Đề xuất áp dụng công nghệ Nhật Bản trong vận hành thủy điện Việt Nam

Công nghệ Nhật Bản trong vận hành hồ chứa và kiểm soát lũ
Đã đến lúc chúng ta phải công bằng với thủy điện (Tạm kết)

Một số bất cập trong vận hành thủy điện Việt Nam

Theo Chủ tịch Hiệp hội Năng lượng Việt Nam (VEA) - Trần Viết Ngãi, trong những năm qua, nguồn thủy điện của Việt Nam đã được phát triển mạnh mẽ, đến nay đã đưa vào vận hành gần 400 nhà máy thủy điện ở các quy mô khác nhau, với tổng công suất khoảng 18.500 MW. Năm 2016, khoảng 35% nhu cầu điện năng toàn quốc được cung cấp từ các nguồn thủy điện.

Các dự án thủy điện đã góp phần quan trọng trong bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia. Việc vận hành hồ chứa thủy điện theo đúng quy trình đã góp phần tích cực trong việc cắt giảm lũ trong mùa mưa và điều tiết bổ sung lưu lượng nước về mùa khô cho nhu cầu nước vùng hạ du. Tại Việt Nam, các hồ chứa thủy điện đều có quy trình vận hành do Bộ Công Thương phê duyệt. Ngoài ra, các dự án trên dòng sông lớn phải thực hiện theo quy trình vận hành liên hồ chứa được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt.

Tuy nhiên, theo Chủ tịch VEA, trong thời gian qua, quá trình vận hành các nhà máy thủy điện cũng còn một số bất cập, như: chưa có thiết bị quan trắc và khả năng dự báo thời tiết với độ chính xác cần thiết, điều đó ảnh hưởng đến vận hành hiệu quả và kiểm soát chống lũ (như đã xảy ra trong hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà - tháng 10/2017 vừa qua). Các nhà máy cũng chưa có những công cụ và hệ thống kỹ thuật cần thiết để vận hành theo yêu cầu của quy trình, nhằm xây dựng phương án vận hành hiệu quả, an toàn và theo đúng với quy trình vận hành được cấp có thẩm quyền ban hành.

Trước thực tế này, ông Trần Viết Ngãi cho biết, VEA đã nghiên cứu và tiếp cận với công nghệ tiên tiến nhất của Nhật Bản hiện nay trong quản lý, vận hành hồ thủy điện an toàn, hiệu quả. Mà cụ thể là Tập đoàn Điện lực Kyushu (Kyushu  Electric Power Co., Inc.) nằm phía Tây Nam (Nhật Bản). Tập đoàn này hiện có 143 nhà máy thủy điện quy mô khác nhau, với tổng công suất 3.580 MW, chiếm 14% công suất nguồn điện. Đặc biệt, Kyushu đã phát triển thành công "Chương trình kiểm soát lũ và vận hành hồ chứa HNT" - được thiết kế với mục tiêu cung cấp thông tin theo thời gian thực hỗ trợ các nhà máy thủy điện trong công tác vận hành hồ chứa hiệu quả và kiểm soát xả lũ an toàn.

Hiệp hội Năng lượng Việt Nam cho rằng, chương trình HNT mang lại nhiều lợi ích, như: đưa ra giải pháp vận hành hồ chứa với chi phí thấp, tăng doanh thu bán điện do vận hành hiệu quả hồ chứa; kiểm soát xả lũ an toàn bằng các tính toán theo thời gian thực và được đồ thị hóa. Chương trình đã được nghiên cứu áp dụng tại một số dự án thủy điện tại Việt Nam, được chủ đầu tư các dự án này xác nhận tính hiệu quả.

Một điểm mới của chương trình là kết hợp với dự báo thời tiết ngắn và dài hạn, từ đó tính toán lượng mưa trong lưu vực và dòng chảy đến hồ chứa làm cơ sở cho việc xây dựng kế hoạch vận hành hồ chứa. Điều này sẽ giải quyết được vấn đề khó khăn tại Việt Nam hiện nay - khi tại hầu hết các dự án thủy điện không có thông tin về thời tiết theo thời gian thực phục vụ vận hành cho từng nhà máy thủy điện, cũng như phối hợp vận hành giữa các nhà máy thủy điện trong cùng bậc thang.

