Chương 2: HỆ ĐỘNG LỰC TRẠM BƠM
I. Tính toán các cột nước
Cột nước thiết kế của máy bơm cũng chính là cột nước của trạm bơm, nó được xác định bằng tổng của chiều cao bơm nước địa hình bình quân (Hbqđh) và tổn thất cột nước từ bể hút đến bể tháo (gồm tổn thất cục bộ hcb và tổn thất dọc được hd):
Htk = Hbqđh + hcb + hd (2-1)
Trong công thức (2 - 1), các thành phần cột nước tính như sau:
Trong giai đoạn đang tiến hành chọn máy chúng ta chưa có đường ống cụ thể, do vậy các trị số các cột nước tổn thất chỉ lấy sơ bộ theo kinh nghiệm: Tổn thất dọc đường lấy 2 ... 3m trên 1000 m dài đường ống, còn tổn thất cục bộ lấy 0,7 ... 2m
Máy bơm chính dùng trong trạm phải chọn theo cột nước thiết kế có tính đến sự dao động của mực nước ở bể hút và bể tháo sao cho trạm bơm làm việc với hiệu suất cao trong mọi thời kỳ làm việc, do vậy phải dùng cột nước bình quân có kể tới duy trì thời gian tương ứng (bình quân). Cột nước này tính theo nguyên lý sau: Công tiêu hao để bơm lượng nước lên với cột nước bình quân bằng công cần tiêu hao để bơm lượng nước ấy với các cột nước thay đổi theo các thời kỳ, nghĩa là:
∑
∑= =
= n
i
i i i n
i i i
bqdh Q t Q H t
H
1 1
) . . ( . ) . ( .
. γ
γ
từ đây rút ra cột nước bình quân địa hình:
Hbqđh=
∑
∑
=
= n
i i i n
i
i i i
t Q
t H Q
1 1
) . (
) . . (
(2-2)
Trong đó: Qi, Hi là lưu lượng và cột nước địa hình tương ứng với thời kỳ ti. Các trị số cột nước địa hình Hi là hiệu số mực nước bể hút phụ thuộc vào chế độ thủy văn của sông. Để xác định cột nước bình quân địa hình ta dùng dao động mực nước sông của năm thủy văn trung bình (tần suất p = 50%) để tính toán, còn mực nước ở bể tháo phụ thuộc vào mực nước trong kênh tưới nối bể tháo. Nếu trên kênh tưới này không có công trình điều tiết đặc biệt thì mực nước trong kênh phụ thuộc lưu lượng và theo trạng thái chảy đều trong kênh. Mực nước sau trạm bơm tiêu phụ thuộc chế độ thủy văn của khu nhận nước tiêu:
- Khi khu nhận nước tiêu là sông thì mực nước phụ thuộc vào hình thức công trình chuyển nước ra sông, nếu dùng kênh hở chuyển nước ra sông thì lấy quá trình mực nước sông theo năm thủy văn trung bình trong thời kỳ tiêu nước.
- Nếu khu nhận nước tiêu là ao, hồ chừa thì phải qua tính toán điều tiết hồ để xác định quá trình thay đổi mực nước theo thời gian tiêu.
* Mực nước ở bể hút của trạm bơm tiêu phụ thuôc vào đặc tính thiết kế và chế độ làm việc của trạm bơm tiêu. Cụ thể như sau:
- Nếu trạm bơm tiêu triệt để, nghĩa là tiêu hết toàn bộ nước trong khu tiêu, thì mực nước lớn nhất trong kênh tiêu đến nhà máy phải được ấn định để tiêu hết khu tiêu, mực nước thay đổi phụ thuộc vào trị số lưu lượng được tải trong kênh. Nếu trước trạm bơm có xây bể điều tiết thì mực nước trong bể hút sẽ do khả năng điều tiết của bể quyết định. Tuy nhiên việc xây bể điều tiết phải thông qua tính toán kinh tế quyết định.
- Nếu trạm bơm chỉ yêu cầu tiêu hết một cao trình nào đó, còn lại một số diện tích vẫn để ngập. Trong trường hợp này dao động mực nước ở bể hút sẽ phụ thuộc vào diện tích và địa hình khu ngập nước, thời gian cho phép ngập và lưu lượng đến trạm.
* Nếu bơm lấy nước tưới từ kênh chính hoặc bơm tưới riêng biệt ở các hệ thống tưới tự chảy thường thiết kế kênh dẫn và kênh tháo có cùng mặt cắt khi địa chất tuyến giống nhau. Trường hợp này mọi cột nước địa hình đều bằng nhau. Còn nếu mặt cắt kênh dẫn và kênh tháo khác nhau thì cột nước địa hình bình quân sẽ lấy trung bình giữa cột nước địa hình lớn nhất (Hđhmax) n và cột nước địa hình nhỏ nhất (Hđhmin):
Hđhbq = (Hđhmax + Hđhmin)/2 (2 - 3) Công thức (2-3) cũng còn được dùng khi dao động mực nước hai bể nhỏ hơn 2m.
2. Cột nước lớn nhất và nhỏ nhất
Trong vận hành thực tế của trạm bơm, ngoài cột nước thiết kế máy bơm còn làm việc cột nước thay đổi từ thấp nhất (Hmin) đến cao nhất (Hmax), để bảo đảm máy bơm làm việc hiệu suất cao và an toàn chúng ta cần phải biết các trị số cột nước giới hạn này để tiến hành kiểm tra những thông số kỹ thuật của máy bơm:
Cột nước lớn nhất được tính theo công thức:
Hmax= Hđhmax+ hcb + hd (2 - 4) Cột nước nhỏ nhất được tính theo công thức:
Hmin= Hđhmin+ hcb + hd (2 - 5)
Trong đó các cột tổn thất cục bộ và dọc đường xác định như trường hợp thiết kế, còn các cột nước địa hình lớn nhất và nhỏ nhất xác định theo mực nước lớn nhất hay nhỏ nhất ở bể tháo (Zbt) và ở bể hút (Zbh) trong các trường hợp thiết kế và kiểm tra theo dạng công thức chung sau đây:
Hđhmax= Zbtmax + Zbhmin Hđhmin= Zbtmin + Zbhmax
Các cột nước này ta dùng kiểm tra vùng hiệu suất của máy bơm, kiểm tra khả năng phát sinh khí thực và vấn đề quá tải của động cơ. Các cột nước lớn nhất và nhỏ nhất cùng tên cũng có giá trị khác nhau khi chúng ta tính cho trường hợp thiết kế hay trường hợp kiểm tra, như ở dòng chảy thiết kế có cột nước lớn nhất, nhỏ nhất thiết kế còn khi dùng dòng chảy kiểm tra sẽ có cột nước lớn nhất và nhỏ nhất kiểm tra. Việc tính toán các trường hợp này sẽ được dùng để đánh giá toàn diện các trường hợp vận hành có thể xảy ra đối với máy bơm và trạm bơm. Ngoài ra trong một số trường hợp cụ thể như thiết kế trạm bơm tưới ở vùng cao, việc xác định trạm bơm một cấp chung cho toàn bộ khu tưới không lợi về kinh tế bằng việc thay nó bằng hệ thống gồm 2, 3 cấp... Có cách tính toán riêng chọn vị trí đặt các bể tháo của các cấp trạm hoặc so sánh kinh tế các phương án cấp trạm mà chọn, theo phương pháp tính chung.