Giáo trình hệ thống cấp nướ

GIÁO TRÌNH HỆ THỐNG CẤP NƯỚC Chịu trách nhiệm xuất bản: BÙI HỮU HẠNH Biên tập: NGUYỄN THỊ BÌNH Chế điện tử: NGUYỄN THỊ BÌNH Sửa in: NGUYỄN KHÁNH LINH Trình bày bìa: VŨ BÌNH MINH In 500 khổ 19 ´ 27cm, Xưởng in Nhà xuất Xây dựng Giấy chấp nhận đăng ký kế hoạch xuất số 306-2006/CXB/09-19/XD ngày 25/4/2006 In xong nộp lưu chiểu tháng 6/2006 Môc lôc MỤC LỤC Mục lục Lời nói đầu Bảng thuật ngữ danh từ viết tắt Trang Chương Hệ thống phân phối nước thiết bị 1.1 Hệ thống phân phối nước Khái niệm quy mô hệ thống cấp nước 1.1.1 Cấp nước 1.1.2 Các thành phần hệ thống cấp nước chức cơng trình hệ thống 11 11 13 1.1.3 Phân loại hệ thống cấp nước 16 1.1.4 Tiêu chuẩn, chế độ dùng nước quy mô công suất trạm cấp nước 17 1.2 Quan hệ lưu lượng áp suất thành phần hệ thống cung cấp nước 1.2.1 Quan hệ lưu lượng xác định dung tích đài nước bể chứa 25 25 1.2.2 Quan hệ cơng trình hệ thống áp suất Xác định chiều cao đài nước cột nước yêu cầu máy bơm 1.3 Quy hoạch, tối ưu hoá thiết kế hệ thống phân phối nước 32 42 1.3.1 Quy hoạch hệ thống phân phối nước 42 1.3.2 Thiết kế tối ưu hệ thống vận chuyển phân phối nước 51 1.4 Tính tốn chi phí so sánh kinh tế - kỹ thuật phương án cấp nước Đầu tư cho hệ thống cấp nước 57 1.4.1 Thiết lập nhiệm vụ tính toán kinh tế kỹ thuật hệ thống dẫn phân phối nước 57 1.4.2 Hàm số chi phí Cách phân tích sử dụng hàm số chi phí tính tốn kinh tế - kỹ thuật hệ thống dẫn phân phối nước 59 1.4.3 Phương pháp tính tốn kinh tế kỹ thuật mạng lưới cấp nước với lưu lượng cho trước 1.5 Độ tin cậy hệ thống cấp nước 66 73 1.5.1 Khái niệm độ tin cậy hệ thống cấp nước 73 1.5.2 Phương pháp đảm bảo độ tin cậy cần thiết 78 1.6 Cấu tạo mạng lưới cấp nước 90 1.6.1 Vật liệu ống thiết kế đường ống 90 1.6.2 Van phụ kiện 97 hƯ thèng cÊp n­íc 1.6.3 Ảnh hưởng vật liệu ống tới chất lượng nước 99 Chương Quản lý cung - cầu cấp nước 101 2.1 Tính tốn dự báo dân số 2.1.1 Mối quan hệ dân số lượng nước 2.1.2 Tính tốn dự báo dân số 2.2 Dự báo nhu cầu sử dụng nước hệ số sử dụng nước 2.2.1 Các lĩnh vực dùng nước cần dự báo 2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến việc dùng nước 2.2.3 Dự báo lượng nước yêu cầu 2.2.4 Ảnh hưởng thời tiết khí hậu 2.2.5 Ảnh hưởng giá 2.3 Quản lý cầu hệ thống cấp nước 2.3.1 Lấy mẫu đối tượng sử dụng nước 2.3.2 Phát triển tập liệu 2.3.3 Sử dụng nước số liệu vùng phục vụ 2.3.4 Các thành phần nhu cầu nước 2.3.5 Các quan hệ sử dụng nước 2.3.6 Phân tích tiết kiệm nước 2.4 Quản lý cung hệ thống cấp nước 2.4.1 Khái niệm 2.4.2 Các lựa chọn phía cung 2.4.3 Ước tính giá khối lượng nước tiết kiệm cho lựa chọn cung khác 101 101 101 106 106 106 109 112 114 116 116 116 126 131 139 150 157 157 158 165 Chương Chất lượng cấp nước 3.1 Chất lượng cấp nước 3.1.1 Các tiêu yêu cầu chất lượng cấp nước 3.1.2 Yêu cầu chủ đạo chất lượng nước cấp 3.1.3 Quy tắc điều chỉnh theo Chuẩn đánh giá 3.2 Các tiêu chuẩn chất lượng nước cấp 3.2.1 Tiêu chuẩn quốc tế 3.2.1 Tiêu chuẩn Việt Nam 3.3 Các trình biến đổi chất lượng nước mạng lưới cấp nước 3.3.1 Q trình trộn nước 3.3.2 Ăn mịn lắng đọng ống 3.4 Phản ứng chất lượng nước 3.4.1 Hệ số phản ứng dòng chảy 166 166 173 174 193 193 197 204 204 209 211 211 Môc lôc 3.4.2 Hệ số phản ứng thành ống 3.4.3 Quan hệ phản ứng thành độ nhám ống 3.4.4 Phương pháp giải 212 212 213 Chương Mô hình hố thiết kế hệ thống cấp nước 4.1 Giới thiệu áp dụng mơ hình hệ thống phân phối nước 216 4.1.1 Ứng dụng mô hình phân phối nước 4.1.2 Q trình lập mơ hình 4.1.3 Bản đồ số liệu 4.1.4 Mô thành phần hệ thống phân phối nước 4.1.5 Trình bày mơ hình 4.1.6 Bể chứa 4.1.7 Đài nước 4.1.8 Mối nối 4.1.9 Đường nối 4.1.10 Máy bơm 4.1.11 Van 4.1.12 Các điều khiển 4.2 Lý thuyết lập mô hình 4.2.1 Các đặc tính chất lỏng 4.2.2 Tĩnh học động lực học chất lỏng 4.2.3 Tổn thất dọc đường 4.2.4 Tổn thất cục 4.2.5 Hệ số sức kháng thuỷ lực 4.2.6 Năng lượng - Máy bơm 4.2.7 Mơ hình chất lượng nước 4.3 Các loại mơ hình mơ 4.3.1 Mơ trạng thái ổn định 4.3.2 Mô thời gian dài 4.4 Kiểm nghiệm hiệu lực hố thuộc tính mơ hình 4.4.1 Nguồn lỗi 217 219 221 223 226 229 229 233 234 236 240 245 247 247 247 250 255 257 259 261 271 271 271 273 273 4.4.2 Thu thập số liệu kiểm nghiệm 4.5 Giới thiệu phần mềm EPANET 4.5.1 EPANET ? 