"Nếu áp dụng chương trình HNT sẽ mang lại hiệu quả cao cho các nhà máy thủy điện tại Việt Nam, khắc phục các nhược điểm trong quá trình vận hành hiện nay" - Chủ tịch VEA khẳng định.

Kinh nghiệm Nhật Bản và giải pháp cho Việt Nam

Theo giới thiệu của các chuyên gia Kyushu, các nhà máy thủy điện tại Nhật Bản phải vận hành theo quy định của Luật Sông ngòi, trong đó có nguyên tắc: (i) Giữ nguyên tính năng sông ngòi và giảm thiểu tác động môi trường; tham gia phòng chống thiên tai bằng cách giảm, cắt lũ, không được gây lũ nhân tạo; giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường, duy trì dòng chảy bảo vệ môi sinh, có biện pháp xả giảm độ đục của hồ và khống chế tốc độ dâng của nước. (ii) Phải có quy trình vận hành được phê duyệt.

Đặc biệt, các nhà máy thủy điện tại Nhật Bản hầu hết đều vận hành tự động, không người điều khiển. Hệ thống vận hành hồ chứa gồm các thiết bị dự báo, quan trắc đến giám sát và mô phỏng vận hành.

Đối với vấn đề thủy điện ở Việt Nam, qua nghiên cứu của Kyushu trong những năm gần đây cho thấy, vấn đề thiết bị quan trắc và năng lực dự báo của Việt Nam còn hạn chế. Hiện nay hầu hết các nhà máy thủy điện Việt Nam chưa có thiết bị quan trắc và các công cụ cần thiết để dự báo với độ chính xác cần thiết.

Theo Kyushu, công cụ để thực hiện quy trình vận hành thủy điện là sau khi có thông tin về thời tiết (như lượng mưa) cần xử lý các thông tin này bằng các mô hình toán để tính toán dự báo lưu lượng về hồ. Trên cơ sở có lưu lượng về hồ, chủ đập cần có công cụ tính toán mô phỏng quá trình vận hành để xác lập phương án hiệu quả, an toàn và đúng với quy trình vận hành được duyệt. Tuy nhiên, hiện nay hầu hết các nhà máy thủy điện Việt Nam chưa có những công cụ và hệ thống kỹ thuật để vận hành theo yêu cầu của quy trình.

Bên cạnh đó là vấn đề chia sẻ thông tin vận hành liên hồ. Kyushu cho rằng, hiện trong cùng một hệ thống sông có nhiều nhà máy do các công ty thủy điện khác nhau sở hữu và giữa các công ty này không có phương pháp để chia sẻ thông tin vận hành theo từng thời điểm, điều này làm giảm khả năng tối ưu vận hành của cả hệ thống sông cũng như khó khăn trong kiểm soát lũ về hạ lưu.

Còn vấn đề giá thành cho một hệ thống vận hành, Kyushu cho biết, với một hệ thống vận hành liên hồ tiên tiến, đầy đủ sẽ bao gồm những thiết bị như: trạm đo mưa và mực nước, ra đa thời tiết, thông tin từ vệ tinh nhân tạo, mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến đi cùng các thiết bị điều khiển vận hành cửa van, vv… sẽ có giá thành rất cao. Chẳng hạn như hệ thống mà Chính phủ Nhật Bản đang tài trợ cho Việt Nam ở sông Hương, giá thành khoảng 18,2 triệu USD. Với mức giá này, các nhà máy thủy điện ở Việt Nam sẽ gặp khó khăn về tài chính nếu có ý định mua thiết bị, công nghệ để vận hành tại lưu vực của mình từ các nước phát triển.

Tuy nhiên, các chuyên gia Kyushu cho rằng, trong điều kiện của Việt Nam, vấn đề tài chính đã có hướng giải quyết.

