cảm biến áp suất tại thủy điện

Giải pháp thi công

Trạm đo mực nước tự động được lắp đặt đảm bảo yêu cầu kỹ thuật quy định trong thông tư số 26/2012/TT-BTNMT của bộ tài nguyên và môi trường về việc ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về quan trắc thủy văn. Đảm bảo các yêu cầu như sau:

• Lựa chọn vị trí phù hợp quan trắc được mực nước thấp nhất và cao nhất.
• Vị trí quan trắc có mực nước ít dao động nhất, không bị ảnh hưởng nhiều bởi dòng chảy.
• Vị trí ổn định vững chắc phù hợp thuận tiện cho việc lắp đặt thiết bị.
• Thi công ống kẽm bảo vệ và đặt cảm biến vào bên trong.

Quan trắc lưu lượng xả tối thiểu

Phương án thực hiện

Sử dụng cảm biến đo lưu lượng siêu âm để giám sát lưu lượng xả tối thiểu qua cống tròn. Nguyên lý đo sử dụng nguyên lý đo độ chênh lệch tần số siêu âm, gọi là Doppler frequency shift:

Thiết bị đo lưu lượng theo nguyên lý này dựa trên sự thay đổi của tần số siêu âm. Trong đó tần số truyền đi bị thay đổi 1 cách tuyến tính đo gặp phải sự phản xạ từ các phần tử hay các bong bóng khí của lưu chất. Kết quả là có sự chênh lệch tần số giữa 2 thiết bị thu và phát tần số siêu âm, và sự thay đổi này có liên quan trực tiếp tới vận tốc của dòng chảy. Nếu biết được đường kính trong của ống, ta có thể tính được lưu lượng thể tích.

Thiết bị đo có 1 bộ cảm biến gồm máy phát sóng siêu âm và thu sóng siêu âm.

Cấu tạo

• Cảm biến đo lưu lượng siêu âm
• Bộ hiển thị số liệu
• Bộ truyền số liệu FAS-4.2DA

Hình ảnh vị trí lắp cảm biến đo lưu lượng siêu âm qua đường ống tròn

Dữ liệu từ cảm biến được kết nối đến bộ truyền dữ liệu FAS-4.2DA rồi truyền về datalogger trung tâm FAS-2.2DA thông qua mạng dây cáp quang. Từ datalogger trung tâm FAS-2.2DA giá trị lưu lượng xả tối thiểu sẽ được hiện thị trên phần mềm, kết nối và truyền tín hiệu đến các cơ quan chức năng dạng dữ liệu FTP thông qua internet với địa chỉ IP tĩnh.

Giải pháp thi công

• Lựa chọn vị trí đặt bộ truyền dữ liệu FAS-4.2DA và cảm biến đo lưu lượng siêu âm phù hợp không làm ảnh hưởng đến bố trí của các thiết bị sẵn có tại nhà máy.
• Vị trí đặt cảm biến dễ trông coi, bảo trì bảo dưỡng thiết bị.
• Vị trí đặt đảm bảo theo các yêu cầu kỹ thuật của thiết bị.
• Đảm bảo an toàn khi thi công.
• Chủ đầu tư đảm bảo hạ tầng mạng tại vị trí lắp đặt.

Thiết bị quan trắc lưu lượng xả qua tràn tự do xả lũ

Phương án thực hiện

Lưu lượng xả qua tràn tự do sẽ được tính toán tự động trên phần mềm của datalogger trung tâm, hiển thị với các thông số đầu vào là mực nước thượng lưu đã được đo đạc và thông số tràn được nhập trực tiếp lên phần mềm.

Thông số tràn được nhập trực tiếp lên phần mềm với các thông số như sau:

• Chiều rộng khoang tràn.
• Cao trình ngưỡng tràn.
• Hệ số lưu lượng.
• Hệ số giảm lưu lượng.

Giao diện nhập trên phần mềm như sau:

Tính toán lưu lượng xả qua tràn tự do theo TCVN 9147 : 2012 công trình thủy lợi - Qui trình tính toán thủy lực đập tràn - Sổ tay kĩ thuật thủy lợi. Hoặc tính toán theo quy trình vận hành hồ chứa được cài đặt trên phần mềm.

Thiết bị quan trắc lưu lượng xả qua nhà máy

Phương án thực hiện

Tín hiệu lưu lượng qua cửa van được truyền về datalogger trung tâm. Từ datalogger trung tâm giá trị lưu lượng qua nhà máy sẽ được hiện thị trên phần mềm và kết nối, truyền tín hiệu đến các cơ quan chức năng thông qua Internet với địa chỉ IP tĩnh, dạng dữ liệu là FTP.

Giải pháp thi công

• Lựa chọn vị trí đặt bộ truyền dữ liệu FAS-4.2DA phù hợp không làm ảnh hưởng đến bố trí của các thiết bị sẵn có tại nhà máy.
• Vị trí đặt đảm bảo theo các yêu cầu kỹ thuật của thiết bị.
• Đảm bảo an toàn khi thi công.
• Chủ đầu tư đảm bảo hạ tầng mạng tại vị trí lắp đặt.