4.5.2 Khả mô thuỷ lực 4.5.3 Khả mô chất lượng nước 4.5.4 Các bước sử dụng EPANET 282 296 296 296 297 297 hƯ thèng cÊp n­íc 4.6 GIS hệ thống phân phối nước 4.6.1 Tổng quát việc áp dụng GIS cho mạng lưới cấp nước 4.6.2 Quy hoạch, thiết kế lập dự án 4.6.3 Vận hành mạng lưới cấp nước 298 298 299 304 4.7 Phần mềm thiết kế hệ thống cấp nước DC Water Design Extension 309 4.7.1 Giới thiệu DC Water Design Extension 309 4.7.2 Sử dụng DC Water Design Extension 310 4.8 Phần mềm GISRed 318 4.8.1 Giới thiệu GISRed 318 4.8.2 Sử dụng GISRed 319 Chương Nước va mạng lưới phân phối nước 321 5.1 Các sở lý thuyết nước va Phương trình 321 5.1.1 Khái quát tượng nước va 321 5.1.2 Các cơng thức tính tốn nước va đường ống 324 5.1.3 Đặc tính thuỷ lực van tính tốn nước va 325 5.1.4 Đặc tính bất thường máy bơm 329 5.2 Giảm nước va 331 5.2.1 Các thông số nước va 332 5.2.2 Các phương pháp thiết bị giảm nước va 332 5.3 Sử dụng phần mềm HiTrans 337 5.3.1 Giới thiệu HiTrans 337 5.3.2 Sử dụng HiTrans 338 5.3.3 Các đặc điểm kỹ thuật 340 5.3.4 Giải toán nước va 343 Tài liu tham kho 344 Lời nói đầu LI NểI ĐẦU Nước một nhu cầu đời sống hàng ngày người trở thành đòi hỏi bách việc bảo vệ sức khoẻ cải thiện điều kiện sinh hoạt cho nhân dân, nghiệp cơng nghiệp hố, đại hố đất nước Với quan tâm Nhà nước gần có thêm giúp đỡ nước tổ chức quốc tế, nhiều hệ thống cấp nước sinh hoạt tập trung xây dựng, góp phần làm thay đổi đáng kể chất lượng sống nhân dân theo hướng ngày văn minh Tuy nhiên việc cấp nước nước ta mức thấp, hầu hết hệ thống cấp nước kể đô thị nông thôn chưa đảm bảo tiêu chuẩn cấp nước số lượng chất lượng; đặc biệt phận lớn dân cư nông thôn chủ yếu sử dụng nước trực tiếp từ nguồn tự nhiên mà khơng có kiểm sốt Để khắc phục tình trạng đó, chục năm Nhà nước ta dành ưu tiên lớn cho chương trình cấp nước sinh hoạt Các nhà tài trợ nước quan tâm giúp công tác Qua nửa kỷ xây dựng, đội ngũ cán khoa học kỹ thuật lĩnh vực cấp nước nước ta khơng ngừng lớn mạnh Nhiều trường đại học, cao đẳng, trung học chuyên nghiệp, đơn vị ngành cấp thoát nước đảm đương công việc khâu đào tạo cán kỹ thuật, nghiên cứu khoa học, triển khai công nghệ cấp nước Tuy nhiên, để phục vụ cho đòi hỏi ngày cao xã hội, ngành kinh tế tất đối tượng dân cư vùng miền dịch vụ cấp nước, để tiếp cận đến trình độ tiên tiến giới cơng nghệ cấp nước, đội ngũ cán khoa học kỹ thuật cấp nước cịn phải tiếp tục nâng cao lực Với ý nghĩa nêu trên, việc xây dựng thêm sở học liệu cho ngành Cấp thoát nước điều cần trọng; lý cho đời giáo trình Hệ thống cấp nước Môn học Hệ thống cấp nước đề xuất khuôn khổ Tiểu hợp phần 1.3 "Hỗ trợ tăng cường lực cho Trường Đại học Thủy lợi" dự án Hỗ trợ ngành nước (WaterSPS) DANIDA để đưa vào chương trình đào tạo cao học ngành Cấp nước Trường Đại học Thuỷ lợi Giáo trình Hệ thống cấp nước Bộ mơn Cấp nước trường Đại học Thuỷ lợi biên soạn theo nhiệm vụ Nhà trường giao Đề cương giáo trình xây dựng với tư vấn phối hợp chuyên gia tư vấn Dự án giảng viên thuộc Bộ mơn Cấp nước Trường Đại học Thuỷ lợi Giáo trình Hệ thống cấp nước tài liệu cho đào tạo cao học ngành học Cấp thoát nước Trường Đại học Thuỷ lợi Trong q trình biên soạn, chúng tơi tham khảo tài liệu liên quan đến lĩnh vực cấp nước, với phương châm cố gắng giới thiệu số nội dung cần thiết hƯ thèng cÊp n­íc năm gần lĩnh vực cấp nước giới, song đưa vào số nội dung môn học từ tài liệu sử dụng Việt Nam Nội dung chủ yếu sách gồm: Chương Hệ thống phân phối nước thiết bị Chương Quản lý cung - cầu cấp nước Chương Chất lượng cấp nước Chương Mơ hình hoá thiết kế hệ thống phân phối nước Chương Nước va mạng lưới phân phối nước Chúng xin bày tỏ cảm ơn đặc biệt tới TS Roger Chenevey - Cố vấn trưởng Tiểu hợp phần 1.3 đồng thời chuyên gia tư vấn quốc tế xây dựng đề cương giáo trình giúp đỡ đầy hiệu ông, tới GS TS Trần Hiếu Nhuệ - chuyên gia tư vấn nước xây dựng đề cương giáo trình, tới PGS TS Phạm Ngọc Hải - Trưởng khoa Quy hoạch quản lý hệ thống cơng trình - người tham gia xây dựng đề cương giáo trình