Thứ nhất: Để giải quyết vấn đề cung cấp thông tin dự báo thời tiết cho công tác vận hành, Kyushu đã hợp tác với các công ty thời tiết có năng lực dự báo toàn cầu và có khả năng cung cấp thời tiết theo thời gian thực trực tuyến cho các lưu vực ở Việt Nam. Như vậy, trước mắt vấn đề dự báo thời tiết cho các lưu vực ở Việt Nam sẽ được giải quyết, kể cả trường hợp chưa có thiết bị quan trắc trong các vùng này. Trong tương lai, khi các nhà đầu tư có tiềm lực để đầu tư vào thiết bị thiết bị quan trắc với mật độ cao, độ chính xác của dự báo sẽ được cải thiện đáng kể.

Thứ hai: Kyushu đã phát triển phần mềm điều khiển dòng chảy HNT. Đây là công cụ đa chức năng để hỗ trợ vận hành. Chương trình sẽ được cài đặt ở từng nhà máy để điều khiển vận hành hồ chứa và kiểm soát dòng chảy.

Thứ ba: Để giải quyết khó khăn về chia sẻ thông tin vận hành liên hồ, Kyushu đề xuất xây dựng một hạ tầng thông tin, bao gồm các máy chủ đặt ở Việt Nam, hoặc Nhật Bản và hệ thống cơ sở dữ liệu phục vụ vận hành cho các hệ thống sông ở Việt Nam.

Thứ tư: Các giải pháp như trên không đòi hỏi đầu tư ban đầu cao do không phải mua sắm thiết bị ngay, cũng như không phải kéo mạng truyền tin hữu tuyến đắt tiền để nối các thiết bị với nhau. Việc sử dụng dịch vụ thời tiết của công ty dịch vụ và mạng truyền tin internet giải quyết ngay vấn đề này.

Hiệu quả kinh tế và vận hành xả lũ an toàn

Bắt đầu từ tháng 8/2016, Tập đoàn Điện lực Kyushu đã hợp tác với Công ty Thủy điện Sử Pán 1 để thử nghiệm chương trình HNT tại Nhà máy Thủy điện Thác Xăng, công suất lắp máy 16MW, tại xã Hùng Việt, huyện Tràng Định (địa điểm xây dựng công trình đầu mối và vùng lòng hồ) và xã Bắc La, huyện Văn Lãng, xã Hồng Phong, huyện Bình Gia (vùng lòng hồ), tỉnh Lạng Sơn.

Đánh giá hiệu quả kinh tế sau thử nghiệm cho thấy, kết quả vận hành chương trình HNT đã phát huy khả năng vận hành hồ chứa rất hiệu quả kinh tế trong mùa khô và cả mùa mưa. Do nắm được tình hình thủy văn và có công cụ mô phỏng, nhà máy có thể tiết kiệm hàng tỷ đồng trong các tháng mùa khô chỉ bằng tối ưu hóa vận hành để tiết kiệm nước.

Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy, với hồ chứa có dung tích hữu ích khoảng 14 triệu m3, chỉ bằng vận hành phát điện hạ mực nước hồ trước để đón một cơn lũ nhỏ có đỉnh 170 m3/s vào mùa khô, do có năng lực dự báo nước về, nhà máy có thể thu được 9,24 tỷ đồng tiền bán điện nếu phát vào giờ cao điểm.

Đặc biệt, Thủy điện Thác Xăng có thể vận hành để sử dụng triệt để 7% lượng nước xả thừa, mang lại doanh thu thêm khoảng 1 tỷ đồng.

Đánh giá về khả năng vận hành lũ an toàn đối với Thủy điện Thác Xăng cho thấy, qua ảnh vệ tinh của chương trình và ghi chép lưu lượng vào hồ thủy điện Thác Xăng thì tình hình thủy văn miền Bắc trong mùa mưa vừa qua rất bất thường. Từ cuối tháng 6 đến giữa tháng 10 năm 2017 lũ liên tục về hồ thủy điện này, tổng cộng có 12 cơn lũ với cơn lớn nhất là 900 m3/s, các cơn lũ khác có quy mô từ 300 đến 600m3/s. Tổng lượng nước vào hồ trong 5 tháng mùa lũ là 1,853 tỷ m3.

