Nghiên cứu khả năng ứng dụng khớp nối thủy lực trong trạm bơm

LỜI CẢM ƠN Luận văn “Nghiên cứu khả ứng dụng khớp nối thủy lực Trạm bơm” đƣợc hoàn thành trƣờng Đại học Thủy lợi Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Dƣơng Thanh Lƣợng tận tình hƣớng dẫn tác giả hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn giảng viên Khoa Kỹ thuật tài nguyên nƣớc – trƣờng Đại học Thủy Lợi, đồng nghiệp ngành cung cấp tài liệu phục vụ cho luận văn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến ngƣời thân gia đình, bạn bè đồng nghiệp khích lệ, ủng hộ, động viên mặt cho tác giả hoàn thành luận văn Do hạn chế mặt thời gian, kiến thức khoa học kinh nghiệm thực tế nên trình nghiên cứu để hồn thành luận văn, chắn khó tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận đƣợc nhận xét đóng góp thầy cô, nhà chuyên môn Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả luận văn Trần Quốc Thanh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn sản phẩm nghiên cứu riêng cá nhân Các số liệu kết luận văn hoàn toàn trung thực chƣa đƣợc công bố trƣớc Tất trích dẫn đƣợc ghi rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả luận văn Trần Quốc Thanh MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Chế độ làm việc Trạm bơm [1] 1.1.1 Đƣờng đặc tính máy bơm ly tâm 1.1.2 Đƣờng đặc tính máy bơm hƣớng trục 1.1.3 Đƣờng đặc tính máy bơm hƣớng chéo 11 1.2 Điểm công tác máy bơm [1] 12 1.3 Điều chỉnh trạng thái làm việc máy bơm [1] 14 1.3.1 Điều chỉnh trạng thái làm việc máy bơm phƣơng pháp thay đổi tổn thất cột nƣớc đƣờng ống 14 1.3.2 Điều chỉnh trạng thái làm việc máy bơm phƣơng pháp thay đổi đƣờng đặc tính máy bơm 17 1.4 Các phƣơng pháp điều chỉnh số vòng quay máy bơm [1] 24 1.4.1 Động nƣớc động đốt 24 1.4.2 Điều chỉnh số vòng quay Biến tần 24 1.4.3 Điều chỉnh số vòng quay Khớp nối thủy lực 28 1.5 Cơ sở lý thuyết khớp nối truyền động khớp nối thủy lực 30 1.5.1 Lý thuyết truyền động thủy động 30 1.5.2 Khớp nối thủy lực loại khớp nối thủy lực 31 1.6 Tình hình ứng dụng khớp nối thủy lực trạm bơm 34 1.6.1 Các ứng dụng khớp nối thủy lực truyền động 34 1.6.2 Ứng dụng khớp nối thủy lực trạm bơm công nghiệp 34 1.6.3 Ứng dụng khớp nối thủy lực trạm bơm nông nghiệp, thủy lợi 35 CHƢƠNG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ NĂNG LƢỢNG TIÊU THỤ CỦA TRẠM BƠM KHI MÁY BƠM THAY ĐỔI ĐƢỢC SỐ VÒNG QUAY 38 2.1 Cơ sở lý thuyết vẽ lại đƣờng đặc tính máy bơm số vịng quay thay đổi [1] 38 2.1.1 Định luật đồng dạng ứng dụng định luật đồng dạng vẽ lại đƣờng đặc tính máy bơm số vòng quay thay đổi 38 2.1.2 Vẽ lại đƣờng đặc tính H~Q ứng với số vịng quay n1 biết đƣờng H~Q ứng với số vòng quay n 41 2.1.3 Vẽ lại đƣờng đặc tính N~Q ứng với số vịng quay n1 dựa vào đƣờng đặc tính N~Q ứng với số vòng quay n 44 2.1.4 Vẽ lại đƣờng η ~Q số vòng quay n thay đổi 44 2.2 Chế độ làm việc tổng hợp máy bơm 45 2.3 Chỉ tiêu để tìm chế độ làm việc tối ƣu Trạm bơm 46 2.4 Thuật tốn tìm chế độ làm việc tối ƣu Trạm bơm 47 CHƢƠNG HIỆU QUẢ SỬ DỤNG KHỚP NỐI THUỶ LỰC TRONG VẬN HÀNH TRẠM BƠM 50 3.1 Xác định chi phí đầu tƣ khớp nối Thủy lực 50 3.2 Xác định Hiệu ích Khớp nối thủy lực 51 3.2.1 Hiệu ích tiết kiệm điện tiêu thụ trạm bơm 51 3.2.2 Hiệu ích tiết kiệm thiết bị điện 54 3.3 Lập tiêu tối ƣu để đánh giá hiệu sử dụng khớp nối Thủy