Chúng tơi xin bày tỏ cảm ơn chân thành tới PGS TS Trần Đức Hạ PGS TS Lê Chí Nguyện, chuyên gia phản biện giáo trình, đặc biệt ý kiến đóng góp quý báu PGS TS Trần Đức Hạ với cương vị chuyên gia Dự án đảm bảo chất lượng cho giáo trình Chúng xin chân thành cảm ơn KS Đặng Minh Hải, KS Nguyễn Mạnh Tuân, KS Nguyễn Vinh Ngọc tập thể giảng viên Bộ mơn Cấp nước, toàn Khoa Quy hoạch quản lý hệ thống cơng trình giúp đỡ chúng tơi q trình biên soạn Cũng xin nói Giáo trình khơng thể hồn thành thiếu quan tâm, đạo, động viên tạo điều kiện làm việc thuận lợi Ban Giám hiệu Trường Đại học Thủy lợi, Văn phòng dự án Hỗ trợ ngành nước (WaterSPS) DANIDA Giáo trình xuất lần đầu để kịp thời phục vụ cho đào tạo cao học ngành Cấp thoát nước chuẩn bị mở Trường Đại học Thuỷ lợi nên chưa thực hoàn chỉnh khơng tránh khỏi nhiều sai sót Chúng tơi mong nhận ý kiến phê bình đóng góp bạn đọc Mọi ý kiến xin gửi về: Bộ mơn Cấp nước, Trường Đại học Thuỷ lợi, 175, Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội Chúng xin chân thành cảm ơn! Tỏc gi bảng thuật ngữ danh từ viÕt t¾t BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VÀ DANH TỪ VIẾT TẮT AI Chỉ tiêu độ linh hoạt AOAC Hiệp hội nhà hố phân tích Association Chemists thống AWWA Hiệp hội ngành nước Mỹ AWWARF Quỹ nghiên cứu Hiệp hội ngành American Water Work Association's Research Foundation nước Mỹ BWSU Chuẩn đánh giá ngành dịch vụ nước Benchmaking vệ sinh Utilities CIS Hệ thống thông tin khách hàng Customer Information Systems DFI Chỉ tiêu động lực Driving Force Index DS Lượng chất rắn hòa tan Dissolved Solids DVM Phương pháp thể tích rời rạc Discrete Volume Method EDM Phương pháp kiện không chế Event Driven Method EPS Mô thời gian dài Extension Period Simulation FDM Phương pháp sai phân hữu hạn Finite Difference Method FIFO Dòng chảy lớp "vào trước trước" Plug flow “First-In-First-Out” GASB Ban tiêu chuẩn tốn phủ Government Accounting Standard Board GIS Hệ thống thông tin địa lý Geographic Information Systems GSS Chương trình chuẩn bảo hành Guaranteed Standards Scheme ILI Chỉ số thất thoát hệ thống cấp nước Infrastructure Leakage Index IWA Hiệp hội nước quốc tế International Water Association IWSA Hiệp hội cấp nước quốc tế International Water Supply Association JTU Độ đục Jackson Jackson Turbidity Unit LIFO Dòng chảy lớp "vào sau trước" Plug flow “Last-In-First-Out” LSI Chỉ tiêu độ bão hoà Langelier Langelier Saturation Index MWA Hiệp hội nước Malaysia Malaysia Water Association NPSH Độ cao hút nước thực dương Net Positive Suction Head NTU Độ đục Nephel Nephelometric Turbidity Unit OFWAT Văn phòng cung cấp nước Office of Water Services OLS Phương pháp bình phương nhỏ Ordinary Least Squares thông thường Aggressive Index of Official Analytical American Water Works Association Water and Sanitation 10 hƯ thèng cÊp n­íc PI Chỉ số thực Performance Indicator RI Chỉ tiêu độ bão hoà Ryznar Ryznar Index SCADA Hệ thống kiểm soát giám sát thu Supervisory Control And Data Acquisition thập số liệu SMCL Các mức độ chất ô nhiễm tối đa SMEWW Các phương pháp chuẩn xét nghiệm Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water nước nước thải SPBNET Mạng lưới đánh giá tiêu chuẩn thực Service Provides’ Performance Indicators and Benchmarking Network cung cấp dịch vụ SS Lượng chất rắn lơ lửng TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TDM Phương pháp thời gian khống chế Time Driven Method TIRL Chỉ số kỹ thuật cho tổn thất nước thực Technical Indicator for Real Losses TS Tổng hàm lượng chất rắn Total Solids UARL Tổn thất nước thực hàng năm không Unavoidable Annual Real Losses tránh khỏi USEPA Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ United States Environmental Protection Agency VS Lượng chất rắn bay Volatile Solids WUP Hiệp hội ngành nước (Châu Phi) Water Utility Partnership Secondary Maximum Contaminant Levels Suspended Solids Chương - hệ thống phân phối nước thiết bÞ 11 Chương HỆ THỐNG PHÂN PHỐI NƯỚC VÀ THIẾT BỊ 1.1 HỆ THỐNG PHÂN PHỐI NƯỚC- KHÁI NIỆM VÀ QUY MÔ CỦA HỆ THỐNG CẤP NƯỚC 1.1.1 Cấp nước Tầm quan trọng cấp nước Cung cấp đầy đủ lượng nước vấn đề