Cơ sở tính toán lựa chọn bơm cho trạm bơm cấp 2 khi ứng dụng công nghệ biến tần

Bài viết Cơ sở tính toán lựa chọn bơm cho trạm bơm cấp 2 khi ứng dụng công nghệ biến tần thiết lập được cơ sở tính toán lựa chọn bơm cho trạm bơm cấp 2 để tổ bơm được lựa chọn luôn hoạt động trong vùng điều khiển hiệu quả, có hiệu suất cao, an toàn, bền vững và phát huy được tối đa những ưu việt do công nghệ biến tần mang lại.

Cơ sở tính tốn lựa chọn bơm cho trạm bơm cấp ứng dụng công nghệ biến tần Calculation basis choose a pump for pump station level when applied technology inverter Nguyễn Thành Mậu Tóm tắt Tiết kiệm lượng yêu cầu cấp thiết tất ngành nghề sản xuất, hoạt động đời sống kinh tế xã hội người, vừa mang lại hiệu kinh tế vừa giảm thiểu tác động xấu đến môi trường Đối với ngành cấp nước, hệ thống cấp nước ứng dụng công nghệ biến tần điều khiển trạm bơm cấp cho phép bơm thay đổi lưu lượng, áp lực, công suất phù hợp theo nhu cầu tiêu thụ thời điểm dẫn đến giảm điện tiêu thụ không cần phải có đài điều hịa hệ thống cấp nước thông thường Nghiên cứu thiết lập sở tính tốn lựa chọn bơm cho trạm bơm cấp để tổ bơm lựa chọn hoạt động vùng điều khiển hiệu quả, có hiệu suất cao, an toàn, bền vững phát huy tối đa ưu việt công nghệ biến tần mang lại Từ khóa: Biến tần, Tiết kiệm, Điện năng, Trạm bơm Abstract Energy saving is an urgent requirement for all manufacturing industries, and human socioeconomic socioeâ life activities, it has both economic efficiency and minimizes negative impacts on the environment For the water supply industry, the water supply system applies inverter technology to control the level pumping station, allowing the pump to change the flow, pressure, and the appropriate capacity according to the consumption demand at each time leading to reduce reduced power consumption and does not need to have a regulating station as for a normal water supply system Research has to establish a basis for calculating and selecting pumps for pumping stations of level so that the selected pump groups always operate in high-efficiency and efficient control areas Full, sustainable, and maximize the advantages of inverter technology Key words: Inverter, Savings, Electricity, Pump Station ThS Nguyễn Thành Mậu Bộ môn Cấp nước Khoa Kỹ thuật hạ tầng Môi trường Đô Thị E.mail: tmnguyen2008@gmail.com ĐT: 0947287400 Ngày nhận bài: 24/5/2019 Ngày sửa bài: 27/5/2019 Ngày duyệt đăng: 9/3/2022 Mở đầu Trong hệ thống cấp nước, giải tối ưu mối liên hệ mặt lưu lượng, áp lực trạm bơm cấp tiêu thụ nước mạng lưới đường ống mang lại nhiều lợi ích kinh tế, kỹ thuật, đặc biệt vấn đề tiết kiệm điện Đối với hệ thống cấp nước thông thường, trạm bơm cấp thường làm việc với số cấp bơm định ngày nên cần phải có đài điều hịa lượng nước tiêu thụ mạng lưới gần thay đổi liên tục Đài điều hịa phải tính toán xây dựng cao độ đủ để tạo áp lực mạng lưới theo yêu cầu Áp lực trạm bơm cấp phải đủ để đưa nước vào mạng lưới theo yêu cầu đưa nước lên đài vào thời điểm lưu lượng bơm lớn lưu lượng tiêu thụ Do áp lực trạm bơm cấp xem ổn định trình hoạt động, điều dẫn đến thời điểm lưu lượng tiêu thụ mạng lưới thấp áp lực dư mạng lưới cao mức cần thiết nhiều làm cho rò rỉ nhiều hơn, đặc biệt lãng phí điện Đối với hệ thống cấp nước có ứng dụng cơng nghệ biến tần điều khiển trạm bơm cấp lưu lượng bơm cấp điều khiển để thay đổi theo lưu lượng tiêu