lực vận hành trạm bơm 54 3.4 Áp dụng tính tốn cho Trạm bơm n Nghĩa – TP Hà Nội 55 3.4.1 Giới thiệu Trạm bơm Yên Nghĩa 55 3.4.2 Đƣờng đặc tính máy bơm yêu cầu tiêu thiết kế 65 3.4.3 Tính tốn tối ƣu chế độ làm việc trạm bơm thay đổi số vòng quay 67 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC 78 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tam giác vận tốc Hình 1.2 Đƣờng đặc tính H~Q vẽ theo lý thuyết máy bơm ly tâm Hình 1.3 Đƣờng đặc tính Q~N vẽ theo lý thuyết máy bơm ly tâm .7 Hình 1.4 Đƣờng đặc tính ~Q Hình 1.5 Đƣờng đặc tính máy bơm ly tâm Hình 1.6 Đƣờng đặc tính máy bơm hƣớng trục 10 Hình 1.7 Đƣờng đặc tính tổng hợp máy bơm hƣớng trục 11 Hình 1.8 Đƣờng đặc tính máy bơm hƣớng chéo 12 Hình 1.9 Đƣờng đặc tính tổn thất cột nƣớc đƣờng ống 12 Hình 1.10 Điểm cơng tác máy bơm 13 Hình 1.11 Hai cách tìm điểm cơng tác máy bơm 14 Hình 1.12 Quá trình thay đổi điểm cơng tác điều chỉnh khố 15 Hình 1.13 Tổn thất cơng suất điều chỉnh khoá đẩy 17 Hình 1.14 Tam giác vận tốc .18 Hình 1.15 Sơ đồ điều chỉnh cánh quạt máy bơm 19 Hình 1.16 Đƣờng đặc tính máy bơm ly tâm ứng với đƣờng kính khác 22 Hình 1.17 Đƣờng đặc tính thay đổi gọt bánh xe cánh quạt .23 Hình 1.18 Điểm cơng tác thay đổi theo vịng quay .24 Hình 1.19 Cơng ty thép Việt Nhật sử dụng công nghệ biến tần sản xuất 26 Hình 1.20 Khớp nối thuỷ lực 29 Hình 1.21 Mơ ngun lý làm việc khớp nối thủy lực 30 Hình 1.22 Nguyên lý làm việc khớp nối Thủy lực 31 Hình 1.23 Nguyên lý làm việc khớp nối Thủy lực 32 Hình 1.24 Khớp nối thủy lực cho máy bơm làm mát – Nhiệt điện Phả lại 35 Hình 1.25 Khớp nối trạm bơm Bangpu – Thái Lan (máy bơm 25m3/s/máy) 35 Hình 1.26 Khớp nối trạm bơm Bangpu – Thái Lan 36 Hình 1.27 Khớp nối trạm bơm “Raw Water Pump Station Bangkok” 36 Hình 1.28 Sơ đồ kết nối Khớp nối Thủy lực với máy bơm động 37 Hình 2.1 Vẽ lại đƣờng đặc tính số vịng quay thay đổi .41 Hình 2.2 Vẽ lại đƣờng đặc tính số vịng quay thay đổi .43 Hình 2.3 Các điểm cơng tác máy bơm để tìm chế độ làm việc tối ƣu (khi thay đổi góc nghiêng cánh quạt) .45 Hình 2.4 Các điểm cơng tác máy bơm để tìm chế độ làm việc tối ƣu (Khi thay đổi số vòng quay) 45 Hình 2.5 Sơ đồ khối để tìm chế độ làm việc tối ƣu TB (Khi thay đổi số vòng quay) 49 Hình 3.1 Đƣờng đặc tính điểm công tác ban đầu máy bơm 52 Hình 3.2 Đƣờng đặc tính điểm cơng tác máy bơm sau thay đổi số vòng quay 53 Hình 3.3 Lƣu vực tiêu trạm bơm Yên Nghĩa hệ thống tiêu khu vực phía tây TP Hà Nội 56 Hình 3.4 Bố trí tổng thể khu đầu mối trạm bơm Yên Nghĩa 58 Hình 3.5 Phối cảnh tổng thể khu đầu mối Trạm bơm Yên Nghĩa 59 Hình 3.6 Đƣờng đặc tính máy bơm 65 Hình 3.7 Đƣờng trình yêu cầu tiêu – Trạm bơm Yên Nghĩa 66 Hình 3.8 Đƣờng đặc tính H~ Q η ~ Q điểm công tác ban đầu máy bơm 68 Hình 3.9 Đƣờng đặc tính N~Q điểm cơng tác ban đầu máy bơm 68 Hình 3.10 Đƣờng đặc tính NPSH điểm cơng tác ban đầu máy bơm 69 Hình 3.11 Diễn biến q trình điều chỉnh số vịng quay n tƣơng ứng với trình tiêu yêu cầu theo 73 Hình 3.12 Diễn biến hiệu suất máy bơm thay đổi số vòng quay tƣơng ứng với trình tiêu yêu cầu theo .73 Hình 3.13 Thời gian bơm thực tế máy bơm (Xét lƣu lƣợng tiêu cho 1h bơm tiêu yêu cầu) 74 Hình 3.14 Diễn biến lƣợng tiêu thụ máy bơm thay đổi số vòng quay tƣơng ứng với trình tiêu yêu cầu theo .74 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 