quan tâm từ buổi ban đầu văn minh nhân loại Trong số thành phố cổ xưa có hệ thống cấp nước cục bộ, hệ thống cấp nước thường không đầy đủ nước vận chuyển từ nơi xa máng dẫn nước đơn giản Tuy hệ thống không phân phối nước tới khu vực dân cư độc lập, mang nước tới số vị trí trung tâm khu dân cư, sau người dân lấy nước nhà cho gia đình họ Cho đến kỷ 17, đường ống chịu áp lực xuất hiện, đường ống cịn có hạn chế; ống làm gỗ, đất sét, chì Nhờ đời ống gang, giảm dần chi phí trình đúc ống gang, với phát minh cải tiến máy bơm chạy máy nước, nước phân phối tới khu vực dân cư tập trung mà khu vực nhỏ cung cấp nước cơng cộng Sự cung cấp nước đáp ứng phần nhu cầu sử dụng người, hầu hết nguồn nước tự nhiên khơng thích hợp cho việc sử dụng trực tiếp Hơn nữa, chất thải thành phố phát triển làm ô nhiễm hệ thống cung cấp nước Do đó, phải có biện pháp xử lý để bảo vệ sức khoẻ người sử dụng Ít từ trước năm 2000 trước cơng ngun, q trình lọc nước sử dụng việc xử lý nước Tuy nhiên, ứng dụng q trình xử lý cách có tổ chức phổ biến sau năm 1900 Đến đầu kỷ XIX, nước để cung cấp cho thành phố xử lý bể lọc chậm Số lượng trường hợp mắc bệnh liên quan đến nước giảm cách đáng kể đưa Clo vào khử trùng Việc phát tồn nguồn dịch bệnh có nước kiểm sốt chúng đóng góp đáng kể cho việc giảm trường hợp mắc bệnh Sự bùng phát vụ dịch bệnh liên quan đến nước xảy hệ thống cấp nước chung Ví dụ, từ năm 1976 đến năm 1980, số lượng trung bình vụ dịch 331 Ch­¬ng - nước va mạng lưới phân phối nước Ngun: L W Mays [24] Hình 5.7 Bốn góc phần tư tám vùng hoạt động bơm 5.2 GIẢM NƯỚC VA Có nhiều biện pháp để đề phịng kiềm chế nước va, có biện pháp khâu thiết kế sử dụng thiết bị chống nước va Cần phải có thiết kế hồn chỉnh chế độ vận hành hợp lý để chống lại nước va hệ thống đường ống Hiện tượng nước va xảy hạ áp (nước va hạ) trường hợp điện máy bơm, tăng áp (nước va tăng) đóng van phía hạ lưu Chúng ta biết hạ áp suất dẫn tới tượng tách dòng làm cho áp suất tăng mạnh sau bọt nước bị phá huỷ Trong số hệ thống, khơng 332 hƯ thèng cÊp n­íc cho phép có áp suất âm vì: 1) Có thể làm cho ống bị bẹp; 2) Nước khơng khí từ bên ngồi xâm nhập vào Có nhiều phương tiện để khống chế nước va tuỳ theo cố nước va khởi đầu từ nước va hạ hay nước va tăng Đối với trạm bơm, nguyên nhân cố nước va dừng bơm điện Đối với trường hợp khởi động máy bơm ly tâm lúc ống đẩy đầy nước, thường phải chống lại sức ỳ van nắp ống đẩy (của máy bơm ly tâm) thường không gây áp suất nước va cách đáng kể Phần lớn vấn đề nước va lắp đặt máy bơm có liên quan đến cố tiềm tàng tách dòng phá huỷ bọt nước, gây ngừng chạy hay nhiều máy bơm mà khơng có hoạt động van Van nắp ống đẩy đóng đột ngột gây cố nước va hạ cách trầm trọng Để chống lại vấn đề nước va hạ có số phương án, phần lớn liên quan đến thiết kế lắp đặt nhiều thiết bị chống nước va Ở hình 5.8 giới thiệu số hệ thống chống nước va 5.2.1 Các thông số nước va Đối với hệ thống có máy bơm, có nhóm thơng số: 1) Lưu lượng bơm; 2) Mơ men quán tính phận quay máy bơm động WR2; 3) Sự chuyển động van; 4) Đặc tính đường ống Nhóm thơng số thứ tự liên quan đến phản ứng lại hệ thống dừng máy bơm Rõ ràng phản ứng lại tượng nước va bị thay đổi bổ sung vào hệ thống hay nhiều thiết bị chống nước va thay đổi: 1) Lưu lượng; 2) WR2; 3) Sự chuyển động van Hiển nhiên hệ thống đường ống phân phối lưu lượng cho trước thí biện pháp chống nước va 2) WR2 3) Sự chuyển động van có giới hạn Nếu hai thơng số khơng thể làm nhẹ bớt cố nước va thiết bị chống nước va cần áp dụng 5.2.2 Các phương pháp thiết bị giảm nước va Đối với hệ thống có máy bơm, vấn đề nước va hạ giải tổ hợp chu trình thiết bị nói Chi tiết cho thiết bị chống nước va điển hình minh hoạ hình 5.8 5.9 Trong nhiều trường hợp, điều kiện cục sở thích người kỹ sư định việc chọn phương pháp thiết bị chống nước va 333 Chương - nước va mạng lưới phân phèi n­íc Nguồn: L W Mays [24] Hình 5.8 Sơ đồ loại thiết bị chống nước va cho hệ thống có máy bơm Hoạt động van nắp ống đẩy Trong hệ thống trọng lực, nước va tăng kiểm sốt đóng van tối ưu Khơng nên đóng van nhanh q để gây tượng nước va hạ không nên đóng van chậm q