thụ thời điểm ngày, hệ thống khơng cần đài nước điều hịa hệ thống cấp nước thông thường Nguyên lý công nghệ biến tần thiết bị biến tần biến đổi tần số dòng điện cấp vào động làm thay đổi số vòng quay động máy bơm dẫn đến thay đổi lưu lượng bơm, áp lực bơm, công suất bơm Vậy câu hỏi quan trọng đặt thay đổi cần nằm giới hạn để động hoạt động vùng có hiệu suất cao, an tồn Hiện hệ thống cấp nước thơng thường, có đài điều hịa có sở tính tốn chọn bơm cho trạm bơm cấp tài liệu giảng dạy, tài liệu chuyên ngành Còn với hệ thống cấp nước có ứng dụng cơng nghệ biến tần điều khiển trạm bơm cấp 2, khơng sử dụng đài điều hịa chưa có tài liệu hay nghiên cứu đưa Do cần thiết phải nghiên cứu thiết lập sở tính tốn cho tổ bơm (Động máy bơm) lựa chọn hoạt động vùng điều khiển hiệu quả, có hiệu suất cao, an toàn, bền vững phát huy tối đa ưu việt công nghệ biến tần mang lại Nội dung nghiên cứu Cơ sở tính tốn chọn bơm cho trạm bơm cấp hệ thống cấp nước thơng thường, sử dụng đài điều hịa: Ngun tắc chung tính tốn chọn bơm cho trạm bơm cấp hệ thống cấp nước là: (1) Xác định chế độ làm việc trạm bơm; (2) Tính tốn xác định số lượng bơm làm việc; (3) Tính tốn xác định lưu lượng, cột áp công suất bơm; (4) Lựa chọn bơm (Chủng loại, mã hiệu bơm) với sở tính tốn phải khẳng định tổ bơm lựa chọn hoạt động với hiệu suất cao, đảm bảo đúng, đủ cơng suất u cầu, an tồn, tuổi thọ cao Cơ tính tốn trạm bơm cấp hệ thống cấp nước thơng thường có sử dụng đài nước điều hòa sau: - Xây dựng biểu đồ tiêu thụ ngày dùng nước lớn - Chọn chế độ bơm cấp 2: Trên sở biểu đồ tiêu thụ nước ngày dùng nước lớn chọn chế độ bơm cấp theo dạng bậc thang cho bậc bơm bám sát biểu đồ tiêu thụ để giảm dung tích đài điều hịa, thường chọn dạng bậc thang, đến bậc bơm ngày Các bậc bơm cần chọn cho dễ dàng tổ hợp bơm làm việc bậc (Ví dụ: Bậc chọn 2% Qngày bậc chọn 3,9% Qngày 5,7% Qngày…) S¬ 44 - 2022 29 KHOA HC & CôNG NGHê - Tính số bơm hoạt động cấp bơm: n= a%.Q ngày α.Q1b Chọn n số nguyên (1-1) Trong đó: a%.Q ngày: bậc bơm lớn chế độ bơm lựa chọn; Q1b: lưu lượng bơm, thường lưu lượng bơm lấy lưu lượng bậc bơm nhỏ nhất; α: hệ số giảm lưu lượng bơm hoạt động đồng thời, phụ thuộc vào n (n=2, α=0,98; n=3, α=0,95; …) - Tính tốn xác định áp lực bơm: Trên sở lưu lượng tính tốn bơm, số lượng bơm làm việc, dự phòng (Số lượng bơm dự phòng lấy theo số lượng bơm làm việc theo tiêu chuẩn, quy phạm quy định), lưu lượng bậc bơm lớn tiến hành lập sơ đồ bố trí bơm, ống hút, ống đẩy phụ tùng, thiết bị để tính tốn áp lực bơm: H1b=Htrạm bơm = (Zđ – Zb) + Hđ + Htr + a.hd (m) (1-2) Trong đó: Zđ: cốt mặt đất nút đầu mạng lưới cấp nước (m); Zb: cốt mực nước thấp bể chứa nước (m); Hđ: Áp lực yêu cầu nút đầu mạng lưới (m); Htr: Tổn thất áp lực trạm bơm (m); a.hd: tổng thất đường ống đẩy từ trạm bơm đến nút đầu mạng lưới (m) Từ lưu lượng bơm (Q1b) áp lực bơm (H1b) dựa vào catalog hãng bơm để chọn loại bơm có hiệu suất cao, chạy ổn định, giá hợp lý… Nghiên cứu thiết lập sở tính tốn chọn bơm cho trạm bơm cấp sử dụng cộng nghệ biến tần: - Hệ thống thiết bị biến tần làm biến đổi tần số dòng điện cấp vào động dẫn đến thay đổi số vòng quay trục động làm thay đổi thông số máy bơm Mối liên hệ thông số sau: n1 60.f Q1 n1 H1  n1  N1 γ.Q.H = n = ; = ; ; (= ) ;N  = P Q2 n H  n  N n2 102.