So sánh chế độ làm việc máy bơm thay đổi số vòng quay n .53 Bảng 3.2 Bảng trình tiêu 48h thiết kế - TB Yên Nghĩa .66 Bảng 3.3 Kết tính tốn lựa chọn số máy số vịng quay điều chỉnh tối ƣu 70 DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT TB: Trạm bơm KNTL: Khớp nối thủy lực PTHH: Phần tử hữu hạn TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam TVTK: Tƣ vấn thiết kế NXB: Nhà xuất MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trạm bơm phục vụ tƣới tiêu, cấp thoát nƣớc Việt nam chiếm vị trí quan trọng phục vụ sản xuất nông nghiệp nhƣ phát triển đô thị Theo thống kê nƣớc ta có khoảng 10.000 trạm bơm 2.000 trạm bơm lớn vừa với tổng công suất lắp máy tƣới 250 MW, tiêu 300 MW Cho đến nay, hàng loạt trạm bơm tƣới vùng đồng Bắc Bộ đƣợc xây dựng để tƣới trực tiếp cho 3,5 triệu ha, tƣới tạo nguồn 1,13 triệu ha, tiêu cho khoảng triệu Các trạm bơm tiêu biểu cho số vùng kể đến là: Lâm Thao, Sơn Cƣơng, Bạch Hạc, Đại Định, Thanh Điềm (Vĩnh Phúc); Trịnh Xá , Kim Đôi, Môn Quảng, Đặng Xá, Tân Chi, Văn Thai (Hà Bắc); Phù Sa, Đan Hoài, Hồng Vân, La Khê (Hà Tây); Ấp Bắc, Nam Hồng, Đông Mỹ, Yên Sở (Hà Nội); Nhâm Tràng, Kinh Thanh, Chợ Lƣơng, Giáp Ba, Triệu Xá (Hà Nam); Cổ Đam, Quỳ Độ, Nhâm Tràng, Kinh Thanh, Cốc Thành, Nhƣ Trác (Nam Định); Nhƣ Quỳnh, Văn Lâm, Văn Giang (Hƣng Yên); Cầu Khải, Hoằng Khánh, Nam Sông Mã, Thiệu Duy, Thiệu Thịnh, Yên Tơn, n Thơn (Thanh Hóa); Linh Cảm (Hà Tĩnh), Hiệu trạm bơm đem lại lớn, nhiên chi phí xây dựng, thiết bị nhƣ chi phí quản lý vận hành đặc biệt chi phí lƣợng trạm bơm đáng kể Theo số sơ bộ, hàng năm nƣớc ta tốn khoảng 1.500 tỷ đồng chi phí điện cho trạm bơm nơng nghiệp hàng nghìn tỷ đồng cho trạm bơm tiêu Đối với trạm bơm việc lựa chọn thiết bị nhƣ công nghệ hợp lý có ý nghĩa vơ quan trọng, khơng định đến hình thức kết cấu mà cịn ảnh hƣởng đến hiệu suất máy bơm, hiệu làm việc trạm nhƣ chi phí xây dựng quản lý vận hành sau trạm bơm Trong trình làm việc, máy bơm khơng phải lúc làm việc cột nƣớc thiết kế, điểm công tác có hiệu suất cao mà dải cột nƣớc khác tùy thuộc vào mực nƣớc bể hút, bể xả Để máy bơm làm việc vùng có hiệu suất cao, trƣờng hợp làm việc ngồi cột nƣớc thiết kế có ý nghĩa quan trọng để nâng cao hiệu làm việc trạm bơm, tiết kiệm chi phí xây dựng nhƣ quản lý vận hành Vấn đề đƣợc giải thông qua việc điều chỉnh đƣờng đặc tính máy bơm với phƣơng pháp: thay đổi số vịng quay thay đổi góc nghiêng cánh quạt (đối với máy bơm thay đổi đƣợc góc nghiêng cánh quạt) Qua q trình phát triển cơng nghệ, phƣơng pháp thay đổi số vịng quay khớp nối thủy lực ngày thể nhiều ƣu điểm tiên tiến nhƣ: + Giảm thiểu mô men kháng khởi động, chống rung, chống sốc + Giảm thiểu dịng xung mở máy + Khởi động khơng tải, giảm thời gian khởi động + Có thể thay đổi đƣợc tốc độ quay + Thiết kế đơn giản, nhỏ gọn, tiết kiệm diện tích lắp đặt + Tiết kiệm lƣợng tối ƣu hóa hiệu suất hệ thống + Đặc biệt, trƣờng hợp gặp cố nhƣ kẹt động cơ, tải, khớp nối thủy lực có khả xử lý cố độ an toàn cao Trên giới, khớp nối thủy lực trải qua lịch sử phát triển hàng trăm năm Việt Nam, khoảng 10 năm gần bắt đầu sử dụng loại công nghệ để thay cho loại khớp nối cứng mô tơ động cơ, nhƣ nhà máy nhiệt điện, thủy điện, xi măng: Phả Lại, Cẩm Phả, Hà Tiên, Nhơn Trạch … Với nhu cầu kể việc nghiên cứu