để tạo dịng chảy ngược qua van máy bơm 334 hÖ thèng cÊp n­íc Van chiều Van chiều có dạng cánh kiểu thiết kế khác thường lắp đường ống đẩy máy bơm nối với van điều chỉnh hoạt động chậm Van chiều mở dễ dàng nhanh chóng có dịng chảy qua, có tổn thất cột nước nhỏ Tuy nhiên, van chiều thường gây nước va ngồi ý muốn hoạt động Đối với hệ thống ngắn, van chiều phản ứng chậm dẫn tới nước va dịng chảy ngược tốc độ cao Van chiều cánh sập Loại van có khả đảm bảo cho ngừng làm việc ngắt máy vài máy bơm hệ thống máy bơm đấu song song, hoạt động bình khí đóng ngắt máy bơm Van chống nước va van phịng nước va Van chống nước va (hình 5.10) thường lắp đường ống xả góp trạm bơm Loại van mở trước khi: 1) Ngắt máy bơm; 2) Áp suất thấp; 3) Áp suất cao Mặt khác, van mở nhanh áp suất cao đóng lại từ từ qua van điều khiển Van phịng nước va có cấu tạo cịn phức tạp nhiều Ống tháo bơm Trong hệ thống có đường ống ngắn cột nước thấp, lắp đường ống tránh máy bơm (hình 5.8) để nước chảy từ đường ống đẩy sau tắt máy có nước va hạ Nguồn: L W Mays [24] Hình 5.9 Mặt cắt bể chống nước va bình khí thiết bị chống nước va Bể chống nước đơn giản Bể chống nước va tháp nước đứng đơn giản kiểu hở (hình 5.8) giải pháp tốt cho việc chống nước va (cả nước va tăng nước va hạ) Các thiết bị hay dùng trạm thuỷ điện bố trí nơi có địa hình thích hợp Đối với trạm bơm, bể chống nước va đơn giản kiểu hở dùng chúng cần phải cao khơng có điểm địa hình cao gần nhà máy bm Chương - nước va mạng lưới ph©n phèi n­íc 335 Bể chống nước va chiều Mục đích bể chống nước va chiều ngăn áp suất thấp ban đầu chia cắt cột nước nạp nước vào đường ống sau nước va hạ Bể thường cách ly với đường ống nhiều ống bên mà có nhiều van chiều để dịng chảy chảy vào ống mực nước đo áp đường ống thấp cao trình mực nước bể Ở điều kiện bình thường, áp suất ống cao nên giữ cho van ln ln đóng Ưu điểm van khơng phải chịu cao trình cột nước đo áp khơng mong muốn sau Tuy nhiên nhược điểm van chống lại nước va hạ mà không chống lại nước va tăng Bình khí Bình khí (bể chống nước va thuỷ khí nén) thiết kế quản lý cách thích hợp, dùng cho nước va dương nước va âm hệ thống có trạm bơm Bình khí bố trí gần trạm bơm để phát huy hiệu cao Trong thiết kế, cần phải xem xét vấn đề: cấp khí nén, mực nước trì, kính quan sát, thoát nước, phận điều chỉnh áp suất, khả bị liệt Thông thường, van chiều lắp máy bơm bình khí Do chiều dài máy bơm bình khí ngắn, va đập mạnh van chiều xảy ra, nên cần có thiết bị giảm chấn q trình đóng van Việc trì khơng khí trong bình vấn đề cốt yếu thơng thường khơng khí chiếm 50% thể tích bình, khơng bình khơng có tác dụng Một cố xảy trạm bơm nước thơ nơi bình khí bị đầy nước trục trặc hệ thống khí nén Điều khơng may ngắt điện máy bơm xảy đồng thời, gây nước va, dẫn tới vỡ ống Van phá chân khơng van xả khí Một phương pháp để ngăn cản hình thành vùng áp suất khác áp suất khí khoang chân khơng dẫn nạp khơng khí từ van phá chân không lắp điểm cần thiết dọc theo hệ thống đường ống Việc chọn vị trí cỡ van phá chân khơng ngăn tượng chia cắt cột nước giảm hiệu ứng nước va Việc đặt vị trí chọn cỡ van phá chân không vấn đề cốt yếu Thực tế, có mặt van phá chân khơng không loại trừ cố Nếu hệ thống van chân không chọn không đúng, áp suất lớn xảy nén khí q trình hồi phục, đặc biệt khơng khí áp suất cực thấp đường ống 336 hÖ thèng cÊp n­íc a) Van phá chân khơng b) Van xả khí c) Van giảm chống nước va Hình 5.10 Van phá chân khơng, van xả khí van giảm nước va Giảm nước va van phá chân khơng có ưu điểm rẻ so với phương pháp khác, chẳng hạn bình khí Ưu điểm hệ thống van phá chân khơng lại trở nên bất lợi tích tụ khơng khí dọc theo đường ống xả khơng khí sau Quản lý vận hành van vấn đề định để đảm bảo van mở cần thiết Việc tháo khí thường thực với tổ hợp van xả khí van phá chân khơng Đối với hệ thống nước sạch, nạp khí giải pháp bất thường cần 337 cân nhắc cẩn thận Hơn nữa, khơng khí cần xả cẩn thận để không tạo thành nước va bổ sung Chương - nước va mạng lưới phân phèi n­íc 10 Bánh đà Bánh đà lắp với trục bơm Sau máy bơm ngừng đột ngột, nhờ có lực qn tính, bánh đà tiếp tục quay, tiếp tục