η Trong đó: n: số vịng quay trục động cơ, máy bơm; f: tần số dòng điện; P: số cặp cực; Q: lưu lượng bơm; H: áp lực bơm; N: công suất bơm; ηb: hiệu suất bơm; γ: trọng lượng riêng chất lỏng, n1 số vòng quay máy bơm tương ứng với lưu lượng bơm Q1, áp lực bơm H1 công suất bơm N1 - Mối quan hệ hiệu suất mức tải động cơ: Mức tải = Công suất (Nra) / Công suất động (Nđc) Trong đó: "tải" tức máy bơm; Nra: công suất trục động truyền cho máy bơm; Nđc: công suất định mức động cơ, cơng suất mà động hoạt động trạng thái bình thường, đảm bảo an tồn bền vững Hầu hết nhà sản xuất thiết kế động vận hành mức tải (50-100)% tải định mức hiệu mức tải 75% Khi tải giảm xuống mức 50% hiệu suất động giảm xuống nhanh Ngược lại động điện làm việc 100% tải định mức, bị tải, gây phát nóng giảm hiệu suất Hình – Biểu đồ quan hệ hiệu suất mức tải động (Nguồn: Tài liệu hướng dẫn sử dụng hiệu lượng ngành cơng nghiệp Châu Á) tính tốn lựa chọn bơm cho q trình làm việc, cơng suất bơm thay đổi dải công suất (50-100)% làm việc chủ yếu dải công suất (6080)% cơng suất định mức động Vì lưu lượng bơm tỷ lệ bậc với số vòng quay, cơng suất bơm tỷ lệ bậc ba với số vịng quay, tức tỷ lệ bậc ba với lưu lượng, nên: Nếu muốn công suất bơm thay đổi dải hoạt động chấp nhận (50-100)% công suất định mức động biến tần cần điều khiển cho số vòng quay máy bơm thay đổi dải (79-100)% lưu lượng bơm thay đổi tương ứng dải (79-100)% Nếu muốn công suất bơm thay đổi dải hoạt động tối ưu (60-80)% công suất định mức động biến tần cần điều khiển cho số vòng quay máy bơm thay đổi dải (84-93)% lưu lượng bơm thay đổi tương ứng dải (84-93)% - Thiết lập sở chọn số lượng bơm: Dựa vào biểu đồ tiêu thụ nước hệ số khơng điều hịa dùng nước lớn (Kh.max), hệ số khơng điều hịa nhỏ (Kh.min) xác định lưu lượng dùng nước lớn nhất, nhỏ Ta có: Qh.max = Qh.tb x Kh.max (m3/h); Qh.min = Qh.tb x Kh.min (m3/h) Trong đó: Qh.tb, Qh.max, Qh.min: lưu lượng dùng nước trung bình, dùng nước lớn nhất, dùng nước nhỏ hệ thống Chọn mức biến tần điều chỉnh để công suất bơm thay đổi dải hoạt động chấp nhận (50-100)%, lưu lượng bơm thay đổi dải (79-100)% Và số lượng bơm xác định cơng thức sau: n = Từ biểu đồ Hình ta thấy, để động điện đạt hiệu suất cao nên cho bơm hoạt động dải công suất chấp nhận (50-100)% Công suất định mức động cơng suất tính tốn bơm mức tối ưu (60-80)% Công suất định mức động Như muốn biến tần trạm bơm đạt hiệu tiết kiệm điện cao, làm việc an toàn, bền vững cần 30 Q h.max Q h.max = 100 Q h.min 1, 27.Q h.min 79 (2-1) Chọn n số nguyên - Thiết lập sở xác định lưu lượng bơm: Để công suất bơm hoạt động mức 75% công suất định mức động cơ, tức lưu lượng bơm 90% lưu T„P CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG lng bm ứng với công suất định mức động Lưu lượng bơm xác định cơng thức sau: Đối với phương án biến tần bơm bơm làm việc: Q1b Q h.max Q h.max = (m3 / h) 100 − 90 (n + 0,1) α [(n − 1) + (1 + )].α 100 (2-2) Đối với phương án biến tần cho tất bơm làm việc: = Q1b Q h.max Q h.max = (m3 / h) 100 − 90 1,1.n α n.[1 + ].α 100 (2-3) Trong đó: α: hệ số giảm lưu lượng bơm hoạt động đồng thời, phụ thuộc vào n (n=2, α=0,98; n=3, α=0,95; …) Từ công thức (2-2) (2-3) ta thấy rằng, lưu lượng tiêu thụ dùng nước lớn Qh.max chọn phương án biến tần cho tất bơm hoạt động lưu lượng bơm nhỏ so với phương án biến tần bơm hệ thống, hiệu lượng cao Ngồi ra, sau xác định lưu lượng bơm ta cần phải kiểm tra lại điều kiện: Qh.min ≥ 79% Q1b - Thiết lập cơng thức tính tốn áp lực bơm: Tương tự tính tốn xác định áp lực bơm trường hợp hệ thống cấp nước thơng thường, sử dụng đài điều hịa Tức là, lập sơ đồ bố trí bơm, ống hút, ống đẩy phụ tùng, thiết bị để tính tốn áp lực bơm sau: H1b=Htrạm bơm = (Zđ – Zb) + Hđ + Htr + a.hd (m) (2-4) Kết bàn luận Đối với hệ thống cấp nước, sử dụng công nghệ biến tần điều khiển trạm bơm cấp 2, đề xuất sở tính tốn chọn bơm cho trạm bơm cấp sau: 1- Cơ sở xác định số lượng bơm hoạt động: n= Q h.max 1, 27.Q h.min Chọn n số nguyên (3-1) 2- Cơ sở xác định lưu lượng bơm: Khi biến tần bơm hệ thống bơm làm việc: Q1b = Q h.max (m3 / h) ((n − 1) + 1,1).α (3-2) Khi biến tần tất bơm làm việc hệ thống: Q1b = Q h.max (m3 / h) 1,1.n.α (3-3) 3- Cơ sở xác định áp lực bơm: H1b=Htrạm bơm = (Zđ – Zb) + Hđ + Htr + a.hd (m) (3-4) 4- Với hệ thống bơm trạm bơm cấp tính tốn lựa chọn sở xác định số lượng bơm, lưu lượng bơm, áp lực bơm theo công thức (3-1), (3-2), (3-3), (3-4) điều kiện để đảm bảo cho bơm hoạt động vùng điều khiển hiệu quả, có hiệu suất cao, an tồn, bền vững, đạt hiệu tiết kiệm điện cao./ T¿i lièu tham khÀo Lê Thị Dung Máy bơm trạm bơm Đại học Xây dựng 1985 Lê Dung Cơng trình thu nước, Trạm bơm cấp nước NXB Xây dựng 2003 Trong đó: Zđ: cốt mặt đất nút đầu mạng lưới cấp nước (m); Zb: cốt mực nước thấp bể chứa nước (m); Hđ: Áp lực yêu cầu nút đầu mạng lưới (m); Htr: Tổn thất áp lực trạm bơm (m); a.hd: tổng thất đường ống đẩy từ trạm bơm đến nút đầu mạng lưới (m) Vũ Minh Đức Máy thủy lực Trường Đại học Kiến trúc 2019 Từ lưu lượng bơm (Q1b) áp lực bơm (H1b) dựa vào catalog hãng bơm để chọn loại bơm có hiệu suất cao, chạy ổn định, giá hợp lý… Võ Chí Lợi Giáo trình Động điện TS Nguyễn Văn Tín Cấp nước – Mạng lưới cấp nước NXB Khoa học & Kỹ thuật 2001 Phan Văn Cường Giáo trình biến tần Trường CĐ Công nghệ VIETTRONICS Tài liệu hướng dẫn sử dụng hiệu lượng ngành cơng nghiệp Châu Á Tính tốn nút liên kết hàn trực tiếp thép ống (tiếp theo trang 28) Độ bền nút bụng 2: N2,Rd = 986kN > 400kN - Đạt Kết luận kiến nghị Trên trình bày yêu cầu cấu tạo cách tính tốn số kiểunút liên kết trực tiếp thép ống chịu mô men chịu lực dọc, trường hợp có khe hở bụng Cách tính tốn nút liên kết khác nhiều so với tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam Các ví dụ minh họa, dễ dàng vận dụng để tính tốn số nút liên kết thông dụng kết cấu giàn thép ống thực tế Việt Nam Cần có nghiên cứu cho loại nút liên kết cho cấu kiện khác: thép hộp định hình / T¿i lièu tham khÀo Designers' Guide to Eurocode 3: Design of Steel Buildings, 2nd edition, National Annex for EN 1993-1-1 (UK NA to BS EN 1993-1-1) Tata Steel (2013), Welded Joints Examples Celsius 355 NH, Tata Steel Europe Limited Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-8: Design of joints S¬ 44 - 2022 31 ... a.hd (m) (2- 4) Kết bàn luận Đối với hệ thống cấp nước, sử dụng công nghệ biến tần điều khi? ??n trạm bơm cấp 2, đề xuất sở tính tốn chọn bơm cho trạm bơm cấp sau: 1- Cơ sở xác định số lượng bơm hoạt... giá hợp lý… Nghiên cứu thiết lập sở tính tốn chọn bơm cho trạm bơm cấp sử dụng cộng nghệ biến tần: - Hệ thống thiết bị biến tần làm biến đổi tần số dòng điện cấp vào động dẫn đến thay đổi số... 3- Cơ sở xác định áp lực bơm: H1b=Htrạm bơm = (Zđ – Zb) + Hđ + Htr + a.hd (m) (3-4) 4- Với hệ thống bơm trạm bơm cấp tính tốn lựa chọn sở xác định số lượng bơm, lưu lượng bơm, áp lực bơm theo công