hiệu nhƣ khả ứng dụng khớp nối thủy lực tính tốn thiết kế lắp đặt thiết bị vào cơng trình thủy lợi, đặc biệt trạm bơm cần thiết Mục đích nhiệm vụ đề tài PL 17 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 19, n = 159 vòng/phút PL 18 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 20, n = 159 vịng/phút 10 PL 19 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 21, n = 159 vòng/phút PL 20 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 22, n = 159 vịng/phút 11 PL 21 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 23, n = 159 vòng/phút PL 22 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 24, n = 157 vịng/phút 12 PL 23 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 25, n = 155 vòng/phút PL 24 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 26, n = 144 vịng/phút 13 PL 25 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 27, n = 104 vòng/phút PL 26 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 28, n = 102 vòng/phút 14 PL 27 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 29, n = 102 vịng/phút PL 28 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 30, n = 102 vòng/phút 15 PL 29 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 31, n = 155 vịng/phút PL 30 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 32, n = 157 vòng/phút 16 PL 31 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 33, n = 157 vịng/phút PL 32 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 34, n = 157 vòng/phút 17 PL 33 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 35, n = 159 vịng/phút PL 34 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 36, n = 159 vòng/phút 18 PL 35 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 37, n = 197 vịng/phút PL 36 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 38, n = 159 vòng/phút 19 PL 37 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 39, n = 159 vòng/phút PL 38 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 40, n = 159 vịng/phút 20 PL 39 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 41, n = 157 vòng/phút PL 40 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 42, n = 157 vịng/phút 21 PL 41 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 43, n = 157 vòng/phút PL 42 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 44, n = 102 vịng/phút 22 PL 43 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 45, n = 153 vòng/phút PL 44 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 46, n = 102 vịng/phút 23 PL 45 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 47, n = 102 vòng/phút PL 46 Đƣờng đặc tính máy bơm thứ 48, n = 102 vòng/phút ... hình ứng dụng khớp nối thủy lực trạm bơm 34 1.6.1 Các ứng dụng khớp nối thủy lực truyền động 34 1.6.2 Ứng dụng khớp nối thủy lực trạm bơm công nghiệp 34 1.6.3 Ứng dụng khớp nối thủy lực. .. loại khớp nối hãng sản xuất) tìm lƣu lƣợng dầu cần cung cấp thời điểm 1.6 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG KHỚP NỐI THỦY LỰC TRONG TRẠM BƠM 1.6.1 Các ứng dụng khớp nối thủy lực truyền động Khớp nối thủy lực. .. Khớp nối thủy lực cho máy bơm làm mát – Nhiệt điện Phả lại 1.6.3 Ứng dụng khớp nối thủy lực trạm bơm nông nghiệp, thủy lợi Trong năm gần đây, khớp nối thủy lực đƣợc ứng dụng ngày nhiều trạm bơm lớn