tạo nên cột áp lưu lượng vào ống, kéo dài thời gian đóng van làm giảm áp suất nước va Theo lý thuyết, việc tăng mô men quán tính bánh đà (WR2) tổ máy bơm giảm nhiều nước va hạ máy không dừng lại nhanh Thông thường động chiếm từ 75% đến 90% tổng số WR2 Việc tăng thêm WR2 việc ghép thêm bánh đà giảm nước va hạ Theo ước tính, việc tăng thêm 100% mơ men qn tính bánh đà WR2 làm tăng thêm khoảng 20% giá thành so với giá động Giải pháp dùng bánh đà thường giải pháp đắt chủ yếu dùng cho hệ thống đường ống ngắn Bánh đà có ưu điểm khơng địi hỏi nhiều bảo dưỡng, có nhược điểm gây bất lợi cho trình mở máy bơm tăng dòng điện mở máy, kéo dài thời gian mở máy tăng mô men cản ban đầu 11 Thiết bị lưu điện (UPS) Một hệ thống cấp điện không gián đoạn ngăn cản nước va ban đầu hệ thống có áp suất thấp tắt máy đột ngột Trong trạm bơm có nhiều máy bơm đấu song song, hệ thống UPS trì hay số động tiếp tục làm việc cho phép máy bơm khác tắt, hệ thống giữ đủ áp suất cần thiết mà không bị giảm nhanh Giải pháp đắt lắp đặt số hệ thống cấp nước 5.3 SỬ DỤNG PHẦN MỀM HITRANS 5.3.1 Giới thiệu HiTrans HiTrans phần mềm mơ hình số để giải tốn dòng chảy nước va hệ thống đường ống Chương trình dùng cơng cụ tính tốn thiết kế, nhiên khơng coi để thay cho đánh giá người kỹ sư dự án cụ thể Công ty Istec Ingenieria không chịu trách nhiệm pháp lý việc sửa đổi HiTrans người sử dụng 338 hÖ thèng cÊp n­íc Hình 5.11 Giao diện phần mềm HiTrans hiển thị kết bình đồ thị hoạt cảnh 5.3.2 Sử dụng HiTrans HiTrans mơ hình hố dịng chảy nước va việc giải phương trình đạo hàm riêng chuyển động việc sử dụng "phương pháp đặc trưng" hệ thống chiều Hệ thống đường ống HiTrans tạo bởi: - Các ống; - Các nút Hệ thống đường ống HiTrans phải có mơ tả sau: - Nút N°0 (Điều kiện biên ban đầu) + - Ống N°1 + - Nút N°1 + - + - Ống N°i + - Nút N°i + -… - Ống N°n + - Nút N°n (Điều kiện biên cuối) 339 Nút phần tử điều khiển van (các van mở, đóng điều khiển), thiết bị đặc biệt (bể chống nước va, bình khí, bể chống nước va chiều, ) thân kết nối đơn giản hai đoạn ống mà khơng có thiết bị (nút đơn giản) Chương - nước va mạng lưới phân phối n­íc Điều kiện biên ban đầu Điều kiện biên ban đầu phải nút: - Hệ thống máy bơm, - Bể chứa có mực nước khơng đổi Điều kiện biên cuối Điều kiện biên cuối phải nút: - Nút đơn giản (ống xả khơng khí); - Mực nước khơng đổi bể; - Van đóng; - Van cố định; - Van mở; - Van điều khiển Nút trung gian Các nút trung gian bao gồm HiTrans V2.0 là: - Van đóng; - Van cố định; - Van mở; - Van điều khiển; - Thiết bị máy bơm với đường ống hú; - Bể chống nước va; - Bể chống nước va chiều; - Bình khí; - Van giảm áp Các thơng số cần để mơ hình hệ thống đường ống Khi nhập hệ thống, cần phải nhập thông tin sau: - Tổng thời gian mô phỏng,; - Bước thời gian; - Số nhỏ khoảng cách phân chia đường ống (thường số nhỏ phần đường ống ngắn hệ thống) Kết HiTrans cho kết số cách: - Kết đồ hoạ: + Cột nước áp suất (m), lưu lượng (m3/s) áp suất (m); 340 hƯ thèng cÊp n­íc + Các kết tóm tắt: cực trị điểm tính tốn; + Hoạt ảnh: công cụ mạnh để quan sát xảy đường ống dịng chảy thay đổi; + Đồ thị cho điểm nào, độ lớn thời gian; + Đồ thị cho nút định, độ lớn thời gian; + Tất kết in - Kết số: + Cột nước áp suất, lưu lượng (m3/s) áp suất (m); + Các kết tóm tắt: cực trị điểm tính tốn; + Các giá trị chi tiết cho điểm nào, độ lớn với thời gian; + Các giá trị chi tiết cho nút, độ lớn độ với thời gian; + Tất kết in được; + Tất kết xuất dạng tệp văn (dạng *.csv) để sử dụng phần mềm bảng tính, chẳng hạn Excel; + Xuất tệp; + Ngồi cách kết nói trên, tệp dạng văn đưa dễ xuất tới bảng tính bảng Exel; + Tất kết in 5.3.3 Các đặc điểm kỹ thuật Điều kiện biên - Điều kiện biên ban đầu: + Thiết bị máy bơm, + Đài (H (0) = H o ), - Điều kiện biên cuối cùng: + Đoạn ống xả tự do; + Đài (H (L) = H o ); + Các van: cố định, mở, đóng, điều khiển,…; Về bước thời gian Để tạo mơ phỏng, HiTrans địi hỏi người sử dụng nhập: tổng thời gian mô phỏng, bước thời gian số lượng khoảng cách mà đoạn ống ngắn hệ thống chia Theo mặc định, HiTrans nhận giá trị 19s, 0,1s 1s Khi đưa vào thơng số tính tốn, HiTrans tính tốn