Tại một số thời điểm, thời gian lũ ngớt, nhà máy tích cực vận hành, giảm mực nước hồ để tạo ra dung tích trống chờ cơn lũ tiếp theo, góp phần cắt lũ và nâng cao hiệu quả kinh tế.

Trong suốt thời gian lũ liên tiếp, mực nước hồ Thủy điện Thác Xăng luôn giữ ổn định ở mực nước dâng bình thường. Đây là bằng chứng xác thực cho thấy nhà máy đã chủ động kiểm soát được dòng chảy bằng phần mềm HNT để cân bằng lưu lượng xả với lưu lượng vào hồ trong các cơn lũ, không gây lũ nhân tạo.

Theo kế hoạch thương mại hóa chương trình HNT tại Thủy điện Thác Xăng, Kyushu sẽ tiến hành thực hiện dự án thí điểm, xây dựng hạ tầng kỹ thuật (vào năm 2018) và tiếp đến là thực hiện đại trà cho các nhà máy thủy điện khác, cũng như nâng cấp hệ thống cho khách hàng có nhu cầu.

Theo Kyushu, các bước thực thi cho một dự án bao gồm: (i) Nhà máy thủy điện trả chi phí cho lắp đặt phần cứng và kết nối hệ thống khi có nhu cầu; (ii) Nhà máy trả chi phí định kỳ cho dịch vụ kỹ thuật, như: dự báo thời tiết, modul tối ưu hóa, duy trì cơ sở dữ liệu,…; (iii) Nhà máy trả khoản phí cố định đầu tư ban đầu cho thiết kế thử nghiệm vận hành.

Kết luận

Theo Hiệp hội Năng lượng Việt Nam, việc áp dụng phần mềm HNT tại các nhà máy thủy điện sẽ đem lại lợi ích kinh tế và tăng độ an toàn cho công tác vận hành hồ chứa đơn lẻ, cũng như hệ thống liên hồ ở Việt Nam. Chương trình khi được triển khai trên diện rộng sẽ thu được một lượng thông tin khí tượng, thủy văn lớn trên các hệ thống sông của Việt Nam. Những thông tin này sẽ rất quan trọng cho công tác phòng chống thiên tai, giúp phòng ngừa và giảm thiểu thiên tai cho Việt Nam. Các giải pháp không chỉ áp dụng cho các nhà máy thủy điện, mà còn có thể triển khai cho hệ thống hồ đập thủy lợi.

Để công nghệ Nhật Bản áp dụng thành công tại Việt Nam, theo VEA cần thực hiện theo các giai đoạn sau:

Giai đoạn 1: Thực hiện dự án thí điểm tại một số dự án thủy điện hiện có, tận dụng tối đa các cơ sở hạ tầng kỹ thuật hiện có, chỉ đầu tư mới các thiết bị thật cần thiết. Giải pháp này không thể có độ chính xác cao và độ ổn định ngay như các hệ thống đắt tiền hoàn hảo ở các nước phát triển, nhưng giải quyết được hàng loạt các vấn đề cho thủy điện Việt Nam, có thể bắt đầu bảo đảm an toàn xả lũ trong khi tăng thu nhập do vận hành hiệu quả và tiết kiệm nước, trong khi giảm đáng kể chi phí đầu tư ban đầu. Các dự án thí điểm được thực hiện trong năm 2018.

Giai đoạn 2: Áp dụng đại trà cho các dự án thủy điện, thủy lợi tại Việt Nam sau khi có kết quả đánh giá tại các dự án thí điểm; thực hiện trong giai đoạn 2019 - 2020.

Giai đoạn 3: Đầu tư nâng cấp hệ thống vận hành liên hồ tiên tiến, bao gồm những thiết bị, như: trạm đo mưa và mực nước, ra đa thời tiết, thông tin từ vệ tinh nhân tạo, mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến, cùng các thiết bị điều khiển vận hành cửa van, vv… Nhằm nâng cao độ chính xác và độ ổn định trong quá trình vận hành, đạt trình độ tương đương với các nước phát triển.