Hệ thống Datalogger giám sát điều khiển ở trung tâm

Phương án thực hiện

Lắp đặt bộ máy tính công nghiệp datalogger FAS-2.2DA tại phòng điểu khiển trung tâm nhà máy. Phần mềm hỗ trợ vận hành thủy điện được cài đặt sẵn trên datalogger. Phần mềm có các chức năng cơ bản sau đây:

• Hiển thị các số liệu đo đạc từ các trạm quan trắc theo thời gian thực, hiển thị dữ liệu dạng biểu đồ thời gian, hiển thị dạng bảng, xuất file Excel báo cáo.
• Lập trình tính toán các giá trị được quy định trong các văn bản pháp lý, phục vụ việc truyền dữ liệu về cục quản lý tài nguyên nước.
• Thu thập số liệu thường xuyên, liên tục, có thể trích dữ liệu bất kỳ thời điểm nào theo diễn biến bất thường của thời tiết hoặc thiên tai.
• Cảnh báo khi có các dữ liệu bất thường, vượt ngưỡng cài đặt qua Email, tin nhắn SMS.
• Tần suất hiển thị các dữ liệu 1 phút, 5 phút, 15 phút /lần tùy theo cài đặt người dùng.
• Không yêu cầu cấu hình máy, có thể xem trực tiếp trên Smart phone và máy tính có kết nối Internet. Do đó cán bộ vận hành hoàn toàn có thể đăng nhập sử dụng phần mềm dạng web của datalogger thông qua IP tĩnh.
• Truyền tệp dữ liệu dạng FTP đến các cơ quan chức năng theo quy định của Thông tư 17/TT- BTNMT qua hình thức phụ thuộc và hệ thống nhận dữ liệu được cơ quan chức năng xây dựng.

Về chuẩn dữ liệu và truyền dữ liệu đến Cục Quản lý Tài nguyên nước

Một trạm quan trắc truyền một thông số đo (không truyền trùng lặp dữ liệu mỗi lần truyền là 1 file).

Mỗi lần một trạm quan trắc truyền dữ liệu về hệ thống (FTP Server) theo 1 file dữ liệu dạng text theo quy chuẩn sau:

+ Tên file: MaTinh_KyHieuCongTrinh_KyHieuTram_ThongSoDo_ThoiGianGui.txt trong đó:

     * (dấu phân cách): Là một ký tự Underscore (_).

     * MaTinh: Tên viết tắt của tỉnh nơi trạm quan trắc tự động được lắp đặt

     * KyHieuCongTrinh: Tên viết tắt của công trình, viết liền không dấu, không quá 16 ký tự (Doanh nghiệp tự quy ước nhưng không được thay đổi)

    * KyHieuTram (*): Ghi theo ký hiệu của công trình hoặc ký hiệu của các giếng… trong giấy phép được cấp. Viết liền không dấu, không quá 16 ký tự

    * ThongSoDo: Là ký hiệu của thông số đo

    * ThoiGianGui: Là thời gian gửi file dữ liệu quan trắc (tính theo đồng hồ của bên gửi dữ liệu) chính xác đến mức giây theo định dạng yyyyMMddHHmmss

• yyyy: là định dạng năm gồm bốn chữ số
• MM: là định dạng tháng gồm hai chữ số
• dd: là định dạng ngày gồm hai chữ số
• HH: là định dạng giờ gồm hai chữ số (chuẩn 24 giờ)
• mm: là định dạng phút gồm hai chữ số
• ss: là định dạng giây gồm hai chữ số

Các bước thực hiện kết nối tài khoản với cục tài nguyên nước thể hiện trên hình sau:

 

Yêu cầu lắp đặt, vận hành

• Phải có biện pháp lắp đặt thiết bị được phê duyệt
• Thiết bị, phương tiện, dụng cụ phục vụ lắp đặt phải đảm bảo đầy đủ trước khi triển khai công việc.
• Biện pháp lắp đặt phải đảm bảo an toàn lao động cho người, thiết bị lắp đặt và biện pháp an toàn điện theo quy định của pháp luật về an toàn lao động.
• Biện pháp lắp đặt tuân thủ các quy định về bảo vệ môi trường theo quy định của pháp luật về bảo vệ môi trường.
• Biện pháp lắp đặt phải tuân thủ quy định hiện hữu của nhà máy thủy điện về phòng chống cháy nổ, đồng thời phải có biện pháp phòng chống cháy nổ theo quy định được phê duyệt trước khi thực hiện lắp đặt hệ thống.
• Đảm bảo tiến độ lắp đặt theo quy định đã được phê duyệt.
• Sau khi lắp đặt hệ thống phải được vận hành đảm bảo các thông số kỹ thuật của thiết bị.
• Thời gian bảo hành hệ thống là 12 tháng.
• Nhân lực thực hiện: 04 người.
• Tiến độ thực hiện lắp đặt: 07 ngày.

Lời kết:

Hệ thống các thiết bị giám sát tài nguyên nước cho nhà máy thủy điện được lắp đặt sẽ đảm bảo tính an toàn cho công trình đập thủy điện, nâng cao hiệu suất khai thác nguồn tài nguyên nước hiệu quả. Đồng thời phục vụ công tác dự báo lũ, lập kế hoạch vận hành an toàn hồ chứa và kế hoạch phân phối nước hàng năm. Làm căn cứ để lập và thực hiện kế hoạch sẵn sàng trong tình trạng khẩn cấp, đảm bao an toàn cho đập và vùng hạ du.