theo thuật toán triển khai ISTEC Engineering, bước thời gian sử dụng giá trị bên nhằm đảm bảo ổn định mơ hình 341 Sau HiTrans thơng báo cho người sử dụng giá trị Dt, số lớn khoảng cách mà kết đưa Cũng vậy, sai số lớn tốc độ sóng nhìn thấy, điều cho phép người sử dụng thành thạo làm khớp thống số tính tốn nhập vào đạt giá trị chấp nhận (theo thói quen thực hành, thường chấp nhận sai số lớn thông số 5% 10%, sai số nhỏ tốc độ sóng không làm thay đổi nhiều giá trị đạt lưu lượng cột nước) Đương nhiên, tiêu chuẩn người sử dụng tự ý la chn Chương - nước va mạng lưới ph©n phèi n­íc Các đặc điểm kỹ thuật nút Các thông số nhập vào cho nút điều kiện phải thực đây: Nút đơn giản: - Mối nối hai đoạn ống mà khơng cần thiết bị gì; - Lưu ý hai ống khác vật liệu, kích thước, ; Van cố định: - Hệ số tổn thất cục DH = K×Q2 (giá trị khơng âm); - K có thứ ngun, [K]=s /m5 Van mở: - Hệ số tổn thất cục DH = K×Q2 (giá trị khơng âm); - Thời gian mở Tc (giá trị dương); - Số mũ (1-t/Tc)exp; - Giờ bắt đầu mở (giá trị không âm); - Chú ý K có thứ nguyên, [K]=s2/m5 Van đóng: - Hệ số tổn thất cục DH = K×Q2 (giá trị khơng âm); - Thời gian đóng T c (giá trị dương); - Số mũ (1-t/T c )exp, - Giờ bắt đầu đóng (giá trị khơng âm), - Chú ý K có thứ ngun, [K]=s2/m5 Bể có mực nước khơng đổi : - Mực nước (m) Hệ thống bơm: - Lưu lượng (m3/s) (giá trị dương); - Cột nước (m) (giá trị dương); - Công suất trục (kW) (giá trị dương); - Hiệu suất (%); - Quán tính (kgm2); - Van chiều - "có" hay "khơng"; 342 hƯ thèng cÊp n­íc - Hệ số tổn thất DH = K×Q2 (giá trị không âm); - Mực nước bể (m); - Thời gian máy bơm tắt (giá trị không âm); - Chú ý K có thứ nguyên, [K] = s2/m5 Van điều khiển: - Theo cặp giá trị thời gian cột nước tổn thất (tối thiểu phải có cặp); - Thời gian (s); - Hệ số tổn thất cục DH = K×Q2 (giá trị khơng âm); - Chú ý hai thông số khơng âm, K có thứ ngun, [K]=s2/m5; Bình khí: - Thể tích khí ban đầu (m3); - Diện tích mặt cắt ngang (m2) (giá trị dương); - Chỉ số Politropic; - Mực nước ban đầu bể (m) (cần lấy theo cao độ tuyệt đối); - Hệ số tổn thất cột nước cửa vào DH = K×Q2 (giá trị dương); - Hệ số tổn thất cột nước cửa DH = K×Q2 (giá trị dương); - Chú ý K có thứ nguyên, [K] = s2/m5 Bể chống nước va chiều: - Mực nước ban đầu (m); - Diện tích mặt cắt ngang (m2) (giá trị dương); - Hệ số tổn thất cột nước DH = K×Q2 (giá trị dương); - Chú ý K có thứ nguyên, [K] = s2/m5 Van giảm áp : - Áp suất kẽ hở (m.c.a), (cột nước đo áp mở); - Hệ số tổn thất cột nước DH = K×Q2 (giá trị dương); - Chú ý có thứ nguyên, [K] = s2/m5 Bể chống nước va: - Diên tích mặt cắt ngang (m2) (giá trị dương); - Hệ số tổn thất cột nước cửa vào DH = K×Q2 (giá trị dương); - Hệ số tổn thất cột nước cửa DH = K×Q2 (giá trị dương); - Chú ý K có thứ nguyên, [K] = s2/m5 Máy bơm: - Lưu lượng (m3/s) (giá trị dương); - Cột nước (m) (giá trị dương); - Số vòng quay (giá trị dương); Ch­¬ng - n­íc va mạng lưới phân phối nước 343 - Hiu sut (%); - Qn tính (kgm2); - Van chiều - có hay khơng; - Hệ số tổn thất DH = K×Q2 (giá trị không âm); - Thời gian máy bơm tắt (giá trị khơng âm); - Chú ý K có thứ ngun, [K] = s2/m5 Chú ý: Khi mơ hình bình khí bể chống nước va, HiTrans giả định rằng: - Các thiết bị đặt cạnh điểm nối với ống nên tác dụng quán tính không đáng kể - Các vùng nối thiết bị hệ thống đường ống đủ lớn để đảm bảo "nối sạch" thiết bị hệ thống đường ống 5.3.4 Giải toán nước va Dựa vào công thức 5.8 5.9, HiTrans giải tốn nước va tìm trị số cột nước lưu lượng điểm tuyến ống thời điểm H(x, t) Q(x, t) thông qua việc dùng phương pháp số để giải hệ phương trình đạo hàm riêng Cơ sở khái niệm phương pháp gồm việc biến đổi phương trình trước (có giá trị mặt phẳng (x, t) thành hệ thống phương trình vi phân tổng đạo hàm Để đạt việc biến đổi này, hệ phương trình có giá trị số đường cong mặt phẳng (x, t) Các đường cong hiểu "đường đặc tính" Trong hệ thống đường ống, c lớn nhiều so với v c số, đường đặc tính đường thẳng Nếu đường ống duỗi thẳng (trục x) theo trục hồnh thời gian theo trục tung, ta có mặt phẳng (x, t) 344 hƯ thèng cÊp n­íc TÀI LIỆU THAM KHẢO Chiến lược quốc gia cấp nước vệ sinh nông thôn Bộ Xây dựng - Bộ Nông nghiệp Phát triển Nông thôn Hà Nội, 2000 Nguyễn Ngọc Dung, Cấp nước đô thị NXB Xây dựng Hà Nội, 2001 Định hướng phát triển cấp nước đô thị đến năm 2020 Bộ Xây dựng Hà Nội, 1998 Trần Hiếu Nhuệ, Trần Đức Hạ, Đỗ Hải, Ưng Quốc Dũng, Nguyễn Văn Tín Cấp nước vệ sinh NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1998 Nguyễn Văn Tín, Nguyễn Thị Hồng, Đỗ Hải Cấp nước, tập 1, Giáo trình NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2001 Tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống Ban hành kèm theo Quyết định số 1329/2002/BYT/QĐ ngày 18/4/2002 Bộ trưởng Bộ Y tế Hà Nội, 2002 TCXD 233:1999 Các tiêu lựa chọn nguồn nước mặt - nước ngầm phục vụ cấp nước sinh hoạt Hà Nội, 1999 TCXD 33:1985 Cấp nước - Mạng lưới bên cơng trình - Tiêu chuẩn thiết kế Hà Nội, 1985 TCVN 2622:1995 Phòng cháy, chống cháy cho nhà cơng trình - u cầu thiết kế Hà Nội, 1995 10 TCVN 4513:1988 Cấp nước bên - Tiêu chuẩn thiết kế Hà Nội, 1988 11 TCVN 4519:1988 Hệ thống cấp nước nhà cơng trình - Quy phạm thi công nghiệm thu Hà Nội, 1988 12 TCVN 5502:2003 Nước cấp sinh hoạt - Yêu cầu chất lượng Hà Nội, 2003 13 TCVN 5576-1991 Hệ thống cấp thoát nước - Quy phạm quản lý kỹ thuật Hà Nội, 1991 14 Bartolin, H., and Martinez, F Modeling and Calibration of Water Distribution System, A new GIS Approach Universidad de Valencia, Espana, 2000 15 Bartolin, H J GISRed V1.0 User Manual Valencia, Spain, 2004 16 Billings, R B., and Jones, V C Forecasting Urban Water Demand AWWA, 1995 ISBN: 0-89867-827-7 http://www.awwa.org 17 Computer Modeling of Water Distribution Systems AWWA, 2005 ISBN: 1-58321323-6 AWWA Catalog 30032 http://www.awwa.org 18 DC Water Design Extension Dorsch Consult, 2005 19 Gould, J., J Lane, A.O Lambert, P Turton, M A Dickinson, and Preston, G Assessment of Water Supply Options, prepared for WCD Thematic Reviews http://www.dams.org 345 20 Guidelines for Drinking Water Quality 2nd edition, Vol WHO, 1992 ISBN: 92-4154-460 tài liệu tham khảo 21 Gupta, R S Hydrology and Hydraulics Systems Waveland Press, Inc., 2001 ISBN: 1-577766-030-7 22 Maksimovic, C., and Tejada-Guibert, J A Frontiers in Urban Water Management IWA, 2001 ISBN: 1-900222-76-0 23 Lewis, A R.Epanet User Manual EPA, 2000 24 Mays, L W Water Distribution System Handbook McGraw-Hill, 1999 ISBN: 0-07134213-3 25 Mays, L W (Chief Editor) Urban Water Supply Handbook McGraw-Hill, 2002 ISBN: 0-07-137160-5 26 Mays, L W (Editor in Chief) Hydraulic Design Handbook McGraw-Hill, 1999 ISBN: 0-07-041152-2 27 McGhee, T J Water Supply and Sewerage McGraw Hill, 1991 ISBN: 1-07-100823-3 28 Planning Guidelines of Water Supply and Sewerage, Network Modeling Dept Natural Resources and Mines, Gov of Australia, 2004 29 Pilopic, Z Guidelines for Modeling Water Distribution Systems New Zealand Water and Waste Association, 2004 30 Spellman, F., and Nancy, E W Water Pollution Control Technology, Concepts and Application Government Institutes, 1999 ISBN: 0-86587-660-6 31 Struman, J., Goen, H., and Mathew, K Water Auditing and Water Conservation IWA, 2004 ISBN: 1-90022-52-3 32 Twort, A C., D D Ratanayaka, and Brandt, M J 2003 ISBN: 0-340-72018-2 Water Supply, 5th Edition IWA 33 Viessman, W., and Hammer, M J Water Supply and Pollution Control Prentice Hall, 2004 ISBN: 0-13-140970-0 34 Walski, T M., D V Chase, and Savic, D A.Water Distribution Modeling Haestad Press, 1991 ISBN: 0-9657580-4-4 35 Water Supply Engineer Handbook McGraw Hill, 1999 ISBN: 0-7-134213-3 36 ... Trang Chương Hệ thống phân phối nước thiết bị 1.1 Hệ thống phân phối nước Khái niệm quy mô hệ thống cấp nước 1.1.1 Cấp nước 1.1.2 Các thành phần hệ thống cấp nước chức cơng trình hệ thống 11 11... cơng trình hệ thống cấp nước Các cơng trình đơn vị hệ thống cấp nước bố trí theo trình tự sơ đồ tổng quát hệ thống cấp nước, theo hình 1.1 hình 1.2 đây, hình 1.1 thể cho trường hợp hệ thống cấp nước... mạng lưới cấp nước chữa cháy khơng nhỏ 10 m tính từ mặt đất Theo phạm vi phục vụ - Hệ thống cấp nước bên gồm hệ thống cấp nước đô thị, hệ thống cấp nước công nghiệp - Hệ thống cấp nước cho khu