Kiến nghị

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, ngày 15/11/2017, Hiệp hội Năng lượng Việt Nam đã có văn bản kiến nghị Thủ tướng Chính phủ giao các bộ, cơ quan, đơn vị liên quan thực hiện một số nội dung sau: 

1/ Giao Bộ Công Thương chủ trì, chỉ đạo Hiệp hội Năng lượng Việt Nam, Tập đoàn Điện lực Việt Nam làm việc với Tập đoàn Điện lực Kyushu để lựa chọn các nhà máy thủy điện để áp dụng thí điểm Chương trình HNT; các nguyên tắc chia sẻ chi phí và lợi ích trong việc áp dụng chương trình. Tổng kết, báo cáo Thủ tướng Chính phủ kết quả thực hiện thí điểm để xem xét, cho phép áp dụng đại trà tại các dự án thủy điện, thủy lợi tại Việt Nam.

2/ Giao Bộ Tài nguyên và Môi trường chủ trì, phối hợp với các bộ, cơ quan liên quan chỉ đạo Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia đánh giá năng lực dự báo thời tiết của Công ty Weathernews, để xem xét cho phép, hoặc trình cấp có thẩm quyền cho phép Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia phối hợp với Công ty Weathernews ký hợp đồng với các nhà máy thủy điện để cung cấp dịch vụ dự báo thời tiết ngắn hạn (trong vòng 48 giờ với tần suất dự báo hàng giờ được cập nhật 6 tiếng một lần); dự báo trung hạn (dự báo mưa ngày cho 15 ngày tới).

3/ Giao Bộ Công Thương chủ trì, phối hợp với Bộ Tài nguyên và Môi trường làm việc với Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA) về hỗ trợ vốn thực hiện dự án đầu tư hệ thống vận hành liên hồ tiên tiến; bao gồm đầu tư hệ thống quan trắc (trạm đo mưa và mực nước, ra đa thời tiết,…); hệ thống hạ tầng kỹ thuật (mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến,…) và các thiết bị điều khiển vận hành cần thiết khác. Tổ chức lập báo cáo đề xuất chủ trương đầu tư dự án, trình cấp có thẩm quyền phê duyệt.

Chương trình điều khiển dòng chảy HNT

HNT là chương trình dựa trên phương pháp vận hành của Nhật Bản, nhưng được thiết kế phù hợp với nhu cầu và hoàn cảnh Việt Nam, nơi thiết bị chưa được tự động hóa và các tín hiệu điều khiển chưa số hóa hay chưa được gửi theo các kênh hữu tuyến chuyên dụng. Các chức năng cơ bản gồm:

1/ Dự báo thời tiết: Sử dụng mưa bằng ảnh vệ tinh (vệ tinh tĩnh, vệ tinh động) để dự báo lưu lượng mưa giờ trong ngắn và trung hạn.

2/ Dự báo lưu lượng vào hồ: Trên cơ sở dự báo lưu lượng mưa và các đặc tính của lưu vực, dùng mô hình Tank và các phương pháp nâng cao để báo lưu lượng vào hồ.

3/ Mô phỏng vận hành: Bộ mô phỏng là nhà máy ảo, thiết lập nhiều kịch bản vận hành, mô tả nhiều phương pháp vận hành, tính toán mức nước cuối cùng, tính toán điện lượng và doanh thu bán điện.

4/ Tính toán lưu lượng vào hồ: Sử dụng các đặc tính hồ chứa để tính toán lưu lượng xả qua các cửa van, lưu lượng phát điện theo công thức đã được kiểm tra qua thực nghiệm.

5/ Chức năng hiện thị dòng chảy: Theo biến thiên mực nước, biến thiên lưu lượng vào và kiểm soát lưu lượng xả; biểu diễn lưu lượng dự báo, lượng mưa đo và dự báo.

6/ Tối ưu hóa kế hoạch vận hành: Lên kế hoạch vận hành và tối ưu hóa bằng phương pháp mô phỏng; tối ưu hóa từng nhà máy theo thời gian và tối ưu hóa hệ thống liên hồ.

7/ Các chức năng hỗ trợ vận hành khác: Tính tốc độ gia tăng lưu lượng lũ, lưu lượng xả mục tiêu, tính nhanh thời gian tích hoặc xả, xuất báo cáo vận hành.

HỘI ĐỒNG BIÊN TẬP - TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM