07 2021ISSN 2734 9888 133 nNgày nhận bài 13/5/2021 nNgày sửa bài 10/6/2021 nNgày chấp nhận đăng 02/7/2021 Thu hồi năng lượng dư thừa trong mạng lưới cấp nước tiềm năng và giải pháp ở các đô thị Việt N[.]
nNgày nhận bài: 13/5/2021 nNgày sửa bài: 10/6/2021 nNgày chấp nhận đăng: 02/7/2021 Thu hồi lượng dư thừa mạng lưới cấp nước tiềm giải pháp đô thị Việt Nam Energy recovery in surplus water supply network potential and solutions in urban Vietnam > THS PHẠM HUY BẰNG Khoa Cơ khí động lực - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh Email: phamhuybang1501@gmail.com TÓM TẮT: Cùng với việc cung cấp nước đảm bảo liên tục vệ sinh, hệ thống cấp nước bền vững đòi hỏi phải cải thiện hiệu việc sử dụng lượng, giảm lượng phát thải khí carbon, giảm thất lượng mạng lưới phân phối nước Một mạng lưới cấp nước gọi đạt hiệu kinh tế, kỹ thuật áp lực điều tiết mức tương đồng nằm khoảng giới hạn định cho tất vùng tiêu thụ để giảm rò rỉ nước, giảm nguy vỡ ống điều hòa tiêu thụ Các giải pháp thiết kế, vận hành hệ thống cấp nước áp dụng phổ biến phân vùng tách mạng, bơm biến tần mang lại hiệu quả, nhiên áp lực vùng tiêu thụ có lợi áp vùng đầu mạng lưới hay vùng có địa hình thấp thường lớn so với mức yêu cầu Để triệt tiêu phần lượng dư thừa này, chủ yếu dùng thiết bị van cơng trình giảm áp, nhiên giải pháp lại lãng phí nguồn lượng sẵn có nằm lịng thị Bài báo lập luận tiềm thu hồi tái sử dụng nguồn lượng dư thừa mạng lưới phân phối nước đô thị Việt Nam Từ khóa: Mạng lưới phân phối nước, thu hồi, lượng ABSTRACT Along with the continuous and sanitation of water supply, a sustainable water supply system also requires improving energy efficiency, reducing carbon emissions, reducing water leakage, reducing energy losses in the water distribution network A water supply network is called economically and technically effective when the pressure is moderated at a similar level and is within a certain limit for all consumption areas to reduce water leakage, reducing the risk of pipe rupture and conditioning consumption Solutions for designing and operating water supply systems are popularly applied today such as network separation partitions, pump inverters have been effective, but the pressure in pressure-advantaged areas such as the network head or low-terrain areas is often very large compared to the required level To eliminate these excess energy, currently mainly using valve equipment or pressure reducing works, however, this solution wastes an existing energy source located right in the heart of urban areas The paper argues for the potential for recovery and reuse of excess energy in the water distribution network in Vietnam urban areas Key words: Water distribution network, recovery, energy ĐẶT VẤN ĐỀ Trong hệ thống cấp nước, để vận chuyển nước đến vùng tiêu thụ với áp lực tối thiểu đảm bảo yêu cầu vùng có lợi áp lực vùng đầu mạng lưới hay vùng nằm vùng địa hình thấp có áp lực dư thừa (Áp lực lớn mức yêu cầu tối thiểu) Áp lực dư thừa làm tăng lượng nước rị rỉ, làm giảm lượng nước sử dụng vùng bất lợi áp lực Số liệu tính tốn thiết kế, vận hành hệ thống cấp nước đô thị Việt Nam cho thấy áp lực bơm cấp (TB2) dao động khoảng 40m đến 50m tùy thời điểm ngày, áp lực vùng tiêu thụ bất lợi đạt mức 10m thấp Ở mức đáp ứng khiêm tốn cho thấy chênh lệch áp lực vùng tiêu thụ có lợi bất lợi áp cao, hay nói cách khác trường hợp mạng lưới có lượng lượng nước dư thừa lớn Trong tương lai sở cấp nước phải phát triển, nâng cấp hệ thống để đáp ứng yêu cầu ngày cao chất lượng dịch vụ khách hàng Một yêu cầu trì áp lực tối thiểu cho vùng tiêu thụ mạng lưới mức đủ để cấp nước trực tiếp cho ngơi nhà gia đình đến tầng mà khơng cần phải có ISSN 2734-9888 07.2021 133 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC hệ thống cấp nước cục gồm bể chứa, bơm, két nước mái hầu hết thị Khi lượng nước dư thừa đường ống tăng lên nhiều cho dù giải pháp kỹ thuật phân vùng mạng lưới, biến tần trạm bơm phát triển áp dụng Hiện việc giảm áp lực dư thừa mạng lưới phân phối nước chủ yếu sử dụng thiết bị van hay công trình giảm áp Giải pháp đạt mục tiêu giảm rị rỉ nước, giảm nguy vỡ ống, điều hòa tiêu thụ lãng phí nguồn lượng dư thừa sẵn có đường ống thị Bởi tiềm thu hồi tái sử dụng nguồn lượng dư thừa mạng lưới phân phối nước đáng quan tâm nghiên cứu đô thị Việt Nam NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1.NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG CẤP NƯỚC ĐƠ THỊ Hình Sơ đồ mạng lưới cấp nước (1- nguồn nước từ bể chứa) Bản chất việc truyền dẫn phân phối nước đến đối tượng tiêu thụ lượng từ TB2 tạo ra, chênh cao vị trí đặt bể chứa cao độ mạng lưới phân phối (nếu đủ lớn) Năng lượng từ TB2 phải đảm bảo đưa nước tới vị trí bất lợi so mạng lưới , đồng thời vị trí phải có áp lực tự cần thiết để nước đưa tới thiết bị vệ sinh vị trí bất lợi ngơi nhà ( theo TCVN:332006 H bất lợi với nhà tầng 12m) Như điểm đầu mạng lưới gần với TB2 tạo vùng lượng (áp lực cần thiết) lớn nhiều lần so với nhu cầu đối tượng tiêu thụ (trung bình từ 40-50m) Hình Sơ đồ biểu diễn mối quan hệ áp lực cơng trình cấp nước 2.2 NĂNG LƯỢNG DƯ THỪA TRONG MẠNG LƯỚI PHÂN PHỐI NƯỚC Giải pháp thiết kế, cải tạo, vận hành mạng lưới cấp nước thông dụng đô thị Việt Nam phân vùng tiêu thụ, tách mạng lưới ống phân phối độc lập cho vùng Cấu trúc mạng lưới cấp nước (Hình 1) gồm: - Mạng lưới đường ống truyền dẫn hay cịn gọi mạng cấp I, có nhiệm vụ dẫn nước từ trạm bơm cấp II đến vùng tiêu thụ Mỗi vùng tiêu thụ có khoảng 1000 đến 5000 khách hàng sử dụng nước, tương đương với lưu lượng 1000 đến 5000 m3/ngày - Mạng lưới đường ống phân phối hay cịn gọi mạng cấp II, có nhiệm vụ đấu nối từ mạng cấp I phân phối nước đến tiểu khu tiêu thụ Tại nút đấu nối từ mạng ống truyền dẫn vào mạng ống phân phối lắp đặt thiết bị quản lý, kiểm soát như: Đồng hồ đo lưu lượng, đồng hồ đo áp, van giảm áp, thiết bị thu truyền tín hiệu gọi “Nút quản lý” vùng Trong thiết kế, vận hành mạng lưới cấp nước, mô thủy lực trình làm việc thấy để đảm bảo áp lực tối thiểu cho vùng tiêu thụ bất lợi áp có nhiều vùng có áp lực lớn nhiều so với mức yêu cầu vùng đầu mạng lưới, vùng có địa hình thấp (Hình 2), phần lượng dư thừa Hình 3: Sơ đồ cấu trúc mạng lưới cấp nước Hình 4: Sơ đồ mơ lượng mạng lưới cấp nước 134 07.2021 ISSN 2734-9888 nNgày nhận bài: 15/3/2021 nNgày sửa bài: 12/4/2021 nNgày chấp nhận đăng: 07/5/2021 Năng lượng nước dư thừa ống phần chênh giá trị tổng lượng lượng tối thiểu theo yêu cầu H = H – Hmin (m) Trong đó: + H: lượng nước ống vị trí xem xét (m); + Hmin: lượng nước tối thiểu để đảm bảo dịch vụ theo quy định hay theo yêu cầu khách hàng (m) 2.3.GIẢI PHÁP THU HỒI NĂNG LƯỢNG DƯ THỪA TRONG ỐNG CẤP NƯỚC BẰNG VI THỦY ĐIỆN Hệ thống vi thủy điện phù hợp để thu hồi lượng dư thừa đường ống cấp nước nghiên cứu phát triển giới hệ thống 5BTP, phận hệ thống gồm cánh quạt hình ống năm cánh gắn với trục quay đặt đồng trục lịng ống ta khỏi ống qua cút cong 450, trục quay sau nối với máy phát điện [2] Nguyên lý hoạt động tổng lượng dòng chảy ống làm quay hệ thống cánh quạt, trục quay máy phát chuyển thành điện kết nối vào mạng điện thành phố (Hình 3) Ưu điểm hệ thống 5BTP đặt trực tiếp vào ống thực với tốc độ dòng chảy áp lực thay đổi Hiệu suất thu hồi lượng nước ống hệ thống 5BTP đạt khoảng 60% [2] Hình 3: Mô tả chi tiết lắp đặt hệ thống vi thủy điện 5BTP ống cấp nước Công suất điện hệ thống vi thủy điện thu hồi từ lượng nước dư thừa ống xác định cơng thức: P = ..g.Q.H.t (Wh) Trong đó: + : hiệu suất thu hồi lượng ống cấp nước hệ thống; + : khối lượng riêng nước, = 1000 kg/m3; + g: gia tốc trọng trường, g=9,81 m/s2; + Q: lưu lượng nước (m3/s); + H: lượng nước dư thừa ống (m); + t: thời gian tính tốn (h) Các bước để xây dựng hệ thống thu hồi lượng nước dư thừa mạng lưới cấp nước thực sau: - Bước 1: Thiết lập sơ đồ mạng lưới ống gồm mạng lưới ống truyền dẫn cho toàn khu vực cấp nước mạng lưới ống phân phối cho vùng tiêu thụ - Bước 2: Mơ thủy lực q trình làm việc tồn mạng lưới theo thời gian phần mềm Epanet, Watercad để xác định số liệu mức lượng dư thừa thu hồi “Nút quản lý” - Bước 3: Tính tốn xác định hiệu kinh tế từ số liệu lưu lượng, lượng dư thừa “Nút quản lý” sở chi phí đầu tư hệ thống chi phí điện thu hồi để định nên lắp đặt van giảm áp hay xây dựng hệ thống vi thủy điện “Nút quản lý” KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Năng lượng nước dư thừa mạng lưới phân phối nước lớn, giải pháp sử dụng thiết bị van hay cơng trình giảm áp đạt mục tiêu giảm rò rỉ, giảm nguy vỡ ống, điều hòa tiêu thụ lãng phí nguồn lượng nước dư thừa sẵn có lịng đô thị Tổng lượng nước sinh hoạt tiêu thụ đô thị Việt Nam khoảng 10,9 triệu m3/ngày, đến năm 2025 tăng lên khoảng 15 triệu m3/ngày Với u cầu ln trì đủ áp lực theo kế hoạch đảm bảo cấp nước an tồn giai đoạn đến năm 2025 thị lượng nước dư thừa mạng lưới phân phối nước trung bình khoảng 30m cột nước, tương đương với lượng điện thu hồi hệ thống vi thủy điện 5BTP khoảng 30,7 MWh Rõ ràng, lĩnh vực đầy tiềm cơng nghệ, kỹ thuật, kinh tế có ý nghĩa lớn bảo vệ môi trường, phát triển bền vững nên cần nghiên cứu, đánh giá cụ thể cho đô thị Việt Nam đặc biệt tương lai mà dịch vụ cấp nước ngày phải nâng cấp theo quy định theo yêu cầu ngày cao khách hàng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Tín Cấp nước - Mạng lưới cấp nước NXB Khoa học & Kỹ thuật 2001 [2] Samora, I.; Hasmatuchi, V; Münch-Alligné, C.; Franca, M.J.; Schleiss, A.J.; Ramos, H.M Experimental characterization of a five blade tubular propeller turbine for pipe inline installation Renew Energy 2016, 95, 356-366 [CrossRef] [3] Cobb, B.R., Sharp, K.V Impulse (Turgo and Pelton) Turbine Performance Characteristics and Their Impact on Pico-Hydro Installations, Renewable Energy, 50, 959964, 2013 [4] Urquiza, G.,Garcia, J.C., Gonzalez, J.G., Castro, L., Rodriguez, J.A., BasurtoPensado, M.A., Mendoza, O.F Failure Analysis of a Hydraulic Kaplan Turbine Shaft, Engineering Failure Analysis, 41, 108-117, 2014 [5] Rossman, L EPANET-2 Users Manual, US Environmental Protection Agency, Cincinnati, Ohio, 2000 [6] Bentley Systems, WaterGEMS V8i, GIS-Integrated Water Distribution Model, 2015 ISSN 2734-9888 07.2021 135 ... đường ống thị Bởi tiềm thu hồi tái sử dụng nguồn lượng dư thừa mạng lưới phân phối nước đáng quan tâm nghiên cứu đô thị Việt Nam NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1.NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG CẤP NƯỚC ĐƠ THỊ Hình... cấp nước 2.2 NĂNG LƯỢNG DƯ THỪA TRONG MẠNG LƯỚI PHÂN PHỐI NƯỚC Giải pháp thiết kế, cải tạo, vận hành mạng lưới cấp nước thông dụng đô thị Việt Nam phân vùng tiêu thụ, tách mạng lưới ống phân... yêu cầu khách hàng (m) 2.3.GIẢI PHÁP THU HỒI NĂNG LƯỢNG DƯ THỪA TRONG ỐNG CẤP NƯỚC BẰNG VI THỦY ĐIỆN Hệ thống vi thủy điện phù hợp để thu hồi lượng dư thừa đường ống cấp nước nghiên cứu phát triển